FablabSU

Cette page est en lecture seule. Vous pouvez afficher le texte source, mais ne pourrez pas le modifier. Contactez votre administrateur si vous pensez qu'il s'agit d'une erreur.
**<fs xx-large>Moteur de Stirling</fs>**

**<fs medium>Participants</fs>**

  * Allan RAKOTOASIMBOLA 
  * Mathilde MOURY 
  * Quentin VUAGNAT 
  * Taddeo SALIQUE
  * Thomas THEVENET 

**Enseignant référent : ** Massimiliano MARANGOLO

====== Diagramme de Gantt ======
[[https://docs.google.com/spreadsheets/d/1XomlowRotzSkqkbHHaXZdw_4bi5G1ZKbFa81CqYiNxs/edit#gid=0|Diagramme de Gantt]]

====== Article =====
{{ :wiki:projet:l3phys2021:article_lu3py024_groupe9.pdf |}}

====== Journal de bord ======

**Mercredi 3 Février :** Recherche des sujets qu'on pouvait exploiter. \\
Nous voulions trouver un sujet se reposant sur les bases de ce qu'on a appris lors de notre licence de Physique. Ainsi, nous avions pu mettre en place les trois sujets possibles concordant à des domaines précis ou l'on se sentait confiant: Moteur de Stirling(Thermodynamique), Lévitation magnétique(Electromagnétisme), Objectif d'appareil photo(Optique). 

**Mercredi 11 Février :** Première réunion avec M. Marangolo, notre professeur référent. \\
Nous avons fait un tour d'horizon des difficultés et caractéristiques des deux sujets qui nous intéressent, le Moteur Stirling et la Sustentation magnétique après avoir éliminé l'objectif photo (jugé trop complexe à mettre en place due à notre manque de connaissance en électronique). Après réflexion, il a été décidé de prendre connaissance auprès des techniciens des plateformes de TP sur la faisabilité expérimentale des sujets. 

**Mercredi 18 Février :** Choix du sujet \\ 
Nous avons décidé de faire à la majorité le moteur de Stirling, qui se présente comme plus abordable expérimentalement, suite à nos rencontres avec les techniciens du FABLAB. On a pu ainsi prendre connaissance du matériel à disposition tel que le bois MDF (10 à 15 mm), et bien sûr les jonctions en métal que l'on peut manipuler avec les découpeuses laser sachant que l'on a choisi de suivre le modèle suivant (modèle de **Type Alpha**): 
{{ :wiki:projet:l3phys2021:moteur_de_stirling.png?400 |}} \\
Le seul problème se présentant semble venir des pistons à utiliser. Ceux utilisés dans l'image ci-dessus sont des seringues en verre de 20 mL. Il reste quelque peu difficile de s'en procurer. A voir demain quelle alternative pourrait-on utliser? \\

**Vendredi 27 Février :** Première réunion au fablab (Mathilde, Allan, Taddeo et Quentin)\\ 
Discussion autour des pièces et du mécanisme du moteur et premières pièces découpées. On a pu emprunter deux seringues de 20 mL auprès du département de chimie. Les pièces ayant été modélisées sur les logiciels FreeCAD et Inkscape sachant que l'on a opté pour un modèle ou les pièces s'emboîtent pour faciliter la construction. \\
__Modèle des pièces :__
  *{{:wiki:projet:l3phys2021:vis.png?linkonly|}}
  *{{:wiki:projet:l3phys2021:entreroue.png?linkonly|}}
  *{{:wiki:projet:l3phys2021:accorche.png?linkonly|}}
  *{{:wiki:projet:l3phys2021:modeles.png?linkonly|}}

**Mercredi 3 mars :** Deuxième réunion au fablab (Mathilde, Allan, Taddeo et Quentin)\\ 
Découpe et impression des pièces manquantes
{{ :wiki:projet:l3phys2021:20210310_113627.jpg?nolink&400 |}}
Les roues ont un diamètre égal à la course maximale des piston (environ 10.5 cm ). Les trous de fixation des seringues ont un diamètre supérieure à celui des seringues pour pouvoir les garnir d'un joint d'isolation qui devrait maintenir en place la verrerie tout en absorbant les vibrations dues aux mouvements du piston. Le joint autocollant ne résiste pas à l'introduction des seringues, il faut trouver un autre moyen de fixer les joints..
 
Réunion avec M.Marangolo, on a appuyé sur les problèmes pouvant survenir lors de prise de mesures et de la conceptualisation. \\
**//Problèmes soulignés ://**
  * Problème d'étanchéité de la seringue, problème que l'on avait déja pris en compte auparavant sachant qu'il est nécessaire qu'il soit bien étanche pour le bon fonctionnement des bielles reliant les roues. 
  * Exploitation des données : quelles mesures pourra-t-on effectuer? Tours par minute, Températures présentes dans les deux seringues, 

**Mercredi 10 mars (Allan, Mathilde, Thomas, Taddeo et Quentin):** 
Nouvelle session au fablab, début du montage, obtention d'un tube étanche pour relier les deux seringues. On pense finalement visser certaines pièces pour éviter une instabilité de la structure. Côté fabrication, il ne reste plus qu'à déterminer la course du piston et percer les bielles en fonction de cette valeur. On pourra utiliser une lampe à alcool prêtée par les techniciens pour chauffer l'air. On a remarqué que les supports des seringues étaient plus bas que l'axe de la roue, et pour corriger cela, on a découpé des pièces surélevant les supports. Pour ce qui est du collage des joints, un peu de superglu aura suffi à régler le problème. Nous procédons à quelques essais d'emboîtement des pièces, en les enveloppant de d'un film en Teflon si il y a trop de jeu.

**Mercredi 17 mars (Mathilde, Thomas, Taddeo et Quentin):** 
On débute l'assemblage du moteur, et on procède à des tests avec les deux pistons et la lampe à alcool. La chaleur dégagée par la lampe ramollit le tuyau et il y a une perte d'étanchéité. Néanmoins, nous avons réessayé en maintenant le tube en place et cette fois ci, le volume a augmenté de plusieurs millilitres. Il faut donc que l'on parvienne à rendre étanche le tube côté source chaude ( celui côté source froide est parfaitement ajusté à la seringue (diamètre de 4 millimètres). 
On a estimé avec la loi des gaz parfaits le volume d'air initial pour un débattement correspondant à celui de nos roues. Il ne nous reste plus qu'à percer les bielles et fixer les supports au socle pour que le moteur soit entier. 
On a mesuré la température de chauffage de la lampe qui est de 300°C.

**Jeudi 18 mars (Allan et Quentin):** 
Nous avons découpé les bielles et deux pièces supplémentaires pour stabiliser le support de l'axe. En effet, hier on avait remarqué que les supports de l'axe n'étaient pas verticaux. Maintenant ce problème est réglé et ces pièces renforcent en plus la structure du moteur. 
Pour ce qui est du problème d'étanchéité du tube, nous en avons entouré l'extrémité d'un morceau de plaque d'aluminium qui devrait presser le tube contre l'embouchure de la seringue. Pour l'instant, nous n'avons pas pu tester si cela fonctionne. Mis à part cela, nous avons pu assembler entièrement le moteur. Malheureusement, une pièce s'est brisée, nous irons la réimprimer demain.  

**Vendredi 19 mars (Quentin):**
Lancement de la réimpression de la pièce cassée (il s'agit d'une des deux pièces permettant la jonction entre les bielles et les seringues), j'en ai profité pour augmenter la densité (25% de remplissage au lieu de 20), ce qui devrait la rendre plus solide. J'irai récupérer la pièce lundi.

**Lundi 22 mars (Quentin):**
J'ai récupéré la pièce, il n'y avait pas de support d'impression, ce qui m'a évité de devoir l'évider (il s'agit seulement de sélectionner cette option dans les paramètres avant impression ). Je n'ai eu qu'à limer un peu pour pouvoir emboîter l'axe de la bielle.

**Mercredi 24 Mars (Quentin, Allan, Taddeo, Mathilde et Thomas):**
Nous avons enfin pu rassembler toutes les pièces et tester le moteur mais il n'y a malheureusement pas eu d'expansion de l'air au niveau de la seringue quand on l'a chauffée. Malgré le fait que nous ayons déjà essayé la dernière fois sans attacher les pistons aux roues et que l'on avait constaté une expansion de volume. Pour pallier à ce problème, nous nous sommes dits qu'il avait un souci de différence de phase. Les deux positions des fixations de bielle aux roue étant déphasées de PI/4, on a donc essayé de prendre un déphasage de PI/2, mais ca compliquait l'allongement de la bielle. On s'est dit aussi qu'il y avait trop de résistance au niveau des pistons, on a ainsi lubrifier le piston avec de l'huile d'indice de viscosité 10W40, mais ca n'a fait qu'empirer les choses. Les pistons étaient dorénavant quasiment collés. Nous avons peut-être trop mis d'huile. \\
{{ :wiki:projet:l3phys2021:img-20210324-wa0001.jpg?nolink&400 |}}

De plus, nous avons donc rencontré des problèmes d'étanchéité et de stabilité. Ainsi, nous nous sommes dits tout d'abord de stabiliser la structure au niveau des pistons à l'aide d'équerres et de vis puis de rajouter des calles sous le socle puisqu'il se ployait lorsque l'on essayait manuellement de faire tourner les roues. 
D'un point de vue de l'étanchéité, le collier de serrage maison n'a pas pu empêcher le flexible de se ramollir. Il s'est quasiment coupé. Nous avons donc imaginé de rallonger l'embout par un tube en acier qui servirait de radiateur en se refroidissant au contact de l'air. Nous avons pu demander un tige en métal aux techniciens de TP, d'un diamètre légèrement supérieur à l'embout de la seringue, que nous pourrons peut-être adapter à l'aide d'un contact que le gérant de l'UE nous a donné. \\

**Jeudi 25 mars (Allan, Quentin)**
Une des seringues est tombée et la tête du piston s'est brisée. Nous sommes donc allés à la fac en espérant pouvoir échanger la seringue endommagée contre une autre en état de fonction. Nous en avons profité pour demander conseil à M. Jean-Philippe Ferreira sur un moyen de fixer la rallonge sur l'embout. Il nous a emmenés voir l'atelier de verrerie et le magasin du S.I.A.R.E. Nous avions deux options, soit prendre deux seringues en verre de 30 ml avec ou sans embout en acier, soit remodeler un bouton pressoir pour réparer la seringue. Nous avons préféré refaire le bouton poussoir. Mme Florie Lopis, de l'atelier de verrerie devrait l'avoir réparé à la fin de semaine prochaine.

**Mercredi 31 mars (Quentin)**
J'ai bricolé une gouttière de maintien du flexible avec un tube en acier fendu pour pouvoir y glisser le flexible. Le montage se fixe et comprime correctement le flexible sur l'embout. J'ai procédé à un test rapide en chauffant une à deux minutes la seringue et en vérifiant qu'il n'y avait pas de fuite. Ce test a été concluant et le problème de l'étanchéité paraît résolu. Nous attendrons des tests supplémentaires pour le confirmer. 
{{ :wiki:projet:l3phys2021:schema_tube_embout.png?400 |}}
**Vendredi 2 avril**
Réunion Zoom avec M. Marangolo, nous avons récapitulé nos dernières activités et les causes de nos différents problèmes et décidé d'expérimentations pour évaluer la puissance de notre source de chaleur. Nous avons pris rendez-vous avec M.Marangolo mercredi prochain pour lui montrer notre machine et discuter plus en détail des soucis.

**Mardi 6 avril (Quentin)**
Je suis retourné à l'atelier de verrerie pour avoir des nouvelles de la réparation du poussoir. Malheureusement, le verre composant le poussoir n'est pas le même que celui du corps de la seringue et madame Lopis n'a pas pu souder un bouton, n'ayant pas le verre nécessaire ( du verre tendre, et non du borosilicaté comme pour le reste de la seringue). Elle a donc commencé la fabrication d'un piston entier en verre borosilicaté. Aujourd'hui, il ne lui reste qu'à roder le tube pour l'étanchéifier, en espérant avoir un tube de rodage à la bonne côte(19.5 mm).
L'après-midi, je suis passé au fablab pour imprimer une pièce qui remplacera le poussoir. Cette pièce a les dimensions du poussoir initial et viendra s'imbriquer dans la cheville de la bielle. Elle s'emboîte dans le fût du poussoir que j'ai repris le temps des tests que nous effectuerons demain.

**Mercredi 7 avril (Thomas, Taddeo, Allan, Quentin)**
Nous n'avons pas pu voir M.Marangolo aujourd'hui, nous avons donc reporté le rendez-vous à demain dans la matinée.
Nous avons monté le moteur garni le fond de la seringue source chaude de laine de fer, qui sert de résistance thermique. Nous avons procédé à différents essais:  
  - chauffage d'une seringue et flexible bouché avec ou sans raccordement aux roues: le piston se déplace par à-coups d'un millimètre environ, jusqu'à son immobilisation. On observe donc une dilatation du volume. On a observé ce phénomène à trois reprises. Il faut néanmoins attendre que la seringue se refroidisse pour réitérer l'opération.
  - chauffage d'une seringue raccordé à la seconde, qui sert de source froide: cette fois c'est le piston de la source froide qui s'est déplacé, lui aussi par à-coups.
  - différents essais en actionnant les roues à la main, ce qui nous permis de corriger le déphasage entre les deux bielles. Il est maintenant de 3PI/4, ce qui réduit considérablement la déperdition d'énergie. En effet, en PI/4, les deux pistons avaient un mouvement très rapproché dans le temps, ce qui conduisait à un moment de leur course à l'obtention d'un volume physique plus important que le volume d'air contenu dans le système et engendrait alors un effet d'aspiration, qu'on devait contrer en forçant.
De plus, on a pu mesurer précisément la température de la source chaude avec un thermomètre que nous ont prêté les techniciens, on atteint alors des températures de l'ordre de 350°C. 
Après quelques essais infructueux, nous avons considéré que la configuration initiale de la gouttière métallique de maintien du flexible était la plus efficace. Après les tests de chauffage et quelques ratés, l'installation devrait tenir dans la durée. Au pire, si le flexible est trop abîmé, le remplacer sera facile. 

**Jeudi 8 avril (Allan, Taddeo, Quentin)**
Nous avons retrouvé M.Marangolo pour lui montrer notre moteur. Après plusieurs tentatives pour répéter les expériences de la veille, qui se soldent quasiment toutes par un échec, on comprenons que le piston de la seringue (si ce n'est l'entièreté de la seringue) se dilate sous l'effet de la chaleur et donc génère une force de frottement telle qu'elle empêche tout mouvement, et ce, même à la main. De plus la gouttière métallique fuit, le plastique ramolli devant laisser échapper l'air sous pression, puisque les pistons ne se déplacent pas. M.Marangolo nous a suggéré de refroidir avec de l'eau la gouttière pour éviter la fusion du flexible. Il a aussi souligné le peu d'inertie des roues et donc préconisé l'utilisation de roulement à bille. 
En conclusion, il nous dit qu'il faudrait qu'on se ménage une solution de repli pour pouvoir obtenir des mesures. 

Allan a proposé que l'on utilise notre montage en sens inverse -en actionnant les roues avec un moteur, et en fermant le circuit d'air, on obtiendra un "frigo" - pour déterminer la différence de température entre les deux sources. Cette proposition a été validé par M.Marangolo, d'autant plus que les températures engendrées ne devraient pas être suffisantes pour dilater le verre et fondre le flexible. 
Avec ce nouvel objectif, nous avons pu récupérer un petit moteur (à alimenter par piles, voltage de 3,5V) auprès des techniciens et on a commencé à élaborer un axe permettant l'action du moteur sans gêner le mouvement des bielles. 
Deux pièces qui serviront d'axe et reliées entre elles par le moteur sont imprimées en 3D et on cherche des roulements à billes.
{{ :wiki:projet:l3phys2021:wp_20210422_005_1_.jpg?400 |}}

**Mercredi 14 avril (Mathilde, Thomas, Taddeo, Quentin)**
Nous avons fixé le moteur au socle et emboîté les axes des roues à ceux du moteur. Le montage reste le même que précédemment, nous avons seulement remplacé l'axe des roues par un s'adaptant au moteur et retiré la gouttière métallique du flexible). Nous avons procédé à des tests en mettant une, deux ou trois piles en série ( voltage respectif 1.5, 3, 4.5) et en constatant une augmentation de la puissance/tours par minutes. Si le circuit n'est pas fermé, les pistons sont entraînés sans problèmes par le moteur. Les ennuis surviennent lorsque l'on ferme le circuit (on relie les deux pistons par le flexible), le moteur ne parvient plus à comprimer l'air, après une légère poussée initiale. Nous avons alors lubrifié très légèrement les pistons avec du baume à lèvres ( ça glisse parfaitement ) et tenté une expérience en reliant le flexible à un piston par un ballon de baudruche. Ce dernier se gonfle et permet au moteur de tourner. Nous avons identifié la cause du problème, il s'agit du manque de puissance de notre moteur.

Pour la prochaine fois, on essayera avec un flexible de diamètre plus large et nous allons calculer le travail nécessaire pour comprimer le volume d'air et ainsi déterminer si l'on peut apporter des améliorations pour augmenter la puissance du moteur.

**Mercredi 21 avril (Mathilde, Allan, Thomas, Taddeo, Quentin)**
Nous avons utilisé un flexible de 12mm de diamètre intérieur, que nous avons étanchéifié avec des embouts de ballons de baudruche et du scotch, pour éviter que les ballons ne gonflent. 
{{ :wiki:projet:l3phys2021:wp_20210422_002_1_.jpg?400 |}}
Après essais, le circuit s'avère étanche. Avec le moteur, alimenté en 3, 4.5 et 6V, mais le plus souvent en 4.5V, nous avons pu comprimer le volume d'air. Initialement, le moteur ne faisait qu'un cycle et s'arrêtait, il fallait le relancer en coupant puis remettant le courant. Finalement, ce problème n'était dû qu'à la résistance qu'occasionnaient les pistons désaxés par le flexible trop court. Il a suffit de les ré-axer en les liant par un fil de fer pour corriger ce souci. Cela fait, la compression du volume des seringues se fait parfaitement. "Il ne s'agissait pas d'un manque de puissance du moteur, comme nous le pensions mais simplement d'une compression trop brutale (on passait de 19.5 mm de diamètre aux 4 du flexible)."
Nous avons installé des roulements à billes au niveau des axes des roues, en les fixant sur les supports. Pour cela, nous avons découpé des roulettes pour en récupérer le roulement et percé à la fraiseuse des trous dans ce qui restait des supports des roulettes. Nous espérions que les roulements à billes empêchent les axes de pivoter lors de la rotation comme c'était le cas avant mais le moteur en lui-même n'est pas assez solidement fixé et oscille lors de la rotation. Il ne nous reste que ce problème à régler et nous pourrons prendre des mesures.  

**Vendredi 23 avril (Quentin)**
J'ai terminé le montage du "frigo" et vérifié que tout fonctionne. Il y a maintenant un nouveau support pour le moteur, qui ne bringuebale plus grâce à de petites rondelles placées entre le support et le moteur. Ce dernier est soutenu par deux fines tiges du diamètre des trous imprimées en 3D. Les axes des roues ont été réimprimés avec une encoche pour qu'ils soient adaptés au maximum aux axes du moteur. Pour qu'ils entraînent bien les roulements à billes, les axes ont été entourés de Teflon. 
De plus, j'ai remplacé les ballons de baudruche et le scotch par un enrobage des embouts avec du scotch d'électricien pour étanchéifier car les ballons se distendaient et fuyaient. 
Normalement, le circuit est complètement étanche et il faut fournir une tension de 6V au moteur pour lancer le cycle. Au bout d'un certain temps, le moteur avait de plus en plus de mal à comprimer, ce qui peut être dû à l'usure des piles ou du moteur...    

**Lundi 26 avril (Mathilde, Taddeo, Quentin)**
Après quelques essais, on a décidé de réduire une des roues pour éviter les frottements bielle-roue, qui stoppaient immédiatement le cycle. Ceci fait, le moteur tournait parfaitement et ce, dès 4.5V, à un rythme très suffisant. Nous avons commencé des mesures du nombre de tours par minutes et de la variation de température mais les instruments à notre disposition ne sont pas très précis.
Pour la mesure du nombre de tours par minute, on a percé un trou dans une roue et avec l'option "Mesure de la Luminosité" de l'application Phyphox, on mesurait les pics d'intensité lumineuse correspondant au passage du trou devant le capteur.
Pour celle de la variation de température, on a utilisé un thermomètre laser et fait tourner le moteur, pendant 5 et 10 minutes en relevant des valeurs de température à intervalles réguliers au niveau d'une seringue. On avait comme base de comparaison la température ambiante. 
On a fait les mesures avec une tension de 6 et 9 V.

**Mardi 27 avril (Quentin)**
Je suis repassé reprendre des mesures de tours par minutes avec un dispositif plus précis. Il s'agit d'un code Arduino permettant de mesurer les variations de résistance d'une photorésistance par rapport à une résistance de référence. Le code utilisé est le suivant:
{{ :wiki:projet:l3phys2021:code_arduino.jpg?600 |}}
Et on obtient un graphe pour 7.5 V et déphasage en 3PI/4
{{ :wiki:projet:l3phys2021:graphe.jpg?400 |}}
Les maximas de résistance correspondent au passage du trou dans la roue devant le capteur. En comptant le nombre de pics, on obtient alors le nombre de tours par minute.
Le montage est celui-ci
{{:wiki:projet:l3phys2021:schema_tm.png?200 |}}

En prenant les mesures, je me suis rendu compte que le moteur était en 3PI/4. Après quelques tests et observations, j'ai compris que l'axe du moteur était en deux parties, qui se découplaient sous la tension. La compression du fluide et possiblement les frottements des pistons produisant beaucoup de résistance, l'axe se découple pour obtenir un déphasage approchant de l'opposition de phase (dans cette configuration, le gaz passe d'un cylindre à un autre sans compression, et oppose alors une résistance moindre). Dans la situation où nous nous trouvons, il va être difficile de résoudre ce problème, nous allons nous concentrer sur la rédaction de l'article

**Vendredi 30 avril**
Voici quelques calculs estimant les puissances électrique et utile du moteur à partir de mesures expérimentales. Une rapide comparaison avec l'énergie nécessaire à diminuer de 2°C la température du milieu, calculée avec une valeur estimée grossièrement de la capacité thermique de l'air permet de montrer que nous étions bien en dessous de ce qu'il fallait si nous espérions observer un variation. {{ :wiki:projet:l3phys2021:wp_20210501_002.jpg?400 |}}
Les valeurs de résistance, d'intensité et de tension ont été prises avec plusieurs multimètres différents pour en établir une moyenne, les valeurs des vitesses radiales ont été déterminé avec la méthode indiquée ci-dessus et les roues ne sont pas reliées aux pistons.
 
**<fs x-large>Bibliographie</fs>**
  * [[https://www.youtube.com/watch?v=s79odgWz6BM&ab_channel=IncroyablesExp%C3%A9riences]]
  * [[https://savoirs.usherbrooke.ca/bitstream/handle/11143/15031/Avetissian_Tigran_MScA_2019.pdf?sequence=5&isAllowed=y]]
  * [[https://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_Stirling]]
  * [[http://www.mediafire.com/file/x21ndi4k5t1ui54/Fabriquer_un_moteur_Stirling_V2.1.pdf/file]]D
FablabSU

Outils pour utilisateurs

Outils du site

Outils de la page
