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Johanna Singvongsa Lycée Charlie Chaplin Ducatez Raphaël Avec l’aide de M Jeanjacquot

Année 2007-2009

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Sommaire

Partie 1 : présentation du projet 3

- Description théorique 3 - Exp. : Mesure d’énergie de condensation 4 - Exp. : Réfrigérant, colonne d’eau 5 Manipulation 5 Observations 5

Partie 2 : Etude du phénomène « Variation de la température d’ébullition de l’eau en fonction de la pression » 7

- Introduction 7 - Exp. : température d’ébullition en fonction de la pression 8

o Manipulation 8 o Résultat 9

Partie 3 : Echangeur thermique 11 - la glacière 11 - la spirale 12 - l’orgue d’aluminium 13 - Exp. : capacité d’échange thermique de la plaque 14 - Exp. : capacité d’échange thermique d’un tube 15

Partie 4 : Différence de pression 16 - la pompe 17 - la colonne d’eau 19 - Exp. : Débit de la pompe 20

Résultats des expériences et calcul théorique Parte 5 : Problème et pistes non explorée 21

- Problème 21 - pistes non explorées 23

o colonne d’eau à étage 23 o modification du projet 23

- conclusion 24

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Partie 1 : Présentation du projet

Le but du projet est la purification de l’eau (produire de l’eau potable) La méthode par vaporisation est très efficace mais elle consomme énormément d’énergie. L’intérêt consiste donc à expérimenter une manière moins gourmande en énergie.

Partant de l’hypothèse que la quantité d’énergie nécessaire à l’évaporation est la même que celle qui est dégagée lors de la condensation, l’idée consiste à créer un « cycle » ou l’énergie de condensation serait réutilisée pour une nouvelle vaporisation.

Expérience : Mesure de l’énergie de condensation (voir p 4) Il y a là alors un problème : pour que l’énergie de condensation de la vapeur puisse se

transmettre à l’eau en ébullition, il faut que la température de la vapeur soit supérieure à celle de l’eau liquide. Ce qui n’est pas possible dans les même conditions de pression car la température d’ébullition est identique à celle de condensation (à pression ambiante, θe = θc =100 °C)

La température d’ébullition étant liée à la pression, la solution consisterait donc créer une différence de pression entre les deux milieux, pour permettre l’échange d’énergie.

Expérience: Réfrigérant, colonne d’eau

L’objectif final du projet est la création d’un prototype capable de purifier l’eau en

consommant peu d’énergie. Il est composé de deux milieux de pression différente (étanche l’un de l’autre) mais séparé par un échangeur thermique. Pour la circulation de la vapeur ces deux milieux doivent être reliés par une pompe qui aura en plus pour but de créer la différence de pression.

Milieu basse pression Θe plus basse L’eau sale est évaporée

Milieu haute pression Θe plus élevé L’eau propre se condense

Compresseur Surface d’échange

Circulation de la vapeur Echange thermique

Caisson étanche

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Expérience : mesure de l’énergie de condensation

Mesure de l’énergie de condensation

Manipulation : On met dans une bouteille thermos, un volume d’eau (froide) connu. On fait évaporer de l’eau grâce au chauffe-ballon et on fait circuler la vapeur à

l’intérieur de la bouteille thermos .La vapeur se condense et libère de l’énergie qui augmente la température de l’eau. L’eau condensée est recueillie dans l’éprouvette (voir photo ci-dessus).

Après quelques minutes, on mesure cette variation de température avec le thermomètre (l’agitateur permet d’homogénéiser la température) et le volume d’eau condensé

Résultats : Volume d’eau dans le thermos : Vt = 250 mL Température initiale : T0 = 21 °C Température finale : Tf = 41 °C Volume d’eau condensée : Vc = 11 mL Analyse des résultats : Calcule de la valeur Ec = énergie produit par la condensation d’un mL d’eau ∆T = 41 – 21 = 20° Ec = ∆T * Vt * Et / Vc = 20 * 250 / 11 * Et Ec = 455Et Et = énergie calorifique d’un g d’eau = 4.2 J Ec = 1,9 kJ On sait que l’énergie nécessaire à la vaporisation d’un mL est de 2.3kJ. Les résultats sont proches. Bien sûr nos mesures sont peu précises notamment sur le

volume final et il y a également des petites pertes de chaleur mais on va accepter l’hypothèse que l’énergie de condensation est équivalente à l’énergie de vaporisation.

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Expérience : Observation de l’évaporation dans un réfrigérant

Cette expérience représente entièrement notre projet L’objectif est de réussir à vaporiser de l’eau uniquement avec l’énergie de

condensation de la vapeur. Manipulation : On produit de la vapeur dans un ballon grâce à un chauffe ballon. (1) Cette vapeur est mis en contact (thermique) avec de l’eau chaude, dans un

réfrigérant. (2). Cette eau ne circule pas. Une entrée du réfrigérant est bouchée, l’autre se termine dans le pot d’eau (3).

On fait varier la pression à l’intérieur du réfrigérant grâce à la création d’une colonne d’eau (voir schéma). La pression dépend de la hauteur H de la colonne d’eau : plus l’endroit est haut dans la colonne d’eau, plus la pression est basse. (environ 1dBar / m)

Observations : Exp1 : basse pression On pose le pot d’eau au sol pour créer une plus grande colonne d’eau. La pression dans le réfrigérant diminue. Ici, avec à peu près 1.5 m de colonne d’eau

la pression est de 0.85 Bar En diminuant la pression, on diminue également la température d’ébullition.

L’échange thermique s’effectue donc de la vapeur (100°) vers l’eau liquide qui a un palier d’évaporation plus bas.

On observe la formation de bulles le long de la paroi de contact avec la vapeur

Chauffe- ballon

H

Ballon

réfrigérant

1

2

3

6

Oservation de formation de bulles

Exp2 : haute pression On lève le pot d’eau afin que celui-ci soit au dessus du réfrigérant. La pression dans le réfrigérant augmente. En augmentant la pression, on augmente également la température d’ébullition.

L’échange thermique s’arrête quand l’eau liquide a atteint 100°. le palier d’évaporation étant plus haut, aucune évaporation n’est observée.

Observation d’absence de bulle

Cette expérience nous permet de montrer que la température d’ébullition de l’eau dépend de la pression. Nous allons à présent étudier plus en détail le phénomène et déterminer si possible le lien entre la température d’ébullition et la pression espérer.

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Partie 2 : Étude du phénomène

« Variation de la température d’ébullition de l’eau en fonction de la pression »

Pour le système fonctionne, il faut réaliser une différence de pression assez importante pour que la différence de température d’ébullition soit significative. Le prototype que nous aimerions réaliser ne saurait bien sur pas résister à des conditions extrêmes, et la différence de pression ne sera que de l’ordre du dixième de Bar. Nous avons donc essayé d’obtenir certaines informations numériques sur la variation de température d’ébullition en fonction des variations de pression seulement autour de 1 bar Pour réaliser les calculs théoriques pour le prototype, Il nous fallait donc déterminer le rapport ∆température /∆pression dans les environs de 1 Bar Nous cherchons aussi à déterminer à quel intervalle de pression le rapport serait plus avantageux. (grande différence de température pour une petite différence de pression) Exp. : température d’ébullition à haute pression Exp. : température d’ébullition à basse pression Les résultats donne un rapport de environ 3°/ dBar autour de 1 bar c’est cette ordre de grandeur que nous utiliserons pour les calculs On observe un rapport plus élevé pour une pression plus basse mais une pression plus basse signifierait également une augmentation de volume du gaz et donc une diminution de l’efficacité de la pompe. Pour le début, nous ne nous somme donc pas souciés de déterminer le meilleur intervalle et avons travaillé autour de 1 bar

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Expérience : température d’ébullition en fonction de la pression

Exp. : pression haute

Manipulation : On porte à ébullition de l’eau dans un ballon (bicol) de telle sorte que la vapeur d’eau

remplace l’air présent dans le ballon. On ferme alors hermétiquement le ballon. En installant les outils de mesure de

pression et de température. On continue alors de chauffer l’eau Le ballon étant fermé, l’évaporation va provoquer une augmentation de la pression. L’ensemble eau liquide vapeur ne peut être qu’à la température palier d’ébullition.

On mesure donc la température de l’ensemble et la pression, (le tout traité par le logiciel Synchronie)

On peut ainsi tracer une courbe représentant la température d’ébullition de l’eau en fonction de la pression.

Exp. : pression basse Manipulation : On réalise une manipulation identique à la précédente sauf que plutôt que de

continuer à chauffer, on laisse, au contraire, refroidir l’ensemble. La vapeur se condense et va provoquer une diminution de la pression

Mesure de pression

Mesure de température

Synchronie ballon

La pression diminue

Mesure de température

Mesure de pression

Synchronie

Chauffe ballon

ballon

La pression augmente

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Résultats Pour la rédaction de ce rapport nous avons refait ces expériences en les réunissant : on chauffe durant un premier temps puis on laisse refroidir. On obtient ainsi deux courbes : l’une de température l’autre de pression.

70

75

80

85

90

95

100

105

110

1 58 115 172 229 286 343 400 457

tem

péra

ture

temps

température en fonction du temps

Série1

00,20,40,60,8

11,21,4

1 56 111 166 221 276 331 386 441

pres

sion

temps

pression en fonction du temps

Série1

On chauffe durant la première minute

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On refroidit durant le reste de la mesure A partir d’environ 350s, on observe une « fuite » et nous avons ouvert le bouchon à 450s Voici la courbe obtenue après un traitement Excel de la température d’ébullition de l’eau en fonction de la pression

70

80

90

100

110

0,6 1,1

tem

péra

ture

(°)pression (bar)

température d'ébulition

Série1

Remarque : - la courbe de haute pression est obtenue deux fois c’est pourquoi on a cet aspect un peu biscornu. - En dessous de 85° il y a la fuite qui fausse les mesures. La courbe obtenue ressemble à une droite, on peut calculer son coefficient directeur D=∆θ/∆p D=(105-88.8)/(1.25-0.70) D=29 °/bar

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Partie 3 Echangeur thermique

1) La glaciaire

Nous avons commencé à construire le prototype en partant d’une glaciaire, le but du projet étant de réutiliser l’énergie de vaporisation, Il est indispensable qu’il y ait le moins de perte possible. De plus ; les deux milieux sont à température d’ébullition, l’isolation doit être autant plus efficace que la différence de température avec l’extérieur est élevée. C’est pour cela que nous avons pris une glaciaire.

Nous avons découpé et placé (de force) une plaque métallique au milieu de la glaciaire créant ainsi deux chambres entre lesquelles un échange thermique est possible, le métal étant conducteur. Pour assurer l’étanchéité de la séparation, nous avons ajouté de la colle à aquarium sur les jonctions.

L’ouverture est faite d’une plaque de plexiglas, les bords sont recouverts de jonctions de fenêtre pour garantir l’étanchéité. Cette plaque est retirable. Nous l’avons percée pour permettre la circulation et opérer des mesures

Inconvénient : La plaque de plexiglas n’est pas du tout isolante, la vapeur se condensait sur la paroi

rendant les observations impossibles et les pertes faisaient descendre la température de l’eau en dessous des températures d’ébullitions souhaitées. Nous avons essayé de mesurer l’efficacité de notre échangeur thermique et les résultats furent bien en dessous de ce que nous aurions souhaité. Il nous fallait donc augmenter la surface d’échange. Exp. : mesure d’échange calorifique, plaque métallique

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2) La spirale

Pour augmenter la surface d’échange, l’idéal est de passer du 2D (plaque) au 3D (tuyaux) pour concentrer dans un volume plus réduit une surface beaucoup plus étendu.

Nous avons pris un tube de cuivre (très bon conducteur) d’à peu près 1 m et nous l’avons tordue en une spiral capable de rentrer dans la glaciaire.

Avantage : Un tube n’as que deux petite entrées. Garantir l’étanchéité du système est donc beaucoup

plus facile

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3) l’ « orgue » en aluminium

Une autre piste pour augmenter la surface d’échange est l’alignement et l’empilement d’un très grand nombre de tuyaux dans un petit volume

(Ex : en 1 dm3, 100 tuyaux de 10 cm de long et 1 cm de large = 3000 cm2) Nous avons découpé 5 m de tube en aluminium en 25 plus petits de 20 cm et les avons

assemblés avec des plaques de plexiglas.

L’idée de départ était de créer des petites « chambres » d’un coté comme de l’autre pour faire rejoindre toutes les sorties mais nous avons abandonné car il était impossible de garantir l’étanchéité, nous pourrions par contre créer un « arbre » de tuyau pour les réunir. Exp. : mesure de capacité d’échange d’1 tube

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Expérience : mesure d’échange calorifique, plaque métallique

Manipulation : On envoie de la vapeur grâce à un erlemmeyer et une plaque chauffante dans la partie

inférieure de la glacière. On a mis dans la partie supérieure un volume d’eau connu V = 500 mL On mesure la différence de température entre les deux niveaux ainsi que l’évolution de la

température de l’eau liquide (utilisation de deux thermomètres, un en bas et un en haut) en fonction du temps.

Résultat : Nous espérions obtenir la capacité d’échange entre les deux milieux, par degrés d’écart :

C = énergie reçut par l’eau /∆ temps / différence de température entre les deux niveaux C = ∆T * 4.2*10^3 * 0.5 / ∆t / Dθ* Mais les résultats que nous avons obtenus n’étaient pas valables, Observation : La présence de bué sur la paroi de la partie supérieure laisse un doute sur l’étanchéité du système

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Exp. : mesure de capacité d’échange d’un tube

Manipulation : On utilise le même principe : envoyer de la vapeur et observer les variations de

température d’une quantité d’eau connue. Résultat : Nous avions réalisé une première expérience sans l’agitateur et la température

de l’eau était différente à l’intérieur de la bouteille thermos

. Cela remet en cause les mesures réalisées avec la plaque. Avec agitateur, - Température initiale : 27.2° température à 7min : 43° - Moyenne de différence de température : 8.8° - ∆θ=15.8° → E=23.2 kJ On trouve une capacité de 55W pour 9 degrés de différence.

20° 40°

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Partie 4 : La différence de pression

1) La pompe C’est l’élément le plus important dans le système, il permet à la fois le passage de la

vapeur d’un milieu à un autre et produit à lui seul la différence de pression. Nous avons donc créé notre pompe, partant de d’un moteur électrique et d’une seringue.

Le moteur produit un mouvement circulaire. Ce mouvement est transformé en mouvement linéaire qui détend puis comprime la seringue. A la sortie de la seringue, nous avons placé des valves qui ne laissent passer la vapeur que dans un seul sens.

Lors de la détente, la pression dans la seringue diminue et descend en dessous de celle du milieu 1, la vapeur (1) est aspiré.( la vapeur (2) est bloquer par la valve2).

Basse pression (1)

Haute pression (2)

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Lors de la compression, la pression de la seringue augmente et dépasse celle du milieu 2, la vapeur est chassée vers le milieu 2 .( l’accès au (1) est bloquer par la valve1). Il y a une limite de la fonction de la pompe, plus la différence de pression entre les deux milieux est importante, moins la pompe est efficace, et si la variation de volume dans la seringue ne permet pas d’atteindre la pression requise, la pompe devient inutile. Exp. : mesure débit de la pompe.

Basse pression (1)

Haute pression (2)

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2) Colonne d’eau Une idée qui était également intéressante, est que la différence de pression est proportionnelle à la hauteur d’une colonne d’eau. Nous pensions peut être utiliser cette propriété à la fois comme outils de mesure de pression (comme un baromètre) et comme moyen de faire passer l’eau liquide entre plusieurs milieux de pression différente sans perturber l ‘étanchéité Le principal inconvénient est que pour des différence de pression trop importante, la hauteur de la colonne d’eau (plusieurs mètre) devient difficilement gérable.

Compresseur

h

H’

L’eau passe de l’extérieur à un milieu basse pression par la colonne d’eau montante

L’eau passe du milieu haute pression à l’extérieur par la colonne d’eau descendante.

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Exp. : mesure débit de la pompe

Manipulation : On comprime de l’air venant de l’extérieur (1 bar) dans un ballon rempli d’un volume

d’eau connu (V=250mL). L’air chasse l’eau et on mesure le temps qu’il faut à la pompe pour vider le ballon.

On créer une colonne d’eau avec l’eau sortant pour produire une différence de pression entre le milieu extérieur et le ballon

Pour faciliter la mesure nous avons fait tourner la pompe lentement mais la capacité réelle est environ 10 fois plus grande

Résultat : -pour h=0 t=35s → débit = 7mL.s-1 -pour h=1m, t= 55s → débit = 4.5mL.s-1 Cela montre bien les limites de notre pompe.

h

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Bilan des expériences : Energie nécessaire à la vaporisation :

E= 80 * 4.2 + 2260 E= 2,6 106 J. L-1

Débit de la pompe pour ∆p = 0.1bar (voir exp. p suivante) D= 45 mL.s-1 Capacité d’échange d’un tube : C = 5,5 W.θ-1 … de l’orgue C = 130 W.θ-1 Variation de température d’ébullition en fonction de la pression ∆θ = 30* ∆p Calcul théorique : Pour ∆p = 0.1bar Energie que la pompe fait circuler sous forme de vapeur : P=débit*énergie de vaporisation de la vapeur par volume

P= 45*10^-3 * 2.3*10^6/(24*1000/18) P = 77 W Différence de température : ∆θ = 30* ∆p ∆θ = 3 °C Capacité d’échange d’un tube : C= ∆θ*C1

C = 16W Nombre de tubes nécessaires à la correspondance entre Pp et Pt N = P/C N = 5 Le projet devait prendre

-comme échangeur thermique : 5 tubes en aluminium - notre compresseur - une différence de pression de 0.1bar

Pour un rendement malheureusement faible environ 120mL / h Mais le rapport énergétique serait important : la pompe ne consomme que quelques W (10W au maximum ce qui donne un rendement minimal de 8*) En faisant l’hypothèse que la puissance sous forme de vapeur fournie par la pompe va tendre à s’équilibrer avec l’échange thermique : plus de pression = ↑ échange et ↓ débit → moins de pression Si on augmente la surface d’échange on diminue la différence de température nécessaire

pour l’échange thermique donc la différence de pression nécessaire sera moins importante. Le débit de la pompe augmente et le rendement est meilleur ainsi que le

rapport énergétique.

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Partie 5 : Problème / Piste non explorée / conclusion

Nous avons essayé plusieurs fois le prototype et cela n’a jamais marché. Après quelques expériences, nous avons identifié certains phénomènes qui pourraient entraver le fonctionnement : - Les pertes de chaleur restent, malgré les isolations, assez importantes, notamment lorsque l’on verse l’eau en ébullition dans le prototype, une partie s’évapore et fait chuter la température de l’eau. La solution serait de chauffer préalablement le prototype, d’envoyer de la vapeur à l’intérieur pour y remplacer l’air et d’y faire arriver l’eau par un tuyau isolant. - Problème d’étanchéité : Il nous est difficile de savoir si la différence de pression est bien réelle et s’il y a des fuites comment les repérer et les arrêter. Une autre idée serait de laisser le milieu ‘basse pression’ du prototype à 1 bar pour que les fuites à partir de là soient moins importantes et de réaliser la différence de pression qu’avec le milieu ‘haute pression’ où les problèmes d’étanchéité serait plus gérable avec la spirale. - Le problème de la pompe : lors des essais, la pompe était totalement incapable de faire circuler la vapeur. En réalité, le phénomène variation température/pression se produit à l’intérieur même de la pompe.

1 -la vapeur est aspirée

2 –Lors que l’on comprime, la vapeur se condense à l’intérieur de la pompe plus rien n’est expiré

Basse pression (1)

Haute pression (2)

Basse pression (1)

Haute pression (2)

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3 –Lors de la détente, l’eau se vaporise de nouveau, plus rien n’est aspiré… Nous n’avons pas encore trouvé de solution pour régler ce problème ci Un autre problème peu également nuire à la circulation de la vapeur, en ce qui concerne les tuyaux : Sous l’effet de la chaleur, ils deviennent plus flexibles et à partir d’une certaine pression (0.7bar), ils s’écrasent sur eux même .bouchant la circulation.

Rem : c’est peut être cela qui posait problème lors de Exp. : température d’ébullition à basse pression

Basse pression (1)

Haute pression (2)

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Piste non explorée Colonne d’eau à étages On pourrait diminuer la hauteur d’une colonne d’eau en la réalisant en plusieurs fois

Rem : Cela prendrait quand même place (en volume) car le tuyau descendant doit être suffisamment épais pour que la tension de surface soit négligeable. Autre idée de projets

Tenant compte que la condensation se produit à l’intérieur du compresseur, on pourrait imaginer que le compresseur soit lui même l’échangeur thermique. Et pour éviter que la décompression provoque une nouvelle vaporisation, il faudrait que la pompe ait un volume important et le « battement » (=alternance compression - décompression) soit assez lent pour laisser le temps de réaliser l’échange thermique. Augmentation de rendement

Il serait possible augmenter considérablement le débit de la pompe en travaillant dans des hautes pressions (plus petit volume de vapeur)

Etc…

P=A

P=A - h P=A - 2h

h

Compresseur

Milieu haute pression

Milieu basse pression

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Conclusion D’après donc nos calculs on pourrait avoir un rendement de 120 mL par heure. Ce qui nous donne 3L par jour. Si notre prototype fonctionne, ce serait suffisant pour la consommation d’une personne en eau potable. Mais resterait encore le problème de l’accumulation des impuretés (le sel si c’est pour désaniliser) et la conservation (l’eau chaude recueillie, pourrais être propice au développement des bactéries même si la température d’ébullition devrait régler ce problème). De plus la complexité et les inconvénients du à la pression semble très important pour un rendement si faible. Plus : Nous avons présenté ce projet lors de la fête de la science dans notre lycée

Réalisation de l’expérience « mesure de température d’ébullition de l’eau en fonction de la

pression » en direct avec les courbes obtenues projetées au mur

De plus nous partirons en Turquie en mai prochain pour présenter ce projet avec une autre technique de purification de l’eau basé sur le soleil.

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Le rapport PRESS’EAU est imprimé sur du papier recyclé.