Epreuve pratique appliquée à la procrastination Perraud Alexandre epAP La sorbetière 21/11/13 Epreuve pratique appliquée à la procrastination

Étude d’un support Étude fonctionnelle Résultats d’expérimentation Résultats de modélisation Perraud Alexandre 21/11/13

Sorbetière La machine à sorbets Énergie Liquide aromatisé Sorbets Perraud Alexandre 21/11/13

La machine à sorbets Sorbetière Liquide aromatisé Sorbets Qf Fluide Réservoir, Malaxeur Liquide aromatisé Sorbets Qf Fluide Détendeur Évaporateur Fluide Fluide Condenseur Compresseur Fluide Perraud Alexandre 21/11/13

La machine à sorbets Plusieurs points peuvent être intéressant à développer : Point de vue énergétique (Bilan complet) Point de vue éco-conception (Influence du choix du gaz caloporteur…) Perraud Alexandre 21/11/13

Bilan de puissance Séparons la machine à sorbets en sous-ensemble : La commande Le malaxeur Le compresseur Ventilateur Les transferts thermique dans le réservoir Perraud Alexandre 21/11/13

Hypothèse de travail Tout au long de l’étude, nous supposerons que : Toutes les pertes (thermiques, électriques, mécaniques) sont négligeables La constante de temps thermique du fluide caloporteur et de la paroi métallique sont très petites devant celle de l’eau Perraud Alexandre 21/11/13 .

Bilan de puissance électrique Nous mesurons les puissances fournies au malaxeur : (U,I) = (232 V ; 0,296 A) et P = 31,5 W au ventilateur : (U,I) = (232 V ; 0,2 A) et P = 3,6W au compresseur : (U,I) = (232 V ; 0,66 A) et P = 100,5W On en déduit une puissance électrique totale de 135,6 W Perraud Alexandre 21/11/13

Modélisation du problème thermique Nous pouvons alors modéliser le cycle thermique sous les hypothèses : 1 −> 4 : transformation isobare 4 −> 3 : transformation isentropique 3 −> 2 : transformation isobare 2 −> 1 : transformation isentropique 2 3 1 4 Perraud Alexandre 21/11/13

Mesures de température Nous utilisons une sonde de température relié à un voltmètre : Nous calculons une constante de temps de l’ordre de : τ= 15,5 min Perraud Alexandre 21/11/13

Bilan thermique Cette modélisation du cycle thermique nous permet de définir l’efficacité de la machine thermique : L’application de l’inégalité de Clausius permet de fournir une efficacité maximale : Perraud Alexandre 21/11/13

Modélisation des transferts thermiques À l’aide du logiciel Matlab Simulink, nous modélisons le système thermique : Propriétés : h = 20 à 100 Wm-2·K-1 Tc = 23 °C Tf = -27 °C Perraud Alexandre 21/11/13 .

Modélisation des transferts thermiques Nous obtenons alors deux courbes représentant les extrema : Nous calculons deux constantes de temps : τ1= 13,3 min τ2= 80 min Perraud Alexandre 21/11/13

Conclusion de l’étude du support Les mesures précédentes permettent de calculer une puissance thermique : mesurée : modélisée : Nous obtenons alors un rendement : réel : 26 % modélisé : 5,3 % à 38 % Perraud Alexandre 21/11/13

Séquence pédagogique Étude d’un modèle de comportement en classe de 1ère STI2D Perraud Alexandre 21/11/13

Étude d’un modèle de comportement Niveau : Classe de 30 élèves de 1ère STI2D Heures allouées : 9 2ème trimestre, avant le mini-projet (février-Pâques) Objectifs : Approche comportementale (CO5) Perraud Alexandre 21/11/13

Pré-requis Physique-chimie : Mathématiques Formation transversale Formes de l’énergie Principes de base de la dynamique des fluides et de la thermodynamique appliqués aux systèmes techniques Mathématiques Loi normale, moyenne et écart-type Formation transversale Comportement énergétique des systèmes (2.3.5\BO-11/3/2011) Conservation d’énergie, pertes et rendements, principe de réversibilité (Taxonomie 3) CO4.1 et CO4.3 (Taxonomie 2) Perraud Alexandre 21/11/13

Utilisation d’un modèle comportemental AP 4h dédoublé en binôme/trinôme (15 élèves), faisant office de AP découverte d’un modèle comportemental. Supports possibles Sorbetière Banc didactique soufflerie chauffée Panneau solaire Éolienne Boite de vitesse ( ≈ engrenages) 1h30/2h sur un tp puis on change, histoire de garder l’élève intéressé, car finalement, il ne manipule que peu Perraud Alexandre 21/11/13

Objectifs et progression de cet AP Les élèves auront les différents modèles fournis : ils seront préalablement ajustés les élèves n’auront pas accès aux paramètres de réglages Les objectifs sont : la familiarisation de l’élève avec les modèles de comportement justifier leurs utilisations : Modèle simple ajusté VS réel Perraud Alexandre 21/11/13

Utilisation des supports Utilisation possible de la sorbetière le modèle de comportement avec des paramètres corrects est fourni sous forme de bloc simulink La courbe de simulation est fournie, de même qu’une courbe de mesure (potentiellement faite par les élèves) Comparaison entre ces deux courbes Perraud Alexandre 21/11/13

Identification des paramètres du modèle AP 4h dédoublée en binôme/trinôme (15 élèves), les élèves sont maintenant familier avec les modèles comportementaux Les objectifs sont : identifier les paramètres du modèle, les relier à des éléments du supports acquérir un certain sens physique/pouvoir l’appliquer au modèle mettre en garde l’élève sur l’utilisation non réfléchie d’un modèle de comportement modèle VS réel Perraud Alexandre 21/11/13

Supports utilisables Même types de support que le AP précédente Exemple d’îlot de travail sur la sorbetière L’élève pourra être confronté à des problèmes comme : faire la relation entre une hypothèse et son impact sur le modèle la mesure sera fournie (potentiellement faite par l’élève) les paramètres qu’il devra identifier seront la masse de fluide, le type de fluide, la température ambiante et demandée le modèle de comportement est fourni sous forme de bloc simulink, directement modifiable Perraud Alexandre 21/11/13

Supports utilisables Même types de support que pour l’AP précédente. Par exemple la sorbetière : le modèle de comportement est fourni sous forme de bloc simulink, directement modifiable la mesure sera fournie (potentiellement faite par l’élève) les paramètres qu’il devra identifier seront la masse de fluide, le type de fluide, la température ambiante et demandée L’élèves pourra être confronté à des problèmes comme : faire la relation entre une hypothèse et son impact sur le modèle (ie l’erreur qu’elle inflige) Bloc plus pédagogique/plus simple à comprendre car visualisation des flux plus concrets qu’a travers des équations Perraud Alexandre 21/11/13

Cours de consolidation de connaissance (1h) Le professeur s’assure que les connaissances acquise en AP sont bien celles correspondantes aux compétences (CO4.1 et CO4.3) Evaluations proposées : Évaluation diagnostique au cours des AP, qui permettra la création d’une séance de consolidation plus adapté aux problèmes spécifiques d’une classe Inclusion de l’utilisation de modèle de comportement lors du mini-projet permet une évaluation sommative des connaissances à posteriori Perraud Alexandre 21/11/13

Conclusion À la fin de la séquence, l’élève doit être capable de : définir, utiliser les termes relatifs aux modèles comportementaux Compétences abordées « Identifier et caractériser les fonctions et les constituants d’un système ainsi que ses entrées/sorties » « Identifier et caractériser le fonctionnement temporel d’un système » Perraud Alexandre 21/11/13

Merci de votre attention Avez vous des questions ? Perraud Alexandre 21/11/13