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RÉSUMÉ
Dans les moteurs à combustion externe, aucun apport de chaleur vers le fluide de travail n’est produit par combustion à l’intérieur du moteur. Les apports de chaleur produits par une combustion externe sont réalisés par échanges thermiques à travers les parois des cylindres ou par des échangeurs de chaleur. Ces moteurs à gaz chaud présentent l’avantage de pouvoir fonctionner avec toutes sortes de sources d’énergie et les technologies modernes permettent d’améliorer leurs performances. Cet article fait le point sur ces moteurs qui trouvent un regain d’intérêt en raison des impératifs d’énergie décarbonée, ainsi que dans les applications de récupération d’énergie fatale.
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Georges DESCOMBES : Professeur des universités, - Ingénieur scientifique en physique énergétique, - Ingénieur motoriste du Cnam, Paris, France
INTRODUCTION
Des idées originales de substitution à la cinématique usuelle de transformation du mouvement par bielle-manivelle d’un moteur à combustion sont régulièrement proposées. Certains concepts, imaginés dès les années 1900, émergent de nouveau en ce début de XXIe fin de siècle et la meilleure maîtrise des technologies peut constituer une aide à la réactivation de certains d’entre eux dans le cadre de la transition énergétique. On observe néanmoins qu’ils conduisent le plus souvent à des réalisations de technologie complexe dont le niveau de fiabilité se révèle contrasté.
Deux types de moteurs à apport de chaleur externe ont ainsi été inventés dès les années 1800. Le brevet du moteur Stirling a été déposé par Robert Stirling en 1816 et des réalisations ont été effectuées en particulier par la firme Philips aux Pays-Bas à partir des années 1830. Le moteur Ericsson dont le premier modèle date de 1833 a été produit dès la période 1889 à 1900.
Le concept de moteur à gaz chaud à combustion externe (Stirling, Ericsson, Rankine, Hirn et d’autres applications dérivées dans les machines à vapeur) connaît un regain d’intérêt au XXIe siècle dans le secteur des machines thermiques décarbonées de faible puissance et hybridées.
L’objectif de cet article est de rétablir le lien intrinsèque entre la genèse de ces machines à gaz chaud et leur réactivation actuellement très soutenue dans le contexte décarboné que l’on connaît. Une panoplie de production d’énergie combinée et de valorisation des énergies fatales de puissance modeste, mais bien réelle, fait ainsi son retour dans des secteurs aussi variés que l’habitat, la téléphonie portable, le solaire, les applications militaires et le domaine spatial.
On assiste de la même manière à un intérêt renouvelé pour les applications de micro-cogénération et la production d’électricité délocalisée en site isolé. La conversion d’énergie solaire et l’utilisation de la biomasse nécessitent quant à elles des récupérateurs de chaleur, qui facilitent un possible stockage complémentaire de chaleur. Enfin, l’utilisation de systèmes solaires hybrides à haut rendement devient elle aussi une réalité avec une fiabilité désormais de bon niveau, c’est-à-dire avec une durée de vie accrue et une maintenance réduite.
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Concept du moteur à gaz chaud1. Aperçu historique
C. Ader réussit à faire décoller, le 9 octobre 1890, un aéroplane par la seule force motrice de son moteur à vapeur entraînant une hélice quadri-pale. L’Eole se soulève de quelques centimètres et parvient à voler sur une vingtaine de mètres. Le second avion de C. Ader exposé au musée des Arts et Métiers réussit, en 1897, un vol de 300 m à 0,50 m d’altitude. Il est tracté par deux hélices quadri-pales entraînées par deux moteurs à vapeur d’une puissance unitaire de l’ordre de 15 kW et alimentés par un générateur commun de vapeur.
Cette réussite majeure est l’œuvre d’un savant qui est à la fois motoriste et avionneur. Le moteur est à double expansion de vapeur et le générateur tubulaire assure une vaporisation efficace grâce à un foyer à brûleurs alimentés en alcool. Ce moteur fonctionne selon le principe de Carnot et il exploite les propriétés d’expansion de l’eau lorsqu’elle entre en ébullition sous l’action d’une source de chaleur externe.
La source chaude d’une machine à vapeur provient d’une chaudière alimentée en eau, soumise à l’action d’un foyer transformant l’eau en vapeur. La source froide se situe au niveau d’un condenseur à la sortie duquel l’eau liquide sous basse pression est mise en circulation par une pompe. La puissance motrice est issue de la différence de pression de la vapeur qui règne sur chaque face d’un piston à double effet. La cinématique bielle-manivelle transforme le mouvement rectiligne alternatif du piston en mouvement rotatif destiné à entraîner le circuit récepteur.
L’époque des machines à vapeur à pistons est désormais révolue sur le continent occidental et ce thème n’est donc pas développé dans le cadre de cet article. On observe néanmoins que 20 % du marché de la propulsion ferroviaire utilise encore ce type de moteur à vapeur en 1997 en Chine, le complément se partageant à hauteur de 20 % environ pour la traction électrique et de 60 % pour les moteurs Diesel.
Le moteur alternatif à combustion externe à gaz chaud est inventé dès 1816 par les frères Stirling et une application industrielle voit le jour dans une fonderie écossaise à Dundee vers 1844. Ce moteur comporte un cylindre moteur à double effet et deux cylindres régénérateurs permettent le transfert de chaleur. La figure ...
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Aperçu historique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SERRUYS (M.) - À propos des cycles d’Ericsson et de Stirling. - Revue générale de thermique, n° 143 (1973).
-
(2) - MEIJER (R.J.) - Le développement des moteurs Stirling en Suède. - Rapport interne Kockums (1996).
-
(3) - ALGER (D.L.) - Progress toward the evolution of a Stirling space engine. - SAE Paper, 880545 (1988).
-
(4) - UNDERWOOD (A.) - Les possibilités du moteur Stirling. - Revue de la SIA (1963).
-
(5) - STERLICHT (B.) - Le moteur Stirling. - La Recherche, n° 161 (1984).
-
(6) - ACHTEN (A.J.) - A review of free piston engine concepts. - SAE Paper, 941776 (1994).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Pompes à chaleur – Systèmes à compression de vapeur.
-
Moteurs non conventionnels – Moteurs thermiques à combustion interne.
-
Récupération et valorisation des énergies fatales dans les machines thermiques.
ANNEXES
Prévond, L. et al. Brevet international WO 02057612 publié le 25.07.2002.
François, P., Prévond, L., Descombes, G., 2002, Extension internationale n° PCT-FR02-00173 du 17.01.02 du brevet initial France IFB 00 CNA LIN du 14.11.2000, publiée sous le n° WO 02057612 en date du 25.07.2002 avec date de priorité actée le 17.01.2001, Groupe électrogène à mouvement linéaire alternatif à base de moteur Stirling et procédé de mise en œuvre, 2002.
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
HAUT DE PAGE
2.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
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QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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