L’invention exploite, de
préférence avec un fluide caloporteur gazeux, le
cycle
thermodynamique de Stirling. Un cycle moteur de Stirling
réalise
les étapes suivantes, tel qu’illustré
sur les
figures 1A et 1B (P : pression ; V volume ; T : température
; S
: entropie du fluide)
- 1->2 : Compression isotherme au
contact de la
source froide de température Tf, le fluide passant
d’un
volume maximum Vmax à un volume minimum Vmin,
- 2->3 : Réchauffement
isochore au volume Vmin, avec augmentation de la pression du fluide,
- 3->4 : Détente
isotherme au contact de la
source chaude de température Tc, le fluide passant du volume
Vmin à Vmax,
- 4->1 : Refroidissement isochore
au volume Vmax, avec diminution de la pression du fluide.
Les étapes 2->3 et
4->1 sont isochores
et ne prélèvent ou fournissent aucun travail au
gaz :
2->3 fait passer le gaz de Tf à Tc et 4->1 de
Tc à
Tf.
En revanche, les échanges de
travail
mécanique se déroulent pendant les
étapes 1->2
et 3->4 :
- à
l’étape 1->2, le
caractère isotherme de la compression communique un
transfert
thermique du fluide vers la source froide et
nécessite la fourniture d’un travail
mécanique au fluide.
- à
l’étape 3->4, le
caractère isotherme de la détente
nécessite un
transfert thermique de la source chaude vers le fluide : celui-ci
cède
ainsi un travail
mécanique
supérieur à celui qu’il a
reçu lors de la
compression 1->2, d’où le
caractère moteur du
cycle.
Robert Stirling choisit rapidement d’améliorer sa
machine en l’équipant d’un régénérateur.
Ce
régénérateur permet au
fluide de récupérer au cours de son
réchauffement
isochore 2->3 la chaleur qu’il y a
déposée au
cours de son refroidissement isochore 4->1. Grâce
à ce
recyclage interne de chaleur, le rendement thermodynamique du cycle
Stirling avec régénérateur vaut celui
du cycle
moteur de Carnot :
RC
= 1 – Tf / Tc
avec RC
= travail
mécanique produit par le fluide________
chaleur
prélevée
à la source chaude par le fluide
Pour un cycle récepteur, tel
qu’illustré sur les figures 1C et 1D, le sens de
parcours
du cycle est inversé :
- 1->4 : Réchauffement
isochore au volume Vmax, avec augmentation de la pression du fluide,
- 4->3 : Compression isotherme au
contact de la
source chaude de température Tc, le fluide passant
d’un
volume maximum Vmax à un
volume minimum Vmin,
- 3->2 : Refroidissement isochore
au volume Vmin, avec diminution de la pression du fluide,
- 2->1 : Détente
isotherme au contact de la
source froide de température Tf, le gaz passant du volume
Vmin
à Vmax.
Les étapes 1->4 et
3->2 sont isochores
et ne prélèvent ou fournissent aucun travail au
fluide.
Ce sont des étapes de transferts thermiques uniquement :
1->4
fait passer le fluide de Tf à Tc et 3->2 de Tc
à Tf.
A l’étape
4->3, le caractère
isotherme de la compression communique un transfert thermique du fluide
vers la source chaude et nécessite la fourniture
d’un
travail mécanique au fluide.
A l’étape
2->1, le caractère
isotherme de la détente nécessite un transfert
thermique
de la source froide vers le fluide et contraint le fluide à
céder un travail mécanique inférieur
à
celui qu’il a reçu lors de la compression
4->3,
d’où le caractère récepteur
du cycle.
La
machine peut alors être utilisée soit en
réfrigérateur, soit en pompe à chaleur
à condition de lui communiquer du travail
mécanique.
Lorsque la machine est équipée d’un
régénérateur, permettant au fluide de
récupérer au cours de son
réchauffement 4->1 la
chaleur qu’il y a déposée au cours de
son
refroidissement 3->2, les efficacités
thermodynamiques du
cycle valent celles de Carnot, plus précisément :
EF
= Chaleur
prélevée à la source froide par le
fluide
travail
mécanique communiqué au fluide
EFC
= Tf / ( Tc – Tf ) est l’Efficacité
Frigorifique
EFC est
l’efficacité d’un
réfrigérateur idéal de Carnot.
EC
= Chaleur
cédée à la source chaude par le fluide
travail
mécanique communiqué au fluide
ECC
= Tc / ( Tc – Tf ) est l’Efficacité
Calorifique.
ECC est
l’efficacité en pompe à chaleur
idéale de Carnot.
Ces quelques rappels fondamentaux de thermodynamique vont permettre de
mieux comprendre les limites de l’art actuel des machines de
Stirling et les multiples avantages de la présente invention
(1).