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VIVET Nicolas et BOULANT Anthony, mis à jour le 12_01_2009 BOULANT Anthony Univ

VIVET Nicolas et BOULANT Anthony, mis à jour le 12_01_2009 BOULANT Anthony Université du Maine (le Mans) VIVET Nicolas Licence Physique 2003 Le moteur de Stirling : Conception et Performances 1 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 2 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 3 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 4 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. 5 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 W 1-2 = R Tf         2 1 ln V V W 3-4= R Tc         4 3 V ln V = - R Tc         2 1 V ln V (Car V1=V4 et V2=V3) 6 W= - R (Tc-Tf)         2 1 ln V V < 0 Rendement :  = 4 - 3 tan Q W Q W dépensée énergie utile énergie source total t résul    L’apport d ‘énergie s’effectue au moment de la détente (3-4) Au cours de l’étape 3-4 la température reste constante : Q3-4 = - W3-4 = R Tc         2 1 V ln V                c f c f c c T T T T T V V RT V 1 ln V )ln T - R(T 2 1 2 1 f c  Ce rendement est identique à celui de la machine de Carnot Carnot =        c f T T 1 . 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). 4 3 4 3 4 3 0        Q W U 0   dT nC dU v 7 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). 8 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 uploads/Industriel/ stirling.pdf