Quels sont les types de moteurs Stirling

Le piston chaud absorbe la chaleur, et le gaz à l'intérieur gonfle et propulse le piston vers l'extérieur. Le gaz, désormais sous pression, pénètre dans le cylindre froid, se refroidit, se contracte et attire le second piston. Ce mouvement de va-et-vient se perpétue tant que le gradient de température entre les deux cylindres persiste.

Comme les cylindres fonctionnent indépendamment, chaque piston peut optimiser son chauffage ou son refroidissement sans difficulté. Cette isolation améliore à la fois l'efficacité et la vitesse de course.

Qu'est-ce qui complique la conception ?

Le piston du cylindre chaud exige des joints robustes et des matériaux résistants à la chaleur pour supporter les températures maximales. La nécessité de ces composants durables accroît à la fois la difficulté de fabrication et la charge d'entretien.

Moteurs Stirling alpha EngineDIY

Moteur Stirling bicylindre à poutre d'équilibre Alpha ENJOMOR

Ce modèle soigneusement équilibré est doté de deux pistons et de deux cylindres qui actionnent le balancier. Il offre un mouvement réaliste, une efficacité remarquable et est suffisamment impressionnant pour servir de décoration ou de démonstration.

Modèle de moteur Stirling à double cylindre de type Alpha ENJOMOR

Il s'agit d'un moteur de bureau bien conçu, fabriqué en alliage robuste et doté de doubles pistons et cylindres. Il est destiné à des fins éducatives, à des projets de bricolage ou à la création de pièces uniques.

Le moteur Stirling bêta utilise un cylindre unique abritant deux pistons : un piston plongeur et un piston moteur. Le piston plongeur déplace le gaz de travail entre les zones chaudes et froides du cylindre, mais ne convertit pas la chaleur en travail. Le piston moteur, quant à lui, convertit la dilatation et la contraction du gaz en puissance mécanique exploitable.

En fonctionnement, le déplaceur déplace d'abord le gaz vers l'extrémité chaude. Le gaz de travail absorbe la chaleur, se dilate et déplace le piston de puissance vers l'extérieur. Après un quart de cycle, le déplaceur se déplace à nouveau, transportant le gaz vers le côté froid, où il expulse la chaleur, se contracte et attire le piston de puissance vers l'arrière. Le cycle se répète, produisant un mouvement de rotation régulier.

Pourquoi est-ce efficace ?

Son bon rendement est dû à sa conception compacte. Moins de pièces, un seul cylindre et l'absence d'échangeurs de chaleur externes signifient moins de joints, moins de fuites et moins de pertes de chaleur.

Quel est le défi ?

La principale difficulté réside dans la synchronisation des pistons. Une conception soignée des liaisons est nécessaire ; si le piston de déplacement et le piston de puissance sont déphasés, le moteur peut hésiter, vibrer ou s'arrêter complètement.

Moteur Stirling de type gamma

Le moteur Stirling gamma ressemble à la configuration bêta, mais utilise deux cylindres distincts : l'un abrite le piston plongeur, l'autre le piston de puissance. Un tube de liaison étroit relie les cylindres et contient le même gaz de travail scellé.

En fonctionnement, le piston déplace le gaz entre les sections haute et basse température, comme dans la conception bêta. Cependant, la séparation du piston et des cylindres simplifie l'assemblage et la régulation du moteur. Le piston de puissance se déplace en réponse aux variations de pression du gaz, générant ainsi un travail mécanique.

Pourquoi l'assemblage est-il plus fluide ?

Les composants actifs étant répartis dans des cylindres distincts, chacun peut être dimensionné et aligné indépendamment, facilitant ainsi les réglages fins. Cela permet également une meilleure tolérance aux petites erreurs, rendant la conception accessible aux projets de petite envergure.

Quel est le défi ?

La présence d'un volume de connexion supplémentaire introduit un espace mort où le gaz peut ne pas chauffer ou refroidir complètement, il peut réduire l'efficacité thermique globale et augmenter la taille physique du moteur par rapport à une configuration bêta.

Moteur Stirling à piston libre

Dans cette conception, le moteur ne comporte ni vilebrequin ni volant moteur. Les pistons coulissent d'eux-mêmes, entraînés par la pression des gaz et des ressorts qui les ramènent au centre.

Rien ne les retient, susceptible de s'user ou de se bloquer. La chaleur va et vient, réchauffant et refroidissant le gaz de travail, comme dans un moteur bêta ou gamma, mais le nombre réduit de pièces et l'absence de frottement du vilebrequin réduisent considérablement l'efficacité et le niveau sonore. Dans de nombreux montages, les courses des pistons entraînent un alternateur linéaire qui transforme le mouvement en électricité.

Moteur Stirling Fluidyne

Cette variante remplace le piston solide habituel par un liquide en mouvement. Normalement, elle utilise de l'eau, mais d'autres fluides peuvent également fonctionner. Le liquide se déplace dans de longs tubes, créant des variations de pression qui complètent le cycle thermodynamique, comme le ferait un piston solide.

Bien que sa configuration puisse paraître inhabituelle, elle repose sur la même physique sous-jacente : le chauffage et le refroidissement alternés d'un fluide en mouvement dans un environnement clos. L'expansion et la contraction rythmiques du liquide modifient la pression et le volume du système, ce qui maintient le cycle.

Moteur à différentiel basse température (LTD)

Les moteurs Stirling LTD convertissent les minuscules différences de température (10 à 20 °C) en rotation. Même en plaçant un moteur sur une tasse de café chaude, le petit rotor se met à tourner.

Généralement, ils adoptent une configuration gamma et fonctionnent lentement et sans à-coups. Leur faible besoin en chaleur signifie qu'ils présentent peu de risques, ce qui en fait des modèles de prédilection pour les démonstrations en classe et les expériences pratiques.

Moteur Stirling thermoacoustique

Cette conception évite totalement l'utilisation de pistons. Elle repose sur des ondes sonores se propageant dans un tube rempli de gaz. Lorsqu'une partie de ce gaz est chauffée, elle génère des ondes de pression qui peuvent se propager dans le tube. Cela peut se faire en poussant un diaphragme ou en l'utilisant pour produire de l'électricité grâce à des matériaux piézoélectriques ou magnétostrictifs.

Le gaz, sans composants mobiles, offre une fiabilité et un entretien optimaux. Bien qu'encore au stade de la recherche, il est déjà très prometteur dans les domaines des systèmes de refroidissement à petite échelle et de la production d'électricité décentralisée.

Moteur Stirling à double effet

Dans un moteur à double effet, chaque piston comprime le gaz d'un côté et le détend de l'autre, produisant ainsi du travail dans les deux moitiés du cycle. Cette configuration double efficacement la puissance produite avec le même volume de gaz, ce qui la rend plus efficace que les moteurs à simple effet.

Bien que les moteurs à double effet puissent être plus complexes et plus coûteux à fabriquer, ils sont bien justifiés par leur efficacité énergétique à l'échelle industrielle, ce qui en fait un investissement rentable pour toute entreprise.

Moteurs Stirling à boucle

Cette version récente du Stirling maintient la circulation du gaz dans une boucle ordonnée, ce qui permet d'éviter les croisements de pistons des anciens modèles. On peut se représenter la boucle comme un O étiré ou un 8, compte tenu du cheminement du liquide de refroidissement. Certains ingénieurs omettent le régénérateur, sacrifiant un peu de récupération thermique au profit de la simplicité ; d'autres le conservent, optimisant ainsi l'efficacité.

Les équipes de recherche continuent de perfectionner les moteurs à boucle, mais les premiers prototypes ont impressionné par leur conversion thermique-électrique élevée. La géométrie en boucle permet également au concepteur de placer les dissipateurs chauds et froids là où le reste du système les préfère, et non là où la manivelle l'exige.

Choisir le bon type

Choisissez le Stirling adapté à la mission. Pour un kit pédagogique, un démonstrateur gamma ou à longue course est idéal. Pour capter le soleil dans un champ, optez pour un alpha à collecteur parabolique.

Pour les capteurs à distance dont la durée de vie des batteries est prolongée, une unité à piston libre ou thermoacoustique sans curseur est le choix idéal. Chaque variante présente des compromis, mais elles pivotent toutes grâce à la chaleur et à la pression pour transformer l'énergie en rotation.

Réflexions finales

Les moteurs Stirling ne sont pas réservés aux musées ; ils constituent un tremplin vers l'avenir. Leur rythme silencieux, leur capacité à absorber la chaleur de n'importe quelle flamme et leur conception modulaire ouvrent la voie à la production d'énergie, aux expériences en classe et aux prototypes de pointe.

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