Valoriser la "chaleur fatale" des centres de stockage de données, bac général 2021.

a "chaleur fatale" ou chaleur perdue est la chaleur produite par un site de production industriel alors qu'elle n'en constitue pas l'objectif. La valorisation de cette chaleur est envisagée pour le chauffage urbain.
La "chaleur fatale" issue des centres de stockage de données est estimé à 490 GWh par an en Ile de France.
Le fluide technique 3M Novec 7500 est un fluide ininflammable utilisé dans les applications de transfert de chaleur.
Pour un logement moyen ( 70 m²), on peut estimer la consommation d'énergie pour l'eau chaude à environ 10 MWh par an.
1. Déterminer le nombre de logements moyens qui pourraient être chauffés sur une année si toute la chaleur fatale des centres de stockage de données d'Ile de France était valorisée. Commenter.
490 10³ / 10 =4,9 10³ soit une ville de près de 150 000 habitants.
Il faudra transférer cette chaleur fatale des salles informatiques vers le circuit de chauffage urbain à l'aide d'un ou plusieurs échangeurs thermiques. le fluide caloporteur d'un tel échangeur permet d'évacuer la chaleur produite lors du fonctionnement du centre de stockage de données. Trois schémas différents des transferts d'énergie qui s'effectuent dans ce système sont proposés :

2. En supposant que les flèches représentent le sens réel des transferts d'énergie, sélectionner la schématisation appropriée en justifiant.
Le centre de stockage de données reçoit de l'énergie électrique. Celle-ci est en partie convertie en énergie thermique qui doit être transférée au fluide caloporteur. Schéma 1.
3. Indiquer en justifiant le signe du transfert thermique lorsque le centre de données est pris comme système thermodynamique d'étude.
Le centre de données cède de l'énergie thermique au fluide caloporteur. Ce transfert thermique est compté négativement.

Le centre de données reçoit une puissance électrique P. Cette énergie électrique est supposée totalement convertie en chaleur. Le fluide caloporteur travers le centre de stockage de données avec un débit volumique D_v et permet le maintien à une valeur constante de la température des machines évacuant la chaleur produite.
T_e : température du fluide à l'entrée du centre ; T_s : température du fluide à la sortie du centre.

4. Identifier l'unique proposition correcte pour chacune des trois affirmations suivantes. Justifier.
4.1. Par rapport à la température T_e, la température T_s est :
supérieure, vrai ; égale ; inférieure.
Le fluide reçoit de l'énergie et sa température croît.
4.2. Avec T_e et P constants, si le débit D_v augmente, alors la température T_s :
augmente ; reste constante ; diminue, vrai.
Si le débit D_v augmente, la masse de fluide par unité de temps croît ; la chaleur reçue par le fluide et la température initiale T_e étant constantes, la température T_s diminue.
4.3. Avec T_e et D_v constants, si lapuissance électrique P augmente, alors la température T_s :
augmente, vrai ; reste constante ; diminue.
Si P augmente, la puissance thermique à évaquée croît ; la température initiale T_e et le débit étant constants, la température T_s augmente.
5. On fixe une durée de référence t_ref.
5.1. Déterminer la masse m de fluide caloporteur qui entre ou sort de l'installation pendant cette durée en fonction de D_v, r et t_ref.
Volume = débit fois durée ; masse = volume x masse volumique.
m = D_v t_ref r.
5.2. En appliquant le premier principe de la thermodynamique au système " centre de stockage de données" pour la durée t_ref, déterminer l'expression du transfert thermique reçu par le fluide caloporteur pendant cette durée.
Energie reçue par le système : P t_ref.
Energie cédée par le système : m c (T_s-T_e) = D_v t_ref r c (T_s-T_e)
Conservation de l'énergie : P= D_v r c (T_s-T_e).
5.3. On peut établir l'expression suivante : T_s = T_e+ P / ( D_v r c)
avec c la capacité thermique massique du fluide. Commenter cette expression en étudiant l'influence des différents paramètres sur la valeur de T_s.
T_s augmente si T_e croît à débit et P constants.
T_s augmente si P croît à T_e et débit constants.
T_s augmente si D_v diminue à T_e et P constants.
On considère : T_e = 10°C ; T_s = 50°C ; D_eau =150 L /s ; D_Novec =345 L /s.
5.4. Calculer le débit volumique si le fluide est de l'air. Commenter.
T_s = T_e+ P / ( D_air r c) ; r_air = 1,29 kg m^-3 ; c_air = 1,01 10³ J kg^-1 K^-1.
D_air =P / ( r_air c_air (T_s-T_e)).
D_eau =P / ( r_eau c_eau (T_s-T_e)).
D_air / D_eau = r_eau c_eau / ( r_air c_air ).
D_air =D_eau r_eau c_eau / ( r_air c_air ) =150 x 1000 x4,18 10³ /(1,29 x1,01 10³) ~4,8 10⁵ L /s.
Le débit de l'air est bien trop important. Ce fluide ne peut pas convenir.
6. Identifier pour chacun des trois fluides caloporteurs ses avantages et ses inconvénients d'utilisation dans la perspective d'un chauffage urbain.
L'air n'est pas à retenir, le débit est trop grand.
L'eau peut geler et ne peut pas être utilisée en contact direct pour le refroidissement par immersion.
Le Novec est le plus approprié : il est ininflammable, compatible avec la plupart des composants électroniques et peut être utilisé par contact direct pour le refroidissement par immersion.