LES MOTEURS STIRLING ET ERICSSON

Pourquoi les moteurs Stirling et Ericsson
gagnent-ils à être connus ?



Introduction


I/Constitutions communes et différences

1/constitutions communes
2/Différences entre le moteur STIRLING et le moteur ERICSSON


II/ Les différentes familles de moteurs


III/Moteurs performants mais non parfaits

1/Les avantages des moteurs
2/Les inconvénients des moteurs


IV/Les domaines d'applications

1/Les applications actuelles ou passées
a) Chez les particuliers
b) Usages gouvernementaux
c) Dans l'industrie
2/Les applications futures


V/ Conclusion





INTRODUCTION


STIRLING

Le XIXe siècle a donné lieu à de nombreuses découvertes scientifiques et techniques.
C’est peut-être cette activité qui a poussé le Pasteur Anglais Robert Stirling à inventer le « moteur portant son nom » dont le brevet fut déposé en 1816. Robert Stirling a imaginé un moteur sans chaudière à vapeur soumise à de fortes pressions à cause, probablement, du nombre de chaudières qui explosaient à cette époque.
Néanmoins, à partir du XXe siècle, ce moteur eu beaucoup de mal à s’imposer. Il y avait à cette époque une grande concurrence avec les moteurs à combustion internes et les moteurs électriques.

ERICSSON

Aux USA, John Ericsson travaille lui aussi sur les moteurs à air chaud. Mais comme Stirling (avec ses trois brevets) avait bloqué les recherches, notre américain est obligé de les contourner. Il créé donc un moteur à air chaud mais à cycle ouvert et avec des soupapes. Les machines à soupapes et clapets sont souvent dites machines de Joule. En effet, James Prescott Joule, physicien britannique, proposa un moteur à air chaud en 1851. Cependant, ce dernier était en retard de 18 ans et malheureusement pour lui, John Ericsson réalisa une première machine thermique en 1833, appelée moteur calorique. Il s’agit d’un moteur beaucoup plus perfectionné que le moteur de Joule car Ericsson avait compris l’intérêt d’un échangeur récupérateur comme dans le moteur Stirling (le régénérateur brevet principal du pasteur).

Dans les contextes actuels d'énergie et d'environnement (effet de serre, pollution,…), l’intérêt de développer des technologies de production d’énergie «propre» telles que le soleil ou encore les éoliennes est relancé. Il existe donc plusieurs types de moteurs capables de transformer l’énergie thermique en énergie mécanique. Malheureusement, aucun de ces systèmes n’est bien adapté à la valorisation de certains types d'énergie tels que le solaire, la biomasse et les effluents gazeux à haute température.
Cependant, parmi les moteurs à air chaud, on retrouve ceux à apport de chaleur externe sans surface d’échange avec ou sans régénérateur et à machines de compression et de détente alternatives distinctes, constitués d’un cycle monophasique. Ces moteurs peuvent être avec (Ericsson) ou sans (Stirling) soupapes ou clapets et sont très appropriés à la valorisation d’énergies renouvelables. En effet l’apport de chaleur peut être d’origine diverse comme le solaire, le bois…
Nous allons donc étudier les moteurs Stirling et Ericsson afin de mieux connaître leurs mécanismes et de comprendre pourquoi ces moteurs gagnent à être connus.
En effet, on distingue un manque de succès, les machines les plus utilisées étant les moteurs à combustion interne qui génèrent beaucoup de bruit et de vibrations telles que les chaudières. Peu de particuliers sont prêts à installer un moteur à combustion internes chez eux même si certains constructeurs proposent des systèmes de cogénération (production de chaleur et d’électricité) domestique. Le marché semble donc plus prometteur pour les systèmes basés sur des moteurs thermiques à combustion externe. Parmi ces derniers, les systèmes de cogénération basés sur des moteurs Stirling cinématiques (qui bougent) ou à pistons libres (pas de système mécanique) font l’objet de nombreux développement, et sont, pour certains d’entre eux, déjà commercialisés.
Nous nous intéresserons donc aux moteurs thermiques à apport de chaleur externe que sont les moteurs Stirling (1816 première machine brevetée) et les moteurs Ericsson (1833 brevet machine en circuit fermé).

I/Constitutions communes et différences

1/constitutions communes

Le moteur Ericsson est constitué d'un cylindre de compression muni de soupapes, d'un échangeur de chaleur récupérateur à contre-courant, d'un échangeur de chaleur pour la source chaude et d'un cylindre de détente lui aussi muni de soupapes.

Uniquement deux systèmes au monde sont capables de produire une combustion externe. On a les moteurs à air chaud (Stirling, Ericsson) ainsi que les moteurs à vapeur (Rankine). Néanmoins, les moteurs à vapeur étant très dangereux, et ayant occasionnés de nombreux décès suite à des explosions non contrôlées, nous nous intéresserons uniquement aux moteurs Stirling et Ericsson .Ces derniers sont des moteurs à apport de chaleur externe.
Ils sont munis :
- D’un piston de travail pour la détente.
- D’un piston déplaceur pour la compression.
- D’au moins un régénérateur.
De plus, ils peuvent tous les deux produire de la chaleur et de l'électricité, cela s'appelle la cogénération ou micro cogénération (selon la puissance).
On peut également augmenter la puissance de ces moteurs en augmentant, dans les deux cas, la surface d'échange, la différence de température entre le piston froid et le piston chaud, la pression (plus d'échanges thermiques) ou encore augmenter le nombre de moteur sur le même système de transmission.
Enfin, nous avons constaté que la compression et la détente avaient lieu dans différents cylindres contrairement aux autres catégories de moteurs.

2/Différences entre le moteur STIRLING et le moteur ERICSSON

Tout d'abord, le cycle du fluide de travail ( azote, helium, air...) du moteur Stirling est formé de deux isothermes (qui gardent la chaleur constante) et deux isochores (qui gardent le volume constant) contrairement au moteur Ericsson qui, quant à lui, a son cycle composé de deux isothermes et de deux isobares (qui gardent la pression constante). Le moteur Stirling est plus simple d'utilisation de part sa composition, il ne comporte en effet qu'un seul régénérateur, mais a un rendement plus faible. Le moteur Ericsson est donc composé de deux régénérateurs, ce qui lui vaut un meilleur rendement .Ces deux régénérateurs entraînent donc la présence de soupapes ou clapet anti-retour procurant un certain nombre d'avantages :

- Comme les espaces de compression et de détente sont isolés des échangeurs, le volume de ces derniers ne doit pas être considéré comme un volume mort qui diminue la puissance spécifique et, dans un degré moindre, le rendement du moteur. Il n'est pas nécessaire de faire un compromis entre les volumes morts des échangeurs à minimiser et les surfaces d'échange des échangeurs à maximiser, comme c'est le cas pour le moteur Stirling.
- Le fluide de travail parcourt son cycle en effectuant une boucle : le fluide passe une seule fois dans chaque échangeur et toujours dans le même sens. Ceci rend la simulation de son comportement thermodynamique plus facile. L'échangeur interne peut être considéré comme un échangeur à contre-courant provoquant, à performances comparables, moins de pertes de charge qu'un régénérateur.
- Dans le moteur Stirling, nous rencontrons une aberration : le fluide de travail passe dans les échangeurs chaud et froid lorsque le fluide va de l'espace de détente vers l'espace de compression. Il serait préférable que le fluide ne soit pas chauffé avant de rentrer dans l'espace de compression et qu'il ne soit pas refroidi avant de rentrer dans l'espace de détente.
L'écoulement en boucle rencontré dans le moteur Ericsson permet d'éviter cela.
Contrairement au moteur Stirling, les mouvements des pistons n'influent pas les performances énergétiques du moteur. On peut donc utiliser des systèmes cinématiques plus simples et plus performants.

Voir cycle de Stirling et cycle d'Ericsson..................Pour plus d'infos dans google !

II/ Les différentes familles de moteurs

Nous allons vous les présenter sous forme d'un diaporama qui montrera des photos et particularités de chacun.

III/Moteurs performants mais non parfaits

1/Les avantages des moteurs:

Ces deux moteurs connaissent de nombreux avantages tels que :
- Le silence de fonctionnement : il n'y a pas de détente à l'atmosphère comme dans le cas d'un moteur à combustion interne, la combustion est continue à l'extérieur du ou des cylindres. Ainsi, ces moteurs n'explosent plus contrairement aux machines à vapeurs.
- La multitude de « sources chaudes » possibles : combustion de gaz divers, de bois, sciure, déchets, énergie solaire, ou géothermique, pétrole, fioul, essence...
- L'aptitude écologique à répondre le mieux possible aux exigences environnementales en matière de pollution atmosphérique. Il est plus facile de réaliser dans ce type de moteur une combustion complète des carburants.
- La fiabilité et la maintenance aisée ainsi que la relative simplicité technologique permet d'avoir des moteurs d'une très grande fiabilité nécessitant peu de maintenance
- Durée de vie importante du fait de sa «rusticité»
-Les utilisations très diverses du fait de son autonomie et son adaptabilité au besoin et à la nature de la source chaude (du MW au MW)
- Le rendement élevé en fonction de la différence de température entre la source
Chaude et la source froide. Comme il est possible de le faire fonctionner en cogénération, le rendement global peut être très élevé.
Concernant le rendement, tous les moteurs cherchent à se rapprocher du cycle de Carnot (1824) correspondant au rendement maximum que peut avoir un moteur.

Nous allons donc étudier une formule servant à déterminer le rendement d'un moteur Stirling grâce à l’étude du cycle de ce dernier :

Suivant l’équation des gaz parfaits, on a P.V=nR.T :
Avec nR = constante
*Si T = cste, P augmente et V diminue ou le contraire
=> Transformation isotherme
*Si P = cste, T augmente et V augmente ou le contraire
=> Transformation isobare
*Si V = cste, P augmente et T augmente ou le contraire
=> Transformation isochore

Soit v=x et W la fonction.

dw/dv=p or p= nRt/V
On a donc dw/dv=nRt/V

On recherche la fonction W(v) qui donne par dérivation nRt/V

Les solutions sont W(v)=nRt.lnV+constante
Or, V varie entre Vm et VM lors de la détente et de VM à Vm lors de la compression,

Pendant la détente, on a :
W(VM)-W(Vm)=nRt.lnVM-nRt.lnVm=nRt (lnVM-lnVm)=nRt.ln. (VM/Vm)
Pendant la compression, on a :
W(Vm)-W(VM)=nRt.lnVm-nRt.lnVM=nRt (lnVm-lnVM)=nRt.ln. (Vm/VM)

Par définition, nous savons que lna-lnb=ln(a/b)


Données :
-Vm correspond au volume pendant le chauffage
-VM correspond au volume pendant le refroidissement


Voici les différents cycles de ces moteurs en comparaisons avec le cycle de Carnot correspondant au cycle ‘parfait’. On voit bien que le cycle du moteur Ericsson s’en rapproche rigoureusement.
Voir schémas 3 (Ericsson) ,4 (Stirling) et 5 (Carnot)

2/Les inconvénients des moteurs:

Cependant, ce moteur connaît également quelques inconvénients comme :
- Le prix : son coût est probablement le frein de son développement aujourd'hui, puisqu’il n’est pas encore compétitif par rapport aux autres moyens bien implantés. Une généralisation de son emploi devrait atténuer ce problème.
- La méconnaissance de ce type de moteur par le grand public. Seuls quelques passionnés en connaissent l'existence. Il faut donc en faire la promotion.
- La variété des modèles empêche une standardisation et par conséquent une baisse des prix (les différents moteurs (Stirling, Ericsson, …) et leurs différents familles (α, β, γ, pendule, piston libre…)
- Les problèmes technologiques à résoudre :
-> Les problèmes d'étanchéité sont difficiles à résoudre dès qu'on souhaite avoir des pressions de fonctionnement élevées. Le choix du gaz « idéal » serait ici l'hydrogène pour sa légèreté et sa capacité à absorber les calories, mais celui ci peut se diffuser au travers des matériaux.
->les échanges de chaleur avec un gaz sont délicats et nécessitent souvent des appareils volumineux.
->Le manque de souplesse : les variations rapides et efficaces de puissance sont difficiles à obtenir avec un moteur Stirling qui est plus apte à marcher à puissance nominale constante. Ce point est un gros handicap pour l'industrie automobile.





IV/Les domaines d'applications.


1/Les applications actuelles ou passées
A l'heure actuelle, le moteur Stirling n'est pas très connu et répandu, particulièrement en France. Cependant, on le retrouve dans de nombreux domaines.

a) Chez les particuliers:
-Les utilisations domestiques :
Grâce au développement des petites installations, on a pu faire fonctionner ces deux moteurs en génération.
Le principe est assez simple : on peut utiliser le combustible que l'on souhaite (fuel, bois, granulés de bois...) pour fabriquer son électricité ainsi que son chauffage.
On peut aussi, si on le désire et qu'on est relié au réseau électrique, vendre son surplus de courant (en hiver) ou bien en acheter lorsque l'on est en déficit. On peut donc essayer de faire des bénéfices avec ces moteurs

-Les loisirs :
Lorsque l'on est passionné on peut s'amuser à réaliser des modèles réduits des moteurs Stirling et Ericsson. Les différents moyens d'y parvenir ainsi que les différentes formes que l'on peut leur donner ne manquent pas.

b) Usages gouvernementaux:
-Les usages militaires :
L'armement de certains pays du moteur Stirling à des fins militaires peut être bénéfique seulement si il est utilisé pour la dissuasion de certains pays de faire la guerre.
- La Suède s'est équipée d'un sous-marin utilisant des moteurs Stirling pour produire son électricité secondaire. C'est à dire qu'ils assurent une base de fonctionnement vitale en cas de panne de la source principale. Le moteur Stirling est un moteur silencieux, il est donc avantageux et peut être un atout majeur pour des missions secrètes. La marine australienne s'est donc également équipée d'un tel sous-marin qui fait 3 000 tonnes de déplacement.
- Le silence de ces moteurs est aussi prisé pour des bâtiments de surface militaires tels que des corvettes ou bien des bateaux chargés de détection de mines ou de surveillance acoustique.

-Le domaine spatial et les applications solaires :
Le moteur Stirling est utilisé pour procurer de l'énergie aux satellites. Son rendement peut être très élevé étant donné les différences de températures que l'on peut avoir à disposition dans l'espace. La chaleur peut être produite soit par des radio-isotopes soit par des paraboles. Si l'on utilise des corps radioactifs, cela peut présenter des risques lorsque la fusée s'envole, de plus cela n'est pas très écologique. Aussi, les panneaux solaires peuvent se salir ou être abîmés voir détruits dans certains endroits de l'espace notamment près de Mars.
Lorsque l'on utilise l'énergie solaire, on utilise une parabole réfléchissante, les rayons solaires sont concentrés en un seul point que l'on nomme foyer de la parabole. Ce point est l'endroit le plus chaud, c'est donc là ou l'on va installer le moteur Stirling.
Aux Etats-Unis, dans un désert, on a pu installer un champ de grandes paraboles qui sont pareillement munies d'un moteur Stirling de façon à pouvoir produire de l'électricité. Les panneaux photovoltaïques ont un médiocre rendement, environ 15%. Par conséquent, à puissance égale, leur surface est plus grande que celle des réflecteurs d'un moteur Stirling.

c) Dans l'industrie:
-Le monde industriel avec la cryogénie :
Le moteur Stirling est un moteur réversible, on peut donc aussi l'utiliser du froid de manière industrielle. On peut en obtenir un excellent rendement.
Cependant il faut fournir de l'énergie au moteur pour l'entraîner or la principale source d'énergie que l'on peut utiliser est le soleil. Le soleil pour produire du froid c'est plutôt paradoxal.Ca la revient à faire des glaçons avec et sous le soleil.
Le système est similaire à un réfrigérateur domestique : on prend de la chaleur dans la partie de la source froide et on la restitue dans la partie de la source froide. On peut utiliser cette technique pour liquéfier les gaz tant ce fonctionnement est efficace.
-La motorisation automobile :
La société Philips a fait des recherches sur le moteur Stirling et ses diverses applications de 1940 à 1980. Le but étant d'équiper une Ford Torino de ce moteur mais ce projet a été abandonné et n'a donc pas abouti. On avait donc comme idée de l'utiliser comme une nouvelle technologie automobile. Aujourd'hui avec les le problème de pollution de sauvegarde de la planète et d'énergies renouvelables, le moteur Stirling pourrait être le bienvenu dans l'utilisation automobile.

2/Les applications futures

- dans le domaine militaire :
L'utilisation du moteur Stirling pour les sous-marins et bateaux de surface comme source auxiliaire en production d'électricité réduirait considérablement la pollution émise surtout lors d'accident. Cette initiative a déjà été prise par la marine suédoise et la marine australienne. Cependant il faudra faire un choix de combustibles adaptés comme par exemple l’oxygène ou bien l’hydrogène tous deux sous forme liquide
- dans la marine marchande ou de plaisance:
Le moteur Stirling peut être utilisé dans le domaine militaire nous pourrions donc aussi intégrer dans le domaine de la marine marchande ou de plaisance comme source auxiliaire d’énergie électrique ou de chauffage. On pourrait aussi envisager son utilisation en tant que moyen de propulsion. On retrouvait les atouts majeurs du moteur au niveau du silence et des vibrations.
- dans le domaine industriel :
Beaucoup de processus industriels rejettent de grosses quantités d’énergie et de pollution dans l’environnement surtout les industries dans les secteurs de production d’électricité et secteurs chimiques. Les moteurs Stirling et Ericsson pourrait donc constituer une motivation importante en matière de protection de l’environnement pour ces secteurs.
D’après des études, une centrale nucléaire enverrait deux fois plus d’énergie dans la nature que dans ses fils électriques
Sachant que les fils électriques il y encore une perte de 7% de l’énergie.
Ceci montre bien l’intérêt de l’utilisation d’une cogénération et de la production d’énergie le plus près possible du consommateur qui se ferait en fonction de ses besoins de façon à éviter les pertes inutiles.
- dans le domaine domestique :
C’est dans ce domaine que la plus haute croissance des moteurs est attendue notamment dans leur utilisation pour fabriquer son électricité, ainsi que le chauffage pour sa maison et son eau chaude sanitaire. Sachant que, de nos jours, l’énergie résidentielle représente 8% de la production totale. Avec le moteur Stirling et des énergies primaires telles que le soleil avec des paraboles, le bois ou encore des déchets divers, le rendement en cogénération pourrait presque atteindre les 100%.
On peut aussi remplacer la production d’électricité nécessaire au fonctionnement des congélateurs et réfrigérateur par le cycle du moteur Stirling plutôt que celui utilisé traditionnellement, c'est-à-dire le cycle de Rankine. Aujourd’hui, ils représentent le quart de la consommation d’électricité, en changeant le cycle, d’importantes économies pourraient se faire.
Le moteur Stirling pourrait être envisagé pour le chauffage ou bien la climatisation. De plus il peut s’utiliser de façon autonome ou bien au sein d’un réseau d’électricité ou le particulier pourrait vendre ou bien acheter son électricité en fonction de ses besoins.




V/Conclusion


Nous avons donc pu constater que les moteurs Stirling et Ericsson étaient des moteurs ressemblants de base commune. Cependant, le moteur Ericsson possède quelques éléments supplémentaires de façon à améliorer son rendement comme son régénérateur dont nous avons parlé précédemment. On a constaté une grande variété dans les moteurs, ayant chacun des particularités spécifiques/propres. Ces derniers possèdent aussi tous deux quelques inconvénients qui restent néanmoins négligeables face aux nombreux avantages qu’ils apportent au développement durable. Actuellement leur utilisation est limitée mais lorsqu’ils parviendront à être plus connus leurs domaines d’applications pourront s’agrandir/s’élargir.
Ainsi, ces deux moteurs permettront, si leur succès se confirme, à réduire la production de gaz à effet de serre ou autre.

ci-dessous
https://i.servimg.com/u/f63/12/63/22/96/cycle_10.jpg
MOTEUR STIRLING DE TYPE ALPHA :


















DEFINITIONS :
Les machines à soupapes ou clapets anti-retour : empêche la distribution du gaz dans les deux sens.
Régénérateur : stock l’énergie (c’est une pièce métallique voir inertie).
Moteur alternatif à combustion interne :
Prescott Joule : En 1838, il entame une série de recherches sur l'électromagnétisme et imagine un moteur électrique. En 1840, à l'âge de vingt-deux ans, il découvre le phénomène de saturation magnétique. En 1841, il formule la loi régissant les dégagements de chaleur provoqués par le passage du courant électrique dans un conducteur. Cette loi, connue sous le nom de loi de Joule, indique que la quantité de chaleur produite chaque seconde dans un conducteur par le passage du courant électrique est proportionnelle à la résistance du conducteur et au carré du courant électrique.
Moteur calorique : ancienne unité de mesure (la calorie = au watt sur le principe)
Energie « propre » : quand la réaction est stœchiométrique (soleil…)
Le cycle de Rankine : vapeur qui fait tourner la turbine
Echangeur : surface d’échange
Echangeur récupérateur : régénérateur
Cycle monophasique : unique phase durant le cycle
Système de cogénération (domestique): production de chaleur et d’électricité
Moteur Stirling (cinématique) : qui bouge
(Ou piston libre) : pas de système mécanique, rendement plus élevé car pas de frottements (ex ringbom qui se lance tout seul).
Catalyseur : pour accélérer une réaction chimique ( ne rentre pas dans l'equation bilan de la réaction)
Cryogénie: conservation d'un corps par le froid (air liquide par exemple),
Diagramme thermodynamique: graphique utilisé dans différents domaines pour pointer les valeurs de diverses grandeurs caractérisant l'état d'un fluide: pression (p), pression partielle des composantes, Température (T), volume spécifique (v). L'intérêt de ces diagrammes est qu'ils permettent de tracer approximativement l'évolution de ces variables dans des fluides lors d'un travail au lieu de devoir la calculer par les équations de la thermodynamique.



Quelques dates clef pour Ericsson :

1826 Première machine breveté par Ericsson mais à circuit ouvert

1853 Navire à roues l’Ericsson, 4 cylindres, diamètre 1,5 m et 9 tours/ minute

1860 Moteur type Bêta de 1,5 kW

1870 Fabrication d’un moteur solaire



Citations :
<< Partout où il existe une différence de température il peut y avoir production de puissance motrice. >>
(Réflexions sur la puissance du feu)
<< Parler peu de ce que l’on sait et point du tout de ce que l’on ne sait pas. Pourquoi ne pas dire plus souvent : je ne sais pas ? >>
Sadi Carnot