LTD Stirling (Low Temperature Difference Stirling)

Collection: Stirling

Résumé

Introduction, historique et particularités des moteurs de Stirling à basse différence de température.

Introduction et historique

Le moteur de Stirling de type LTD (Low Temperature Differential) est un moteur dont la géométrie a été optimisée pour fonctionner avec de faibles différences de températures entre les sources chaude et froide.

Le premier engin de ce type a été présenté en 1983 lorsque lors d'une conférence le Prof. Kolin de l'université de Zagreb (Croatie) a dévoilé sont petit Stirling fonctionnant sur une tasse d'eau bouillante. Ce modèle a été confectionné entièrement à la main. Il possède un déplaceur carré et un diaphragme en matériau élastique à la place du piston. Il a fonctionné jusqu'à une différence de température de environ 20°C, la vitesse de rotation est typiquement de 50 tours par minute (pour une différence de température de env. 50°C).

Les futurs développements ont permis de construire des Stirling de type LTD qui ne nécessitent pas plus de 0,5° de différence de température. Ces travaux sont intéressants puisqu'ils ouvrent la porte à l'utilisation de source thermiques moins nobles (de température moins élevée) comme le solaire ou la géothermie. Le rendement de ce type de moteur est moins élevé que dans le cas d'un Stirling standard et par conséquent les réelles possibilités d'applications sont encore sujet à discussion.

Actuellement ce type de Stirling sont surtout utilisés à des fins didactiques. Ils sont composés de matériaux standards et l'équipement d'un petit atelier de mécanique suffit à la construction d'un moteur de Stirling à basse différence de température.

Comment ça marche

Pour fonctionner normalement un moteur de Stirling nécessite une différence de température entre les échangeurs chaud et froid ainsi qu'une géométrie adaptée à cette différence de température. La nature de la source chaude et du bain froid n'a pas d'importance, le principal étant que les échangeurs thermiques parviennent à maintenir cette différence de température pendant le fonctionnement.

On utilise parfois l'air ambiant comme source froide combiné avec une source chaude qui tire son énergie d'une combustion, du rayonnement solaire ou de la géothermie. Cependant l'air ambiant peut aussi constituer la source chaude, en combinaison avec par exemple de la glace au côté froid.

Les moteurs de Stirling de type LTD possèdent les mêmes composants que la version standard, la différence réside dans les proportions relatives des constituants.

Les principaux éléments sont donc:

- le piston dont le rôle est de comprimer et dilater le gaz, transmettant ainsi la puissance sur l'embiellage
- le déplaceur qui "déplace" le gaz entre le côté refroidissement et chauffage de la chambre d'échange
- un système d'embiellage, qui récupère la puissance du piston et maintient mécaniquement un déphasage de 90° entre le déplaceur et le piston.

Les phases de base d'un cycle sont identiques à celles d'un Stirling standard. Les 360° correspondants à un cycle complet se décomposent logiquement en 4 phases, chacune étendue sur 90° et dominée par un certain processus thermodynamique.

1) Phase de transfert

Le piston "tourne" autour de sa position extrême intérieure et le déplaceur est en transition entre la position extérieure et intérieure. Le volume total est à peu près constant, le gaz est déplacé vers la source chaude, donc la température augmente et la pression également.

2) Phase d'expansion

Le piston se déplace de l'intérieur vers l'extérieur et le déplaceur "tourne" autour de son extrême intérieur. C'est la phase où le piston délivre sa puissance sous la pression interne, qui de ce fait, chute durant ce mouvement alors que le volume augmente.

3) Phase de transfert

Le piston "tourne" autour de sa position extrême extérieure et le déplaceur passe du côté extérieur au côté intérieur. Le volume total reste à peu près constant et le gaz est déplacé vers la source froide. Par conséquent la température diminue, la pression également et devient inférieure à la pression extérieure.

4) Phase de compression

Le piston se déplace de sa position extérieure vers son extrême intérieur alors que le déplaceur reste "autour" de son extrême extérieur. De par le déplacement du piston, "aspiré" par la dépression intérieur, le volume diminue et la pression retrouve sa valeur nominale.

Le moteur de Stirling fonctionne donc selon un cycle "fermé". Il n'y a pas d'aspiration ni d'échappement du gaz de travail. Seules une source chaude et une source froide sont nécessaires au fonctionnement de l'engin, quelle que soit la nature de la source de chaleur. La différence de température entre les sources est responsable des variations de pression qui actionnent le piston. La différence entre le flux de chaleur entrant et sortant correspond à l'énergie mécanique fournie par le piston.

Particularités géométriques

Ce qui distingue le Stirling de type LTD au Stirling conventionnel c'est la taille et la géométrie du déplaceur. Le LTDS tire avantage d'un déplaceur présentant une large surface transverse et un petit déplacement. Cette caractéristique découle des phénomènes physiques qui régissent le fonctionnement de tout moteur thermique à combustion externe.

Il existe une relation bien précise entre le rapport de compression et la différence de température entre laquelle le moteur peut fonctionner. La formulation mathématique n'a été établie qu'en 1985 cependant les essais sur les LTDS ont depuis longtemps mis en évidence le fait que les engins opérant entre une faible différence de température doivent avoir un rapport de compression faible. Par conséquent le volume balayé par le déplaceur doit être grand vis-à-vis de celui balayé par le piston.

D'autre part, le rôle du déplaceur est d'isoler thermiquement les parties chaude et froide de la chambre d'échange. La conduction thermique à travers un solide est proportionnelle à la différence de température, le LTDS ne nécessite donc pas un "long" déplaceur pour maintenir les pertes à un niveau raisonnable.

Finalement un déplaceur court et avec une large section favorise également les échanges thermiques entre sources et gaz de travail, favorisant ainsi son rendement malgré une faible différence de température.

Performances

De manière générale les moteurs de Stirling à faible différence de température ne fournissent pas une puissance élevée. Ceci est une caractéristique intrinsèque des LTDS et des phénomènes physiques qui s'y déroulent.

Premièrement la fréquence de fonctionnement est basse. En effet le mouvement du piston et du déplaceur est induit par les variations de pression du gaz de travail, elles-mêmes générées par l'échauffement et le refroidissement du ce dernier. Comme le transfert de chaleur est proportionnel à la différence de température entre le gaz et les systèmes de chauffe/refroidissement un moteur de Stirling à faible différence de température ne peut que fonctionner à une vitesse basse par rapport à un Stirling standard.

De plus comme la variation de température de gaz de travail est faible durant un cycle, sa variation de pression sera également faible. Par conséquent le travail produit sur un cycle est pl,us faible dans un LTDS.

Il faut encore considérer le rendement thermodynamique de ce type d'engin, qui dans le meilleur des cas correspond au rendement d'un cycle de Carnot:

Rendement = (Th -Tc) / Th

où Th est la température de l'échangeur chaud et Tc la température de l'échangeur froid.

Ce rendement de Carnot correspond en fait à un rendement maximum atteignable pour un cycle parfait. On peut raisonnablement considérer un rendement effectif de moitié plus faible. A ceci s'ajoutent les autres pertes, non thermodynamiques, telles que les pertes par frottement ou les celles dues aux fuites du gaz de travail.