Corrigé du TP cafetière Nespresso (format Word) (link is ... - Eduscol
Comportements caractéristiques des matériaux selon les points de vue ...
sensible provoque une hausse de température d'un corps sans en changer de
phase. ... ou d'un corps, provoque un changement de température d'une valeur
initiale, ...
part of the document
Thermodynamique
(Échange thermique)
Introduction : Cette activité est mise en ligne sur le site du CNRMAO avec lautorisation de la société ERM Automatismes Industriels, détentrice des droits de publication des nombreuses activités pédagogiques liées à la cafetière Nespresso.
Public : groupe de 4
Niveau : Terminale STI2D
Durée : 2h
Objectif enseignement transversal :
Chapitre technologie
Objectif de formation 5 : Utiliser un modèle de comportement pour prédire un fonctionnement ou valider une performance
Compétence attendue : CO5.3 : évaluer un écart entre le comportement du réel et le comportement du modèle en fonction des paramètres proposés
2.3 : Approche comportementale
2.3.2 : Comportement des matériaux
Comportements caractéristiques des matériaux selon les points de vue thermiques (échauffement par conduction, convection et rayonnement, fusion, écoulement)
Notice utilisation cafetière :
HYPERLINK "http://mesnotices.fr/manuel-notice-mode-emploi/MAGIMIX/NESPRESSO-CITIZ-_F"http://mesnotices.fr/manuel-notice-mode-emploi/MAGIMIX/NESPRESSO-CITIZ-_F
PROBLEMATIQUE : Valider le temps de chauffe théorique du corps de chauffe et sa température.
DEMARCHE PROPOSEE
Principes de la thermodynamique
Calcul théorique Simulation Réel
Comparaison, interprétation des résultats
Conclusion : Proposition de choix de solutions technologiques permettant de réduire les écarts entre le réel et la théorie.
Rappel du cours de physique sur la thermodynamique :
Définition encyclopédie LAROUSSE :
Thermodynamique : nom féminin
Branche de la physique qui étudie les propriétés des systèmes où interviennent les notions de température et de chaleur.
Chaleur : nom féminin (latin calor, -oris)
* Qualité de ce qui est chaud ; température élevée ; sensation que donne un corps chaud : La douce chaleur d'un soleil d'automne.
* Qualité d'une couleur, d'un parfum, d'une voix, etc., à la fois soutenus et attirants.
* Qualité de quelqu'un, de quelque chose qui est chaleureux, ou qui manifeste de l'ardeur dans les sentiments, de l'animation, etc. : Plaider une cause avec chaleur.
* Peintures et vernis : Qualité d'un coloris où dominent le rouge, l'orangé ou certains jaunes.
* Physique : Mode de transfert de l'énergie d'un corps à un autre qui ne correspond pas à un travail. (L'énergie ainsi transférée se nomme quantité de chaleur.)
Chaleur sensible :
La chaleur sensible provoque une hausse de température d'un corps sans en changer de phase.
La quantité de chaleur sensible, Qsens, transférée à un corps, ou d un corps, provoque un changement de température d une valeur initiale, Tin, à une valeur finale, Tfin. Ainsi,
Qsens = m . C . T = m . C . (Tfin - Tin).
où m est la masse du corps en kg, C la capacité calorifique* spécifique de la matière dont le corps est composé (définie plus bas) et T la variation de température en Kelvin causée par le transfert de chaleur.
Remarque : L'unité de mesure de température Européenne étant le Celsius, les températures données sont en Celsius. Cela n'est pas gênant car dans la formule, intervient la différence de température (Tfinale - Tinitiale). Cette différence est égale à celle constatée en Kelvin.
Dans cette équation, T sera positive si Tfin > Tin c est-à-dire si l on transfère de la chaleur au corps. Dans le cas contraire, la perte chaleur T sera négative.
Donc, la quantité de chaleur sensible, Q, sera soit positive si le corps gagne de l énergie, soit négative s il en perd dans le transfert de chaleur. Cette convention de signe permet dexprimer mathématiquement la direction de léchange de chaleur relativement au corps.
La capacité thermique (ou capacité calorifique) d'un corps est une grandeur permettant de quantifier la possibilité qu'a un corps d'absorber ou restituer de l'énergie par échange thermique au cours d'une transformation pendant laquelle sa température varie. La capacité thermique est l'énergie qu'il faut apporter à un corps pour augmenter sa température de un Kelvin. Elle s'exprime en Joule/Kg/Kelvin. Elle dépend du matériau. Plus C est grand (voir tableau ci-dessous), plus il faut dénergie pour élever la température.
Puissance :
La puissance est la quantité d'énergie fournie par un système à un autre par unité de temps. La puissance correspond donc à un débit d'énergie :
P = Q / t
avec P : puissance moyenne en Watt (W), Q énergie en Joule (J) et t durée du transfert d'énergie en seconde (s)
Rappel : 1Wh = 3600 J, 1h = 3600s donc 1Ws = 1J
Calculer le temps théorique de préchauffage du corps de chauffe.
Lors du préchauffage, l'eau est "stagnante", ce qui permet de quantifier la chaleur sensible nécessaire à sa chauffe et le temps de préchauffage.
Hypothèse :
Toute la puissance consommée est transmise en chaleur sensible (pas de pertes par rayonnement...), c'est-à-dire que toute la chaleur produite par la résistance sert à chauffer leau.
Données :
Eau dans le réservoir = 20 °C
Eau en sortie du corps de chauffe = 95 °C
Puissance de la cafetière P = 1200 W
Capacité calorifique de certains matériaux
Échange thermique
Sur le dessin en coupe ci-dessous et en fonction des modèles 3D SW fournis, indiquer par une flèche rouge le trajet de la chaleur émise par la résistance, jusqu'à l'eau.
La résistance est noyée dans une céramique (que nous devons prendre en compte : couleur gris foncé et blancs sur la coupe ci-dessous).
Indiquer le nom des composants traversés ainsi que leurs matériaux (eau incluse).
La résistance est en marron sur le dessin ci-dessous et l'eau en bleu.
Calculer pour chaque élément traversé la quantité de chaleur sensible.
- Sur SW, relever les masses de chaque solide concerné
Ouvrir le fichier pièce désiré
Vérifier le matériau dans l'arbre de création
Sous Sw2010, dans l'onglet évaluer, prendre l'outil propriété de masse.
Relever la masse.
- Retrouver, dans le tableau donné ci-dessus, la capacité calorifique de chaque élément.
Recherche des masses sur SW :
Masse de la céramique 21 g
Masse du corps 330 g
Masse de la conduite 65 g
Masse de leau 15 g
Recherche des capacités calorifiques dans le tableau :
Calcul des quantités de chaleur sensible par élément :
Céramique : Qsens ceram = 0.021*820*75 =1291 J
Corps : Qsens corps = 0.330 * 880 * 75 = 21780 J
Conduite : Qsens cond = 0.065 * 470 * 75 = 2291 J
Eau : Qsens eau = 0.015 * 4200 * 75 = 4725 J
Calculer la quantité de chaleur sensible totale.
Remarque : Les pertes étant négligées, on suppose que les températures (initiale et finale) sont identiques pour chaque solide.
La quantité totale de chaleur sensible est égale à la somme des quantités de chaleur sensible de chaque élément participant au transfert de chaleur.
Q sens = Qsens ceram + Q sens corps + Q sens cond + Q sens eau
= 1291 + 21780 + 2291 + 4725
= 30087 J
La quantité totale de chaleur sensible est égale à la somme des quantités de chaleur sensible de chaque élément participant au transfert de chaleur.
Dans notre exemple elle est de 30087 J, ce qui correspond à une quantité de chaleur sensible de 8.35 Wh (1Wh = 3600J)
Temps de préchauffage
Calculer le temps de préchauffage théorique.
La puissance est la quantité d'énergie fournie par un système à un autre par unité de temps. La puissance correspond donc à un débit d'énergie :
P = Qsens / t
avec P : puissance moyenne en Watt (W), Q énergie en Joule (J) et t durée du transfert d'énergie en seconde (s)
donc t = Qsens / P = 30087 / 1200 = 25s
La durée de transfert dénergie de la résistance à leau (temps de préchauffage théorique) de la cafetière Nespresso CITIZ est de 25 s.
Les activités suivantes nécessitent la maquette didactisée de la cafetière niveau STI2D de chez ERM (référence NES 12 et la centrale dacquisition NES 11)
Temps de préchauffage réel.
Chronométrer le temps de préchauffage réel.
Le temps de préchauffage est visualisé lors de l'allumage de la machine par le clignotement du bouton POWER.
Temps de préchauffage mesuré.
Sur le thermomètre digital en façade (cafetière didactisée) :
- Faire un relevé des températures, à l'aide de l'affichage digital, toutes les 10 secondes lors :
* de la préchauffe de l'appareil (de la mise sous tension jusqu'à la stabilisation de la température durant 10s)
* de la réalisation de 5 expressos (réalisé à la suite l'un de l'autre)
* de la réalisation de 5 Lungos (réalisé à la suite l'un de l'autre)
- Réaliser sous EXCEL, les courbes correspondantes.
Boîtier d'acquisition (en option)
- Refaire ces courbes avec le boîtier d'acquisition (si vous en possédez un, voir notice d'utilisation)
Déterminer sur la courbe les périodes de préchauffage, maintien en température, chauffe de l'expresso, du lungo.
Voici la courbe de chauffage du corps de chauffe réalisé avec le module FlowSimulation sur SW2010.
Conclusion :
Vérifier et comparer le temps de chauffe réel (boîtier d'acquisition : nécessite lachat de la cafetière didactisée avec le module dacquisition de chez ERM), chronométré (idem que précédemment), simulé (tutoriel FlowSimulation, voir cafetière didactisé ERM) et calculé.
On se rend compte que le temps de préchauffage calculé est identique au temps de préchauffage simulé avec FlowSimulation. On peut en déduire que les hypothèses de calcul émises au départ (pas de pertes au rayonnement) sont identiques pour le logiciel.
Identifier les paramètres pouvant générer les écarts s'il y en a.
Le temps de préchauffage réel est plus long environ 45 s.
$&(67¬×â êÕê¯nYGY5Y"h¥B*CJOJQJ\^Jph"h*^B*CJOJQJ\^Jph(h*^h*^B*CJOJQJ\^Jph(h*^h%B*CJOJQJ\^Jph+h*^h%5B*CJOJQJ\^Jph+h*^h%5B*CJOJQJ\^Jphÿ%h*^5B* CJOJQJ\^Jph%h%5B* CJOJQJ\^Jph)h¥5B* CJ,OJQJ\^JaJ,ph)h%5B* CJ,OJQJ\^JaJ,ph
$%&'( 2 K V W X Y ~
¡
Å
õ
÷÷òòòòêêòòòòòòòòòòòòòòòòòòò$a$gd*^gd¥$a$gd% 2 K W X Y } ìÙì¬~naQJ:* h*^5B*CJ OJQJphÿ h¥5B*CJ OJQJphÿ hPVWh¥ hÿsÊh¥OJQJ\^JaJ,h¥OJQJ\^JaJ, h¥56OJQJ\^JaJ,,hØló56B* CJ$OJQJ\^JaJ,ph,h*^56B* CJ$OJQJ\^JaJ,ph,h¥56B* CJ$OJQJ\^JaJ,ph+h%h*^5B* CJOJQJ\^Jph%h*^5B* CJOJQJ\^Jph%h¥5B* CJOJQJ\^Jph º ¼ ½ ¾ ] ^ _ ` a n q ½ ¾ ¿ Ñ ò õ
íäÞÖÒÖÌÖ¼¬
ug\Q
Q:Q-jh¢oC5CJ OJQJUmHnHtH uhD[!5CJ OJQJh¥5CJ OJQJhÿsÊh¥5CJ OJQJ hD[!5B*CJ OJQJphÿ'hç!hD[!5>*B*CJ OJQJphÿ$hÿsÊh¥5B*CJ OJQJphÿ hØló5B*CJ OJQJphÿ h*^5B*CJ OJQJphÿ
hD[!0Jh¢oCjh¢oCU
hD[!CJhD[!hD[!CJ$hD[!hD[!5B*CJOJQJphÿ ½ _ ` a ¾ ¿ Ñ Ò ò ö ÷
"
#
$
%
'
(
)
*
-
.
/
0
Z
úõõõõõõõíííííííõõõõõõõõõõå$a$gdd5ð$a$gdD[!gd¥gdD[!
!
%
&
*
,
0
Y
Z
[
\
_
k
Û
ß
à
á
â
;êßÈêßÈßÈß½ßȽ²²ß{h\N@h¥h¥6CJOJQJh¥h¥5CJOJQJh¥h¥5OJQJ$hç!h¥5B*CJOJQJphÿhç!5CJ OJQJhç!hç!5CJOJQJhD[!5CJOJQJ$h»Çh8*ù5B*CJ OJQJphÿh8*ù5CJ OJQJhd5ð5CJ OJQJ-jh¢oC5CJ OJQJUmHnHtH uhD[!5CJ OJQJ)jh¢oC5CJ OJQJUmHnHuZ
\
]
^
_
Û
Ü
Ý
Þ
ß
à
á
â
BrxÈÎÖÚÞàëØëĶ©©
©z©m©`S`S`S`Fh*^h¥CJOJQJhJ|h¥CJOJQJhJ|h¥CJOJQJh¥h¥CJOJQJh¥h¥OJQJh¥h¥6OJQJh¥h¥6CJOJQJh¥CJOJQJh¥h¥CJOJQJh¥h¥5CJOJQJ'hç!h¥5>*B* CJOJQJph I}$hç!h¥5B* CJ OJQJph I}'hç!h¥5>*B* CJ OJQJph I}"಴þ © ; F ¶ æ ç è é * + , - ¿ Á  ÷÷÷÷÷÷÷÷ëÛëë÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷$SÄ^S`Äa$gdç! $S`Sa$gdë$¹$a$gd¥à°²´LN; *B* CJOJQJph I}$hç!h¥5B* CJ OJQJph I}'hç!h¥5>*B* CJ OJQJph I}!h >ë5>*B* CJ OJQJph I}hë$¹hç!CJOJQJhë$¹CJOJQJhë$¹h¥CJOJQJ'hë$¹h¥5>*B* CJ OJQJph I}h¥h¥5CJOJQJ!h >ëh¥B*CJOJQJphÿh >ëh¥CJOJQJ h >ëh¥56CJOJQJh >ëh¥6CJOJQJ© ¶ å æ é ) * + , - ¿ À Á Ã Ï 4 9 : ; < óåØDZ~ónØanóWóWnóWJh¥h*^CJOJQJh*^CJOJQJh >ë56CJOJQJ h¥h¥56CJOJQJh¥h >ëCJOJQJh >ëCJOJQJh¥CJOJQJ"hë$¹h¥56CJ OJQJaJ +hë$¹h¥56B*CJ OJQJaJ phÿ!h >ë56B*CJOJQJphÿh*^56CJOJQJh¥h¥6CJOJQJh¥h¥CJOJQJÂ Ã Ñ ¹ å : ; < > ? Q R ý !Ö! " " "!"""÷ë÷÷÷ë÷÷÷÷÷÷ãÞÞÞ÷÷÷÷÷÷ÞÖ$a$gd¥gd¥$a$gd >ë $Ä`Äa$gd*^$a$gd¥< = > ? P R » ¼ Ó )!-!A!D!J!!!! " " " "éÞÑÁ´§§§§u§h§^§§T^Gh¥h >ëCJOJQJh¥CJOJQJh >ëCJOJQJh¥hQ_îCJOJQJhQ_îCJOJQJh¥h¥5CJOJQJ h¥h¥56CJOJQJhØlóCJOJQJh¥h¥CJOJQJhÿsÊh¥CJ OJQJ hÿsÊh¥6>*CJ OJQJhÿsÊhç!CJ OJQJh >ëhç!OJQJ,jh¢oCha6ÎOJQJUmHnHtH u " "!"""$")"*"2"q"Ê"Í"´#µ#·#Õ#3$4$5$6$êÝÐƼ²wwmZI>m4hTV[CJOJQJh:hTV[OJQJ!hTV[hTV[B*CJOJQJphÿ$h[QhTV[6B*
CJOJQJphpÀhTV[CJOJQJh¥CJOJQJh¥h¥CJOJQJ!hJ|h¥B* CJOJQJph `$hJ|h¥5B* CJOJQJph `h >ëCJ OJQJhTV[CJ OJQJh¥CJ OJQJh¥6>*CJ OJQJhÿsÊh¥CJ OJQJ*jh¢oCCJ OJQJUmHnHtH u""#"$"%"&"'"(")"*"q"©"Ê"û"C#Z#[#µ#¶#·#Õ#ð#$ $3$4$6$úúúúúúúúúúúúíúúúúúáÙÙÙÙÙÙ$a$gdTV[ $Ä`Äa$gdTV[ ^ `gd¥gd¥6$7$n$p$q$r$©$ª$«$Û$ %>%k%l%m%% &µ&¶&û&'$'¹'/(0(÷ëã÷÷×÷÷÷÷÷÷ÒÒÒÒÒÒ÷÷÷÷÷÷gd¥ $Ä^Äa$gdTV[$a$gdTV[ $Ä`Äa$gdTV[$a$gdTV[6$7$m$n$o$p$q$r$©$«$¸$Â$ä$î$%!%E%M%k%l%m%u%óàͶ¬¤óà
r
r
r
r
eUB$hJ|h¥5B* CJOJQJph ` h å5B* CJOJQJph `hç!h¥CJOJQJ$hTV[hTV[B*CJH*OJQJphÿ!hTV[hTV[B*CJOJQJphÿh >ëB*CJOJQJphÿhTV[OJQJhTV[CJOJQJ,j$h¢oCha6ÎCJOJQJUmHnHu$hHÿhTV[6B*
CJOJQJphpÀ$h[QhTV[6B*
CJOJQJphpÀhç!hç!CJOJQJu%%©% & & &´&µ&¶&·&½&Á&Ë&Ñ&Ý&ß&à&á&í&ï&ð&ñ&ú&Ø'ß'( (.(/(îÞÑĶĬ{{{{{{{jj\Nh¥B*CJOJQJphÿhTV[B*CJOJQJphÿ!hTV[hTV[B* CJOJQJph I}$hTV[hTV[B*CJH*OJQJphÿ!hTV[hTV[B*CJOJQJphÿhç!hTV[CJOJQJh¥CJOJQJhÿsÊh¥5CJ OJQJh¥h¥CJOJQJh¥h¥CJOJQJ h¥h¥56CJOJQJ!hJ|h¥B* CJOJQJph ` /(0(E(H(P(i(s(t(u() )))
))))îáÔÁ°¢°oZoK
