Froid Stirling
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Le froid Stirling consiste à la production de froid en utilisant le cycle thermodynamique Stirling. Bien que les machines Stirling soient peu connues du grand public, les installations de réfrigération utilisant ce cycle thermodynamique sont nombreuses dans l’industrie, allant du domaine de la cryogénie à l’aérospatial en passant par la climatisation, de même que dans le secteur militaire où la performance spécifique est primordiale et où les surcoûts provenant d’exigence en matériaux et en processus de fabrication ne constituent pas un obstacle majeur.
Initialement utilisé pour entraîner des wagons dans les mines de charbon, le moteur Stirling n’a pas eu beaucoup de succès industriels, pénalisé par des problèmes de matériaux et par des coûts très supérieurs à ceux de ses concurrents.
Mais il peut aussi être utilisé dans le sens inverse. Il devient alors une excellente pompe à chaleur ou machine frigorifique. Et la majeure partie des applications industrielles du cycle Stirling concernent la production de froid, notamment en cryogénie, où le cycle Stirling présente d’énormes avantages.
La réversibilité du cycle Stirling est utilisée pour la génération du froid. Entraîné par un moteur, la machine devient une pompe à chaleur. Alors que l’objectif initial était d’utiliser la machine Stirling comme moteur pour concurrencer les moteurs à vapeur, la première application industrielle véritable de la machine Stirling utilise le cycle inverse pour produire du froid. En effet, parmi les nombreux projets de R&D emmenés par l’entreprise Philips, le réfrigérateur à air chaud nommé réfrigérateur Stirling est le seul produit retenu. Il est ensuite commercialisé dans le domaine de l’air liquide au cours des années 1950. La section de réfrigération Stirling « prend son indépendance » vers la fin des années 1990 pour former l’entreprise Stirling Cryogénies, qui existe toujours.
La technologie Stirling est ensuite diffusée dans beaucoup d’autres entreprises pour des développements industriels. General Motors, le groupe allemand Maschinenfabrik Augsburg-Nurnberg (MAN) et Motorenwerke Mannheim (MWM) ainsi que United Stirling AB de Malmo en Suède et Ford ont tous obtenu un droit d’exploitation du moteur Stirling sur une période allant de 1958 à 1972. Des véhicules entraînés par le moteur Stirling sont commercialisés.
Un groupe du laboratoire Donald Douglas à Los Angeles qui deviendra plus tard la société Stirling Technology Company (STC) commence à travailler sous la direction de William Martini. Ils développent un modèle réduit du cœur humain se basant sur la technologie Stirling. Ils développent aussi certains systèmes Stirling-solaire et de réfrigération. Récemment, une cellule de réfrigérateur Stirling est fabriquée par le partenariat STC et Carrier Corp. pour le refroidissement des éléments électriques.
Le « free-piston Stirling cooler (FPSC) » est inventé par William Beale en 1964 dans un laboratoire de l’université Ohio. Il forme ensuite l’entreprise Sunpower dans laquelle le premier réfrigérateur FPSC est fabriqué et commercialisé. Cette entreprise fournit, aujourd’hui encore, des machines de 35 W à 7,5 kW pour des applications militaires, aérospatiales et industrielles. Un FPSC fabriqué par Sunpower a été déployé par la NASA pour le refroidissement de l’instrumentation des satellites.
Depuis 2002, l’entreprise Japonaise Twinbird est entrée en jeu et est devenue un des principaux fabricants de FPSC. Un pôle commercial est formé à Athens (Ohio) dans lequel des entreprises comme Twinbird et Sunpower partagent leurs connaissances et leurs problèmes à l’égard du froid Stirling. La batterie du modèle « SC-C925 Portable Freezer Cooler 25L » peut garantir une autonomie de plus de 24 heures pour maintenir une température négative.
L’entreprise Infinia a commencé à développer en 1986 un système de frigorigène thermo acoustique. En moins de 30 ans, cette entreprise a développé seule 30 modèles utilisant différentes formes de sources d’énergie, principalement thermique ou solaire.
Les machines Stirling-Vuilleumier apparaissent au Japon pendant la crise pétrolière de 1973. Parallèlement, le professeur Franz Xaver Eder à l’université technique de Munich a étudié la faisabilité des machines Vuilleumier pour les pompes à chaleur. Il a créé un laboratoire destiné aux études de machines Stirling. L’université de Dortmund a développé quelques machines Vuilleumier à piston libre avec collaboration de l’université de Denmark.
Réfrigérateur entraîné par un moteur Stirling
Marche actuelle du moteur Stirling pour la production de froid
Le moteur Stirling pourrait être utilisé à la place d’autres moteurs thermiques pour entraîner des compresseurs de machines frigorifiques à compression de vapeur ou de pompes à chaleur « classiques ». Cette pratique est toutefois assez peu développée dans l’industrie du froid, car il est plus intéressant d’utiliser directement le cycle Stirling pour produire le froid, notamment pour le froid cryogénique.
Dans un contexte de durcissement des législations en matière de protection de l’environnement et d’épuisement des ressources fossiles, le moteur Stirling a des grands avantages potentiels face à ses concurrents (moteur à vapeur, moteur à combustion interne, etc.). Pourtant, il est plus utilisé dans l’industrie des pompes à chaleur que dans celle de la production de froid.
L’architecture des pompes à chaleur Stirling est aussi variable que le nombre de modèles développés dans les différentes entreprises ou instituts :
- le moteur Stirling peut être de type dynamique ou à piston libre ;
- le couplage se fait de façon directe ou indirecte ;
- le compresseur peut être à vis, à palettes, à piston ou un turbocompresseur.
Applications
En 1978, l’entreprise Philips a commercialisé pour la première fois une pompe à chaleur domestique entraînée par un moteur Stirling de 3 kW.
Sunpower a ensuite développé un certain nombre de pompes à chaleur à moteur Stirling pour le Gas Research Institut, Kawashi Heavy Industrie et Mechanical Technology.[Quand ?]
Réfrigérateur Stirling entraîné par un moteur électrique
Il est bien plus intéressant d’utiliser une machine Stirling pour produire directement du froid que d'utiliser un moteur Stirling pour alimenter des pompes à chaleur fonctionnant selon d'autres cycles : en vertu du second principe de la thermodynamique, on aura nécessairement moins de pertes dues aux phénomènes réels irréversibles si le cycle produisant du froid est composé de moins d'étapes.[pourquoi ?]. Il faut alors lui fournir du travail. Pour cela, plusieurs solutions existent...
Réfrigérateur Stirling à piston libre
Présentation
Ayant pour vocation de réduire la complexité de réalisation d’une machine à cycle de Stirling, le réfrigérateur Stirling à piston libre (RSPL) est techniquement plus simple à mettre en œuvre, et économiquement plus fiable que d’autres machines Stirling classiques, à bielle-manivelle. En effet, la suppression de ce mécanisme permet de se passer d’un système de lubrification et d’étanchéité exigeant, d’où un meilleur échange de la chaleur et une performance supérieure. Les avantages d’un tel réfrigérateur que nous pouvons citer sont :
- Seul de l’hélium, étant un gaz inerte, est présent dans un réfrigérateur Stirling à piston libre, d’où une émission de gaz à effet de serre nulle liée au réfrigérant.
- De l’huile lubrifiante est remplacée par de l’hélium, présent entre les pièces mécaniques comme un « roulement à gaz », ce qui conduit à un niveau de friction très bas, et à une haute efficacité mécanique.
- Grâce au moteur linéaire placé dans l’enceinte, les fuites d’hélium sont minimisées, et le réglage de la puissance du réfrigérateur devient aisé : il suffit de contrôler la tension d’entrée.
- Les mouvements des pièces sont quasi-harmoniques, ainsi la vibration est limitée, d’où un niveau de bruit très bas.
- Une simplicité de fabrication, due au fait qu’il n’y a que deux pièces mobiles dans un tel réfrigérateur.
Principe de fonctionnement de réfrigérateur à piston libre
Le réfrigérateur Stirling à piston libre est un système entièrement fermé. Le froid est produit en tête du réfrigérateur. Le terme « piston libre » signifie que le piston n’est pas entraîné par un système bielle-manivelle classique, mais un moteur linéaire, générant un mouvement longitudinal du piston.
Quatre phases sont identifiées pour le fonctionnement d’un tel réfrigérateur : la compression, le déplacement du piston de transvasement de haut en bas (l’extrémité droite du cylindre est la tête du réfrigérateur), la détente, et le déplacement du piston de transvasement de bas en haut.
Durant la phase 1, la compression est réalisée par la montée du piston de puissance entraîné par le moteur linéaire en bas de l’ensemble. Cette compression entraîne une augmentation de la pression dans l’espace de compression et l’espace de détente en haut du piston de transvasement. Étant donné que les pressions sont très proches dans ces deux espaces (pc=pe), et que la face supérieure du piston de transvasement est plus grande que sa face inférieure (A=Ap+AR>Ap), dû à la présence de la tige du piston de transvasement), une résultante vers le bas est exercée sur le piston de transvasement, d’où le déplacement du piston de transvasement de haut en bas (l’extrémité droite du cylindre est la tête du réfrigérateur) en phase 2.
De l’hélium est également transféré dans l’espace de détente (le côté froid du cylindre). Durant la phase 3, de l’hélium se détend du côté froid en présence de la source froide (le milieu à refroidir), ce qui fait pousser le piston de transvasement et le piston de puissance vers le bas. Finalement, en phase 4, le piston de transvasement se déplace de bas en haut sous la différence de pressions (pc>pe), et une partie de l’hélium revient dans l’espace de compression.
