Moteur à air chaud - Hot air engine

Thermodynamique
Le moteur thermique Carnot classique
Branches Classique Statistique Chimique Thermodynamique quantique Équilibre  / Non-équilibre
Lois Zeroth Premier Seconde Troisième
Systèmes Etat Équation d'état Gaz parfait Gaz réel État de la matière Équilibre Contrôle du volume Instruments Processus Isobare Isochorique Isotherme Adiabatique Isentropique Isenthalpique Quasistatique Polytropique Expansion gratuite Réversibilité Irréversibilité Endoréversibilité Cycles Moteurs thermiques Pompes à chaleur Efficacité thermique
Propriétés du système Remarque: les variables conjuguées en italique Diagrammes de propriétés Propriétés intensives et étendues Fonctions de processus Travail Chaleur Fonctions d'état Température  / Entropie  ( introduction ) Pression  / Volume Potentiel chimique  / nombre de particules Qualité de la vapeur Propriétés réduites
Propriétés matérielles Bases de données de propriétés La capacité thermique spécifique  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Compressibilité  ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial p}$ Dilatation thermique  ${\ displaystyle \ alpha =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial T}$
Équations Théorème de Carnot Théorème de Clausius Relation fondamentale Loi des gaz parfaits Relations Maxwell Relations réciproques Onsager Les équations de Bridgman Tableau des équations thermodynamiques
Potentiels Énergie gratuite Entropie libre
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Scientifiques Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals Waterston
Livre Catégorie
v t e

Illustration d'un moteur à air chaud à basse température différentielle (LTD). 1. Piston de puissance, 2. Extrémité froide du cylindre, 3. Piston de déplacement 4. Extrémité chaude du cylindre Q1. Chauffer, Q2. Chauffez.

Un moteur à air chaud (historiquement appelé un moteur à air ou calorique moteur ) est tout moteur thermique qui utilise la dilatation et la contraction de l' air sous l'influence d'une variation de température pour convertir l' énergie thermique en travail mécanique . Ces moteurs peuvent être basés sur un certain nombre de cycles thermodynamiques englobant à la fois des dispositifs à cycle ouvert tels que ceux de Sir George Cayley et John Ericsson et le moteur à cycle fermé de Robert Stirling . Les moteurs à air chaud sont distincts du moteur à combustion interne et du moteur à vapeur mieux connus.

Dans une mise en œuvre typique, l'air est chauffé et refroidi à plusieurs reprises dans un cylindre et l'expansion et la contraction résultantes sont utilisées pour déplacer un piston et produire un travail mécanique utile .

Définition

Un praxinoscope fabriqué par Ernst Plank, de Nuremberg , en Allemagne, et propulsé par un moteur à air chaud miniature. Il est maintenant dans la collection du Thinktank, Birmingham Science Museum .

Le terme «moteur à air chaud» exclut spécifiquement tout moteur réalisant un cycle thermodynamique dans lequel le fluide de travail subit une transition de phase , tel que le cycle de Rankine . Sont également exclus les moteurs à combustion interne classiques , dans lesquels de la chaleur est ajoutée au fluide de travail par combustion de carburant à l'intérieur du cylindre de travail. Les types de combustion continue, comme le Ready Motor de George Brayton et la turbine à gaz associée , pourraient être considérés comme des cas limites.

Histoire

La propriété expansive de l'air chauffé était connue des anciens. La Pneumatica de Hero of Alexandria décrit des dispositifs qui pourraient être utilisés pour ouvrir automatiquement les portes du temple lorsqu'un feu était allumé sur un autel sacrificiel. Des dispositifs appelés moteurs à air chaud, ou simplement moteurs à air , ont été enregistrés dès 1699. En 1699, Guillaume Amontons (1663-1705) présente, à l'Académie royale des sciences de Paris, un rapport sur son invention: une roue qui a été fait tourner par la chaleur. La roue était montée verticalement. Autour du moyeu de la roue se trouvaient des chambres remplies d'eau. Les chambres remplies d'air sur la jante de la roue ont été chauffées par un feu sous un côté de la roue. L'air chauffé s'est dilaté et, via des tubes, a forcé l'eau d'une chambre à une autre, déséquilibrant la roue et la faisant tourner.

Voir:

• Amontons (20 juin 1699) "Moyen de substituer commodement l'action du feu, à la force des hommes et des chevaux pour mouvoir les machines" (Moyens de substituer commodément l'action du feu à la force des hommes et des chevaux pour se déplacer [ie, power] machines), Mémoires de l'Académie Royale des Sciences , pages 112-126. Les Mémoires paraissent dans l' Histoire de l'Académie Royale des Sciences, année 1699 , parue en 1732. Le fonctionnement du moulin à feu d'Amontons est expliqué aux pages 123-126; sa machine est illustrée sur la planche suivante page 126.
• Pour un compte rendu de la roue alimentée par le feu d'Amonton en anglais, voir: Robert Stuart, Historical and Descriptive Anecdotes of Steam-engine and of their Inventors and Improvers (Londres, Angleterre: Wightman and Cramp, 1829), vol. 1, pages 130-132  ; une illustration de la machine apparaît à peu près à l'époque où les lois des gaz ont été énoncées pour la première fois, et les premiers brevets comprennent ceux de Henry Wood , vicaire de High Ercall près de Coalbrookdale Shropshire (brevet anglais 739 de 1759) et Thomas Mead , un ingénieur de Sculcoats Yorkshire (brevet anglais 979 de 1791), ce dernier contenant notamment les éléments essentiels d'un moteur de type déplaceur (Mead l'appelait le transferrer). Il est peu probable que l'un ou l'autre de ces brevets ait abouti à un moteur réel et le premier exemple réalisable était probablement le moteur à gaz à four à cycle ouvert de l'inventeur anglais Sir George Cayley c.  1807

Il est probable que le moteur pneumatique de Robert Stirling de 1818, qui incorporait son innovateur Economiser (breveté en 1816), fut le premier moteur pneumatique mis en pratique. L'économiseur, maintenant connu sous le nom de régénérateur , stockait la chaleur de la partie chaude du moteur lorsque l'air passait vers le côté froid, et libérait de la chaleur vers l'air refroidi lorsqu'il retournait vers le côté chaud. Cette innovation a amélioré l'efficacité du moteur de Stirling et devrait être présente dans tout moteur pneumatique qui est correctement appelé un moteur Stirling .

Stirling a breveté un deuxième moteur à air chaud, avec son frère James, en 1827. Ils ont inversé la conception de sorte que les extrémités chaudes des déplacers étaient sous les machines et ils ont ajouté une pompe à air comprimé afin que l'air à l'intérieur puisse être augmenté en pression pour une vingtaine d'ambiances. Il est déclaré par Chambers avoir échoué, en raison de défauts mécaniques et à «l'accumulation imprévue de chaleur, pas entièrement extraite par les tamis ou de petits passages dans la partie froide du régénérateur, dont la surface externe n'était pas suffisamment grande pour évacuer la chaleur non récupérée lorsque le moteur fonctionnait avec de l'air hautement comprimé. »

Parkinson et Crossley, brevet anglais, 1828 ont mis au point leur propre moteur à air chaud. Dans ce moteur, la chambre à air est en partie exposée, par immersion dans l'eau froide, au froid extérieur, et sa partie supérieure est chauffée par la vapeur. Un récipient interne monte et descend dans cette chambre et, ce faisant, déplace l'air, l'exposant alternativement aux influences chaudes et froides de l'eau froide et de la vapeur chaude, modifiant sa température et sa condition d'expansion. Les fluctuations provoquent le va-et-vient d'un piston dans un cylindre aux extrémités duquel la chambre à air est alternativement reliée.

En 1829, Arnott a breveté sa machine d'expansion d'air où un feu est placé sur une grille près du fond d'un cylindre fermé, et le cylindre est plein d'air frais récemment admis. Un piston lâche est tiré vers le haut de sorte que tout l'air dans le cylindre ci-dessus sera amené à passer par un tube à travers le feu, et recevra une élasticité accrue tendant à l'expansion ou à l'augmentation de volume, que le feu est capable de lui donner. .

Il est suivi l'année suivante (1830) par le capitaine Ericsson qui a breveté son deuxième moteur à air chaud. Le mémoire descriptif le décrit plus particulièrement comme étant constitué d'une «chambre circulaire, dans laquelle un cône est amené à tourner sur un arbre ou un axe au moyen de feuilles ou d'ailes, alternativement exposées à la pression de la vapeur; ces ailes ou feuilles étant amenées à travailler à travers des fentes ou des ouvertures d'un plan circulaire, qui tourne obliquement par rapport à, et est ainsi maintenue en contact avec le côté du cône. »

Ericsson a construit son troisième moteur à air chaud (le moteur calorique) en 1833 qui a suscité tant d'intérêt il y a quelques années en Angleterre; et qui, s'il devait être mis en pratique, s'avérera l'invention mécanique la plus importante jamais conçue par l'esprit humain, et qui conférera à la vie civilisée de plus grands avantages que tout ce qui l'a jamais précédée. Car l'objet de celui-ci est la production de puissance mécanique par l'action de la chaleur, à une dépense de carburant si extrêmement faible, que l'homme aura une force mécanique presque illimitée à sa disposition, dans des régions où l'on peut maintenant dire que le carburant existe à peine. .

1838 voit le brevet du moteur à air chaud Franchot, certainement le moteur à air chaud qui répondait le mieux aux exigences de Carnot.

Jusqu'à présent, tous ces moteurs pneumatiques ont échoué, mais la technologie mûrissait. En 1842, James Stirling, le frère de Robert, construit le célèbre moteur Dundee Stirling. Celui-ci a duré au moins 2-3 ans, mais a ensuite été interrompu en raison de dispositifs techniques inappropriés. Les moteurs à air chaud sont une histoire d'essais et d'erreurs, et il a fallu encore 20 ans avant que les moteurs à air chaud puissent être utilisés à l'échelle industrielle. Les premiers moteurs à air chaud fiables ont été construits par Shaw, Roper, Ericsson. Plusieurs milliers d'entre eux ont été construits.

Cycles thermodynamiques

Un cycle thermodynamique de moteur à air chaud peut (idéalement) être constitué de 3 processus ou plus (typique 4). Les processus peuvent être l'un de ceux-ci:

• processus isotherme (à température constante, maintenu avec de la chaleur ajoutée ou retirée d'une source de chaleur ou d'un puits)
• processus isobare (à pression constante)
• processus isométrique / isochore (à volume constant)
• processus adiabatique (aucune chaleur n'est ajoutée ou retirée du fluide de travail)
  • Procédé isentropique , processus adiabatique réversible (sans chaleur est ajouté ou retiré du fluide de travail - et l' entropie est constante)
• processus isenthalpique (l' enthalpie est constante)

Quelques exemples (pas tous les cycles à air chaud, tels que définis ci-dessus) sont les suivants:

Encore un autre exemple est le cycle de Vuilleumier .

Voir également

• Moteur Stirling
• Moteur à air chaud thermoacoustique
• Moteur Manson-Guise
• Moteur anti-flammes
• Moteur thermique Carnot
• Chronologie de la technologie des moteurs thermiques

Les références

Liens externes

• Introduction aux machines à cycle Stirling
• Pionniers dans la conception de moteurs pneumatiques (sélectionnez la biographie souhaitée)
• Appareil pour la méthode de différenciation thermique Brevet Vuilleumier
• Enquête sur les moteurs à air chaud du XIXe siècle