Regles de construction "moteur stirling"

[littleman]

bonjour a tous, j'ai réalisé un moteur stirling beta, sans étude sérieuse, en m'inspirant de ce qui exister deja et... il n'as pas fonctionné. Bon, une leçon ne fait pas de mal ! aujourd'hui, je suis a l'étude d'un moteur gamma type "chenapan" et j'aimerai avoir votre avis pour ne pas revivre un echec.
les caracteristiques sont les suivantes:
piston 15mm course 16mm / deplaceur 22mm course 28mm, cylindre deplaceur 23mm. volant moteur 90mm acier L10mm. cylindre deplaceur 90mm Refroidisseur Diametre 44mm hauteur 28. le refroidisseur étant monté sur le cylindre deplaceur.
ci joint, une vue d'ensemble de mon étude. merci par avance !

 

[maitrefred]

Bonjour.
De combien est le calage du vilebrequin, sur le schéma, il a l'air d'être à 180°, donc pas bon du tout.

 

[littleman]

le calage est à 90°, le plan n'est pas juste sur ce point !

 

[mekratrig]

Pourquoi ne pas faire directement un Chenapan ?
Il fonctionne à tous les coups !
Étant donné que j'en fait des cadeaux à la famille, j'en suis à mon troisième !

 

[littleman]

le but serait d'écrire les règles fondamentales pour construire des moteurs de forme différentes et de dimensions différentes ! reproduire c'est bien, mais créer c'est mieux !!! salutations

 

[mekratrig]

le but serait d'écrire les règles fondamentales pour construire des moteurs de forme différentes et de dimensions différentes ! reproduire c'est bien, mais créer c'est mieux !!! salutations

C'est déjà fait !!!!!!!!!

Lire les pages 56 à 61 du livre : "Les moteurs Stirling" par Rudy Mémin aux éditions J2P.

 

[Titou16]

J'ai conçu et fabriqué un moteur stirling qui ne tient pas compte des proportions indiquées par Rudy MEMIN. Je l'ai construit avant d'acheter le bouquin. Du coup quand j'ai eu connaissance de ces proportions, j'ai modifié mon moteur pour qu'il respeste les proportions decrites dans le bouquin (concretement j'ai alongé le cylindre deplaceur par rapport à la taille d'origine). Mais en fait il a marché moins bien qu'avec les proportions d'origine. Du coup j'ai fait l'essai inverse en reduissant le cylindre déplaceur par rapport à la taille d'origine pour voir. Cette fois les performances ont été encore plus mauvaises.
En conclusion ces proportions ne sont pas paroles d'évangile...

 

[mekratrig]

...concretement j'ai alongé le cylindre deplaceur par rapport à la taille d'origine). Mais en fait il a marché moins bien qu'avec les proportions d'origine. Du coup j'ai fait l'essai inverse en reduissant le cylindre déplaceur par rapport à la taille d'origine pour voir...

C'est moins un problème d'allongement que de diamètre pour jouer sur les différents volumes qu'il faut prendre en compte !

 

[Titou16]

J'ai voulu voir si le fait d'alonger le cylindre deplaceur permettait un meilleur transfert de chaleur. Cela à priori doit etre le cas puisque le gaz de travail est en contact avec une plus grande surface. Mais le jeu entre le cylindre de déplaceur et le deplaceur étant constant, alonger le tout augmente le volume mort. Du coup le gain en transfert thermique et perdu par l'augmentation du volume mort.

Là je vais faire un nouvel essai. Mon cylindre déplaceur est en deux parties. La zone froide est en alu. La zone chaude en acier. Les deux zones sont séparées par un joint papier qui fait un peu isolant. La chaleur passe de la partie chaude à la partie froide par conduction par les vis. On peut pas faire grand chose pour empecher ça. Hormis mettre des morceaux de joints papier sous les tetes de vis eventuellement pour isoler un peu.
Mais surtout l'essai que je vais faire c'est de faire la zone chaude en alu qui transfert mieux la chaleur.

A terme je veux réaliser un moteur beaucoup plus gros, présurisé qui puisse être utile.

 

[jcma]

Bonjour,

Je pense que c'est pas une bonne idee d'utiliser de l'alu pour la partie chaude. Il vaut mieux utiliser un mauvais conducteur de la chaleur (Pyrex ou a defaut Acier, Inox en amincissant le cylindre sur quelques mm dans sa partie haute). Le but est d'obtenir une difference de temperature la plus grande possible entre l'air qui est dans la partie chaude et celui qui est dans la partie froide. Dit autrement, on doit chauffer l'air, pas le cylindre.
Par exemple dans un stirling solaire avec cylindre en pyrex, on focalise les rayons du soleil a l'interieur du cylindre, dans la partie chaude.

@+
Jean-Charles

 

[Titou16]

Je suis d'accord il faut faire chauffer l'air au bout du compte. Mais la chaleur produite doit bien passer par le materiau du cylindre pour chauffer l'air pas convection. Or l'alu echange mieux. Et mon cylindre déplaceur est en 2 parties ce qui a pour but de ne pas chauffer la zone froide par conduction. Du moins de limiter la trasmission de chaleur par conduction.

Serge Kluchenko le mentionne dans ses travaux visant à améliorer le rendement des moteur Stirling, il y a déjà perte au niveau de la transmittion de la chaleur depuis la source jusqu'au gaz de travail. Sur les moteurs hautes performance, la zone chaude est caractérisée par une surface d'echange thermique la plus grande possible et un materiaux qui communique bien la chaleur au gaz de travail.

 

[jcma]

A mon sens, l'aluminium augmenteras justement les pertes thermiques. Etant meilleur conducteur thermique, une partie de la chaleur sera perdue dans l'environnement sans contribuer au travail.
Au risque de me repeter, Il vaut mieux utiliser un mauvais conducteur thermique et ameliorer le chauffage du gaz en amincissant la partie chauffée ou en augmentant la surface de chauffe (Par un reseau de tube monté sur l'extremite du cylindre par exemple).

Quelqu'un aurait-il un autre avis ?

@+
Jean-Charles

 

[mekratrig]

Titou16, construit un moteur simple comme le Chenapan et amuse toi à déplacer la source de chaleur sous le cylindre (en pyrex) du piston déplaceur. Tu découvriras plein de choses...

Le Stirling c'est l'inverse du riz, la tête au chaud, le cul au frais... et plus la tête est chaude, plus le cul s'agite

 

[Titou16]

Je n'ai pas les plan du chenapan mais pour en avoir vu des photos, il me semble qu'il a un cylindre déplaceur monobloc non? En tout cas sur un moteur a deplaceur monobloc pas etonnant de constater des variations de regimes importantes en deplacant la source chaude. C'est bien de ça dont tu veux parler mekratrig, non?

Pour eviter les pertes par conduction thermique entre partie chaude et froide, le mien est en deux parties. Si le fait de deplacer la source chaude a aussi un effet il est pas vraiment spectaculaire. P'têt 50 trs/mn de variation. D'autre part faut pas confondre la conductivité thermique qui caractérise la capacité du matériau a conduire plus facilement la chaleur en son sein et la capacité thermique (à verifier si c'est bien le terme exact) qui caratérise sa faculté à communiquer des calories par convection.

Or il est bien evident qu'à chaque cycle on a besoin d'un materiau qui communique un max de calories au gaz de travail et que lorsque celui se trouve dans la partie froide il puisse ceder un max de calories aux parois de la partie froide. Ensuite ces calories ont besoin de ce retrouver sur les face exterieures du cylindre de la zone froide afin qu'elle puisse s'evacuer par convection dans l'air ambiant. Il faut donc à la fois un matériau qui ait une bonne conductivité thermique et une bonne capacité thermique à la fois en zone chaude et en zone froide. Et il faut que la zone froide et la zone chaude soient séparées par un isolant afin que les calories de la parties chaude n'aille pas dans la partie froide par conductivité thermique.

Exemple pour expliquer la capacité thermique : Prenons deux cubes de metaux different de 10cm3 chacun. Chauffons les à la meme temperature disons 300°C, mettons les dans un environnement à 20°C et observons celui qui arrive le premier à disons 50°C. Celui qui arrive le plus vite à une plus grande capacité à echanger des calories.

 

[mekratrig]

Je n'ai pas les plan du chenapan mais pour en avoir vu des photos, il me semble qu'il a un cylindre déplaceur monobloc non? En tout cas sur un moteur a deplaceur monobloc pas etonnant de constater des variations de regimes importantes en deplacant la source chaude. C'est bien de ça dont tu veux parler mekratrig, non?

Oui de par son cylindre en pyrex qui va jusqu'à la platine, la partie terminale jouxtant la platine étant entourée d'un radiateur, on peut dire que le chenapan est un monobloc.

In memoriam Fernand Petitjean : Voir la pièce jointe chenapan01.pdf Voir la pièce jointe Chenapan02.pdf

 

[jcma]

Re,

littleman, pour repondre a ta question, voici en vrac une "recette de cuisine" composée a partir d'informations glanées à droite et à gauche.

- Cylindre deplaceur, valeurs experimentées par Stirling:
la longeur de la partie chaude = 2/3 de la longueur totale.
la longeur de la partie froide le 1/3 restant (Le refroidissement par ailettes de ton modele).
Course = la longeur de la partie froide.
hauteur = 3 x son diametre.

- Deplaceur:
Longeur = 2/3 de la longueur totale du cylindre deplaceur.
Diametre du deplaceur = diametre du cylindre deplaceur - (1 à 1.6mm).

- Piston puissance :
Diametre = hauteur. (Valeur tres souvent utilisée, un piston plus long entraine plus de friction due a son poids).
Course = 1/2 de son diametre.

- Ratios des volumes:
Volume balaye par le deplaceur = de 1 à 1.5 x le volume balaye par le piston de puissance.
Les ratios de 1 à 1.5 donnent un bon compromis puissance / vitesse.
Plus le ratio est elevé et plus le moteur tourne lentement (Exemple les LTD avec des ratios >= à 10).
Un moteur avec un ratio < 1 est tres difficile a faire marcher.

Pour les materiaux utilisables j'ai donné une liste succinte sur mon post, ici https://www.usinages.com/threads/plans-moteur-stirling.4023/



Titou16, je suis d'accord avec ton raisonnement sur la matiere qui cede un max de calories au gaz de travail, mais cela marche dans les deux sens !. La partie chaude vas aussi les perdre beaucoup plus vite au lieu d'etre utilisés pour effectuer un travail, le rendement sera plus mauvais. Par analogie, tu rempli un reservoir qui a une fuite et cette fuite est plus importante dans le cas de l'alu que dans le cas de l'acier ou du pyrex.



@+
Jean-Charles

 

[Titou16]

jcma je comprends pas ton raisonnement. La partie chaude va perdre où? Dans l'air ambiant?

Justement, que la partie chaude perde sa chaleur plus rapidement c'est ce qu'il faut. Mais il faut qu'elle la perde dans le gaz de travail. Et puis si la partie chaude pert plus vite sa chaleur, elle en capte aussi plus vite.
La partie chaude doit capter au mieux la chaleur produite par la source. La chaleur ainsi captée doit transiter le plus facilement possible au travers du matériau et doit etre transferée le plus efficacement possible au gaz de travail.

Moi aussi j'ai une analogie. Tu dois transmettre de l'energie electrique à un consommateur, disons un moteur. Tu vas utiliser du fil de cuivre afin qu'un maximum d'energie aille là où tu en as besoin c'est à dire dans le moteur. Tu auras quand même des pertes par effet joules dans tes fils. Mais si tu utilises un mauvais conducteur electrique (par exemple du fil resistif), tu vas recuperer beaucoup moins d'enrgie dans ton moteur et tu vas en perdre enormément en chaleur dans tes fil. Conclusion il faut choisir le meilleur vecteur pour l'energie considéré.

Là où je suis d'accord avec toi c'est que cette partie chaude doit être isolée au mieux de la partie froide et de l'air ambiant afin de minimiser les pertes. La source de chaleur doit donc envelopper la partie chaude afin que sa temperature soit homogène. J'ajoute que plus cette partie sera bonne conductrice plus sa temperature en sera homogene. Le gaz de travail captant les calories en longeant la paroi cylindrique de la partie chaude, il est important qu'il n'y ait pas de zone froide.

 

[jcma]

Bonsoir a tous,

Titou16, voici un schema pour tenter d'expliquer mon raisonnement sur les pertes thermiques. Il faut regarder le systeme dans son ensemble, pas seulement du point de vues apport de calories.


@+
Jean-Charles

 

[littleman]

merci jcma pour ces précieux conseils, je repond sur le tard parce que je viens de juste de voir qu'il y a d"autres pages sur un post !

 

[Maxime95]

Bonjour
Je suis nouveau, vos échanges sont très intéressants, en particulier la liste des paramètres optimaux. Et je pense construire un Stirling (solaire ?) quand ma dernière pendule sera réparée...
J'ai quelques questions :
1- Quelqu'un a-t-il étudié l'influence du calage relatif du vilebrequin entre les 2 cylindres ? On ne voit que la valeur 90°, a-t-elle une justification théorique ou expérimentale ? (pour l'étude, il faudrait faire (ou avoir fait) un vilebrequin en 2 parties décalables en rotation)... Il me semble que ce calage devrait être aussi influent que l'avance à l'allumage des moteurs à essence ?
2- La théorie de fonctionnement me laisse dubitatif : les 2 échanges en 1/4 s (120 t/mn) me semblent devoir être bien faibles pour faire tourner un moteur dont le piston déplaceur absorbe déjà une bonne puissance par laminage de l'air.
3- En liaison avec la question précédente, comment expliquez vous le fonctionnement du moteur "sonique" qui ne semble comporter qu'un seul piston dans un tube pyrex ? (par exemple : http://www.youtube.com/watch?v=l1ZckIMOmNI ). Il y a une résonance favorable (donc un régime unique) ?
Voilà, mes questions vous semblent peut-être un peu naïves, mais je débarque dans le domaine...
Merci

 

[Titou16]

1- Quelqu'un a-t-il étudié l'influence du calage relatif du vilebrequin entre les 2 cylindres ? On ne voit que la valeur 90°, a-t-elle une justification théorique ou expérimentale ? (pour l'étude, il faudrait faire (ou avoir fait) un vilebrequin en 2 parties décalables en rotation)... Il me semble que ce calage devrait être aussi influent que l'avance à l'allumage des moteurs à essence ?
2- La théorie de fonctionnement me laisse dubitatif : les 2 échanges en 1/4 s (120 t/mn) me semblent devoir être bien faibles pour faire tourner un moteur dont le piston déplaceur absorbe déjà une bonne puissance par laminage de l'air.
Merci

J'avais étudié la chose en faisant un simulateur sur Excel et avec ça je trouvais effectivement pas 90° comme calage optimal. Plutôt dans les 85°. Mais en pratique, j'ai construit un moteur sur lequel on peut faire varier l'angle de calage(vidéo ci dessous) et j'ai jamais vraiment vu de différence entre 85 et 90°.

Comme tu peux voir il tourne beaucoup plus vite que 120tr/mn. Celui ci monte à 1100 tr/mn environ. Cet autre monte à 2700 tr/mn :

Et oui c'est difficile à concevoir, c'est vrai, mais l'air contenu dedans se rétracte et se dilate 45 fois par seconde!! Et encore il en existe des bien plus rapides mais pour ma part 2700 tr/mn c'est mon record.

 

[moissan]

le cylindre n'a pas besoin d'etre très boçn conducteur de chaleur , puisque c'est pour chauffer de l'air : de l'acier orddinaire ou acier inox est deja largement plus conducteur que l'air donc presque parfait

pour un stirling solaire a forte concentration donc haute temperature il faut une matiere qui ne s'oxyde pas a chaud : donc l'inox est très bien ... l'alu pourait fondre ... le cuivre ne risque pas de fondre mais de s'oxyder assez vite

le cuivre peu etre utile autour d'un cylindre ne inox pour bien repartir la chaleur sur toute la surface et eviter une surchauffe localisé

pour eviter de transmettre la chaleur a la partie froide , une rondelle en papier de faible epaisseur ne reduit pas grand chose : je prefere une certaine longueur de cylindre la plus fine possible : et l'inox est très bien : il est assez mauvais conducteur et assez solide pour faire un cylindre très fin

il ne faut pas cherché des proportion ideale bonne a tout : ça doit etre adapté aux temperature d'utilisation : plus la temperature est forte , plus le deplaceur doit etre long pour bien isoler la partie froide et la partie chaude

plus la temperature est forte , plus la dilatation sera forte , donc plus la cylindré du piston moteur sera grande , et du coup le volume mort est moins genant ... donc pas de probleme pour faire un deplaceur long

ce qui conduit aux deux extreme : pour faible temperature : cylindre plat , une face froide une face chaude , un deplaceur de faible epaisseur avec l'air qui passe a travers : il sert de regenerateur , et un cylindre moteur minuscule sur la face froid

autre extreme moteur a haute temperature : deplaceur très long : le jeu entre deplaceur et cylindre peut sufir comme regenerateur : il ne sert a rien d'augmenter le diametre , car la surface du cylindre serait insuffisante pour chauffer tout le volume : pour augmenter la puissance il faut multiplier le nombre de cylindre avec chacun son deplaceur

il est aussi possible de faire un gros cylindre unique et de faire un faisceau de tube fin , servant d'echangeur chaud a un bout , de regenerateur au millieu et d'echangeur froid a l'autre bout ... les cylindre n'ont plus aucun role d'echangeur thermique : dans ce cas c'est souvent des alpha , mais ça serait encore mieux en beta ou gamma pour ne pas avoir d'etanchéité du piston chaud

 

[Maxime95]

Merci Titou16. Je vais me mettre à la construction d'un petit solaire, j'apprendrai sûrement beaucoup (surtout sur les choses à ne pas faire !).

 

[Titou16]

le cylindre n'a pas besoin d'etre très boçn conducteur de chaleur , puisque c'est pour chauffer de l'air : de l'acier orddinaire ou acier inox est deja largement plus conducteur que l'air donc presque parfait

pour un stirling solaire a forte concentration donc haute temperature il faut une matiere qui ne s'oxyde pas a chaud : donc l'inox est très bien ... l'alu pourait fondre ... le cuivre ne risque pas de fondre mais de s'oxyder assez vite

le cuivre peu etre utile autour d'un cylindre ne inox pour bien repartir la chaleur sur toute la surface et eviter une surchauffe localisé

pour eviter de transmettre la chaleur a la partie froide , une rondelle en papier de faible epaisseur ne reduit pas grand chose : je prefere une certaine longueur de cylindre la plus fine possible : et l'inox est très bien : il est assez mauvais conducteur et assez solide pour faire un cylindre très fin

il ne faut pas cherché des proportion ideale bonne a tout : ça doit etre adapté aux temperature d'utilisation : plus la temperature est forte , plus le deplaceur doit etre long pour bien isoler la partie froide et la partie chaude

plus la temperature est forte , plus la dilatation sera forte , donc plus la cylindré du piston moteur sera grande , et du coup le volume mort est moins genant ... donc pas de probleme pour faire un deplaceur long

ce qui conduit aux deux extreme : pour faible temperature : cylindre plat , une face froide une face chaude , un deplaceur de faible epaisseur avec l'air qui passe a travers : il sert de regenerateur , et un cylindre moteur minuscule sur la face froid

autre extreme moteur a haute temperature : deplaceur très long : le jeu entre deplaceur et cylindre peut sufir comme regenerateur : il ne sert a rien d'augmenter le diametre , car la surface du cylindre serait insuffisante pour chauffer tout le volume : pour augmenter la puissance il faut multiplier le nombre de cylindre avec chacun son deplaceur

il est aussi possible de faire un gros cylindre unique et de faire un faisceau de tube fin , servant d'echangeur chaud a un bout , de regenerateur au millieu et d'echangeur froid a l'autre bout ... les cylindre n'ont plus aucun role d'echangeur thermique : dans ce cas c'est souvent des alpha , mais ça serait encore mieux en beta ou gamma pour ne pas avoir d'etanchéité du piston chaud

Salut,

J'ai pu me rendre compte que jcma avait raison car depuis 2009 (date à laquelle à débuté ce post), j'ai fait quelques expériences qui m'ont montrée sans appel que le cuivre (et tout matériaux bon conducteur de chaleur) pour la partie chaude ne convient pas du tout. Ça ne marche absolument pas.

C'est aussi ce que tu dis. Mais qu'est ce qui t'a permis d'arriver à ces conclusions? Littérature, simples déductions ou alors as tu construit toi même quelques moteurs?

Ce qui pourrait peut être être sympa c'est un cylindre chaud en inox assez long (avec une épaisseur amincie coté collerette) et une bague en cuivre à l'autre extrémité (de disons la moitié de la longueur du cylindre chaud) pour y concentrer la chaleur... non?
C'est intéressant ce que tu écris et cela me semble juste.

 

[moissan]

je n'ai encore rien realisé d'interressant en moteur stirling ... mais j'ai profité de toutes les source d'information possible depuis que j'existe ...

tout y passe : des vieux livre sur les machines a vapeur qui parlent aussi des premier moteur stirling , et des premier moteur a air chaud d'erikson

avec en plus des connaissance en physique moderne permettant de comprendre et calculer ce qui etait moins evident a l'epoque de ces livres

avant internet j'avait déja pas mal d'idée sur le stirling , mais depuis internet ça me permet vraiment de profiter de toutes les experience , et il est bientot temps de passer a la realisation d'un stirling interressant

j'ai helas un tas d'autre chose a faire et le stirling devra attendre , mais je suis content d'avoir trouvé ce forum : je ne vais pas tarder a y mettre quelques dessin pour permettre a ceux qui en ont les moyens de passer a la realisation

 

[Maxime95]

Bonjour
Mon petit Stirling Solaire avance.. doucement.
Pour ceux que ça intéresse, j'ai trouvé cette page sur le calage et les puissances ou vitesses obtenues : http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/pe_mse03.htm
Meilleurs voeux à tous et à bientôt

 

[Maxime95]

Après une pause, j'ai fini mon Stirling solaire. Mais... il ne marche pas. J'ai un plexi épais dessus, et j'ai l'impression qu'il arrête les rayonnements IR et empêche la zone chaude de chauffer...
J'ai essayé de diminuer les frottements au max, de réaliser encore mieux l'étanchéité (test dans l'eau), etc. J'ai aussi changé le piston à l'origine plastique+isolant en laine de verre+tôle de maintien à 4 gros trous. Mais je ne vois toujours aucun effet Stirling = Si je le lance à la main, il ne tourne pas plus longtemps avec chauffage que sans !

Je vais essayer de le réaliser avec une tôle dessus au lieu du plexi... Mais il ne sera sans doute plus "solaire" ! Mais du moment que je pourrai faire tourner, tous les espoirs seront permis, alors que pour l'instant, c'est moi qui tourne en rond !

 

[JMB Designer]

bonjour a tous, j'ai réalisé un moteur stirling beta, sans étude sérieuse, en m'inspirant de ce qui exister deja et... il n'as pas fonctionné. Bon, une leçon ne fait pas de mal ! aujourd'hui, je suis a l'étude d'un moteur gamma type "chenapan" et j'aimerai avoir votre avis pour ne pas revivre un echec.
les caracteristiques sont les suivantes:
piston 15mm course 16mm / deplaceur 22mm course 28mm, cylindre deplaceur 23mm. volant moteur 90mm acier L10mm. cylindre deplaceur 90mm Refroidisseur Diametre 44mm hauteur 28. le refroidisseur étant monté sur le cylindre deplaceur.
ci joint, une vue d'ensemble de mon étude. merci par avance !

sur c e schéma je comprends pas bien par où se fait l'echange de gaz entre les deux pistons ???

 

[Maxime95]

JMB, il y a forcément un canal dans la platine intermédiaire. D'ailleurs, sur la photo, on a bien l'impression que celle-ci est composée de 3 plaques superposées, celle du milieu étant sans doute découpée pour faire un canal entre les 2 cylindres.