Moteur de Stirling

Dans la famille des moteurs thermiques « moteur de Stirling de » définit un moteur d'air chaud régénérateur de de fermé-cycle . Dans ce contexte ; " ; air" chaud ; peut être pris pour inclure d'autres gaz permanents, " ; fermé-cycle" ; pour signifier le fluide de fonctionnement est de manière permanente contenue dans le système , et le " ; regenerative" ; pour se rapporter à l'utilisation d'un échangeur de chaleur interne - le régénérateur .

Fond

Dans la conversion de la chaleur dans le travail mécanique , le moteur de Stirling a le potentiel de réaliser le rendement le plus élevé de n'importe quel vrai moteur thermique, théoriquement vers le haut à la pleine efficacité de Carnot , bien que dans la pratique ceci soit limité par les propriétés non-idéales des matériaux fonctionnants de gaz et de moteur, tels que le frottement , la conductivité thermique , la résistance à la traction , le fluage , le point de fusion , etc. Cependant traditionnellement classifié comme moteur à combustion externe le moteur de Stirling peut tourner sur n'importe quelle source de chaleur, y compris solaire, chimique et nucléaire. Il y a beaucoup de réalisations possibles du moteur de Stirling plus dont ranger dans la catégorie du échangeant le moteur à piston .

Contrairement aux moteurs à combustion interne, les moteurs de Stirling ont le potentiel d'être plus de rendement optimum, plus silencieux, et plus fiables avec des frais d'entretien inférieurs. Ils sont preferred pour certaines applications de place qui évaluent ces avantages uniques, en particulier dans les cas où le premier objectif est le pas pour réduire au minimum les frais financiers par puissance d'unité (kilowatt de $), mais réduire au minimum plutôt le coût par énergie d'unité produite par le moteur ( KWH de $). Comparé à un moteur à combustion interne d'une estimation de puissance donnée, les moteurs de Stirling actuellement ont des frais financiers plus élevé et sont habituellement plus grands et plus lourds ; donc, la technologie de moteur est rarement concurrentielle sur cette seule base. Pour quelques applications, cependant, une analyse coûts-avantages approprié peut favoriser un moteur de Stirling au-dessus d'un moteur à combustion interne.

Ces dernières années, les avantages des moteurs de Stirling sont devenus de plus en plus significatifs, donné lieu général en coûts énergetiques, les manques d'énergie et les soucis environnementaux tels que le changement climatique . Ces intérêts croissants dans la technologie de Stirling ont stimulé la recherche et développement continue des dispositifs de Stirling. Les applications incluent l'astronautique basée dans l'espace du pompage de l'eau , et la génération électrique des sources d'énergie abondantes qui sont incompatibles avec le moteur à combustion interne, tel que l'énergie solaire, la perte agricole et les ordures domestiques.

Une autre caractéristique utile du moteur de Stirling est que le cycle est réversible. Ce qui signifie que si fourni avec la transmission mécanique, il peut fonctionner comme pompe à chaleur . Des expériences ont été exécutées using l'énergie éolienne conduisant une pompe à chaleur de cycle de Stirling pour le chauffage domestique et la climatisation. Vers la fin des années 30, Philips Corporation des Pays Bas a avec succès utilisé le cycle de Stirling dans des applications cryogéniques.

Histoire

Le moteur d'air de Stirling (pendant qu'il est mentionné dans les manuels tôt - voir l'histoire du moteur d'air chaud ) a été inventé par Dr. Robert Stirling de révérend de et breveté par lui dans le 1816 . Quand le nom est devenu simplifié au moteur de Stirling n'est pas connu, mais peut avoir lieu pas plus tard que le mi 20ème siècle où la compagnie de Philips a commencé à expérimenter avec des fluides de fonctionnement autres que l'air - le livre d'instruction pour leur MP1002CA (voir ci-dessous) se rapporte toujours à lui comme « moteur d'air ». Le sujet principal de ce brevet original était un échangeur de chaleur que Stirling a appelé le " ; economiser" ; pour son perfectionnement d'économie du combustible dans une série d'applications. Le brevet également a décrit en détail l'emploi d'une forme de l'économiseur dans un moteur d'air, dans lequel l'application on le connaît maintenant généralement comme régénérateur . Un moteur construit par Stirling a été mis pour fonctionner l'eau de pompage dans une carrière dans le 1818 . Le développement suivant par Robert Stirling et son frère James, un ingénieur, a eu comme conséquence les brevets pour différentes configurations améliorées du moteur original, y compris la pressurisation que par le 1845 avait suffisamment augmenté le rendement de puissance pour lui à avec succès conduit toutes les machines à une fonderie de fer de Dundee. Aussi bien que le carburant de conservation, les inventeurs ont cherché à créer une alternative plus sûre aux machines à vapeur du temps dont les chaudières a fréquemment éclatées avec de grandes conséquences, souvent comprenant des pertes humaines. Cependant, le besoin du moteur de Stirling de courir très à un élevé pour maximiser la puissance et l'efficacité a exposé des limitations dans les matériaux du jour et les quelques moteurs qui ont été construits en ces premières années ont eu les vies plutôt courtes et ennuyeuses. En particulier, les échecs « de fin chaude » se sont produits plus fréquemment que pourrait être toléré, quoiqu'avec des résultats loin moins désastreux qu'une explosion de chaudière à vapeur. Bien qu'elle ait finalement échoué en tant que concurrent à la machine à vapeur dans le domaine des moteurs de balance industrielle, pendant les derniers plus petits moteurs des dix-neuvième et tôt vingtième siècles du type de Stirling/air chaud (la frontière entre les deux est souvent brouillée comme dans beaucoup le régénérateur est d'efficacité douteuse ou est omis tout à fait) ont été produits dans de grands nombres, trouvant des applications partout où une source fiable de bas à la puissance moyenne a été exigée, le plus généralement peut-être pour soulever l'eau. Celles-ci ont généralement fonctionné à de plus basses températures pour pour ne pas imposer les matériaux disponibles et ont ainsi tendu à être plutôt inefficaces, leur argument de vente principal contrastant celle avec une machine à vapeur, elles ont pu être actionnées sans risque par quiconque capable de contrôler le feu dans une gamme domestique. Pendant que le siècle portait dessus, ce rôle a été par la suite usurpé par le moteur électrique et les moteurs à combustion interne de petit et par la fin des années 1930 où le moteur de Stirling était une curiosité scientifique en grande partie oubliée ont représenté seulement par des jouets et quelques petits ventilateurs d'aération.

Actuellement Philips , le grand le fabricant électrique et électronique de hollandais, cherchait à augmenter le marché pour ses postes radio dans des secteurs où l'électricité de forces était inconnue et l'approvisionnement en batteries de courte durée incertaines. Gestion de Philips la' a décidé que ce qui était nécessaire était un générateur portatif bas-actionné et chargé un groupe d'ingénieurs au laboratoire de recherches de compagnie (le national. Laboratoire) dans le Eindhoven pour étudier les caractères pratiques. Passant en revue les divers moteurs vieux et nouveaux, chacun a été rejeté pour une raison ou des autres jusqu'à ce que le moteur de Stirling ait été considéré. En soi tranquillité et capable du fonctionnement de n'importe quelle source de chaleur (de l'huile commune de lampe « bon marché et disponible » a été favorisée partout), il a semblé offrir de vraies possibilités. Encouragé par leur premier moteur expérimental, qui a produit une puissance d'axe de 16 watts à partir d'un fâcheux et d'une course de 30x25mm, un programme de développement a été mis en marche.

Remarquablement, ce travail continu dans toute la deuxième guerre mondiale et par les années 40 en retard ils ont eu un moteur - le type 10 - qui a été suffisamment développé pour être remis à Philips' Johan subsidiaire de Witt dans Dordrecht pour être `productionised' et incorporé à un groupe électrogène comme à l'origine prévu. L'ensemble a progressé par trois prototypes (102A, B, et C), avec le modèle de série, évalué à 200 watts de rendement électrique d'un fâcheux et d'une course de 55x27mm, étant indiqué MP1002CA (affectueusement connu sous le nom de le « pavillon réglé "). La production d'un premier groupe a commencé dans le 1951 , mais il est apparu clairement qu'ils ne pourraient pas être faits à un prix que le marché soutiendrait, sans compter que lequel l'arrivée des radios de transistor avec leurs conditions de puissance faible beaucoup ait signifié que le d'être entier de Raison de pour l'ensemble était disparition rapide. Bien que le MP1002CA ait pu avoir été un cul-de-sac, il représente le début de l'âge moderne du développement de moteur de Stirling.

Philips a continué pour développer le moteur de Stirling pour une large variété d'applications comprenant des véhicules, mais seulement a jamais réalisé n'importe quel succès commercial avec le cryocooler « de moteur renversé de Stirling ». Ils ont cependant sorti un grand nombre de brevets et ont amassé une richesse d'information concernant la technologie de moteur de Stirling, qui plus tard a été autorisée à d'autres compagnies. Elle a été également utilisée à l'envers comme pompe à chaleur pour produire la réfrigération tôt .

Description fonctionnelle

Le cycle de moteur

Puisque le moteur de Stirling est un cycle fermé, il contient une masse fixe du gaz appelée le " ; fluid" fonctionnant ; , le plus généralement air , hydrogène ou hélium . Dans l'opération normale, le moteur est scellé et aucun gaz n'entre dans ou laisse le moteur. Aucune valve n'est exigée, à la différence d'autres types de moteurs à piston. Le moteur de Stirling, comme la plupart des chaleur-moteurs, cycles par quatre processus principaux : refroidissement, compression, chauffage et expansion. Ceci est accompli en déplaçant le gaz dans les deux sens entre les échangeurs de chaleur chauds et froids . L'échangeur de chaleur chaud est en contact thermique avec une source extérieure de chaleur, par exemple un brûleur à carburant, et l'échangeur de chaleur froid étant en contact thermique avec un radiateur externe, par exemple ailerons d'air. Un changement de la température de gaz causera un changement correspondant de pression de gaz, alors que le mouvement du piston cause le gaz d'être alternativement augmenté et comprimé.

Le gaz suit le comportement décrit par les lois de gaz de qui décrivent comment la pression du d'un gaz, la température et le volume sont connexes. Quand le gaz est heated, parce qu'il est dans une chambre scellée, les élévations et ceci de pression agit alors sur le piston de puissance de produire une course de puissance. Quand le gaz est refroidi les chutes de pression de pression et ceci signifie que moins de travail doit être effectué par le piston pour comprimer le gaz sur la course de retour, de ce fait rapportant un résultat de puissance net.

Quand un côté du piston est ouvert d'atmosphère, l'opération est légèrement différente. Pendant que le volume scellé de gaz de fonctionnement contacte le côté chaud, il augmente, effectuant le travail sur le piston et sur l'atmosphère. Quand le gaz fonctionnant entre en contact avec le côté froid, l'atmosphère travaille au gaz et au " ; compresses" ; il. La pression atmosphérique, qui est plus grande que le gaz fonctionnant refroidi, pousse sur le piston.

Pour récapituler, les utilisations de moteur de Stirling la différence de la température entre son extrémité chaude et extrémité froide d'établir un cycle d'une masse fixe du gaz augmentant et se contractant dans le moteur, de ce fait convertissant l'énergie thermique en transmission mécanique. Plus la différence de la température entre les sources chaudes et froides est grande, plus l'efficacité potentielle du cycle de Carnot de est grande.

On a construit de petits moteurs de démonstration qui tourneront sur une différence de la température aussi de peu de que le °C 7, par exemple entre la paume d'une main et l'air environnant, ou entre la température ambiante et la glace de fonte de l'eau.

Pressurisation

La plupart des moteurs de Stirling de haute performance sont pressurisés, cela est la pression moyenne du fluide de fonctionnement est au-dessus de pression atmosphérique. Ceci augmente la masse du fluide de fonctionnement traitée par cycle, ainsi, en pareilles circonstances, le moteur produit plus de puissance. Malheureusement toutes autres choses sont rarement égales, et pour réaliser le potentiel de plus grands exhangers de la chaleur de pressurisation (régénérateur y compris) sont exigés. Ceci augmente inévitablement l'espace mort et intoxique probablement la résistance d'écoulement, qui tendent à réduire le rendement de puissance. Comme la plupart des aspects de conception de moteur de Stirling, l'optimisation de cet aspect est tour d'adresse sensible entre les conditions souvent contradictoires. Elle expérimentait avec la pressurisation qui a au commencement mené Philips se déplacer de l'air atmosphérique à d'autres gaz pour le fluide de fonctionnement. Aux températures et aux pressions, l'oxygène en air a tendu à combiner avec n'importe quelle huile de graissage qui a fait sa manière après les joints de piston, donnant des problèmes avec obstruer les échangeurs de chaleur ou même la possibilité d'une explosion. On l'a constaté plus tard que quelques gaz, en particulier hydrogène et hélium, ont offert d'autres avantages par rapport à l'air.

Le cycle de Stirling le de de

pour une description détaillée voient la section de la thermodynamique de cycle de Stirling de au-dessous de Idéalisée ou le " ; book" des textes ; Le cycle de Stirling est un cycle thermo-dynamique avec deux le Isochores (volume constant) et deux isothermes (la température constante) de . C'est le cycle thermo-dynamique le plus efficace capable de l'exécution pratique dans un moteur - son efficacité théorique égalant cela du cycle hypothétique de Carnot de . Les issues de quelque manière que techniques limitent son efficacité si appliquées - par exemple un mécanisme plus simple peut être favorisé au-dessus de l'obtention clôturent l'ajustement au cycle théorique.

Le régénérateur

Dans un moteur de Stirling, le régénérateur est un échangeur de chaleur interne et le magasin provisoire placé entre le chaud et le froid espace tels que le fluide de fonctionnement traverse lui d'abord dans une direction puis l'autre. Sa fonction est de maintenir dans le système qui chauffent qui serait autrement échangé avec l'environnement aux températures intermédiaires aux températures de cycle de maximum et de minimum, de ce fait permettant à l'efficacité thermique du cycle d'approcher l'efficacité limiteuse de Carnot a défini par ces maximum et minimum.

L'effet primaire de la régénération dans un moteur de Stirling est d'augmenter considérablement l'efficacité thermique « en réutilisant » intérieurement la chaleur qui traverserait autrement le irréversiblement de moteur. Comme effet secondaire, l'efficacité thermique accrue promet un résultat de puissance plus élevée d'un ensemble donné d'échangeurs de chaleur chauds et froids de fin (puisqu'elle est ceux-ci quel habituellement limite la sortie de la chaleur du moteur), bien que, dans la pratique cette puissance additionnelle ne peut être entièrement réalisée pendant que l'espace mort additionnel et la perte de pompage inhérents dans des régénérateurs pratiques tend à avoir l'effet opposé.

Il est difficile concevoir un régénérateur. Le régénérateur idéal serait : un isolateur parfait dans une direction, un conducteur parfait dans des autres, n'ont aucun volume interne pourtant secteur infini d'écoulement et superficie infinie. Comme avec les échangeurs chauds et froids, la réalisation d'un régénérateur réussi est tour d'adresse sensible entre le transfert de chaleur élevée avec des pertes de pompage visqueuses du bas et le bas espace mort. Ces conflits inhérents de conception sont l'un de beaucoup de facteurs qui limitent l'efficacité des moteurs stirling pratiques. Une incorporation typique pourrait se composer d'une pile de mailles fines du fil en métal avec la basse porosité pour réduire l'espace mort (mais observer ces pertes de pompage !), et avec le de haches de fil perpendiculaire à l'écoulement de gaz pour réduire la conduction dans cette direction.

Le régénérateur est le dispositif principal inventé par le Robert Stirling et sa présence ou autrement devrait être employé pour distinguer un véritable moteur de Stirling d'autres moteurs d'air chaud de de cycle fermé

Beaucoup de moteurs qui n'ont aucun régénérateur apparent peuvent avec une certaine justification toujours s'appeler les moteurs de Stirling comme, dans les bêtas et gamma configurations simples avec » un displacer convenable « lâche, les surfaces du displacer et son cylindre échangeront cycliquement la chaleur avec le fluide de fonctionnement fournissant un certain effet régénérateur. Ceci le plus souvent est vu dans le petit modèle et les types de Ltd où les pertes additionnelles d'écoulement et l'espace mort liés à un régénérateur séparé pourraient réellement prouver contre-productif et l'approche de « aucun régénérateur » est probablement près d'optimal.

Voir également : Économiseur

Configurations de moteur

Les ingénieurs classifient des moteurs de Stirling dans trois types distincts. L'alpha type moteur se fonde sur relier ensemble les pistons de puissance des cylindres multiples pour déplacer le gaz fonctionnant, avec les cylindres tenus aux différentes températures. Le bêta et gamma type moteurs de Stirling emploient un piston de displacer pour déplacer le gaz fonctionnant dans les deux sens entre les échangeurs de chaleur chauds et froids dans le même cylindre.

Alpha Stirling le

un alpha Stirling contient deux pistons séparés de puissance dans des cylindres séparés, un " ; hot" ; piston et un " ; cold" ; piston. Le cylindre chaud de piston est situé à l'intérieur de l'échangeur de chaleur plus haut de de la température et le cylindre froid de piston est situé à l'intérieur de l'échangeur de chaleur de basse température. Ce type de moteur a un rapport très élevé de puissance-à-volume mais a des problèmes techniques dus habituellement à la température du " ; hot" ; piston et la longévité de ses joints. (Voir l'animation ici)

Action d'un alpha type moteur de Stirling

Les diagrammes suivants ne montrent pas un régénérateur, qui serait placé dans la pipe reliant les deux cylindres. Le vilebrequin a été également omis.

Bêta Stirling le bêta Stirling du
A de
de

a un piston simple de puissance disposé dans le même cylindre sur le même axe comme piston de Displacer . Le piston de displacer est un ajustement lâche et n'extrait pas n'importe quelle puissance à partir du gaz en expansion mais seulement des services de faire la navette le gaz fonctionnant de l'échangeur de chaleur chaud à l'échangeur de chaleur froid. Quand le gaz fonctionnant est poussé à l'extrémité chaude du cylindre il augmente et pousse le piston de puissance. Quand il est poussé à l'extrémité froide du cylindre qu'elle se contracte et l'élan de la machine, habituellement augmenté par un volant , pousse le piston de puissance l'autre manière de comprimer le gaz. À la différence de l'alpha type, le bêta type évite les problèmes techniques des joints mobiles chauds. (Voir l'animation ici)

Action d'un bêta type moteur de Stirling

Un bêta Stirling a deux pistons dans le même cylindre tous les deux reliés au même vilebrequin. Un de ces derniers est le piston étroitement adapté de puissance et l'autre un piston lâchement adapté de déplacement.

Stirling gamma le Stirling gamma du
A de
de

est simplement un bêta Stirling dans lequel le piston de puissance est monté dans un cylindre séparé à côté du cylindre de piston de displacer, mais est toujours relié au même volant. Le gaz dans les deux cylindres peut couler librement entre eux mais reste un corps simple. Cette configuration produit un taux de compression inférieur mais est mécaniquement plus simple et employée souvent dans des moteurs polycylindriques de Stirling.

D'autres types

Les changements à la configuration des moteurs mécaniques de Stirling continuent à intéresser des ingénieurs et des inventeurs. Notamment, certains sont à la poursuite du moteur rotatoire de Stirling ; le but ici est de convertir la puissance du cycle de Stirling directement en couple, un but semblable à cela qui a mené à la conception du moteur rotatif . Aucun moteur pratique n'a été encore construit mais un certain nombre de concepts, de modèles et de brevets ont été produits.

Il y a également un champ de " de ; " à pistons libres ; Stirling fait un cycle des moteurs, y compris ceux avec les pistons liquides et ceux avec des diaphragmes comme pistons.

Une alternative au moteur mécanique de Stirling est la pompe de Fluidyne , qui emploie le cycle de Stirling par l'intermédiaire d'un piston hydraulique. Sous sa forme plus fondamentale elle contient un gaz fonctionnant, un liquide et deux soupapes auto-retour. Le travail a produit par le Fluidyne entre dans pomper le liquide.

Un développement récent des moteurs de Stirling sont le moteur stirling de Thermoacoustic de , qui regarde comme les bêtas moteurs de Stirling mais sans displacer.

Sources de chaleur

Pratiquement toute puissance de volonté de différence de la température un moteur de Stirling. La source de chaleur peut être dérivée de la combustion de carburant, par conséquent du " de limite ; engine" externe de combustion ; , bien que la source de chaleur puisse également être le solaire, le géothermique, le nucléaire ou même le biologique. De même un " ; source" froid ; au-dessous de la température ambiante peut être employé comme différence de la température (voir l'économie d'azote liquide de ). Une source froide peut être le résultat d'un fluide cryogénique ou de l'eau glacée. Dans le cas où un petit différentiel de la température est employé pour développer une quantité significative de puissance, de grands écoulements de la masse du chauffage et fluides de refroidissement doivent être pompés par les échangeurs de chaleur externes, de ce fait entraînant les pertes parasites qui tendent à réduire l'efficacité du cycle.

Puisqu'un échangeur de chaleur sépare le gaz fonctionnant de la source de chaleur, un éventail de sources de chaleur peut être employé, y compris n'importe quel carburant ou chaleur résiduelle d'un autre processus. Puisque les produits de combustion n'entrent pas en contact avec les pièces mobiles internes du moteur, un moteur de Stirling peut tourner sur le gaz de remblai de contenant les siloxane sans accumulation de la silice les moteurs à combustion interne ce de dommages de tournant sur ce carburant. La vie d'huile de graissage est plus longue que pour les moteurs à combustion interne.

Le ministère de l'énergie d'États-Unis au centre de Washington, de recherches de la NASA Glenn à Cleveland, et à l'Infinia Corporation de Kennewick, Washington, développent un convertisseur à pistons libres de Stirling pour un générateur de radio-isotope de Stirling de . Ce dispositif emploierait une source du plutonium pour assurer la chaleur.

Développement commercial récent

Vers la fin des années 40 , la compagnie de l'électronique de Philips de aux Pays Bas recherchait un générateur souple de l'électricité pour permettre l'expansion mondiale des ventes de ses appareils électroniques dans les secteurs sans l'infrastructure fiable de l'électricité. La compagnie a déployé des efforts énormes de recherches de recherche et développement dans des moteurs de Stirling construisant sur la recherche qu'ils avaient commencée dans les années 30 et qui a duré jusqu'aux années 70 . Le seul produit commercial durable pour Philips était son moteur renversé de Stirling : le cryocooler de Stirling (voir ci-dessous).

Le laboratoire national de Los Alamos a développé un " ; La chaleur acoustique Engine" de Stirling ; sans les pièces mobiles. Il la chaleur de convertis dans la puissance acoustique intense qui (citée de la source donnée) " ; peut être employé directement dans les réfrigérateurs acoustiques ou des réfrigérateurs d'impulsion-tube pour fournir la réfrigération chaleur-conduite sans les pièces mobiles, ou… pour produire de l'électricité par l'intermédiaire d'un alternateur linéaire ou de tout autre transducer" électroacoustique de puissance ;.

Le pensent le Nordic , une compagnie de voiture électrique en Norvège, travaille avec doyen de d'inventeur Kamen sur des plans pour installer des moteurs de Stirling dans la ville de pensée, un véhicule autrement tout-électrique qui sera disponible dans le commerce à la fin de 2007, au moins en Europe.

Depuis 1988, les chantiers navaux de Kockums ont équipé des sous-marins des moteurs de Stirling. Ils sont actuellement employés sur des sous-marins du Gotland et des classes de Södermanland . Ces moteurs sont courus sur l'oxygène diesel et liquide et sont adaptés sous le nom de l'AIP de Stirling pour la propulsion Air-indépendante .

Thermodynamique de cycle de Stirling

Le cycle de Stirling idéal du se compose de quatre processus thermo-dynamiques agissant sur le fluide de fonctionnement (voir le diagramme vers la droite) : points de
1 2, points isothermes de

de l'expansion

de 2 3, points de

du chaleur-déplacement

de Constant-Volume ( isométrique d'aka ou isochore) 3 4, points isothermes de

de la compression

de du 4 1, chaleur-addition de Constant-Volume ( isométrique d'aka ou isochore)

Ce cycle de Stirling idéal est généralement connu comme " ; carré-cycle" ; , parce qu'une fois représentées graphiquement sur une parcelle de terrain pression-volume, les transitions rapides entre les processus produisent une forme avec des coins. Dans un vrai moteur de Stirling, les contraintes de conception physique limitent la force nette sur chaque élément de moteur, et limitent ainsi l'accélération maximum (ou taux-de-changer de la vitesse). Ainsi un vrai cycle de Stirling dans un moteur de Stirling exige le mouvement relativement sans heurt, qui est généralement le ou quasi-sinusoïdal sinusoïdal. Dans ce cas-ci la forme du Picovolte-tracent est quasi-elliptique. Également dans un vrai cycle de moteur, l'exécution de transfert de chaleur des échangeurs de chaleur s'étend de l'efficacité 100% dans un processus isotherme , à l'efficacité de 0% dans un processus adiabatique (aucun transfert de de la chaleur ). Les processus de compression et d'expansion peuvent être modelés en tant que processus polytropiques du un $de de de de de \ frac {P V^n = k} {}$ ,
de
là où le k est constant, et le n est lié par :

$1 \ le n \ le \ frac {c_p} {} de c_V \ le 2$ .

là où le ${c_V}$ est la capacité de la chaleur spécifique au volume constant (J/kgK) et le ${c_p}$ est la capacité de chaleur spécifique au

de la pression constante (J/kgK)

Comparé au cycle idéal, l'efficacité d'un vrai moteur est réduite par les irrévocabilités , le frottement, et la perte de la chaleur conduite par de court-circuit de , de sorte que l'efficacité globale soit souvent seulement environ la moitié ( Carnot ) de l'efficacité idéale. < ! --- NOTE : Ce n'est pas un ensemble de diagrammes pour l'alpha moteur de Stirling. C'est un ensemble de diagrammes qui illustrent le cycle de Stirling idéal de « ajuster-cycle ». --->

Avantages des moteurs de Stirling

qu'ils peuvent courir directement sur n'importe quelle source de chaleur disponible, pas simplement un produit par la combustion, ainsi ils peuvent être utilisés pour courir sur la chaleur des sources solaires, géothermiques, biologiques, nucléaires ou de la chaleur résiduelle de n'importe quel processus industriel. le

A de

le processus que continu de combustion peut être employé pour assurer la chaleur, ainsi la plupart des types des émissions peut être considérablement réduit. le
la plupart des types de moteurs de Stirling ont le roulement et les joints du côté frais du moteur ; par conséquent, ils exigent moins de lubrifiant et de bout sensiblement plus longtemps entre les révisions que d'autres types de moteur d'échange. le
les mécanismes de moteur sont par certains côtés plus simple que d'autres types de types de moteur d'échange, c. aucune valve n'est nécessaire, et le système de brûleur à carburant peut être relativement simple. le
un moteur de Stirling emploie un fluide de fonctionnement monophasé qui maintient une pression interne près de la pression de conception, et pour un système correctement conception le risque d'explosion est ainsi relativement bas. Dans la comparaison, une machine à vapeur emploie un gaz biphasé/fluide de fonctionnement liquide, ainsi une soupape de sécurité défectueuse peut causer un état de surpression et une explosion potentiellement dangereuse. le
dans certains cas, basse pression de fonctionnement permet l'utilisation des cylindres légers.
ils peuvent être construits pour courir très tranquillement et sans air, pour l'usage Air-indépendant de la propulsion dans des sous-marins ou dans l'espace.
qu'ils commencent facilement (quoique lentement, après qu'une période de préchauffage) et courent plus efficacement en temps froid, contrairement à la combustion interne qui commence rapidement par temps chaud, mais pas en temps froid. le
un moteur de Stirling utilisé pour pomper l'eau peut être configuré de sorte que l'eau pompée refroidisse l'espace de compression. C'est, naturellement, le plus efficace en pompant l'eau froide.
ils sont extrêmement flexibles. Ils peuvent être employés comme PCCE (production combinée de chaleur et d'électricité ) en hiver et comme refroidisseurs en étés. la chaleur résiduelle de
est relativement facilement moissonnée (comparé à la chaleur résiduelle d'un moteur à combustion interne) rendant des moteurs de Stirling utiles pour le duel-rendement pour chauffer et les systèmes d'alimentation.

Inconvénients des moteurs de Stirling

Issues de taille et de coût

les conceptions de moteur de Stirling de

exigent les échangeurs de chaleur pour l'entrée de chaleur et pour la chaleur dégagée, et ceux-ci doivent contenir la pression du fluide de fonctionnement, où la pression est proportionnelle au rendement de puissance de moteur. En outre, l'échangeur de chaleur d'expansion-côté est souvent très à élevé, ainsi les matériaux doivent résister aux effets corrosifs de la source de chaleur, et ont le bas fluage de (déformation) . Typiquement ces besoins en matériaux augmentent sensiblement le coût du moteur. Les matériaux et les coûts d'assemblage pour un échangeur de chaleur à hautes températures explique typiquement 40% de tout le coût de moteur. (Hargraves) le

tous les cycles thermo-dynamiques exigent de grands différentiels de la température pour l'opération efficace ; cependant, dans un moteur à combustion externe, la température de réchauffeur toujours égale ou dépasse la température d'expansion. Ceci signifie que les conditions métallurgiques pour le matériel de réchauffeur sont très exigeantes. C'est semblable à une turbine à gaz , mais contraste avec un moteur d'Otto de ou le moteur diesel , où la température d'expansion peut de loin dépasser la limite métallurgique des matériaux de moteur, parce que la chaleur-source d'entrée n'est pas conduite par le moteur ; ainsi les matériaux de moteur fonctionnent plus près de la température moyenne du gaz fonctionnant. la dissipation de

la chaleur résiduelle est particulièrement compliquée parce que la température de liquide réfrigérant est maintenue aussi basse comme possible de maximiser l'efficacité thermique. Ceci augmente la taille des radiateurs, qui peuvent rendre l'empaquetage difficile. Avec le coût de matériaux, ceci a été l'un des facteurs limitant l'adoption des moteurs de Stirling en tant que moteurs des véhicules à moteur. Cependant, parce que toute autre densité de puissance élevée de d'applications n'est pas exigé, comme la propulsion de bateau de , et les systèmes stationnaires de Microgeneration using la production combinée de chaleur et d'électricité (PCCE) .

Issues de puissance et de couple

les moteurs de Stirling de

, particulièrement ceux qui fonctionnent sur de petits différentiels de la température, sont tout à fait grands pour la quantité de puissance qu'ils produisent (c. ils ont la puissance spécifique de bas ). C'est principalement dû au coefficient de transfert à basse température de convection gazeuse qui limite le flux thermique avec lequel peut être atteint dans un échangeur de chaleur interne environ à 4 - 20 (m*K). Ceci le rend très provocant pour le concepteur de moteur à la chaleur de transfert dans et hors du gaz fonctionnant. L'augmentation du différentiel et/ou de la pression de la température permet à des moteurs de Stirling de produire plus de puissance, assumant les échangeurs de chaleur sont conçus pour la charge thermique accrue, et peuvent fournir le flux thermique convected nécessaire.

qu'un moteur de Stirling ne peut pas démarrer immédiatement ; il a besoin littéralement de " ; " de préchauffage ;. C'est vrai de tous les moteurs à combustion externe, mais le temps de préchauffage peut être abréviation Stirlings que pour d'autres de ce type tel que des moteurs des machines à vapeur Stirling sont le meilleur utilisé en tant que moteurs de vitesse constante. le rendement de puissance de

d'un Stirling tend à être constant et l'ajuster peut parfois exiger la conception soigneuse et les mécanismes additionnels. Typiquement, des changements du rendement sont réalisés en variant le déplacement du moteur (souvent par l'utilisation d'un arrangement de vilebrequin de Swashplate ), ou en changeant la quantité de fluide de fonctionnement, ou en changeant l'angle de phase de piston/displacer, ou dans certains cas simplement en changeant la charge de moteur. Cette propriété est moins d'inconvénient dans la propulsion ou le " électrique hybride ; load" bas ; génération de service où le rendement de puissance constante est réellement souhaitable.

Issues de choix de gaz

viscosité de s de l'hydrogène de
la 'basse, la conductivité thermique élevé et la chaleur spécifique lui font le gaz fonctionnant le plus efficace, en termes de thermodynamique et dynamique des fluides , pour employer dans un moteur de Stirling. Cependant, donné le taux élevé de diffusion s'est associé à ce bas gaz du poids moléculaire , hydrogène coulera par le métal plein, ainsi il est très difficile de maintenir la pression à l'intérieur du moteur pour n'importe quelle durée sans remplacement du gaz. Typiquement, des systèmes auxiliaires doivent être ajoutés pour maintenir la quantité appropriée de fluide de fonctionnement. Ces systèmes peuvent être une bouteille de stockage de gaz ou un générateur de gaz. De l'hydrogène peut être produit par l'électrolyse de l'eau, ou par la réaction de l'acide sur le métal. L'hydrogène peut également causer la fragilisation des métaux. L'hydrogène est également un gaz très inflammable, alors que l'hélium est le inerte. les moteurs le plus techniquement avancés de Stirling de

, comme ceux développés pour des laboratoires de gouvernement des États-Unis, emploient l'hélium comme gaz fonctionnant, parce qu'il fonctionne près de la densité d'efficacité et de puissance de l'hydrogène avec moins des issues matérielles de retenue. L'hélium est relativement cher, et doit être fourni par le gaz mis en bouteille. Un essai a montré que l'hydrogène était 5% absolument (24% relativement) plus efficace que l'hélium dans le moteur de GPU-3 Stirling. le

quelques moteurs emploient l'air ou l'azote comme fluide de fonctionnement. Ces gaz sont moins thermodynamiquement efficaces mais ils réduisent au minimum les problèmes de la retenue et de l'offre de gaz. L'utilisation d'air comprimé en contact avec les matériaux inflammables ou les substances telles que l'huile de graissage, présente un risque d'explosion, parce que l'air comprimé contient une pression partielle élevé de l'oxygène . Cependant, l'oxygène peut être enlevé de l'air par une réaction d'oxydation, ou l'azote mis en bouteille peut être employé.

Applications

Applications de production combinée de chaleur et d'électricité

La production combinée de chaleur et d'électricité (PCCE) est une source économique de courant mécanique ou électrique, qui emploie une source de chaleur en même temps qu'une application secondaire de chauffage, habituellement une utilisation d'énergie préexistante, telle qu'un processus industriel. Habituellement la source de chaleur primaire entrera dans le réchauffeur de moteur de Stirling, depuis ce sera habituellement à une température plus élevée que l'application de chauffage, et au " ; waste" ; la chaleur du réchauffeur du moteur fournira l'application secondaire de chauffage. La puissance produite par le moteur est employée souvent pour courir un processus industriel ou agricole, qui crée alternativement les ordures de perte de biomasse qui peuvent être employées en tant que carburant libre pour le moteur, de ce fait réduisant des coûts de déplacement de rebut. Le processus global est très inventif, de ce fait la rendant combinaison efficace et rentable.

WhisperGen, une société de la Nouvelle Zélande avec des bureaux dans le Christchurch , a développé un " ; La chaleur combinée micro et Power" à C. ; Moteur de cycle de Stirling. Ces unités de MicroCHP sont des chaudières de chauffage central à gaz qui vendent la puissance de nouveau dans le réseau électrique . WhisperGen a annoncé en 2004 qu'elles produisaient 80.000 unités pour le marché résidentiel du Royaume-Uni . Une épreuve de 20 unités en Allemagne a commencé en 2006.

Production d'électricité solaire

Placé au centre d'un miroir parabolique un moteur de Stirling peut convertir l'énergie solaire en électricité avec les cellules photovoltaïques d'un mieux que non-concentré d'efficacité , et comparable à la photo concentrée par Voltaics . Sur le 2005 du 11 août , la Californie méridionale Edison annoncé un accord d'acheter les moteurs actionnés solaires du Stirling des systèmes énergétiques de Stirling sur une période de vingt ans et dans la quantité (20.000 unités) suffisamment pour produire de 500 mégawatts de l'électricité. Ces systèmes, à une ferme solaire de 4.500 acres (19 kilomètres de ²), utiliseront des miroirs pour diriger et concentreront la lumière du soleil sur les moteurs qui à leur tour des générateurs d'entraînement.

Cryocoolers de Stirling

N'importe quel moteur de Stirling fonctionnera également à l'envers comme pompe à chaleur : c. quand un mouvement est appliqué à l'axe, une différence de la température apparaît entre les réservoirs. Une de leurs utilisations modernes est dans la réfrigération et la cryogénie .

Les éléments mécaniques essentiels d'un cryocooler de Stirling sont identiques à un moteur de Stirling. La rotation de l'axe comprimera le gaz fonctionnant faisant monter sa température. Cette chaleur sera alors absorbée en poussant le gaz contre un échangeur de chaleur. La chaleur découlerait alors du gaz dans cet échangeur de chaleur qui serait probablement refroidi en passant un écoulement d'air ou de tout autre fluide au-dessus de son extérieur. La rotation supplémentaire de l'axe augmentera alors le gaz fonctionnant. Puisqu'elle avait été juste refroidie l'expansion réduira sa température encore autre. Le gaz très froid de now sera poussé contre l'autre échangeur de chaleur et la chaleur découlerait de elle dans le gaz. Le côté externe de cet échangeur de chaleur serait à l'intérieur d'un compartiment thermiquement isolé tel qu'un réfrigérateur. Ce cycle serait répété par le passé pour chaque tour de l'axe. La chaleur en effet est pompée hors de ce compartiment, par le gaz fonctionnant du cryocooler et vidée dans l'environnement. La température à l'intérieur du compartiment chutera parce que son isolation empêche la chaleur ambiante d'entrer pour remplacer cela pompé dehors.

Comme avec le moteur de Stirling, l'efficacité est améliorée en passant le gaz par un « régénérateur » qui protège l'écoulement de la chaleur entre les extrémités chaudes et froides de la chambre à gaz.

Le premier cryocooler de cycle de Stirling a été développé au Philips dans les années 50 et commercialisé dans des endroits tels que des usines de l'azote liquide . Les affaires de cryogénie de Philips ont évolué jusqu'à ce qu'elles aient été dédoublées au loin en 1990 pour former la cryogénie et la réfrigération BV de Stirling , Les Pays Bas. Cette compagnie est toujours en activité au développement et à la fabrication des cryocoolers de Stirling et des systèmes de refroidissement cryogéniques.

Une large variété de plus petits cryocoolers de Stirling de taille sont disponible dans le commerce pour des tâches telles que le refroidissement des sondes.

La réfrigération de Thermoacoustic de emploie un cycle de Stirling dans un gaz fonctionnant qui est créé par les ondes sonores d'amplitude élevée.

Pompe à chaleur

Une pompe à chaleur de de Stirling est très semblable à un cryocooler de Stirling, la différence principale qu'elle fonctionne habituellement à la température ambiante et son application principale est jusqu'ici de pomper la chaleur de l'extérieur d'un bâtiment à l'intérieur, de ce fait le chauffant à bon marché.

Comme avec tout autre dispositif de Stirling, débits calorifiques de l'espace d'expansion à l'espace de compression ; cependant, avec le moteur de Stirling, l'espace d'expansion contraste à une plus basse température que l'espace de compression, ainsi au lieu de produire le travail, une entrée de travail mécanique est exigée par le système (afin de satisfaire la loi de deuxièmes de thermodynamique ). Quand le travail mécanique pour le heat-pump est fourni par un deuxième moteur de Stirling, alors le système global s'appelle un " ; chaleur-conduit, la chaleur-pump" ;.

L'expansion-côté du heat-pump est thermiquement couplé à la chaleur-source, qui est souvent l'environnement externe. Le côté de compression du dispositif de Stirling est placé dans l'environnement à chauffer, par exemple un bâtiment, et la chaleur est " ; pumped" ; dans lui. En général il y aura l'isolation que thermique entre les deux côtés tellement là sera un intérieur d'échauffement l'espace isolé.

Les Heat-pumps sont de loin les types les plus de rendement optimum de systèmes de chauffage. Les heat-pumps de Stirling ont également souvent un coefficient plus élevé de de l'exécution que les heat-pumps conventionnels. Jusqu'ici, ces systèmes ont vu l'utilisation commerciale limitée ; cependant, l'utilisation est prévue d'augmenter avec la demande du marché pour des économies d'énergie, et l'adoption sera probablement accélérée par des améliorations technologiques.

Moteurs marins

Kockums , le constructeur de navires suédois, avait construit au moins 8 sous-marins actionnés par Stirling commercialement réussis pendant les années 80. En date de 2005 elles ont commencé à porter à oxygène comprimé avec elles (voir le Gotland classer le sous-marin ).

Énergie nucléaire

Il y a un potentiel pour les moteurs à propulsion nucléaire de Stirling aux usines de génération de courant électrique. Le remplacement des turbines à vapeur de vapeur des centrales nucléaires par des moteurs de Stirling pourrait simplifier l'usine, rapporter une plus grande efficacité, et réduire les sous-produits radioactifs. Un certain nombre de conceptions de réacteur autorégénérateur emploient le sodium liquide comme liquide réfrigérant. Si la chaleur doit être utilisée à une usine de vapeur, un échangeur de chaleur de l'eau/sodium est prié, qui soulève de l'inquiétude pendant que le sodium réagit violemment avec de l'eau. Un moteur de Stirling obvie au besoin d'eau n'importe où dans le cycle.

Les laboratoires de gouvernement des États-Unis ont élaboré une conception moderne de moteur de Stirling connue sous le nom de générateur de radio-isotope de Stirling de pour l'usage dans l'exploration d'espace. Elle est conçue pour produire de l'électricité pour des sondes d'espace lointain sur des missions durant des décennies. Le moteur emploie un displacer simple pour réduire les pièces mobiles et emploie l'acoustique de haute énergie pour transférer l'énergie. La source de chaleur est un lingot plein sec de carburant nucléaire et le radiateur est l'espace lui-même.

Moteurs de véhicule

On le réclame souvent que le moteur de Stirling a si bas un rapport de puissance/poids et une heure de départ trop longue pour des applications des véhicules à moteur. Il y a eu au moins deux automobiles exclusivement actionnées par les moteurs de Stirling qui ont été développés par la NASA, aussi bien que des projets plus tôt par Ford et les compagnies américaines de moteur.

Les difficultés principales impliquées en utilisant le moteur de Stirling dans une application des véhicules à moteur sont temps de démarrage, réponse d'accélération, temps d'arrêt, et poids, pas qui ont les solutions prêtes à l'emploi. Beaucoup de personnes croient que les systèmes électriques hybrides d'entraînement peuvent dévier tous ces reculs. En novembre 2007, une voiture hybride de prototype using le combustible organique plein et un moteur stirling ont été annoncés par le projet de Precer en Suède.se (dans le Suédois, avec une feuille de spécifications anglaise sous le lien de pdf).

Les véhicules de la NASA ont été conçus par des entrepreneurs et ont indiqué mod I et mod II. Le mod II a remplacé le moteur d'allumage par étincelle normal dans des 1985 berline avec hayon arrière de célébrité de Chevrolet de 4 portes. Dans 1986 le rapport de conception de mod II (l'annexe A) les résultats prouvent que le kilomètrage de gaz de route a été augmenté de 40 au mpg 58 et au kilomètrage urbain de 26 au mpg 33 sans le changement du poids brut du véhicule.

Le temps de démarrage dans le véhicule de la NASA maxed dehors à 30 secondes, alors que le véhicule des recherches de Ford utilisait un radiateur électrique placé directement dans le mélange d'air chaud pour mettre le véhicule en seulement quelques secondes.

Moteurs d'avions

Les moteurs de Stirling tiennent la promesse théorique comme moteurs d'avions. Ils sont plus silencieux, moins polluant, efficacité de gain avec l'altitude, sont dus plus fiable à peu de parties et à l'absence d'un circuit d'allumage, produisent beaucoup moins de vibration (fuselages pour la dernière fois plus longtemps) et des carburants plus sûrs et moins explosifs peuvent être employés. (voir au-dessous du " ; Argument sur pourquoi le moteur de Stirling peut être appliqué dans l'aviation" ; ou " ; Pourquoi l'aviation a besoin du Stirling Engine" ; par Darryl Phillips, une série à quatre parties dans le mars 1993 aux issues du mars 1994 de Stirling usine le monde)

Énergie géothermique

Certains croient que la capacité du moteur de Stirling de convertir l'énergie géothermique en électricité et alors en hydrogène peut bien tenir la clef sur le remplacement des combustibles fossiles dans une future économie d'hydrogène. Cette croyance a été également fondée sur la recherche conduite aux laboratoires de Los Alamos qui ont commencé comme une recherche sèche chaude de roches, mais plus tard calculé le potentiel énergétique sans limites proche de la roche fondue d'un côté d'un moteur de Stirling et océan arrosent de l'autre. Bien qu'actuellement la source la plus faisable de génération électrique commerciale soit solaire, les prévisions à très grande portée montrent que les avances dans le perçage et l'élaboration des méthodes profonds au travail avec la roche fondue pourraient rapporter les niveaux exponentiels de la génération d'énergie propre pour des milliers d'années.

Moteurs de différence de basse température

Un moteur de Stirling de différence de basse température (bas delta T, ou Ltd) tournera sur n'importe quel différentiel de basse température, par exemple la différence entre la paume d'une main et température ambiante ou température ambiante et un glaçon. Habituellement ils sont conçus dans une configuration gamma, pour la simplicité, et sans régénérateur. Ils sont en général non-pressurisés, fonctionnement à la pression proche-atmosphérique. La puissance produite est moins d'un watt , et ils sont prévus pour la démonstration seulement. Ils sont vendus sous le nom de jouets et de modèles éducatifs.

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