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"SHELL" REFINING & MARKETING COMPANY LIMITED résidant à LONDRES.
REGENERATEUR ROTATIF.
L'invention concerne un échangeur de chaleur régénérateur du type dans lequel une garniture accumulant la chaleur est contenue ou est constituée par une matrice formée par une série de canaux parallèles disposés dans un tambourdont les faces de bout sont balayées par des obturateurs annulaires montés en contact étanche au passage des fluides avec ces surfaces de bout et pouvant tourner autour de leur axe commun, qui est décalé par rapport à celui du tambour;, l'intérieur des obturateurs étant en communication cons- tante avec des tuyaux de circulation d'un des fluides d'échange de chaleur, et l'extérieur de ces obturateurs avec des tuyaux de circulation de l'autre fluide d'échànge de chaleur.
Ces échangeurs de chaleur sont désignés ci-a- près sous le nom de "régénérateurs du type spécifié!!. Ils sont destinés prin- cipalement aux installations de turbines à gaz, en faisant circuler les gaz chauds d'échappement de la turbine à travers la matrice en dehors de l'espace limité par les obturateurs et le fluide moteur comprimé froid à travers la ma- trice à l'intérieur des obturateurs.
La différence de pression entre les flui- des chaud et froid est considérable et on rend les obturateurs susceptibles de tourner autour de leur axe pour établir et former ainsi un. joint suscepti- ble de résister à la différence de pression existanteo Pour simplifier la des- cription le fluide passant à travers la matrice à l'intérieur des obturateurs est désigné sous le nom de gaz froid et celui qui passe en dehors sous le nom de gaz chaud, quoique l'invention s'applique évidemment aussi bien au cas où le fluide froid circule en dehors et le fluide chaud en dedans des obturateurso
En raison de la forme circulaire des obturateurs qui est néces- saire pour leur permettre-de tourner autour de leur axe,
le rapport entre le temps écoulé par tour du tambour de la matrice (en supposant que ce soit le tambour qui tourne et que ce mouvement de rotation soit à vitesse constante) pendant le mouvement d'un canal de la matrice à l'intérieur des obturateurs et le temps écoulé pendant un tour en dehors des obturateurs diminue en fonc- tion de l'augmentation de la distance entre ce canal de la matrice et l'axe
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du tambour.
Il résulte de cette variation de ce rapport que si à chaque tour du tambour, le débit total du gaz froid passant dans un canal donné de la ma- trice situé sur un rayon d'une longueur donnée à partir de l'axe du tambour est égal au débit total du gaz chaud passant par le même canal de la matrice, le débit total du gaz froid est plus grand que celui du gaz chaud passant dans des canaux situés plus près de l'axe du tambour et plus petit dans les ca- naux situés plus loin de cet axe .
Suivant l'invention, on améliore le rendement d'un régénérateur du type spécifié, au moyen de dispositifs de redistribution faisant augmen- ter le débit du gaz froid à travers la matrice et/ou diminuer celui du gaz chaud en des points situés sur un rayon plus grand sur les faces du tambour de la matrice qu'en des points situés sur un rayon plus petit. Il convient théoriquement de réaliser la redistribution du débit total jusqu'au point où la capacité thermique du gaz froid passant par tour du tambour dans chaque ca- nal de la matrice est égale à celle du gaz chaud passant par le; même canal de la matrice, et on obtient sensiblement l'égalité de la capacité thermique en général dans la pratique en rendant les débits égaux.
Mais cette nouvelle répartition n'est pas toujours possible pratiquement sans donner lieu à des inconvénients prohibitifs et dans ce cas on réalise la redistribution jusqu' à un point voisin de la valeur théoriquement parfaite. On rend égaux les dé- bits totaux dans chaque canal de la matrice de préférence en établissant une nouvelle répartition proportionnelle de la masse de gaz froid et de la masse de gaz chaud, de façon à faire passer la même masse dans tous les canaux de la matrice quelle que soit leur position radialeo Mais il n'est pas néces- saire de le faire, et il suffit de redistribuer un seul des gaz et dans ce cas la masse passant dans les divers canaux varie en fonction de leur position radiale,mais dans un canal donné la masse de gaz chaud est égale ou à peu près à la masse de gaz froid.
On peut alors régler la quantité de matière de matrice contenue dans les divers canaux de façon à la faire correspondre à la variation de la masse en circulation.
Il est généralement nécessaire de prévoir le dispositif de redis- tribution dans ou au voisinage de chaque face de la matrice. Ce dispositif peut avoir par exemple la forme d'une série d'ailettes directrices des gaz, d'un obturateur annulaire de plus grand diamètre, d'une ou plusieurs chicanes de forme appropriée,ou être obtenu en donnant une nouvelle forme à l'orifice de sortie du tuyau de gaz froid au moyen d'un obturateur annulaire disposé dans le tuyau du gaz chaud.
Si ce dispositif consiste en ailettes directrices du gaz, on peut disposer une série d'ailettes dans le tuyau du gaz chaud ou dans le tuyau du gaz froid ou dans les deux.
S'il consiste en un obturateur de plus grand diamètre, la condi- tion théorique précitée est d'autant plus près d'être remplie que le diamètre de l'obturateur annulaire est plus grand. Cet obturateur annulaire peut ser- vir avec un tambour cylindrique ou annulaire. Dans les deux cas la périphérie de l'obturateur annulaire passe de préférence par le centre du tambour.
Si le dispositif consiste en une chicane, il peut avoir la forme d'un disque recouvrant la face de la matrice avec un minimum de jeu et percé de deux trous circulaires de même diamètre par l'un desquels passe l'obtura- teur annulaire, tandis que l'autre se trouve dans le tuyau du gaz chaud. On réalise ainsi la condition théorique des de'bits égaux de gaz chaud et de gaz froid, mais aux dépens d'une perte de pression si la pression du gaz chaud est inférieure à celle du gaz froid.
On est aussi obligé avec une chicane per- cée de deux trous circulaire de même diamètre de doubler sensiblement la sur- face de la matrice qui est nécessaire pour traiter une masse donnée circulant avec une perte de pression du même ordre. On peut atténuer ces deux inconvé- nients en perçant dans la chicane trois trous de même diamètre, un pour le gaz froid et deux pour le gaz chaud, les trois trous circulaires étant de préfé- . rence tangents entre eux. Un autre perfectionnement peut être réalisé, aux dé- pens il est vrai d'une certaine complication, au moyen d'une chicane annulai- re, recouvrant unematrice annulaire et percée de six trous de même diamètre,
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deux pour le gaz froid et quatre pour le gaz chaud.
Dans ce dernier cas il est nécessaire de partager le tuyau de gaz froid en deux branches et de disposer dans chacune déciles un joint obturateur circulaire rotatif en contact avec la face de la matrice. On dispose de préférence des ailettes directrices du gaz, qui n'ont pas besoin d'avoir une forme aérodynamique exacte, et servant à guider le gaz chaud dans le ou les trous de la chicane.
Au lieu d9une chicane percée de trous circulaires de même diamètre que le ou les obturateurs annulaires du tuyau du gaz froid, on peut disposer une partie de la chicane dans le tuyau de gaz froid. Une chicane particulière- ment avantageuse se compose de deux parties, une dans le tuyau de gaz froid et l'autre dans le tuyau de gaz chaud.
La partie du tuyau de gaz froid se com- pose de deux portions à peu près en forme de segments limités sensiblement par des cordes et se rencontrant au point de la périphérie du tuyau du gaz froid le plus voisin du centre du tambour et la partie du tuyau du gaz chaud consis- te en deux portions à peu près en forme de demi-croissants limités par des arcs du tambour et par des courbes se rencontrant au point de la périphérie du tambour diamétralement opposé au point de tangence de l'obturateur annulai- re, les limites intérieures des deux portions étant choisies de façon que le rapport entre la distance angulaire suivant laquelle chaque canal de la ma- trice est exposé au courant de gaz froid et celle suivant laquelle il est ex- posé au courant de gaz chaud soit sensiblement le même pour tous les canaux, quelle que soit leur position radiale.
Quelques formes de réalisation choisies de préférence de l'inven- tion ainsi qu'un régénérateur connu du type spécifié auquel elles sont appli-- quées sont représentées schématiquement à titre d'exemple sur le dessin ci- joint sur lequel g - les figures 1 et 2 représentent deux coupes d'un régénérateur connu, la figure 2 étant une coupe suivant la ligne II-II de la figure 1 ; - la figure 3 représente un régénérateur comportant des ailettes directrices des gaz; - les figures 4 et 5 représentent des générateurs comportant des obturateurs annulaires de plus grand diamètre,, et - les figures 6 et 7 représentent des régénérateurs comportant des chicanes de différentes formes.
Le régénérateur de figures 1 et 2 comporte une enveloppe cylin- drique 10 ou en forme de tambour, dans laquelle est montée une matrice 11 consistant en une série de canaux parallèles en nid d'abeilles. Chaque canal contient une garniture non représentée en une matière accumulant la chaleur, telle que la toile métallique,un tampon de fil de fer, etc...Le tambour 10 de la matrice est monté à rotation autour de son axe dans un tuyau 12. Des dis- positifs non représentés font tourner le tambour à vitesse constante. Un autre tuyau cylindrique 13 d'un diamètre égal à peu près à la moitié de celui du tuyau 12 est fixé dans le tuyau 12 en position à peu près tangente à sa paroi intérieure. Le tuyau 13 est interrompu pour loger le tambour 10 et lui per- mettre de tourner.
Le régénérateur étant en service, un des fluides déchange de cha- leur passe dans le tuyau 12 et l'autre passe de préférence à contre courant dans le tuyau 13. Le régénérateur est principalement destiné à une installation de turbine à gaz et dans ce cas le fluide passant dans le tuyau 12 est le gaz chaud déchappement de la turbine tandis que le fluide passant dans le tuyau 13 est l'air froid venant du compresseur et se dirigeant dans la chambre de combustion. Pour simplifier ces fluides sont désignés respectivement par "gaz" et "air". Il est facile de voir que la pression de Pair est beaucoup plus for- te que celle du gaz et par suite qu'il est important de prévoir un joint étan- che approprié entre la matrice rotative et le tuyau immobile 13.
A cet effet, le tuyau 13 comporte des obturateurs annulaires 14 qui s'appliquent contre la face de la matrice et sont montés de façon à tourner fous autour de leur axe commun. Sur le dessin;, chaque obturateur comporte des rayons 15 et un moyeu
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16 qui peut tourner fou sur un arbre 17 porté par un croisillon 18 fixé à l'intérieur du tuyau 13.
Les obturateurs annulaires sont poussés par la pres- sion différentielle entre l'air et le gaz en contact avec la face de la matri- ce et le frottement entre ces éléments fait tourner les obturateurs annulai- res sur les arbres 17 pendant que le tambour lui-même tourne en établissant ainsi et maintenant un joint étanche entre les obturateurs annulaires et la matrice
En raison de la forme circulaire des obturateurs 14 le rapport entre le temps écoulé pendant le mouvement de rotation de chaque canal de la matrice dans le tuyau 13 et le temps pendant le mouvement de rotation dans le tuyau 12 diminue en fonction de 19 augmentation de la distance entre le canal de la matrice et l'axe 18 du tambour.
La figure 3 représente un dispositif suivant l'invention servant à redistribuer la circulation de l'air et du gaz pour tenir compte de cette mauvaise distribution qui résulte de la variation de ce rapport. Suivant la figure 3, des ailettes directrices 19 sont fixées dans le tuyau de gaz 12 et des ailettes directrices 20 dans le tuyau d'air 13. Les ailettes 19 sont disposées sur des surfaces de révolution autour de l'axe 18, mais comportent des échancrures laissant passer le tuyau 13. Les ailettes 20 sont disposées sur des arcs de surfaces de révolution autour de l'axe situé dans le plan tangent commun aux tuyaux 12 et 13.
On voit que la forme des ailettes 19 et 20 dans la section plane de la figure 3, est choisie de façon à faire augmenter la circulation du gaz dans les canaux de la matri- ce situés au voisinage de l'axe 18 aux dépens de la circulation dans les ca- naux éloignés de cet axe. Au contraire les ailettes 20 font augmenter la cir- culation de l'air dans les canaux éloignés de l'axe 18 aux dépens de la. cir- culation dans les canaux rapprochés, de cet axe. Quoique les ailettes directri- ces aient l'inconvénient de ne pas permettre de déterminer avec précision le degré de compensation réalisé, elles ont l'avantage de ne pas faire diminuer sensiblement le débit de l'air et du gaz dans le régénérateur. De plus il n' est pas nécessaire de déterminer la forme des ailettes avec une grande pré- cision.
On remarquera qu'étant donné que la différence de pression entre les ailettes adjacentes dans le tuyau 12 ou dans le tuyau 13 est faible, il n' est pas nécessaire que ces ailettes soient en contact étanche avec la face de la matrice.
La figure 4 représente un autre moyen de réalisation une compensa- tion partielle. Il consiste à augmenter le diamètre du tuyau d'air au moins dans ses portions adjacentes aux faces de la matrice, comme indiqué par 13a, de façon à loger des obturateurs annulaires de diamètre sensiblement plus grand que ceux de la figure 1. Pour masquer la portion de chaque obturateur annulaire qui se trouve en dehors de la matrice,, le tambour 10 comporte de chaque côté dans le même plan que la face de la matrice une bride qui est ainsi en contact étanche avec l'obturateur annulaire. Ces brides qui ne sont pas visibles sur la figure 4, sont logées dans une portion de plus grand dia- mètre 21 du tuyau 12.
Ce dispositif a pour effet de faire augmenter le rap- port entre le temps écoulé pendant le mouvement de rotation des canaux de passage de l'air dans la matrice à la périphérie du tambour et le temps écou- lé dans les canaux de la matrice voisin du centre.
Sur la figure 5, on combine la solution d'un obturateur annulaire de plus grand diamètre avec celle d'une matrice annulaire lla, remplaçant la matrice cylindrique précitée. On réalise ainsi un degré de compensation plus grand. Le centre de la matrice lla qui peut être creux, est masqué par des disques 22, qui sont également en contact étanche avec les obturateurs annu- laires.
Suivant la figure 6, des chicanes 23 sont fixées dans le tuyau de gaz au voisinage de chaque face de la matrice. Les plaques 23 sont percées chacune d'un trou circulaire 24 logeant l'extrémité correspondante du tuyau 13,avec l'obturateur annulaire qu'il porte, et d'un trou circulaire 25 de mê- me diamètre que le diamètre intérieur de l'obturateur annulaire.
Etant donné que les dimensions et les formes efficaces des tuyaux d'air et de gaz ne sont pas exactement les mêmes, la compensation réalisée par ce dispositif est pra-
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tiquement totale, quoique aux dépens d'une perte de pression subie par le gaz ainsi qu'il a déjà été dito Les plaques 23 sont situées aussi près que possi- ble des faces de la matrice, mais il n'est pas nécessaire qu'elles soient en contact étanche avec elleso
La figure 7 représente une chicane de forme choisie de façon à réaliser une compensation à peu près complète de la mauvaise répartition de l'air et du gaz par la chicane à trous circulaires de la figure 6.
La chica- ne de la figure 7 se compose de deux parties, dont l'une se trouve dans le tuyau de gaz et l'autre dans le tuyau d'airo La partie située dans le tuyau de gaz comporte deux portions 26a et 26b tandis que-celle du tuyau d'air com- porte deux portions 27a et 27b. La forme des courbes qui limitent à l'inté- rieur les portions 26a et 26b et celle des courbes qui limitent à l'intérieur les portions 27a et 27b est choisie de fagon à donner sensiblement la même va- leur au rapport entre la distance angulaire suivant laquelle chaque canal de la matrice est exposé au courant de gaz et la distance angulaire suivant la- quelle il est exposé au courant d'air pour tous les canaux quelle que soit leur position radiale.
Quoique l'invention soit décrite en tant que s'appliquant à un régénérateur dont le tambour tourne et l'axe des obturateurs est fixe, elle s'applique aussi bien à ceux dont le tambour est fixe et l'axe des obturateurs tourne, pourvu que dans les deux cas la chicane ou les ailettes directrices précitées soient immobiles par rapport à l'axe des obturateurs.