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Le procédé de roto moulage est un procédé de mise en forme des matières plastiques qui
permet de fabriquer des objets en plastiques creux d’assez grandes dimensions
(cuves de récupération d’eau, containers, kayaks…) à partir de poudre de polyéthylène
chauffée jusqu’à 200 °C.
Le système de chauffage nécessaire à la fabrication utilise la lumière solaire captée par un
parc d’héliostats ; ceux-ci réfléchissent les rayons lumineux vers la chambre de chauffage
où se trouve le moule en rotation.
Cette technique repose sur plusieurs étapes :
- étape 1 : la matière première plastique est introduite sous forme de poudre dans un
moule métallique ;
- étape 2 : le moule est ensuite mis en rotation et chauffé grâce à un ensemble
d’héliostats qui concentre le flux d’énergie solaire sur le moule. La matière recouvre
alors toute la surface interne du moule.
- étape 3 : le chauffage s’arrête, le moule est refroidi à température ambiante avant
démoulage lorsque le polyéthylène s’est totalement solidifié.
On fabrique des cuves de récupération d’eau. Pendant toute la durée nécessaire
au cycle de fabrication de la pièce en plastique, on suppose que la puissance solaire
réfléchie par l’ensemble des héliostats reste constante et vaut PS= 24 kW.
On négligera tous les transferts thermiques du système {moule et polyéthylène}, supposé
incompressible, avec l’air intérieur et avec l’extérieur.
Données : masse de poudre de polyéthylène (PE) utilisée pour le moulage: m = 25 kg ;
température de fusion du polyéthylène : qf= 140 °C ;
capacités thermiques massiques :
- du moule métallique : C = 502 J·kg-1·K-1 ;
- du polyéthylène : CP = 1 830 J·kg-1·K-1 (on considèrera que cette valeur est
la même pour le polyéthylène à l’état solide et à l’état liquide) ;
masse du moule M = 125 kg ;
à température constante, la variation d’énergie interne DU d’une masse m de
polyéthylène lors de sa fusion a pour expression :
DU = m × Lf avec Lf = 290 kJ·kg-1, l’énergie massique de fusion du polyéthylène.
1. Indiquer le principal mode de transfert d’énergie au cours du chauffage qui se produit
entre :
- les héliostats et le moule métallique : transfert par rayonnement.
- le moule métallique et le polyéthylène : transfert par conduction.
2. Expliquer, à l’échelle microscopique, les origines de la variation de l’énergie interne du
polyéthylène lorsque la température passe de 20 °C à 200 °C.
L'énergie cinétique microscopique des molécules augmente.
3. Rappeler le premier principe de la thermodynamique appliqué au système étudié ici.
En déduire la valeur du transfert thermique Q1 à apporter au système pour atteindre la
température de fusion du polyéthylène à partir de la température ambiante qi prise
égale à 20 °C.
DU =Q +W avec W dans ce cas ( pas de travail).
Q1 = mCP(qf-qi)=25 x 1830 x(140-25)=5,3 106 J.
4. Calculer le transfert thermique Q2 nécessaire à la fusion, à 140°C, de la totalité de la
poudre de polyéthylène.
Q2 = m Lf = 25 x290=7,25 103 kJ.
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5. Montrer par le calcul que la durée totale du cycle de chauffage pour une
température finale atteinte de 200 °C vaut près de 19 min.
Transfert thermique Q3 pour chauffer le polystyrène de 140 à 200°C.
Q3 =25 x 1830 x(200-140)=2,7 106 J.
Total :1,5 107 J.
Energie nécessaire pour chauffer le moule de 20à 200°C.
Q5 = 125 x502 (200-25)=1,1 107 J.
Total : 1,5 107 +1,1 107 = 2,6 107 J.
Durée = énergie / puissance = 2,6 107 / (2,4 104)=1,08 103 s (18 min).
6. Commenter cette durée totale en discutant de l’origine possible des écarts avec
celle fournie par la notice technique (45 min).
Une partie de la puissance solaire réfléchie sert à chauffer le
polystyrène et le moule, mais aussi l'air proche du moule et une partie
du dispositif de mise en rotation du moule.
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