La source de chaleur est cette
ampoule de 40Watts.
Le
moteur tourne car il
est actionné par un piston qui se deplace grace à la différence de
pression
entre un gaz chaud et un gaz froid
Principe des moteurs thermiques
Le
deuxième
principe de thermodynamique impose l'obligation de 2 sources à des
températures
différentes, une chaude et une froide.
La
chaleur
empruntée à la source chaude est transformée en travail récupérable à
l'extérieur du moteur tandis que la chaleur renvoyée à la source froide
n'a
pour rôle que de diminuer l'effort de retour indispensable pour le
piston.
Ce moteur, inventé en 1816 par un Ecossais, le Révérend Stirling, est
un moteur à combustion externe et à fluide de travail
en cycle fermé (contrairement par exemple aux moteurs thermiques
d'autos).
« cycle
fermé » signifie que le fluide
travaillant est en permanence contenu dans la machine.Ici le fluide est
de
l'air.
L'idée
créatrice de Stirling fut de maintenir les
sources fixes en aiguillant le gaz alternativement vers la
source chaude
puis la froide.
Le
moteur comprend un piston de travail, étanche dans
son cylindre et un piston déplaceur, non étanche mais en
matière
isolante thermiquement.
La
source chaude (plaque métallique inférieure) peut être chauffée par une
flamme,
de l'eau chaude, une lampe de 40 W comme dans la vidéo ci-dessus, ou
toute
autre source de chaleur.
La
source froide (plaque
métallique supérieure)est
à température ambiante mais il serait préférable d'y poser de la
glace
par exemple.
Les deux pistons sont liés par un système de bielle-manivelle qui sera détaillé ci-après.
****************************************Début
du cycle Phase
1***********************************************************
Le
piston déplaceur masque la source froide, la source chaude chauffe
l'air inclus
: image des molécules d'air en rouge dont l'agitation augmente.
Le
piston de travail est encore au PMB, c'est la phase de chauffage à
volume
constant, dite "isochore" (de 4 à 1 sur la figure en annexe).
La
source
chaude fournit des calories, le piston de travail monte. C’est la phase
motrice
qui fait tourner la roue qui emmagasine de l'énergie par inertie.
Les
molécules cédant de l'énergie au piston, la température de l'air à
tendance
à diminuer.
C'est
pourquoi la source chaude fournit des calories en permanence, maintenant
ainsi la température constante.
Ce point est
un peu délicat à comprendre, car on doit chauffer pour maintenir une
température constante!
C'est la
phase de détente isotherme (de
1 à 2 sur la figure en annexe).
Le
piston
de
travail est au PMH, il va lui falloir revenir au PMB pour compléter le
cycle.
Pour
minimiser le travail qu'il doit ainsi fournir, il va pouvoir compter sur
l'inertie
du volant
le
refroidissement du gaz par la source froide: le piston déplaceur masque
la source chaude.
C'est
la phase de refroidissement à volume constant, isochore (de
2 à 3 sur la figure en annexe).
*********************************Fin
du cycle Phase
4************************************************
Le
piston descend entrainé parle volant et comprime du gaz refroidi par la
source froide.
C'est
la phase de compression isotherme(de 3 à 4 sur la figure en annexe).
*************************De nouveau la
phase 1**********************************************
Quand
le piston atteint le PMB, on recommence le cyclecomme ci-dessus avec la phase de
chauffage à volume constant
*************************Déphasage
entre les pistons***************************
Les
deux
pistons ne sont pas en phase, c'est à dire qu'ils ne montent pas et ne
descendent
pas ensemble.
Le
piston
déplaceur est en avance de 90° environ par rapport au piston de travail.
Quand
ce
dernier est au PMH, le piston déplaceur a déjà entamé sa course vers le
masquage de la source chaude, afin de commencer à refroidir l'air pour
faciliter la compression à venir.
Ce
déphasage
de 90° est réalisé par le décalage entre les 2 mannetons du
vilebrequin
commandant les 2 bielles.
Source: WIKIPEDIA
Le moteur Stirling a des applications de niches, dans des situations où
le coût initial du système n'est pas un inconvénient grave par rapport
aux avantages (applications militaires, de recherche, de pointe).
· La principale
application commerciale du moteur Stirling est dans le domaine de la réfrigération industrielle et militaire.
Il sert de machine pour la liquéfaction des gaz et comme refroidisseur
pour les systèmes de guidage militaire infrarouge.
· Il est utilisé comme générateur d'électricité
en Islande, au Japon et dans les milieux extrêmes tels que les déserts
australiens et arctiques par de nombreuses missions scientifiques et
militaires.
· Il est utilisé en
association avec une parabole sphérique pour générer de l'électricité à
partir de l'énergie solaire. Ce système est couramment appelé «
stirling dish ».
· Il est utilisé par
les marines suédoises (sous-marins de Classe Gotland), australiennes et
bientôt les sous-marins d'attaque américains en tant qu'ensemble
propulseur principal,
non seulement en raison de son silence, propriété cruciale pour les
sous-marins, mais aussi pour la bien plus faible production de gaz
imbrûlés nécessaire à l'apport d'un gradient thermique (une différence
de température) à un moteur Stirling ; en effet, un sous-marin en
plongée ne peut évacuer des gaz qu'en les comprimant à une pression au
moins égale à celle du milieu ambiant, nécessitant (et donc gaspillant)
une part non négligeable de l'énergie disponible à bord.
· Ce moteur équipe
aussi certaines classes de frégates américaines, le système de
refroidissement du réacteur nucléaire de nombreux sous-marins et
porte-avions ainsi que des drones à grande autonomie.
· En raison de sa
capacité poly carburant il a été testé avec succès par l'URSS sur
quelques prototype de chars lourds dont
l'object 167 avant d'être abandonné pour des raisons d'ordre politique
autant qu'économique, lors du passage à l'économie de marché à la chute
du bloc soviétique.
· La NASA compte
l'utiliser pour fournir de l'énergie
aux satellites et sondes spatiales, en test dans le projet
KRUSTY.
· Le constructeur de
cartes mères d'ordinateur personnel MSI a présenté début 2008 un
système de refroidissement dont le ventilateur est actionné par un
moteur Stirling utilisant comme source de chaleur l'énergie dégagée par
la puce à refroidir11.
· La plupart des grands
constructeurs de chaudières proposent en 2009 une centrale de micro-cogénération utilisant
un moteur Stirling. Ce type de chaudière de la taille d'un chauffe-eau
permet non seulement de chauffer de l'eau à utilisation domestique
(chauffage, eau chaude sanitaire) mais également de produire de
l'électricité localement12.
· Nombre d'exemplaires
sont utilisés à des fins pédagogiques en classe de physique pour
démontrer les principes de la thermodynamique. Certains fonctionnant
grâce à la chaleur du Soleil concentrée par une parabole à l'instar des
modèles utilisés dans certaines centrales solaires produisant de
l'électricité, d'autres ne nécessitant que la chaleur d'une tasse à
café ou celle de la paume d'une main pour fonctionner.
Le
cycle de Stirling est un cycle
thermodynamique que décrivent les moteurs Stirling.
Le
cycle est réversible, ce
qui signifie que si un travail mécanique est fourni, il peut
fonctionner comme
une pompe à chaleur et fournir de la chaleur ou du froid (y compris du
froid cryogénique).
Le
cycle est fermé régénératif,
utilisant un fluide gazeux :
« cycle
fermé » signifie que le fluide travaillant est en
permanence contenu dans la machine thermodynamique. Ceci catégorise
également
un moteur à combustion externe ;
« régénératif »
fait référence à la présence d'un échangeur de
chaleur interne qui permet d’accroître le rendement thermique de
l'appareil.
Le
cycle est le même que la plupart des
cycles thermiques et comprend quatre phases : 1. compression, 2.
chauffage, 3. détente, 4. refroidissement
points
1 à 2 : détente isotherme. La zone de détente est chauffée par
l'extérieur, ainsi le gaz suit une détente isotherme ;
points
2 à 3 : refroidissement à volume constant (isochore).
Le gaz passe dans le régénérateur,
se refroidit en lui transférant sa chaleur qui
sera utilisée pour le cycle suivant ;
points
3 à 4 : compression isotherme. La zone de compression est
refroidie, ainsi le gaz suit une compression isotherme ;
·points
4 à 1 : chauffage isochore. Le gaz circule dans le régénérateur
et prélève de la chaleur.
