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Evaporation

1°) Détermination de la contenance du bouilleur

Bouilleur vide, on relève la masse du bidon d'alimentation soit 24.6 kg. On met ensuite la pompe en marche à 100%, et on l'arrête lorsque le bouilleur est plein. On relève à nouveau la masse du bidon d'alimentation, soit 22.7 kg. La différence 24.6-22.7=1.9 kg est la masse d'eau contenue dans le bouilleur. Cette contenance doit normalement s'exprimer en volume, soit 1.9 L (masse volumique de l'ordre de 1 kg.L-1 à 20°C).

2°) Etalonnage de la pompe volumétrique d'alimentation

Pour les valeurs 25, 50, 75 et 100% de la course du piston de la pompe, on relève les différences de masse du bidon d'alimentation obtenues sur un temps donné. Le temps est choisi de façon à pomper au moins 500 g d'eau, pour que la mesure soit suffisament précise. On obtient le tableau suivant:

Course du piston % 25 50 75 100
Masse initiale kg 22.51 21.70 20.00 19.20
Masse finale kg 21.89 21.10 19.38 18.37
Temps s 900 420 300 300
Débit kg .h-1 - L.h-1 2.48 5.14 7.44 9.96

Exemple de calcul pour une course de piston de 50%
Débit massique A=(21.70-21.10)×3600/420=5.14 kg.h-1.
Le débit volumique variant linéairement avec la course du piston pour une pompe volumétrique, on extrapole la droite obtenue jusqu'au point (0;0).

Droite d'étalonnage pompe volumétrique

3°) Etude en discontinu de la chauffe du bouilleur

Le bouilleur est initialement plein et à 20°C. Au temps t=0, on applique une chauffe correspondant à 4 A, et on relève TI1 toutes les 2 minutes jusqu'à l'ébullition du bouilleur.

Temps (mn) 0 2 4 6 8 10 12 14
Intensité (A) 4 4 4 4 4 4 4 4
TI1 (°C) 20.0 34.7 47.3 59.9 72.3 83.7 93.8 99.8
Qélec kJ 105.6 105.6 105.6 105.6 105.6 105.6 105.6 105.6
Qeau kJ - 117 100 100 98 91 80 48

L'énergie électrique fournie pour chaque intervalle de 2 mn est constant car l'intensité appliquée est constante. La tension est 220 V, d'ou Qélec=UI×Δt=220×4×120=105600 J, ou Qélec=105.6 kJ.
L'énergie électrique reçue par l'eau sur un intervalle de temps s'écrit Qeau=mbouilleur×Cp×ΔTI1, soit entre 4 et 6 mn Qeau=1.9×4.18×(59.9-47.3)=100 kJ.

Commentaires sur les résultats obtenus:

  • entre 0 et 2 mn, Qeau>Qélec, ce qui est physiquement impossible. Il est vraissemblable que la température du bouilleur ne soit pas homogène à t=2 mn, d'ou une température surestimée.
  • de 2 à 12 mn, la différence Qélec-Qeau qui représente les pertes thermiques du bouilleur augmentent car la température du bouilleur augmente.

4°) Etude en continu, bilan matière et énergétique

Réalisation du bilan matière sur 30 minutes: après avoir mis le procédé en régime stationnaire, au temps t=0, on vide la recette de condensât et le cristalliseur, et on relève la masse du bidon d'alimentation.
On pèse ensuite deux bidons vides dans lesquels on collectera les phases sortantes en fin de bilan. A t=27 mn, on commence à soutirer les recettes de condensât et le cristalliseur dans leurs bidons respectifs, de façon à ce que les recettes soient vides à la fin du bilan à 30 mn. A 30 mn, recettes vides, on ferme leur vannes de vidange et on relève la masse du bidon d'alimentation. On remet les bouchons et on pèse les bidons contenant les phases sortantes.

Pour les bilans thermiques, on relève également les températures TI1, TI2, TI5 et TI7 ainsi que l'intensité à t=0, t=15 et t=30 mn du bilan. Si on est bien en régime stationnaire, ces valeurs devraient être constantes sur toute le durée du bilan. On obtient le tableau suivant:

Temps (mn) Masse A Masse V Masse B TI1 TI2 TI5 TI7
t=0 mn 15.44 0.1585 0.1430 100.0 28.9 8.8 12.1
t=15 mn 100.0 29.3 8.8 12.2
t=30 mn 13.49 0.7220 1.4955 100.0 29.5 8.9 12.1

Calcul des débits en kg.h-1:

  • A=(15.44-13.49)×60/30=3.9 kg.h-1,
  • V=(0.7220-0.1585)×60/30=1.127 kg.h-1,
  • B=(1.4955-0.1430)×60/30=2.705 kg.h-1,

Les pertes de matière s'écrivent A-B-V=3.9-1.127-2.705=0.068 kg.h-1,
Les pertes en pourcentage s'écrivent (A-B-V)/A=0.068/3.9=0.017, soit 1.7%.
Ces pertes sont faibles, elles sont dues à la précision de la balance d'alimentation.

Les flux thermiques sont calculés ci-dessous:

  • Q1=A×Cp×(TI1-20)=3.9×4.18×(100.0-20.0)=1304 kJ.h-1,
  • Q2=V×Lv(100°C)=1.127×(2535-2.9×100.0)=1.127×2245=2530 kJ.h-1,
  • Q3=DER×Cp×(TI7-TI5)=200×4.18×(12.1-8.8)=2759 kJ.h-1,
  • Q4=U×I=220×6×3600/1000=4752 kJ.h-1,
  • Q5=V×[Lc+cp×(TI2-100)]=1.127×[-2245+4.18×(29.2-100)]=-2530-334=-2864 kJ.h-1.

Au condenseur, la vapeur se condense et se refroidit à TI2, et cède Q5. L'eau de refroidissement s'échauffe et capte Q3. La différence entre les deux termes représente les pertes thermiques, d'ou le rendement ηcond=Q3/Q5=2759/2864=0.963, soit 96.3%.
Au bouilleur, le flux fourni Q4 sert d'une part à chauffer l'alimentation Q1, d'autre part à vaporiser V soit Q2, d'ou le rendement ηévapo=(Q1+Q2)/Q4=(1304+2530)/4752=0.807, soit 80.7%.
Ces rendements sont inférieurs à 1 car il y a des pertes thermiques, à la fois au bouilleur et au condenseur.