Au campus Arts et Métiers de Metz, une des maquettes pédagogiques utilisées en travaux pratiques a été modifiée pour être utilisable en distanciel. Il s’agit du banc d’étude du transfert de chaleur par ébullition, fabriqué au Royaume-Uni par l’entreprise PA Hilton et distribué en exclusivité en France par l’entreprise PRODIDAC :
Le banc d’étude du transfert de chaleur par ébullition, avant modification © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
Le banc d’étude du transfert de chaleur par ébullition permet d’étudier différentes formes de transfert de chaleur : convection naturelle, ébullition avec bulles et ébullition superficielle. Le fonctionnement du banc d’étude est relativement simple. Un fluide se trouve enfermé dans un cylindre pressurisé et est chauffé par une résistance chauffante. Une sonde de température permet de mesurer la température du fluide lors des différents types d’ébullition.
Ce banc d’étude a été modifié afin de pouvoir lire à distance toutes les mesures (température de l’élément chauffant, température du fluide, pression, tension et courant électrique de la résistance chauffante, forme d’ébullition) et afin de pouvoir le commander à distance (interrupteur marche/arrêt, puissance électrique, débit d’eau dans le circuit de refroidissement). Les étudiants peuvent maintenant effectuer le TP depuis chez eux (cas d’un confinement) ou depuis un autre campus Arts et Métiers, dans une autre ville.
Les boutons de commande, les afficheurs, les capteurs et les instruments de mesure ont été remplacés, le couvercle du cylindre a été modifié pour permettre le passage d’une sonde de température tout en conservant l’étanchéité du cylindre. Nous avons ajouté un contrôleur JUMO avec des modules d’entrées analogiques et numériques, des modules relais et une interface OPC UA <-> MQTT avec Node-RED. Cela permet d’afficher les valeurs et de commander le banc d’étude depuis un afficheur numérique tactile ajouté sur le banc d’étude, depuis un navigateur web sur un ordinateur situé dans le même réseau (fonctionnalité bloquée par sécurité), depuis une plateforme IoT ou depuis une interface web abonnée aux flux MQTT qui transitent par le serveur MQTT de la plateforme IoT. La programmation du contrôleur JUMO a été faite avec CODESYS.
Une prise connectée permet de mettre le banc d’étude sous/hors tension à distance et de mesurer la consommation électrique. Elle est montée en parallèle avec l’ancien interrupteur manuel, un commutateur en amont permet d’utiliser la prise connectée ou l’ancien interrupteur. Le contrôleur JUMO permet d’utiliser le banc d’étude en mode présentiel ou en mode distanciel.
Une caméra est fixée sur le banc d’étude pour filmer l’interface liquide/air où a lieu l’ébullition du liquide. Le flux vidéo est transmis sur le Web avec une faible latence, via une plateforme de diffusion vidéo en continu et en direct.
Par sécurité, le contrôleur JUMO, la prise connectée et la caméra sont branchés sur un réseau informatique privé dédié à l’Internet des Objets, séparé logiciellement (VLAN) du reste du réseau privé. Les flux dans le réseau IoT sont surveillés. Cela est recommandé, car la commande du banc d’étude depuis internet est possible via MQTT.
Le fluide contenu dans le cylindre était du R141B. Il pouvait être utilisé tant que le banc d’étude fonctionnait. Après modification du banc d’étude, l’utilisation de ce fluide n’était plus autorisée, nous avons donc commandé chez PRODIDAC un kit de recharge pour passer au fluide SES36 et nous avons aussi changé les bouchons en caoutchouc qui étaient fissurés.
Le kit de recharge de fluide SES36 © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
La programmation du contrôleur JUMO intègre les valeurs limites de sécurité notées dans les notices en français et en anglais (température de l’élément chauffant et pression dans le cylindre). Après modification du banc d’étude, ces limites doivent être testées au moins une fois tous les trois mois en suivant la procédure de maintenance documentée dans les notices. Un audit a aussi été fait par un organisme de contrôle afin de s’assurer de la conformité du banc d’étude aux normes de sécurité, avant sa remise en service.
La transformation du banc d’étude a été faite par l’entreprise JUMO, le nouveau banc d’étude est opérationnel depuis septembre 2023.
Le nouveau banc d’étude du transfert de chaleur par ébullition © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
À notre demande, tous les plans, schémas, logiciels et notices techniques seront diffusés sur le blog de CaMéX-IA sous licence Open Source. Les données de mesure transmises avec MQTT seront stockées sur la plateforme IoT et disponibles sous licence Open Data, ce qui permettra de les visualiser, de les exporter et de les exploiter librement dans un cadre pédagogique.
Documentation :
- Banc d’étude du transfert de chaleur par ébullition – Bulletin technique.
- Banc d’étude du transfert de chaleur par ébullition – Manuel d’utilisation et de maintenance.
- Article de présentation de l’interrupteur connecté Shelly Pro 1PM.
- Vanne pilotée.
Auteurs : David VANTYGHEM <david.vantyghem@ensam.eu>, Michaël HEYER. Ce document est mis à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution – Partage dans les Mêmes Conditions 4.0 International.
Image en vignette : Banc d’étude du transfert de chaleur par ébullition © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0.
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