P2.6.1.1 Le moteur à air chaud utilisé comme moteur

LEYBOLD
Fiches d’expériences
de physique
Chaleur
Cycle thermodynamique
Moteur à air chaud: essais qualitatifs
P2.6.1.1
Le moteur à air chaud utilisé
comme moteur thermique
Objectifs expérimentaux
Mise en service du moteur à air chaud pour un fonctionnement en moteur thermique par chauffage électrique du cylindre.
Etude qualitative de l’influence de la tension de chauffage sur la vitesse de rotation à vide.
Etude qualitative de l’influence de la force de freinage (force de frottement) sur la vitesse de rotation.
Notions de base
cuivre située dans le perçage. Lorsque l’air froid est ensuite à
nouveau déplacé vers le haut, il absorbe la chaleur de la laine
de cuivre. La laine de cuivre sert donc de régénérateur.
Le moteur à air chaud (R. Stirling, 1816) constitue avec la
machine à vapeur le plus ancien moteur thermique. La représentation schématique de son principe de fonctionnement est
donnée sur la fig. 1. Le moteur dispose de deux pistons reliés
à un vilebrequin par des bielles, le piston déplaceur devançant
le piston moteur de 900. Pendant que le piston moteur est au
point mort haut (a), le piston déplaceur se meut vers le bas tout
en déplaçant l’air vers le haut dans la partie chauffée du
cylindre. Il y est chauffé, se détend et pousse le piston moteur
vers le bas (b). Du travail mécanique est ainsi cédé au volant.
Pendant que le piston moteur est au point mort bas (c), le
piston déplaceur se meut vers le haut et déplace l’air vers le
bas dans la partie refroidie du cylindre. Il y est refroidi et
comprimé par le piston moteur (d). A cet effet, le volant moteur
fournit du travail mécanique.
L’échauffement et le refroidissement de l’air ont lieu de manière
très simplifiée pour un volume constant alors que son expansion et sa compression laissent de manière tout aussi simplifiée, la température telle quelle. Le cycle thermodynamique du
moteur à air chaud consiste donc en un apport de chaleur
isochore (a), une expansion isotherme à haute température (b),
une perte de chaleur isochore (c) et une compression isotherme à basse température (d). Ce processus très idéalisé
(voir fig. 2) est en général caractérisé de cycle de Stirling.
Grâce à un perçage axial dans le piston déplaceur, l’air dans
le cylindre en dessus du piston déplaceur est relié à l’air en
dessous de ce même piston. Pendant que l’air chaud est
refoulé vers le bas, il cède sa chaleur à une charge en laine de
Dans l’expérience, on étudie qualitativement l’utilisation du
moteur à air chaud en tant que moteur thermique. Pour démontrer la relation entre la puissance thermique fournie et la
puissance mécanique dissipée, on fait varier la tension au
filament chauffant. La vitesse de rotation à vide atteinte à
chaque fois par le moteur caractérise l’énergie mécanique
prélevée. La force de freinage peut être augmentée à l’aide
Fig. 1
Fig. 2
0110-Wei
Schéma illustrant le principe de fonctionnement du moteur
à air chaud utilisé comme moteur thermique
1
Cycle de Stirling: diagramme pV idéalisé du moteur à air
chaud
P2.6.1.1
LEYBOLD Fiches d’expériences de physique
Matériel
d’un ruban de cuivre enroulé autour de l’arbre du volant. Le
moteur est ainsi freiné jusqu’à une vitesse de rotation plus
faible.
1 moteur à air chaud . . . . . . . . . . . .
388 182
1 noyau en U avec joug . . . . . . . . . .
1 agrafe d’assemblage . . . . . . . . . .
1 bobine secteur à 500 spires pour 230 V
1 bobine TBT, 50 spires . . . . . . . . . .
562 11
562 12
562 21
562 18
.
.
.
.
Câbles d’expérience à section de 2,5 mm2
Supplément nécessaire:
Récipient d’eau ouvert (au moins 10 l)
1 pompe submersible 12 V . . . . . . . . .
1 alimentation TBT . . . . . . . . . . . . .
2 tuyaux en silicone ⭋ int. 7 × 1,5 mm, 1 m
Montage
Le montage expérimental est représenté sur la fig. 3.
388 181
522 16
667 194
Alimentation en eau de refroidissement:
– Verser au moins 10 l d’eau dans le récipient d’eau ouvert
ou
et attacher la pompe submersible.
– Brancher la sortie de la pompe submersible à l’arrivée
arrivée et écoulement de l’eau de refroidissement
–
d’eau de refroidissement du moteur à air chaud et amener
l’écoulement de l’eau de refroidissement dans le récipient
d’eau.
Brancher la pompe submersible à l’alimentation TBT.
ou
– Brancher l’arrivée d’eau de refroidissement du moteur à air
chaud au robinet d’eau et amener l’écoulement de l’eau de
refroidissement dans le déversoir.
Conseils de sécurité
Le moteur à air chaud fonctionnant en moteur thermique
ne démarre pas automatiquement et s’arrête, par exemple
après une coupure de courant. Un blocage des bielles et
du vilebrequin peut également susciter un arrêt du moteur.
En cas d’arrêt, la chaleur délivrée à la culasse n’est pas
suffisamment dissipée.
Alimentation en tension:
– Monter le couvercle de la culasse avec filament chauffant
–
Respecter les instructions spécifiées dans le mode
d’emploi du moteur à air chaud.
Lorsque la machine est à l’arrêt, ne pas chauffer la
culasse en permanence.
Ne faire fonctionner le moteur à air chaud que sous
surveillance.
En cas d’arrêt du moteur, immédiatement arrêter le
chauffage électrique.
Protéger les bielles et le vilebrequin contre l’accès par
des personnes non autorisées par la mise en place de
la grille de protection.
–
(respecter la marque, voir mode d’emploi du moteur à air
chaud).
Tourner le volant moteur et vérifier l’étanchéité du moteur
à air chaud; éventuellement fermer le collier de serrage
pour le capteur de pression avec le bouchon prévu à cet
effet.
Monter le transformateur démontable et brancher la sortie
de 12 V aux douilles de connexion du couvercle pour la
culasse.
Les éléments en verre ne doivent pas être soumis à une
trop forte chaleur.
Ne pas faire fonctionner le moteur à air chaud sans eau
de refroidissement et s’assurer du bon fonctionnement
du circuit d’eau d’alimentation.
Veiller à ce que la température de l’eau de refroidissement alimentée ne dépasse pas 30 ⬚C.
Ne pas porter le filament chauffant à des températures
élevées (incandescence jaune) en fonctionnement permanent et en tout cas, seulement lorsque le moteur
tourne rapidement.
Réalisation
Fonctionnement du moteur à air chaud en moteur
thermique:
– Enclencher l’alimentation en eau de refroidissement (pour
Attention: le couvercle de la culasse et les douilles de
connexion chauffent énormément en cas d’utilisation prolongée avec une puissance de chauffe maximale.
–
ce faire, régler par exemple l’alimentation TBT pour la
pompe submersible sur la position 2), vérifier le débit et
attendre que l’eau revienne par le tuyau d’écoulement.
Relever la tension de chauffage 12 V, mettre la bobine
secteur en marche et observer le filament chauffant.
Dès que le filament chauffant devient rouge incandescent:
Monter la grille de protection du cylindre.
Laisser refroidir le moteur à air chaud avant d’enlever
les câble de connexion ou avant de changer le couvercle pour la culasse.
– Lancer le moteur à air chaud en faisant tourner le volant
moteur dans le sens rétrograde.
Si le moteur à air chaud ne démarre pas malgré des essais
répétés:
– Arrêter la bobine secteur et vérifier le montage.
2
P2.6.1.1
LEYBOLD Fiches d’expériences de physique
Fig. 3
Montage expérimental pour le fonctionnement du moteur
à air chaud en moteur thermique (représenté ici: alimentation
en eau de refroidissement du récipient d’eau à l’aide de
la pompe submersible).
Variation de la tension de chauffage:
Variation de la force de freinage:
– Alors que le moteur tourne, réduire pas à pas la tension de
Si la force de traction exercée sur le ruban en cuivre enroulé
autour de l’arbre augmente, la vitesse de rotation diminue:
chauffage appliquée jusqu’à 6 V puis l’augmenter jusqu’à
20 V; attendre à chaque fois quelques minutes et observer
la vitesse de rotation à vide.
Variation de la force de freinage:
Si on augmente la force de frottement, on freine la machine en
réduisant la vitesse de rotation. Une puissance mécanique est
prélevée pendant le freinage; au lieu d’être réutilisée, cette
puissance est convertie en chaleur de friction.
– Appliquer une tension de chauffage de 12 V.
– Enrouler le ruban de cuivre autour de l’arbre dans le sens
de rotation et freiner la machine à environ la moitié de la
vitesse de rotation à vide en tirant prudemment sur le ruban
de cuivre.
N.B.:
Le moteur ne doit pas s’arrêter complètement à cause de la
sollicitation mécanique. Il ne faut donc pas réduire la vitesse
de rotation à moins de la moitié de la vitesse de rotation à vide.
Si le moteur venait malgré tout à s’arrêter:
Résultat
En cas d’apport de chaleur à la culasse du moteur à air chaud
par chauffage électrique, une puissance mécanique peut alors
être cédée à l’arbre. Simultanément, une partie de la chaleur
est cédée à l’eau de refroidissement. Le moteur à air chaud
fonctionne en moteur thermique.
Immédiatement relancer le moteur à la main ou bien immédiatement arrêter le chauffage électrique.
Exemple de mesure et évaluation
Variation de la tension de chauffage:
Lorsque la machine tourne, il est possible de faire varier la
tension de chauffage entre 6 V et 20 V. Au fur et à mesure que
la tension augmente, la vitesse de rotation à vide augmente
nettement:
Par augmentation de la tension de chauffage, une plus grande
puissance calorifique est délivrée au moteur à air chaud. La
machine peut céder une plus grande puissance mécanique et
atteint donc en marche à vide une vitesse de rotation plus
élevée.
LEYBOLD DIDACTIC GMBH ⋅ Leyboldstrasse 1 ⋅ D-50354 Hürth ⋅ Phone (02233) 604-0 ⋅ Telefax (02233) 604-222 ⋅ Telex 17 223 332 LHPCGN D
© by Leybold Didactic GmbH
Printed in the Federal Republic of Germany
Technical alterations reserved