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PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX ECHANGEURS DE CHALEUR, A REGENERATION. -
L'invention est relative aux échangeurs de chaleur à régénération comprenant un corps, dénommé matrice, contenant de la matière accumulatrice de chaleur qui est traversée par des courants séparés entre lesquels la cha- leur doit être échangée, des conduits pour amener les fluides vers la matrice et pour l'écarter de celle-ci, des moyens pour effectuer un-mouvement angulai- re relatif entre ladite matrice et lesdits conduits afin que les différentes parties de la matrice soient traversées successivement par chaque fluide. Le mouvement angulaire relatif peut être obtenu en utilisant une matrice tournan- te ou, suivant une variante, en se servant de conduits'ou analogues qui tour- nent par rapport à une matrice non tournante.
Il existe deux types principaux de ces régénérateurs notamment ce- lui pour lequel la matrice est constituée par un disque traversé par les flui- des suivant une direction généralement axiale et celui pour lequel la matrice est un tambour creux dans lequel le passage pour le fluide se fait, d'une ma- nière générale, dans le sens radial.
La constitution des joints de ces dispositifs, par lesquels on délimite chacune des parties de la matrice par laquelle chacun des fluides doit passer et par lesquels on empêche des fuites excessives des fluides aux endroits où la matrice est raccordée aux conduits, est un problème important.
Il a été proposé de constituer ces joints par des sortes de cadres qui sont en contact frottant avec la matrice pour délimiter les courants des;fluides, ces joints formant les extrémités de deux conduits complémentaires dont un sert à diriger le fluide vers la matrice et l'autre à l'écarter de celle-ci.
Le mouvement angulaire relatif entre les joints et la matrice est la cause de l'usure des joints et/ou de la matrice et il est désirable que par cette usure les faces jointives ne cessent d'être appliquées, d'une manière satis- faisante, les unes sur les autres, c'est-à-dire que ces faces doivent conti- nuer à se recouvrir convenablement. L'invention a pour but, surtout d'attein- dre ce résultat.
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Par conséquent, l'invention concerne des échangeurs de chaleur à régénération et qui comprennent une matrice pour l'accumulation de chaleur, qui est traversée par des courants distincts de fluides entre lesquels la chaleur doit être échangée, des joints qui ne tournent pas autour de leurs propres axes et qui sont serrés avec frottement contre la matrice en entou- rant une partie de celle-ci par laquelle un des fluides doit passer, des moyens pour obtenir le mouvement angulaire relatif entre la matrice et les -joints afin que ceux-ci balayent, suivant un trajet circulaire, la surface de la matrice dont des parties différentes sont traversées successivement par chaque fluide et elle consiste, principalement, à faire comporter aux échangeurs, du genre en question, des moyens propres à établir, pendant le fonctionnement de l'échangeur de chaleur,
le mouvement relatif entre les joints et la matrice dans une direction transversale à la direction du mouve- ment angulaire susdit ce qui favorise une concordance satisfaisante entre les surfaces jointives.
De préférence, on peut obtenir le mouvement relatif dans la di- rection transversale à l'aide de moyens par lesquels on obtient, pendant le mouvement angulaire relatif entre la matrice et les joints, que tout point de la surface frottante ne vienne en contact avec le même point de la matrice qu' après avoir fait plus d'un tour complet suivant le trajet circulaire. Ainsi, dans le cas où un mouvement angulaire relatif est obtenu en se servant d'une matrice tournante, les joints peuvent être déplacés transversalement par rap- port au trajet suivi par la matrice, d'une manière cyclique qui présente une différence fractionnaire par rapport au cycle de rotation de la matrice. Ain- si, par exemple, quand la matrice fait cent tours, les joints peuvent seule- ment faire 99 cycles pour ce qui est de leur mouvement propre.
Le mouvement relatif dans la direction transversale peut avoir un caractère oscillatoire, par exemple suivant une oscillation linéaire. Si les joints oscillent, ils peuvent pivoter de manière telle que l'oscillation soit curviligne autour de l'axe du pivot.
Dans le cas où l'on se sert d'une matrice non tournante en combi- naison avec des joints, qui agissent comme des bouts de conduits et qui se dé- placent suivant un trajet circulaire sur la matrice, le mouvement relatif dans la direction transversale, pour obtenir le recouvrement du joint, peut être effectué pàr la matrice, par exemple par une oscillation linéaire de celle-ci.
Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exemple, plusieurs mo- des de réalisation de l'invention.
Les figs. 1 et 2 montrent, respectivement en coupe transversale selon 1-1 fig. 2 et en coupe axiale selon II-II fig. 1, un échangeur de cha- leur à régénération établi selon l'invention.
Les figs. 3 et 4 montrent, en coupe transversale schématique, deux autres échangeurs établis selon l'invention.
Les figs. 5 et 6 montrent, respectivement en coupe transversale et en coupe axiale, encore un autre échangeur.
L'échangeur de chaleur, montré sur les figs. 1 et 2, comprend une enveloppe 1 dans laquelle peut tourner une'matrice en forme de disque consti- tuée par un moyeu 2 et une jante 3 entre lesquels se trouve la partie 4 dans laquelle se fait en réalité l'accumulation de la chaleur et qui est perméable au courant de fluide et, pour l'exemple montré, elle peut être considérée com- me étant formée par un paquet de tubes 5 qui constituent des passages indivi- duels pour ledit courant. La matrice est montée sur un arbre 6 qui l'entraine en rotation.
Pour .cet exemple l'échangeur de chaleur convient au transfert de la chaleur entre deux courants de gaz qui sont à des températures et des pres- sions différentes. Les conduits, par lesquels les gaz sont dirigés vers la matrice et à partir de celle-ci, comprennent principalement des conduits 7 établis de part et d'autre de la matrice en étant placés en regard l'un de 1'
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autre tout en ayant une section transversale en forme de secteur au voisinage de la matrice alors qu9ils peuvent, avantageusement, être prolongés par des parties à section cylindrique à une certaine distance de la matrice. On peut remplacer la forme en secteur par des conduits dont les parois, au lieu d'é- tre curvilignes, sont radiales et planes car dans certains cas on peut obtenir ainsi des avantages pratiques au cours du fonctionnement.
Les extrémités com- plémentaires des conduits 7 comportent des joints 8 analogues à des cadres et en forme de secteur qui sont établis de part et d'autre de la matrice. Les joints sont sollicités vers les faces latérales de la matrice par des moyens élastiques (non montrés) et/ou par la pression du gaz circulant dans les con- duits 7. Le gaz plus froid, qui dans ce cas est supposé être à la pression la plus élevéepar exemple de plusieurs atmosphères, est amené à la matrice et est écarté de celle-ci par les conduits 7 La fuite de ce gaz vers l'autre courant gazeux est évitée par les joints 8 qui sont serrés avec une pression suffisante contre la matrice pour empêcher les fuites, en substance.
Les joints 8 sont constitués en une matière appropriée, par exemple en une matière auto- lubrificatrice de nature graphitique, qui est soumise à l'usure en frottant contre la matrice tournante.
On se rend compte que les joints délimitent la partie de la sur- face de la matrice par laquelle le gaz froid et à haute pression doit passer.
Le gaz plus chaud, qui est à une pression plus basse que l'autre, traverse 1 espace 9 délimité par l'enveloppe 1 et a donc accès à la partie de la surfa- ce de la matrice qui est complémentaire à celle délimitée par les joints 8.
Les joints, pour une raison expliquée plus loin, sont reliés aux conduits 7 par des soufflets 10 qui permettent un mouvement latéral des joints par rap- port aux conduits 7 Pour empêcher que les gaz chauds contournent la matrice en by-pass on fait intervenir un joint circulaire 11, à labyrinthe.
Quand la matrice tourne, les joints 8 balaient suivant un trajet circulaire la surface de la matrice de sorte que des parties différentes de la matrice sont traversées successivement et alternativement par le gaz chaud et le gaz froid, la chaleur prélevée par la matrice par le gaz chaud étant transférée au gaz froid.
Pour obtenir une bonne étanchéité, il est important que les sur- faces jointives se recouvrent convenablement et que l'usure des joints 8 et toute usure de la matrice soient aussi uniformes que possible. A cet effet, on déplace les joints suivant une oscillation linéaire, radialement par rap- port à la matrice tournante. Sur l'arbre 6 sont calés deux pignons 12, chaque pignon engrenant avec une couronne 13 à dents internes qui repose sur le pig- non de manière à être supportée et entraînée par celui-ci. La couronne 13 com- porte une jante extérieure qui est excentrée par rapport à l'axe de rotation de la couronne et, comme montré sur les dessins, chaque couronne porte un bos- sage interne 14 qui repose sur la jante de la couronne adjacente, ce bossage comprenant, à cet effet, une surface d'appui curviligne.
Quand la couronne 13 tourneles joints 8 oscillent vers le haut et le bas par l'effet de came ob- tenu par la couronneo Un couvercle 15 est fixé à chaque dispositif d'étanchéi- té pour entourer la transmission à engrenages. Dans ce couvercle est ménagée une fente 16 traversée par 19 arbre 6, cette fente pouvant comporter un dispo- sitif obturateur approprié quelconque pour empêcher le passage des gaz chauds.
Chaque joint 8 porte des bras radiaux 17 et 18 terminés par des plongeurs 19 qui peuvent coulisser librement dans des logements cylindriques 21 ménagés dans la paroi de l'enveloppe 1 de l'échangeur de chaleur. Les bras supérieurs 17 prennent appui sur des ressorts de compression 20 établis dans les logements 21. Les bras 17 et 18 servent au guidage des joints afin que leur oscillation se fasse suivant une direction radiale, les ressorts 20 ser- vant à ramener les joints vers la position basse après leur mouvement vers le haut. L'amplitude relativement faible de l'oscillation de chaque joint est suf- fisante pour le but envisagé.
Comme la transmission 12,13 procure une réduction de vitesse, 1' oscillation cyclique de la matrice est différente du cycle de rotation de la matrice de sorte qu'un point déterminé de la surface frottante du joint ne
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vient en contact avec le même point de la matrice qu'après que cette der- nière a fait un certain nombre de tours.
La fig. 3 montre une variante de l'invention qui est constituée, en principe, de la même manière que le dispositif des figs. 1 et 2 en ce sens qu'elle comporte une matrice tournante avec une partie 4, pour l'accumula- tion de la chaleur, cette partie fonctionnant dans une enveloppe 1. Des joints 8 en forme de cadre, délimitent les extrémités des conduits dans lesquels cir- cule le gaz à haute pression. Pour cette variante, chaque joint peut pivoter autour d'un axe 22 à l'aide d'une manivelle extérieure ou d'un excentrique 23 relié par des biellettes ou tiges 24 au joint afin que celui-ci soit animé d' un mouvement angulaire et oscillant, de faible amplitude, autour du pivot 22.
Ce mouvement angulaire comporte une composante transversale par rapport au trajet suivi par la matrice et qui est suffisante pour que le recouvrement soit conservé. Il est à noter que des conditions momentanées peuvent exister pour lesquelles le joint reste localement fixe par rapport à la matrice et d' autres pour lesquelles il se déplace dans le même sens. On a recours à deux excentriques 23 reliés respectivement aux deux joints de sorte que ceux-ci se meuvent simultanément et d'une manière exactement,similaire. L'arbre portant les excentriques ou manivelles 23 tourne à une vitesse légèrement différente de celle de l'arbre 6.
La fig. 4 montre une autre variante pour laquelle les joints pi- votent également autour des axes 22. Dans ce cas, chaque joint est sollicité par un ressort de traction 33 établi dans un logement 34. La matrice tourne dans un sens indiqué par une flèche et la tension du ressort 33 dépend du frot- tement existant entre le joint et la matrice en étant tel que par frottement la matrice entraîne chaque joint sur une courte distance autour du pivot 22 jusqu'à ce que le ressort 33 parvienne à vaincre l'effort qui provoque cet entraînement et ramène le joint à sa position initiale. Les joints sont ain- si animés d'un mouvement angulaire oscillant non positif.
Les figs. 5 et 6 montrent l'application de l'invention au cas où la matrice ne tourne pas, le mouvement angulaire relatif désiré entre la ma- trice et les conduits étant obtenu en faisant tourner les conduits 7 afin que leurs extrémités, délimitées par les joints 8, balaient, suivant un tra- jet circulaire, une partie de la surface de la matrice. Chaque conduit 7 com- porte une partie cylindrique et non rotative 27 et une partie courbée et tournante 28, comme montré, dont un bout a une section circulaire alors que celle de l'autre bout a la forme d'un secteur tout en étant muni d'un joint 8. Les parties 28 sont entraînées en rotation par des moyens non montrés, leurs positions extrêmes étant montrées, sur les figs. 5 et 6, respectivement en traits pleins et en traits interrompus.
Les moyens, utilisés pour obtenir cet- te rotation, peuvent être constitués par une transmission à engrenages com- prenant un pignon qui est en prise avec une couronne à denture intérieure fi- xée par des brides aux parties 28 des conduits. Pour obtenir le mouvement de recouvrement nécessaire, dans une direction transversale par rapport au tra- jet circulaire suivi par les conduits 28, la matrice elle-même est montée de manière telle qu'elle puisse effectuer un léger mouvement oscillant en travers de l'enveloppe 1 Ce mouvement est obtenu à l'aide de quatre cames 31 sur les- quelles la matrice repose, ces cames étant supportées par des arbres parallè- les 30 établis de part et d'autre de la partie inférieure de la matrice. Cha- que arbre 30 porte deux cames 31.
Pour obtenir la différence cyclique désira- ble entre l'oscillation de la matrice et celle des parties 28 des conduits on prévoit une différence entre les vitesses angulaires de ces parties 28 et des arbres 30. Pour empêcher que les gaz chauds contournent la matrice en by-pass tout en permettant l'oscillation de la matrice, des soufflets 32 ou analogues sont intercalés entre la jante 3 de la matrice et l'enveloppe 1.
En revenant à des questions plus générales, après avoir décrit cer- tains modes de réalisation, il est à noter que le mouvement de recouvrement transversal des joints peut être obtenu par le déplacement du corps rotatif, c'est-à-dire la matrice ou les joints. Si, par exemple, la matrice tourne par rapport aux conduits non rotatifs, l'effet de recouvrement désiré peut être
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obtenu en déplaçant la matrice suivant un mouvement oscillant transversal en plus de son déplacement angulaire.