mise à jour
le 13/08/05
Modèle commercial : Blue LTD Stirling Engine
 

 

la petite buse à gauche n'est pas d'origine - elle a été ajoutée par la suite pour y connecter un manomètre.
taux de compression mesurés: 1,0035 en statique

1,006 en dynamique

C’est sans doute très amusant de construire soi-même son moteur Stirling à faible gradient de température, mais il faut bien avouer que ça prend un peu de temps et que ça ne fonctionne pas forcément du premier coup comme on le voudrait...;o)

contrairement à ce que pourrait suggérer cette image, le moteur est livré entièrement monté et prêt à fonctionner !

Si vous voulez expérimenter rapidement un moteur de ce type, vous trouverez actuellement sur Internet un modèle très bien réalisé, aux performances honorables et au prix sympa de £80.00, port compris - (on les trouve en ce moment sur ebay.com pour £70,00 + £5,00 de port...)

De dimensions à peu près identiques au modèle simplifié 1.1, sa conception beaucoup plus mécanique lui assure de meilleures performances. Toutes les pièces sont réalisées avec précision, en laiton ou en aluminium anodisé - (il existe en bleu, en rouge ou en vert). L’axe principal est monté sur roulements à billes,et le piston en polyamide est appairé avec le cylindre moteur pour garantir un jeu réduit. Comme on le voit sur l'image de droite, l’étanchéité du cylindre principal est assurée par deux joints toriques. Je ne suis pas allé plus loin dans le démontage, mais le concepteur de ce moteur assure que le pilier central, le cylindre moteur et la glissière du déplaceur sont finement filetés et vissés dans le plateau supérieur, et que l'étanchéité est, là-aussi, assurée par des joints toriques.

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Soumis aux mêmes tests que les modèles précédents, ce moteur s’avère à la fois très sensible et très rapide. Il accepte aussi bien de tourner posé sur le plat de la main que de dépasser 430 t/min sur une tasse d’eau bouillante.

vitesse de rotation
comparatif

Cependant, les premiers essais effectués avec ce Stirling m’ont permis de mettre en évidence quelques petites faiblesses (il ne peut pas avoir que des qualités...;o) :

- d’abord, sous peine d’avoir à démonter complètement le moteur, il ne faut absolument pas lubrifier la tige du déplaceur. La moindre molécule d’huile à cet endroit, j’exagère à peine, fait instantanément chuter de moitié la vitesse de rotation - et cela quelle que soit la fluidité de l’huile employée (vous pouvez me croire, je l’ai démonté et nettoyé 3 fois... ;o) (1) - un avantage, l'entretien est réduit au minimum...

- ensuite, ce moteur a été conçu pour fonctionner avec de faibles différences de températures, comme celles qui sont obtenues en le posant sur la paume de la main, et le bon sens voudrait que l’on ne s’écarte pas trop de ces conditions de fonctionnement. Malgré ça, lors de certains tests, je n’ai pas hésité à appliquer des résistances électriques directement sur le plateau supérieur. Ces résistances chauffent beaucoup, et peuvent même devenir brûlantes si l’on n’y prend garde, et j’ai pu constater que dans ces conditions bien particulières, il pouvait arriver que le piston en polyamide serre et que le moteur s'arrête - en fait, ce n'est pas grave, il suffit de laisser refroidir le moteur pour qu'il reparte : en utilisation normale, cela ne se produit pas.

Si l'on veut s'amuser au jeu des comparaisons, on peut estimer que ses performances le situent entre les modèles 1.1 et 3.6. Ce qui est le plus étonnant, c'est que malgré sa taille réduite, il fonctionne de façon stable à partir d'une différence de température de seulement 5,5°C et environ une minute après l'avoir posé sur le plat de la main - à noter la modestie des concepteurs qui, dans la notice, parlent d'un seuil de fonctionnement de 12-15°C et d'un délai possible de 5-10 minutes avant qu'il ne commence à tourner...

Ces deux petites restrictions mises à part, on peut considérer qu'il s'agit d'un modèle sympathique, assez sensible, et surtout particulièrement réussi du point de vue esthétique !

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Èvaluation du rendement, tracé du diagramme (p,V)

Quelle est la fraction de quantité de chaleur transformée en énergie mécanique ?

La formule du rendement idéal des moteurs thermiques peut s'écrire sous la forme : 1 - Tf / Ti, avec Ti = température initiale, et Tf = température finale du gaz utilisé.

On voit tout de suite la difficulté que représente la mesure de la température d'un gaz variant continuellement et rapidement à l'intérieur du cylindre d'un moteur. Dans une première approximation, on assimilera donc Ti et Tf aux températures des plateaux inférieurs et supérieurs, étant bien conscient que, de cette façon, le rendement idéal sera sans doute surestimé de 30% à 50% - voir commentaire image 5

La mesure de la quantité d'énergie réellement produite, obtenue en traçant le diagramme de travail (p,V), sera probablement plus précise. Ce diagramme qui représente les volumes en abscisse et les pressions en ordonnée est en général une courbe fermée, et le travail fourni

   / 
W =| p dV
   /V

est égal à l'aire de cette courbe (lorsque le tracé est parcouru dans le sens des aiguilles d'une montre).

Pour effectuer ces relevés, le plateau inférieur est chauffé par deux résistances électriques totalisant une puissance de 4,8 W. La différence de température entre les deux plateaux s'établit à 21°C (54°C - 33°C) et la vitesse de rotation à 198,6 t/min.

La pression est mesurée par un capteur piézorésistif MPX2010 de Motorola, et la position du piston moteur au moyen d'une diode laser et d'un phototransistor (donc sans prélèvement d’énergie mécanique)


Ci-dessous :

1 - l'ensemble du dispositif qui fera sans doute sourire quelques professeurs de métrologie... ;o) (2)

2 - variations de pression interne et course du piston moteur, à froid, en faisant tourner le moteur à la main - quand le piston est en bas, la pression est maximale et les deux courbes sont parfaitement en phase.

3 - moteur tournant à 240 t/min alimenté en énergie thermique par les résistances électriques - on remarque un déphasage d'environ 70 degrés entre la position basse du piston et la pression maxi.

4 - le moteur, ralenti à la main, ne tourne plus qu'à environ 100 t/min. L'air a plus de temps pour se réchauffer, la pression augmente de 30 %, et tend à être en phase avec le mouvement du déplaceur. Le déphasage est de près de 80 degrés avec le piston moteur - les repères "a" et "b" montrent un arrêt momentané dans le mouvement du piston - en "a", la pression interne dépasse le poids de l'ensemble piston-bielle et le jeu passe de la partie inférieure de l'axe, à la partie supérieure - en "b" c'est l'inverse - en "c", probablement de petites vibrations que l'on retrouve amplifiées sur le diagramme (p,V)

5 - tracé du diagramme de travail (p,V), dans les conditions décrites plus haut. La puissance relevée est d’environ 1 mW, alors que la formule du rendement idéal donne 150 mW (en supposant que 50 % de l'énergie des résistances soient dissipés vers l'extérieur sous forme de rayonnement, par convection, etc., et que seulement 2,4 W participent au fonctionnement du moteur)

6 - diagramme tracé alors que le moteur est à la limite du fonctionnement (gradient de 5,5°C, vitesse de rotation d'environ 20 t/min). Tournant à vide, le travail mesuré (2,46E-4 J par tour), correspond principalement aux frottements internes - à comparer avec les 6,5E-5 J par tour mesurés dans des conditions semblables sur la version 3.6, , et qui laissent supposer que les pertes par frottement (guidage déplaceur, piston, bielles) sont 4 fois supérieures sur le Blue Stirling... ;o)

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(1) s'il vous arrive d'avoir à démonter et remonter votre moteur, resserrez doucement, et sans forcer, les vis qui maintiennent les deux plateaux : d'abord les entretoises en polyamide sont assez fines et il serait dommage de les endommager, ensuite la pression interne n'étant que de quelques grammes, l'étanchéité sera tout aussi bien assurée de cette façon !

(2) si vous voulez acquérir un ensemble plus professionnel, doté sensiblement des mêmes possibilités, American Stirling Company commercialise le Physics Lab Engine KY-2000 au prix de $4950.00. C'est vrai que pour ce prix vous avez le Stirling, les capteurs, et le programme installé sur un PC. Par contre, d'après le manuel .pdf téléchargeable sur le site (420k), il semblerait que le tracé du diagramme (p,V) ne soit pas automatique et que la procédure passe par la saisie manuelle des données