a a F F Unité moteur/gé Torsiometre Moteur Stirling, transparent 04372.00 04372.01 04372.02 Mode d'emploi 1 OBJET ET PROPRIETES CARACTERISTISQUES Un moteur Stirling (moteur a air chaud) sert a la transfor- mation d'énergie thermique en énergie mécanique. Lor- squ’il est entraîné mécaniquement, il fonctionne en pompe à chaleur ou en machine frigorifique; il permet donc de montrer d'une façon remarquable la réversibilité des pro- cessus thermodynamiques. Le mode de fonctionnement du moteur Stirling est expliqué sur la figure 2. Le piston moteur et le piston de détente sont disposés en V et décalés de 90°. Le piston moteur (A) est de constitution métallique, il est exactement ajusté au tube en verre. Le pi- ston de détente (V) en verre assume en même temps la fonction de récupération (régénération), une fonction pri- mordiale dans le principe de fonctionnement d’un moteur Stirling: il refroidit le courant de gaz chaud, accumule son énergie et la recède au gaz froid refoulé. À l’aide de l’unité moteur/générateur l'énergie mécani- que produite par le moteur Stirling est transformée en énergie électrique (lumière). Inversement, cette unité permet aussi l'entraînement mécanique du moteur Stir- ling. A l’aide du torsiomètre on peut appliquer au moteur Stirling un couple déterminé. En outre, en mesurant la vitesse de rotation, on peut en calculer la puissance mécanique cédée. Fr A i a AY Fig. 2: Mode de fonctionnement du moteur Stirling. 1) Détente isotherme, apport de chaleur, cession de travail 2) Cession de chaleur isochore, pas de travail 3) Compression isotherme, cession de chaleur, absorption de travail 4) Absorption isochore de chaleur, pas de travail V,—> Va p, — Py et 7, = const T.— To Ppo—> Pa el V,= const. Vo—> Vi p3—>p4 et T,= const. To—>T, py—>p; et V, = const PHYWE SYSTEME GMBH - Robert-Bosch-Breite 10 - D-37079 - Gottingen - Telefon (05 51) 6 04-0 - Telefax (05 51) 60 41 07 2 DESCRIPTION ET MODE OPERATOIRE 2.1 Moteur Stirling 04372.00 La fourniture comprend: 1 moteur Stirling 1 plaque de base bleue 1 brûleur à alcool 1 Clé Inbus 4 vis à tête moletée (2 dans la plaque de base, 2 sur le moteur Stirling) Le moteur Stirling est placé sur la plaque de base et fixé par le bas par deux vis à tête moletée. Deux autres vis à tête moletée, sur le dessus de la plague de base, servent à fixer Funité moteur/générateur ou I'échelle graduée du tor- siometre. | Le volant est en général monté fixe sur 'axe. Il peut étre dé- gagé à l’aide de la clé Inbus. Après un remontage du volant, l'axe devra être tiré légèrement vers l'extérieur et il ne doit subsister entre le volant et le corps du moteur qu’un petit in- terstice de l'épaisseur d’une feuille de papier pour que l’axe n'ait pas trop de jeu en marche. Dans le cylindre de détente se trouvent deux points de me- sure de température. Les douilles métalliques comportent une ouverture d'un diamètre de 0,6 mm pouvant recevoir des thermocouples NiCr-Ni gainés. (N° de cde 13615.01) 2.2 Unité moteur/générateur 04372.01 La fourniture comprend: 1 moteur/générateur sur une équerre de montage 1 courroie 1 lampe à incandescence 4 V / 40 mA L'unité moteur/générateur possède deux poulies à corde de taille différente, 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 assurée par une courroie. Un commutateur permet de choisir entre la marche moteur et la marche générateur. Lors du fonctionnement en générateur la lampe à incan- descence est allumée. Parallèlement à la douille de la lampe se trouvent deux douilles de sortie permettant d’y raccorder une résistance réglable. | En position ,0* du commutateur, le générateur n’est pas en charge. | Lors d'un fonctionnement en moteur, on applique une ten- sion continue aux douilles d'entrée. 2.3 Torsiomètre 04372.02 La fourniture comprend: 1 aiguille indicatrice 1 échelle graduée La pièce métallique intérieure de l'aiguille (frein de Prony avec poids d'inclinaison) est fixée solidement à l’aide de la clé Inbus devant le grand votant sur l’axe du moteur Stirling. Le frottement entre la pièce métallique et l’aiguille peut être modifié par la vis de réglage sur l'aiguille. | Lorsque le moteur Stirling tourne, l'aiguille est enfilée avec précaution sur l'axe. Alors, le frottement doit être lente- ment augmenté, toutefois il ne doit pas atteindre la valeur bloquant le moteur. Le couple réglé est affiché sur l’échelle graduée. PHYWE 3 CARACTERISTIQUES TECHNIQUES Moteur Stirling Vitesse de rotation à vide min. 800/min Puissance max. env.1 W Unité moteur/générateur Tension moteur max. 12 V- Lampe à incandescence A4V/40 mA Diamètre de la courroie 150 mm Torsiomètre Plage de mesure 25-1073 Nm Résolution 1:-103 Nm 4 iNDICATIONS PARTICULIERES Le piston moteur ne doit pas être huilé, il est exactement ajusté dans le cylindre en verre. L'huile augmenterait le frot- tement et diminuerait ainsi la puissance du moteur. Le cylindre de détente est monté pour qu'il existe un jeu ré- gulier … . entre lui et ie piston et que la puissance soit op- timisée. Les vis de fixation ne doivent donc pas être modi- fiées. Lorsque la puissance du moteur Stirling baisse, la tige - | du piston de détente doit être munie d’une goutte d'huile de machine très 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 Unité moteur/générateur 04372.01 Torsiometre 04372.02 Accessoires pour marche en moteur solaire 04372.03 Cheminée pour moteur Stirling 04372.04 Unité de détection pVn 04371.00 Appareil de mesure pVnT 04371.97 Thermocouple NiCr-Ni, gainé (2x) 13615.01 Oscilloscope 20 Mhz, 2 canaux 11454.93 Cable blinde BNC (2x) 07542.11 Rhéostat 330 Q 06116.01 Fils de connexion ‚ 04372.00 zh Fig. 3: Puissance mécanique P, et puissance électrique P, en fonction de la vitesse de rotation (Pa1 = grande poulie, P,, = petite poulie) 6 EXPERIENCES 7 BIBLIOGRAPHIE: Les appareils complémentaires bien accordés au moteur | Travaux pratiques Enseignement supérieur Physique, Stirling permettent de nombreuses expériences qualitatives = Partie 5, expérience 3.19 et quantitatives. - Transformation: Chaleur - énergie méc. - lumière - Fonctionnement en pompe à chaleur ou en machine fri- gorifique | - Puissance mécan. en fonction de la vitesse de rotation (Fig. 3) - Puissance électr. en fonction de la vitesse de rotation — (Fig. 3) - Mesure des températures - Relevé du diagramme pV Komm.Nr.: KOM044777 Auftrag: LAU001304-1 Empfänger: Phywe Systeme GmbH (FRANKREICH Grand Route 79 BE - 4610 Beyne-Heusay Artikel Komponente Beschreibung 04372-00 MOTEUR STIRLING, TRANSPARENT 04372-01 UNITE MOTEUR/GENERATEUR 04372-02 TORSIOMETRE 04371-97 METRE P. MOTEUR STIRLING PVNT 04371-00 UNITE DETECTEUR PVN MOT. STIRL Unité de détection pVn Appareil de mesure pour moteur Stirling, pYn7 04371.00 04371.97 Mode d'emploi 04371.00 1 OBJET ET PROPRIETES CARACTERISTIQUES L'unité de détection et l'appareil de mesure ont été spé- cialement étudiés pour le moteur Stirling transparent 04372.00. lls servent a saisir et a afficher toutes les valeurs des états thermodynamiques de ce moteur Stirling. Pression Un capteur sensible à compensation de température 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 exploré par un détec- teur incrémentiel accouplé au vilebrequin. Les signaux du détecteur permettent de calculer la vitesse de rotation et les volumes d'air momentanés dans le moteur Stirling. Signal de sortie pour la vitesse de rotation: Affichage numérique à 4 chiffres Signal de sortie du volume: Valeur de tension analogique Affichage d’un diagramme pV, par exemple, à l'aide d’un oscilloscope. Température | Les températures dans les parties froide et chaude du cy- lindre de détente sont mesurées par l'intermédiaire de deux piquages de mesure à l’aide de thermocouples NiCr-Ni. Sortie: deux display avec indication numérique à 4 chiffres Display T, peut être commuté sur une mesure différentielle T, - To. 2 MONTAGE DE L'UNITE DE DETECTION pVn Pour pouvoir effectuer les mesures de pression, de volume et de vitesse de rotation du moteur Stirling, l’unité de dé- tection et le moteur Stirling doivent être reliés solidairement entre-eux. Un entraîneur (7) est fixé sur l’axe du détecteur. I! peut être libéré et bloqué à l'aide d’une clé Inbus (fournie 04371.93 avec le moteur Stirling). Avant le montage, cet entraîneur devra être poussé complètement vers la tour de mesure. Le moteur Stirling est détaché de sa plaque de base bleue. Puis, la plaque de montage est retirée de sa face inférieure à l'aide d'un tournevis. Ensuite, le moteur Stirling est fixé sur la plaque de montage de l’unité de détection (2). L'entraîneur du détecteur incrémentie! est poussé vers le moteur Stirling, accouplé à la masse d'inertie fongiforme et bloqué sur l'axe. Pour terminer, le moteur Stirling avec la tour de détection est remonté et revissé sur la plaque de base bieue. Pour la mesure de la pression, le capteur de pression doit être relié par l'intermédiaire d’un tuyau caoutchouc à paroi épaisse avec l'olive de raccordement de la plaque de mon- tage (3). PHYWE SYSTEME GMBH- Robert-Bosch-Breite 10 - D-37079 - Göttingen - Telefon (05 51) 6 04-0 - Telefax (05 51) 60 41 07 C a 3 DESCRIPTION DE L'APPAREIL DE MESURE pVnT Douille à diode 8 pôles pour le raccordement de l’unité de détection pVn. Capteur de pression et détecteur incrémentiel sont alimentés par cette douille à la tension nécessaire. Les signaux de mesure sont dirigés vers l'appareil de mesure pour être traités et affichés. 2 Entrées pour les thermocouples NiCr-Ni (NP de cde 13615.01) 3 Sorties analogiques pour la pression resp. le volume pour la représenta- tion du diagramme pV, par exemple avec l’aide d’un oscilloscope ou d'une interface d'ordinateur. 4 Affichage numérique pour la vitesse de rotation | 5 Affichages numériques pour les températures (5a). Dans le display du milieu, on peut afficher soit la température T, soit la dif- férence T, - T,. La sélection se fait par la touche à encliquetage ,Display“ (5b). Deux diodes lumineuses Oc) indiquent laquelle des deux valeurs est repré- sentée. Touche pour I'étalonnage des deux sondes de températures voir point 4 ,Etalonnage lors de I'enclenchement de ’appareil“, | Touche pour confirmer (valider) le positionnement du piston moteur pour le calcul du volume (voir point 4 ,Etalon- nage lors de I'enclenchement de l'appareil“ Montage expérimental 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 possèdent une bonne précision (0,1 K), toutefois les valeurs absolues de deux sondes peuvent s’écarter entre-elles jusqu'à 6°C. Un étalonnage est donc nécessaire en cas de la mesure différentielle de température T, - To. Un étalonnage est également indispensable lors de la me- sure des volumes: | Le volume momentané de Pair dans le moteur Stirling est déterminé à partir de la position du piston moteur, c'est-à- dire à partir de la position angulaire du vilebrequin à l'aide du palpeur détecteur incrémentiel. Dans ce cas, il faut procéder à une prédétermination d’une valeur d'origine. Température Immédiatement après 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 température raccordées doivent alors être amenées à la même température (p. ex. d’un bain- marie), puis il faut actionner la touche (6) ,Calibrer AT“. - L'appareil saisit les deux valeurs de mesure et mémorise leur différence jusqu'à la coupure de l’appareil. Ce calibrage n’a aucune répercussion sur l’affichage des valeurs absolues. Au cas d'utilisation d'une seule sonde de température, ou si la différence de température ne présente pas d'intérêt, la touche peut être actionnée pour n'importe quelle tempéra- ture de la sonde. Volume | Apres Fétalonnage de la température, le display supérieur affiche l'indication Lot“ (= point mort supérieur = PMS). - Le détecteur incrémentiel de l’unité de détection doit alors être monté solidement sur le vilebrequin du moteur Stirting et l'unité de détection doit être reliée à la douille 8 pôles de l'appareil de mesure. - Puis, le piston moteur est amené à la position pour la- quelle dans le moteur Stirling règne le plus petit volume, c’est-à-dire le piston moteur se trouve à son point le plus bas. La touche (7) ,Calibrer V* est actionnée pour cette position. - Un étalonnage erroné améne un offset dans le calcul du volume, d’où une déformation du diagramme pV! Les touches pour les opérations d’étalonnage n’ont plus au- cune fonction pendant le fonctionnement suivant de l'ap- pareil. Un nouvel étalonnage ne peut être réalisé qu'après une extinction et un réenclenchement de l’appareil. 5 ETALONNAGE DE LA TENSION DE SORTIE POUR LA PRESSION Le capteur de pression mesure la différence de pression par rapport à la pression de l'air p,. Sa tension de sortie est amplifiée par l'appareil de mesure, et à la pression atmos- phérique р, une tension offset est affectée. Pour que l’ap- pareil de mesure du moteur Stirling soit indépendant d'une unité de détection déterminée, l’amplification et l’offset de l'appareil de mesure sont réglés pour les caractéristiques propres du capteur de pression. Pour exploiter le diagramme pV, il faudra donc étalonner la tension de sortie de la pression de l’appareil de mesure en fonction du couple capteur-appareil de mesure existant. Ceci peut être exécuté facilement, par exemple à 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 détermine d'abord la tension pour la pression atmosphérique p, Le piston d’une seringue a gaz fermant hermétiquement est, par exemple, retiré de 20 ml, puis relié par l’intermé- diaire du tuyau au capteur. En repoussant le piston vers l'in- térieur en opérant par pas de 1 ml (p. ex. jusqu'à la marque des 15 ml) la pression peut facilement être augmentée. La compression est isotherme. La plage de la phase en dé- pression est mesurée respectivement par une détente, par exemple, en opérant de 15 ml par pas à pas jusqu'à 20 mi. Le volume du tuyau de liaison d'env. 0,07ml peut être nég- ligé. La figure montre un exemple de mesure. Compression de 20 ml à … | | 1 0 -200 -00 0 7 | | | 100 200 300 400 AP > hPa PTY 2019 16 17 % % ! ! Пу — — ->>- — Détente de 15 mi à. 20% 18 17 % 15 «= mn Etalonnage de la tension de sortie pour la pression (exemple de mesure) Tension U en fonction de la surpression Ap=p-p, PHVWE 3 04371.00 — Plage de mesure: Résolution: 0,1°C 6 CARACTERISTIQUES TECHNIQUES Pression Les tensions de sortie du capteur de pression sont ampli- fiées par l'appareil de mesure. Caractéristiques du capteur de pression (pour une tension de service de 5 V): Sensibilité typ. 44-108 V/hPa (min 28-10 V/hPa) Linéarité typ. 0,15% (max. 0,35%) Tension pour p, typ. 0 mV (+/-25 mV) Caractéristiques de l'appareil de mesure: Facteur d’amplification: 114 Tension de sortie: typ. 5,0-10%3 V/hPa (min 3-103 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 calculée à partir de la position du détecteur incrémentiel. Pour ce faire, on affecte lors de l’opération d'étalonnage la valeur 0 V au plus petit volume Vmin Détecteur incrémentiel: 256 impulsions/tour ‘Affichage vitesse de rotation: max. 1999 min7! Tension de sortie: 4,2 Viem$ pour des volumes Vin (32 cm) = 0,0 V Va (44 cm®) = 5,0 V Température Lors d'un fonctionnement en moteur pendant lequel règne température (flamme), il est judicieux de limiter la mesure de température à une précision de 1°C. La position du point de mesure a été choisie en fonction de relevés thermogra- phiques pour qu'en cet endroit on soit en présence d'une température moyenne du gradient. Lors d'un fonctionnement en pompe à chaleur, resp ma- chine à froid, les variations de température du système sont nettement plus petites. Pour cette raison, on a choisi pour le deuxième point de mesure de la température une réso- lution de 0,1°C. T,et AT: | Plage de mesure: -10°С...+400°С Résolution: 1°C To: -10,0°C...+99,9°C PHYWE 7 LISTE DES APPAREILS Appareil de mesure pour moteur Stirling pVnT 04371.97 Unité de détection, pVn 04371.00 Moteur Stirling, transparent 04372.00 Unité moteur/générateur 04372.01 Torsiométre 04372.02 Cheminée pour moteur Stirling 04372.04 Thermocouple NiCr-Ni, gainé (2x) 13615.01 Oscilloscope, 20 Mhz, 2 canaux 11454.93 Câble blindé BNC, L = 500 mm 07542.11 Seringue 20 ml, LUER, 1 piéce de 02591.03 Pour le relevé du diagramme pV, on peut utiliser á la place d'un oscilloscope une interface d'ordinateur avec un pro- gramme d'un traceur XY. 8 BIBIOGRAPHIE Travaux pratiques Enseignement supérieur Physique, Partie 5, expérience 3.19. 04371.00 ">
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