Guide du débutant sur les moteurs Stirling : principes de fonctionnement, constructions DIY et utilisations courantes

Un moteur Stirling est un moteur unique qui transforme la chaleur en énergie mécanique grâce à la seule différence de température et à l'air. C'est un mélange de créativité et de science, idéal pour les étudiants, les bricoleurs et tous ceux qui sont curieux. Dans ce guide, vous apprendrez son fonctionnement, construirez votre propre version chez vous et découvrirez des applications pratiques qui vous surprendront. Alors, plongeons dans cette fascinante analyse !

 

Figure n° 1 Guide du moteur Stirling

1) Qu'est-ce qu'un moteur Stirling ?

 

Un moteur Stirling est un exemple de moteur thermique qui transforme l'énergie thermique en énergie mécanique. Contrairement aux moteurs traditionnels, le carburant n'est pas brûlé en interne. Il utilise plutôt une source de chaleur externe, comme le soleil ou une bougie à eau chaude, ce qui améliore considérablement le rendement, la propreté et le niveau sonore du moteur Stirling.

De plus, pour votre information, Robert Stirling a créé l'appareil en 1816 pour la première fois et il est resté utile dans les applications technologiques contemporaines plus de deux siècles plus tard.

 

Figure n° 2 Utilisation du moteur Stirling

 

➔ Où sont utilisés les moteurs Stirling ?

Dans la réalité, les moteurs Stirling peuvent être utilisés dans les systèmes d'énergie solaire, les générateurs silencieux et les sous-marins. Leur polyvalence s'explique par le nombre réduit de pièces mobiles par rapport aux moteurs conventionnels, ce qui les rend plus fiables et nécessite beaucoup moins d'entretien.

2) Comment fonctionne un moteur Stirling ?

 

Les moteurs Sterling fonctionnent selon la première loi de la thermodynamique (l'énergie se transforme de la chaleur en mouvement, mais reste conservée). Cependant, pour mieux comprendre le fonctionnement d'un moteur Stirling , examinons d'abord certains de ses composants clés qui, ensemble, permettent de produire de l'électricité.

 

➔ Composants des moteurs Stirling

 

Cylindre : Il s'agit de la partie étanche du moteur Stirling contenant le gaz de travail ( air , hélium ou hydrogène) qui alimente les composants internes du moteur. Généralement, le gaz évolue dans cette zone, subissant ainsi des mouvements ou des variations de température spécifiques.

 

Piston : Un piston fait référence à un composant mobile situé à l'intérieur du cylindre qui peut être poussé ou tiré en ligne avec lui.

 

Extrémité chaude : Il s'agit de la partie du cylindre qui est généralement chauffée par de l'air chaud, un feu ardent ou le soleil jusqu'à 700°C.

 

 

Figure n° 3 Composants du moteur Stirling

 

Extrémité froide : c'est l'opposé de l'extrémité chaude, qui est généralement maintenue au frais en dessous de 100 degrés Celsius pour maintenir la différence de température nécessaire pour entraîner le moteur.

 

Régénérateur : Cette partie Il se situe entre les extrémités les plus chaudes et les plus froides. Il stocke généralement la chaleur des gaz et la restitue en cas de besoin, maximisant ainsi l'efficacité.

 

Volant d'inertie : Il s'agit du composant placé sur le piston qui permet au moteur de fonctionner sans effort grâce à l'élan (quantité de mouvement) sur son chemin pour terminer le cycle.

 

➔ Guide de travail étape par étape

 

Maintenant que vous connaissez les composants, voici la séquence opérationnelle :

 

Étape 1) Pour commencer, le moteur doit être équipé d'une source de chaleur adaptée. Cela peut aller d'une flamme de gaz à l'énergie solaire. Seule l'extrémité chaude du moteur est chauffée, et cette extrémité peut atteindre une température de 600 °C.

 

Étape 2) Lors du chauffage, le gaz (hélium, air ou hydrogène) contenu dans le cylindre se dilate. Le mouvement giratoire du piston résulte de cette dilatation. Il s'agit de la première étape de la conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique.

 

 

Figure n° 4 Schéma de fonctionnement du moteur Stirling

 

Étape 3) Ensuite, lorsque le piston bouge, le volant d'inertie (fixé au piston) tourne également. Ce mouvement peut alors faire tourner des ventilateurs ou des générateurs.

 

Étape 4) Le gaz atteint alors la partie froide du moteur. Celle-ci est refroidie par un flux d'air ou un autre mécanisme de refroidissement. Grâce au refroidissement, le gaz se contracte davantage, ce qui permet au piston de revenir à sa position initiale.

 

Les processus de chauffage, de dilatation, de refroidissement et de contraction se produisent simultanément. C'est la différence de température qui actionne le piston, et le volant d'inertie assure la synchronisation. Avec un écart de température d'environ 500 °C, le moteur Stirling atteint un rendement impressionnant de 40 %.

 

De plus, un Quora  Bryan Todd , ingénieur en commandes de vol chez Boeing, a déclaré que l'on pouvait accroître l'efficacité des moteurs Stirling en réduisant les pertes de chaleur. Cependant, je suis d'accord avec l'idée qu'aucun moteur ne peut être efficace à 100 %.

 

3) Quelles sont les principales caractéristiques du moteur Stirling ?

 

Vous vous demandez pourquoi les moteurs Stirling équipent tant d'appareils, des panneaux solaires aux sous-marins ? Si oui, je vais vous présenter ici quelques-unes de leurs caractéristiques remarquables, ce qui, je l'espère, vous éclairera.

 

● Utilise des sources de chaleur externes : Tout d'abord, le moteur à agitation ne brûle pas de carburant en interne. Il utilise cependant la chaleur provenant de sources extérieures, comme le soleil, le feu ou même la chaleur résiduelle.

 

● Propre et peu polluant : Utilisant des sources de chaleur extérieures, il produit très peu de fumée et de gaz nocifs. Ce moteur est donc idéal pour les personnes soucieuses de l'environnement.

 

● Étanchéité et faible entretien : De plus, le gaz de travail est injecté à l'intérieur des composants du moteur. Il en résulte un nombre réduit de pièces mobiles, ce qui entraîne une usure et des coûts d'entretien réduits au fil du temps.

 

● Fonctionnement silencieux : comme il n'y a pas d'explosions ni d'étincelles à l'intérieur, le moteur fonctionne silencieusement, ce qui est idéal pour les endroits calmes tels que les laboratoires ou les véhicules sous-marins.

 

● Rendement élevé : les moteurs Stirling peuvent avoir un rendement thermique de près de 40 %, ce qui les rend supérieurs aux moteurs moyens, qui se situent généralement autour de 25 à 30 %.

 

● Adaptable à diverses sources de chaleur : La flexibilité est un autre atout majeur. Ce moteur peut produire de l'énergie à partir du soleil, de l'air chaud, du gaz ou même du bois.

 

Ainsi, pour les clients à la recherche de quelque chose de propre, silencieux et efficace, vous pouvez envisager le moteur Stirling.

 

4) Comment utiliser le moteur Stirling ?

 

Avant d'utiliser un moteur Stirling, il est essentiel de connaître son principe de fonctionnement, déjà abordé dans les sections précédentes. Cependant, pour des résultats optimaux, assurez-vous d'une source de chaleur constante, d'un environnement plus frais côté froid et d'un entretien régulier pour éviter les fuites d'air et la lubrification.

 

De plus, l'alignement des pièces doit également être vérifié, car un mauvais alignement entraîne également un gaspillage d'énergie. Examinons maintenant quelques-unes des applications les plus importantes pour lesquelles la polyvalence et l'efficacité du moteur Stirling ont marqué de manière indélébile de nombreux secteurs.

 

i) Sources d'énergie renouvelables

 

Les moteurs Stirling sont réputés pour leur excellente réputation dans les systèmes solaires. Les capteurs solaires chauffent l'extrémité chaude du moteur, transformant ainsi l'énergie thermique en travail mécanique. Cette énergie peut ainsi être transformée en électricité, ce qui en fait l'une des options de production d'énergie les plus écologiques.

 

ii) Récupération de chaleur perdue

 

Les moteurs Stirling sont parfaits pour récupérer la chaleur résiduelle provenant des procédés industriels, voire des véhicules automobiles. Ils permettent de récupérer une certaine quantité d'énergie thermique résiduelle, autrement perdue dans l'atmosphère, et de la transformer en énergie mécanique ou électrique utile, améliorant ainsi l'efficacité du système.

 

iii) Réfrigération et refroidissement

 

Les moteurs Stirling peuvent également fonctionner en cycles inversés et servir de système de refroidissement. En inversant l'application de la différence de température, le moteur peut également être utilisé pour la réfrigération et la climatisation, ce qui en fait une alternative plus écologique que les systèmes de refroidissement classiques.

 

iv) Missions spatiales

 

Les moteurs Stirling sont utilisés dans diverses missions spatiales pour convertir la chaleur issue de la désintégration radioactive des substances combustibles en énergie électrique. Ils constituent une source d'énergie fiable pour les engins spatiaux, notamment pour les missions de longue durée où les sources d'énergie classiques sont impossibles.

 

v) Production d'électricité hors réseau

 

Les moteurs Stirling peuvent fournir de l'électricité hors réseau dans des zones reculées. Qu'ils soient alimentés par l'énergie solaire ou par la chaleur résiduelle, ils offrent une production d'électricité fiable dans les zones dépourvues de sources d'énergie conventionnelles.

vi) Applications marines

 

Les moteurs Stirling sont utilisés en milieu marin pour la production d'électricité des bateaux et des navires. Contrairement aux moteurs marins traditionnels, ils constituent une solution très efficace et à faibles émissions.

 

vii) Véhicules électriques

 

Certains véhicules électriques utilisent des moteurs Stirling pour augmenter leur autonomie. Pendant la conduite, ces moteurs rechargent la batterie, permettant ainsi de parcourir une plus grande distance sans émissions supplémentaires.

 

Ces applications démontrent que le moteur Stirling peut offrir à diverses industries et environnements des solutions énergétiques efficaces et durables.

 

5) Comment construire un moteur Stirling

Vous souhaitez construire un moteur Stirling chez vous ? Si oui, pas d'inquiétude ! Construire un moteur Stirling peut être une activité amusante à réaliser soi-même. Ce n'est pas aussi difficile qu'il y paraît. Pour vous aider, voici un aperçu de la procédure à suivre pour construire un moteur Stirling chez vous avec un kit .

➔ Composants requis :

 

● Kit moteur Stirling : il est livré avec la plupart des pièces dont vous avez besoin, comme les pistons, les vilebrequins, les volants d'inertie et un cadre.

 

● Tournevis : Pour assurer la bonne fixation des éléments constitutifs entre eux.

 

● Clé : Pour la fixation rigide des boulons.

 

● Lubrifiant : Pour permettre aux composants mobiles de fonctionner sans effort.

 

● Source de chaleur : La meilleure source de chauffage pour le moteur est une bougie ou un petit brûleur à alcool.

➔ Guide d'assemblage étape par étape :

 

Étape 1) Déballez le kit :

 

Ouvrez délicatement le kit et exposez tous les composants sur un plan de travail propre. Examinez toutes les pièces requises conformément aux instructions. Dans la plupart des cas, les kits sont accompagnés d'instructions ; utilisez-les comme référence principale.

 

Étape 2) Fixez la base :

 

Commencez par fixer la base du moteur au châssis. Cette pièce est essentielle à la stabilisation de l'ensemble, il est donc essentiel de la fixer à l'aide de vis.

 

Étape 3) Installez le piston et le cylindre :

 

Placez le piston dans le cylindre. Il doit glisser librement à l'intérieur du cylindre. S'il est trop serré, vérifiez son alignement.

 

Étape 4) Connectez le vilebrequin :

 

Le vilebrequin assure la liaison entre le piston et le volant moteur. Il doit être positionné et verrouillé en position. Plus important encore, il doit être positionné de manière à permettre une rotation sans résistance.

 

Étape 5) Monter le volant moteur :

 

Le volant moteur s'insère sur le vilebrequin. Cette pièce permet au moteur de continuer à tourner après le démarrage. Assurez-vous qu'il est correctement monté et qu'il tourne librement.

 

Étape 6) Installez le piston de déplacement (si fourni) :

 

Certains kits incluent un piston plongeur. Cette pièce permet de faire circuler l'air dans le moteur afin d'établir la différence de température nécessaire à son fonctionnement. Installez-le conformément aux instructions et assurez-vous qu'il n'y a pas de frottement.

 

Étape 7) Monter la source de chaleur :

 

Le moteur Stirling fonctionne grâce à un différentiel de température entre chaud et froid. Placez une source de chaleur, comme une bougie ou un petit brûleur à alcool, sous la partie chaude du moteur pour chauffer l'air à l'intérieur du piston. Cela fera bouger le piston.

 

Étape 8) Effectuer une lubrification limitée :

 

N'oubliez pas non plus d'en appliquer une petite quantité sur les pièces mobiles, comme le vilebrequin et le volant moteur. Cela améliorera le fonctionnement du moteur en réduisant les frottements. Veillez à ne pas ajouter d'huile lubrifiante au piston et au cylindre. La viscosité de l'huile affecte la fluidité du mouvement du piston dans le cylindre.

 

Étape 9) Essayez de faire tourner le moteur :

Une fois l'assemblage terminé, il est temps de faire tourner le moteur. Allumez l'élément chauffant et placez-le sous l'extrémité chaude du moteur. L'élément chauffant détend l'air et pousse le piston, entraînant ainsi le volant moteur. Si le moteur ne tourne pas, resserrez les pièces trop desserrées et vérifiez que la résistance de chaque pièce mobile est suffisamment faible.

 

➔ Conseils pour une performance efficace :

 

➢ Vérifiez que chaque composant est bien fixé, afin de vous assurer que rien n'est desserré et que les composants ne bougeront pas.

 

➢ Utilisez un élément chauffant de faible puissance et augmentez-le progressivement pour chauffer correctement le moteur.

 

➢ Vérifiez s’il y a des blocages dans les pièces mobiles si le moteur ne répond pas.

 

Un moteur Stirling peut être assemblé efficacement à l'aide de guides ; cela permet à l'utilisateur de comprendre les fondamentaux du travail mécanique et de l'énergie thermique. De plus, construire un moteur est un jeu d'enfant !

 

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6) Conclusion

 

En résumé, les moteurs Stirling constituent une alternative écologique aux systèmes d'alimentation conventionnels. Si vous souhaitez approfondir cette technologie fascinante, visitez notre page dédiée aux catégories de produits sur EnginDIY. Nous proposons de nombreux matériaux et outils pour divers projets de moteurs Stirling. Alors, lancez-vous dans votre quête d'énergie propre avec EnginDIY, où qualité et expertise se rencontrent.

 

 

7) FAQ

 

i) Quelle est l’efficacité d’un moteur Stirling ?

 

Les moteurs Stirling peuvent atteindre un rendement allant jusqu'à 40 %, supérieur à celui de nombreux moteurs conventionnels. Cependant, ce rendement s'améliore considérablement avec la différence de température aux deux extrémités.

 

ii) Quels types de sources de chaleur peuvent être utilisés ?

 

Diverses sources de chaleur peuvent être utilisées, notamment le soleil, les flammes ou même la chaleur résiduelle des machines industrielles. Les moteurs Stirling sont adaptés et peuvent fonctionner avec diverses sources de chaleur externes.

 

iii) La construction d’un moteur Stirling est-elle difficile ?

 

Les moteurs Stirling sont difficiles à construire, mais si vous suivez les étapes et respectez la liste des matériaux, ce sera un jeu d'enfant. N'oubliez pas qu'un peu de patience rend les modèles fonctionnels possibles.