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Bac - S-SI - Métropole - septembre 2017

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BACCALAURÉAT GÉNÉRAL SÉRIE SCIENTIFIQUE ÉPREUVE DE SCIENCES DE L’INGÉNIEUR Session 2017 _________ 17SISCMLR3 Durée de l’épreuve : 4 heures Coefficient 4,5pour les candidats ayant choisiCoefficient 6les candidats ayant choisi pour un enseignement de spécialité autre quel’enseignement de sciences de l’ingénieur sciences de l’ingénieur.comme enseignement de spécialité. Aucun document autorisé. Calculatrice autorisée, conformément à la circulaire n° 99-186 du 16 novembre 1999. Dès que le sujet est remis, assurez-vous qu'il est complet. Ce sujet comporte 25 pages numérotées de 1 sur 25 à 25 sur 25. Les pages 24 et 25 sont à rendre avec la copie. Page 1 sur 25 1 2 3 Serre d’élevage de graines de cyclamen Constitution du sujet 17SISCMLR3 Texte…………………………………………………………….……………….…..Page 3 Documents techniques……………………………………………….…….......Page 20 Documents réponses……………………………………………...….…….......Page 24 Le sujet comporte 25 questions. Les documents réponses DR1 et DR2 pages 24 et 25 sont à rendre avec la copie. Page 2 sur 25 17SISCMLR3 1. Présentation La société SCEA de Montourey, filiale de MOREL Diffusion, est implantée à Fréjus (83). Elle a développé des serres automatiques pour l’élevage de graines de cyclamen. Il 2 s’agit d'un établissement de recherche avec une surface de 30 000 mde serres. L’étude sera menée sur une serre dans laquelle sont élevées des graines en phase de germination.

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Publié par	delamontagne
Publié le	02 mai 2018
Nombre de lectures	22
Langue	Français
Poids de l'ouvrage	2 Mo

Extrait

BACCALAURÉAT GÉNÉRAL

SÉRIE SCIENTIFIQUE

ÉPREUVE DE SCIENCES DE L’INGÉNIEUR

Session 2017

_________

17SISCMLR3

Durée de l’épreuve : 4 heures Coefficient 4,5pour les candidats ayant choisiCoefficient 6les candidats ayant choisi pour un enseignement de spécialité autre que l’enseignement de sciences de l’ingénieur sciences de l’ingénieur. comme enseignement de spécialité. Aucun document autorisé. Calculatrice autorisée, conformément à la circulaire n° 99-186 du 16 novembre 1999.

Dès que le sujet est remis, assurez-vous qu'il est complet. Ce sujet comporte 25 pages numérotées de 1 sur 25 à 25 sur 25.

Les pages 24 et 25 sont à rendre avec la copie.

Page 1 sur 25

1 2 3

Serre d’élevage de graines de cyclamen

Constitution du sujet

17SISCMLR3

Texte…………………………………………………………….……………….…..Page 3 Documents techniques……………………………………………….…….......Page 20 Documents réponses……………………………………………...….…….......Page 24

Le sujet comporte 25 questions.

Les documents réponses DR1 et DR2 pages 24 et 25 sont à rendre avec la copie.

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17SISCMLR3

1. Présentation La société SCEA de Montourey, filiale de MOREL Diffusion, est implantée à Fréjus (83). Elle a développé des serres automatiques pour l’élevage de graines de cyclamen. Il 2 s’agit d'un établissement de recherche avec une surface de 30 000 m de serres. L’étude sera menée sur une serre dans laquelle sont élevées des graines en phase de germination. La germination est la première phase du développement pendant laquelle le cyclamen passe de l'état de graine à l'état de jeune plan. Après la germination le plan est transféré dans une autre serre. Un système de supervision pilote l’ensemble de l’installation : les serres, le laboratoire, les bureaux, les extérieurs, la circulation des fluides et la sécurité.

Les graines sont issues de mini-cyclamens. Afin de germer dans des conditions optimales, les graines de cyclamen doivent être plantées dans un substrat (mélange de terreau et de petits graviers) dont le taux d'humidité est contrôlé. Ce substrat est placé dans des caissettes alvéolées d’un diamètre de 2 cm en polystyrène expansé. La température sous serre ne doit pas descendre sous une certaine valeur. De même, une température trop élevée est à proscrire. La loi « Grenelle II » du 12 juillet 2010 porte un engagement national pour la préservation de l'environnement. Les serres installées à Fréjus doivent répondre aux normes imposées par cette dernière, ainsi qu’à la législation en vigueur quant à la protection du personnel. Le cahier des charges ci-dessous s'inscrit dans cette démarche (figure 1).

Contraintes liées à l’élevage de graines de cyclamen Fonctions à réaliser Critères Arroser de façon Arrosage raisonné afin d’éviter le développement de champignons optimale et mais suffisant pour assurer l’alimentation en eau de la graine. autonome La masse du substrat doit être inférieure de 2 % à sa masse saturée en eau et supérieure de 20 % à sa masse à sec. Contrôler la Température ambiante sous serre idéale d'élevage : 14 °C. température et la Température ambiante minimale : 8 °C. luminosité Température maximale admissible : ne pas dépasser 30 °C pendant plus de 3 h. Limiter les rejets de Une baisse de 25 tonnes équivalent carbone du rejet carbone par CO2rapport à une exploitation classique (l'équivalent carbone est la mesure des émissions de gaz à effet de serre) Assurer la sécurité Interdire toute fermeture intempestive des ouvrants en cas de défaillance de l'actionneur. Figure 1 : extrait du cahier des charges

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Le chef de l'entreprise souhaite obtenir un label « agriculture pour l'avenir ». L'étude qui suit a donc pour objectif de repérer les dispositifs mis en place dans les serres permettant d’optimiser l’élevage des graines de cyclamen dans une démarche d’agriculture durable.

2. Justification de l'utilisation d'écrans thermiques

Objectif de cette partie : évaluergain énergétique et l’impact sur l’environnement le induits par l'utilisation d'écrans thermiques sur l’exploitation.

Les serres protègent les cultures des aléas climatiques et exploitent le rayonnement solaire naturel. Cependant, la baisse de température durant la nuit impose l’utilisation d’un chauffage au gaz. L'installation est équipée de deux chaudières à gaz. Sans écran thermique, la -2 consommation énergétique d’une chaudière est de 350 kWhan.m par Une chaudière consomme 23,8 kg de gaz pour fournir 1 MWh. La combustion d'une tonne de gaz correspond à un rejet dans l'atmosphère de 0,956 tonnes équivalent carbone.

Des écrans thermiques en fil de polyester ont été installés. La nuit, ils permettent une économie énergétique en limitant la déperdition de chaleur. Des relevés ont fait apparaître que la mise en place de cet équipement a permis de baisser de 7 % la consommation d’énergie liée au chauffage.

Figure 2 : écrans thermiques Q1. Calculer le gain en MWh réalisé sur la consommation énergétique par la société SCEA de Montourey par an.

Q2. Calculer le rejet carbone qui ne sera pas produit en utilisant des écrans. Déterminer en équivalent carbone le rejet de la serre équipée d’écrans thermiques.Concluresur le respect du cahier des charges.

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3. Étalonnage du système d’arrosage

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Objectif de cette partie : vérifierle respect du cahier des charges concernant la fonction « arroser de façon optimale et autonome ».

Masses limites de l’ensemble caissette et substrat

Les graines germent dans un substrat placé dans les alvéoles d’une caissette. Plusieurs arrosages à l'eau sont nécessaires afin de conserver un taux d’humidité propice à l’élevage des plants.

Une référence, composée d’une caissette remplie de substrat, est placée sur une balance afin de suivre l’évolution de sa masse tout au long de l’élevage. L’arrosage de l’ensemble de la serre est déclenché en fonction de la masse de cette référence.

Hypothèse : la masse de la graine (puis du plant) est négligeable par rapport aux masses mises en jeu.

Données : –masse de la caissette videmc= 44 g ; −3 –volume du substratVs= 1,1×;10 m³ −3 –masse volumique du substrat saturé en eaueau= 1 110 kg⋅m ; ρ −3 –masse volumique du substrat secsec= 800 kg⋅m . ρ

Le cahier des charges (voir figure 1) est rappelé ci-dessous : –% à sa masse saturée en eau afinla masse du substrat doit être inférieure de 2 d’éviter le développement de champignons ; –la masse du substrat doit être supérieure de 20 % à sa masse à sec afin d’assurer l’alimentation en eau de la graine.

Q3. Calculermasse de démarrage la mdem,la masse d’arrêt et marrêt de la caissette de référence qui conditionnent la mise en route et l’arrêt du système de goutte à goutte.

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Dimensionnement du convertisseur analogique-numérique (CAN)

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Figure3:chaîned’acquisitiondelamassedelacaissettederéférence

La figure 3 présente la chaîne d'acquisition de la masse de référence. La technologie de la balance met en œuvre un capteur à jauge de déformation. La tension fournie par la balance est proportionnelle à la déformation de la jauge. Un convertisseur analogique-numérique (CAN) convertit l’information pour la transmettre à l’automate. Afin de mesurer précisément la masse de la référence posée sur la balance, la valeur du mot binaire fournie par le convertisseur analogique-numérique (CAN) doit être précise à 15 grammes près.

Q4. Déterminernombre de bits du convertisseur analogique-numérique le permettant d’écrire le mot binaireN.En déduireles valeursNdemetNarrêtdes mots binaires à envoyer à l’automate.

Validation du cahier des charges

La figure 4 représente l’évolution de la masse de la caissette de référence à partir de mesures effectuées en continu sur la balance pendant 4 jours.

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Masse de référence (en g)

1240 1220 1200 1180 1160 1140 1120 1100 1080 1060

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Temps Figure 4 : évolution de la masse de la caissette de référence en fonction du temps Q5.À partir du relevé fourni sur la figure 4,conclurequant au respect du cahier des charges et quant à l’optimisation des arrosages.

4. Dimensionnement du système de régulation de température

Objectif de cette partie : justifier etvaliderd'une ventilation naturelle. l’implantation Dimensionner l'actionneur de l’installation.Validerpistes d’amélioration du contrôle des de la température dans la serre.

Modélisation d'une serre sans système d'ouverture

En première approche, l'étude portera sur une serre dépourvue de systèmes d'ouvrants. La période de l'année retenue est le mois d'avril, le printemps étant la saison d'élevage la plus intense. Le modèle multiphysique permettant de prédire la température de la serre est fourni sur le document technique DT1. La conduction est le mode de transfert de chaleur existant dans un milieu donné qui se réalise sans déplacement de matière. Le rayonnement est une transmission de chaleur provoquée par la différence de température entre deux corps sans contact physique, mais séparés par un milieu transparent tel que l'air ou le vide. La convection désigne l'ensemble des mouvements qui animent un fluide. Elle est caractérisée par un coefficient, appelé « coefficient de convection », qui dépend de la nature du fluide, de sa température et de la manière dont il s'écoule. L’inertie thermique d’un matériau peut être définie comme sa capacité à emmagasiner de la chaleur en un temps donné, pour la restituer ensuite.

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Un schéma de principe des échanges thermiques dans la serre est fourni figure 5.

R a y o nn s o em l a i ent r e

Température extérieure

Convection interne

Inertie air sous serre

Conduction verre Convection exterCnoenvection interne

Conduction terre

Inertie terre

Figure 5 : schéma de principe des échanges thermiques

Des valeurs des coefficients de convection notéshsont indiquées figure 6. W Intervalle deh[ ] Type de fluide (m²⋅K)

eau

huile

hydrogène

air comprimé

air atmosphérique

hydrocarbure

fréon

250 à 1000

100 à 1000

150 à 300

22 à 500

3 à 11

250 à 300

1500 à 3500

Figure 6 : valeurs typiques de coefficients de convectionh

Q6.À partir des figures 5 et 6,choisirun intervalle de valeurs pour le coefficient de convection externe de la serre afin de renseigner le modèle multiphysique. À partir de relevés météorologiques effectués sur site, l'évolution de la température extérieure, le rayonnement solaire ainsi que la température sous serre réelle sont fournis en entrée du modèle multiphysique. Le résultat de la simulation est fourni figure 7.

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Température [°C]

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Figure 7 : évolution des températures extérieure, mesurée sous serre et simulée sous serre, dans le cas d'une serre simple sans système d'ouverture

Q7. Déterminer l'écart relatif maximal entre la température sous serre mesurée et la température sous serre simulée.Conclurequant à la validité du modèle.

Q8.En vous référant à la figure 7,conclure quant au respect des critères énoncés dans le cahier des charges concernant les températures minimales et maximales (voir figure 1). Modélisation de la serre réelle et validation du système d'ouverture

La serre réelle est équipée d'un système d'ouvrants (figures 9). La longueur totale des ouvrants, représentés partiellement figures 8 et 9, est égale à la longueur de la serreLS=63 m (figure 10).

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Vues partielles de la serre (2 travées de 3 m)

Figure 8 : ouvrants en position fermée

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Figure 9 : ouvrants en position ouverte

Position du moteur + réducteur (voir figure 13)

L S= 6 3 m (2 1 t ra v é e s de 3 m )

Figure 10 : serre complète

T ra v ée d e 3 m

m 7 = S P

Afin de prendre en compte l'entrée d'air par les ouvrants, le modèle multiphysique est enrichi (loi des mélanges). Le modèle multiphysique de la serre entière est fourni DT2. Le bloc « calcul du volume d’air entrant dans la serre » reste à déterminer.

Q9.Déterminer l'expression deVAE, le volume d’air entrant dans la serre, en fonction de la surface d'entrée de l'airSp, de la vitesse de l'air entrantV et de la durée d'ouverturetouverture.

La figure 11 fournit les courbes de températures issues de la simulation (Température_sous_serre_après_mélange) et du relevé météo de l'air extérieur (Température_extérieure).

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Température [°C]

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Figure 11 : résultat de la simulation du modèle multiphysique de la serre avec ouvrants et relevé de la température extérieure

Q10.À partir de la figure 11,déterminerle système d'ouverture est validé au si regard des critères de températures maximales admissibles énoncés dans le cahier des charges.

Validation du critère de sécurité du cahier des charges et dimensionnement de l’actionneur en conditions idéales

Le volume d'air admis dans la serre est fonction du degré d'ouverture des ouvrants.

La manœuvre des ouvrants se fait au moyen d'un moteur électrique asynchrone associé à un réducteur roue et vis sans fin placé au milieu de l'ouvrant comme indiqué sur la figure 12. Ce système entraîne un axe tubulaire équipé de pignons qui engrènent sur une portion de couronne liée à l'ouvrant tous les 3 mètres (voir document technique DT3).

L'étude suivante va permettre de valider les choix technologiques de la chaîne d'énergie du dispositif de manœuvre des ouvrants. Cette étude portera sur l'ouvrant coté sud, celui non exposé au vent.

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