Pedeorelha | Comment fonctionnent les moteurs Stirling

Paul Sparks
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Photo courtoisie American Stirling Company Ce moteur peut fonctionner en utilisant uniquement la chaleur de votre main. Voir les photos des moteurs.

Le moteur Stirling est un moteur thermique qui est très différent du moteur à combustion interne de votre voiture. Inventé par Robert Stirling en 1816, le moteur Stirling a le potentiel d'être beaucoup plus efficace qu'un moteur à essence ou diesel. Mais aujourd'hui, les moteurs Stirling ne sont utilisés que dans certaines applications très spécialisées, comme dans les sous-marins ou les générateurs de puissance auxiliaires pour les yachts, où un fonctionnement silencieux est important. Bien qu'il n'y ait pas eu d'application réussie sur le marché de masse pour le moteur Stirling, certains inventeurs de très haute puissance y travaillent.

Un moteur Stirling utilise le Cycle de Stirling,- ce qui est différent des cycles utilisés dans les moteurs à combustion interne.

Les gaz utilisés à l'intérieur d'un moteur Stirling ne quittent jamais le moteur. Il n'y a pas de soupapes d'échappement qui évacuent les gaz à haute pression, comme dans un moteur à essence ou diesel, et il n'y a pas d'explosion. Pour cette raison, les moteurs Stirling sont très silencieux.
Le cycle de Stirling utilise une source de chaleur externe, qui pourrait être n'importe quoi, de l'essence à l'énergie solaire en passant par la chaleur produite par les plantes en décomposition. Aucune combustion n'a lieu à l'intérieur des cylindres du moteur.

Il existe des centaines de façons de créer un moteur Stirling. Dans cet article, nous en apprendrons davantage sur le cycle de Stirling et verrons comment fonctionnent deux configurations différentes de ce moteur.

Contenu

Le cycle de Stirling
Moteur Stirling de type plongeur
Moteur Stirling à deux pistons
Pourquoi les moteurs Stirling ne sont-ils pas plus courants?

Le principe clé d'un moteur Stirling est que une quantité fixe d'un gaz est scellée à l'intérieur du moteur. Le cycle de Stirling implique une série d'événements qui modifient la pression du gaz à l'intérieur du moteur, le faisant fonctionner.

Plusieurs propriétés des gaz sont essentielles au fonctionnement des moteurs Stirling:

Si vous avez une quantité fixe de gaz dans un volume d'espace fixe et que vous augmentez la température de ce gaz, la pression augmentera.
Si vous avez une quantité fixe de gaz et que vous la comprenez (diminuez le volume de son espace), la température de ce gaz augmentera.

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Passons en revue chaque partie du cycle de Stirling tout en regardant un moteur Stirling simplifié. Notre moteur simplifié utilise deux cylindres. Un cylindre est chauffé par une source de chaleur externe (comme un feu) et l'autre est refroidi par une source de refroidissement externe (comme de la glace). Les chambres à gaz des deux cylindres sont connectées et les pistons sont reliés les uns aux autres mécaniquement par une liaison qui détermine comment ils se déplaceront l'un par rapport à l'autre.

Le cycle de Stirling comprend quatre parties. Les deux pistons de l'animation ci-dessus accomplissent toutes les parties du cycle:

De la chaleur est ajoutée au gaz à l'intérieur du cylindre chauffé (à gauche), provoquant la formation de pression. Cela force le piston à descendre. C'est la partie du cycle de Stirling qui fait le travail.
Le piston gauche monte tandis que le piston droit descend. Cela pousse le gaz chaud dans le cylindre refroidi, qui refroidit rapidement le gaz à la température de la source de refroidissement, abaissant sa pression. Cela facilite la compression du gaz dans la partie suivante du cycle.
Le piston du cylindre refroidi (à droite) commence à comprimer le gaz. La chaleur générée par cette compression est évacuée par la source de refroidissement.
Le piston droit monte tandis que le piston gauche descend. Cela force le gaz dans le cylindre chauffé, où il se réchauffe rapidement, créant une pression, à quel point le cycle se répète.

Le moteur Stirling ne produit de la puissance que pendant la première partie du cycle. Il existe deux façons principales d'augmenter la puissance de sortie d'un cycle Stirling:

Augmentez la puissance de sortie dans la première étape - Dans la première partie du cycle, la pression du gaz chauffé poussant contre le piston effectue un travail. L'augmentation de la pression pendant cette partie du cycle augmentera la puissance de sortie du moteur. Une façon d'augmenter la pression est d'augmenter la température du gaz. Lorsque nous examinerons un moteur Stirling à deux pistons plus loin dans cet article, nous verrons comment un appareil appelé régénérateur peut améliorer la puissance du moteur en stockant temporairement la chaleur.
Diminuez la consommation d'énergie à la troisième étape - Dans la troisième partie du cycle, les pistons effectuent des travaux sur le gaz, en utilisant une partie de l'énergie produite dans la première partie. Baisser la pression pendant cette partie du cycle peut diminuer la puissance utilisée pendant cette étape du cycle (augmentant effectivement la puissance du moteur). Une façon de diminuer la pression est de refroidir le gaz à une température plus basse.

Cette section décrit le cycle Stirling idéal. Les moteurs de travail réels varient légèrement le cycle en raison des limitations physiques de leur conception. Dans les deux prochaines sections, nous examinerons quelques types différents de moteurs Stirling. Le moteur de type plongeur est probablement le plus simple à comprendre, nous allons donc commencer par là.

Remerciement spécial

Un merci spécial à Brent Van Arsdell de l'American Stirling Company pour son aide avec cet article.

Au lieu d'avoir deux pistons, un moteur de type plongeur a un piston et un plongeur. le déplaceur sert à contrôler quand la chambre à gaz est chauffée et quand elle est refroidie. Ce type de moteur Stirling est parfois utilisé dans les démonstrations en classe. Vous pouvez même acheter un kit pour en construire un vous-même!

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Pour fonctionner, le moteur ci-dessus nécessite un la différence de température entre le haut et le bas du grand cylindre. Dans ce cas, la différence entre la température de votre main et l'air qui l'entoure suffit à faire tourner le moteur.

Dans la figure de cette page, vous pouvez voir deux pistons:

le piston de puissance - Il s'agit du plus petit piston en haut du moteur. Il s'agit d'un piston hermétique qui monte à mesure que le gaz à l'intérieur du moteur se dilate.
le déplaceur - Voici le gros piston du dessin. Ce piston est très lâche dans son cylindre, de sorte que l'air peut se déplacer facilement entre les sections chauffée et refroidie du moteur lorsque le piston monte et descend.

Le plongeur monte et descend pour contrôler si le gaz du moteur est chauffé ou refroidi. Il y a deux positions:

Lorsque le plongeur est près du sommet du gros cylindre, la majeure partie du gaz à l'intérieur du moteur est chauffée par la source de chaleur et se dilate. La pression s'accumule à l'intérieur du moteur, forçant le piston de puissance vers le haut.
Lorsque le plongeur est près du bas du gros cylindre, la majeure partie du gaz à l'intérieur du moteur refroidit et se contracte. Cela fait chuter la pression, ce qui facilite la descente du piston de puissance et la compression du gaz..

Le moteur chauffe et refroidit le gaz à plusieurs reprises, extrayant l'énergie de l'expansion et de la contraction du gaz.

Ensuite, nous allons jeter un oeil à un moteur Stirling à deux pistons.

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Dans ce moteur, le cylindre chauffé est chauffé par une flamme externe. Le cylindre refroidi est refroidi par air et comporte des ailettes pour faciliter le processus de refroidissement. Une tige issue de chaque piston est reliée à un petit disque, lui-même relié à un volant plus grand. Cela maintient les pistons en mouvement lorsqu'aucune puissance n'est générée par le moteur.

La flamme chauffe continuellement le cylindre inférieur.

Dans la première partie du cycle, la pression monte, forçant le piston à se déplacer vers la gauche, faisant du travail. Le piston refroidi reste à peu près stationnaire car il se trouve au point de sa révolution où il change de direction.
Dans l'étape suivante, les deux pistons bougent. Le piston chauffé se déplace vers la droite et le piston refroidi monte. Cela déplace la plupart du gaz à travers le régénérateur et dans le piston refroidi. Le régénérateur est un appareil qui peut stocker temporairement la chaleur - il peut s'agir d'un treillis de fil de fer traversé par les gaz chauffés. La grande surface du treillis métallique absorbe rapidement la majeure partie de la chaleur. Cela laisse moins de chaleur à évacuer par les ailettes de refroidissement.
Ensuite, le piston du cylindre refroidi commence à comprimer le gaz. La chaleur générée par cette compression est évacuée par les ailettes de refroidissement.
Dans la dernière phase du cycle, les deux pistons bougent - le piston refroidi descend tandis que le piston chauffé se déplace vers la gauche. Cela force le gaz à travers le régénérateur (où il capte la chaleur qui y était stockée au cours du cycle précédent) et dans le cylindre chauffé. À ce stade, le cycle recommence.

Vous vous demandez peut-être pourquoi il n'y a pas encore d'applications grand public des moteurs Stirling. Dans la section suivante, nous examinerons certaines des raisons à cela.

Il existe quelques caractéristiques clés qui rendent les moteurs Stirling impraticables dans de nombreuses applications, y compris dans la plupart des voitures et des camions..

Car la source de chaleur est externe, il faut un peu de temps au moteur pour répondre aux changements de quantité de chaleur appliquée au cylindre - il faut du temps pour que la chaleur soit conduite à travers les parois du cylindre et dans le gaz à l'intérieur du moteur. Cela signifie que:

Le moteur a besoin d'un certain temps pour se réchauffer avant de pouvoir produire une puissance utile.
Le moteur ne peut pas changer sa puissance rapidement.

Ces lacunes garantissent quasiment qu'il ne remplacera pas le moteur à combustion interne des voitures. Cependant, une voiture hybride à moteur Stirling pourrait être envisageable.

Pour plus d'informations sur les moteurs Stirling et les sujets connexes, consultez les liens sur la page suivante.