ÉPREUVE ÉCRITE N°1

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CONCOURS DE RECRUTEMENT DE PROFESSEURS DE LYCEE PROFESSIONNEL AGRICOLE

SESSION 2006

Concours : EXTERNE Section : Sciences et technologies des agroéquipements

et des équipements des aménagements hydrauliques.

Option A : Agroéquipements.

ÉPREUVE ÉCRITE N°1

Sciences et techniques des équipements et des machines

(Coefficient : 3 - Durée : 4 heures)

Matériel(s) et document(s) autorisés : Calculatrice

Rappel : Au cours de l’épreuve, la calculatrice est autorisée pour réaliser des opérations de calculs,

ou bien élaborer une programmation, à partir des données fournies par le sujet. Tout autre usage est interdit.

Le sujet porte sur divers aspects scientifiques et technologiques concernant une serre : système pluritechnique qui permet non seulement de s'affranchir des aléas climatiques mais également de mieux maîtriser les différents facteurs de production, notamment l’arrosage et la température. Le document n°1 présente de façon simplifiée ce système pluritechnique associé à une production horticole réalisée sous quatre compartiments (chapelles) juxtaposés. Il indique certaines caractéristiques de celui-ci. La micro-aspersion est utilisée pour l'arrosage. Le chauffage est réalisé à partir de deux types d'échangeurs à circulation d'eau. Le premier "à basse température" (20-40 °C) est localisé au niveau du sol ("paillage radiant") ; le second "à haute température" (50-70 °C) permet de pulser de l’air dans les chapelles (‘‘aérotherme’’). La chaufferie est située en contrebas de la serre. La température ambiante est régulée en fonction de la température de consigne imposée par les contraintes culturales. La prise en compte des contraintes environnementales et l’augmentation croissante des coûts énergétiques conduisent à optimiser la régulation du chauffage, à valoriser les énergies renouvelables et à limiter les rejets polluants. On abordera ces problématiques à partir de :

- l’étude fonctionnelle de la chaufferie (Partie N°1 : 08 points/40), - le dimensionnement et le choix des équipements de chauffage (Partie N°2 : 08 points/40), - l’étude du fonctionnement du sous-système de chauffage (Partie N°3 : 06 points/40), - l’étude du sous-système d’arrosage dans les chapelles (Partie N°4 : 12 points/40), - l’étude de la structure d’une ferme d’une chapelle (Partie N°5 : 06 points/40).

Ces 5 parties peuvent être traitées séparément.

TRAITER LES CINQ PARTIES INDÉPENDANTES SUR DES FEUILLES SÉPARÉES

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Partie N°1 Étude fonctionnelle de la chaufferie

(08 points/40) 1.1 Le document n°2 représente de façon simplifiée une chaufferie type dans laquelle la chaudière est

équipée d’un récupérateur.

1.1.1 Réaliser l’analyse fonctionnelle d’une chaudière (fonctionnant au fioul ou au gaz) en vous limitant à la représentation du niveau (A-0) de la méthode SADT.

1.1.2 Citer et expliciter brièvement la fonction du récupérateur. 1.1.3 Décrire brièvement le fonctionnement de la ‘bouteille de mélange’.

1.2 Les documents n°3 et n°4 représentent un brûleur à fioul.

1.2.1 Citer et identifier les différents sous-ensembles du brûleur. 1.2.2 Réaliser le diagramme de décomposition fonctionnelle (FAST) du brûleur.

Partie N°2 Dimensionnement et choix des équipements de chauffage

(08 points/40) Dans les différentes chapelles définies dans le document n°1, on souhaite maintenir une température de 20°C avec une humidité relative de 70%. En période de culture, les contraintes dues au climat sont les suivantes :

- température de l’air : - 8 °C - humidité relative de l’air : 80 % - température du sol (à l’intérieur de la serre) : +10°C

Formulaire et consignes :

• Pour l’estimation des déperditions calorifiques, on négligera les échanges par rayonnement, l’influence des vents et l’orientation de la serre.

• Pour l’estimation des déperditions calorifiques dues au renouvellement de l’air dans la serre, on utilisera le diagramme psychrométrique (document n°7), et la formule suivante :

D = r . V . ivH∆

Avec D : déperdition journalière par renouvellement d’air (kJ) r : taux horaire de renouvellement d’air = 0,5 V : volume de la serre (m3) ∆ H : variation d’enthalpie de l’air (kJ.kg-1) vi : volume spécifique de l’air intérieur (m3. kg-1)

• Le fioul a les caractéristiques suivantes : - PCI : 42 000 kJ.kg-1

- masse volumique : 820 kg.m-3. 2.1 Citer les différents modes de transferts thermiques. 2.2 Calculer les déperditions calorifiques du sous-système ‘serre‘ (quatre chapelles juxtaposées).

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2.3 Dans les 2 cas suivants : • Cas 1 : la chaudière n’est pas équipée d’un récupérateur. • Cas 2 : la chaudière est équipée d’un récupérateur à condensation (TOTALECO) avec un retour

d’eau à 25°C. et en considérant que :

- le besoin énergétique maximum correspond à une puissance de l’ordre de 700 kW, - la chaudière fonctionne avec un taux de charge de 100%.

Choisir (à l’aide des documents n°5 et n°6) les équipements les mieux adaptés pour chaque cas. Calculer la consommation horaire des équipements choisis dans chaque cas.

2.4 Les chaudières équipées d’un récupérateur à condensation peuvent avoir des effets négatifs sur les

équipements et sur l’environnement.

Citer le combustible le mieux adapté à cette technologie de récupération d’énergie. Justifier la précaution figurant dans la notice du constructeur : « Ce récupérateur n’est pas garanti pour l’utilisation au FOD et au fioul lourd ».

2.5 Les chaudières au fioul peuvent fonctionner à l’aide de biocarburant (exemple : huile de colza)

Citer 2 adaptations technologiques nécessaires pour assurer un fonctionnement efficace de la chaudière.

Partie N°3 Fonctionnement du sous-système de chauffage

(06 points/40) L’annexe n°1 représente partiellement le schéma du sous-système de chauffage dont les échangeurs (basse pression et haute pression) sont alimentés par des circulateurs (électropompe à faible Hauteur Manonétrique Totale). Ce sous-système comprend notamment, les composants suivants : 1 chaudière, 1 récupérateur, 1 ballon d’expansion (qui permet de maintenir une pression constante dans le circuit et d’absorber les variations de volume dues aux changements de température), 5 circulateurs (C0, C1, C2, C3, C4), 4 sondes de température (ST1, ST2, ST3, ST4), 3 capteurs de niveau (NH : Niveau Haut, NB : Niveau Bas, NAL : Niveau de déclenchement de l’ALarme), 3 électro-vannes (V3V1, V3V2, EV) et 1 composant repéré par la lettre A.

3.1 Compléter le schéma ébauché sur l’annexe n°1 (à rendre avec la copie)..

3.2 Nommer et expliquer la fonction de l’équipement repéré sur le schéma par la lettre A. 3.3 Justifier le montage en série du circulateur C0 avec C1 ou C2. 3.4 Citer les composants permettant de réguler la température ambiante.

Présenter, à l’aide d’un schéma simplifié, le fonctionnement de cette régulation. 3.5 Citer les composants associés au fonctionnement automatique du ballon.

Expliquer, à l’aide d’un GRAFCET du point de vue ‘partie opérative’, le fonctionnement automatique du ballon et du (ou des) composant(s) associé(s).

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Partie N°4 Étude du sous-système d’arrosage

(12 points/40) L’alimentation en solution nutritive du réseau de micro-aspersion est représentée de façon simplifiée sur le document n°1 (partie A à D). On souhaite que le débit minimum soit de 18 m3.h-1 et que la pression relative en D soit voisine de 3,8 bars. De plus, la vitesse dans les conduites doit être comprise entre 1,2 et 2m.s-1. Ce réseau a les caractéristiques suivantes :

- Electropompe : IRIS 20 N°2 - 5,5 kW (voir caractéristiques de la pompe sur le document n°8) - Conduite d’aspiration : Longueur = 2 m, Diamètre extérieur = 90 mm, Epaisseur = 10,1 mm - Conduite de refoulement (CD) : Longueur = 60 m, Diamètre extérieur = 90 mm, Epaisseur = 10,1 mm

La pompe est entraînée par un moteur asynchrone triphasé qui est alimenté par un réseau électrique : 230 V ; 400 V ; 50 Hz. La plaque signalétique du moteur électrique donne les indications suivantes :

5,5 kW 400 V 10,9 A292 tr/min 700 v cos ϕ 0,88 Rendement 0,83

Pour la mise en marche du moteur, on utilise un démarrage étoile-triangle représenté partiellement sur les annexes n°2 et n°3. Formulaire et consignes :

• Formule de Lechapt&Calmon : j = 1,045. Q1,86. D-4,93. L Avec j : perte de charge linéaire en mCE ;

Q : débit en m3.s-1 ; D : diamètre intérieur en m ; L : longueur de la canalisation en km.

• Les pertes de charge singulières (js exprimées mCE) seront calculées à partir de l’expression :

js = K 2U

2.g

Avec U : vitesse moyenne en m.s-1 K = 20 pour la conduite d’aspiration K = 10 pour la conduite de refoulement

4.1 Justifier le choix du diamètre extérieur 90 mm. 4.2 Justifier le choix de la pompe IRIS 20 N°2 - 5,5 kW. 4.3 Sur l’installation réelle, on mesure un débit de fonctionnement de 24 m3.h-1, une pression relative

en B de - 0,2 bar, une pression relative en C de 4,8 bars.

4.3.1 Nommer les appareils de mesures utilisés. 4.3.2 Justifier littéralement la différence entre le débit souhaité et celui mesuré. 4.3.3 Justifier approximativement qu’il n’y a pas risque de cavitation de la pompe.

4.4 Citer la fonction du composant repéré par Q1 sur l’annexe n°2. 4.5 Compléter le circuit de puissance ébauché sur l’annexe n°2 (à rendre avec la copie). 4.6 Compléter le circuit de commande ébauché sur l’annexe n°3 (à rendre avec la copie). 4.7 Calculer la valeur de l’intensité de réglage du dispositif de protection thermique repéré par F2 sur

l’annexe n°2.

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Partie N°5 Étude de la structure d’une ferme d’une chapelle

(06 points/40) Une chapelle, supposée être un système isolé, est constituée d’un toit en verre horticole supporté par une structure métallique en acier galvanisé (charpente de type ‘treillis articulé’ , 4 poteaux creux). Les caractéristiques principales de cette structure sont définies dans les documents n°1 et n°9. Dans la région, en période hivernale exceptionnelle, l’épaisseur de neige peut atteindre 20 cm. Formulaire et consignes :

• Considérer que le poids de la toiture enneigée est uniformément réparti (application des efforts verticaux).

• Les parois de la chapelle ne sont pas ‘porteuses’ • Masse volumique de la neige : 500 kg.m3

• Ne pas tenir compte : - du poids de la structure métallique - des parois de la chapelle (non ‘porteuses’)

• Contrainte maximale en compression de l’acier galvanisé : Rc : 200 M.Pa

5.1 Citer et expliquer 3 avantages (ou intérêts) d’une charpente de type ‘treillis articulé’.

5.2 Calculer le poids de la toiture enneigée. 5.3 Calculer la réaction sur un des poteaux.

Préciser son sens et sa direction. 5.4 Vérifier que la contrainte de compression due à la toiture enneigée sur un poteau est acceptable.

Citer et justifier les autres vérifications nécessaires. 5.5 Déterminer les efforts dans les barres AL, AB et LB d’une des fermes de la charpente.

Préciser le sens et le module (intensité).

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Document N°1 Schéma de principe du système pluritechnique

(A partir document LEGTA Le Fresne)

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Document N°2 Schéma de principe d’une chaufferie

(D’après document Guillot)

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Document N°3 Vue d’ensemble d’un brûleur à fioul

(D’après document Weishaupt)

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Document N°4 Dessin d’ensemble d’un brûleur à fioul

(D’après document Weishaupt)

X1

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Document N°5 Caractéristiques de la chaudière

(D’après document Guillot)

Caratéristiques générales R

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Rendement de combustion

40 60 80 100 Taux de charge ( % )

96

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93

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Document N°6 Caractéristiques thermiques du récupérateur à condensation

(TOTALEACO) (D’après document Guillot)

Détermination du TOTALECO

Le récupérateur à condensation TOTALECO est conçu pour être installé avec une chaudière dont lapuissance correspond aux limites indiquées ci-dessous :

Rendement de l’ensemble ‘Chaudière-Récupérateur’ en fonction de la puissance ‘chaudière’ choisie par rapport au TOTALECO

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Document N°7 Diagramme psychrométrique

D’après carrier

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Document N°8 Courbes caractéristiques de la pompe

(D’après document KSB/Guinard)

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Document N°9 Structure d’une ferme


25°25°

A°

L

B C D E°

F

G°

9600°

H°

I

J

K°

TOITURE Verre Horticole

CHARPENTE ‘Trellis’

POTEAU

Légende : Structure d’une chapelle

Longueur : 50 m, largeur : 9,6 m Inclinaison toiture : 25° 11 fermes équi-réparties

Structure d’une ferme Charpente de type ‘treillis’ (système triangulé)’ 22 poteaux creux Parois non ‘porteuses’ AB = BC = CD= DE =EF = FG

Verre Horticole : Epaisseur : 4 mm Conductance globale : 7 W.m2.C-1

Masse volumique : 2500 kg.m3

40 60

60 2 Coupe

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MINISTERE DE L’AGRICULTURE

Nom : CONCOURS : (en majuscules) Spécialité ou option : Prénoms : EPREUVE : Date de naissance : 19 Centre d’épreuve : Date :

(à compléter et à rendre avec la copie) ANNEXE N°1

A


N° ne rien inscrire

Schéma du sous-système de chauffage

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CIRCUIT DE PUISSANCE DE L’ÉLECTROPOMPE

U2

V2

W2

U1

V1

W1

L2 L3 L1

KM2

Q1

F2

KM3 KM1

M 3 ∼

Légende :

KM1 : Contacteur étoile KM2 : Contacteur principal KM3 : Contacteur triangle


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CIRCUIT DE COMMANDE DE L’ÉLECTROPOMPE

F1 Q1

F2

AT

MA

KM1 KM2 KM3


Documents

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