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T4 - P4 - Énoncé Énoncé du projet P4 Dest. : Étudiants 07/09/01 - v. 5 Auteurs

T4 - P4 - Énoncé Énoncé du projet P4 Dest. : Étudiants 07/09/01 - v. 5 Auteurs : NG, LW, AVL, HB, CB, EM FABRICATION D'UN CÂBLE ÉLECTRIQUE MOYENNE TENSION 1. But Ce projet a pour but de vous initier aux multiples facettes d'une activité d'ingénierie de base, couvrant plus particulièrement les disciplines physique et chimie (inorganique et organique) et des aspects nouveaux dans votre formation, à savoir l'établissement de bilans matériels complexes, l'étude de la cinétique de polymérisation et le dimensionnement de certains équipements. 2. Objectifs généraux du projet Objectifs méthodologiques : * poursuivre votre formation à l'apprentissage par la réalisation d'un projet en groupe ; * apprendre à analyser correctement un problème industriel complexe, à intégrer des contraintes technico-économiques et à proposer des solutions sur base de compromis entre divers aspects ; * apprendre à utiliser une simulation numérique comme outil expérimental ; * développer un esprit critique par rapport à des résultats expérimentaux. Objectifs disciplinaires : Le projet sert de fil conducteur à l'apprentissage disciplinaire de la chimie et de la physique pour certains aspects. Les disciplines mathématiques et informatique du trimestre ne sont pas directement intégrées au projet ; sa réalisation implique toutefois l'utilisation de connaissances en informatique, mathématiques et méthodes et outils acquises au cours de FSA 11. Les objectifs disciplinaires du projet concernent plusieurs volets : * les compétences acquises dans le cadre du cours de Physique permettent aux étudiants de déterminer les champs électriques et magnétiques produits par les conducteurs d’une ligne aérienne et d’une ligne souterraine et de comparer l’influence de ces deux types de ligne sur l’environnement. Dans le cadre du projet, ils appliqueront leurs compétences à l’analyse du dimensionnement de câbles d’une ligne souterraine, ils apprécieront le choix des matériaux proposés, à savoir le cuivre et le polyéthylène. * l'établissement de bilans matériels complexes : être capable de comprendre et d'analyser un schéma de traitement industriel impliquant diverses étapes avec des recyclages de matières entre des diverses étapes ; de déduire et de justifier, à partir des données, la méthode de calcul conduisant à la résolution du problème ; de réaliser ces calculs ; d'estimer les conséquences de variations des paramètres d'entrée sur le comportement général du procédé ; Énoncé P4 2 * le calcul des paramètres électriques essentiels d'un raffinage électrolytique : être capable, à partir des données et de la pratique industrielle citée dans la littérature, de calculer l'énergie électrique consommée par l'installation ; de choisir le nombre de cellules d'électroraffinage et leurs dimensions en fonction des impératifs de production et des contraintes extérieures ; * la cinétique de polymérisation : savoir prédire la vitesse d'une réaction à une température à partir de données prises à d'autres températures. Savoir dériver les lois de vitesses de la polymérisation radicalaire de l'éthylène à partir du mécanisme réactionnel. Savoir utiliser le principe de stationnarité des radicaux pour calculer la loi de vitesse de disparition du monomère. Savoir intégrer la loi de vitesse obtenue dans le cas isotherme ; * le traitement des effluents produits par l'installation : être capable de proposer une méthode réaliste de traitement chimique de l'effluent aqueux sur base des diverses réactions de précipitation ou autres vues au cours ; de définir les concentrations résiduelles en métaux lourds de l'effluent traité et les comparer aux normes légales de manière critique ; de réaliser en laboratoire le traitement proposé et discuter des résultats obtenus à la lumière des résultats théoriques. Le projet en lui-même comporte 6 UAs mais 1 UA de physique et 3.5 UAs de chimie y sont intimement associées. Pour la physique, l'UA concerne le calcul des champs électromagnétiques autour du câble aérien, du câble souterrain, et la détermination de l'épaisseur de l'isolant polymère. Les matières concernées sont l'électrostatique et la magnétostatique. Pour la chimie, les 3.5 UAs centrées sur le projet sont : - 0.5 UA relative aux équilibres en phase gazeuse entre SO2 et SO3 ; - 1 UA de type laboratoire, relative au traitement des effluents ; - 1 UA de cinétique concernant la réaction de polymérisation de l'éthylène ; - 1 UA relative à l'électrochimie. 3. Aspects méthodologiques Dans le cadre du projet, les étudiants abordent un thème industriel bien concret, suffisamment complexe et ouvert, qui crée le contexte et la motivation pour l'apprentissage de matières et l'appréhension de ce qu'est l'essence d'un procédé industriel avec ses multiples contraintes. Le thème du projet a été composé en fonction des objectifs d'apprentissage du trimestre T4, qui seront développés dans l'énoncé. Une large partie de la matière nécessaire à sa résolution est abordée en temps utile dans les cours, APP, APE ou laboratoire qui gravitent autour du projet. Une partie de l'apprentissage est collectif ; une autre est individuelle. 4. Modalités La charge individuelle pour le projet est de 6 UAs. A celle-ci se rattache une partie des UAs des enseignements disciplinaires. Les activités se composent de : * une séance introductive le lundi 17 septembre matin (voir planning du trimestre) ; Énoncé P4 3 * 12 séances tutorées se répartissant sur les semaines S1 à S10. Chaque groupe se réunit en présence de son tuteur dans son local de groupe pendant 2 heures selon l'horaire prévu au planning ; * 2 états d'avancement présentés par chaque groupe à un jury d'orientation composé de deux personnes dont votre tuteur, à l'aide de 2 à 3 transparents. Ils auront lieu en S4 et S7, respectivement aux heures des séances tutorées. Ces états d'avancement sont obligatoires mais ne sont pas pris en compte pour l'évaluation du projet. Deux copies des transparents seront remises à votre tuteur avant la présentation. En semaine 4 : état d'avancement pour ce qui concerne "interférences propres à un conducteur électrique + bilans matières". En semaine 7 : état d'avancement p our les étapes "calcul des paramètres électriques du raffinage électrolytique et choix de la méthode de traitement des solutions". La durée de ces séances est de 20 minutes par groupe : 15 minutes de présentation et 5 minutes de discussion ; * séances de travail libres, sans tuteur ; * travail individuel ; * la remise d'un rapport final pour le lundi de la semaine 11 avant 14 heures (maximum 20 pages). Ce rapport reprendra en annexe les rapports réalisés dans le cadre des APP ou APE des matières liées au projet ; * l'évaluation finale en semaine 11. 5. Énoncé INTRODUCTION GÉNÉRALE L’électricité est une forme d’énergie dont la production, le transport et la transformation peut se faire avec souplesse et dans de bonnes conditions de rendement. Aussi, bien qu’au niveau de l’utilisation, il soit souvent nécessaire de disposer d’autres formes d’énergie, comme l’énergie mécanique, thermique ou lumineuse, utilise-t-on très généralement l’énergie électrique comme vecteur énergétique entre des installations de production et les lieux de consommation. Dans les installations de production, on utilise divers modes de conversion pour transformer une énergie primaire en énergie électrique. Cette énergie est ensuite acheminée vers les utilisateurs par un ensemble de conducteurs constituant une ligne de transport d’énergie électrique. Le projet proposé en T4 a pour objet l’étude d’une ligne de transport d’énergie électrique et celle des procédés permettant de produire industriellement deux matériaux souvent mis en œ uvre dans la réalisation de ces lignes : le cuivre, utilisé comme conducteur et le polyéthylène, employé comme diélectrique dans les câbles isolés. Les lignes de transport d’énergie électrique peuvent en effet être réalisées sous deux formes constructives distinctes : - les lignes aériennes, dont les conducteurs sont électriquement isolés par l’air environnant, Énoncé P4 4 Ligne aérienne 150 kV de transport d'énergie électrique La photo ci-dessus représente le dernier pylône de la partie aérienne d'une ligne de transport d'énergie électrique située à proximité de Louvain-la-Neuve. Au -delà , la ligne devient souterraine (pour des raisons d'environnement) après un changement du niveau de tension effectué dans un transformateur. On remarquera qu'il s'agit d'une ligne triphasée : le conducteur supérieur est un câble de garde qui n'intervient pas dans le transport de l'énergie. Son rôle principal est la protection de la ligne contre la foudre. - les câbles isolés, constitués de conducteurs isolés par des matériaux diélectriques. La photographie ci-dessus représente des échantillons visibles au laboratoire LEI Ces deux formes de réalisation conduisent, avec les mêmes valeurs nominales du point de vue électrique, à des géométries très différentes. Les lignes aériennes sont caractérisées par une plus grande emprise sur l’environnement. Elles sont cependant encore d’un usage courant en raison de leur moindre coût d’installation. Dans le cadre de la politique de développement des sources d’énergie renouvelables, un producteur d’énergie électrique décide d’installer un parc d’aérogénérateurs (ou génératrices éoliennes). Le site est fixé après étude des conditions météorologiques locales, analyse de l’impact sur l’environnement et accord des autorités publiques. Il se trouve à 15 km d’un poste à haute tension permettant d’accéder au réseau de transport d’énergie électrique. L’installation de production a une puissance nominale de 20 MW pour l’ensemble du parc. La puissance instantanée transmise par une ligne constituée de deux conducteurs est égale au produit de la uploads/Ingenierie_Lourd/ elect-7.pdf