Stirling, ce moteur mystérieux

| Rédacteur: Gilles Bordet

Illustration 2 - Le cycle d'un moteur à air chaud, la partie rouge c'est le cylindre chaud, la bleue le cylindre froid et la lettre R réprensente le régénérateur.
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Illustration 2 - Le cycle d'un moteur à air chaud, la partie rouge c'est le cylindre chaud, la bleue le cylindre froid et la lettre R réprensente le régénérateur. (Image : MSM)

>> Notre éditorial du MSM 7 intitulé « Des performances qui dérangent » et qui avait pour sujet le moteur Stirling a suscité beaucoup de réactions de nos lecteurs. Certains n'en n'avaient jamais entendu parler et d'autres désiraient de plus amples renseignements à son sujet. Voilà de quoi combler toutes les interrogations concernant ce mystérieux moteur aux performances surprenantes.

Comme beaucoup de ses contemporains, Robert Stirling ne semblait pas destiné a une brillante carrière d'inventeur de génie. En effet ce pasteur écossais né à Methvin dans le Perthshire le 25 octobre 1790 avait des origines modestes, son grand-père paternel fabriquait de l'équipement agricole et son grand-père maternel était agriculteur. Cela ne l' empêcha pas de faire de brillantes études. En 1805 à l'âge de 15 ans il rentre à l'université d'Edimbourg et y étudie le latin, le grec, les mathématiques, la physique. Ensuite, il se tourna vers des études de théologie à l'université de Glasgow pour devenir pasteur. 3e d'une fratrie de 8 enfants, son frère James sera un associé de premier ordre pour la phase d'industrialisation de son fameux moteur à air chaud.

Il se maria le 10 juillet 1819 avec Jean Rankin et de cette union naquirent sept enfants : Patrick, William, Robert, James (tous ingénieurs), David (pasteur lui aussi). Quant à ses deux filles, l'une fit profiter ses frères de ses idées (Jane) et l'autre se consacra au métier d'artiste (Agnes).

La vapeur a eu raison de lui

La légende veut que, catastrophé par les accidents récurrents des chaudières à vapeurs décimant ses paroissiens, liés à l'absence de normalisation des matériaux, le pasteur Stirling, mit toute son énergie à améliorer les machines à vapeur, alors indispensables, pour créer le moteur à combustion externe portant depuis son «patronyme». Sa machine utilisait une nouvelle invention de son cru, un régénérateur, qu'il appela économiseur. En 1843, son frère James fit installer le moteur à air chaud inventé par Robert dans l'usine où il travaillait, qui furent plus tard remplacées, à cause de bris, par des machines à vapeur plus performantes.

Dans le contexte d’évolution des techniques métallurgiques du XIXe siècle, combustibles, foyer et chaleur étaient des éléments essentiels car l’acier et le fer ont des températures de fusion élevés. Wilhelm Siemens reprit l’idée de Robert Stirling brevetée en 1816, puis Friedrich Siemens prit un brevet en 1856 pour un appareil de régénération de la chaleur qui permit le réchauffage de l’air soufflé dans les hauts-fourneaux en utilisant les gaz récupérés du gueulard. Contemporain de la machine à vapeur, cette dernière malgré ses risques d'explosions fut préférée au moteur à air chaud pour diverses raisons, la principale étant son énorme couple dès le démarrage. Puis à la fin du 19e siècle l'arrivée du moteur à explosion et du moteur électrique scella définitivement la carrière du moteur Stirling. Il aurait put en être ainsi si Philips, en 1938, n'avait pas ressorti le moteur à air chaud des brumes où il était tombé. De ces travaux naquit un moteur de plus de 200 chevaux, compact avec un rendement exceptionnel pour l'époque de plus de 30% mais par manque de compétitivité il ne perça pas sur un marché déjà dominé par le moteur à explosion et les lobbyistes de l'or noir.

Principe de fonctionnement physique

Le moteur Stirling appelé aussi moteur à air chaud est une machine thermique à combustion ou chauffage externe avec un gaz interne qui transfère les calories en circuit fermé. Ce gaz subit 4 transformations par tour, 2 transformations à volume constant (Isochore) et 2 transformations à température constante (Isotherme). Généralement, les moteur Stirling se composent : d’un cylindre froid, d’un déplaceur chaud, reliées entre eux par un régénérateur, et d’un gaz qui transporte les calories et les converties en travail.

Toujours sur la base du même principe une grande quantité de machines très différentes les unes des autres ont été construites. Cette particularité ne se retrouve qu’avec les moteurs à air chaud. Les moteurs à combustion interne, électriques, les turbomachines ou même à vapeur n’ont jamais fait appel à une telle diversité de conception que celle atteinte par les moteurs Stirling. Ces moteurs offrent une particularité très intéressante, ils sont réversibles. En effet lorsqu’ils sont entrainés par un moteur électrique, ils produisent du chaud ou du froid. La production de chaleur n'a que peu d’intérêt mais la possibilité de faire du froid, et quel froid, 2,8 Kelvin (-271,2 C°) soit presque le zéro absolu est très intéressante. Utilisé comme « pompe à chaleur » il permet la liquéfaction des gaz, dans des appareils à usage médical et dans certains matériels militaires.

Les gaz, cœur du moteur à air chaud

Pour pouvoir comprendre de manière précise le fonctionnement de ces mystérieuses machines il faut réviser un peu ses notions de physique et d'histoire. Les recherches sérieuse sur les gaz commencent avec Robert Boyle et Edmé Mariotte. Ces 2 physiciens crée la loi dite de « Boyle-Mariotte », Boyle, physicien et chimiste irlandais, en 1662 et Mariotte, physicien et un botaniste français, en 1676 de manière totalement indépendante sans même connaitre les travaux de Boyle. Cette loi s'exprime de la manière suivante : P1 x V1 = P2 x V2, où P1 et V1 sont la pression et le volume d'un gaz dans un état initial, tandis que P2 et V2 décrivent un état final à la même température. Cette loi est exacte avec les gaz parfaits et approximative avec les gaz réels.

En 1808 Louis Joseph Gay-Lussac, un chimiste et physicien français, travaille sur la dilatation des gaz et découvre la constante suivante : « Tous les gaz augmentent de volume sous l'action de la chaleur. Leur volume double pour une élévation de température de 273° C, soit 1/273 pour 1° C ». Ces travaux seront validés et complétés par Henri Victor Régnault en 1847 ainsi que par Rudolph Clausius en 1857. Enfin Jacques Charles, en 1787, fut le premier à formuler la « loi de la dilatation des gaz », mais il ne publia pas ses résultats et c'est seulement quinze ans plus tard, en 1802, que Louis-Joseph Gay-Lussac les compila et les compara aux siens pour formuler la loi qui porte son nom. La découverte de Jacques Charles était la suivante : « si l'on chauffe un gaz dans un volume clos, sa pression augmente de 1/273 pour 1° C ».

Enfin pour pouvoir comprendre et fabriquer des moteurs à air chaud il restait encore une loi à découvrir. C'est Joseph Stefan, physicien et mathématicien austro-hongrois, qui en 1872 formula une théorie sur la conductibilité thermique des gaz. Elle est connue sous le nom de loi de Stefan ou plus couramment loi de Stefan-Boltzmann car c'est son élève Ludwig Boltzmann qui en fournira la justification théorique.

Cette dernière découverte revêt une grande importance dans le fonctionnement d’un moteur Stirling, en effet si ce dernier tourne à 1500 tr/min soit 25 Hz (1500 / 60 sec), il faudra que le gaz passe de la partie chaud à la partie froide 25 fois par seconde avec un delta T d’environ 500° C. Mais pour obtenir le meilleur rendement il faudra que sa conductibilité thermique soit bonne pour recevoir et restituer rapidement le maximum de calories. Les moteurs à air chaud standards travaillent principalement avec de l'air qui n'est pas optimal pour transférer des calories, l’hélium est 5 fois plus conducteur et l'hydrogène 7 fois. L’hélium coûte cher mais présente de bien meilleures caractéristiques que l'hydrogène, ce dernier est meilleur conducteur mais son inflammabilité le rend difficile d'emploi et dangereux.

Pour résumer un gaz double de volume quand sa température augmente de 273° C, sa pression double dans les mêmes conditions si ce dernier est emprisonné dans un volume clos. Pour finir tous les gaz ne sont pas égaux en ce qui concerne leur conductibilité thermique. Il faut encore savoir que l'énergie pour compresser un gaz à basse pression est moindre que celle qu'il faut fournir pour dilater ce même gaz à haute pression.

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