Le moteur de Stirling : Conception et Performances

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Le moteur de Stirling : Conception et Performances
BOULANT Anthony
VIVET Nicolas
Université du Maine (le Mans)
Licence Physique 2003
Le moteur de Stirling :
Conception et Performances
VIVET Nicolas et BOULANT Anthony, mis à jour le 12_01_2009
Table des matières
I. Introduction ........................................................................................................................ 2
II. Historique ........................................................................................................................... 3
III. La Machine de Stirling en fonctionnement moteur ............................................................ 4
1. Etude du moteur de Stirling ............................................................................................ 4
2. Description du cycle ........................................................................................................ 6
3. Construction du moteur ................................................................................................... 8
a)
Différentes Etapes pour la première version ............................................................ 8
b)
Problèmes et améliorations .................................................................................... 11
4. Manipulations ................................................................................................................ 13
a)
Premier moteur....................................................................................................... 13
b)
Second moteur ....................................................................................................... 15
c)
Conclusion ............................................................................................................. 26
IV. Fonctionnement de la machine de Stirling en pompe à chaleur ....................................... 27
a)
Théorie ................................................................................................................... 27
b)
Machine n°1 ........................................................................................................... 28
c)
Machine n°2 ........................................................................................................... 34
V. Avantages et Inconvénients du moteur de Stirling........................................................... 44
1. Avantages ...................................................................................................................... 44
2. Inconvénients ................................................................................................................ 45
VI. Applications des machines de Stirling ............................................................................. 46
VII. Conclusion ........................................................................................................................ 48
VIII. Bibliographie .................................................................................................................... 50
1
I.
Introduction
Nous avons trouvé le sujet de notre TP en surfant sur Internet, en particulier sur
http://www.Photologie.net où se trouvent quelques pages réalisées par Mr H.Roussel
consacrées à la construction du moteur de Stirling. Dans une de ces pages on peut trouver des
plans très détaillés sur la construction d’un petit moteur à air chaud.
Ces documents nous ont servi de base pour l’étude de ce moteur ; nous avons commencé par
réaliser un premier moteur grâce à ces plans puis nous l’avons amélioré ; nous avons alors pu
vérifier le caractère réversible de notre machine. Enfin, nous avons réalisé une pompe à
chaleur de Stirling en modifiant un compresseur.
La première partie de notre compte rendu portera sur des rappels théoriques sur le moteur de
Stirling ainsi que sur la construction et les performances de nos deux premiers moteurs. Dans
une seconde partie on s’intéressera à la machine de Stirling en configuration « pompe à
chaleur », nous commencerons par en rappeler le fonctionnement puis nous présenterons nos
prototypes et leurs performances.
Photos de nos machines de Stirling
2
II.
Historique
Robert Stirling : 1790 (Ecosse) / 1878 (Galston)
Robert Stirling décida de construire un moteur sans chaudière, car à l’époque les
accidents avec les machines à vapeur étaient fréquents. Il s’est avéré que son moteur était
moins dangereux et surtout plus performant que les moteurs de l’époque.
Historiquement, ce moteur fut construit avant que les lois relatives au second principe de la
thermodynamique n’aient été formulées (avant le cycle de Carnot).
C’est son frère James qui utilisa le moteur en 1843 dans son entreprise, avec comme
applications des pompes à eau ou encore l’entraînement des générateurs de courant électrique.
Toutefois le moteur n’eut pas le succès espéré, car le moteur à explosion fit son apparition et
s’imposa largement, et la découverte de Stirling fut oubliée.
Il fallut attendre 1938 pour que la société Philips investisse dans le projet, qui prit ensuite le
nom de : « moteur de Stirling » ; à cette époque une application majeure fut développée dans
l’automobile avec un moteur de 200 ch et un rendement supérieur à 30 % vit le jour, mais
pour des raisons de compétitivité la période est révolue. Etant donné les avantages de ce
moteur, en particulier son fonctionnement écologique, un retour éventuel peut désormais être
envisagé pour diverses applications (voir Applications).
Représentation de la machine de Stirling
3
III.
La Machine de Stirling en fonctionnement moteur
1. Etude du moteur de Stirling
Un moteur de Stirling de type  est
constitué d’une source chaude et d’une
source froide, d’un piston étanche qui
exerce un travail sur un fluide qui est
lui-même alternativement déplacé d’une
source à l’autre grâce à un piston de
déplacement.
Dans ce moteur le fluide de travail est continuellement recyclé ; étudions les
transformations qu’il subit.
Le cycle de fonctionnement du moteur de Stirling dans le diagramme de Clapeyron
(P,V) est composé de deux isothermes et deux isochores :
1  2 Compression isotherme (Tf)
2  3 Chauffage isochore
3  4 Détente isotherme (Tc)
4  1 Refroidissement isochore
Cycle théorique du moteur de Stirling
La chaleur Q
1-2
produite par la compression est absorbée par la source froide (Tf). Q
3-4
provenant de la source de chaude (Tc) permet la dilatation du gaz et donc un travail fourni
vers l'extérieur.
4
Les chaleurs Q
2-3
et Q 4-1 n'absorbent ni ne produisent de travail. Elles sont produites par les
transformations à volume constant. (En utilisant un régénérateur on peut compenser ces pertes
de chaleur : voir Machine n° 2).
La compression isotherme 1-2 absorbe le travail W 1-2.
La dilatation isotherme 3-4 fournit le travail W 3-4.
La condition pour que la machine soit motrice est W 3-4 > W 1-2. (c’est le cas)
Au total, le cycle fournit donc un travail non nul vers l'extérieur. Seule
l’étape
de
Détente fournit du travail : les autres transformations s’effectuent grâce à l’inertie du moteur
(par l’intermédiaire du volant d’inertie), d’ou le fonctionnement par léger à-coups. Le résultat
du cycle est l’absorption de chaleur à haute température, le rejet de chaleur à basse
température et la production de travail utilisable par le milieu extérieur.
Le cycle thermodynamique effectif en tenant compte du mouvement continu des
pistons, de la circulation rapide du gaz de travail et des pertes thermiques ressemblera plutôt
à:
A titre de rappel, c’est bien le cycle que
nous avons obtenu au cours du TP sur le
moteur
de
Stirling
en
SM2.
Calculs thermodynamiques
Travail net du cycle: W = W 1-2+ W 2-3+ W 3-4 +W 4-1
Or les étapes 2-3 et 4-1 se vont à volume constants donc W 2-3=W 4-1= 0
V
W 1-2 = R Tf ln  1
 V2



V 
V 
W 3-4= R Tc ln  3  = - R Tc ln  1 
 V4 
 V2 
(Car V1=V4 et V2=V3)
5
V 
W= - R (Tc-Tf) ln  1  < 0
 V2 
Rendement :  =
Wrésul tan t total
énergie utile
W


énergie dépensée
Qsource
Q 3-4
L’apport d ‘énergie s’effectue au moment de la détente (3-4)
Au cours de l’étape 3-4 la température reste constante :
dU  nCv dT  0
U 34  0  W34  Q34
V 
Q3-4 = - W3-4 = R Tc ln  1 
 V2 


V
R(Tc - Tf )ln 1
Tc  T f
 Tf
V2


 1  
V
Tc
 Tc
RTc ln 1
V2



T f 
Ce rendement est identique à celui de la machine de Carnot Carnot = 1    .
 Tc 
2. Description du cycle
On suppose que le piston de déplacement se trouve en position haute. La source chaude
permet la détente du fluide, ce qui provoque la montée du piston moteur jusqu’à sa position la
plus haute, et grâce au système de bielles et de manivelles le déplaceur descend à sa position
intermédiaire. Cette étape est appelée « Détente » et se traduit par une isotherme sur le
diagramme PV. (la température de la source chaude est supposée constante).
6
Lorsque le piston de déplacement a atteint sa position la plus basse alors tout le fluide se
trouve dans la zone froide. On appelle cette étape « le Refroidissement ». Elle se traduit par
une isochore dans le diagramme PV car le mouvement du piston de déplacement se fait à
volume constant.
Etant donné que le fluide a été chassé de la zone chaude, sa température a diminuée
provoquant la descente du piston moteur, le gaz est alors compressé et grâce au système de
bielles et de manivelles le piston de déplacement retourne à sa position intermédiaire. Cette
étape est appelée « Compression », et est représentée par une isotherme dans le diagramme
PV (la température est supposée constante au cours de la compression).
7
Lorsque le piston de déplacement a atteint sa position la plus haute alors tout le fluide
se trouve dans la zone chaude. L’étape est appelée « chauffage », et se traduit par une
isochore sur le diagramme PV car le mouvement du piston de déplacement n’induit pas de
variation de volume.
Le piston de déplacement se trouve alors en position haute et le cycle peut recommencer.
Si on modifie la position des sources alors les étapes de chauffage et de
refroidissement sont inversées donc nécessairement celle de compression et de détente le sont
aussi, ce qui induit une rotation du cd dans l’autre sens. Pour s’en convaincre on pourra
utiliser le moteur n°2 où le piston de déplacement est visible.
3. Construction du moteur
Nous avons pris les plans de ce premier moteur sur : http://www.Photologie.net (moteur de
Stirling). (pour les notations (C..) voir plan page suivante)
a) Différentes Etapes pour la première version
1/ Disque supérieur : Disque en aluminium =186 mm et 1mm d’épaisseur.
On perce deux trous pour les entretoises à 25mm du centre (C).
On trace un cercle de 30 mm de diamètre centré en C2, centré à 65 mm du centre (C ).
Puis on perce une ouverture à 9 mm de C2 en forme de lune de 20 mm de hauteur et 5 mm de
largeur.
8
2/ Cylindre déplaceur : « Feuille » de plastique de 17 mm de hauteur, que l’on colle sur elle
même avec de la super-glue (colle cyanoacrylate) de telle manière à obtenir un cylindre de
rayon 86 mm.(permet une isolation thermique entre les deux disques.)
3/ Disque inférieur : Disque en aluminium =186 mm et 1mm d’épaisseur. On perce deux
trous pour les entretoises à 25mm du centre (C). On perce une disque de « regard » de 50 mm
de diamètre.
4/ Entretoises : Tube en aluminium de 17 mm de hauteur, et de 6 mm de diamètre extérieur.
Pour fermer le cylindre on introduit des boulons de diamètre 4mm dans les entretoises.
.
5/ Piston déplaceur : Il est constitué d’un disque de polystyrène et d’un disque de
contreplaqué :
a) Disque en polystyrène =160 mm et 9 mm de hauteur (ne pas oublier de repérer le
centre du disque).
b) Disque en contreplaqué =40 mm de 4 mm d’épaisseur, on l’introduit dans le
disque de polystyrène (en le centrant) en utilisant une mini perceuse et un embout
adapté. On perce également un trou à l’intérieur de ce disque afin d’insérer la « tête »
d’un rivet qui permettra plus tard d’accrocher la bielle.
On perce également deux demi-lunes (10 mm
d’épaisseur), dans le disque en polystyrène
pour laisser passer les entretoises ; elles seront
situées à 25 mm du centre, et inclinées de 30°
de part et d’autres de l’axe (voir ci contre).
6/ Cylindre moteur : boite de pellicule standard (=30 mm) dont on réduit la hauteur à20 mm
(En gardant la partie comportant le bouchon), on perce ensuite le bouchon (on suit la rainure
déjà existante).
On dépolit ensuite l’autre extrémité de la boite avec du papier de verre par exemple, et on fait
de même sur le disque supérieur avec un petit foret sur toute la circonférence du disque où
doit se situer le cylindre moteur. Cette opération permet une meilleure adhésion lors du
collage avec la résine Ara-métal (laisser reposer 5 min).
9
7/ Piston moteur : On pince un morceau de gant jetable (L’extrémité d’un doigt fait l’affaire)
avec deux rondelles = 21 mm, d’épaisseur 0.5 mm.
8/ Portique : Il est constitué de 3 tubes carré en alu de 10 mm de coté ; deux de 96 mm sont
collés perpendiculairement au disque supérieur à 35 mm du centre, et un autre de 60 mm relie
les deux. (nous avons utiliser la colle ara-métal en respectant bien l’orthogonalité). On colle
ensuite perpendiculairement à ce troisième tube carré un cylindre (48*3) juste au centre qui
permettra le passage de la bielle intermédiaire.
9/ Bielles
Elles sont en aluminium (=0.8mm), et se plient parfaitement à l’aide d’une pince.
Voir schéma annexe1
10
b) Problèmes et améliorations
Problème de fuite : nous avons bouché le fond du disque inférieur par une pièce de métal, car
auparavant nous utilisions du scotch, qui bien sûr a fini par se décoller produisant l’inondation
du moteur.
Problème de condensation due au refroidissement de l’air au contact de la source froide, qui a
provoqué la déformation du disque en contreplaqué du piston déplaçeur ; nous l’avons
remplacé par un disque en plastique percé de quelques trous afin d’obtenir une meilleure
adhérence pour la colle.
Problème de corrosion au niveau de la bielle du déplaçeur (en aluminium); lorsque nous
l’avons retiré pour changer le disque (voir précédent) nous avons remarqué qu’elle était
oxydée sur toute la longueur qui se trouve entre les deux disques principaux. Nous l’avons
remplacé par une bielle en inox.
Fragilité des billes (axe central du portique + au dessus du disque supérieur) : auparavant elles
étaient collées avec de la colle « glue » mais à l’usure elles se brisaient ou se décollaient.
Pour l’axe 1/ (voir page précédente) et la partie supérieure de 2/ nous avons utilisé la colle
ara-métal qui est beaucoup plus solide que la « loctite ». (L’étanchéité doit être optimale en
2/). Enfin pour la partie inférieure de 2/ nous avons utilisé une perle plus longue que nous
avons insérer à l’intérieur.
Inondation : Nous avons ajouté un petit cylindre en PVC sur le disque supérieur (collé au
mastic), pour mettre les glaçons et éviter de mettre de l’eau sur la table à chaque essai.
Problème de Rotation : Nous avons également remplacé le support du volant d’inertie afin
que ce dernier tourne « plus rond ».
11
Remarques sur le fonctionnement du moteur :
Comme on peut le voir sur les photos ci-dessous la position des sources n’a pas d’importance,
seule la direction de rotation du cd va être changée.
Eau
froide
Eau
chaude
Quelques photos du moteur :
12
4. Manipulations
a) Premier moteur
i.
Mesure de la vitesse de rotation du cd
A/ Grâce à un stroboscope
Avant tout : On utilise un cd avec des écritures assez grosses.
Un stroboscope est une source lumineuse qui émet des brefs éclairs à des intervalles de temps
réguliers (Ts=1/fs).
Pour f <10hz, nous observons des éclairs successifs nettement séparés. Si on augmente la
fréquence, l’éclairage nous paraît continu. On peut déjà en déduire que la vitesse de rotation
de notre moteur est inférieure à 10 tours/sec car nous distinguons encore les écritures sur le
cd. Lançons le moteur, on dirige le stroboscope vers le cd en rotation et on fait varier la
fréquence jusqu’à obtenir l’immobilité apparente.
Cette immobilité est obtenue lorsque tous les éclairs illuminent l’écriture (ou le dessin) dans
la même position, et elle se produit si entre deux éclairs consécutifs le disque fait exactement
un tour ou un nombre entier k de tours.
C’est à dire à : Ts=k.T
avec T la durée d’un tour de l’écriture
Ou : fs=f/k
La plus grande fréquence des éclairs permettant d’observer l’immobilité apparente est égale à
la fréquence du mouvement périodique étudié.
Nous avons essayé d’obtenir cette immobilité apparente, mais cela n’a pas été simple, car les
fréquences sont inférieures à 10 Hz et le stroboscope est très sensible et peu précis à ces
basses fréquences.
13
Avant d’obtenir l’immobilité « parfaite », on observe un mouvement apparent ralenti dans un
sens ou dans l’autre. Si fs est légèrement supérieure à f on obtient un mouvement en sens
inverse du mouvement réel ; au contraire si elle est légèrement inférieure on obtient un
mouvement dans le même sens que le mouvement réel.
Cette méthode n’est pas précise pour notre moteur car la fréquence de rotation du cd est trop
faible.
B/ Grâce à une porte optique
Pour mesurer la vitesse de rotation du cd, nous avons également utilisé un dispositif
avec une porte optique : On utilise une porte optique en forme de U avec un capteur à
l’extrémité, nous avons ajouté un petit morceau de carton sur le cd de telle manière à ce qu’il
déclenche la porte optique à chaque tour ; la porte optique est reliée par une interface à un PC
qui possède le logiciel CASSY.
Grâce à ce logiciel, nous avons obtenu l’intervalle de temps entre deux tours, nous avons donc
pu en déduire le nombre de tours effectué par le cd en 1sec.
14
Fréquence de rotation du cd en fonction du temps
3,00
)
z
H
(
e
c
n
e
u
q
é
fr
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
0
10
20
30
40
50
tem ps (s)
Résultats : Avec eau brûlante + glace pilée : on obtient une fréquence de rotation maximale
d’environ 2.2 tours/sec.
Cette expérience consiste uniquement à évaluer la vitesse maximale du cd, c’est pour cela
qu’elle s’effectue sur un temps très court.
Bien que notre moteur fonctionnait déjà très bien nous avons décidé d’en réaliser un second.
b) Second moteur
Objectifs :
 Construire un moteur qui fonctionne avec un gradient de température plus faible.
 Vérifier qu’en fournissant du travail au moteur on récupère « un refroidissement » de
la source froide ».
Pour cela nous avons effectué plusieurs modifications par rapport à la version précédente :
 Nous avons augmenté le diamètre de nos disques, pour maximiser l’échange
thermique. (La quantité de chaleur échangée obéit à la loi de Newton Q=K*S*T).
 Nous avons utilisé un cylindre en plastique transparent, pour que l’on puisse voir le
piston de déplacement; indispensable pour pouvoir expliquer le fonctionnement du
moteur.
15
 Le portique a également été modifié, il est désormais composé de quatre « pattes » : ce
qui confère une plus grande rigidité à l’axe central, mais nous a également permis
d’adjoindre une petite poulie au centre de ce même axe afin de pouvoir utiliser notre
moteur comme « pompe à chaleur ».
 Le diamètre des bielles et de l’axe central est passé de 0.8 à 1 mm pour obtenir une
meilleure rigidité de l’ensemble.
 Nous avons également ajouté un disque en plastique transparent qui couvre presque
tout le disque supérieur, afin de mettre des glaçons ou bien de l’eau chaude.
 Enfin nous avons utilisé des billes plus grosses aux extrémités des axes (et bielles) de
telle manière à réduire les frottements.
Après quelques semaines d’utilisation la bielle du déplaceur ne glissait plus aussi bien
qu’au début, nous savions que cela ne pouvait être du à la corrosion (comme sur le premier
moteur) car la bielle est en inox. Nous avons donc du démonter la partie inférieure du moteur
(heureusement qu’il y a une petite ouverture en dessous) puis nous avons mis du dégrippant,
et surtout nous avons ajouté un petit trou dans le tube au dessus du disque supérieur, et au
niveau du portique pour pouvoir remettre du dégrippant régulièrement sans être obliger de
tout démonter.
16
Voir aussi : Annexe2 ; Plan du second moteur
Photo comparative de nos deux premiers moteurs.
17
i.
Performances du second moteur
Comme nous l’avons remarqué avec le précédent moteur, la mesure de vitesse avec un
stroboscope n’est pas précise pour des fréquences de rotation inférieures à 10 Hz. Nous avons
donc utilisé le dispositif de porte optique qui est beaucoup plus précis et très simple à utiliser.
On place le moteur entre de l’eau bouillante (Tc =100°C) et de la glace pilée (Tf =0°C)
Durant l’expérience nous avons relevé régulièrement les températures et la fréquence de
rotation du cd (voir photo ci dessous) jusqu’à ce que le cd arrête de tourner. (Pendant ce
temps la plaque électrique est débranchée)
Nous obtenons les résultats suivants :
rendement théorique du moteur en fonction du
temps
0,300
0,250
t 0,200
n
e
m0,150
e
d
n
e
r 0,100
0,050
0,000
0
10
20
t (min)
30
40
 Tf
Evolution du rendement théorique au cours du temps :   1  
 Tc



18
On obtient un rendement théorique maximal d’environ 1/3.
Fréquence de rotation en fonction du temps
1,8000
1,6000
) 1,4000
c
e 1,2000
s
/ 1,0000
s
r
u 0,8000
o
t( 0,6000
f
0,4000
0,2000
0,0000
0
5
10
15
20
25
30
35
t(min)
On remarque sur le graphique ci dessus que la fréquence de rotation n’est pas
maximale lors du lancement, mais seulement au bout de 3 min ; puis qu’elle reste quasi
constante pendant 5 min et finit par s’annuler après 35 min de fonctionnement.
Variation de Tbas et Thaut en fonction du temps
12 0
10 0
80
)
C
°( 6 0
T
40
T haut
T bas
20
0
0
10
20
30
40
t(m in)
On remarque que T
haut
diminue et T
bas
augmente, c’est tout à fait logique puisque le moteur
pour fonctionner doit prélever de la chaleur à la source chaude et en rejeter à la source froide
(voir ci dessous).
19
ii.
Fonctionnement avec du N2 liquide
Puisqu’en théorie le rendement du moteur dépend uniquement du gradient de température
entre les deux sources ; nous avons décidé d’utiliser notre moteur entre de l’eau bouillante
(373 K) et de l’azote liquide (T=180 K).
Le premier essai n’a pas été concluant car le cd avait trop de difficulté à tourner, nous avons
alors changé l’axe central (qui devait être tordu) afin de réduire les frottements.
Au cours du second essai, nous avons obtenu une vitesse de rotation d’environ 2.5 tours /sec,
mais hélas cela n’a pas duré longtemps car une partie du silicone qui assurait l’étanchéité
autour du moteur s’est décollé, les soudures au niveau du portique ont également été
dégradées, et enfin le disque en plastique qui se trouvait sur le disque supérieur s’est brisé
(voir photo ci-dessous). Cette destruction partielle
de notre moteur est due à un choc
thermique important, qui a induit de fortes dilatations. Le technicien nous avait prévenus de
ce risque, nous avons décidé de ne pas recommencer car notre moteur n’est pas capable de
supporter des gradients thermiques aussi importants.
Notre moteur et le Dewar bleu contenant de l’azote liquide
20
Mise en évidence de la « destruction partielle » de notre moteur.
iii.
Mesure de la puissance mécanique du moteur
Montage 1
Pour calculer la puissance mécanique développée par le moteur, nous avons utilisé une
méthode issue d’un recueil de montage de CAPES (Montages de PHYSIQUE Ellipses 1995)
qui consiste à mesurer le couple « résistant » appliqué au moteur. Le montage consiste à
installer deux dynamomètres de part et d’autre de la poulie et de les relier à l’aide d’une
ficelle (voir figure ci dessous) ; il suffit ensuite de les déplacer jusqu’à obtenir l’arrêt total du
moteur.
Le couple résistant appliqué au moteur est le couple de frottement (de type frottement
cinétique solide) qu’exerce la ficelle sur la poulie. Sur la figure ci dessus, F1 et F2 représentent
les forces de frottement exercées par chacun des cotés de la ficelle sur la poulie, égales aux
forces exercées par chaque dynamomètre sur chaque brin.
21
Le moment résistant appliqué à la poulie par la ficelle a pour amplitude : r ||F1|-|F2 || où r est le
rayon de la poulie (pour nous r= 4.5 .10-3 m) et F1 et F2 les deux forces mesurées par les
dynamomètres (en N).
On en déduit ensuite la puissance mécanique (W) délivrée à la ficelle par le moteur :
Pm = 2 ||F1|-|F2 || .r
Où  est la vitesse de rotation du moteur en tours par seconde, cette valeur est déduite de la
période (T) mesurée à l’aide du dispositif de porte optique (= 1/T).
Grâce à la présence d’une poulie nous avons facilement réalisé le montage en utilisant deux
dynamomètres (1N max) et une ficelle. Nous avons disposé notre moteur sur une casserole
d’eau bouillante (T = 98 °C), puis nous avons disposé de la glace pilée (T = 2 °C) sur le
disque supérieur et enfin les deux dynamomètres.
Après quelques minutes la vitesse du moteur se stabilise, on la mesure grâce à la porte optique
puis on agit sur les dynamomètres jusqu’à immobilisation du cd (Voir photo page suivante).
Lors de la mesure, le dispositif était parfaitement symétrique
Résultat : Pour une vitesse de 1.6 tours par seconde on a ||F1|-|F2 ||=0.5 N
Soit : Pm=2 r.||F1|-|F2 || = 2= 23 mW
La puissance mécanique développée par notre moteur fonctionnant entre T
bas=2
haut=98
°C et T
°C vaut 23 mW.
22
Montage 2
Nous
avons également inventé une autre méthode pour calculer la puissance
mécanique développée par notre moteur.
Grâce à notre moteur de Stirling, on entraîne un axe muni d’un cd (voir photo ci dessous) et
on mesure la vitesse (v1) de ce dernier lorsque le moteur a atteint sa vitesse maximale. Ensuite
on entraîne ce même axe avec un petit moteur électrique dont on règle l’alimentation jusqu’à
obtenir une vitesse de rotation du cd égale à v1. Sachant que ce moteur transforme l’énergie
électrique en énergie mécanique avec un rendement de 50 %, on peut en déduire la puissance
mécanique fournie par le moteur électrique pour faire tourner le cd à v1 , celle ci sera égale à
la puissance développée par notre moteur.
1/ Manipulation et Résultats
On fait fonctionner notre moteur entre de l’eau bouillante (T = 100 °C) et de la glace
pilée (T = 0 °C), lorsque sa vitesse de rotation semble constante (1.5tours /sec); on entraîne
l’autre axe à l’aide d’une ficelle et on mesure la vitesse du cd à l’aide de la porte optique.
23
On trouve v1=0.8 tours/sec.
On remplace ensuite le moteur de Stirling par le moteur électrique et on agit sur la tension et
l’intensité d’alimentation (via un rhéostat) jusqu’à obtenir une vitesse de rotation égale à v1.
Cette manipulation n’a pas été simple car le moteur électrique n’a pas été conçu pour tourner
à des vitesses si faibles, au mieux nous avons obtenu 1 tour/sec ; puis nous avons relevé U et I
d’alimentation.
U=5.38V
I=24.10-3A
Nous avons ensuite mesuré la résistance interne du moteur électrique (R=7) ; on en déduit
alors la puissance électrique fournie : Pe=U.I-R.I²=0.1 W
Sachant que le rendement du moteur électrique est de 50% on en déduit la puissance
mécanique fournie : Pm=0.5*Pe=50 mW
Ce résultat est peu précis, mais il permet d’obtenir l’ordre de grandeur de la puissance
développée par notre moteur : quelques dizaines de mW; on retrouve un résultat cohérent
avec la première méthode.
24
2/ Calcul du rendement
Pour pouvoir déterminer le rendement de notre prototype il faut qu’on évalue la
puissance fournie au moteur pour fonctionner; le moteur reçoit de l’énergie au cours des
étapes de Chauffage et de Compression, il s’agit donc de quantifier l’échange thermique lors
de cette étape. Hélas nous n’avons pas trouvé de méthode pour calculer cette quantité
d’énergie ; cependant grâce au rendement théorique, on peut en déduire la puissance
maximale fournie :
 Tf
 Tc
 théorique  1  


273.15
  1 
 0.27
373.15

Pm
Pfournie
50
P max fournie= 0.27 =185 mW
Effectuons un bilan énergétique de notre moteur :
Energie fournie par la source chaude =
| Pertes principales
| Transformation en énergie mécanique
| Pertes secondaires
Les pertes principales proviennent des imperfections de la machine, il y aura toujours de la
chaleur qui quittera le système et chauffera l’environnement.
Les pertes secondaires correspondent à l’énergie qui est cédée à la source froide pendant la
détente, et qui ne peut être utilisée comme énergie mécanique.
Cependant, cette énergie n’est pas perdue car elle permet le réchauffement de la source froide.
Finalement, l’énergie qui n’est perdue ni comme pertes principales ni comme pertes
secondaires est transformée en énergie mécanique
Comme on peut le voir sur Photologie.net, le rendement de ce type de moteur est très faible
(moins de 2%), ceci est dû au fait que les pertes sont incontrôlables puisque le système est
loin d'être isolé de l'environnement.
25
Sur toutes les photos que nous avons jointes dans les pages précédentes, le moteur
fonctionnait entre de l’eau bouillante et de la glace (T=100°) ; cependant comme on peut le
voir ci dessous notre moteur peut également fonctionner avec un gradient de température
moins important (entre une lampe (25 W) et de l’eau à 15 °C soit : T < 40 °C). Bien sûr, la
vitesse de rotation est diminuée : environ un tour /sec.
c) Conclusion
Revenons à notre objectif initial : Construire un moteur qui fonctionne avec un gradient de
température plus faible.
Au cours des nombreux essais que nous avons réalisé, il s’est avéré d’une part que le second
moteur n’était pas plus performant que le premier et d’autre part qu’il y a beaucoup plus de
frottements dans le seconde version (le cd est moins libre) ce qui empêche un fonctionnement
avec des gradients de température faibles.
En ce qui concerne l’aspect réversible du moteur, nous allons y consacré toute la prochaine
partie de notre compte rendu.
26
IV.
Fonctionnement de la machine de Stirling en pompe à
chaleur
Au cours de nos recherches, nous nous sommes aperçu que de nombreuses applications
des machines de Stirling s’effectuaient dans le domaine de la réfrigération. Dans ces
applications la machine de Stirling ne permet plus de fournir du travail, mais au contraire en
utilise pour effectuer un transfert de chaleur entre deux sources. Cette particularité des
machines de Stirling est issue de la réversibilité de leur cycle thermodynamique de
fonctionnement.
Tout d’abord, nous décrirons le fonctionnement de telles machines ; puis nous présenterons
les résultats obtenus avec nos prototypes fonctionnant en pompe à chaleur.
a) Théorie
Etant donné que l’on fournit de l’énergie au dispositif (le moteur), le sens de parcours du
cycle dans le diagramme de Clapeyron est inversé, c’est ce qui permet, comme nous allons le
voir d’obtenir un refroidissement continu de la source froide.
Cycle de Stirling inverse dans le diagramme de Clapeyron.
27
La machine frigorifique extrait une quantité de chaleur Q2 de la source froide en recevant un
travail W. La pompe à chaleur extrait une quantité de chaleur Q2 de la source froide et cède
une quantité de chaleur Q1 à la source chaude en recevant un travail W.
b) Machine n°1
i.
Fonctionnement
Voici les quatre étapes théoriques de fonctionnement de la machine de Stirling de type 
en machine frigorifique / pompe à chaleur.
Montée du piston de déplacement. Tout le fluide est envoyé vers le disque inférieur (la source
chaude) Etape de Chauffage.
28
Le piston de déplacement est à sa position maximale, et le piston moteur descend. Etape de
Compression.
Le piston moteur est à sa position minimum, et le piston de déplacement descend ; le fluide est
alors envoyé vers le disque supérieur (source froide). Etape de Refroidissement.
29
Le piston de déplacement est à sa position minimum, et le piston moteur remonte. Etape de
Détente.
ii.
Partie expérimentale
A/ Manipulations
Pour mettre en évidence la réversibilité du cycle, nous avons utilisé notre second moteur qui
était muni d’une poulie lui permettant d’être entraîner par un moteur électrique. On entraîne la
machine grâce à un petit moteur électrique (On le règle T=1 tour en 0.30 à 0.40 seconde) par
le biais d’un élastique reliée à la poulie. On place de l’eau à température ambiante sur le
disque supérieur, puis on fixe un thermomètre à afficheur sur chacun des deux disques. Il faut
fixer le sens de rotation d’entraînement du moteur de telle manière à obtenir un
refroidissement (descente du piston déplaceur) puis une détente (montée du piston moteur).
On vérifie ensuite que la température de l’eau reste constante (équilibre thermique), puis on
alimente le moteur électrique.
Régulièrement, on relève les deux températures, et on mesure la vitesse de rotation du CD
grâce au dispositif de porte optique (voir photo ci dessous) .
30
B/ Résultats
Nous avons représenté la variation des deux températures en fonction du temps de
fonctionnement, pour une fréquence de rotation d’environ 3 Hz.
t (min)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
T dessus
22,3
21,7
21,1
20,7
20,3
20,1
19,8
19,7
19,6
19,5
19,5
19,5
19,4
19,4
19,4
T dessous
21
21
21
21
21
22
22
22
22
22
22
22
22
22
22
T (s)
32
37
37
40
35
30
30
30
32
30
30
33
36
36
36
31
La vitesse de rotation du CD reste quasi constante au cours de l’expérience (environ 3
tours/seconde). La température de l’eau diminue environ de 3 °C en une heure, puis finie par
se stabiliser mais toujours T< T ambiant ; il y a donc réellement refroidissement.
En ce qui concerne la température du disque inférieur, elle augmente légèrement mais le
thermomètre utilisé est moins précis que l’autre (précision = 1° au lieu de 0.1 °).
Au cours du second essai avec une puissance fournie plus importante (0.12 W), autrement dit
une vitesse de rotation plus grande (3.5 Hz), on obtient un refroidissement d’environ 2° en 30
minutes, et la température se stabilise ensuite.
Ce refroidissement est moins important que pour l’expérience précédente, mais cela est du à
une température ambiante plus élevée : il faisait plus chaud dans la salle donc l’énergie
rayonnée est plus importante et s’oppose d’autant plus au refroidissement de la partie
supérieur du moteur.
Sur le graphique ci-dessous on vérifie bien que le refroidissement observé est bien du au
moteur de Stirling puisque la température s’est mise à augmenter de nouveau dés que nous
avons éteint le moteur électrique.
32
Remarque : Comme pour l’expérience précédente, nous avons laissé l’eau pendant au moins
30 minutes à température ambiante avant de commencer la manipulation afin d’être sûre que
le refroidissement est dû à la machine
C/ Conclusion expérimentale
Même si nous avons observé les variations de températures attendues (théoriques), elles
restent néanmoins minimes, et doivent pouvoir être améliorées.
Pourquoi notre second moteur ne nous a t’il pas permit d’obtenir un refroidissement
important ?
La raison est uniquement technique, en effet lorsque nous plaçons le moteur électrique pour
entraîner la petite poulie, on remarque qu’après l’étape de refroidissement (descente du piston
de déplacement) la membrane (piston moteur) remonte, donc on provoque bien une
dépression mais le problème c’est qu’elle est minuscule à cause de la taille de notre piston
moteur. De plus, les sources « froide » et « chaude » sont très proches l’une de l’autre ; ainsi
leur influence mutuelle empêche l’obtention de grande différence de température. Enfin,
l’aluminium n’est pas un très bon conducteur thermique.
33
c) Machine n°2
i.
Présentation
Pour résoudre ce problème (refroidissement trop faible) nous avons décidé de réaliser un
troisième moteur exclusivement réservé pour « le transfert de chaleur », qui fournirait une
dépression plus importante et surtout où les sources sont séparées.
Jusqu’à maintenant, nous n’avons utilisé que les moteurs de Stirling de type « déplaceur »
(configuration ) c’est à dire composé d’un piston moteur et d’un autre qui déplace le fluide
d’une source à l’autre (figure n° 1 ci dessous). Or il existe des moteurs en configuration , qui
sont composés de deux cylindres (un pour chaque source) contenant chacun un piston
étanche; ceci permet l’isolement de chacune des sources sans pour autant augmenter
l’encombrement de l’ensemble (figure n°2 ci dessous). Comme pour la configuration , les
deux pistons sont déphasés de 90°.
Configuration  (n°1)
Configuration  (n°2)
Source : http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/mk_rot.htm
Notre machine ne ressemble pas tout à fait à la configuration (comme ci dessus), mais elle
se compose quand même de deux pistons séparés et déphasés de 90°.
34
ii.
Construction de la machine frigorifique
La construction de la première version () ne nous a pas posé de gros problèmes car nous
n’avons pas utilisé de piston étanche mais seulement une membrane ; pour la configuration ,
il faut utiliser deux pistons parfaitement étanches, mais nous n’avions ni les moyens
techniques ni le temps de construire un tel dispositif. Pour ces raisons nous avons cherché une
machine dans laquelle il y aurait déjà deux pistons étanches et un système de vilebrequin, et
que l’on aurait seulement à modifier.
Nous avons de suite pensé à un compresseur, nous en avons démonté deux qui provenaient de
machines frigorifiques, dont un qui possédait deux pistons. Après avoir isolé le « bloc
moteur » de la cuve contenant l’huile et le circuit électrique, nous avons étudié le mouvement
respectif des deux pistons ; hélas dans un premier temps les deux pistons étaient « décalés »
de 180 °, c’est à dire lorsque l’un était à sa position maximum l’autre était à sa position
minimum, or dans le moteur de Stirling il faut absolument un déphasage de 90 ° entre les
deux pistons.
Schéma initial du compresseur isolé de sa cuve
Schéma du compresseur après avoir retiré le bobinage qui permettait la rotation du
vilebrequin.
35
Nous avons alors découplé les deux cylindres (tronçonnage du bloc avec une meuleuse) et
nous les avons mis à 90° l’un de l’autre. Puis nous avons bouché les deux cylindres à l’aide de
la plaque qui comportait les anciens clapets du compresseur et que nous avons découpé en
deux parties. Enfin à l’aide des trous déjà existant nous avons raccordé les deux cylindres à
l’aide d’un tube en cuivre (=16 mm)
Nous avons ensuite entraîné le vilebrequin à l’aide d’une perceuse
Nous avons décidé, à tort, d’essayer la machine avant de l’étudier.
36
iii.
Manipulations
Etant donné que nous ne disposions pas de thermomètres qui pouvaient s’introduire dans
les cylindres (sondes trop grosses : problème d’étanchéité), nous avons seulement pu constater
l’évolution de la température au niveau du capillaire à proximité de chaque cylindre.
1/ Initialement les deux sources (cylindres) se trouvent à la même température. Lorsque l’on
fait tourner le moteur vers la droite on observe un réchauffement du piston 1 (à droite sur les
photos de la page précédente) par rapport au piston 2 (à gauche). Pour espérer obtenir un
refroidissement il faut faire fonctionner la machine entre deux sources de chaleur de
température différentes.
2/ Nous avons alors décidé de chauffer le cylindre 1 (cylindre chaud) , mais là encore le
refroidissement n’est pas très important; ceci est du à l’énergie dissipée par frottements dans
le cylindre 2 qui est considérable compte tenu de la vitesse de rotation du moteur et de la
surface importante de contact entre le cylindre et le piston (il n’y a pas de segments comme
sur un moteur de voiture par exemple donc beaucoup plus de frottements). Nos résultats ne
sont pas très fiables car les prises de températures ont été effectuées à chaque extrémité du
capillaire et pas directement dans les cylindres, d’autre part à cause de ce capillaire les deux
sources ne sont pas suffisamment isolées dons la température prise à une extrémité du
capillaire est influencée par la température de l’autre extrémité.
Pour les moteurs de ce type les constructeurs utilisent ce que l’on appelle un régénérateur
pour séparer les deux sources ; il permet de stocker l’énergie pendant une partie du cycle et de
la redonner à un autre moment. En général, il est composé de copeaux métalliques ou de
métaux poreux (bon conducteur thermique) et possède une grande surface d’échange. La
présence de ce régénérateur doit permettre l’augmentation du rendement de la machine car il
diminue les pertes de chaleur vers l’extérieur. Nous avons tenté d’ajouter un régénérateur
constitué de « laine de fer », mais celle ci a rapidement été éjectée dans l’un des cylindres.
Dans le meilleur des cas nous avons obtenu un refroidissement d’un peu plus de 1°, qui
s ‘effectuait assez rapidement mais qui s’équilibrait très vite avec la chaleur dissipée à cause
des frottements.
37
Ces résultats décevants nous ont amené à étudier plus précisément le mouvement relatif des
deux pistons; pour cela nous avons fait varier la distance h1 avec un pas de 1 mm et nous
avons mesuré h2.
Nous avons ensuite tracé les résultats obtenus sur le graphique ci dessous :
(on a h=0 lorsque le piston se trouve à sa position le plus haute)
Dans un premier temps voici comment nous avons interprété ce graphique : (Attention cette
interprétation est fausse, mais nous avons décider de la joindre au compte rendu car elle nous
a amené à modifier notre machine).
On distingue quatre étapes :
1 : montée du piston chaud alors que le piston froid reste immobile : COMPRESSION
2 : mouvement simultané des deux pistons : REFROIDISSEMENT
3 : descente du piston froid alors que le piston chaud reste immobile : DETENTE
4 : mouvement simultané des deux pistons : CHAUFFAGE
38
Même si les quatre étapes théoriques sont présentes, on remarque néanmoins que celle du
refroidissement est extrêmement courte. En pratique ceci se traduit par le fait que la détente
suit presque immédiatement la compression, donc on effectue une détente sur un fluide encore
chaud.
Pour résoudre ce problème, deux solutions se proposent à nous :
1 / la plus simple : on ajoute nous même l’étape de refroidissement
2 / la plus technique : on modifie la position des pistons sur le vilebrequin
1/ Pour ajouter cette étape de refroidissement, nous avons seulement utilisé une éponge
imbibée d’eau froide que nous avons disposée sur le tube reliant les deux cylindres :
Nous avons effectué de nouvelles mesures, et nous obtenons un refroidissement d’environ 2° ;
là encore ce n’est pas très concluant.
2/ Nous avons donc décidé de nous lancer dans la modification du vilebrequin.
Modification : Nous avons retiré le gros cylindre en métal (qui supportait le bobinage) à l’aide
d’une meuleuse, et les deux pistons, ce qui nous a permis d’isoler le vilebrequin. Nous l’avons
ensuite coupé puis ressoudé (voir schéma et photo ci dessous)
39
Nous avons ensuite remonté le tout, puis comme pour la machine précédente nous avons
effectué une étude du mouvement relatif des pistons.
Mouvement relatif des deux pistons après modification du
vilebrequin
2
1,5
) 1
m
c
( 0,5
h
0
piston chaud
piston froid
-0,5
On retrouve exactement le même graphique que nous avions obtenu avant la modification.
C’est à partir de cette constatation que nous nous sommes aperçu que nous devions étudier le
comportement du fluide (via son volume) plutôt que le mouvement relatif des deux pistons.
Nos mesures n’ont pas été inutiles puisque le volume du fluide est proportionnel à (h1+h2) :
V=.r².(h1+h2) + V raccord cuivre.
Nous avons alors tracé la variation du volume au cours du fonctionnement de la machine (voir
graphique ci dessous).
40
Nous obtenons une étape quasi isochore (Chauffage 1), une diminution de volume
(Compression 2), une autre étape quasi isochore (Refroidissement 3) puis une augmentation
de volume (Détente 4).
Les quatre étapes attendues sont bien présentes ; nous pouvons résumer le fonctionnement de
la machine grâce aux schémas suivants :
Avant modification du vilebrequin
1 : Cylindre froid
Après modification du vilebrequin
2 : Cylindre chaud
 Les deux pistons descendent : DETENTE
 Le fluide est transféré vers le cylindre chaud : CHAUFFAGE
 Les deux pistons remontent : COMPRESSION
 Le fluide est transféré vers le cylindre froid : REFROIDISSEMENT
Comme on peut le voir sur les schémas ci dessus, la modification du vilebrequin a seulement
induit une inversion de la position des sources.
41
Nous avons ensuite fait fonctionner la machine, et nous obtenons un refroidissement
d’environ 2°, qui s’équilibre rapidement avec la chaleur dissipée à cause des frottements. Ce
faible refroidissement peut s’expliquer à cause des frottements à l’intérieur du cylindre
(proportionnels à la vitesse de rotation de l’axe moteur et à la surface de contact entre le
cylindre et le piston) ; mais aussi à cause du tube en cuivre qui relie les deux cylindres : en
effet comme nous l’avons précisé page 37, le bon fonctionnement de la machine thermique de
Stirling nécessite la présence d’un régénérateur entre les deux sources. Nous avions déjà
essayé d’utiliser de la laine de fer avec la version précédente mais le dispositif n’était pas au
point (la laine de fer était éjectée dans les cylindres). Nous avons alors réalisé un régénérateur
en utilisant un tube de cuivre dans lequel nous avons disposé de la laine de fer (de telle
manière à ce qu’elle ne puisse en sortir).
Remarque sur le fonctionnement du régénérateur : Quand le fluide chaud est transféré dans
le cylindre froid, il passe d’abord par le régénérateur où il cède une partie de sa chaleur ;
quand le fluide froid est envoyé dans le cylindre chaud il repasse par le régénérateur et
absorbe cette chaleur. Le régénérateur préchauffe et pré refroidi le fluide de travail.
Grâce au régénérateur, le système n’effectue plus d’échange avec le milieu extérieur au
moment du chauffage et du refroidissement. Pendant DA le fluide cède +QE au régénérateur,
puis le fluide récupère cette énergie au cours de BC.
42
Les résultats obtenus avec le régénérateur sont encourageants, on obtient un refroidissement
d’environ 4° en moins de 5 min, en faisant tourner la perceuse à vitesse réduite. Plus la vitesse
de rotation de la perceuse est élevée, et plus l’énergie dissipée à cause des frottements est
importante.
Jusqu’ici nous avions toujours réalisé nos mesures en partant de deux sources à même
température ; nous avons alors décidé de chauffer le cylindre « chaud » à l’aide d’un
chalumeau ; mais à cause de la proximité des deux cylindres le refroidissement obtenu est un
peu plus faible (3 °).
Ce faible refroidissement est lié aux frottements et à toutes les imperfections techniques de la
machine entre autre : il est difficile de réaliser une compression ou une détente isotherme dans
une machine fonctionnant à une vitesse raisonnable; de plus on ne peut éviter les chutes de
pression dans le régénérateur et un écart de température entre les deux écoulements qui s’y
trouvent
Nous allons maintenant conclure sur les avantages et inconvénients des moteurs de Stirling
ainsi que sur ses multiples applications.
43
V.
Avantages et Inconvénients du moteur de Stirling
1. Avantages
A l’époque de sa découverte, le moteur de Stirling avait l’avantage de ne pas avoir besoin
de chaudière sophistiquée, de consommer moins de charbon que les machines à vapeur et de
coûter moins chère que ces dernières.
Au XX° siècle :
Le fluide de travail (pour nous : l’air) est en régime fermé, c’est à dire qu’il n’est pas
renouvelé (à la différence d’un moteur à combustion par ex), ce qui rend le moteur de Stirling
très écologique et économique.
Le moteur de Stirling peut fonctionner avec n’importe qu’elle source de chaleur, donc
en installant un brûleur universel on peut passer d’un combustible à un autre sans aucune
modification. On peut utiliser des sources écologiques et mêmes gratuites telle que l’énergie
solaire.
A la différence des autres moteurs celui ci peut fonctionner à un régime sonore très
bas, car il n’y a pas d’explosion périodique qui se produit et surtout peu de pièces métalliques
en contact l’une contre l’autre.
La composition simpliste du moteur permet d’imaginer de nombreuses configurations
pour des applications très diverses (voir Applications).
Il ne rejette aucun produit polluant ou nocif.
Son rendement peut atteindre 50 % du rendement théorique de la machine de Carnot,
ce qui est bien supérieur à celui d’un moteur à combustion; des recherches sur la
configuration du moteur solaire ont montré qu’il permettait de transformer l’énergie solaire en
énergie électrique avec un meilleur rendement que des cellules photovoltaïques.
44
Son fonctionnement se fait sans lubrifiant (pas d’huile de graissage), ce qui limite son
entretien.
Le fonctionnement se faisant en régime fermé le risque de corrosion est diminué.
Sa durée de vie est en théorie plus longue que les moteurs classiques (cela n’a pas été
le cas de notre moteur !), il nécessite un entretien moindre et son remplacement est beaucoup
plus rapide et moins dangereux.
Et enfin, son fonctionnement est réversible ce qui permet une production de basses
températures et augmente d’autant plus le nombre d’applications possibles.
2. Inconvénients
Le principal inconvénient de ce moteur est son prix de fabrication, qui est environ deux
fois plus élevé que celui d’un moteur Diesel.
La performance du moteur dépend des températures haute et basse, et évidemment le
stockage d’un fluide à des températures « extrêmes » engendre des coûts supplémentaires.
La puissance du moteur est difficile à régler.
La conception à base de bielles pose forcément des difficultés d’étanchéité au niveau des
parties tournantes, car dans les modèles industriels pour obtenir des rendements corrects
(compétitifs) la pression à l’intérieur du moteur doit être de plusieurs dizaines de bars.
De plus c’était souvent l’hydrogène qui était utilisé comme fluide caloporteur pour ses
avantages thermiques mais la petite taille de ses molécules fait qu’il fuit très facilement par
les joints; il fragilise les aciers courants et nécessite alors l’utilisation d’aciers spéciaux plus
coûteux.
45
VI.
Applications des machines de Stirling
Etant donné sa simplicité de fabrication, il est
un objet pédagogique idéal à la
compréhension du fonctionnement d’un moteur.
Grâce à son silence de fonctionnement, il est utilisé à des fins militaires comme par
exemple dans un sous-marin Suédois qui évolue grâce à ce mode propulsion.
Son mode de fonctionnement le rend également utile dans le domaine spatial, en effet les
grandes différences de températures disponibles dans l’espace fournissent un rendement très
élevé au moteur qui peut être utilisé par des satellites.
L’utilisation de deux moteurs de Stirling (alimenté en fuel « source chaude » et oxygène
liquide « source froide » à
permis au SAGAL (Sous-marin d’Assistance à Grande
Autonomie) de mener une campagne de 10 jours de travail à 300 mètres de fond.
Il a également des applications biomédicales comme le cœur artificiel.
Il sert à la production d'électricité comme moteur de groupes électrogène dans des
endroits peu accessibles avec comme source de chaleur le soleil ou la biomasse.
La réversibilité du moteur permet
également en fournissant du travail de
produire du froid, il est en particulier
utilisé pour la production des basses
températures (jusqu’à 10 °K). Comme on
peut le voir sur le graphique ci dessous,
la machine de Stirling est plus efficace
que les procédés habituels (comme celui
de Hampson Linde étudié cette année en
cours de Thermodynamique).
46
Cette configuration de la machine de Stirling est utilisée dans les cryogénérateurs en
spatial pour refroidir les capteurs infrarouges. (le milieu militaire est également intéressé par
cette application : vision infrarouge) [ex : refroidisseurs cryogéniques SUNPOWER].
La machine frigorifique de Stirling fait également de la concurrence aux réfrigérateurs
domestiques grâce à son efficacité plus élevée. Sachant qu’en Europe, les réfrigérateurs et les
congélateurs représentent 25 % de la consommation d’énergie, il serait beaucoup plus
économique d’utiliser des machines de Stirling qui ont un rendement 3 à 4 fois plus grand.
La NASA et la société CUMMINS effectuent actuellement des recherches pour la
production d’électricité à partir du soleil (Stirling solaire : voir ci dessous).
Stirling solaire devant le Pentagone en juin 1998
Aussi des petites installations domestiques ont été développées dans le domaine de la
cogénération, c’est à dire dans la production simultanée d’électricité et chaleur : il s’agit
d’optimiser la dépense énergétique d’une installation de chauffage central dans une maison en
plaçant dans le foyer de la chaudière un moteur de Stirling qui transformera l’énergie
thermique en énergie électrique (le refroidissement s’effectuant par le circuit d’eau du
sanitaire). Ce dispositif permettrait des économies pendant la saison où on consomme le plus
d’énergie (l’hiver).
De nombreuses recherches sont également effectuées sur la conception d’automobile
hybride. Ces véhicules bénéficient des avantages du moteur de Stirling (silencieux,
écologique..) mais pour qu’ils soient performant il faut utiliser une source très froide et un
fluide de travail à très haute pression ce qui implique nécessairement des aménagements
coûteux.
47
VII.
Conclusion
Ce TP libre nous a permis de progresser dans de nombreux domaines ;
Tout d’abord lors de nos recherches qui se sont effectuées en Anglais, car il y a peu de
recherches sur le moteur de Stirling en France et d’autre part parce que la plupart des articles
scientifiques paraissent en Anglais.
Contrairement aux TP « classiques », celui ci comporte une partie purement technique via
la construction des moteurs; c’est d’ailleurs ce qui nous a pris le plus de temps en particulier
pour le réglage.
Enfin pour la première fois nous avons été confronté à des véritables soucis
d’expérimentation, comme par exemple de pas savoir ce qu’une manipulation va nous fournir
comme résultat (ex : l’ordre de grandeur du refroidissement obtenue avec nos pompes à
chaleur) ou simplement à des manques de matériels ; Tous les TP que nous avons réalisé au
cours des années précédentes marchaient parfaitement ou au pire il y avait toujours quelqu’un
pour trouver l’erreur; cette fois ci c’était différent car nous n’avions pas de protocole défini et
pas toujours quelqu’un pour nous donner les solutions à tous nos problèmes.
Ce TP nous a également permis d’utiliser de nouveaux instruments de mesure comme une
porte optique ou bien un stroboscope.
D’un point de vue expérimental, la configuration moteur est plutôt réussie, la vitesse de
rotation du cd obtenue nous semble satisfaisante étant donné les matériaux utilisés lors de la
construction. Les performances pourraient être améliorées mais dans ce cas il faudrait utiliser
de véritables pistons, un fluide de travail à plus haute pression, obtenir une parfaite étanchéité
de l’ensemble..etc..; tout cela nécessiterait des matériaux et surtout un certain nombre de
connaissances techniques dont nous ne disposons pas.
En ce qui concerne la configuration pompe à chaleur, les résultats obtenus ne sont pas très
concluants, même si le refroidissement est bien présent il n’a jamais dépassé 3 °C avec la
48
première version. Bien sûr nous avions beaucoup d’espoir avec la seconde machine, mais là
encore nous avons été confrontés à des soucis d’ordre technique.
Nous tenons à remercier chaleureusement tous les professeurs qui se sont intéressés à
notre projet et surtout à Gilles RIPAULT qui nous a suivi tout au long de nos expériences, qui
nous a conseillé et qui à mis a notre disposition la salle de CAPES et tout le matériel dont
nous avions besoin (ex moteur électrique, appareil photo numérique, stroboscope….).
49
VIII.
Bibliographie
Fonctionnement en moteur
http://moteurstirling.free.fr/Fonctionnement.htm
http://www.hesston.edu/academic/nelsonk/PhysicsResearch/StirlingEngine/Research.htm
http://ecolib.free.fr/textes/energie/Sterling.html
Fonctionnement en pompe à chaleur
http://www.phy.ntnu.edu.tw/~chiact/thermo_ch6.htm
http://www.bboxbbs.ch/home/rich/physics/c1.htm
http://cryocoolers.dreamstation.com/doc/index.htm
http://www.globalcooling.nl/publications.html
Plans de moteur
http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/mk_rot.htm
http://www.photologie.net
Moteur de Stirling sous différentes configurations
http://www.limsi.fr/RS2000FF/MECA2000FF/ADS2000FF/ads5/
http://quasiturbine.promci.qc.ca/FQTStirling.html
http://www.grc.nasa.gov/WWW/tmsb/stirling/intro_stirling/Slidepage.html
Recueil de liens
http://www.ucolick.org/~de/StirlingEngines.html
http://www.frontier.net/~ohare/
http://www.rmsg.us/rmsg/heat/steam.htm
Animations
50
http://techni.tachemie.uni-leipzig.de/stirling/
http://www.k-wz.de/vmotor/stirling.html
http://www.merz-schule.de/schule/faecher/physik/stirling/
Applications
http://rclsgi.eng.ohio-state.edu/~tambe/Geocities/Documents/Seminars/seminar1.html
http://perso.wanadoo.fr/michel.steiner/html/stir/question4.htm
51

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