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PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX ECHANGEURS DE PRESSION.
L'invention est relative à des échangeurs de pression du genre de ceux comprenant une couronne de cellules dans lesquelles le gaz est com- primé et détendu, des conduits pour diriger le gaz vers les cellules et à partir de celles-ci et des moyens pour obtenir un mouvement angulaire rela- tif entre les conduits et les cellules, le fonctionnement de l'échangeur de pression impliquant Inexistence d'une zone à basse pression dans laquel- le le balayage a lieu et d'une zone à haute pression dans laquelle le balaya- ge peut également avoir lieu, si nécessaire.
pour le balayage des cellules à basse pression il a été jugé né- cessaire, auparavant, de se servir de souffleries ou ventilateurs mécaniques pour former le courant gazeux nécessaire., par balayage on entend l'évacua- tion et le remplacement d'une partie au moins du contenu en gaz d'une cellu- le. Cette évacuation et ce remplacement peuvent se faire simultanément afin qu'un courant gazeux continu puisse traverser les cellules.
L'invention a pour but d'éviter ou de réduire la consommation ou perte d'énergie pour entraîner la soufflerie et, en générale 'pour obtenir le balayage.
Elle consiste, principalement, à faire communiquer les cellules, entre les zones à haute et à basse pression, avec une source extérieure d'un gaz qui est à une pression supérieure à celle de basse pression pour le balayage afin que les cellules, quand elles se trouvent dans la zone à bas- se pression, soient déjà chargées à une pression suffisante pour déclencher et maintenir le courant de balayage.
Le gaz, provenant de la source extérieure, peut être fourni par un compresseur, suivant une variante, ce gaz peut former tout au moins une partie du débit en gaz utile fourni par l'échangeur de pression. Ain- si, le gaz peut être prélevé à un étage de détente intermédiaire d'une machine à détente, par exemple une turbine à gaz ou un moteur à piston, ali- menté avec du gaz utile par l'échangeur de pression. Dans un cas extrême,
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le gaz provenant de la source étrangère peut correspondre au débit total de l'échappement d'une machine à détente, alimentée avec du gaz utile par l'échangeur de pression. Le gaz, fourni de l'extérieur, peut provenir de n'importe quelle source étrangère à l'échangeur de pression et débitant un gaz à une pression et une température appropriées.
Le gaz, provenant de la source étrangère, peut être introduit par plusieurs conduits débitant du gaz à des pressions différentes entre elles.
Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exemples, deux modes de réalisation de l'invention.
La Fig. 1 montre, en développement, un échangeur de pression éta- bli selon un premier mode de réalisation de l'invention.
La Fig. 2 montre, semblablement, un échangeur établi selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La Fig. 3 montre, sous la forme d'un schéma, une installation comprenant un échangeur de pression selon la Fig. 2 et une turbine alimen- tée avec du gaz utile par cet échangeur.
Sur la Fig. 1, le rotor 1 de l'échangeur de pression est montré en développement avec les parties non tournantes adjointes à ce rotor. Ce- lui-ci comprend une couronne de cellules séparées entre elles par des cloi- sons radiales la. sur cette figure, le mouvement d'une cellule depuis la gauche vers la droite, comme montré par la flèche '25, indique le sens de rotation du rotor.
Les conduits fixes, intervenant pour le balayage à haute pression des cellules comprennent une chambre de combustion 3, un tube de flamme 3A, un conduit 4 établi de l'autre côté du rotor et un conduit 5 qui relie la chambre 3 au conduit 4 pour former un circuit dans lequel le gaz s'écoule dans le sens des flèches. Du combustible liquide est fourni par le tube
6 et est injecté dans la chambre 3 dans laquelle il est brûlé.
Les conduits, intervenant pour le balayage à basse pression, comprennent un conduit d'admission 7 débitant du gaz frais (de l'air dans le cas présent) et un conduit de sortie 8 par lequel le gaz d'échappement, provenant des cellules, est déchargé, par l'exemple à l'air libre. Des ca- naux ou tuyaux 9 sont prévus pour établir la communication entre les cellu- les qui ont quitté la zone à haute pression et les cellules qui ont quitté la zone à basse pression de sorte qu'on obtient, à l'aide des tuyaux 9, un équilibre approximatif des pressions entre les cellules ainsi reliées ce qui implique une chute de la pression dans une cellule, faisant partie d'une pai- re de cellules communiquant entre elles, et une montée de la pression dans l'autre cellule de cette paire,
cet effet sera mieux compris si l'on consi- dère le fonctionnement de l'échangeur de pression dans son ensemble. Si l'on suppose qu'une cellule unique se trouve initialement en regard des con- duits 3 et 4, on constate que le gaz, contenu dans cette cellule, est expul- sé par le balayage et est remplacé par du gaz plus chaud à une pression un peu plus élevée (suffisante pour compenser les pertes) provenant de la cham- bre de combustion. En quittant la zone à haute pression, la cellule avance, depuis la gauche vers la droite, jusqu'à la position 10 pour laquelle elle . communique avec une cellule 19 par un des tuyàux 9.
La pression initiale, dans la cellule 19, est moindre que celle régnant dans la cellule, quand elle occupe la position 10, et il en résulte que dès qu'une liaison est éta- blie entre ces deux cellules, il se produit ce qu'on appelle un échange de pression entre elles ce qui donne lieu à une égalisation approximative des pressionsdans les cellules 10 et 19 ainsi que dans le tuyau 9 qui les relie.
Cet équilibrage de pression implique un écoulement du gaz (dénommé gaz de transfert) depuis la cellule 10 vers la cellule 19 à l'aide du tuyau 9, com- me indiqué par les flèches. La cellule avance alors de la position 10 à la position 11 pour laquelle elle est reliée, par un autre tuyau 9, à une cel- lule occupant la position 18 de sorte qu'un nouvel échange de pression a lieu avec un équilibrage approximatif des pressions dans les cellules en 11
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et 18. La cellule avance alors de la position 11 à la position 12'pour la- quelle elle est reliée à une autre cellule en 17 par un autre tuyau 9 de sor- te qu'un nouvel échange de pression a lieu. Il existe autant de tuyaux 9 que nécessaire mais, dans un but de simplification, on n'a montré que trois de ces tuyaux.
Quand une cellule quitte donc la zone à haute pression et s'approche de la zone à basse pression, sa pression est abaissée dans trois étages successifs en passant par les positions 10, 11 et 12 alors que, de l'autre côté de la machine, on n'obtient qu'une cellule, qui a-quitté la zo- ne de basse pression, subit trois accroissements susccessifs de la pression en passant par les positions 17, 18 et 19. Dans la zone à basse pression, le restant du gaz, contenu dans les cellules, est expulsé comme gaz d'échap- pement par l'opération de balayage et est remplacé par du gaz froid (air). pendant qu'elles continuent à avancer, la pression augmente à nouveau par gradins en passant de la position 17 à la position 19.
Dans le cas présent, l'échangeur de pression est considéré comme étant un appareil pour fournir un gaz chaud et à pression élevée afin qu'il puisse se détendre dans une turbine ou toute autre machine motrice à déten- te, telle qu'un moteur à détente. Le gaz d'alimentation est prélevé, à cet effet, par le conduit 20.
Il est désirable de déclencher et de maintenir le courant de ba- layage nécessaire par les conduits 7 et 8 ainsi que par les cellules en re- gard de ceux-ci, sans avoir recours à des ventilateurs ou souffleries, éta- blis dans le conduit 7 ou 8, excepté peut être quand on fait démarrer la- machine,
A cet effet, un conduit 21 est prévu pour établir une communica- tion avec les cellules qui viennent de quitter la zone de basse pression afin d'introduire dans celles-ci du gaz provenant d'une source étrangère à une pression un peu plus élevée que celle existant dans les conduits de balayage 7 et 8, à basse pression, ou dans une cellule qui vient de s'écarter de ces conduits. Le conduit 21 peut être alimenté avec du gaz provenant d'un com- presseur mécanique ou autre, montré schématiquement en 23.
Des accroisse- ments supplémentaires de la pression ont lieu par l'échange normal des pres- sions quand la cellule atteint successivement les positions 17, 18 et 19, ces accroissements de pression se faisant aux dépens des chutes de pression suc- cessives aux positions 10, 11 et 12; Quand la cellule, en 12, communique par le tuyau 9 avec la cellule, en 17, la pression dans cette dernière cel- lule a déjà augmenté par l'afflux du gaz provenant du conduit 21. Il en ré- sulte que la pression résiduelle dans la cellule 12, quand elle atteint la position 13, est plus élevée et lorsqu'elle atteint la position 14 sa pres- sion résiduelle est suffisamment importante pour déclencher un courant ga- zeux, dans le sens de la flèche 14A, à une vitesse suffisante pour produi- re le courant du gaz de balayage dans les conduits 7 et 8.
Il est à noter que la cellule, au cours de son déplacement, communique d'abord avec le con- duit 8 et ensuite avec le conduit 7. Cette succession dans les communica- tions avec les conduits 6 et 7 oblige le contenu de la cellule 14 à s'écou- ler plus rapidement dans le sens de la flèche 14A. Si l'écartement de la cel- lule des conduits 8 et 7 a lieu dans une succession inverse (Fig. 1) c'est-à- dire quand la cellule est fermée d'abord à son extrémité aval (conduit 8) et ensuite à son extrémité amont (conduit 7), on obtient, par suite de l'impul- sion du mouvement dans la cellule, que la pression est augmentée dans celle- ci ce qui donne lieu à un certain effet de suralimentation.
La pression dans le conduit 21 doit toujours être plus élevée que celle régnant dans la cel- lule après l'écartement de celle-ci des conduits de balayage. L'effet, obte- nu par le gaz fourni par le conduit 21, est que la pression dans les cellu- les, réparties autour du rotor, augmente graduellement. Il est ainsi possi- ble de supprimer certains des tuyaux 9 et de réduire ainsi le nombre des "échanges de pression" obtenus quand le rotor à cellules fait un tour com- plet. pour l'exemple montré, un deuxième conduit 22, débitant du gaz provenant de l'extérieur, est prévu et l'agencement est tel que le gaz, dé- bité par le conduit 22, est'à une pression plus élevée que celui fourni par
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le conduit 21.
Ceci peut être obtenu avantageusement en reliant le conduit 22 à l'étage final d'un compresseur et le conduit 21 à un étage intermédiai- re ou à des étages correspondants d'une machine à détente.
Le gaz, fourni de l'extérieur, peut également provenir d'une ma- chine à détente telle qu'une turbine alimentée avec du gaz utile par le conduit.
Quand une cellule arrive à la position 15 et se présente d'abord devant le conduit 21, une onde impulsive est propagée par le gaz dans cel- le-ci et se déplace vers l'autre extrémité de celle-ci où elle est réfléchie pour revenir vers le conduit 21. De préférence, la communication entre une cellule et un des conduits, amenant le gaz depuis l'extérieur, a une durée à peu près égale à celle nécessaire pour que l'impulsion puisse retourner au débouché du conduit amenant ce gaz étranger après sa réflexion à l'autre extrémité de la cellule, par un réglage convenable il.,est possible d'obte- nir, dans la cellule, une pression plus élevée que celle qui règne dans le conduit 21 et/ou 22.
Il est préférable que la communication entre une cellule et le conduit 21 ou 22 soit interrompu avant que l'autre, extrémité de la cellu- le se trouve en communication effective avec un des-tuyaux 9. pour le fonctionnement pratique il est suffisant que l'écarte- ment de la cellule 15 du conduit 21 ou. 22 soit effectué avant que l'impulsion dans la cellule 15, produite par la pression plus élevée dans le tuyau 9, n'atteigne le conduit 21 ou 22. Il peut donc arriver que, géométriquement, une cellule communique simultanément avec le conduit 21 ou 22 et avec un des tuyaux 9 mais ceci n'a aucune importance à cause de la vitesse du rotor.
Au lieu-de passer par les conduits 21 et 22; le gaz étranger peut être introduit dans les cellules avant d'avoir atteint la zone à basse pression, par exemple à 1?aide d'un conduit tel que 24 auquel le gaz est fourni par le compresseur 23. Dans ce cas, la pression dans une cellule à la position 13 est augmentée de sorte qu'en atteignant la position 14 le courant de balayage peut être déclenché. La cellule 13 cesse, de préféren- ce, de communiquer effectivement avec les tuyaux 9 avant qu'elle commence à se présenter en regard du conduit 24. Quand la cellule occupe la position 13 elle est écartée de la communication effective avec le conduit 24 avant qu'elle ne se trouve en regard du conduit de balayage 8.
Toutefois, certains cas peuvent se présenter pour lesquels il est avantageux que la cellule 13 vienne en communication avec le conduit de balayage 8 avant que sa communi- cation avec le conduit 24 ne soit interrompue. Dans ce cas, il se produit une accélération accrue du contenu de la cellule par l'influence de la pres- sion du gaz fourni de l'extérieur.
Les conduits 21, 22 et 24, peuvent, pour une variante, être éta- blis de l'autre côté du rotor à cellules, c'est-à-dire du même côté que le conduit 8. Il est également possible de disposer ces conduits de part et d'autre du rotor de sorte que l'admission du gaz dans les cellules peut exiger moins de temps. Ainsi, le conduit 21 peut occuper la position montrée sur la Fig. 1 alors que le conduit 22 peut se trouver en regard du même côté du rotor que le conduit 8.
La Fig. 2 montre un échangeur de pression du genre de ceux compre- nant deux rotors à cellules sensiblement coaxiaux et qui tournent dans des directions opposées,l'agencement étant tel que des canaux, analogues aux tuyaux 9 de la fig. 1, puissent établir la communication entre les cellules d'un rotor et celles de l'autre. La Fig. 2 montre ce dispositif en développement avec deux rotors 25 et 26, tournant en sens inverses. Les dispositions pour le balayage à haute pression et la combustion ainsi que celles pour l'éva- cuation du gaz utile sont, en substance, similaires à celles de la Fig. 1 et ne doivent donc pas être décrites. Les rotors sont balayés en parallèle à basse pression par les conduits 27 et 28 adjoints au rotor 25 et par les conduits 29 et 30, adjoints au rotor 26, les directions des courants de ba- layage étant indiquées par des flèches.
Les passages 31 remplissent la mê- me fonction que les tuyaux 9 de la Fig. 1 et servent à relier les cellules
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du rotor 25 à celle du rotor 26. On considère, par exemple, la cellule qui se trouve à l'extrême gauche du rotor 25 et qui vient de la zone à haute pression, Cette cellule, en atteignant la position A, se trouve en communi- cation par un canal 31 avec une cellule V de l'autre rotor 26 et l'échange des pressions se produit entre les cellules ainsi reliées, par les canaux 31 les communications sont établies successivement entre les paires de cel- lules B-U, C-T, etc..., de sorte qu'une cellule du rotor 25, en se déplaçant depuis la position A à la position C, subit une série de chutes-de pression successives alors qu'en concordance une cellule du rotor 26,
en se déplaçant depuis la position T à la position V est soumise à une série d'augmentations de pression successives. Un processus exactement comparable se produit, de l'autre côté des rotors, entre les cellules E; F, G et P, Q, R, etc.,.
En ce qui concerne l'alimentation en gaz fourni par une source extérieure, les dispositions sont très similaires à celles montrées sur la Fig. 1. Dans ce cas, on fournit ce gaz, à une pression plus élevée que celle régnant dans la zone de balayage à basse pression, aux cellules de chaque rotor qui viennent de quitter cette zone, cette alimentation se fai- sant par le conduit 32 en ce qui concerne les cellules du rotor 25 et à l'aide du conduit 33 pour ce qui est des cellules du rotor 26. Les conduits 32 et 33 sont reliés tous deux à un compresseur tel que 23 (Fig. 1). Sui- vant une variante, ils reçoivent du gaz fourni par une machine à détente a- limentée avec du gaz utile par l'échangeur de pression, par exemple comme montré sur la Fig. 3 ou analogue.
La Fig. 3 montre le schéma d'un échangeur de pression et une tur- bine à gaz combinée conformément à l'invention. L'échangeur de pression, montré par son contour seulement, est en substance analogue à celui de la Fig. 2 et comprend deux rotors coaxiaux 25 et 26, tournant dans des direc- tions opposées. Les rotors sont balayés, en parallèle, à basse pression.
Le gaz de balayage, tel que l'air à la pression atmosphérique, pénètre en 27 et 28 alors que les gaz d'échappement des rotors s'écoulent par les conduits jumelés 28 et 30. Du côté du balayage à haute pression on ad- joint à chaque rotor des conduits 35 et 36 munis de chambres de combus- tion 37 et 38 qui fonctionnement indépendamment l'une de l'autre, Le débit en gaz utile est recueilli par un conduit 39 et est introduit dans une tur- bine à gaz 40, à plusieurs étages, dont l'arbre fournit de la puissance.
L'échappement de la turbine se fait principalement en 41 mais une partie du gaz utile est prélevée en un étage de détente intermédiaire par un con- duit en by-pass 42 qui, à l'aide d'autres conduits 43 et 44, fournit le gaz "étranger" aux rotors. Le conduit 43 est relié au conduit 32 (Fig. 2 et 3) et le conduit 44 au conduit 33. Il est avantageux de refroidir le gaz étranger avant de l'introduire dans les conduits 32 et 33, des réfri- gérateurs 45 étant prévusà cet effet, Des étrangleurs ou papillons sont également établis dans les conduits 43 et 44.
Dans un cas extrême, la to talité de l'échappement de la turbine 40 peut être introduite à nouveau dans l'échangeur de pression pour cons- tituer le gaz Il étranger Il . Dans ce cas, on peut supprimer le by-pass 42 et les conduits 43 et 44 sont reliés à l'échappement 41. pour faciliter l'intervention des courants de balayage, lors de la mise en fonctionnement de l'échangeur de pression, les parois lA (Fig. 1) des cellules peuvent être hélicoïdales afin qu'elles agissent comme des ai- lettes de ventilateur, quand le rotor@tourne, pour favoriser l'écoulement du gaz de balayage.
Suivant une variante de l'alimentation en gaz, fourni par une source extérieure comme décrit, on peut améliorer l'écoulement du courant de balayage à basse pression par des éjecteurs établis dans la partie aval des conduits de balayage, par exemple dans le conduit 8 de la Fig. 1 et alimenter ces appareils.avec du gaz en quantité et à une pression suffisan- te pour pouvoir déclencher et maintenir le courant de balayage par l'inter- vention de ces éjecteurs en créant une différence de pression.