Unité moteur/g . - Présentation du département de physique
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1. Moteur Stirling transparent Unit moteur g Torsiom tre Mode d emploi 1 OBJET ET PROPRIETES CARACTERISTISQUES Un moteur Stirling moteur air chaud sert la transfor mation d nergie thermique en nergie m canique Lor squ il est entra n m caniquement il fonctionne en pompe chaleur ou en machine frigorifique il permet donc de montrer d une fa on remarquable la r versibilit des pro cessus thermodynamiques Le mode de fonctionnement du moteur Stirling est expliqu sur la figure 2 Le piston moteur et le piston de d tente sont dispos s en V et d cal s de 90 Le piston moteur A est de constitution m tallique il est exactement ajust au tube en verre Le pi ston de d tente V en verre assume en m me temps la fonction de r cup ration r g n ration une fonction pri mordiale dans le principe de fonctionnement d un moteur Fig 2 Mode de fonctionnement du moteur Stirling 1 D tente isotherme apport de chaleur cession de travail 2 Cession de chaleur isochore pas de travail 3 Compression isotherme cession de chaleur absorption de travail V Vi ps p4 et T const 4 Absorption isochore de chaleur pas de travail 04372 00 04372 01 04372 02 Stirling il refroidit le courant de gaz chaud accumuie son nergie et la rec de au gaz froid refoul A l aide de l unit moteur g n rateur l nergie m cani que produite par le moteur Stirling2. talonner la tension de sortie de la pression de l appareil de mesure en fonction du couple capteur appareil de mesure existant Ceci peut tre ex cut facilement par exemple l aide d une seringue a gaz Pour ce faire on retire le tuyau souple de l olive de la pla que de montage et on d termine d abord la tension pour la pression atmosph rique p Le piston d une seringue a gaz fermant herm tiquement est par exemple retir de 20 mi puis reli par l interm diaire du tuyau au capteur En repoussant le piston vers l in t rieur en op rant par pas de 1 ml p ex jusqu la marque des 15 ml la pression peut facilement tre augment e La compression est isotherme La plage de la phase en d pression est mesur e respectivement par une d tente par exemple en op rant de 15 ml par pas pas jusqu 20 mi Le volume du tuyau de liaison d env 0 07ml peut tre n g lig La figure montre un exemple de mesure 100 200 300 400 20 19 18 17 6 lt m m gt D tente de 15 ml 2019 18 17 5 Etalonnage de la tension de sortie pour la pression exemple de mesure Tension U en fonction de la surpression Ap p p 04371 00 6 CARACTERISTIQUES TECHNIQUES Pression Les tensions de sortie du capteur de pression sont ampli fi es par l appareil de mesure Caract ristiques du capteur de pression pour une tension de service de 5 V Sensibilit typ 44 108 V hPa min 28 106
3. cision 0 1 K toutefois les valeurs absolues de deux sondes peuvent s carter entre elles jusqu 6 C Un talonnage est donc n cessaire en cas de la mesure diff rentielle de temp rature Ti T9 Un t lonnage est galement indispensable lors de la me sure des volumes Le volume momentane de l air dans le moteur Stirling est d termin partir de la position du piston moteur c est dire partir de la position angulaire du vilebrequin l aide du palpeur d tecteur incr mentiel Dans ce cas il faut proc der une pr d termination d une valeur d origine Temp rature Imm diatement apr s sa mise en route l appareil effectue toujours un court autotest de tous les composants Si ce test est concluant le display du milieu affiche l ordre CAL Les deux sondes de temp rature raccord es doivent alors tre amen es la m me temp rature p ex d un bain marie puis il faut actionner la touche 6 Calibrer AT L appareil saisit les deux valeurs de mesure et m morise leur diff rence jusqu la coupure de l appareil Ce calibrage n a aucune r percussion sur l affichage des valeurs absolues Au cas d utilisation d une seule sonde de temp rature ou si la diff rence de temp rature ne pr sente pas d int r t la touche peut tre actionn e pour n importe quelle temp ra ture de la sonde Volume Apres l talonnage de la temp rature le display sup rieur affiche l indication
4. V hPa Lin arit typ 0 15 max 0 35 Tension pour po typ 0 mV 25 mV Caract ristiques de l appareil de mesure Facteur d amplification 114 Tension de sortie typ 5 010 V hPa min 3 10 V hPa pour Po typ 2 5 V 2 8 V Vitesse de rotation et volume La valeur de la tension pour le volume est calcul e partir de la position du d tecteur incr mentiel Pour ce faire on affecte lors de l op ration d talonnage la valeur 0 V au plus petit volume Vmin D tecteur incr mentiel 256 impulsions tour Affichage vitesse de rotation max 1999 min Tension de sortie 4 2 Vicm pour des volumes V min 32 cm 0 0 V V nax 44 cm 5 0 V Temp rature Lors d un fonctionnement en moteur pendant lequel r gne sur la partie chaude du moteur Stirling un gradient de temp rature flamme il est judicieux de limiter la mesure de temp rature une pr cision de 1 C La position du point de mesure a t choisie en fonction de relev s thermogra phiques pour qu en cet endroit on soit en pr sence d une temp rature moyenne du gradient Lors d un fonctionnement en pompe chaleur resp ma chine froid les variations de temp rature du syst me sont nettement plus petites Pour cette raison on a choisi pour le deuxi me point de mesure de la temp rature une r so lution de 0 1 C T4 et AT Plage de mesure 10 C 400 C Resolution 1 C T2 Plage de mesure 10 0 C 99 9 C Resolution 0 1
5. jeu en marche Dans le cylindre de d tente se trouvent deux points de me sure de temp rature Les douilles m talliques comportent une ouverture d un diam tre de 0 6 mm pouvant recevoir des thermocouples NiCr Ni gain s N de cde 13615 01 2 2 Unit moteur g n rateur 04372 01 La fourniture comprend 1 moteur g n rateur sur une querre de montage 1 courroie 1 lampe incandescence 4 V 40 mA L unit moteur g n rateur poss de deux poulies corde de taille diff rente permettant de montrer l influence du rapport de transmission sur la puissance et la vitesse de rotation du moteur Stirling La liaison avec le volant est assur e par une courroie Un commutateur permet de choisir entre la marche moteur et la marche g n rateur Lors du fonctionnement en g n rateur la lampe incan descence est allum e Parall lement la douille de la lampe se trouvent deux douilles de sortie permettant d y raccorder une r sistance r glable En position 0 du commutateur le g n rateur n est pas en charge Lors d un fonctionnement en moteur on applique une ten sion continue aux douilles d entr e 2 3 Torsiom tre 04372 02 La fourniture comprend 1 aiguille indicatrice 1 chelle gradu e La pi ce m tallique int rieure de l aiguille frein de Prony avec poids d inclinaison est fix e solidement l aide de la cl Inbus devant le grand volant sur l axe du moteur Stirling Le frottement entre la pi ce
6. m tallique et l aiguille peut tre modifi par la vis de r glage sur l aiguille Lorsque le moteur Stirling tourne l aiguille est enfil e avec pr caution sur l axe Alors le frottement doit tre lente ment augment toutefois il ne doit pas atteindre la valeur bloquant le moteur Le couple r gl est affich sur l chelle gradu e PHIWE 3 CARACTERISTIQUES TECHNIQUES Moteur Stirling Vitesse de rotation vide min 800 min Puissance max env 1 W Unit moteur g n rateur Tension moteur max 12 V Lampe incandescence 4 V 40 mA Diam tre de la courroie 150 mm Torsiom tre Plage de mesure 25 10 Nm Resolution 1 103 Nm 4 INDICATIONS PARTICULIERES Le piston moteur ne doit pas tre huil il est exactement ajust dans le cylindre en verre L huile augmenterait le frot tement et diminuerait ainsi la puissance du moteur Le cylindre de d tente est mont pour qu il existe un jeu r gulier entre lui et le piston et que la puissance soit op timis e Les vis de fixation ne doivent donc pas tre modi fi es Lorsque la puissance du moteur Stirling baisse la tige du piston de d tente doit tre munie d une goutte d huile de machine tr s fluide Pour ce faire utiliser une se ringue NP de cde 02593 03 avec une canule NP de cde 02597 04 pour qu aucune goutte d huile ne parvienne sur le piston moteur 5 LISTE DES APPAREILS Moteur Stirling transparent 04372 00 Unit moteur g n rateu
7. ot point mort sup rieur PMS Le d tecteur incr mentiel de l unit de d tection doit alors tre mont solidement sur le vilebrequin du moteur Stirling et l unit de d tection doit tre reli e la douille 8 p les de l appareil de mesure 0 Compression de 20 ml Puis le piston moteur est amen la position pour la quelle dans le moteur Stirling r gne le plus petit volume c est dire le piston moteur se trouve son point le plus bas La touche 7 Calibrer V est actionn e pour cette position Un talonnage erron am ne un offset dans le calcul du volume d o une d formation du diagramme pV Les touches pour les op rations d talonnage n ont plus au cune fonction pendant le fonctionnement suivant de l ap pareil Un nouvel talonnage ne peut tre r alis qu apr s une extinction et un r enclenchement de l appareil 5 ETALONNAGE DE LA TENSION DE SORTIE POUR LA PRESSION Le capteur de pression mesure la diff rence de pression par rapport la pression de l air p Sa tension de sortie est amplifi e par l appareil de mesure et la pression atmos ph rique p une tension offset est affect e Pour que lap pareil de mesure du moteur Stirling soit ind pendant d une unit de d tection d termin e l amplification et l offset de l appareil de mesure sont r gl s pour les caract ristiques propres du capteur de pression Pour exploiter le diagramme pV il faudra donc
8. C PH WE 4 7 LISTE DES APPAREILS Appareil de mesure pour moteur Stirling pVnT 04371 97 Unit de d tection pVn 04371 00 Moteur Stirling transparent 04372 00 Unit moteur g n rateur 04372 01 Torsiom tre 04372 02 Chemin e pour moteur Stirling 04372 04 Thermocouple NiCr Ni gain 2x 13615 01 Oscilloscope 20 Mhz 2 canaux 11454 93 C ble blind BNC L 500 mm 07542 11 Seringue 20 mi LUER 1 pi ce de 02591 03 Pour le relev du diagramme pV on peut utiliser la place d un oscilloscope une interface d ordinateur avec un pro gramme d un traceur XY 8 BIBIOGRAPHIE Travaux pratiques Enseignement sup rieur Physique Partie 5 exp rience 3 19 04371 00
9. DETECTION pVn Pour pouvoir effectuer les mesures de pression de volume t de vitesse de rotation du moteur Stirling l unit de d tection et le moteur Stirling doivent tre reli s solidairement entre eux Un entra neur 1 est fix sur l axe du d tecteur li peut tre lib r et bloqu l aide d une cl Inbus fournie 04371 00 04371 97 04371 93 avec le moteur Stirling Avant le montage cet entra neur devra tre pouss compl tement vers la tour de mesure Le moteur Stirling est d tach de sa plaque de base bleue Puis la plaque de montage est retir e de sa face inf rieure l aide d un tournevis Ensuite le moteur Stirling est fix Sur la plaque de montage de l unit de d tection 2 L entra neur du d tecteur incr mentiel est pouss vers le moteur Stirling accoupl la masse d inertie fongiforme et bloqu sur l axe Pour terminer le moteur Stirling avec la tour de d tection est remont et reviss sur la plaque de base bleue Pour la mesure de la pression le capteur de pression doit tre reli par l interm diaire d un tuyau caoutchouc paroi paisse avec l olive de raccordement de la plaque de mon tage 3 PHYWE SYSTEME GMBH Robert Bosch Breite 10 D 37079 G ttingen Telefon 05 51 6 04 0 Telefax 05 51 60 41 07 DESCRIPTION DE L APPAREIL DE MESURE pVnT Douille diode 8 p les pour le raccordement de l unit de d tection pVn Capteur de pression
10. VNT 04371 00 UNITE DETECTEUR PVN MOT STIRL Bun Unit de d tection pVn Appareil de mesure pour moteur Stirling oVnT Mode d emploi 04371 00 1 OBJET ET PROPRIETES CARACTERISTIQUES L unit de d tection et l appareil de mesure ont t sp cialement tudi s pour le moteur Stirling transparent 04372 00 Ils servent saisir et afficher toutes les valeurs des tats thermodynamiques de ce moteur Stirling Pression Un capteur sensible compensation de temp rature saisit continuellement la pression dans le moteur Stirling Signal de sortie Valeur de tension analogique Volume et vitesse de rotation Le mouvement du piston moteur est explor par un d tec teur incr mentiel accoupl au vilebrequin Les signaux du d tecteur permettent de calculer la vitesse de rotation et les volumes d air momentan s dans le moteur Stirling Signal de sortie pour la vitesse de rotation Affichage num rique 4 chiffres Signal de sortie du volume Valeur de tension analogique Affichage d un diagramme pV par exemple l aide d un oscilloscope Temp rature Les temp ratures dans les parties froide et chaude du cy lindre de d tente sont mesur es par l interm diaire de deux piquages de mesure l aide de thermocouples NiCr Ni Sortie deux display avec indication num rique 4 chiffres Display T peut tre commut sur une mesure diff rentielle Ty Do 2 MONTAGE DE L UNITE DE
11. est transform e en nergie lectrique lumi re Inversement cette unit permet aussi l entra nement m canique du moteur Stir ling A l aide du torsiom tre on peut appliquer au moteur Stirling un couple d termin En outre en mesurant la vitesse de rotation on peut en calculer la puissance m canique c d e Vi gt V Ma pP et T4 const T T3 Po P et V const R T p gt p et V const PHYWE SYSTEME GMBH Robert Bosch Breite 10 D 37079 G ttingen Telefon 05 51 6 04 0 Telefax 05 51 60 41 07 SD SASS TEE RE Fa 2 DESCRIPTION ET MODE OPERATOIRE 2 1 Moteur Stirling 04372 00 La fourniture comprend 1 moteur Stirling 1 plaque de base bleue 1 br leur alcool 1 Cl Inbus 4 vis t te molet e 2 dans la plaque de base 2 sur le moteur Stirling Le moteur Stirling est plac sur la plaque de base et fix par le bas par deux vis t te molet e Deux autres vis t te molet e sur le dessus de la plaque de base servent fixer l unit moteur g n rateur ou l chelle gradu e du tor siom tre Le volant est en g n ral mont fixe sur l axe Il peut tre d gag l aide de la cl Inbus Apr s un remontage du volant l axe devra tre tir l g rement vers l ext rieur et il ne doit subsister entre le volant et le corps du moteur qu un petit in terstice de l paisseur d une feuille de papier pour que l axe n ait pas trop de
12. et d tecteur incr mentiel sont aliment s par cette douille la tension n cessaire Les signaux de mesure sont dirig s vers l appareil de mesure pour tre trait s et affich s Entr es pour les thermocouples NiCr Ni NP de cde 13615 01 Sorties analogiques pour la pression resp le volume pour la repr senta tion du diagramme pV par exemple avec l aide d un oscilloscope ou d une interface d ordinateur Affichage num rique pour la vitesse de rotation PHYWE Affichages numeriques pour les temp ratures 5a Dans le display du milieu on peut afficher soit la temp rature T soit la dif f rence T T La s lection se fait par la touche encliquetage Display 5b Deux diodes lumineuses 5c indiquent laquelle des deux valeurs est repre sentee Touche pour l etalonnage des deux sondes de temp ratures voir point 4 Etalonnage lors de l enclenchement de l appareil Touche pour confirmer valider le positionnement du piston moteur pour le calcul du volume voir point 4 Etalon nage lors de l enclenchement de l appareil Montage exp rimental 04371 00 i N ji i i 4 ETALONNAGE DE LA TEMPERATURE ET DU VO LUME LORS DE L ENCLENCHEMENT DE L AP PAREIL Pour effectuer des mesures relatives les thermocouples NiCr Ni poss dent une bonne pr
13. r 04372 01 Torsiom tre 04372 02 Accessoires pour marche en moteur solaire 04372 03 Chemin e pour moteur Stirling 04372 04 Unit de d tection pVn 04371 00 Appareil de mesure pVnT 04371 97 Thermocouple NiCr Ni gain 2x 13615 01 Oscilloscope 20 Mhz 2 canaux 11454 93 C ble blinde BNC 2x 07542 11 Rheostat 330 Q 06116 01 Fils de connexion 04372 00 j i Fig 3 Puissance m canique P et puissance lectrique P en fonction de la vitesse de rotation Pa grande poulie P petite poulie 6 EXPERIENCES Les appareils compl mentaires bien accord s au moteur Stirling permettent de nombreuses exp riences qualitatives et quantitatives Transformation Chaleur nergie m c lumi re Fonctionnement en pompe chaleur ou en machine fri gorifique Puissance m can en fonction de la vitesse de rotation Fig 3 Puissance lectr en fonction de la vitesse de rotation Fig 3 Mesure des temp ratures Relev du diagramme pV PHYWE 7 BIBLIOGRAPHIE Travaux pratiques Enseignement sup rieur Physique Partie 5 exp rience 3 19 04372 00 i Empf nger Komm Nr KOM044777 Auftrag LAU001304 1 Grand Route 79 BE 4610 Beyne Heusay Phywe Systeme GmbH FRANKREICH Artikel Komponente Beschreibung 04372 00 MOTEUR STIRLING TRANSPARENT 04372 01 UNITE MOTEUR GENERATEUR 04372 02 TORSIOMETRE 04371 97 METRE P MOTEUR STIRLING P
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