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Le moteur Stirling

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Faire du froid

Le moteur Stirling est un moteur réversible. C'est à dire qu'on peut le faire tourner à l'envers. Dans ce cas, il faut lui fournir de l'énergie mécanique. L'intérêt d'un tel fonctionnement est qu'on retire des calories à la source froide pour les transférer à la source chaude. C'est le principe du réfrigérateur ou de la pompe à chaleur.
Dans l'industrie cryogénique cette propriété est depuis longtemps exploitée pour produire des froids extrêmes. Ainsi, on liquéfie des gaz.
On peut aussi imaginer prendre des calories dans une nappe phréatique pour les restituer à l'atmosphère douillette d'une habitation en hiver.

Diagramme PV du cycle de Stirling en fonctionnement réversible

Sur le graphique ci-contre, on voit les 4 phases du cycle de Stirling dans une telle utilisation :
- de 1 à 2 : détente à température constante. Ceci nécessite de prendre des calories à la source froide.
- de 2 à 3 : on chauffe le gaz de Tm à TM dans le régénérateur.
- de 3 à 4 : on comprime le gaz à température constante. Ceci nécessite de le refroidir et de fournir des calories à la source chaude.
- de 4 à 1 : on refroidit le gaz dans le régénérateur.
L'aire délimitée par le cycle (en vert) est représentative de l'énergie qu'on doit fournir au dispositif.

On définit le COP, ou coefficient de performance, de la pompe à chaleur comme étant le ratio de la chaleur récupérée sur la quantité d'énergie mécanique consommée. Si on observe le diagramme ci-dessus, ça revient à écrire :

Formule du COP

En regardant des équations du rendement mécanique (se reporter à : le diagramme Pression-Volume et le rendement du cycle ) :

Formule du rendement

On s'aperçoit que le COP, coefficient de performance de la pompe à chaleur, est l'inverse du rendement d'un moteur qui aurait un diagramme de fonctionnement équivalent.

Prenons un moteur Stirling avec une source chaude de 50°C ou 323 K et une source froide de 5°C ou 278 K. Le rendement mécanique théorique serait de 14%.
Prenons maintenant une pompe à chaleur ayant même sources chaude et froide (on chauffe l'eau circulant dans les radiateurs à 50°C avec la nappe phréatique à 5°C), son COP théorique serait de 7 !
Dans la réalité, le COP serait moindre à cause des différentes pertes, capacités d'échange et frottements. Mais quand même...

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