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Moteur Stirling
coupe d'un moteur Stirling
coupe d'un moteur Stirling "beta"
source chaude coté rose, source froide coté gris, piston de déplacement en vert, piston moteur en bleu.

Le Moteur Stirling est un moteur à combustion externe, le fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les...) principal est un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout le...) à une modeste pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) et est soumis à 4 cycles : chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.), détente, refroidissement puis compression. On l'appelait au début moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...) à air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les...) chaud [1].

Robert Stirling n'a pas inventé le moteur Stirling (Le Moteur Stirling est un moteur à combustion externe, le fluide principal est un gaz à une modeste pression et est soumis à 4 cycles : chauffage, détente,...), mais il l'a muni en 1816 d'une amélioration suffisamment importante pour lui donner une réelle extension : un récupérateur entre les deux pistons.

Peu connu du grand public, mais une référence des spécialistes, ce moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à...) a de nombreux avantages. Il fut très répandu au temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de la domination des machines à vapeur ().

Actuellement, on sait cependant construire des machines à air chaud ou moteurs Stirling dont le rendement dépasse de très loin celui des moteurs à explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette...).

Principe, avantages et inconvénients

Principe

Le principe est relativement simple : le fluide principal qui produit un travail est un gaz (air, hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) ou hélium) à une modeste pression et est soumis à un cycle de Carnot (En thermodynamique, le cycle de Carnot est le processus cyclique réversible de la machine de Carnot. Cette machine produit du travail (c'est un moteur) à partir de deux sources de...) à 4 temps, séparé par deux phases de déplacement : chauffage, détente, déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En...) vers la source froide, refroidissement, compression, retour vers la source chaude (Une source chaude est une source dont l'eau sort du sol à une température élevée, chauffée par un processus géothermique. Il y a des sources...).

  • Alimentation : La source chaude du moteur peut être alimentée par une source quelconque : combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une...) externe de dérivés du pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de l’économie...), le gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent naturellement dans des roches poreuses sous forme gazeuse.), le charbon, le bois, etc. mais aussi énergies renouvelables comme l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle...) ou l'énergie géothermique (La géothermie, du grec γ? (la terre) et θερμ?ς (la chaleur), est la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre et la technique qui vise à l'exploiter. Par abus...).

avantages

  • Produisant peu de vibration grace à l'absence d'explosion, l'absence de valves qui s'ouvrent et se ferment, l'absence de gaz qui s'échappent. Cela le rend silencieux et réduit les contraintes mécaniques.
  • Entretien facile : de par son absence d'échange de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...) avec son environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend...) et l'absence de réaction chimique interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...), ce moteur subit moins de source de détérioration qu'un moteur à combustion interne.
  • Bon rendement : il peut avoisiner les 40% (soit 80% du maximum du cycle de Carnot), contre environ 35% pour les moteurs à explosion : si la différence de 5 points parait faible, elle signifie quand même près de 15% (5/35) d'économie d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Les moteurs électriques, dont le rendement peut certes atteindre 95%, ne sont pas comparables, car l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie...) est une forme d'énergie elle-même difficile à stocker et à produire avec un bon rendement, ce qui est une limite forte pour certaines applications.
  • Réversible. Le cycle de Carnot est réversible, le moteur Stirling l'est aussi : entraîné par un autre moteur, il devient une pompe à chaleur (Une pompe à chaleur est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur du milieu le plus froid (et donc le refroidir encore) vers le milieu le plus chaud (et donc de le chauffer), alors que spontanément la chaleur se...) capable de refroidir à - 200°C ou de chauffer à plus 700°C, selon le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une...) d'entraînement. Ceci, sans employer de gaz avec des propriétés spéciales qui leur confèrent des inconvénients pratiques ou chimiques (comme le fréon des machines frigorifiques usuelles, destructeur (En programmation orientée objet, le destructeur d'une classe est une méthode lancée lors de la destruction d'un objet afin de récupérer les ressources dont principalement la mémoire réservée...) de la couche d'ozone). En pratique, d'ailleurs, c'est la fonction de pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) à chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) efficace qui permet à quelques machines d'exister.
  • Multi-source. Du fait de son mode d'alimentation en chaleur ce moteur peut fonctionner à partir de n'importe quelle source de chaleur (combustion d'un carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) quelconque, solaire, nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), ou encore chaleur humaine)
  • Faible pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut...). La chaleur venant de l'extérieur il est plus aisé de créer cette chaleur de façon moins polluante que dans bien des moteurs thermiques.

inconvénients

  • L'étanchéité (L'étanchéité est le résultat de l'interdiction d'un passage. Ce terme général peut être compris dans de nombreux domaines.) du ou des pistons est difficile à réaliser. Les très fortes variations de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid...) et la nécessité d'utiliser un gaz le plus léger possible compliquent ce problème.
  • Conception délicate. Alors que les moteurs à combustion interne produisent la chaleur directement au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des mammifères qui englobe...) du fluide, très vite et de façon très homogène, un système stirling repose sur des transferts thermiques entre le gaz et les échangeurs (les deux sources, le récupérateur), alors que les gaz sont des isolants thermiques où les échanges sont très lents. De plus, il faut minimiser le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) "mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus...)" (contenant du fluide qui n'accomplit pas le cycle et donc ne contribue pas au rendement). Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) cela pose des problèmes de dynamique des fluides (La dynamique des fluides est l'étude des mouvements des fluides, qu'ils soient liquide ou gaz. La résolution d'un problème de dynamique des fluides demande normalement de calculer diverses propriétés des fluides comme par...), problèmes difficiles à résoudre, à propos des échangeurs, du récupérateur, des tuyaux ou du piston qui permettent le déplacement du gaz au cours du cycle (problèmes de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère....), de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...), de turbulences à créer ou éviter, etc.).
  • Difficile à commander. La variation de régime de ce moteur est très difficile à réaliser car elle ne peut se faire qu'en agissant sur le taux de compression (Le taux de compression est une mesure de la performance d'un algorithme de compression de données informatiques. Il est généralement exprimé en pourcentage, et noté τ. Deux définitions sont communément admises :) du fluide de travail.
  • très mauvaise aptitude à produire une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) et un couple variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. En statistiques,...). C'est un très gros inconvénient pour la propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme...) (automobile, notamment), alors que c'est justement cette application qui a fait la fortune du moteur à combustion interne. Cette inconvénient pourrait se réduire dans le cas d'un "système hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces (croisement interspécifique) ou...)" (le moteur marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un mode de locomotion naturel. Il consiste en un déplacement en appui...) alors à régime constant, la modulation de puissance étant prise en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être...) par le système électrique), mais ils sont encore rares.
  • N'ayant pas aujourd'hui d'application en grande série, contrairement au moteur à combustion interne, il est bien plus cher ; de plus, pour la même raison, les industriels ne lui accordent pas le même intérêt en terme de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) et développement, ce qui ne lui permet pas de combler son retard (en supposant cela possible).

Utilisation

Le moteur stirling a des application de niches, dans des situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus général afin de le qualifier...) où le coût initial du système n'est pas un inconvénient grave par rapport aux avantages (applications militaires, de recherche, de pointe)

  • La principale application commerciale du Stirling est dans le domaine de la réfrigération industrielle et militaire. Il sert de machine pour la liquéfaction (La liquéfaction est un changement d'état de gazeux à liquide, le contraire de l'évaporation, la vaporisation ou de l'ébullition. On parle parfois de condensation liquide.) des gaz et comme refroidisseur pour les système de guidage militaire infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.).
  • Il a été utilisé pour une classe de sous-marins (Classes de sous-marins nucléaires conçues par les États-Unis d'Amérique dont un certain nombre ont été désarmés :) suédois, non seulement en raison de son silence, propriété cruciale pour les sous-marins, mais aussi pour la beaucoup plus faible production de gaz imbrûlés nécessaire à l'apport d'un gradient thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de...) (une différence de température) à un moteur Stirling ; en effet, un sous-marin (Un sous-marin est un navire capable de se déplacer dans les trois dimensions, sous la surface de l'eau ; il se distingue ainsi des autres bateaux et navires qui se déplacent dans deux dimensions et uniquement à la surface, et des...) en plongée ne peut évacuer des gaz qu'en les comprimant à une pression au moins égale à celle du milieu ambiant, nécessitant (et donc gaspillant) une part non négligeable de l'énergie disponible à bord.
  • Ce moteur équipe aussi certaines classes de frégates américaines, et des drones.
  • La Nasa (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale...) l'a étudié pour fournir de l'énergie aux satellites (Satellite peut faire référence à :) et sondes spatiales car son rendement est meilleur que les panneaux solaires. Mais la fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.) des panneaux solaires (ne comportant pas de pièces mobiles, leurs risques de pannes sont moindres que celles d'un moteur) les a toujours fait préférer.

Les trois types de moteur Stirling

  • Un Stirling alpha contient deux pistons de puissance séparés, un piston " chaud ", et un piston " froid ". Le piston chaud est situé près de l'échangeur à la plus haute température, et le piston froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.), est situé près du point (Graphie) d'échange de température la plus basse. Ce type de moteur a un ratio puissance-volume très élevé, mais a des problèmes techniques, liés (fréquemment) aux températures trop élevées du piston chaud pour ses joints.
  • Un Stirling bêta a un simple piston de puissance placé coaxialement avec un piston de " déplacement ". Le piston de déplacement sert uniquement à propulser le gaz de l'échangeur de température chaud, vers l'échangeur de température froid. Sur un cycle complet, ce piston ne consomme pas d'énergie. Ce moteur ne requiert pas de " joint " mobile dans la partie chaude du moteur, et peut atteindre des rendements élevés de compression, grâce aux pistons qui sont capables de se chevaucher pendant leur déplacement. Il est à noter que des petits moteurs stirling ont été développés sans piston.
  • Un Stirling gamma est un Stirling bêta, sur lequel le piston de puissance, n'est pas monté coaxialement avec le piston de déplacement. Cette configuration produit un rapport de compression plus faible, mais est généralement plus simple mécaniquement, et est souvent utilisé dans les moteurs Stirling à plusieurs cylindres.

Histoire

  • Souvent les chaudières à vapeur explosaient, Robert Stirling imagina un moteur sans chaudière (Une chaudière est un appareil (voire une installation industrielle, selon sa puissance), permettant de transférer en continu de l'énergie thermique à un fluide caloporteur (le plus généralement de l'eau)....) soumise à de trop fortes pressions.
  • Stirling déposa son brevet le 27 septembre 1816.
  • En 1843, son frère James "industrialisa" ce moteur, pour une utilisation dans l'usine où il était ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la réalisation et à la mise en œuvre...).
  • 1938, la société Philips investit dans un "moteur Stirling", un moteur de plus de 200 chevaux, avec un rendement supérieur à 30%.

Notes

  1. Il existe un autre moteur à air chaud
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