Le moteur stirling

TP de Physique : Moteur Stirling Sommaire Introduction 3 1. But 3 2. Principe 3 Manipu ations4 org Sni* to View 1. Calibration des détecteurs 4 2. Mise en route et détermination de l’énergie thermique délivrée 5 3. Visualisation et étude du diagramme PV 5 4. Etude des énergies mises en jeu en fonction d’une charge mécanique appliquée au moteur 7 qui assure une importante économie d’énergie. Ce cycle fermé appelé « cycle de Carnot » (fig. l) repose sur un fonctionnement théorique en quatre phases : • La première phase est un chauffage isochore : on fournit de l’énergie thermique au gaz dans la chambre de détente.

Sous ‘effet de la chaleur, sa pression et sa température augmente. • On permet ensuite au gaz dans le piston de se dilater, transformant ainsi l’énergie thermique fournit en énergie mécanique. • Le gaz est ensuite refroidi, ce qui permet de diminuer sa pression et donc sa résistance à la compression. • Enfin, on restitue au gaz l’énergie mécanique engrangée dans la deuxième phase pour le comprlmer et pouvoir retrouver alnsl la position initial.

Compresser un gaz à basse pression réclamant moins d’énergie que ce que la dilatation de la deuxlème étape peut fournir, le cycle apporte un surplus d’énergie mécanique au ystème. En pratique, le cycle de Stirling est approché par un mouvement harmonique des pistons. Le volume de la chambre de détente devant être en avance de port à celui de la chambre • Le « zéro » du volume correspond au moment où le piston de la chambre de compression est dans sa position la plus basse. ?? pour le capteur de pression, on réalise une courbe d’étalonnage représentant l’évolution de la tension en fonction de la pression. L’utilisation d’une seringue nous permettant de faire varier la pression à l’intérieur du moteur. Il suffit pour cela de faire varier le volume de gaz à l’intérieur de la seringue. En considérant l’air comme un gaz parfait, il vient : [pic]. De plus, en fonctionnement isotherme : [pic]. En divisant le volume d’air contenu dans la seringue par deux, on double la pression du gaz dans la chambre du moteur.

En faisant ainsi varier la pression, on trace la courbe d’étalonnage du capteur de pression (fig. 3) et on obtient la valeur de la pente [Pic]. 12P0 I apo 1 P(hpa) 2026 14052 1013 I IJ(V) 12,77 16,65 Fig. 3 Courbe d’étalonnage du ca teur de pression rotation mesurée n 587tr/min. n calcule alors : Visualisation et étude du diagramme PV Il s’agit maintenant de visualiser les cycles de Stirling sur ‘oscilloscope. On utilise pour cela le logiciel Moteur Stirling v1 -6. vi.

Avant de faire nos mesures, on entre certaines valeurs afin de bien calibrer l’appareil : – [pic] Cette dernière valeur permet de régler l’échelle de l’appareil. Pour la déterminer, on règle manuellement la position des pistons afin que le volume dans la chambre de détente soit le plus grand. On relève alors [pic]. Sachant que les volumes « extrêmes » du cylindre sont [pic] et [PIC], on calcule [pic]. On lance ensuite [‘acquisition d’un cycle et on obtient une visualisation d’un cycle PV du moteur Stirling (fig. 4).

On relève ?galement les conditions de l’expérience (fig. 3). Le graphique suivant représente l’évolution de la pression et du volume dans le moteur en fonction du temps. n(tr/min) I T2(DC) IC(mN. m) 587 1192 132,2 compensent. Ainsi, lorsque la pression est minimal, le volume est maximal (et inversement). [PiC] Fig. 4 Cycle PV du moteur sans charge La forme ellipsoïdale de cet enregistrement est typique d’une application pratique du moteur. On distingue cependant très bien les quatre phases décrites précédemment.

On relève alors l’aire de l’ellipse correspondant à l’énergie mécanique totale fournie au cours d’un cycle noté [pic]. N. B. : Le signe devant l’énergie provient de la convention de signe de la thermodynamique. L’énergie étant fournie par le mateur elle « sort » du système étudié et doit donc être négative. Sur un ensemble de cinq cycles, on relève une énergie moyenne [pic]. On remarque déjà une différence d’environ (dans les mêmes conditions) entre la valeur moyenne et la première valeur mesurée.

Ce manque de précision nous a causé d’importants problèmes pour l’exploitation de nos résultats. pour finir, on calcule le nombre de moles dans le système. En considérant l’air comme un gaz parfait, on applique la loi : [pic]. NB : Les valeurs du volume et de pression sont relevées sur le diagramme PV (P = 1680hPa et V = 34cm3) Etude des énergies mises en jeu en fonction d’une charge mécanique appliquée au moteur obtient un tableau de mesures nous permettant de calculer les différentes énergies et puissances mises en jeu durant le cycle du moteur.

Les valeurs physiques relevées sont les suivantes : – Les grandeurs des différents capteurs (n, Tl et T2) – WpV, ‘énergie mécanique totale fournit durant un cycle, donnée par l’aire du cycle mesurée par fordinateur. NB . il s’agit en réalité d’une valeur moyenne sur cinq cycles pour lus de précision – pmin et pmax les pressions respectivement minimum et maximum des cycles. Les résultats sont rassemblés dans un tableau de résultat disponible en annexe. En les observant, on voit que la valeur de l’énergie mécanique n’a pas une évolution monotone mais varie de manière aléatoire.

S’agissant d’un moteur à petite échelle, on peut considérer les mesures comme peu précises et ainsi expliquer en partie cette allure. De la même manière, ce sont ces résultats qui entrainent les valeurs aberrantes de AWpV (supérieures à 100%), la différence relative d’énergie mécanique entre le fonctionnement sans harge et avec charge. Les résultats restant semblent à peu près constant, en corrélation avec la faible variation de C utilisée pour nos mesures.

Afin de déterminer les rendements des différentes étapes de fonctionnement, on calcule ensuite plusieurs puissances relatives au système : – Wm, Pénergie mécanique réellement utilisée pendant un cycle : [pic] – Pm, la puissance mécanique correspondante à Wm : [pic] – Wfr, Pénergie consommée par le frein : [pic] – WI, le travail effectué par le g Wfr, l’énergie consommée par le frein : [pic] – WI, le travail effectué par le gaz, c’est-à-dire fénergie que le az apporte au système pendant la dilatation : [pic] NB : on remarque de nouveau le signe « – » puisqu’il s’agit d’énergie délivrée par le moteur. Wt, l’énergie totale de travail effectué qui représente la différence entre l’énergie fournie par le gaz (WI) et celle que le gaz reçoit pendant la phase de compression. Cest donc en réalité, le « bénéfice  » d’énergie par cycle. [pic] pour commenter plus précisément les résultats, on trace l’évolution de certaines énergies en fonction de la vitesse de rotation du moteur (fig. 5). [pic] Fig. 5 Evolution de WpV, Wm et Wfr en fonction de la vitesse de otation du moteur On constate tout d’abord que l’énergie mécanique effectuée par le couple diminue constamment en fonction de la vitesse de rotation.

Ce résultat est tout à fait cohérent puisque n évolue de manière inverse au couple. Ainsi Wm augmente avec C. Au niveau de l’énergie mécanique en sortie du moteur, elle semble augmenter légèrement sur notre échelle de mesure, mais le manque de précision nous empêche de confirmer avec certltude ces résultats. De la même façon, l’énergie de friction diminue lorsque le couple augmente, ce qui aurait normalement du être l’inverse. Ceci peut ?tre dû, soit à la faible augmentation de WpV, soit à la trop faible diminution de Wm en fonction de la vitesse de rotation.

Pour finir, on calcule les re s différentes étapes étapes du système pour savoir quelles étapes « consomment » le plus d’énergie. Les rendements sont calculés pour une charge moyenne, il s’agit donc de la moyenne des rendements pour chacun des couples. Ceux-ci sont calculés de la façon suivante : – Rendement total (pic] Rendement de Carnot [pic] qui est le rendement du cycle – Rendement du brûleur [pic] Rendement intérieur au moteur [pic] – Rendement mécanique [pic]

Afin de faciliter la compréhension du système, voici un schéma expliquant à quoi correspond chaque énergie et quelle étape décrit chacun des rendements : [PIC] Fig. 6 Bilan d’énergie et rendements du système Les rendements calculés sont les suivants : Intot Inth Inl Inm 0,30 18473 41 16,05 13,33 imprécision de nos mesures nous oblige à émettre des réserves sur chacune de nos observations. On retiendra cependant tout particulièrement le très faible rendement du moteur utilisé en TP. C’est d’ailleurs cette caractéristique qui a principalement obligée les industriels à envisager des solutions alternatives.

En revanche, il s’avère que le moteur de Stirling possède de très nombreuses qualités de plus en plus prisées dans l’industrie et le monde actuel. Il est moins polluant et moins bruyant qu’un moteur ordinaire. De plus, il peut être alimenté par différentes sortes de procédés, il suffit de lui fournir une source de chaleur. Les nouvelles contraintes imposées par la politique actuelle lui permettront donc peut-être de prendre un nouvel essor. Annexe : Tableaux de mesure ( partie 4) I n(tr/min) w(rad/s) -1,01 -1,04 -1,05 15,97 16,09 16,33 16,76 17,31 110,05 -1,00 1-2,82 1-2,84 1-2,85 IQ,87 1-2,87 1-2,81 Tableau de mesures