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Moteur Stirling : fonctionnement et caractéristiques

Moteur Stirling : fonctionnement et caractéristiques

Le moteur Stirling est un moteur thermique à combustion externe. Il a été conçu à l'origine comme un moteur industriel pour concurrencer la machine à vapeur, mais en pratique pendant plus d'un siècle, il n'a été utilisé que pour des applications domestiques et pour des moteurs de faible puissance.

Le moteur Stirling a été inventé en 1816 par Robert Stirling, un prêtre écossais. L'une des préoccupations de l'époque était la sécurité des machines à vapeur. L'objectif de Stirling était de réaliser un moteur moins dangereux que la machine à vapeur.

Le fonctionnement est basé sur la dilatation et la contraction d'un gaz qui peut être de l'hélium, de l'hydrogène, de l'azote ou de l'air. Ce gaz est obligé de passer cycliquement d'une source froide où il se contracte à une source chaude où il se dilate.

Ce type de machine est considéré comme un moteur thermique. C'est un moteur thermodynamique du fait de la présence d'un gradient de température entre les deux sources thermiques.

Actuellement, le développement est toujours à l'étude. Le fait qu'il n'ait besoin que d'une source de chaleur externe lui confère une grande polyvalence, puisque ce fait lui donne la possibilité de pouvoir utiliser de nombreuses sources d'énergie pour son fonctionnement. Des exemples de sources d'énergie utilisées dans cette technologie sont l'énergie solaire thermique, les combustibles fossiles tels que le charbon ou le pétrole, la biomasse, l'énergie géothermique et autres.

Comment fonctionne un moteur Stirling ?

Un moteur Stirling est un moteur alternatif qui fonctionne sur un cycle de régénération thermodynamiquement fermé. Ce cycle s'appelle le cycle de Stirling. La principale caractéristique de ce cycle est qu'il fonctionne avec une compression cyclique et une expansion cyclique du fluide de travail à différents niveaux de température.

Comment fonctionne un moteur StirlingLe moteur Stirling est un moteur thermique qui fonctionne par un cycle de compression et de détente d'un gaz. Deux niveaux de température sont utilisés qui provoquent une conversion nette de l'énergie thermique en énergie mécanique (travail mécanique).

Le gaz comprimé exerce une pression sur un piston. Le piston est relié à un vilebrequin qui permet de convertir le mouvement linéaire du piston à l'intérieur du cylindre en un mouvement de rotation d'un axe.

Au sein du groupe des moteurs thermiques, comme la machine à vapeur, le moteur Stirling est classé comme moteur à combustion externe ; tous les transferts de chaleur avec le gaz de travail se font à travers la paroi du moteur. D'autre part, dans un moteur à combustion interne, l'apport de chaleur est réalisé par la combustion d'un carburant à l'intérieur du corps du fluide de travail.

Comme c'est généralement le cas dans les moteurs thermiques, le cycle général consiste en :

  • Comprimer le gaz qui est à une température plus basse.
  • Chauffez le gaz dans un point chaud.
  • Développez le travail mécanique générateur de gaz chaud.
  • Refroidir le gaz dans une source froide pour pouvoir répéter le cycle de Stirling.

Quelle est l'efficacité d'un moteur Stirling ?

    L'efficacité du procédé est fortement contrainte par l'efficacité du cycle de Carnot, qui dépend de la différence de température entre la zone chaude et la zone froide. Dans tous les cas, le moteur Stirling est le seul capable d'approcher le rendement maximal théorique connu sous le nom de rendement Carnot.

    Cycle de Carnot

    En thermodynamique, le cycle de Carnot ou processus de Carnot est un processus circulaire idéal. Ce cycle se compose de deux processus adiabatiques et de deux processus isothermes. Dans le procédé Carnot, le système thermodynamique effectue un travail mécanique en échangeant de la chaleur avec deux réservoirs de chaleur. Les deux réservoirs de chaleur ont des températures constantes mais différentes.

    Dans les cycles de Carnot il y a deux sources de chaleur :

    • Le réchauffeur, qui est un réservoir avec une température plus élevée
    • Le réfrigérateur, qui est un réservoir avec une température plus basse.

    Quelle est la différence entre un moteur Stirling et une machine à vapeur ?

    Contrairement à une machine à vapeur, le moteur Stirling ferme une quantité fixe de fluide dans un état gazeux permanent tel que l'air. En revanche, dans la machine à vapeur, le fluide de travail subit un changement de phase du liquide au gaz.

    Le moteur Stirling se caractérise par son rendement élevé par rapport aux moteurs à vapeur, un fonctionnement plus silencieux et une utilisation plus facile des différentes sources de chaleur.

    Cette compatibilité avec les sources d'énergie alternatives et renouvelables est devenue de plus en plus importante à mesure que le coût des combustibles fossiles conventionnels et la sensibilité sociale au changement climatique ont augmenté. Le moteur Stirling est actuellement intéressant en tant que cœur des micro-unités de production combinée de chaleur et d'électricité, c'est-à-dire la cogénération, où il est plus sûr et plus efficace que la vapeur.

    A quoi sert le moteur Stirling ?

    Cette technologie est considérée comme d'une grande application pour les régions où il y a un grand nombre d'habitants dispersés, qui seraient très coûteux à atteindre avec un réseau électrique.

    Il faut s'attendre à ce que les fabricants de moteurs Stirling construisent à grande échelle de petites unités du même type, (avec un disque solaire) comme, par exemple, avec la capacité de produire environ 200 à 400 kWh par mois (équipement d'environ 1 à 2 kW de puissance). en particulier pour les pays situés entre les tropiques, car dans ces zones, la quantité de rayonnement solaire est grande tout au long de l'année et, à son tour, c'est la région où la population est la plus dispersée.

    Autor:

    Data de publicação: 13 de dezembro de 2017
    Última revisão: 21 de março de 2020