Moteur à air chaud

Auteur avatarOccitan | Dernière modification 22/11/2019 par Occitan

Fabrication d'un moteur stirling
Difficulté
Expert
Durée
20 heure(s)
Disciplines scientifiques
Physique
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Licence : Attribution (CC-BY)

Introduction

Il s'agit d'expérimenter sur une maquette de moteur à air chaud et à combustion externe. La source de chaleur se trouve en effet à l'extérieur du moteur, contrairement à un moteur à explosion classique à combustion interne.

Ce moteur a été inventé par un écossais, le pasteur STIRLING au début du 19ème siècle.

Il a donné lieu à quelques applications principalement dans les sous-marins (silence de fonctionnement car pas d'explosions).

Ce type de moteur à air chaud a passionné beaucoup d'amateurs de maquettes et de nombreuses réalisations ont été proposées. Il existe des sites entièrement consacrés au moteur STIRLING.


La description détaillée du montage se trouve dans le document:

https://www.wikidebrouillard.org/images/c/c6/Cuisson_solaire_d_un_poulet_avec_un_r_flecteur_cylindro-parabolique_MOTEUR_STIRLING.pdf

Video d'introduction

Étape 1 - Présentation du moteur

Cette version très pédagogique de maquette a été inventée par D. Lyonnet. Elle porte le nom de ASAP (As Simple As Possible). Je l'ai réalisée avec quelques petites variations par rapport au plan initial (ajout d'un échangeur froid et de biellettes réalisées avec des dominos). Elle fonctionne à merveille !


En voici les différentes parties:

- Un cylindre fermé avec deux parties, chaude en bas et froide en haut.

- Un déplaceur à l'intérieur de ce cylindre. Ce déplaceur sert à déplacer l'air entre la partie froide et la partie chaude. Le diamètre du déplaceur est inférieur à celui du cylindre pour permettre à l'air de passser entre partie chaude et partie froide.

- Un tuyau qui transmet les variations de pression de l'air du cylindre vers un piston moteur

- Un piston moteur constitué par une membrane qui se rétracte et se contracte alternativement au gré des variations de pression transmises par le tuyau.

- Un système bielle manivelle qui transmet les mouvements du piston au déplaceur et qui fait tourner un axe sur lequel se trouve un volant d'inertie pour régulariser la rotation.

- Une source de chaleur (bougie chauffe plat)

- Une source de froid (l'air de la pièce)






Étape 2 - Fonctionnement du moteur

Afin d'expliquer le fonctionnement de ce moteurj'ai considéré l'état du déplaceur et du piston à 4 moments dans le cycle qui se répète à l'infini.... tant que la flamme de la bougie réchauffe l'extrémité basse du cylindre et que l'air de la pièce reste suffisamment froid...


Ces deux sources, chaude et froide, sont absolument nécessaires pour produite de l'énergie mécanique ! C'est la différence de température entre ces deux sources qui est à l'origine de cette énergie mécanique.


On peut d'ailleurs accélérer la rotation du moteur, soit en chauffant plus fort la partie chaude, soit en refroidissant plus fort la partie froide, à l'aide d'un glaçon par exemple...



Étape 3 - Une suite possible

Ce petit moteur fonctionne d'ailleurs tellement bien que l'on doit pouvoir l'utiliser pour quelques expériences de physique. Par exemple, j'envisage de faire des mesures de puissance et de rendement. Ce pourrait être un excellent sujet de TPE pour un élève de terminale.


De plus, il serait intéressant de voir comment varie sa puissance en fonction du déphasage entre piston et déplaceur (actuellement 90°)


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