🔥 Le moteur Stirling est un dispositif thermodynamique fonctionnant selon le principe de la compression et de la détente cyclique d'un gaz, sans combustion interne. Il convertit l'énergie thermique en énergie mécanique, utilisant une source chaude et une source froide pour effectuer un travail mécanique, offrant une alternative efficace et propre aux moteurs traditionnels.

Voici tout ce qu'il faut savoir sur le moteur Stirling 👇

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Bien comprendre le moteur Stirling 🚤

Comment faire fonctionner un moteur Stirling ?
L'apport de chaleur du moteur Stirling peut avoir plusieurs origines : feu, chauffage électrique ou autre.

👷‍♂️ Le moteur Stirling est un moteur à combustion dite "externe". Inventé par Robert Stirling en 1816, il s'agit d'un moteur qui fonctionne en cycle fermé. Son cycle se compose de 4 phases :

  1. Chauffage
  2. Détente
  3. Refroidissement
  4. Compression

Sur ces étapes, deux sont isochores et deux sont isothermes. Il s'agit respectivement du chauffage avec le refroidissement et de la détente avec la compression.

On dit d’un processus en thermodynamique qu’il est isochore quand il s’exécute sans changement de volume

On dit d’un processus en thermodynamique qu’il est isotherme quand il s’exécute sans changement de température

Les quatre phases

🌡️ Pendant la phase de chauffage du moteur Stirling, le gaz dans le cylindre est chauffé par une source externe, augmentant sa pression et son volume. Cela crée une expansion du gaz, générant une force mécanique.

⚡️ La phase de détente suit le chauffage, où le gaz en expansion pousse le piston, convertissant l'énergie thermique en énergie mécanique. Cette expansion produit un travail utile pour le moteur.

🧊 Lors de la phase de refroidissement, le gaz refroidit en rejetant de la chaleur vers le radiateur externe. La pression diminue, et le volume du gaz diminue également, entraînant une contraction.

💨 La phase de compression voit le gaz comprimé par le piston, expulsant l'air restant. Cela prépare le moteur pour la nouvelle phase de chauffage, complétant le cycle thermodynamique du moteur Stirling.

En thermodynamique, on nomme ce cycle le cycle de Stirling

Les différents types de moteur Stirling

⚠️ Les moteurs Stirling sont déclinés en plusieurs versions. Ces dernières comportent quelques différences :

  • Le moteur Stirling alpha
  • Le moteur Stirling bêta
  • Le moteur Stirling gamma

Le moteur Stirling alpha

Dans le moteur Stirling alpha, deux pistons travaillent de concert :

Le piston chaud

Le piston froid

🚰 Son avantage est un rendement plus élevé mais la chaleur extrême du côté du piston chaud crée des difficultés d'étanchéité au niveau des joints de ce dernier.

Le moteur Stirling bêta

Sur le moteur Stirling bêta, il est aussi question de deux pistons, mais cette fois dans un seul et unique cylindre.

✌️ Les pistons combinent alors deux mouvements :

  • Un mouvement commun lors du déplacement du volume de gaz entre la partie chaude et froide
  • Un mouvement relatif lors du changement de volume des gaz

Le moteur Stirling gamma

Le moteur Stirling gamma est un type de moteur Stirling équipé de deux pistons : un piston de puissance et un piston déplaceur.

⚙️ Le déplaceur oscille entre la partie chaude et la partie froide en poussant le gaz vers la partie opposée. Les variations causées créent alors le déplacement du piston.

Avantages et inconvénients du moteur Stirling 🤔

Qu'est-ce qu'un moteur ditherme ?
Un échange ditherme est en thermodynamique un échange entre deux sources de chaleur.

Avantages

👍 Du côté des avantages, le moteur Stirling se distingue des autres moteurs par sa réversibilité. Il peut fonctionner dans le sens, soit en créant de la chaleur, soit en en aspirant.

Dépourvu d'échanges avec son environnement, il s'entretient plus facilement, pas besoin d'huile par exemple. Il est durable et ne contamine pas l'air ambient. Son chauffage étant externe, il est également multi-source et potentiellement propre : on peut y attacher un chauffage sans énergie fossile par exemple.

🤫 Pour finir, le moteur Stirling est l'un des moteurs les plus silencieux. En effet, ne produisant ni explosion, ni bruit d'ouverture de valve, de vannes ou de soupapes, il n'émet aucun son vers l'extérieur et surtout, ne produit pas de vibration.

Inconvénients

👎 Le plus gros inconvénient du moteur Stirling est sa conception :

  • En effet, son piston doit-être très étanche, ce qui est rendu difficile par les forts changements thermiques notamment
  • L'utilisation d'un gaz adéquat pose aussi problème : il faut qu'il est le meilleur rendement possible, ce qui implique de gros calculs et analyses en dynamique des fluides.

De plus, sa réactivité laisse à désirer. En effet, il est compliqué de régler son rendement de manière rapide. Même si l'on peut augmenter la chaleur de combustion, il faut du temps avant que cela se réplique jusque dans la vitesse de rotation du moteur Stirling.

💰 Pour finir, l'un des derniers points qui peuvent vous éloigner du moteur Stirling est son coût. Pour cause, comme il n'a jamais été produit en grand nombre en série, cela n'a pas permis de baisser son coût au cours du temps comme cela a pu l'être avec d'autres moteurs tels que le moteur à combustion interne.

Les applications du moteur Stirling 🚘

Comment faire une maquette ?
Une petite représentation comme celle-ci du moteur Stirling est facile à construire et facile à faire fonctionner.

Le moteur Stirling n'est pas très utilisé de nos jours. Il n'a que quelques applications industrielles bien précises où son coût de fabrication et d'utilisation sont intéressantes face aux gains qu'il engendre.

🏭 Une des plus courantes utilisations du moteur Stirling est à but réfrigérant. Que ce soit pour liquéfier les gaz ou comme refroidisseur, le moteur Stirling est présent dans les industries et spécialement dans le domaine militaire.

⚡️ Dans le milieu de l'électricité, ce moteur sert de générateur dans des milieux hostiles (déserts, banquise par exemple) ou pour des explorations militaires ou scientifiques.

👨‍🚀 Pour finir, des études sont menées par la NASA afin de l'intégrer dans des satellites et sondes spatiales.

Calcul du rendement d'un moteur Stirling

🤔 Un moteur Stirling fonctionne entre une source chaude à 800 K et un réservoir froid à 300 K. La source chaude échange de la chaleur avec le moteur à une puissance de 2000 J/s, tandis que le réservoir froid reçoit 1000 J/s de chaleur. Calculez le rendement du moteur Stirling.

Corrigé : Le rendement (η) d'un moteur est défini comme le rapport de la puissance utile (Pu​) à la puissance fournie (Pf​). Mathématiquement, cela s'exprime comme ​​η = Pu​ / Pf.

réponse exercice moteur de Stirling
Comment calculer le rendement d'un moteur Stirling ?

Étude de l'efficacité énergétique d'un moteur Stirling

⚡️ Un moteur Stirling fonctionne entre une source chaude à 800 K et un réservoir froid à 300 K. Si la source chaude fournit une puissance thermique de 2000 J/s au moteur, et le réservoir froid reçoit 1000 J/s de chaleur, calculez l'efficacité énergétique du moteur Stirling.

Corrigé : L'efficacité énergétique (ε) mesure la capacité d'un moteur à convertir l'énergie thermique en énergie mécanique. Elle est définie comme le rapport de la puissance mécanique produite (Pm​) à la puissance thermique fournie (Pf​). Mathématiquement, cela s'exprime comme ε = Pm / Pf​.

exercice sur le moteur de Stirling
A quel point un moteur peut-il être efficace ?

Étude d'un moteur de Stirling

🔐 Le moteur de Stirling est un système fermé : le gaz est confiné dans le système et aucune combustion n'a lieu à l'intérieur du moteur. Le moteur échange du travail W avec le milieu extérieur et, par conduction thermique, de l'énergie thermique avec les sources chaude et froide.

🌀 On suppose que le gaz contenu dans la machine peut être considéré comme parfait. Le fonctionnement du moteur de Stirling est généralement modélisé par un cycle comportant quatre transformations supposées réversibles représentées dans le diagramme (P, V) ci-dessous.

Moteur Stirling - Diagramme de Clapeyron (P, V)

Compression isotherme 1

  • 2 à la température Tf de la source froide.
  • On passe du volume V1 au volume V2 tel que V1 > V2
  • Le gaz échange de l'énergie thermique par chaleur avec la source froide

Chauffage isochore 2

  • 3 jusqu'à la température Tc de la source chaude.

Détente isotherme 3

  • 4 à la température Tc jusqu'au volume initial
  • Le gaz échange de l'énergie thermique par chaleur avec la source chaude.

Refroidissement isochore 4

  • 1 jusqu'à la température Tf

👉 On notera :

  • n : quantité de matière en mole du gaz parfait. R = 8,31 J K-1 mol-1
  • Cv : capacité thermique molaire à volume constant du gaz ; Cv = 21 J K-1 mol-1
  • W12, W23, W34, W41 : les échanges d'énergie par travail au cours des transformations 1-->2, 2-->3, 3-->4 et 4-->1
  • Q12, Q23, Q34, Q41 : les échanges d'énergie par chaleur au cours de ces mêmes transformations

Un autre exemple : le moteur Beau de Rochas 👍

🚗 Le cycle de Beau de Rochas, encore appelé "cycle à quatre temps" ou "cycle d'Otto", représente un cycle thermodynamique théorique. Il est très répandu, notamment dans l'automobile. En effet, puisque les moteurs à combustion interne à allumage commandé, plus généralement les moteurs à essence, possède un cycle thermodynamique pratique qui peut donc être représenté de façon approchée par le cycle de Beau de Rochas.

Le cycle type d'un moteur Beau de Rochas se présente comme suit :

  1. Début du cycle, point mort en position haute
  2. L'admission : la soupape d'échappement est fermée tandis que la soupape d'admission est ouverte. Le piston se met en mouvement et descend ce qui permet l'aspiration et donc l'entrée dans le cylindre d'un mélange d'air et de carburant en provenance du carburateur ou encore de l'injection.
  3. La compression : la soupape d'échappement est toujours fermée et la soupape d'admission se referme. Le piston remonte provoquant la compression du mélange air-carburant.
  4. La combustion-détente : les deux soupapes restent fermées et permettent, lorsque le piston arrive au niveau du deuxième point mort en position haute, l'enflammement du mélange air-carburant, souvent grâce à l'action de la bougie d'allumage. Ainsi, la forte augmentation de pression dans le cylindre, produite grâce à la combustion du mélange d'air et de carburant, provoque une expansion des gaz qui va forcer le piston à redescendre.
  5. L'échappement : La soupape d'échappement va ensuite s'ouvrir afin de permettre l'évacuation des gaz brûlés qui seront poussés par la remontée du piston.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.