Le moteur Stirling

Les principes

Dans sa description la plus simple, le moteur Stirling est constitué d'un cylindre renfermant du gaz et d'un piston récupérant l'énergie mécanique. Cette page propose de découvrir le principe de fonctionnement de ce moteur. Ceci se fait progressivement en étudiant les étapes suivantes :
- les quatre phases élémentaires
- le rôle du déplaceur
- le diagramme Pression-Volume et le rendement du cycle
Première observation : le gaz utilisé est enfermé, c'est toujours le même qui est mis à contribution. Autre caractéristique : l'énergie est fournie à l'extérieur du cylindre, d'où les appellations "moteur à air chaud" ou "moteur à combustion externe" que l'on peut lire parfois.

1. Les quatre phases élémentaires :

Le cycle thermodynamique du moteur Stirling est dans son principe très simple : il comprend 4 phases pendant lesquelles le gaz utilisé subit les transformations suivantes :

1.1. un chauffage isochore (à volume constant) :

Le brûleur (la source chaude) cède de l'énergie thermique. On s'imagine aisément que la pression et la température du gaz augmentent durant cette phase.

1.2. une détente isotherme (à température constante):

Le volume s'accroît alors que la pression diminue. C'est pendant cette transformation que l'énergie motrice est produite.

1.3. un refroidissement isochore :

L'eau projetée (la source froide) récupère de l'énergie thermique. La température et la pression diminuent pendant cette phase.

1.4. une compression isothermique :

La pression du gaz augmente au fur et à mesure que son volume diminue. On doit fournir de l'énergie mécanique au gaz pendant cette période.

On peut voir ci-dessous l'enchaînement de ces différentes phases.

2. Le rôle du déplaceur :

La réalisation d'un moteur tel que celui décrit ci-dessus poserait des difficultés : allumer le brûleur, l'éteindre, asperger puis arrêter le refroidissement, chocs thermiques successifs....
C'est pourquoi on va introduire un artifice apportant des solutions à ces problèmes : le déplaceur. Ce dernier ne modifie ni la pression ni le volume du gaz, mais l'oblige à se situer soit vers la source chaude située en partie supérieure, soit vers la source froide située en partie inférieure.
Explications grâce à des dessins :

2.1. Chauffage isochore :

Le volume reste constant, mais le déplaceur, en descendant, chasse le gaz de la partie basse (froide) vers la partie haute (chaude).

2.2. Détente isotherme :

Le déplaceur suit le piston moteur au cours de la détente pour que le gaz reste en contact uniquement avec la source chaude.

2.3. Refroidissement isochore :

Le volume reste constant, mais le déplaceur, en montant, fait passer le gaz de la partie haute (chaude) à la partie basse (froide).

2.4. Compression isotherme :

Le déplaceur, au cours de la compression, reste en partie supérieure pour que le gaz reste en contact uniquement avec la source froide.

Le cycle complet est montrée ci-dessous. Ce moteur s'appelle le le moteur bêta, son fonctionnement est étudié de façon plus approfondie sur ce site.

3. Le diagramme Pression-Volume et le rendement du cycle :

3.1. Les variations de volume :

Sur le diagramme ci-dessus, on peut voir :
- la variation du volume chaud en partie haute au cours du cycle (zone rouge).
- la variation du volume froid en partie basse, entre déplaceur et piston moteur, au cours du cycle (zone bleue).

3.2. le diagramme (P,V) :

Le principe de fonctionnement, exposé ci-dessus, peut se représenter sur un schéma appelé "diagramme Pression-Volume" ou diagramme (P,V).

Sur ce diagramme, on voit aisément les quatre phases détaillées plus haut en images, en n'oubliant pas que détente et compression se font à températures constantes (TM et Tm).
L'aire colorée comprise entre les quatre segments décrivant le cycle est représentative du travail recueilli au cours d'un cycle.
La démonstration est apportée ci-après.

A un instant donné, la force qui s'exerce sur le piston est F = S x P où S est la surface du piston et P la pression instantanée.
Le travail élémentaire fourni au cours d'un temps court "dt" est égal à la force instantanée multipliée par le déplacement "dy"du piston au cours de ce laps de temps "dt".
dW = F x dy
ou
dW = S x P x dy
ou, si on remarque que S x dy = dV , variation de volume au cours du laps de temps "dt"
dW = P x dV
Sur le diagramme(P,V) cette dernière expression n'est rien d'autres que la surface élémentaire située sous chaque courbe. Voir ci-contre.
Le travail est positif sous la courbe de détente car dV>0. Le travail est négatif sous la courbe de compression car dV<0.
Le travail résultant au cours d'un cycle est donc représenté par la surface sous la courbe de détente diminuée de la surface sous la courbe de compression. C'est donc la surface comprise entre les courbes. cqfd !

3.3. Le rendement mécanique :

Le rendement du moteur est égal au rapport entre l'énergie mécanique effectivement récupérée et l'energie mécanique totale produite au cours de la détente (On suppose que l'énergie utile au réchauffage isochore est entièrement récupérée au cours du refroidissement isochore, c'est le rôle du régénérateur étudié dans la page "Régénérateur" ). Soit :

avec :

et

Ce qui donne :

NB : les températures T sont exprimées en Kelvin (rajouter 273° à la température Celsius)

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Enfin, un grand merci à Robert Stirling !