Moteur Stirling Cycle

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Contexte

Un moteur est une machine qui convertit l'énergie en travail utile :brûler du charbon pour faire tourner l'arbre d'entraînement d'un générateur de centrale électrique, par exemple. Le moteur le plus courant en production aujourd'hui est le moteur automobile à essence. Les autres moteurs courants sont le moteur diesel utilisé dans les camions lourds et certaines voitures particulières, la turbine à vapeur qui produit de l'électricité dans les centrales électriques, le moteur à réaction utilisé pour propulser les avions et le moteur à essence à deux temps utilisé pour alimenter les petits appareils comme les tondeuses à gazon. Chacun de ces moteurs convertit la chaleur générée par la combustion d'un combustible fossile en un travail utile.

L'énergie est la capacité de faire un travail. Les deux quantités sont liées et ont les mêmes unités, mais l'énergie ne peut pas être complètement convertie en travail. S'il est utilisé pour alimenter un poêle, par exemple, 1 gallon (3,8 1) d'essence contient suffisamment d'énergie chimique pour faire bouillir environ 14 gallons (53 1) d'eau dans des conditions standard. Cependant, si ce même gallon d'essence était mis dans une génératrice portative (qui convertirait l'essence en travail puis le travail en électricité) et si l'électricité était ensuite utilisée pour faire bouillir de l'eau sur une cuisinière électrique, il est peu probable que plus de 3 gallons (11,4 1) d'eau pouvaient être bouillis avant que le générateur ne manque de carburant.

La raison pour laquelle la cuisinière électrique ne peut pas faire bouillir autant d'eau qu'une cuisinière à essence est que les moteurs ne sont pas à 100% thermiquement efficaces pour convertir la chaleur en travail - l'efficacité thermique signifie la quantité de travail utile produite divisée par l'énergie fournie au moteur. C'est pourquoi une cuisinière à gaz ou une sécheuse est moins chère à utiliser qu'un appareil électrique équivalent. Dans le cas du générateur portable, une partie de l'énergie de l'essence se retrouverait dans les gaz d'échappement du moteur, une partie serait gaspillée à chauffer le générateur et une autre serait gaspillée à l'intérieur lorsque les pièces mobiles à l'intérieur du générateur se frotteraient les unes aux autres, convertissant l'énergie mécanique en chaleur de friction.

La science qui étudie comment la chaleur est cyclée dans un moteur pour créer du travail s'appelle la thermodynamique, du grec therme (chaleur) et dynamis (Puissance). Un cycle qui convertit la chaleur en travail est appelé cycle thermodynamique. Un moteur d'automobile à essence utilise le cycle Otto. Un moteur diesel utilise le cycle diesel. Une machine à vapeur, ou centrale à vapeur, utilise le cycle de Rankine. Aucun de ces cycles ne peut être utilisé pour convertir complètement l'énergie en travail. C'est parce que tous doivent rejeter la chaleur dans l'environnement. Une centrale électrique ou une machine à vapeur doit condenser de la vapeur afin de renvoyer l'eau vers la chaudière (perte d'énergie). Un moteur d'automobile doit rejeter les gaz d'échappement chauds, contenant une quantité considérable d'énergie, par le tuyau d'échappement. Le cycle pratique le plus efficace sur le plan thermique pour convertir la chaleur en travail est le cycle de Stirling. Le cycle de Stirling est le moteur le plus efficace sur le plan thermique car il gaspille (ou rejette) la moindre quantité de chaleur dans l'environnement pour la quantité de travail qu'il produit de n'importe quel moteur. Un moteur qui utilise le cycle de Stirling est connu sous le nom de moteur à cycle de Stirling. Un moteur Stirling Cycle peut être utilisé pour alimenter une voiture, un camion ou un avion, ou pour produire de l'électricité. Il effectuera ce travail pour moins d'énergie qu'un moteur Otto, Diesel ou Rankine Cycle comparable.

Historique

Le premier moteur pratique était le moteur à vapeur breveté par James Watt en 1769. Le moteur de Watt convertissait l'énergie en travail en utilisant la vapeur des chaudières à charbon. Le moteur Watt se composait d'une chaudière, d'un piston contenu dans un cylindre, d'un condenseur refroidi à l'eau, d'une pompe à eau, de tuyaux et de conduits pour déplacer l'eau et la vapeur autour du moteur, et des liaisons qui convertissaient le mouvement de haut en bas du piston. en mouvement circulaire sur un arbre d'entraînement. L'arbre d'entraînement peut être utilisé pour un certain nombre d'utilisations, telles que l'alimentation d'un moulin ou le pompage de l'eau d'une mine de charbon.

Le moteur de Watt utilisait un cycle thermodynamique en quatre étapes pour créer du travail. Le cycle a commencé par une ouverture de vanne pour permettre à la vapeur sous pression de s'écouler dans le cylindre. Au fur et à mesure que la vapeur se dilatait dans le cylindre, elle abaissait le piston, produisant un travail utile. Lorsque le piston a atteint le fond du cylindre, la vanne permettant à la vapeur d'entrer dans le cylindre a été fermée et une vanne entre le cylindre et le condenseur s'est ouverte. Parce que le condenseur était à une pression beaucoup plus basse que le cylindre, il a littéralement aspiré la vapeur vers le haut dans le condenseur. Au fur et à mesure que la vapeur était extraite du cylindre, le piston était aspiré avec la vapeur, ramenant le piston à son emplacement de départ où il était prêt à créer plus de travail. Une fois que la vapeur dans le condenseur avait été complètement reconvertie en eau, l'eau était pompée vers la chaudière où elle était reconvertie en vapeur, achevant ainsi le cycle.

L'inefficacité thermique de ce cycle est qu'il reste encore beaucoup d'énergie dans la vapeur lorsqu'elle est envoyée au condenseur. Cependant, pratiquement aucune de cette énergie ne peut être récupérée car la vapeur ne peut pas être renvoyée dans la chaudière sans effectuer un travail important sur celle-ci; souvent plus de travail que la chaleur perdue dans le condenseur. La vapeur doit être convertie en eau avant de pouvoir être pompée vers la chaudière. Ainsi, une grande partie de la chaleur fournie par le charbon brûlant est perdue.

La machine à vapeur a rendu possible le monde industriel moderne, mais ce n'était pas sans inconvénients. Le mélange d'eau froide et de vapeur en conjonction avec la métallurgie primitive a conduit à de fréquentes explosions de chaudières. La perte de vie qui en a résulté a été le facteur de motivation qui a conduit le révérend Robert Stirling (en plus d'être l'un des plus grands ingénieurs de son époque, il était également un ministre ordonné de l'Église d'Écosse) à développer un moteur qui utilisait l'air au lieu de vapeur pour entraîner son piston. En tant que sous-produit, le moteur de Stirling était beaucoup plus efficace thermiquement que le moteur de Watt, principalement parce qu'il ne nécessitait pas que la vapeur soit condensée pendant le cycle. Bien que le moteur de Stirling était beaucoup plus sûr, la technologie de l'époque ne permettait pas la fabrication de moteurs Stirling de plus de quelques chevaux (kilowatts).

Le moteur de Stirling n'a jamais fait son chemin au XIXe siècle. Les combustibles fossiles étaient abondants et la métallurgie s'est améliorée au point où les moteurs à vapeur n'étaient plus aussi dangereux. Ainsi, l'avantage inhérent d'efficacité thermique du cycle de Stirling n'était pas une motivation suffisante pour surmonter les défis de conception importants auxquels étaient confrontés les ingénieurs souhaitant construire des moteurs à cycle de Stirling plus puissants. Au vingtième siècle, le moteur à combustion interne, fonctionnant sur le cycle Otto, dominait le monde industriel parce qu'il était moins cher à construire qu'un moteur à cycle Stirling et parce que les combustibles fossiles étaient encore à un prix raisonnable et abondants. Cependant, les concepteurs de moteurs n'ont jamais oublié que le cycle de Stirling est le cycle thermodynamique le plus efficace du point de vue thermique et ont continué à concevoir des moteurs qui l'utilisent. Aujourd'hui, les moteurs Stirling Cycle sont utilisés pour produire la plupart de l'air liquéfié fabriqué dans les laboratoires de recherche. Ils sont également utilisés dans les satellites météorologiques et espions et par la marine suédoise pour alimenter certains de ses sous-marins.

Matières premières

Le moteur Stirling Cycle peut être fabriqué à partir d'une variété de métaux. Le bloc moteur est généralement constitué de fonte ductile ou d'un alliage d'aluminium moulé (aluminium et silicium, généralement). De nombreuses pièces internes (manivelles et pistons) sont également fabriquées en fonte ductile ou en aluminium, mais certains des composants qui nécessitent une résistance plus élevée peuvent être fabriqués à partir d'acier à outils S-7 à haute résistance. Les joints et les joints sont en Lexan, Néoprène ou caoutchouc naturel. Le moteur est rempli d'hélium ou d'air sous pression, appelé fluide de travail. Le composant qui transfère la chaleur de la source de chaleur au fluide de travail doit résister à des températures très élevées et constantes. Il peut être constitué d'acier à haute résistance ou d'un matériau composite céramique tel que le carbure de silicium (SiC).

Conception

La conception du moteur Stirling Cycle est une fusion complexe de la thermodynamique, de l'analyse du transfert de chaleur, de l'analyse vibratoire, de la dynamique mécanique, de la résistance des matériaux et de la conception des machines. La thermodynamique permet de dimensionner le moteur et de sélectionner la température à laquelle il va fonctionner. L'analyse du transfert de chaleur est nécessaire pour déterminer comment la chaleur sera transférée de la source de chaleur au fluide de travail et comment les composants du moteur seront conçus pour résister à ce flux de chaleur. L'analyse vibratoire est utilisée pour équilibrer le moteur pour un fonctionnement en douceur. La dynamique mécanique est nécessaire pour calculer les contraintes induites dans les composants individuels du moteur. L'analyse de la résistance des matériaux est nécessaire pour déterminer la taille des composants individuels du moteur afin qu'ils puissent résister aux contraintes induites. La conception de la machine est nécessaire pour traduire le cycle thermodynamique en un moteur fonctionnel. Chacune de ces exigences de conception implique d'énormes quantités d'analyses.

Le moteur Stirling Cycle est similaire à un moteur à vapeur. Les deux ont des pistons et des cylindres, et les deux sont des moteurs à combustion externe car la combustion du carburant a lieu à l'extérieur du moteur. La première différence majeure entre les deux moteurs est que le moteur à cycle Stirling utilise un gaz (air, hydrogène ou hélium, généralement) au lieu de l'eau et de la vapeur comme fluide de travail, le fluide qui déplace le piston et crée du travail. Une autre différence importante est que le moteur à cycle Stirling a deux cylindres, ou espaces, un pour l'expansion du fluide de travail et un pour la compression du fluide de travail, tandis qu'un moteur à vapeur n'a qu'un seul cylindre. Cependant, la différence la plus importante entre les deux moteurs est qu'au lieu de gaspiller son excès de chaleur dans un condenseur, le moteur Stirling Cycle termine son cycle thermodynamique en stockant son excès de chaleur pour l'utiliser dans le cycle suivant. Pour cette raison, le moteur Stirling Cycle n'est pas seulement le moteur le plus thermiquement efficace qui soit, c'est le moteur le plus thermiquement efficace qui soit. Une automobile typique a un rendement thermique d'environ 30 %. Une centrale électrique au charbon pourrait être efficace à 45 %. Un très gros moteur diesel peut avoir un rendement thermique de 50 %. L'efficacité thermique maximale théorique d'un moteur à cycle de Stirling fonctionnant à une température de combustion de 2 500 °F (1 370 °C) serait d'environ 78 %. Bien sûr, personne n'a été capable de construire un moteur à cycle Stirling avec quelque chose de proche de cette efficacité thermique. À ce jour, les ingénieurs n'ont pas été en mesure de surmonter les problèmes de conception importants posés par la réalisation du cycle de Stirling.

Dans une machine à vapeur, de la chaleur est appliquée à une chaudière pour créer de la vapeur, qui est ensuite utilisée pour entraîner des pistons. Dans un moteur à cycle Stirling, la chaleur est appliquée à l'extérieur du cylindre principal du moteur, ce qui chauffe l'air à l'intérieur du cylindre. Cet air chaud se dilate, entraînant le piston de puissance du moteur. L'un des principaux avantages d'un moteur à combustion externe par rapport à un moteur à combustion interne est que le fluide de travail dans un moteur à combustion externe n'est jamais exposé aux produits de combustion et reste ainsi beaucoup plus propre. De plus, comme la chaleur peut être créée de manière contrôlée à l'extérieur du moteur à cycle rapide, le moteur à cycle de Stirling produit moins de 5 % des oxydes d'azote générateurs de smog produits par un moteur à combustion interne pour le même rendement de travail.

Le cycle de Stirling se compose de quatre étapes, tout comme le cycle de Rankine de la machine à vapeur. Cependant, au lieu de déplacer le fluide de travail de la chaudière au cylindre du condenseur à la chaudière, le moteur à cycle Stirling déplace le fluide de travail d'un espace de détente à haute température vers un échangeur de chaleur régénératif vers un espace de compression à basse température et inversement. Le fluide de travail est déplacé en raison des différences de température entre les côtés chaud et froid du moteur. Le côté chaud est chauffé, en brûlant des déchets par exemple. Le côté froid est simplement le côté qui n'est pas chauffé, il n'est froid que par rapport au côté chaud. La clé du processus est l'échangeur de chaleur régénératif. On l'appelle régénératrice car elle stocke la chaleur dans une partie du cycle et la restitue ensuite dans la suivante.

En commençant au début de la course motrice, les quatre étapes du cycle de Stirling sont les suivantes :Le fluide de travail est entièrement contenu dans l'espace d'expansion, il absorbe la chaleur de la source de chaleur externe, ce qui provoque sa déplaceur, produisant du travail; le piston de puissance est immobile tandis que le plongeur, un piston qui transporte le fluide de travail entre les espaces du moteur, mais ne fonctionne pas, se déplace vers le haut, poussant le fluide de travail de l'espace d'expansion dans l'espace de compression. En cours de route, la majeure partie de la chaleur restante dans le fluide de travail qui n'a pas été convertie en travail est transférée à l'échangeur de chaleur régénératif ; avec le piston de travail fixé au sommet du cylindre principal, le fluide de travail est comprimé dans l'espace de compression jusqu'au volume d'origine, ce qui nécessite de rejeter un peu de chaleur vers le côté froid du moteur, source de chaleur perdue, et donc perdue efficacité thermique; le fluide de travail est renvoyé à travers l'échangeur de chaleur régénératif, où il récupère une grande partie de la chaleur stockée, et dans l'espace de détente où il est prêt à être à nouveau détendu par la source de chaleur externe pour effectuer le travail.

Les divers mouvements du piston de puissance et du déplaceur (parfois, ils se déplacent ensemble pour des processus à volume constant, tandis qu'à d'autres moments l'un est stationnaire tandis que l'autre se déplace pour les compressions et les expansions) sont contrôlés par un entraînement rhombique.

Le processus de fabrication

Fabrication de composants

• 1 Les blocs moteurs et les pistons sont fabriqués en fonte. L'acier ou l'aluminium fondu est versé dans un moule creux qui a la forme du produit final souhaité et laissé refroidir. Un bloc moteur Stirling Cycle nécessite de la place pour deux cylindres à piston, un pour le piston de puissance et un pour le piston de déplacement (qui ramène le fluide de travail dans le cylindre de puissance), un échangeur de chaleur régénératif, un vilebrequin, une chambre de combustion et divers passages pour le fluide de travail pour aller et venir entre les deux cylindres.
• 2 Une fois la pièce moulée refroidie, toute matière étrangère est broyée. Il est généralement nécessaire de finir les blocs moteurs en perçant des trous qui ne pourraient pas être coulés de manière économique (en raison de leur taille ou de leur géométrie complexe) et en alésant les cylindres au diamètre final souhaité. L'alésage est nécessaire A. Source de chaleur. B. Échangeur de chaleur régénératif. C. Déplaceur. D. Piston de travail. E. Entraînement rhombique. F. Carter de manivelle. G. Bielle du plongeur. H. Vilebrequin. 1. Joints au gaz. J. Espace d'expansion où le fluide de travail est chauffé. en raison de la tolérance fine requise entre le piston et le cylindre.
• 3 Le vilebrequin et les bielles sont fabriqués par forgeage ou moulage. En forgeage, un morceau de métal - appelé billette - est placé entre deux matrices (les matrices sont des moules en acier à outils à très haute résistance). Un marteau, pesant plusieurs tonnes, est ensuite lâché sur les matrices. La billette est généralement chauffée presque jusqu'au point de fusion avant le forgeage. Le processus de forgeage peut être effectué en plusieurs étapes en utilisant différentes matrices pour obtenir la forme finale. Une coulée est réalisée en remplissant un moule creux de métal en fusion. Le métal peut être de la fonte ductile, de l'acier, de l'aluminium ou un alliage.
• 4 Les composants du moteur sont usinés pour atteindre les tolérances finales. Le façonnage final se fait généralement sur un tour. Le vilebrequin/bielle/piston est tourné tandis que les couteaux (faits d'un matériau plus dur que la pièce à usiner) sont avancés sur la pièce en rotation pour éliminer l'excès de métal. Les tours modernes commandés par ordinateur peuvent facilement atteindre des tolérances de 0,0001 in (0,0025 mm). Une fraiseuse, dans laquelle la pièce est fixe et l'outil de coupe tourne, est utilisée pour découper tous les trous, fentes ou canaux requis dans la pièce finale.
• 5 L'échangeur de chaleur régénératif est fabriqué en insérant des milliers de fils d'acier fins à travers une plaque d'acier. Lorsque le fluide de travail se déplace du cylindre principal vers le cylindre auxiliaire, il cède sa chaleur à ces broches. Les broches les plus proches du cylindre principal seront les plus chaudes. Les broches les plus proches du cylindre auxiliaire seront les plus froides.
• 6 Toute source de chaleur, solaire ou à combustion, peut être utilisée pour alimenter un moteur Stirling Cycle. Quelle que soit la source, la chaleur est concentrée dans une chambre directement adjacente au piston de travail. Le cyclage du moteur enlève une partie de cette chaleur et la transforme en fonction. Étant donné que le moteur à cycle de Stirling est un moteur à combustion externe, la chaleur d'entrée peut être constante (contrairement à la chaleur générée dans un moteur à combustion interne qui est produite lors d'une série d'explosions). Cependant, comme la chaleur est constante, les composants du moteur en contact avec la source de chaleur doivent être conçus pour supporter des températures élevées pendant une longue période de temps.

Assemblage

• 7 Le vilebrequin est inséré dans le bloc moteur et y est maintenu par des roulements. Les roulements permettent au vilebrequin de tourner dans le bloc moteur sans générer de chaleur de friction excessive. Les roulements sont fixés au bloc moteur par pression (le diamètre extérieur du roulement est légèrement supérieur au diamètre intérieur du trou dans le bloc moteur). En forçant le roulement dans le bloc moteur, le roulement est fermement fixé au bloc.
• 8 Les pistons et les bielles sont déposés dans les cylindres et fixés au vilebrequin par le bas à l'aide de boulons à haute résistance et de rondelles de blocage. Les boulons sont serrés en utilisant un couple prédéterminé.
• 9 L'échangeur de chaleur régénératif est inséré dans le conduit qui circule entre le cylindre principal et le cylindre auxiliaire et boulonné en place.
• 10 Les culasses sont boulonnées en haut du moteur, un capot d'accès est boulonné en bas du moteur. Des joints sont utilisés entre le bloc moteur et les couvercles pour assurer une étanchéité efficace. La chambre de la source de chaleur est intégrée dans le couvercle du cylindre principal.
• 11 Le fluide de travail est pompé dans le moteur. Le fluide de travail est généralement de l'hélium sous pression.

Sous-produits/Déchets

Le moteur à cycle de Stirling produit un travail beaucoup plus utile qu'un moteur à combustion interne pour la quantité de gaz à effet de serre et de produits chimiques générateurs de smog qu'il émet. Le moteur peut également être utilisé pour récupérer de la chaleur qui serait autrement gaspillée, comme le gaz de décharge qu'il a simplement brûlé pour s'en débarrasser. Ainsi, dans l'ensemble, le moteur est respectueux de l'environnement. En exploitant la chaleur solaire dans les moteurs Stirling Cycle, l'électricité peut être produite dans des zones sans accès au réseau électrique sans avoir besoin de cellules photovoltaïques.

Le futur

L'avenir du moteur Stirling Cycle est très prometteur. Si les ingénieurs peuvent concevoir et produire en série un petit moteur à cycle Stirling fiable, il n'y aurait pas besoin de centrales nucléaires ou de centrales à combustible fossile. La plupart de l'énergie électrique utilisée dans les maisons pourrait être produite sur place. Le moteur pourrait refroidir la maison en été sans utiliser de réfrigérants appauvrissant la couche d'ozone et la chauffer en hiver. Malheureusement, il existe de sérieuses difficultés de conception pratiques qui doivent être surmontées avant que le moteur Stirling Cycle puisse être largement utilisé. L'obstacle technique le plus important est la conception de la chambre de combustion du moteur. Étant donné que le moteur à cycle Stirling fonctionne à des températures très élevées, la chambre de combustion ne peut pas être construite à partir des mêmes matériaux bon marché que ceux utilisés pour produire des moteurs automobiles. L'utilisation d'acier inoxydable à haute résistance ou de composites céramiques, en plus d'être coûteuse, rend la fabrication du moteur extrêmement difficile. D'autres obstacles de conception non négligeables incluent la conception d'un mécanisme d'engrenage fiable pour traduire les mouvements de piston du cycle Stirling (qui sont très complexes par rapport à un moteur automobile standard à cycle Otto) en mouvement de vilebrequin et la conception de joints capables de maintenir le fluide de travail contenu dans le moteur.

Où en savoir plus

Livres

Moran, Michael J. et Howard N. Shapiro. Principes fondamentaux de la thermodynamique de l'ingénierie. 4e éd. John Wiley et fils, 2000.

Organ, A. J. Thermodynamique et dynamique des gaz de la machine de Stirling. Cambridge University Press, 1992.

Walker, Graham. Moteurs Stirling. Oxford University Press, 1980.

Walker, Graham, Graham Reader, Owen R. Faubel et Edward Bingham. L'alternative Stirling, les systèmes électriques, les réfrigérants et les pompes à chaleur. Gordon et Breach Science Publishers, 1996.

Autre

Griessel, Eugène. Page d'accueil. "Animation d'un cycle de Stirling." 27 septembre 2001. .

« Foire aux questions sur le cycle de Stirling ». Page Web de la société American Stirling. 27 septembre 2001. .

Jeff Raines