En résumé

Comme une machine à vapeur ou une combustion interne moteur de voiture, un moteur Stirling convertit l'énergie calorifique , à l'énergie mécanique (travail) en répétant une série d'opérations élémentaires, appelée son cycle. Considérons un moteur Stirling de type plongeur simplifié. C'est en fait assez déroutant et difficile à comprendre jusqu'à ce que vous réalisiez que ce qui se passe, c'est que le gaz à l'intérieur se dilate et se contracte alternativement et, entre les deux, se déplace du côté chaud du cylindre vers le côté froid et inversement. Le travail du piston de travail bleu foncé consiste à utiliser l'énergie de l'expansion du gaz pour entraîner la machine que le moteur alimente, puis à comprimer le gaz afin que le cycle puisse se répéter. Le travail du piston plongeur vert consiste à transporter le gaz du côté chaud du cylindre (à gauche) vers le côté froid (à droite) et inversement. Travaillant en équipe, les deux pistons garantissent que l'énergie thermique est déplacée à plusieurs reprises de la source vers le puits et convertie en travail mécanique utile.

En détail

1. Refroidissement et compression : La majeure partie du gaz (indiqué par les carrés bleus) se trouve à droite à l'extrémité la plus froide du cylindre. Au fur et à mesure qu'il se refroidit et se contracte, cédant une partie de sa chaleur, qui est évacuée par le dissipateur thermique, les deux pistons se déplacent vers l'intérieur (vers le centre).
2. Transfert et régénération : Le piston plongeur se déplace vers la droite et le gaz refroidi se déplace autour de lui vers la partie la plus chaude du cylindre à gauche. Le volume du gaz reste constant lorsqu'il repasse par le régénérateur (échangeur de chaleur) pour récupérer une partie de la chaleur qu'il a précédemment déposée.
3. Chauffage et détente : La majeure partie du gaz (indiqué par les carrés rouges) se trouve maintenant à gauche dans l'extrémité chaude du cylindre. Il est chauffé par le feu (ou une autre source de chaleur) de sorte que sa pression augmente et qu'il se dilate, absorbant l'énergie. Au fur et à mesure que le gaz se dilate, il pousse le piston de travail vers la droite, qui entraîne le volant et tout ce que le moteur alimente. Dans cette partie du cycle, le moteur convertit l'énergie thermique en énergie mécanique (et fonctionne).
4. Transfert et refroidissement : Le piston plongeur se déplace vers la gauche et les gaz chauds se déplacent autour de lui vers la partie la plus froide du cylindre à droite. Le volume du gaz reste constant lors de son passage dans le régénérateur (échangeur de chaleur), abandonnant une partie de son énergie en cours de route. Le cycle est maintenant terminé et prêt à se répéter.

Bien que le moteur passe par un cycle, se retrouvant là où il a commencé, ce n'est pas un processus symétrique : l'énergie est constamment retirée de la source et déposée au puits. Cela se produit parce que le gaz chaud effectue une certaine quantité de travail sur le piston de travail lorsqu'il se dilate, mais le piston effectue moins de travail en comprimant le gaz refroidi et en le ramenant au départ.

En théorie

Maintenant, vous pensez peut-être : "Tout cela est très élaboré ! Pourquoi s'embêter avec deux pistons alors qu'une simple machine à vapeur peut se contenter d'un seul ? Pourquoi toutes ces étapes séparées ? Pourquoi ne pas rendre le tout plus simple ?" Pour répondre correctement à ces questions, vous devez comprendre la théorie des moteurs : qu'un moteur efficace déplace un gaz à travers un cycle de processus selon le lois sur les gaz (les lois fondamentales de la physique classique qui décrivent comment la pression, le volume et la température d'un gaz sont liés). Le cycle idéalisé le plus connu est appelé le Cycle de Carnot et implique la répétition d'un cycle d'expansion isotherme (température constante) et adiabatique (conservation de la chaleur), suivi d'une compression isotherme et adiabatique.

Un moteur Stirling utilise un cycle différent qui (idéalement) consiste en :

1. Compression isotherme (température constante) : Notre étape (1) ci-dessus, où le volume du gaz diminue et la pression augmente à mesure qu'il cède de la chaleur au dissipateur.
2. Chauffage isovolumétrique (volume constant) : Notre étape (2) ci-dessus, dans laquelle le volume du gaz reste constant lorsqu'il repasse par le régénérateur et récupère une partie de sa chaleur précédente.
3. Détente isotherme (température constante) : Notre étape (3) ci-dessus, dans laquelle le gaz absorbe l'énergie de la source, son volume augmente et sa pression diminue, tandis que la température reste constante.
4. Refroidissement isovolumétrique (volume constant) : notre étape (4) ci-dessus, dans laquelle le volume du gaz reste constant lorsqu'il passe à travers le régénérateur et se refroidit.

Un vrai moteur Stirling fonctionne à travers une version plus complexe et moins idéale de ce cycle, ce qui dépasse le cadre de cet article. Il suffit simplement de noter que les quatre étapes ne sont pas rigidement séparées mais se fondent les unes dans les autres. Si vous êtes intéressé, il y a beaucoup plus à ce sujet dans l'article de Wikipedia sur le Cycle de Stirling.

Moteur Stirling