Un moteur Stirling peut-il fonctionner à froid ?
Un moteur est essentiel à tout équipement connexe. Utilisé à diverses fins mécaniques, il a été qualifié de grande invention de l'humanité. Parmi les moteurs les plus célèbres, le moteur Stirling se distingue par ses performances remarquables.
Quand on pense aux moteurs, on les associe généralement à la combustion de carburant, à la hausse des températures et à la vapeur. Mais que se passerait-il si on se demandait : un moteur Stirling peut-il fonctionner à froid ?
Dans ce guide, nous écrirons sur le moteur Stirling, ses caractéristiques, ses applications et pourquoi le « froid » peut parfois apporter de la puissance.
Comprendre le moteur Stirling
L'invention des moteurs Stirling remonte au XVIIIe siècle . Ils furent inventés en 1816 par un ingénieur écossais, le révérend Robert Stirling . Ils furent ensuite officiellement déclarés comme moteur commercial au XIXe siècle. C'est alors que l'aventure commence et atteint avec succès le XXIe siècle.
Un moteur Stirling est un type de moteur thermique qui fonctionne par compression et expansion cycliques d'un gaz de travail à différentes températures.
Contrairement aux moteurs à combustion interne, il ne brûle pas de carburant en interne. Il utilise plutôt une différence de température externe, entre un côté chaud et un côté froid.
Comment fonctionne un moteur Stirling ?
Un moteur Stirling repose sur 4 cycles de fonctionnement.
a : Expansion isotherme : Lorsque le gaz se réchauffe, il se dilate et pousse le piston froid.
b : Transfert de chaleur isochore : Le gaz chaud se déplace vers le cylindre froid depuis le cylindre chaud.
c : Compression isotherme : Dans cette phase, le gaz dilaté se contracte et libère de l'énergie.
d : Transfert de chaleur isochore : Le gaz revient vers l'extrémité chaude et répète le processus.
Caractéristiques principales d'un moteur Stirling
· Un moteur Stirling fonctionne silencieusement et efficacement .
· Un moteur Stirling présente des émissions de gaz nocifs plus faibles .
· Un moteur Stirling peut utiliser n’importe quelle source de chaleur externe , y compris l’énergie solaire et le feu .
· Un moteur Stirling fonctionne efficacement entre les extrémités chaude et froide .
· Les opérations du moteur Stirling sont compatibles avec divers environnements, comme sous l'eau , sur terre et dans le ciel .
Formule de mesure
η = 1−T froid/T chaud
Ici, « T froid » et « T chaud » sont en Kelvin .
Les résultats de mesure deviennent plus efficaces avec une plus grande différence de température.
Un moteur Stirling peut-il fonctionner à froid ?
Il existe de nombreuses idées fausses concernant le fonctionnement à froid d'un moteur Stirling. En effet, la principale caractéristique de ce moteur réside dans la différence de température entre les côtés chaud et froid. En réalité, il est clair qu'un moteur Stirling peut fonctionner à froid .
Grâce à ce mécanisme, un côté du cylindre reste à température ambiante et l'autre côté est froid. Ainsi, le moteur Stirling fonctionne même par temps froid. De plus, il peut fonctionner dans des régions extrêmement froides, notamment en Antarctique.
En comparant le moteur Stirling dans des environnements froids et normaux, il est démontré qu'il peut fonctionner efficacement dans les deux conditions. La seule différence notable réside dans l'utilisation des côtés chaud et froid, par rapport au côté température ambiante et au côté froid du cylindre.
Exemples pratiques
Vous trouverez ci-dessous quelques exemples pratiques concernant le fonctionnement à basse température d’un moteur Stirling.
· Blocs de glace (température ambiante - glace) : Si l'on place un côté du moteur Stirling sur des glaçons ou des barres de glace et que l'autre côté est maintenu à température ambiante, un côté du cylindre servira de dissipateur thermique, tandis que l'autre produira et transférera la chaleur au dissipateur. Ainsi, le moteur fonctionnera par temps froid.
· Azote liquide (température ambiante - azote) : Ici, un côté du moteur Stirling est placé au-dessus de l'azote liquide, tandis que l'autre côté est maintenu à température ambiante. Là encore, une différence de température se crée entre les deux côtés, et le moteur démarre en produisant et en transférant de la chaleur.
· Énergie solaire (glace - chaleur solaire) : Dans cet exemple, un côté du moteur Stirling utilise de la glace, et l'autre côté, de la chaleur solaire. Ainsi, la quantité requise de chaleur et de froid est produite aux deux extrémités. Le moteur peut alors démarrer.
Les autres exemples utilisent le même mécanisme, avec un côté plus froid que l'autre. Cela dépend uniquement du type d'environnement et des conditions météorologiques. Le moteur Stirling fonctionnera sans aucun doute dans n'importe quel environnement froid.
Principaux défis
· Parfois, les moteurs Stirling fonctionnant dans un environnement froid peuvent produire une faible puissance ou une faible énergie. Les opérations de haut niveau peuvent être affectées si elles ne sont pas gérées correctement.
· Un moteur Stirling fonctionnant à froid peut nécessiter un calendrier approprié pour remplir les sources de froid afin d'éviter toute perturbation des opérations.
· Suivant le modèle opérationnel dans un climat froid, le coût d'exploitation peut être élevé en raison de la disposition de diverses sources de froid, notamment la glace et l'azote liquide.
· Une quantité élevée d’humidité dans un environnement froid peut entraîner l’usure des pièces du moteur et leurs performances globales.
Applications et tendances futures du moteur Stirling à froid
Fins éducatives
Les étudiants et les bricoleurs réalisent des expériences avec des moteurs Stirling pour mesurer avec précision les différences de température et d'autres résultats.
Stations de recherche polaires
Dans des conditions de froid extrême, le moteur Stirling est utilisé avec un côté froid et l'autre côté chaud pour alimenter l'équipement.
Missions spatiales
Les missions spatiales incluent également la contribution du moteur Stirling, où le cylindre extérieur agit comme un dissipateur thermique et le cylindre intérieur produit de la chaleur.
Générateurs hybrides solaires et à glace
De même, le moteur Stirling contribue à alimenter des générateurs hybrides utilisant l’énergie solaire à une extrémité et une source froide à l’autre extrémité.
Récupération de chaleur perdue
Dans les climats froids, le moteur Stirling utilise la chaleur provenant de sources telles que les ventilateurs d'extraction, les machines industrielles et autres. Cette chaleur est ensuite combinée à l'air ambiant froid pour fonctionner correctement.
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Remarques finales
Nous ne pouvons jamais sous-estimer l’importance du moteur Stirling ; c’est une grande invention de son époque et elle contribue toujours à de nombreux départements lorsque cela est nécessaire.
On peut conclure sans hésitation qu'un moteur Stirling peut fonctionner efficacement dans un climat froid. Une extrémité du cylindre doit reposer sur une surface froide, et l'autre extrémité à température normale, produisant de la chaleur. Les moteurs Stirling sont silencieux, performants et constituent des supports mécaniques fiables.
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FAQ
Q1 : Quelle différence de température est nécessaire pour que le moteur Stirling fonctionne ?
Cela dépend de la conception du moteur. Pour les modèles à faible différence de température (LTD), une différence aussi faible que 20 à 30 °C (293 à 313 K) peut suffire à démarrer une rotation lente.
Cependant, pour un fonctionnement efficace et continu, une différence plus importante, jusqu’à 200 à 400 000, est idéale.
Q2 : Que signifie réellement « fonctionner à froid » pour un moteur Stirling ?
Cela signifie placer un côté du moteur sur une surface froide (comme de la glace ou de l'azote liquide) tandis que l'autre côté est exposé à un environnement plus chaud (comme la température ambiante).
Le moteur n’est pas alimenté par le « froid » lui-même, mais par la différence de température entre le chaud et le froid.
Q3 : Est-il possible d'utiliser un moteur Stirling à l'intérieur de la pièce sur glace ?
Oui, en principe. Par exemple, dans l'Arctique ou la nuit dans les déserts, on peut exploiter l'énergie des différences de température naturelles entre l'air froid et la chaleur stockée.
Cependant, les applications pratiques nécessitent souvent une conception et une isolation optimisées pour maintenir le gradient de température.
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