Fabriquer un moteur Stirling - Moteur thermique à air / solaire

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• Lien du document PDF associé à la vidéo : http://www.mediafire.com/file/x21ndi4k5t1ui54/Fabriquer_un_moteur_Stirling_V2.1.pdf/file

• Il y a une erreur dans la vidéo à 7:42, le rendement du cycle de Carnot est 1-Tf/Tc et non 1-Tc/Tf !

• Extraits de la vidéo : Le moteur Stirling, comme tout moteur thermique, utilise un fluide pour fonctionner, dans notre cas de l’air. Le principe physique à l’origine du moteur Stirling c’est le lien entre la température d’un gaz et le volume qu’il occupe, en effet, un certain volume d’air occupe plus de place une fois chauffé. Pour faire un moteur élémentaire, on peut donc chauffer de l’air pour déplacer un piston puis refroidir cet air pour que le piston retrouve sa position initiale. Entre temps, le piston peut entraîner une roue par un système bielle-manivelle. Ce moteur est intuitif mais il a un rendement calamiteux ! D’une part la majorité de l’énergie qu’il consomme est perdue pour chauffer les parois du cylindre qui sont refroidies juste après, d’autre part sa vitesse de rotation est forcément très faible.

Pour améliorer ce moteur, on peut séparer le côté chaud du côté froid pour que la paroi chaude soit tout le temps chaude et la paroi froide tout le temps froide. Il ne reste plus qu’à inciter l’air à se diriger majoritairement vers le côté chaud ou le côté froid. Pour ce faire, on utilise un déplaceur. Quand le déplaceur est en haut, l’air se trouve du côté chaud, sa température augmente, il se dilate et pousse le piston. Quand le déplaceur est en bas, l’air de trouve du côté froid et refroidit. Il prend alors moins de place ce qui fait descendre le piston.

Le fait de bouger le déplaceur ne consomme pas beaucoup d’énergie, il faut seulement compenser les différents frottements engendrés. Cette énergie peut bien évidemment provenir du moteur lui-même, pour ça le déplaceur est associé à un autre système bielle manivelle, comme pour le piston. Le piston et le déplaceur ne sont pas en phase mais décalés d’un quart de tour, c’est comme ça que ça fonctionne le mieux. Et voilà, on a fabriqué un moteur Stirling, plus précisément un moteur Stirling de type gamma.

En combinant une étude du cycle de notre moteur avec des mesures expérimentales, on estime que le rendement de son cycle thermodynamique seul est d’environ 20% qui est correct. En clair, 20% de la chaleur qui est vraiment consommée par le moteur est transformée en mouvement. Le reste de la chaleur n’est pas utilisé. On a besoin de 240 W pour maintenir la seringue côté chaud à environ 400 °C, température nécessaire pour que le moteur tourne rapidement, mais une très petite partie de cette chaleur est vraiment utilisée. Une optimisation importante que l’on pourrait apporter au moteur est un moyen d’isoler la seringue chaude pour qu’elle puisse rester à 400 °C, même avec une très petite flamme. Le moteur serait aussi puissant mais aurait un meilleur rendement.

Bien qu’on ait pu faire tourner le moteur sans, on utilise de la paille de fer à l’intérieur de la seringue chaude. La paille de fer augmente considérablement le volume mort ce qui limite le taux de compression et devrait en principe réduire l’efficacité du moteur. Elle augmente cependant le transfert thermique ce qui permet de chauffer très rapidement l’air froid qui entre. Elle permet aussi d’exploiter d’avantage l’énergie rayonnée par la flamme et le bilan est finalement très positif.

Ceux qui connaissent déjà le moteur Stirling vont sans doute penser que la paille de fer joue aussi un rôle de régénérateur mais ce n’est pas le cas dans notre moteur. Le régénérateur est une invention de Robert Stirling qui sert à améliorer l’efficacité de son moteur. Situé entre les deux pistons, il permet de récupérer une partie de la chaleur quand l’air se dirige du piston chaud vers le piston froid pour la réinvestir quand l’air circule dans le sens inverse. En théorie, un moteur Stirling avec régénérateur constitue le moteur le moteur le plus efficace possible en décrivant le cycle de Carnot.

L’élément crucial de notre moteur Stirling ce sont les seringues en verre. Comme le moteur développe dans tous les cas une puissance faible, il ne faut pas que ses propres frottements l’empêchent de fonctionner. Les pistons doivent donc frotter le moins possible et pour ça les seringues en verres sont idéales. Avec une très légère lubrification, moins d’une goutte par seringue, elles présentent une friction minimale tout en conservant une étanchéité correcte, même à haute température.

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