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Moteur de Stirling Réalisé par : Romdhani Ahmed Amiri Yossri SOMMAIRE Ce que ce

Moteur de Stirling Réalisé par : Romdhani Ahmed Amiri Yossri SOMMAIRE Ce que ce rapport va couvrir Introduction Histoire Principe, avantages et inconvénients Utilisations Types de moteur Stirling Bibliographie et Liens externes INTRODUCTION Le moteur Stirling est un moteur à combustion externe et à fluide de travail en cycle fermé. Le fluide est un gaz soumis à un cycle comprenant quatre phases : chauffage isochore (à volume constant), détente isotherme (à température constante), refroidissement isochore, enfin compression isotherme. Robert Stirling a inventé en 1816 le moteur à air chaud et, pour améliorer son efficacité, l'a muni d'un régénérateur, qui assure une fonction de stockage thermique et d'échangeur interne. Cet élément singularise le moteur Stirling par rapport aux autres moteurs. Il a considérablement amélioré sa performance, lui donnant un réel développement en thermodynamique. Peu connu du grand public, ce moteur a cependant quelques avantages. Il était répandu au temps de la domination des machines à vapeur qui présentaient le grave risque d'exploser. HISTOIRE Au début du xixe siècle, les chaudières à vapeur explosent assez souvent. Pour répondre à ce problème, Robert Stirling imagine un moteur dépourvu de chaudière soumise à de trop fortes pressions, où la chaleur est donc apportée de l’extérieur de la machine. Il découvre qu'il suffit de chauffer l’air ambiant par combustion pour alimenter ce moteur en énergie et c'est ainsi que Stirling dépose son brevet le 27 septembre 1816. Il est aussi l'inventeur d’un régénérateur dans la tuyauterie du moteur qui permet d’éviter trop de pertes d’énergie et améliore son rendement. À proprement parler, ce régénérateur est ce qui distingue le moteur Stirling des autres machines à air chaud. Maquette d'un moteur Stirling En 1843, son frère James « industrialise » ce moteur, pour une utilisation dans l'usine où il est ingénieur. Toutefois, en raison de différents bris et d’une puissance trop faible par rapport à la machine à vapeur et au moteur à combustion interne, le moteur à air chaud de Stirling n’obtient pas le succès escompté. Le moteur Stirling n'est alors plus qu’un objet d’étude pour les physiciens, qui comprennent le fonctionnement du moteur Stirling, bien après son invention, avec l’avènement de la thermodynamique. En 1871, les progrès de la thermodynamique accomplis au xixe siècle permettent à Gustav Schmidt de décrire mathématiquement le cycle de Stirling. Coupe d'un moteur rider à compression, 1880. À partir de 1878, John Ericsson se tourne vers une solution utilisant un cycle de Stirling avec son moteur « à air chaud » (moteur Ericsson) avec un déplaceur et construit, en partenariat avec la DeLameter Iron Works puis la Rider- Ericsson Engine Company, un nouveau moteur. Ce moteur sera aussi un succès, il sera produit aux États-Unis jusqu'au début de la Première Guerre mondiale. Parmi tous les moteurs à cycle Stirling conçus, c'est la version la plus commune, bien que rare car centenaire ; il est possible d'en voir à la vente chez des brocanteurs spécialisés dans les moteurs anciens. En 1889, la société américaine Rider-Ericsson Engine Company sort sa première pompe hydraulique « à air chaud » ; elle en produira jusqu'au début 1900 et en exportera partout à travers le monde. Gravure de 1899 d'un Moteur Ericsson M1851 avec régénérateur type Stirling. Il faut toutefois attendre les recherches de la compagnie néerlandaise Philips, dans les années 1930, pour que le moteur Stirling soit de nouveau étudié sérieusement et que son application dans toutes sortes de technologies soit testée. En 1938, un moteur Stirling de plus de 200 ch, avec un rendement supérieur à 30 % (comparable aux moteurs à essence actuels), y est conçu. Cependant, cette technologie n'a d'application qu’en cryogénie. En 1953, Philips sort sa génératrice de 180 W : le MP1002CA, conçu à partir d'un moteur Stirling. Photographies du moteur Stirling Philips MP1002CA. Ce n’est que dans les dernières décennies que les développements du moteur commencent à intéresser à nouveau l'industrie, à cause du besoin croissant de sources d’énergie alternatives. De fait, le moteur Stirling peut fonctionner avec toute source d'énergie produisant de la chaleur : énergie solaire, énergie géothermique, énergie nucléaire, chaleur rejetée par les usines, etc. Dans une perspective écologique, ceci est d'autant plus intéressant que le régénérateur, parce qu’il préchauffe et pré-refroidit le gaz, permet de « recycler » de l’énergie. Ainsi, les avancées en science des matériaux permettent-elles maintenant d'utiliser des matériaux qui supportent des écarts de température très importants et des composites qui améliorent le transfert de chaleur au sein du régénérateur. La situation est telle que les moteurs Stirling, couplés avec des paraboles solaires géantes, utilisent l’énergie solaire avec un rendement supérieur aux cellules photovoltaïques, mais à un prix élevé. En 2008, le record de conversion de l'énergie solaire est battu, avec un taux de conversion de 31,25 %, grâce à l'utilisation de miroirs paraboliques comme concentrateurs solaires. Aujourd'hui, le moteur Stirling fait l'objet de nombreuses expérimentations autant par les amateurs que par des entreprises spécialisées en énergie ou par la NASA (projet KRUSTY). Principe Le fluide principal qui produit un travail est un gaz (air, hydrogène ou hélium) soumis à un cycle comprenant quatre phases : Chauffage isochore (à volume constant) . Détente isotherme (à température constante) : le gaz fournit du travail . Refroidissement isochore . Compression isotherme : le gaz reçoit du travail. 1. 2. 3. 4. Principe, avantages et inconvénients Le but est de produire de l’énergie mécanique à partir d’énergie thermique. Au début du cycle, le gaz à l’intérieur du moteur est placé dans la chambre chaude, chauffée par une certaine source d’énergie : sa température et sa pression augmentent, ce qui produit une dilatation du gaz (phase 1). Le piston de la chambre chaude étant en butée, le gaz se détend vers la chambre froide en repoussant le piston de celle-ci. L'énergie thermique est ainsi transformée en énergie mécanique qui est transmise à la roue (phase 2). Ce mouvement de la roue est transmis au piston de la chambre chaude qui repousse presque tout le gaz dans la chambre froide. Lorsque c'est fait, le gaz arrivé dans la chambre froide se refroidit (phase 3) et son volume diminue, entraînant le piston froid dans l'autre sens (phase 4). De nouveau, ce mouvement est transmis, via la roue, au piston de la chambre chaude qui recule alors vers sa butée. Presque tout le volume de gaz se retrouve alors aspiré vers la chambre chaude et le cycle recommence. On nomme ce cycle thermodynamique le cycle de Stirling (bien que ce ne soit pas Stirling qui l’ait décrit). La source chaude du moteur est alimentée par une source externe quelconque : combustion externe de dérivés du pétrole, gaz naturel, charbon, mais aussi énergies renouvelables comme l'énergie solaire, le bois ou l'énergie géothermique. Diagramme de Clapeyron du cycle de Stirling théorique. Dans les applications pratiques utilisant le cycle de Stirling, le cycle est quasi-elliptique 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). Cycle de Stirling « 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 fermé régénératif, utilisant un fluide gazeux : 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. Le cycle est le même que la plupart des cycles thermiques et comprend quatre phases : 1. compression, 2. chauffage, 3. détente, 4. refroidissement (cf. diagramme de Clapeyron sur la gauche) : Le diagramme Pression-Volume et le rendement du cycle : Le rendement du moteur est égal au rapport entre l'énergie mécanique nette Wnet effectivement récupérée et l'energie calorifique Qtotale qu'il est nécessaire de fournir au moteur. Cette dernière est fournie au cours du chauffage isochore et au cours de la détente isotherme. Si on regarde le diagramme ci-contre, on peut écrire : Wnet = Wdet + Wcomp Comme il est expliqué ci-dessus, Wcomp sera négatif quand on le calculera. Qtotale = Qchauf + Qdet Le rendement du cycle 1. Ce travail Wnet est égal à la somme du travail récupéré au cours de la détente (travail positif) et du travail qu'il est nécessaire de fournir au cours de la compression du gaz (travail négatif) : Travail net récupéré Wnet : Energie calorifique fournie Qtotale uploads/Industriel/ moteur-de-stirling.pdf