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PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX ECHANGEURS DE CHALEUR A REGENERATION.
L'invention est relative à des échangeurs. de chaleur à régénéra- tion, du genre de ceux ayant une matrice qui sert au transfert de la chaleur et qui est traversée par des fluides gazeux sous forme de courants séparés entre lesquels la chaleur doit être échangée, des conduits pour diriger les fluides vers la matrice et à partir de celle-ci ainsi que des moyens pour obtenir le mouvement angulaire relatif entre la matrice et les conduits afin que des parties individuelles de la matrice soient alternativement traver- sées par chaque fluide.
Il existe deux types principaux de ces régénérateur notamment celui pour lequel la matrice est constituée par un disque à travers lequel les fluides passent suivant une direction générale axiale et celui pour le- quel la matrice est constituée par un tambour creux dans lequel les flui- des passent dans une direction généralement radiale.
Il a été proposé d'effectuer le mouvement angulaire relatif en faisant tourner la matrice ou en se servant de conduits ou analogues qui tournent par rapport à une matrice non tournante.
Une application intéressante des échangeurs de chaleur du genre en question est celle pour laquelle on les utilise pour des installations ou cycles avec une turbine à gaz pour lesquels le courant relativement froid est constitué par un gaz à une pression relativement élevée, par exemple de l'air s'écoulant depuis un compresseur vers un dispositif de combustion, alors que le courant relativement chaud est un gaz à une pression'assez bas- se, par exemple les gaz d'échappement d'une turbine, pour cette applica- tion, tout au moins,une perte minimum de fluide, par des fuites, est une nécessité importante, plus particulièrement en ce qui concerne le courant qui est une pression relativement élevée. Cette perte résulte principale- ment,
dans les échangeurs de chaleur du genre en question et auxquels s'ap- plique l'invention, des fuites par les joints formés entre des organes mobi-
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les les uns par rapport aux autres, ces fuites se faisant dans l'air libre ou par court-circuitage entre le courant à haute pression et le courant à basse pression.
Pour remédier aux fuites dans les échangeurs du genre en ques- tion et auxquels s'applique l'invention, il a été d'usage d'avoir recours à des joints dont un élément constitutif était la face de la matrice elle- même ou celle de l'organe qui porte la matrice et qui fait seulement légè- rement saillie sur la surface de la matrice. Comme une vitesse relativement basse à la face de la matrice est'nécessairement à prévoir, une surface d'é- tanchéité'relativement grande est nécessaire, ce qui explique l'interven- tion d'un joint dont la longueur est en conséquence, de sorte que les possi- bilités des fuites augmentent en correspondance.
L'invention est relative à des échangeurs de chaleur à régénéra- tion avec une matrice qui sert au transfert de la chaleur et qui est tra- versée par des fluides gazeux formant des courants gazeux entre lesquels la chaleur doit.être échangée, des conduits pour diriger les courants vers la matrice et à partir de celle-ci, des moyens pour obtenir le mouvement angu- laire relatif entre la matrice et les conduits afin que des parties indivi- duelles de la matrice soient traversées par chaque fluide et des joints pour s'opposer aux fuites des fluides aux joints formés entre les organes qui tournent les uns par rapport aux autres et elle consiste, principalement, à donner aux joints une longueur qui est petite par rapport à la section transversale du trajet suivi par le courant fluide à travers la matrice,
ces joints étant séparés de la face de la matrice par des passages tels que la vitesse du fluide aux joints soit plus grande que celle qui existe à la face de la matrice.
Les joints utilisés peuvent être des joints à intervalles ou des joints à frottement ou une combinaison des deux.
Dans le cas d'une matrice du type à tambour, l'échangeur de cha- leur à régénération peut comporter un rotor avec une matrice qui sert au transfert de la chaleur et qui est traversée par des fluides gazeux formant des courants gazeux entre lesquels la chaleur doit être échangée, des con- duits non tournants pour diriger les courants vers la matrice et à partir de celle-ci et des joints pour s'opposer aux fuites des fluides aux joints for- més entre le rotor et les conduits non rotatifs. L'invention consiste à écarter les joints de la face de la matrice par des passages formés par des parties du rotor, la section transversale de chaque trajet suivi par le flui- de et défini à l'endroit ou se trouvent les joints étant plus petite que la section transversale du trajet correspondant formé par la face de la ma- trice .
Dans ce cas, on peut faire comporter au rotor la combinaison d'une matrice creuse et en forme de tambour qui est traversée par les flui- des dans une direction généralement radiale, des groupes de cloisons inté- rieures et extérieures formés par des corps de révolution creux et établis coaxialement par rapport au tambour de la matrice, un groupe de cloisons étant logé à l'intérieur dudit-tambour et l'autre à l'extérieur de celui-ci, les cloisons étant constituées et disposées de manière qu'elles rejoignent le tambour à une extrémité de celui-ci et qu'elles soient écartées de son autre extrémité pour former les passages aboutissant aux joints dans des espaces annulaires dont un se trouve à l'intérieur et l'autre à l'extérieur du tam- bour,
chaque passage comprenant dans le plan des joints un orifice d'ali- mentation annulaire dont la section transversale est notablement plus petite que 7.¯'étendue de la face de la matrice disponible pour l'écoulement du flui- de, les cloisons subdivisant lesdits passages suivant des compartiments en forme de secteurs.
Dans le cas où la matrice est du type à disque, on peut réali- ser un échangeur de chaleur dont le rotor est constitué par la combinai- son d'une matrice en forme de disque et qui est traversée par le courant fluide suivant une direction généralement axiale, une paire de conduits dont chacun converge progressivement d'une extrémité à l'autre pour former des passages séparant les joints de la face de la matrice, chacun desdits @
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conduits s'étendant coaxialement depuis une face latérale du disque de la matrice et les petites extrémités de ces conduits étant écartées de la ma- trice alors que des cloisons radiales subdivisent lesdits conduits en com- partiments en forme de secteurs. on peut, par exemple, donner à la face interne des conduits susdits une forme sensiblement tronconique.
Les pertes de charge sont susceptibles d'augmenter, au cours du fonctionnement, si un des courants gazeux véhicule des impuretés, comme cela peut se produire pour les gaz d'échappement d'une turbine, car les trajets d'écoulement relativement petits,-ménagés dans la matrice de l'é- changeur de chaleur à régénération, sont susceptibles d'être obstrués.
Sous un aspect différent de l'invention, on subdivise la matrice suivant des unités séparées qui sont logées dans des cellules séparées et qui peu- vent être dégagées hors de ces cellules pour être nettoyées.
Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exemple, quelques modes de réalisation de l'invention.
Les figs. 1 à 3 montrent, respectivement en coupe axiale selon I-I fige 2, en coupe transversale selon II-II fig, 1, en coupe transver- sale selon III-III fige 1, un échangeur de chaleur avec une matrice du type à tambour.
La fig. 4 montre, à plus grande échelle et en coupe transver- sale selon IV-IV fig. 2, un élément individuel de cette matrice.
Les figs. 5 à 9 montrent, en coupe axiale, en coupe transver- sale selon VI-VI fige 5, en coupe transversale selon VII-VII fig. 5, en coupe transversale selon VIII-VIII fig. 5 et en coupe selon IX-IX fig. 8, un échangeur de chaleur avec une matrice du type en forme de disque.
La fige 10 montre, semblablement à la fig. 9, une variante.
L'échangeur de chaleur, montré sur les figs. 1 à 4, comprend un rotor, qui comporte la matrice proprement dite, ce rotor se trouvant à gau- che de la ligne II-II fig. 1 et des conduits fixes qui sont à droite'de cet- te ligne II-II.
On décrira d'abord le rotor; celui-ci comprend une matrice 1, en forme de tambour cylindrique, un groupe de cloisons intérieures 2 et un groupe de cloisons extérieures 3. Ces groupes forment, comme montré, des corps de révolution creux, une extrémité de chacun desdits corps étant plus grande que l'autre Les cloisons sont établies coaxialement par rapport à la matrice, le groupe 2 étant logé dans celle-ci et le groupe 3 étant éta- bli autour de celle-ci. La partie centrale du rotor comprend un tube coaxial 4 dont une extrémité est reliée à une plaque terminale conique 5 et l'autre à une plaque annulaire qui ferme: l'intervalle formé entre les parties 2 et 4 à l'extrémité de droite (fig. 1). Une extrémité de l'ensemble de la matri- ce est obturée par un couvercle annulaire et amovible 6.
Les groupes de cloisons 2 et 3 délimitent, de pair avec.la matri- ce, un passage annulaire A entre la face interne de la matrice et le grou- pe 2 et un passage annulaire B entre la face externe de la matrice et le groupe 3. Ces passages servent à diriger les fluides vers la matrice et à partir de celle-ci. Gomme expliqué ci-dessus, le fluide est fourni aux conduits d'alimentation et il est admis dans un plan d'étanchéité qui passe approximatiement par la droite II-II fig, 1. Les passages A et B forment chacun une admission annulaire à proximité des conduits d'alimentation sus- dits. Il est à noter que ces admissions sont notablement plus petites que la partie de la matrice qui est accessible au courant du fluide.
Des cloisons radiales 7 (fig. 2) subdivisent les passages A et B en des compartiments en forme de secteur et la matrice en des éléments in- dividuels, isolés les uns des autres dans le sens périphérique en ce qui concerne le courant fluide, chaque élément étant réservé à un desdits compar- timents. Les passages A et B contiennent des ailettes de guidage, telles que 8, pour scinder et guider convenablement le courant fluide.
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Le rotor est logé dans une enveloppe non tournante comprenant une partie cylindrique 9 et un fond 10. Le rotor est supporté par trois galets 11, qui sont établis à 1200 les uns des autres et qui sont en con= tact avec une bride annulaire 12 du rotor., Ces galets comportent une gor- ge périphérique dans laquelle la bride 12 est engagée, pour un des galets, le bord extérieur de la gorge est supprime pour permettre la dilatation du tambour du rotor. La bride 12 porte une denture périphérique 13 qui engrè- ne avec un pignon conique 14 monté sur un arbre 15 servant à l'entraînement du rotor. La périphérie du rotor porte un rebord 17 dont une face latérale est plane alors que son autre face forme un élément d'un joint à labyrinthe
16 dont l'autre élément est monté sur l'enveloppe fixe du rotor.
En ce qui concerne la tête d'alimentation, un des fluides, on suppose qu'il s'agit dans ce cas d'air comprimé débité par le compresseur d'une installation avec turbine à gaz, est admis par des conduits jumelés
18 qui aboutissent à une admission commune 19, de forme curviligne, par la- quelle l'air pénètre dans le rotor pour passer par les compartiments du passage B qui se trouvent en regard de l'orifice 19 et ensuite par les élé- ments correspondants de la matrice qui lui cèdent de la chaleur pour cir- culer ensuite dans les compartiments correspondants de l'intervalle A avant de sortir du rotor¯par un orifice 20, en forme de secteur, qui se trouve au bout d'un conduit 21.
L'autre fluide, que l'on suppose être le gaz d'é- chappement de la turbine, est fourni par le conduit 22 débouchant dans une admission 23, de forme curviligne, d'où les gaz pénètrent dans les compar- timents de l'intervalle A et ensuite dans les éléments correspondants de la matrice pour fournir de la chaleur à ces éléments. Ledit fluide quitte le rotor par les compartiments correspondants du passage B qui se trouvent en regard de la sortie curviligne 24 prévue au bout d'un conduit de sortie du gaz subdivisé en deux branches 25.
La matrice 1,en forme de tambour, est constituée par plusieurs éléments séparés 26 (fig. 2) qui sont démontables individuellement, chacun de ces éléments 26 étant supporté entre une paire de cloisons 7. Chaque élément 26 est réservé à un compartiment, en forme de secteur, formé entre une paire de cloisons radiales 7, aucune communication n'existant dans le rotor entre les fluides passant par les éléments adjacents. Les éléments
26 sont engagés dans la carcassë de la matrice et retirés hors de celle-ci, après avoir démonté la plaque 6, en les faisant coulisser axialement par rapport au rotor.
Ceci présente l'avantage que les éléments individuels peuvent être démontés et nettoyés au cas où les passages,ménagés dans ces éléments, sont obturés par les impuretés véhiculées par les gaz d'échap- pement, on voit sur la fig. 4 -que chaque élément 26 est formé par un pa- quet de plaques planes et ondulées disposées en alternance pour former des canaux 27 pour le passage du fluide.
La fig. 10 montre une variante de'la matrice pour laquelle le corps de la matrice est constitué, non pas par des éléments séparés mais par un disque unitaire formé, par exemple, en enroulant une bande en une matière appropriée, les cloisons radiales 7 butant contre la face de la ma- trice, pour empêcher les fuites au travers de-ces cloisons on donne à,-cha- cune de celles-ci une épaisseur, à la face de la matrice, qui est assez grande pour couvrir un des canaux de la matrice, désignés par 27 sur la fig, 9. pour empêcher les fuites entre le rotor et les conduits for- mant la tête susdite on établit des joints dans le plan II-II de la fig. 1.
A l'endroit de la tête où agit l'air sous pression élevée, on établit une plaque d'étanchéité 28, en forme de secteur et dans laquelle sont ménagées . des ouvertures en regard des orifices d'admission 19 et 20 qui terminent respectivement les conduits pour l'admission et la sortie de l'air, Dans ces conduits sont logés des soufflets flexibles 29 et 30 qui permettent le mouvement de la plaque d'étanchéité 28 par rapport aux conduits fixes.
La plaque 28 est supportée, à son sommet, par un élément d'un palier de butée 31 coaxial au rotor et elle est sollicitée élastiquement vers celui- ci par des leviers 32 (fig. 3) articulés à des pivots 33. Les extrémités 34 de ces leviers prennent appui sur la plaque 28 alors que leurs autres
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bouts 35 sont sollicités par des ressorts de compression loges dans des boi- tes 36'(fig. 2) afin que les extrémités 34 agissent pour refouler la plaque - 28 vers le rotor, La plaque d'étanchéité 28 est renforcée par trois nervu- res radiales 28A, reliées à un rebord périphérique 28B.
La plaque 28 est maintenue à un écartement réduit approprié du rotor en donnant au palier 31, par réglage, une position axiale appropriée et à l'aide de galets 37 qui sont logés dans des fentes de la plaque 28 et qui prennent appui sur la jante plane 17 du rotor. Les galets 37 font sail- lie sur la plaque 28 de la quantité réduite nécessaire pour conserver l'écar- tement susdit. pour régler, au début, l'importance de cet écartement, les galets sont montés sur des pivots qui sont montés excentriquement de sorte que leur rotation permet de faire varier la saillie des galets par rapport à la plaque. pour permettre le réglage de l'écartement de la plaque 28, pen- dant le fonctionnement, on peut déplacer axialement le palier 31 pour faire varier cet écartement en faisant pivoter légèrement la plaque 28 sur les galets 37.
Le réglage du palier 31 est obtenu à l'aide d'une douille file- tée 38 qui est engagée dans un manchon taraudé faisant partie du tube 4. La douille 38 est solidaire d'un tube 39 muni d'une tête 40 sur laquelle peut agir un outil approprié pour faire tourner le tube 39.
Il est à noter que les bords des cloisons radiales 7 s'étendent jusqu'au plan II-II en affleurant à la face terminale de la matrice de sor- te que toute la surface correspondante du rotor se trouve exactement dans ce plan pour former le joint à intervalles avec la plaque 28. Les segments annulaires 40, 41 et 42 de la plaque comportent des parties individuelles en retrait et très rapprochées, ces parties étant formées par des rainures au centre et par des ondulations circulaires à chaque extrémité (fig. 3).
Le segment 40 se trouve en regard de la face plane de la jante 17 du rotor, le segment 41 en regard du bord fermé du tambour de la matrice alors que le segment 42 se trouve en regard d'une plaque, montée sur le rotor, qui fer- me l'intervalle entre les groupes de cloisons 2 et 4. Les parties rainurées et ondulées coopèrent avec les surfaces qui se trouvent en regard de ces par- ties pour former des joints à labyrinthe empêchant les fuites de l'air admis vers l'atmosphère, les fuites entre l'air admis et l'air débité et les fui- tes entre l'air débité et le gaz admis par le segment 42. Des parties des sections radiales 44 de la plaque 28 ne comportent pas, comme montré, des ondulations ou rainures et ont une surface lisse qui est séparée, par un faible intervalle de l'extrémité du rotor.
Les admissions du gaz d'échappement ne comportent pas une pla- que d'étanchéité supplémentaire et l'étanchéité est assurée simplement par un faible jeu prévu entre les parois des conduits correspondants et l'ensemble du rotor, A cet effet, une paroi annulaire externe 45, entou- rant l'orifiçe 24, est appliquée contre la face plane de la jante 17 du ro- tor pour former un joint à intervalle. Le bord d'une paroi annulaire inter- ne 46, séparant les orifices 23 et 24, est appliqué,'d'une manière similai- re,contre l'extrémité de la matrice. La partie centrale 47 est appliquée contre la partie correspondante du moyeu de la matrice, .
La protection contre les fuites est complétée par le joint à labyrinthe 16, dont question plus haut, qui s'oppose aux fuites de l'air ou du gaz vers l'atmosphère.
La section transversale du trajet suivi par le fluide, telle que définie par les orifices 19, 20, 23 et 24, est considérablement plus petite que celle du trajet correspondant présenté par la face terminale de la ma- trice, de sorte que la vitesse du courant, au droit du plan d'étanchéité .
II-II, est notablement plus élevée que celle du courant, au droit de la 'face terminale de la matrice, avant que ce fluide n'ait pénétré'dans les canaux 27 de la matrice. Les passages A et B interviennent pour accélérer ou re- tarder l'écoulement du fluide suivant le sens du courant, La vitesse du fluide dans les canaux 27. eux-mêmes peut, évidemment, être plus élevée qu'au droit de la face terminale de la matrice.
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Bien que l'on utilise, pour le mode de réalisation particulier décrit plus haut, exclusivement des joints à intervalles, ceux-ci peuvent être remplacés en totalité ou en partie par des joints à frottement, par exempt les joints à intervalles des segments 44 peuvent être remplacés par des joints serrés élastiquement et avec frottement contre l'extrémité du ro- tor alors que des joints à intervalles sont utilisés aux autres endroits pour empêcher les fuites,
Certains modes de réalisation peuvent comporter deux rotors à matrice établis de part et d'autre d'une tête centrale formée par les con- duits distributeurs.,
L'échangeur de chaleur, montré sur les fig.s 5à 9, est un exem- ple d'un mode de réalisation pour lequel l'invention est appliquée à un ré- générateur comprenant une matrice en forme de disque.
Le dispositif est, en principe, analogue à celui décrit plus haut à l'aide des figs. 1 à 4 et les mêmes chiffres de référence sont utilisés pour désigner des organes si- milaires ou qui remplissent des fonctions équivalentes.
Sur les figs. 5 à 9 le rotor comprend une matrice 1, en forme de disque, qui est fixée d'un côté à un conduit tronconique 2 et de l'autre côté à un conduit similaire 3. Ces conduits, de pair avec les tubes cen- traux 2A, 3A, délimitent des espaces A et B qui agissent comme les passa, ges séparant les faces latérales de la matrice des joints établis dans le. plan VI-VI de la fig. 5, Les espaces A et B et la matrice sont subdivisés en des compartiments, en forme de secteur, par des cloisons radiales 7.
Des ailettes de guidage 8 peuvent être prévues, si nécessaire,
Le rotor est logé dans une enveloppe non tournante comprenant des parties terminales 9A et une partie centrale 9B qui, comme montré par des traits interrompus sur la fig. 5, peut glisser axialement pour permet- tre l'enlèvement des éléments de la matrice. Le rotor est supporté par des paliers 48 et 49 et est entraîné en rotation par un arbre 15 qui est actionné par une vis sans fin 50 et par une roue tangente 51. Chacun des conduits 2 et 3 porte une bride 17. pour ce mode de réalisation les conduits constituant la tête centrale forment deux groupes analogues établis de part et d'autre du ro- tor.
L'air comprimé à chauffer est fourni par un conduit 18 aboutissant à un orifice d'admission 19 par lequel l'air pénètre dans le rotor pour passer par les compartiments, en forme de secteur, de l'espace B qui se. trouvent en regard de l'orifice 19 et'ensuite par les éléments correspon- dants de la matrice dans lesquels l'air prélève de la chaleur avant de pas- ser dans les compartiments correspondants de l'espace A et sortir du rotor par l'orifice 20 qui se trouve au bout d'un conduit 21. Les gaz d'échappe- ment plus chauds sont amenés par le conduit 22 aboutissant à un orifice d'ad- mission 23 d'où les gaz traversent le passage A, cèdent de la chaleur aux éléments de la matrice et traversent ensuite le passage B pour quitter le rotor par un orifice 24 qui forme le bout d'un conduit 25.
La matrice 1, en forme de disque, est constituée par des élé- ments ou cartouches 26 séparés et en forme de secteur qui sont supportés entre les cloisons 7 et qui peuvent être engagés entre celles-ci ou re- tirés par un coulissement radial.
Des joints sont établis suivant le plan VI-VI fig. 5. Comme la constitution des joints et des conduits est sensiblement la même à cha- que extrémité de l'échangeur de chaleur on ne décrira en détail que ceux qui se trouvent à droite de la fig. 5. une plaque d'étanchéité 28., com- prenant une partie annulaire extérieure 40, des nervures de renforcement radiales 28A, une partie annulaire intérieure 42 et des bras radiaux 44, délimite des orifices 19, 24 (20, 23 à l'autre extrémité), ces orifices formant les bouts'des conduits correspondants et étant munis de soufflets flexibles 29, 30. La plaque 28 est supportée au centre par une bague 54, qui est écartée, par un ressort 55, d'une bague 53 montée sur un élément fixe du palier 48. Le ressort 55 sollicite la plaque 28 vers le rotor.
Comme sur les figs. 1à 4, des galets 37 sont montés sur la plaque 28 pour maintenir celle-ci à un écartement réduit et convenable du rotor,
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Les parties 40, 42 de la plaque 28 comportent des ondulations ou rainures très rapprochées qui forment des joints à labyrinthe de pair avec les parties en regard du rotor, c'est-à-dire la jante 17 et une bague centrale 4A. Les parties radiales 44 ont une surface pleine séparée, par un écartement réduit, de l'extrémité correspondante du rotor. Il est à noter qu'une plaque d'étanchéité analogue, sollicitée par des ressorts,,se, trouve de l'autre côté de l'échangeur de chaleur.
.La section transversale du trajet suivi par le fluide et défini par les orifices 19, 20, 23 et 24 au droit des plans d'étanchéité respectifs est notablement plus petite que celle du trajet correspondant formé à la face terminale de la matrice de sorte que la vitesse du fluide, au droit-, de ces joints, est notablement plus élevée que celle qui existe à ladite face terminale. L es passages A et B agissent pour accélérer ou retarder le fluide, suivant la direction de l'écoulement.
Comme pour le régénérateur, du type à tambour, des joints à frot- tement peuvent être établis, si nécessaire et par exemple le long des par- ties radiales 44 de la plaque 28 et le long des parties annulaires extérieu- res 40.
Les modes de réalisation, tels que décrits ci-dessus en détail, concernent des dispositifs pour lesquels une matrice tourne par rapport à la tête .non tournante formée par les conduits. Il est toutefois évident que l'invention est également applicable au cas où cette tête ou analogue tournerait par rapport à la matrice. Il est également possible que la ma- trice et la tête tournent toutes deux, par exemple suivant des directions opposées.-.