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Cycle Stirling : Analyse du cycle d'un moteur Stirling

Cycle Stirling : Analyse du cycle d'un moteur Stirling

Le cycle de Stirling est un cycle thermodynamique qui décrit le fonctionnement d'une classe d'équipements (machines génératrices ou d'exploitation). Le cycle décrit le moteur Stirling original qui a été inventé et breveté en 1816 par le révérend Robert Stirling, aidé considérablement par son frère ingénieur.

Le moteur Stirling est un moteur à combustion externe. Cette caractéristique le différencie des autres types de moteurs comme le moteur Otto ou le moteur diesel, qui sont des moteurs à combustion interne. Les deux moteurs fonctionnent respectivement selon le cycle Otto et le cycle diesel.

Le cycle de Stirling est réversible. Ce cycle peut être utilisé par des générateurs pour obtenir de l'énergie mécanique à partir de l'application de chaleur et d'une source de froid (une pompe à chaleur). Ce cycle peut également être utilisé pour obtenir de l' énergie thermique (chaleur) ou du froid en appliquant de l'énergie mécanique.

Le cycle de Stirling est un cycle fermé, c'est-à-dire que le fluide qui réalise le cycle est contenu en permanence dans l'appareil qui réalise le cycle et n'est pas échangé avec l'extérieur. Une caractéristique spécifique du cycle originel est qu'il est régénérateur. Un cycle de régénération régénérative lorsqu'il utilise un dispositif interne particulier appelé régénérateur. Un régénérateur est un échangeur-accumulateur de chaleur qui augmente l'efficacité.

Le cycle est similaire à de nombreux autres cycles, où il y a essentiellement quatre phases :

  1. phase de compression,
  2. Phase d'apport de chaleur au fluide,
  3. Phase d'expansion du fluide
  4. Phase d'évacuation de la chaleur du fluide.

Comme c'est souvent le cas dans la comparaison entre cycles idéaux et cycles réels, le cycle réel n'est pas aussi nettement séparé en phases distinctes et distinctes. Dans le cycle de Stirling, les chevauchements des différentes phases sont particulièrement frappants.

cycle de Stirling idéal

Cycle idéal du moteur StirlingLe cycle Stirling idéal se compose de quatre phases thermodynamiques agissant sur le fluide du cycle (voir schéma à droite):

  • Du point 1 au point 2 : détente isotherme. Le compartiment d'expansion est chauffé de l'extérieur et le gaz contenu a une expansion isotherme.
  • Du point 2 au point 3 : transfert de gaz chauds à volume constant ou transformation isochore ; le gaz traverse le régénérateur en lui cédant une partie de la chaleur qui restera disponible pour une phase ultérieure.
  • Du point 3 au point 4 : compression isotherme, le fluide dans l'espace de compression se refroidit, la compression est imaginée isotherme.
  • Du point 4 au point 1 : transfert de chaleur à volume constant ; le fluide reflue à travers le régénérateur, récupérant la chaleur du régénérateur lui-même.

Alors que l'approche théorique est conceptuellement simple, l'analyse thermodynamique proprement dite intéresse les physiciens depuis longtemps. Créer un modèle d'analyse du cycle réel ne s'est pas avéré être une tâche anodine, car le cycle idéal n'a qu'une ressemblance lointaine avec la réalité.

Le problème analytique du régénérateur (l'échangeur de chaleur central dans le cycle de Stirling) a été jugé comme l'un des niveaux les plus complexes que l'on puisse trouver en ingénierie.

Mouvement des dispositifs mécaniques dans les moteurs Stirling

La plupart des textes traitant du cycle de Stirling suivent le modèle très simplifié du cycle de Stirling idéal. Cette façon de procéder est trompeuse étant donné que si l'on calcule les aires du cycle idéal (théoriquement) elles semblent avoir des rendements énergétiques très élevés au travail. Cependant, cela nécessiterait des mécanismes physiquement impossibles à réaliser.

En fait, il est nécessaire d'imaginer un mécanisme pratique qui parvient à obtenir quelque chose qui ressemble au cycle idéal, en utilisant les pièces mécaniques réelles et habituelles, telles que les pistons, et les mécanismes à manivelle qui leur sont liés.

L'utilisation d'une cinématique liée à la rotation produit, bien entendu, des mouvements de type sinusoïdal des pièces. L'ensemble des mouvements sinusoïdaux, souvent à pistons "croisés", transforme le cycle, représenté par des lignes droites ou des courbes pures. en une sorte de "haricot" aplati, dans lequel la zone interne (et donc le travail) est considérablement réduite.

Certaines cinématiques, comme la soi-disant " culasse Ross " (bielle Ross), (liaison de compromis entre la traverse et une simple transmission à levier), produisent un mouvement quasi sinusoïdal. D'autres cinématiques produisent des mouvements différents, les cinématiques possibles régissent les solutions possibles, mais la plupart des mouvements possibles ne sont pas toujours compatibles avec toutes les conditions de contraste d'un système idéal.

cycle de Stirling inverse

D'une part, il est difficile d'établir une chaleur efficace avec pulsation et d'extraire efficacement l'énergie du système de pulsation. D'autre part, il est aussi encore plus difficile de pratiquer le cycle inversé. Le cycle inverse consiste à obtenir de la chaleur ou du froid par l'administration d'énergie mécanique.

Avec l'énergie mécanique, une pression est générée dans un fluide confiné. La pression au fluide implique une compression et la génération de chaleur. D'autre part, l'énergie mécanique fournie peut générer une dépression du fluide, une expansion de celui-ci. Cette expansion absorbe l'énergie thermique, c'est-à-dire le refroidissement. C'est ce qui est réalisé dans la machine frigorifique Stirling, obtenue avec des dispositifs mécaniques classiques, avec (manivelles et pistons), ou avec l'utilisation inverse du moteur thermo-acoustique, où la pulsation mécanique est assurée par des systèmes résonnants ( moteurs linéaires), plaques piézoélectriques) qui fonctionnent à des fréquences beaucoup plus élevées.

Diagramme PV d'un cycle réel

Diagramme PV du cycle réel d'un moteur StirlingDiagramme PV d'un cycle de Stirling réel ; quatre positions angulaires de la manivelle de la machine qui exécute le cycle sont indiquées

Le cycle réel peut être représenté sur un diagramme pression-volume (PV) sous la forme d'une courbe fermée avec une forme ; cette courbe représente, avec différentes valeurs de pression et de température, la plupart des cycles de Stirling réels.

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Date de publication : 22 mars 2018
Dernier examen : 22 mars 2018