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Perfectionnements aux échangeurs de chaleur
Cette invention se rapporte aux échangeurs de chaleur du type à récupération où est monté un organe rotatif comportant un corps d'échangeur en matière conductrice de la chaleur qui est subdivisé en éléments et traversé par deux courants de fluide qu'on fait circuler alternativement à travers le corps d'échangeur. L'un de ces courants trans- met de la chaleur au corps d'échangeur tandis que l'autre en soustrait, la rotation du corps d'échangeur amenant chaque partie de celui-ci successivement dans une position détermi- née de telle sorte que le corps d'échangeur est traversé à tour de rôle par les deux courants de fluide.
Jusqu'à présent.ce type de récupérateur a été employé dans le cas où les pressions des deux courants de @
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fluide ne différaient que peu ou pas l'une de l'autre, et il était par conséquent très facile de réduire au minimum les fuites de l'un des courants à l'autre, en employant par exemple un dispositif relativement simple pour rendre la construction étanche.
Toutefois, dans une installation de turbine à gaz, où les gaz d'échappement de la turbine sont utilisés pour réchauffer les gaz froids fournis pr le compresseur, et aussi dans d'autres appareils tels que les installations pour la production de l'oxygène, les pressions des fluides dans les deux courants qui circulent à travers l'échangeur de chaleur peuvent être très différentes et il est alors nécessaire d'appliquer des moyens d'étanchéité plus efficaces. Le but de la présente invention est d'assu- rer l'étanchéité de telLe manière qu'on' puisse utiliser ce type d'échangeur de chaleur dans le but considéré.
Suivant cette invention, l'échangeur de chaleur perfectionné comprend en combinaison un rotor d'échangeur annulaire, une enveloppe toroïdale dans laquelle s'ajuste le rotor qui y est monté de manière à pouvoir tourner, une série de cloisons en forme de disques qui, convenablement espacées l'une de l'autre, divisent le rotor circonférentielle- ment en sections, ces cloisons s'étendant transversalement au rotor et à l'intérieur de l'enveloppe, radialement à l'axe autour duquel le rotor peut tourner, deux ouvertures ménagées dans chaque paroi de l'enveloppe en des points diamétralement opposés ou à peu près, par rapport à l'axe de l'appareil et les ouvertures pratiquées dans l'une des parties de la paroi de l'enveloppe étant en regard des ouvertures ménagées dans l'autre partie de la paroi,
ces ouvertures servant respective- ment à l'entrée et à la sortie des deux fluides qui circulent alternativement dans l'enveloppe et à travers le rotor à me- sure que les éléments ou compartiments qui y sont établis
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arrivent successivement en regard de ces ouvertures pendant que le rotor tourne, et des passages en forme de galeries, s'éten- dant circonférentiellement à l'intérieur du contour du rotor et autour des éléments ou compartiments quiy sont ménagés, les cloisons s'étendant en travers de ces passages.
De pré- férence, les cloisons entre les sections du rotor portent des bagues à ressort analogues à des segments de piston;- qui constituent des garnitures d'étanchéité empêchant le fluide de passer circonférentiellement de l'un à l'autre des courants de fluide qui circulent à travers le rotor. De préférence; en vue de transmettre un mouvement de rotation.au rotor, on munit ce dernier d'une crémaillère annulaire qui se trouve dans un plan perpendiculaire à l'axe du rotor et qui engrène deux pignons au moins, montés dans le même plan pour entrer en prise avec elle et actionnés pour transmettre le mouve- ment de rotation au rotor.
Ces pignons sont reliés entre eux par un système de transmission et chacun d'eux présente une partie découpée de manière à dégager la cloison lorsqu'elle passe devant tout en permettant de maintenir l'entrainement du rotor.
La section transversale de l'enveloppe toroidale et le contour correspondant du rotor sont de préférence circulaires pour la commodité de la fabrication, mais ils peuvent être elliptiques ou présenter toute autre forme semblable constituant une courbe unie continue susceptible d'être maintenue étanche par des disques et bagues de la manière décrite.
La rotation peut être imprimée au rotor de dif- férentes manières par une source d'énergie appropriée. Par exemple, lorsque l'échangeur de chaleur est employé con- jointement avec une turbine à gaz, la rotation peut être
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transmise aux pignons mentionnas ci-dessus, par l'arbre de la turbine au moyen d'un engrenage réducteur. La rotation du rotor peut être continue ou intermittente, selon les né- cessités du fonctionnement de l'appareil auquel l'échangeur de chaleur est appliqué.
Les dessins annexés représentent quelque peu schématiquement, les caractéristiques 'principales de deux modes de construction qui peuvent être employés pour mettre l'invention en pratique. Dans ces dessins
Fig. 1 est une vue en élévation de côté d'une forme de construction dont une partie de l'enveloppe est arrachée pour montrer le système d'engrenages au moyen duquel le rotor est actionné.
Fig. 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la Fig.l, vue dans la direction des flèches.
Fig. 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la Fig. 1, vue dans la direction des flèches.
Fig. 4 est une coupe verticale, suivant un plan renfermant l'axe, d'une autre forme de construction dans laquelle les passages pour la circulation du fluide à travers le rotor sont disposés de manière que cette circulation se fasse dans une direction radiale à travers le rotor au lieu de se faire dans la direction axiale comme dans le mode de construction représenté sur les Figs. 1, 2 et 3.
Sur les Figs. 1, 2 et 3, le corps d'échangeur tournant ou rotor est fait d'une série de sections cellulai- res semblables A ayant chacune une section transversale sen- siblement rectangulaire, comm le montrent les Figs. 2 et 3 tandis qu'en élévation de côté, comme le montre la Fig. 1, chaque section affecte la forme d'un secteur. Les sections A sont séparées par des cloisons circulaires B et lorsque toutes les sections sont montées le rotor complet offre une
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forme annulaire qui le rend propre à être logé et à tourner à l'intérieur d'une enveloppe toroldale fixe C.
Cette enve- loppe est exécutée en deux pièces semblables, comme on peut le voir sur la Fig. 2, ces pièces étant raccordées suivant un joint Cl qui se trouve dans un plan perpendicualire à l'axe de l'appareil. Dans cette enveloppe, les périphéries des dis- ques de cloisonnage B à l'intérieur du rotor se trouvent à proximité de la surface interne de la paroi de l'enveloppe, les sections cellulaires A s'étendant entre ces cloisons.
Dans ce mode de construction les sections A sont disposées de telle manière que le fluide circule à travers les éléments ou cellules des sections dans une direction parallèle à l'axe autour duquel le rotor tourne. Des passages D et D1 en forme de galerie s'étendent dans le sens circonférentiel le long de la face externe de chaque section du rotor ou corps d'échan- geur, les cloisons en forme de disques B étant placées en travers de ces passages, comme on le voit sur les vues en coupe 2 et 3, où elles apparaissent sous forme de segments de cercle délimités chacun par les parois de l'enveloppe C avec le côté plat de la section du rotor comme corde. Les extrémités en regard des nombreux éléments de chaque section de rotor A s'ouvre dans les parties de ces passages qui se trouvent entre les cloisons radiales B.
Tout risque de fuites du fluide le long de ces passages et de l'une des sections de rotor à la suivante est éliminé par la disposition autour de chacune des cloisons circulaires B d'une ou de plusieurs bagues d'étanchéité Bl analogues à des segments de piston et établissant un contact étanche avec la paroi de l'enveloppe C.
Dans chacune des parois latérales opposées de l'enveloppe C se trouvent deux ouvertures courbes E, El qui
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dans ce cas ont des formes et des dimensions identiques mais ne doivent pas nécessairement avoir les mêmes dimensions.
Dans cette forme de construction, les ouvertures de chaque pai- re sont situées en des points diamétralement opposés par rapport à l'axe de l'appareil, ainsi qu'on peut le voir sur la Fig. 1. Chacune de ces ouvertures de l'une des parois la- térales de l'enveloppe se trouve en regard d'une ouverture semblable de l'autre paroi latérale, en sorte que le fluide peut passer à travers ces ouvertures et les sections derotor A situées entre elles, dans une direction parallèle à l'axe de l'appareil.
Les côtés opposés de toutes les sections de rotor A et les extrémités des éléments ou cellules s'étendant à travers ces sections viennent successivement coïncider avec ces ouvertures E El de telle sorte qu'un fluide peut pénétrer par une ouverture E d'un côté de l'enveloppe C, circuler à travers les éléments ou cellules d'une section et sortir par l'ouverture correspondante E située de l'autre côté de l'en- veloppe. Le retour de l'autre fluide se fait alors par l'ou- verture El ménagée dans le côté de l'enveloppe d'où le premier fluide est sorti par l'ouverture E, et ensuite par les Eléments ou cellules de chaque section de rotor, la sortie s'effectuant par l'ouverture correspondante El du côté opposé de l'enve- loppe.
Des raccordements appropriés distincts sont établis entre les deux ouvertures E et entre les deux ouvertures El et on fait circuler les deux fluides passant dans l'échangeur à travers ces raccordements de telle sorte que lorsque le rotor tourne, l'un des fluides passe dans une direction à travers chaque section de rotor A tandis que le second fluide circule en sens opposé à travers la même section de rotor.
Les parties courbes non interrompues C2 des parois latérales de l'enveloppe C qui se trouvent entre les ouvertures E, E1, comme le montre la Fig. 1, présentent une longueur circonfé- A
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rentielle telle que dans les parties de l'enveloppe toboïdale C quiy sont ainsi complètement enfermées il existe toujours au moins une cloison B lorsque le rotor-tourne. De cette manière ces cloisons B avec leurs segments de piston Bl for- ment un dispositif d'étanchéité efficace qui empêche toute fuite de l'un des courants de fluide dans l'autre.
Autour de la périphérie externe du rotor se trouve une crémaillère circulaire F dont la continuité est interrom- pue à l'endroit de chaque cloison avec son segment d'étanchéi- té. Cette crémaillère engrène deux pignons dentés G qui sont montés de manière à pouvoir tourner à l'intérieur d'une partie de l'enveloppe C qui fait saillie sur la.périphérie de l'en- veloppe toroïdale C, ainsi qu'on peut le voir sur les Figs. 1 et 3. Ces pignons se trouvent tous deux dans le plan perpen- diculaire à l'axe de l'appareil dans lequel se trouve la cré- maillère F, ainsi qu'on peut le voir sur la Fig. 3, et les pignons sont écartés l'un de l'autre dans le sens ciroonféren- tiel comme le montre la Fig. 1.
Chaque pignon est échancré en G1 sur une partie de sa périphérie pour lui permettre lorsqu'il tourne de laisser libre passage aux 'cloisons B et à leurs ba- gues d'étanchéité B1. Les pignons sont actionnés simultanément et ils sont établis à une telle distance l'un de l'autre en même temps que leurs parties échancrées occupent des positions relatives telles dans le sens de rotation que lorsqu'ils sont actionnés et qu'ils font tourner à leur tour le rotor, la continuité de la transmission est maintenue du fait que quand la partie échancrée Gl de l'un des pignons laisse le passage libre à une cloison B et cesse ainsi d'engrener la crémaillère F, l'autre pignon est encore en prise avec cette crémaillère et continue par conséquent à transmettre le mouvement de ro- tation au rotor.
Les pignons sont de préférence reliés entre eux par un système de transmission et actionnés à toute vitesse @
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jugée convenable par une source quelconque d'énergie.
Les segments de piston peuvent être rectifiés pour s'adapter à l'alésage toroidal de l'enveloppe, mais lorsqu'on emploie des bagues d'étanchéité de largeur normale le rodage cylindrique usuel produit en général un ajustement suffisam- ment précis qui leur permet de prendre rapidement une forme toroidale. Dans l'un ou l'autre cas il est désirable de che- viller les bagues ou de les fixer d'une autre manière de façon qu'elles ne puissent pas tourner dans leurs gorges, vu qu'une partie de la bague qui a été ajustée par exemple sur le côté interne du tore peut ne pas constituer la forme cor- recte pour le côté externe.
Il doit être entendu que la circulation des fluides à. travers le rotor peut se faire soit dans une direction sen- siblement parallèle à l'axe de l'appareil soit dans une di- rection axiale ou une direction conique, c'est-à-dire une direction intermédiaire entre la direction axiale et la direc- tion radiale. Ainsi qu'il a déjà été mentionné dans la forme de construction de l'appareil représenté sur les Figs. 1, 2 et3, les passages pour l'entrée et la sortie des fluides s'établis- sent dans la direction de l'axe de l'appareil, mais une dis- position différente est représentée sur la Fig. 4. Les sections A du rotor y sont montées de manière que les cellules qui y sont établies s'étendent radialement au lieu d'être dirigées axialement comme dans la forme de construction représentée sur les Figs. 1, 2 et 3.
Deux passages E2 et E3 y sont alors établis côte à côte et mènent à la partie interne de l'enveloppe C4, ces passages s'étendant dans la direction axiale mais déviant, à leurs extrémités internes, chacun radialement vers l'extérieur pour arriver aux extrémités des éléments ou cellules des sec- tions A. L'enveloppe est pourvue à sa partie externe de passages
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correspondants E4 et E5 pour la sortie et l'entrée du fluide, ces passages s'étendant dans la direction axiale sauf à leurs extrémités internes où ils sont tournés radialement vers l'intérieur de telle sorte que chacun d'eux communique avec les extrémités externes des cellules dans les sections A du rotor.
Les passages E4 E5 sont situés en des endroits diamé- tralement opposés sur la périphérie de l'enveloppe C4 et les axes des quatre passages E2, E3, E4 et E5 se trouvent dans le même plan radial. Dans une telle disposition, le fluide froid arrive par exemple par le passage E2, pour se diriger alors radialement vers l'extérieur à travers les sections de rotor A, et sortir par le passage E4. En même temps, le fluide chaud circulant en sens opposé pénètre par le passage E5 et après avoir parcouru en se dirigeant radialement vers l'in- térieur les cellules des sections de rotor A il s'échappe par le passage E3.
Une pareille disposition est dans certains cas avantageuse au point de vue de la construction du fait qu'elle offre l'avantage de placer la partie la plus froide au centre de l'appareil et d'établir la section transversale pour qu'elle soi tiproportionnelle en tout point au volume de'gaz, c'est-à-dire à sa température absolue de manière à maintenir constante la vitesse à travers le rotor ou corps d'échangeur.
Comme il a été mentionné précédemment, il n'est pas essentiel que les ouvertures d'entrée et de sortie dans l'enveloppe soient disposées en des points diamétralement opposés ou qu'elles aient les mêmes dimensions. Dans certains cas, l'ouverture d'entrée du fluide froid à haute pression peut être plus petite que l'ouverture à travers laquelle s'é- chappe le fluide chaud à basse pression. Lorsque l'échangeur de chaleur est employé pour des gaz, cette disposition permet certaines tolérances pour les volumes de gaz et les degrés de
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transmission de la chaleur. Dans une pareille disposition la lumière la plus grande est de préférence ménagée en un point plus éloigné de la paroi de l'enveloppe que la plus petite lumière, dans le sens circonférentiel.
Dans une turbine à gaz où. la lubrification des surfaces frottantes au moyen d'huile n'est pas réalisable, il est désirable de donner à l'enveloppe un alésage à anti- grippage ; par exemple, on peut munir l'alésage d'un revête- ment par projection en acier à forte teneur en carbone ; laporosité de ce revêtement a été trouvée avantageuse dans d'au- tres applications où les conditions de frottement étaient similaires.
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