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Cycle de Stirling

Cycle de Stirling

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

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

Le cycle de Stirling est réversible. Ce cycle peut être utilisé par les générateurs pour obtenir de l'énergie mécanique à partir de l'application de chaleur et d'une source froide (une pompe à chaleur). Vous pouvez également utiliser ce cycle pour obtenir de l'énergie thermique (chaleur) ou froide en appliquant de l'énergie mécanique.

Le cycle de Stirling est un cycle fermé, c'est-à-dire le fluide qui fait que le cycle est contenu en permanence dans l'appareil qui effectue le cycle et n'échange pas avec l'extérieur. Une caractéristique spécifique du cycle d'origine est qu'il est régénérateur. Un cycle de régénération lorsque vous utilisez un périphérique interne particulier appelé régénérateur. Un régénérateur est un échangeur de chaleur-accumulateur qui augmente l'efficacité.

Le cycle est semblable à beaucoup d'autres cycles, où il y a fondamentalement quatre phases:

  • Phase de compression,
  • Phase de transfert de chaleur au fluide,
  • Phase d'expansion des fluides
  • Phase d'élimination de la chaleur liquide.
  • Comme cela arrive souvent dans la comparaison entre les cycles idéaux et les cycles réels, le cycle réel n'est pas si parfaitement séparé en phases distinctes et distinctes. Dans le cycle de Stirling, les superpositions des différentes phases sont particulièrement frappantes.

    Cycle de Stirling idéal

    Cycle idéal du moteur Stirling Le cycle idéal de Stirling se compose de quatre phases thermodynamiques qui agissent sur le fluide du cycle (voir le diagramme à droite):

    • Du point 1 au point 2: expansion 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 chaud à volume constant ou transformation isochore; le gaz traverse le régénérateur en 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 est refroidi, la compression est imaginée isotherme.
    • Du point 4 au point 1: transfert de chaleur à volume constant; le fluide retourne dans le régénérateur, récupérant la chaleur du même régénérateur.

    Bien que le critère théorique soit conceptuellement simple, l'analyse thermodynamique réelle a impliqué les physiciens depuis longtemps. La création d'un modèle d'analyse du cycle réel ne s'est pas révélée être une tâche insignifiante, puisque le cycle idéal n'a qu'une ressemblance lointaine avec le réel.

    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 dans l'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 idéal de Stirling. Cette façon de procéder est trompeuse étant donné que si l'on calcule (théoriquement) les zones du cycle idéal, on voit apparaître des rendements énergétiques très élevés au travail. Cependant, cela nécessiterait des mécanismes impossibles à exécuter physiquement.

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

    L'utilisation de la cinématique liée à la rotation produit, comme on peut le comprendre, des mouvements de pièces de type sinusoïdal. L'ensemble des mouvements sinusoïdaux, souvent à pistons «croisés», transforme le cycle, représenté par des lignes droites ou des courbes pures. dans une sorte de "haricot" aplati, dans lequel la surface interne (et, par conséquent, le travail) est considérablement réduite.

    Certains cinématiques, telles que le "Ross Yoke" (la barre de Ross), (un lien de compromis entre la tête croisée et une simple transmission à levier), produisent un mouvement presque sinusoïdal. D'autres cinématismes produisent des mouvements différents, les cinématiques possibles gouvernent 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 inverse de Stirling

    D'une part, il est difficile d'établir une chaleur efficace avec des pulsations et d'extraire efficacement l'énergie du système de pulsation. D'un autre côté, il est également encore plus difficile de pratiquer le cycle inverse. Le cycle inverse implique l'obtention de chaleur ou de froid par l'administration d'énergie mécanique.

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

    Diagramme PV d'un cycle réel

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

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

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    Dernier examen: 22 mars 2018

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