Stirling-motor

The Stirling-motoren er en ekstern forbrenning, lukket-syklus arbeidsfluid motor . Væsken er en gass utsatt for en syklus som består av fire faser: isochorisk oppvarming (ved konstant volum), isoterm ekspansjon (ved konstant temperatur), isokorisk avkjøling og til slutt isoterm kompresjon.

Robert Stirling oppfant varmluftmotoren i 1816, og for å forbedre effektiviteten utstyrte den den med en regenerator , som fungerer som en termisk lagring og intern veksler . Dette elementet skiller Stirling-motoren fra andre motorer. Det har forbedret ytelsen betydelig, noe som gir den en reell utvikling innen termodynamikk .

Denne motoren er lite kjent for allmennheten, og har noen fordeler. Det var utbredt på tidspunktet for dominansen av dampmaskiner som utgjorde den alvorlige risikoen for å eksplodere.

Historie

På begynnelsen av XIX -  tallet eksploderer dampkjelene ganske ofte. For å svare på dette problemet, forestiller Robert Stirling seg en motor uten kjele som utsettes for for høyt trykk, der varmen derfor blir ført fra utsiden av maskinen. Han oppdager at det er tilstrekkelig å varme opp den omgivende luften ved forbrenning for å forsyne denne motoren med energi, og dette er hvordan Stirling arkiverer sitt patent på27. september 1816. Han er også oppfinneren av en regenerator i motorrørene som unngår for mye energitap og forbedrer effektiviteten. Strengt tatt er denne regeneratoren det som skiller Stirling-motoren fra andre varmluftsmaskiner.

I 1843broren James "industrialiserte" denne motoren, til bruk på fabrikken der han var ingeniør. Imidlertid på grunn av forskjellige brudd og en for lav effekt sammenlignet med dampmotoren og forbrenningsmotoren oppnådde ikke Stirling varmluftmotor den forventede suksessen. Stirling-motoren er da bare et studieobjekt for fysikere , som forstår driften av Stirling-motoren, lenge etter oppfinnelsen, med ankomsten av termodynamikk .

I 1871Fremdriften av termodynamikk gjort i XIX th  århundre tillate Gustav Schmidt til matematisk beskrive Stirling syklus.

Fra 1878, John Ericsson vender seg til en løsning ved hjelp av en Stirling-syklus med sin "hot air" -motor ( Ericsson-motor ) med en fortrenger og bygger, i samarbeid med DeLameter Iron Works og deretter Rider-Ericsson Engine Company, en ny motor. Denne motoren vil også bli en suksess, den vil bli produsert i USA til begynnelsen av første verdenskrig. Av alle designet av Stirling-syklusene er dette den vanligste versjonen, men sjelden fordi den er 100 år gammel. det er mulig å se dem til salgs hos bruktforhandlere som spesialiserer seg på gamle motorer.

I 1889, lanserer det amerikanske selskapet Rider-Ericsson Engine Company sin første "varmluft" hydraulikkpumpe; den vil produsere den til begynnelsen av 1900 og vil eksportere den over hele verden.

Imidlertid var det ikke før undersøkelsen til det nederlandske selskapet Philips på 1930-tallet at Stirling-motoren igjen ble seriøst studert og anvendt i alle slags teknologier testet. I 1938 ble en Stirling-motor på mer enn 200  hk , med en effektivitet større enn 30% (sammenlignbar med dagens bensinmotorer) designet der . Imidlertid er denne teknologien bare anvendelig i kryogenikk .

I 1953 , Philips sluppet sitt 180 W generator   : den MP1002CA, utformet fra en stirlingmotor.

Det er først i de siste tiårene motorutviklingen begynner å interessere industrien igjen på grunn av det økende behovet for alternative energikilder. Faktisk kan Stirling-motoren gå på hvilken som helst energikilde som produserer varme: solenergi , geotermisk energi , kjernekraft , spillvarme fra fabrikker  osv. Fra et økologisk perspektiv er dette desto mer interessant ettersom regeneratoren, fordi den forvarmer og forkjøler gassen, gjør det mulig å "resirkulere" energi. Dermed tillater fremskritt innen materialvitenskap nå bruk av materialer som tåler svært store temperaturforskjeller og kompositter som forbedrer varmeoverføring i regeneratoren.

Situasjonen er slik at Stirling-motorer, kombinert med gigantiske solfanger, bruker solenergi med høyere effektivitet enn solceller , men til en høy pris. I 2008 ble konverteringsrekorden for solenergi brutt, med en konverteringsfrekvens på 31,25%, takket være bruken av parabolske speil som solkonsentratorer.

I dag er Stirling-motoren gjenstand for mange eksperimenter like mye av amatører som av selskaper som spesialiserer seg på energi eller av NASA ( KRUSTY-prosjekt ).

Prinsipp, fordeler og ulemper

Prinsipp

Hovedvæsken som produserer arbeid er en gass ( luft , hydrogen eller helium ) utsatt for en syklus som består av fire faser:

  1. isokorisk oppvarming (ved konstant volum);
  2. isoterm ekspansjon (ved konstant temperatur): gassen gir arbeid;
  3. isokorisk kjøling;
  4. isoterm kompresjon: gassen får arbeid.

Målet er å produsere mekanisk energi fra termisk energi . Ved begynnelsen av syklusen plasseres gassen inne i motoren i det varme kammeret, oppvarmet av en viss energikilde: dens temperatur og trykkøkning , noe som gir en utvidelse av gassen (fase 1). Stempelet til det varme kammeret befinner seg ved siden av, og gassen utvides mot det kalde kammeret ved å skyve stempelet tilbake. Den termiske energien blir dermed transformert til mekanisk energi som overføres til hjulet (fase 2). Denne hjulbevegelsen overføres til varmekammerstemplet som skyver mesteparten av gassen tilbake i det kalde kammeret. Når dette er gjort, avkjøles gassen som kommer til kjølerommet (fase 3), og volumet avtar og forårsaker kaldstemplet i den andre retningen (fase 4). Igjen overføres denne bevegelsen via hjulet til varmekammerstemplet som deretter beveger seg tilbake mot stoppet. Nesten alt gassvolumet suges deretter inn i det varme kammeret, og syklusen begynner på nytt. Denne termodynamiske syklusen kalles Stirling-syklusen (selv om det ikke var Stirling som beskrev den).

Motorens varme kilde (det røde stempelet ovenfor) drives av en hvilken som helst ekstern kilde : ekstern forbrenning av petroleumsderivater , naturgass , kull , men også fornybare energier som solenergi , tre eller geotermisk energi .

Stirling syklus

Stirling-syklusen er en termodynamisk syklus som er beskrevet av Stirling-motorer.

Syklusen er reversibel , noe som betyr at hvis det gis mekanisk arbeid, kan den fungere som en varmepumpe og gi varme eller kulde (inkludert kryogen kulde ).

Syklusen lukkes regenerativ ved bruk av gassformig væske:

Syklusen er den samme som de fleste termiske sykluser og inkluderer fire faser: 1. kompresjon, 2. oppvarming, 3. ekspansjon, 4. kjøling (se Clapeyron-diagram til venstre):

fordeler

Siden den produserer lite vibrasjon takket være fraværet av eksplosjon, av ventiler som åpnes og lukkes og av gasser som slipper ut, er Stirling-motoren stille og lite utsatt for mekanisk belastning, noe som gjør den nyttig der varme, kulde og vibrasjoner er uønsket. for eksempel i en atomubåt .

Mangelen på gassutveksling med det ytre miljøet gjør det nyttig i forurensede miljøer eller trenger å unngå forurensning .

Det er lett å vedlikeholde på grunn av fravær av materialutveksling med miljøet og intern kjemisk reaksjon. Av samme grunner forverres den mindre enn en forbrenningsmotor .

Den har god effektivitet og kan være rundt 40% , mens effektiviteten til en forbrenningsmotor for bilbruk når 35% for bensin og 42% for diesel. Elektriske motorer, hvis effektivitet kan nå 99%, er ikke sammenlignbare, fordi elektrisitet er en form for energi hvis kvalitet ikke er sammenlignbar med termiske og / eller kjemiske som brukes til Stirling- eller forbrenningsmotorer. (Se begrepet eksergi ). I tillegg er elektrisitet vanskelig å lagre og transportere med en effektivitet på nær 100%, noe som er en alvorlig grense for visse bruksområder. Vi kan også diskutere nivået på sammenlignbarhet av energikildene som brukes mellom Stirling-motor og forbrenningsmotor, og spesielt temperaturforskjellene mellom kald kilde og varm kilde som toppene for effektivitet er kunngjort for, i forhold til toppen av Carnot-effektiviteten .

Motoren er reversibel: En Stirling-motor drevet av en annen motor blir en varmepumpe som kan kjøle til −200  ° C eller varme opp til over 700  ° C , avhengig av kjøreretningen. Dette, uten å bruke spesielle gasser med spesifikke egenskaper, som gir dem praktiske eller kjemiske ulemper (for eksempel freon fra eldre generasjons kjølemaskiner, som ødelegger ozonlaget). I praksis er det dessuten den effektive varmepumpefunksjonen som gjør at enkelte maskiner kan eksistere.

Det er flere kilder. På grunn av sin varmeforsyningsmodus, kan denne motoren fungere fra hvilken som helst varmekilde (forbrenning av drivstoff, solenergi, kjerne eller til og med menneskelig varme).

Den har potensielt lavere forurensning enn termiske motorer: varmen som kommer fra utsiden, er det mulig, takket være ikke-fossil energi, å gi den på en mindre forurensende måte enn i mange termiske motorer der forbrenning er ufullkommen.

Ulemper

Blant ulempene må tettheten til stemplene være større enn i en forbrenningsmotor, men dette er vanskeligere å oppnå på grunn av de svært store temperaturvariasjonene og behovet for å bruke en gass som er så mindre tyktflytende som mulig, i for å minimere friksjonstap (spesielt i regeneratoren). Bruk av en meget lav viskøs gass, for eksempel hydrogen, gir ofte tetningsproblemer.

Den er av delikat design; Mens forbrenningsmotorer produserer varme direkte i væsken, veldig raskt og veldig jevnt, er et Stirling-system avhengig av varmeoverføringer mellom gassen og veksleren (de to kildene, rekuperatoren), mens gassene er varmeisolatorer der utvekslingen er veldig treg . I tillegg er det nødvendig å minimere det "døde" volumet (inneholder væske som ikke fullfører syklusen og derfor ikke bidrar til utbyttet). Alt dette medfører problemer med væskedynamikk , vanskelige problemer å løse, på nivået av vekslerne, rekuperatoren, rørene eller stempelet som tillater bevegelse av gassen under syklusen (problemer med diameter, lengde, turbulens for å skape eller unngå , etc.).

Følgende avsnitt ser ut til å inneholde upubliserte arbeider eller ubekreftede uttalelser (september 2016).

Du kan hjelpe ved å legge til referanser eller fjerne upublisert innhold. Se samtalesiden for mer informasjon.

Det er vanskelig å bestille. En av ulempene er mangelen på respons. For å variere motorens effekt, er varmeeffekten generelt variert. På grunn av den store termiske tregheten til vekslerne er imidlertid økningen i kraft mye tregere enn dagens forbrenningsmotorer. Hastighetsvariasjonen til denne motoren er vanskelig å oppnå, fordi den bare kan gjøres ved å påvirke kompresjonsforholdet til arbeidsfluidet eller ved å øke varmen til den varme kilden, eller ved å redusere den fra den kalde kilden. Denne ulempen kan korrigeres ved hjelp av metoder som en girkasse i tilfelle å kjøre en overføringsaksel mot hjul, eller ved å endre stigningen i den for å kjøre en girkasse . Dette er grunnen til at Stirling-motoren anses å ha en svært dårlig evne til å produsere variabel kraft og dreiemoment, en ulempe som er ansett som veldig viktig for fremdrift i biler, spesielt mens det er nettopp denne applikasjonen som gjorde formuen til forbrenningsmotoren. Imidlertid kan denne ulempen reduseres i tilfelle et "hybridsystem" (motoren går da med konstant hastighet, og kraftmoduleringen blir overtatt av det elektriske systemet), men de er fremdeles sjeldne. På en båt eller et propellplan med variabel stigning er dette imidlertid ikke en ulempe. Man kan også forestille seg en ventil plassert på røret som skiller de to stemplene, som om nødvendig kan redusere effektiviteten og dermed hastigheten ved å være mer eller mindre lukket. Denne ideen har derimot mangelen på å kaste bort termisk energi, siden det er effektiviteten som reduseres og det forbrukes så mye drivstoff. Det ville derfor være nødvendig i lange perioder med tomgang å koble denne ventilen til en justering av drivstoffstrømningshastigheten for gradvis å redusere mengden drivstoff og åpne utgangsventilen til en relativt høy verdi (men ikke maksimum, for for å garantere utvinning under en kraftøkning). Dermed, under akselerasjon, kunne vi umiddelbart få bedre effektivitet, og dermed mer fart, og kort tid etter å ha gjenvunnet energien som ble gitt av økningen i drivstoff.

Endelig er det til en høy pris: i dag har det bare noen få store applikasjoner (se Whispergen-generatorer), i motsetning til forbrenningsmotoren, er det mye dyrere; dessuten, av samme grunn, gir ikke produsenter den samme interesse for forskning og utvikling, noe som ikke tillater det å ta igjen (forutsatt at dette er mulig). Denne situasjonen kan utvikle seg gunstig med utviklingen av forskning om energiproduksjon og særlig den som gjelder fornybar energi.

bruk

Stirling-motoren har nisjeapplikasjoner, i situasjoner der de opprinnelige kostnadene for systemet ikke er en alvorlig ulempe sammenlignet med fordelene (militær, forskning, avanserte applikasjoner).

Typer av Stirling-motor

Alpha stirling

En alpha Stirling inneholder to separate kraftstempler, et "varmt" stempel og et "kaldt" stempel. Varmestempelet ligger i nærheten av varmeveksleren med høyest temperatur, og kaldstemplet ligger nær det laveste temperaturutvekslingspunktet.

Denne typen motorer har et veldig høyt effekt / volum-forhold, men har tekniske problemer, ofte (relatert til) at temperaturene på det varme stempelet er for høye for tetningene.

Nedenfor er et diagram over en alfa Stirling-motor (forklaringer for rotasjon med klokken). En varmegjenvinner er tilstede i røret, men vises ikke.

Stirling beta

En beta Stirling bruker også et begrenset volum gass mellom to stempler. Disse to stemplene kombinerer:

Volumene på den andre siden av stemplene er ikke funksjonelle. I illustrasjonen øverst på siden kan vi se kommunikasjonsåpningen av et av disse bindene med utsiden. Stemplene er derfor begge forseglet. Prinsippet til beta-motoren nærmer seg faktisk gammamotorens, med den forskjellen at de to varme og kalde sonene er plassert i samme sylinder. Fordelene er kompakthet og fravær av aerodynamisk tap  ; den største ulempen kommer fra varmetap ved ledning.

Det er koaksialstempel Stirling-motorer, også betegnet som betamotorer, hvorav den ene av de to stemplene ikke er vanntette: den fungerer da som en fortrenger, og volumet plassert over fortrengeren er funksjonelt. Disse motorene ligner derfor gammamotorene beskrevet nedenfor, men uten død plass .

Stirling gamma

En Stirling gamma er en stirlingmotor utstyrt med et kraftstempel og et stempel som fungerer alene som en fortrenger. Bare motorstemplet har et tetningssystem.

Fortrengningsapparatet opptar suksessivt den varme sonen og den kalde sonen, hver gang den kjører gassen mot den motsatte sonen. Temperaturvariasjonene som gassen deretter gjennomgår, genererer trykkvariasjoner som setter motorstemplet i bevegelse.

Siden volumet feid av fortrengeren ikke nødvendigvis kan feies av kraftstemplet, utgjør det et dødt volum. Av denne grunn kan ikke Gamma-motoren oppnå høye kompresjonsforhold, noe som begrenser effektivitetsmulighetene. På den annen side gjør den mekaniske enkelheten det til et mye brukt system, også på flersylindrede motorer.

Noen Gamma-motorer har en forseglet forskyver: gassen låner derfor en ekstern krets for å passere fra en sone til en annen; det er da mulig å plassere en regenerator på denne eksterne kretsen, noe som øker effektiviteten.

Andre endringer i prinsippet

Mange varianter er blitt foreslått:

Merknader og referanser

  1. "  Stirling Hot Air Engine of 1816  " , på hotairengines.org
  2. (in) "  Hot Air Engine of the 19th Century  " , på hotairengines.org (åpnet 29. januar 2019 ) .
  3. (in) Schmidt-analysen på nettstedet sesusa.org
  4. (in) "  Photographs Rider-Ericsson Engine Company videos  "2bamboo.jimdo.com (åpnet 13. september 2017 )
  5. "  Videodokumentar om Stirling-motorer og Philips MP1002CA  " , på YouTube (åpnet 13. september 2017 )
  6. "  Philips MP1002CA Stirling Engine Photographs, Videos & Owner's Manual  ",2bamboo.jimdo.com (åpnet 13. september 2017 ) .
  7. (in) Composite Matrix Regenerators for Stirling Motors on Techbriefs.
  8. Biografi om Robert Stirling , på enginestirling.com (åpnet 29. januar 2019).
  9. (in) "Generell diskusjon av Stirling-motoren" Stirling-motor designet av universitetsstudenter Saitama, på nettstedet bekkoame
  10. (no) Fan Stirling MSI
  11. The Ecological Hus magasin , februar-mars 2009 utgaven ( ISSN  1634-5460 )
  12. på Sunmachine . Video
  13. Rengjøring
  14. Animasjon som viser prinsippet for denne typen motor (forklaring på engelsk) .
  15. Andre motorer , på enginestirling.com
  16. "  Micro gas cogeneration with Stirling engine  " , på Viessmann .ch (åpnet 21. januar 2015 ) .
  17. "  De Dietrich Hybris Power gassøkogenerator kondenserende kjele  " , på Picbleu ,27. november 2018(åpnet 19. mars 2019 ) .
  18. (in) Hvordan en Stirling-motor fungerer på infiniacorp.com (åpnet 18. april 2012).
  19. Thierry Rabaliand, Mulighetsstudie av et tetningskonsept for maskiner med positiv fortrengning med oscillerende stempler [PDF] , praksisrapport, 2007, side 6.
  20. Pierre Lecanu, “  Double Turn Stirling Engine  ” , på cyberquebec.ca ,15. august 2020(åpnet 2. november 2020 ) .
  21. (i) Pierre normandajc Lecanu Joel Breard , Jean-Michel Reboul og Jerome Thiebot , "  Innovative ny type Stirling motor  " , (preprint) ,Februar 2021( sammendrag , lest online [PDF] , åpnet 2. november 2020 )Hyper-artikler en Ligne .

Vedlegg

Relaterte artikler

Bibliografi

Eksterne linker