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Perfectionnements aux échangeurs de chaleur.
Cette invention concerne les échangeurs de chaleur du type à régénération comprenant un élément rotatif muni d'un corps d'échangeur en matière bonne conductrice de la chaleur, subdivisé en cellules et traversé par deux fluides alternativement. Un de ces fluides cède de la chaleur au corps d'échangeur tandis que l'autre remporte, la rotation du corps amenant chaque cellule à être traversée alternativement par les deux fluides.
L'invention a pour but de créer un échangeur de cha- leur de ce type plus spécialement destiné aux gaz sous des pres- sions telles qu'il y ait une grande différence entre la pression des gaz chauds et celle des gaz froids, conditions qui se rencon- trent notamment dans les installations de turbines à gaz. La nouvelle construction vise à empêcher les fuites qui ont tendance à se produire dans l'échangeur de chaleur entre les gaz à haute
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et basse pressions.
Suivant l'invention, l'échangeur de chaleur perfec- tionné comprend en combinaison, un rotor porte-échangeur de forme sphérique ou approximativement sphérique tel qu'un sphé roide aplati, monté sur et entraîné par un arbre passant par son centre, une enveloppe de forme, au moins intérieurement, sphéri- que, sphéroïdale ou autre épousant la forme du rotor qui tourne dans cette enveloppe, des passages traversant les parois de l'en- veloppe aux deux extrémités et pratiquement parallèles à l'arbre du rotor, par lesquels les gaz peuvent s'écouler en sens opposés à travers le rotor, et des cloisons disposées radialement à l'intérieur du rotor et également espacées circonférentiellement,
entre lesquelles est disposée une matière absorbant la chaleur.
L'enveloppe se compose de préférence de-,.deux parties pratiquement semblables réunies entre elles par un joint se trou- vant dans un plan passant par le centre du rotor longitudinale- ment et normal à l'axe. Deux passages semblables et parallèles: aboutissent aux deux parties de l'enveloppe, chacun de ces pas- sages d'une demi-enveloppe formant paire avec le passage corres- pondant de l'autre demi-enveloppe. Les passages formant paire se trouvent dans le prolongement l'un de l'autre et sont disposée. parallèlement à l'arbre du rotor. Celui-ci repose dans deux cous- sinets faisant partie de chaque demi-enveloppe et disposés entre les deux passages. Des canalisations peuvent être raccordées à l'extrémité extérieure de chaque passage.
Dans le bord à la péri- phérie de chaque compartiment est pratiquée une gorge dans la- quelle se trouve un segment qui porte contre la paroi intérieure de l'enveloppe et empêche ainsi le gaz de passer d'un comparti- ment à l'autre.
La matière absorbant la chaleur placée dans le rotor entre les cloisons radiales peut être de nature et de construc- tion semblables à celles des échangeurs de chaleur classiques
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du type à récupération avec corps d'échangeur rotatif absorbait la chaleur. Cette matière est constituée normalement d'éléments placés à l'extérieur les uns des autres parallèlement à l'arbre du rotor et reliés à l'arbre par des tiges parallèles, espacées l'une de l'autre dans le sens de l'axe et s'étendant radialement de l'axe jusque contre une plaque annulaire de forme extérieure sphérique faisant partie de la paroi extérieure du rotor. L'es- pace intérieur contenu dans cette partie de sphère a,la forme d'un arc de cercle sous-tendu par une corde, si on le coupe par un plan passant par l'axe de rotation.
Cet espace est divisé de distance en distance par les cloisons radiales partant de l'ar- bre du rotor et déjà mentionnées plus haut.
Les dessins annexés représentent, à titre d'exemple, deux constructions conformes à l'invention. Dans ces dessins,
La Figure 1 est une vue de profil d'une forme d'exé- cution de l'échangeur de chaleur perfectionné, dans laquelle le corps d'échangeur rotatif est sphérique.
La Figure 2 est une vue en bout du même appareil, côté droit de la Figure 1.
La Figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la Figure 2.
La Figure 4 est une vue en bout du rotor, avec une des parties de l'enveloppe enlevée.
La Figure 5 est une coupe transversale du rotor sui- vant la ligne 5-5 de la Figure 5, les éléments du corps d'échan- geur étant enlevés.
La Figure 6 est une vue en bout du cadre du rotor sans les éléments du corps d'échangeur.
La Figure 7 est une vue de côté du rotor, partie avec arrachement en coupe longitudinale.
La Figure 8 est une coupe, suivant un plan radial pas-
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sant par l'axe du rotor, de la périphérie d'un des compartiments du rotor.
La Figure 9 est une coupe d'un des segments, avec en plus une vue de côté d'une partie d'un de ces segments.
La Figure 10 est une coupe longitudinale du rotor et de son enveloppe dans une variante de l'échangeur de chaleur où le rotor a la forme d'un sphéroïde aplati.
Dans la. forme d'exécution représentée sur les Figures 1 à 7, l'arbre A du rotor a la longueur et le diamètre voulus et porte des cloisons B disposées radialement et également espacées entre elles dans le sens circonférentiel. Chaque cloison a prati- quement la forme d'un demi-cercle fixé de façon convenable à làar- bre du rotor le long de son diamètre sous-tendu. Par exemple, ce bord peut être logé dans une rainure longitudinale Al pratiquée dans l'arbre A et y être soudé ou fixé d'une autre manière (voir Figures 4, 5 et 6). A la périphérie du rotor, vers le centre du rotor seulement dans le sens de l'axe, les espaces compris entre les cloisons B sont fermés par des plaques courbes C épousant extérieurement la forme sphérique du contour général du rotor.
Du côté intérieur de chaque plaque C, il y a un espace Ci déli- mité par la corde sous-tendue à l'arc formé par la courbure de la plaque. Toutes les pièces courbes C prises ensemble forment un anneau qui entoure la partie centrale, dans le sens de l'axe, du rotor (voir Figure 7) sur une certaine longueur le long de l'arbre A de part et d'autre d'un plan passant par le centre du rotor et perpendiculaire à son axe. Des tiges D disposées radia- lament entre l'arbre A et les plaques C, traversent le remplissa- ge constitué par les éléments absorbants et le maintiennent. Ces éléments E sent empilés dans les espaces en forme de secteur entre les cloisons B.
Une gorge B1 est pratiquée à la périphérie dans la tranche de chaque cloison B (voir le croquis agrandi de la Fi-
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gure 8) et dans cette gorge est logé un segment F, représenté à la Figure 9, de forme et de fonction semblables à celle d'un demi-segment de piston classique. Ces segments aboutissent à l'arbre dans le voisinage des coussinets. Le segment F comporte à son tour une gorge Fl à son bord extérieur et des poches espa- cées dans le fond, sous la gorge, qui alimentent celle-ci en graphite ou autre matière anti-friction F3. Le bord extérieur du segment garni de cette matière F3 peut être convenablement arrondi de façon à fermer un joint hermétique, avec la paroi intérieurede l'enveloppe dans laquelle le rotor se déplace.
Les éléments E du corps d'échangeur absorbant la cha- leur peuvent être établis de façon courante. On emploiera, par exemple, des tôles ondulées ou déformées alternant avec des tôles planes, et en certains cas de la céramique.
Le rotor décrit ci-dessus est enfermé dans une enve- loppe de forme convenable faite de deux parties G et H pratique- ment identiques ayant chacune un rebord G1 et Hl au moyen duquel on peut boulonner les deux parties ensemble (Voir Fig- 1). Le joint de ces deux pièces se trouve dans un plan passant par le centre du rotor sphérique et perpendiculaire à l'arbre du rotor A. La paroi intérieure de l'enveloppe GH a une forme générale sphérique. Le rotor s'y ajuste au moyen des segments F portés par des cloisons radiales B en contact avec cette paroi Intérieure' de l'enveloppe. Ces segments séparent donc'hermétiquement les sec- teurs du rotor contenant les éléments absorbants et délimités par les cloisons.
Chaque demi-enveloppe comprend deux passages G2 G3 et H2 H3 disposés à l'extérieur du rotor à chaque extrémité de l'arbre et parallèlement à celui-ci. Comme le montrent les Figures 1, 2 et 3, chacun de ces passages ressemble à un court tuyau pour- vu à son extrémité d'une bride servant à boulonner des tuyau- teries extérieures. Ces passages dans chaque demi-enveloppe sont disposés de tlle manière que lorsque les parties G et H sont
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réunies, chacun des passages G2 G3 d'une des parties sera dans le prolongement des passages H2 H3 de l'autre partie.
Les pas- sages dans le prolongement l'un de l'autre forment donc des pai- res G2H2 et G3H3 (voir Figure 3) et le montage est tel que si l'on omet le rotor et que l'on joint les deux parties G et H de l'enveloppe de la manière voulue, on verra deux passages li- bres et parallèles traversant l'enveloppe, disposés symétriquement de part et d'autre de l'arbre A et parallèlement à celui-ci.
Par conséquent, lorsque l'échangeur de chaleur est monté complè- tement et que son rotor tourne, chaque secteur garni d'éléments absorbants vient à son tour en alignement avec une paire de passages opposés G2H2 et G3H3 et peut être traversé par le gaz.
Du gaz chaud peut donc entrer par G2, venir en contact avec les éléments absorbants du rotor et sortir refroidi par H2. En même temps de l'air froid peut s'écouler en sens inverse et venir en contact avec les éléments absorbants amenés tour à tour en posi- tion, l'air froid entrant par H3 et sortant chaud par G3.
A l'extrémité A2 de l'arbre le coussinet J permet un jeu suffisant pour les dilatations, tandis que le coussinet K à l'autre extrémité A3 de l'arbre sert de coussinet de butée. Cette extrémité de l'arbre porte les liaisons nécessaires pour la trans- mission du mouvement, de préférence des engrenages réducteurs.
Il est bon de prévoir le refroidissement du coussinet et de l'ar- bre, et plus particulièrement le bout d'arbre A2 et le coussinet J, voisins de l'entrée des gaz chauds G2. On peut faire passer le réfrigérant dans les chambres J' entourant le coussinet J et les chambres K' entourant le coussinet K. De cette façon les gaz chauds à haute pression peuvent s'écouler par une paire'de pas- sages G2H2 et par les secteurs à éléments absorbants qui vien- nent successivement en ligne avec ce passage, tandis que simul- tanément l'air à pression beaucoup plus faible peut traverser en sens inverse l'autre paire de passages H3G3 et absorber la chaleur
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emmagasinée par les éléments absorbants du rotor venant successi- vement en ligne avec les passages.
Il est à noter que la séparation des compartiments par la pression des segments F montés dans les cloisons B sur la paroi intérieure de l'enveloppe G H est limitée à deux zones -pendant la rotation. Ces deux zones sont disposées symétriquement par rapport à l'axe du rotor et s'étendent de l'arbre, derrière les parties Gx (voir Figure 2), le long des faces de l'enveloppe et cela aux deux extrémités. Ces zones ne sont pas interrompues par les ouvertures et limitent, grâce à cette surface ininter- rompue, la section droite des passages.
La largeur de chaque zone de séparation, prise sur la périphérie perpendiculairement à l'axe du rotor,est égaleà la longueur d'un arc sous-tendu par un angle égal à l'angle d'un segment de compartiment compris entre deux cloisons B augmenté d'une quantité telle que, lorsque ces compartiments du rotor se trouvent au centre d'une zone de séparation, il y ait au moins deux segments F qui soient en con- tact avec la paroi de l'enveloppe dans cette zone vers les bords.
De cette manière on est assuré qu'il y a toujours au moins un segment dans chaque zone de séparation.
Donc, la plus grande section droite de passage pour les gaz que l'on peut obtenir dans le rotor est fonction du nom- bre de compartiments à cloisons B du rotor. Ceci montre que pour obtenir une section droite maximum donnant le minimum de chute de pression il faut multiplier autant que possible le nombre de compartiments segmentaires.
Il n'est pas nécessaire que les sections droites li- bres de passage pour les gaz chauds et froids soient égales, car si on désire un passage plus grand pour un des fluides aux dépens de l'autre, au lieu de disposer les zones de séparation symé- triquement par rapport au rotor de sorte que leurs lignes de sy- métrie soient opposées de 180 , il suffit de les disposer de
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façon que leurs lignes de symétrie soient écartées d'un angle in- férieur à 180 ; la section de passage sera diminuée de ce côté, tandis qu'elle sera augmentée du côté où l'angle est supérieur à 180 .
A la variante de la Figure 10, le rotor comporte un noyau cylindrique L en forme de tambour formé par les éléments absorbants du corps d'échangeur et tournant sur l'arbre A, et une couronne d'éléments M fixée au cylindre et entourant toute sa périphérie.
Comme le montre la Figure 10 la section de la couronne M a la forme d'un demi-cercle dont le diamètre est égal à la hauteur du cylindre L : la forme de l'ensemble est celle d'un sphéroïde aplati. Ce rotor est subdivisé par des cloisons dispo- sées radialement, contenant entre elles les éléments absorbants et portant des segments.
Lorsqu'on étudie une coupe longitudinale de ce rotor passant par son axe, comme à la Figure 10, l'on voit que l'enveloppe N qui contient les éléments absorbants a une for- me qui pourrait être obtenue en appliquant à une sphère en ma- tière déformable, tournant autour d'un axe, une pression en sens opposés le long de cet axe pour provoquer un aplatissement des parties N1 entourant l'arbre A sur lequel la sphère est montée.
Les parties d'extrémité L1 du cylindre L autour de l'arbre A sont parallèles entre elles et perpendiculaires à l'axe du rotor. Leur dimension radiale est plus grande que la même di- mension des parties correspondantes du rotor sphérique décrit pré- cédemment, comme on peut le voir en comparant les Figures 10 et 3.
Les cloisons entre les compartiments du rotor sont rendues étan- ches aux extrémités aplaties au moyen de segments de section en U logés chacun dans une gorge Bl pratiquée dans la tranche d'une cloison B (voir Figure 8), la périphérie de cette cloison ayant également une section en U. En employant un type convenable de segment en U, les branches de 1'U, droites lorsqu'il est en posi- tion dans l'enveloppe, peuvent s'ouvrir et, par leur pression
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contre la paroi, maintenir une séparation étanche par contact avec l'enveloppe.
Dans certains cas, on peut combiner des an- neaux en demi-cercle, semblables à des demi-segments de piston employés dans le rotor sphérique décrit ci-dessus, avec des seg- ments droits-aux extrémités aplaties du rotor. Dans ce cas,il est bon de soutenir les segments droits par une lamelle ondulée ou faisant ressort, bimétallique par exemple, qui maintiendra la pression nécessaire aux températures de service.
Comparé à l'échangeur de chaleur sphérique décrit précé- demment, le sphéroïde aplati a un diamètre extérieur plus grand pour une même longueur axiale. Il en résulte une capacité calori- fique accrue des éléments chauffants, ce qui permet de réduire la chute de pression d'un gaz qui traverse les éléments absor- bants d'un rotor aplati par rapport à un échangeur sphérique.
Dans une vafiante de construction des passages, chaque demi-enveloppe peut être pourvue d'une seule conduite extérieure, concentrique à l'axe du rotor, d'une certaine longueur et termi- née par une bride pouvant recevoir un couvercle. Chaque passage est muni d'une cloison longitudinale qui le divise diamétralement en deux. Chaque cloison porte un coussinet pour l'arbre et les segments nécessaires. Les deux cloisons se trouvent dans un même plan contenant l'axe du rotor. L'extrémité extérieure de chaque conduite est munie d'un couvercle percé de deux ouvertures permet- tant l'accès aux deux passages. A son extrémité intérieure, chaque conduite peut être munie d'une sorte de grillage courbé de façon à épouser le contour du rotor.
Les segments d'étanchéité montés dans les cloisons du rotor se déplacent sur la paroi interne de ce grillage, quand le rotor tourne.
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