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La présente invention concerne des échangeurs de chaleur du type rotatif à régénération, et plus parti- culièrement à des perfectionnements à de tels échangeurs utilisés pour l'échange de chaleur entre les gaz chauds de combustion et l'air plus froid de combustion, dans 'un cycle de turbine à gaz
Dans un échangeur de chaleur rotatif régénéra- teur, une masse de matériau emmagasineur de chaleur'est portée par 'un rotor et est d'abord exposée aux gaz chauds qui sont dirigés à travers le rotor puis est placée ensui- te sur le trajet d'un courant d'air ou d'un autre fluide destiné à être chauffé.
Il est particulièrement avantageux dans un échangeur de chaleur utilisé dans les domaines/de haute température d'une turbine à gaz, que la masse de ma- , tériau emmagasineur de chaleur soit fortement absorbante de la chaleur de manière à absorber de façon appropriée une quantité importante de la chaleur présente dans les gaz d'échappement de ladite turbine. Des matériaux ayant un rapport surface/masse élevé, tels que. par exemple dés par- ticules finement divisées, de la laine métallique ou des tamis fins conviennent à cet égard et ces derniers se prê- tent particulièrement bien à leur application dans un pré- chauffeur d'air rotatif régénérateur du type défini ci-des- sus quand on l'utilise conjointement avec une turbine à gaz fonctionnant à des températures relativement élevées.
Dans Le fonctionnement normal d'un dispositif utilisant une conbostion de combustibles comme source de chaleur, il y a dans les gaz d'échappement, des quantités variables de résidus qui contiennent certains produits de
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combustion et du combustible résiauel provenant d'une cou- bustion il'complète du combustible qui a été fourni à la chambre de combustion* Ces résidus sont présents en quanti- tés plus grandes dans les gaz d'échappement lorsque le dis- positif est mis en fonctionnement ou lorsque divers facteurs qui influent sur la combustion se combinent pour produire des conditions qui n'entretiendront pas une combustion com- plète de tout le combustible fourni.
Normalement, ces com- bustibles passent dans l'atmosphère où ils se dissipent fa- cilement . Cependant, avec l'emploi d'un matériau fin, en filament, comme éléments d'échange de chaleur, ce matériau peut se charger tellement de résidus combustibles qutil entretienne librement la combustion et lorsque la températu- re du gaz d'échappement est maintenue à une valeur élevée, comme c'est le cas dans la pratique des turbines à gaz, le dispositif tout entier peut devenir tellement sujet à l'al- lumage que son emploi devient extrêmement...dangereux .
En conséquence, un but de la présente invention est de fournir un dispositif d'éléments ammagasineurs de chaleur dans un échangeur de chaleur rotatif régénérateur , qui absorbe fortement la chaleur mais qui ne soit pas sujet à l'allumage même quand il est soumis aux températures extrêmement élevées d'un échappement de turbine à gaz .
L'invention est décrite en détail ci-après en se référant au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue en coupe tra.nsversale d'un échangeur de chaleur rotatif régénérateur représentant une forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 est une vue en élévation latérale, partiellement en coupe représentant une forme légèrement moli- fiée de l'invention;
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- la figure 3 est une vue en élévation de face du dispositif de la figure 2; - la figure 4 est une vue en cousp transversale d'une légère variante de la présente invention.
Dans la figure 1 le chiffre 10 désigne la coquille cylindrique d'un rotor qui est divisé en,compartiments en forme de secteurs par des cloisons radiales qui le relient avec un arbre de rotor 12 qui est entraîné lentement en ro- tation autour de son axe par un moteur, à travers un engre- nage de réduction 13.
Les compartiments'du rotor contiennent un matériau régénérateur de transfert de chaleur qui absorbe la chaleur des gaz chauds qui arrivent dans le pré-chauffeur à travers une conduite 26 partant de l'échappement d'une turbine ou d'une autre source de chaleur. Après être passé sur le matériau de transfert de chaleur porté dans les com- partiments du rotor 10 et après lui avoir transmisune partie fil de leur chaleur, les gaz refroidis s'échappent par la buse de sortie 28, A mesure que lé rotor tourne lentement ,'sur' son axe,
les éléments de transfert de chaleur chauffés sont ame- nés dans le vourant d'air admis par la conduite 34 et après être passé sur le matériau de transfert de chaleur et en a- voir absorbé de la chaleur, le courant d'air chauffé est conduit à une chambre de combustion ou à un autre lieu dtem- ploi à travers une conduite de sortie 32. Une enveloppe 14 abritant le rotor est munie, à chaque extrémité, de plaques d'extrémités ou plaques à secteurs 16 qui sont ajourées en 18 et 20 pour permettre aux courants de gaz et d'air d'en- trer dans l'échangeur de chaleur et d'en sortir .
Le matériau principal de transfert de chaleur porté par le rotor comprend plusieurs couches de tamis fins 36 ou d'autres matériau filamenteux ou poreux ayant un grand rapport
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surface/volume et placé dans le fotor près de son extrémité froide ou de sortie des gaz. fiais, dans la partie du rotor adjacente à l'extrémité chaude ou d'entrée des gaz, sont placées plusieurs couches d'éléments sphériques 38 ou autres objets ayant un faible rapport surface/volume par comparai- son avec le matériau fin situé à l'extrémité froide du rotor.
Comme ces éléments sphériques ont un faible rapport surface/ volume, ils n'absorbent pas facilement la chaleur et ne trasnmettent pas facilement la chaleur absorbée , bien que la capacité d'absorption de chaleur des éléments soit direc- tement proportionnelle à leur masse et par conséquent soit très élevée .
A titre d'exemple, le matériau principal de trans- fert de chaleur peut être un grillage métallique fin tissé au. moyen de fils de 0,34 mm de diamètre et comportant 94 fils au centimètre. Un/grillage métallique de ce type présen- te une superficie de 3,25 m2 par décimètre cube et pèse 2,22 kg par décimètre cube. Le rapport de la surface/masse est donc de 1,45 m2 par kg.
Des sphères métalliques de 2,38 mm de diamètre ont une superficie de 1,78 m2 par dm de matériau et un poids de 4,75 kg/dm3 .Ceci donne un rapport surface/masse de 0,37 m2 par kg.
Le grillage métallique fin a par conséquent un rap- port surface/volume relativement élevé, à peu près*quatre fois celui des sphères métalliques. Cependant il est signalé que les proportions relatives des éléments d'échange de cha- leur telles qu'elles sont spécifiées ici ne sont données qu'à titre d'exemple et ne doivent pas être interprétées comme constituant une limitation spécifique .
Quand l'appareil est mis en fonctionnement, sa con- duite d'arrivée de gaz 26 étant reliée à une sortie de turbi-
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ne à gaz et sa conduite d'arrivée d'air 34 recevant de l'air de combustion d'un compresseur ou d'une autre source non re- présentée, une grande quantité de combustible résiduel s'ac- cumule sur les sphères 38. Quand la température des sphères
38 augmente pour approcher de la température de l'échappe- ment de la turbine, le résidu se vaporise partiellement et se dissipe dans l'atmosphère.
Si une augmentation brusque de température venait à enflammer le résidu de combustible sur les sphères, ce dernier brûlerait sans danger avant que la température des sphères s'élève à un point tel que leur contenu métallique fonde ou soit détérioré physiquement d'u- ne façon quelconque. Mais si le résidu de combustible s'était accumulé sur les grillages ou tamis à mailles fines, en l'absence d'éléments sphériques de ce genre, l'allumage ul- térieur du résidu élèverait rapidement la température des grillages à un point suffisamment haut pour les fondre ou endommager de quelqu'autre façon leur forme filamenteuse.
Comme il est désirable d'utiliser un élément de transfert de chaleur régénérateur ayant un rapport' surface/ masse élevé, l'emploi d'éléments sphériques ayant un faible rapport surface/masse conjointement avec des'tamis ou autres matériaux dilamenteux ayant un rapport surface/masse élevé tendre à abaisser le rapport 'moyen d'ensemble surface/masse; et ainsi en diminuant également l'efficacité d'ensemble de la masse régénératrice. Ceci étant présent à l'esprit, on a proposé la variante de la figure 2 pour rendre les éléments sphériques disponibles seulement lors de la mise en marche de l'échangeur de chaleur.
Dans cette variante, la masse des éléments sphériques est introduite de façon amovible en tra- vers de la conduite chaude d'arrivée des gaz seulement pen- dant le démarrage et lorsque les conditions normales de
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fonctionnement, sont établies, la niasse des éléments sphéri. ques est enlevée de la conduite en ne laissant que lés gril- lages ou tamis relativement fins du rotor .
Dans la figure 2 l'enveloppe de rotor'14 comporte une buse usuelle d'admission desgaz 26 et une buse de sortie .des gaz 28 espacées circonférentiellement de l'air qui pénè- tre en contre-courant dans l'enveloppe par une buse dtadmis, sion 34 et qui en sort par une conduite de sortie 32 d'oà il est libéré dans l'atmosphère. Dans la buse ou conduite d'arrivée de gaz 26, un caisson 40 est formé sur un côté de la conduite, d'une dimension suffisante pour recevoir une mase d'éléments sphériques 42 contenus dans un châssis 41 ayant sensiblement la même configuration que la surface de section dorite de la conduite 26.
Des éléments d'actionne- ,ment 44 reliés par des tiges 46 au châssis 41 permettant de ;placer celui-ci, avec ses éléments sphériques en communica- tion ou hors de communication avec la conduite 26.
Les éléments sphériques sont maintenus dans leurs châssis respectifs par des feuilles.espacées de matériau de retenue perforé 48 qui permettent le passage du gaz.vers et à travers la masse des sphères .métalliques .
' La figure 4 représente encore une autre ' variante.
Ici, le châssis 41, contenant leséléments sphériques 42 est articulé en 50 de sorte qu'on peut le faire tourner pour l'amener en position 'en travers de la conduite '26..pendant les périodes de démarrage ou bien il peut être escamoté dans une paroi 52 placée sur le côté de la conduite 26 pendant les périodes de fonctionnement normal .
Il est peu nécessaire d'utiliser des poyens d'ac- tîonnement autre que des moyens manuels puisque les périodes d'arrêt et les périodes ultérieures de démarrage sont extrê- mement peu fréquentes dans l'utilisation pratique des tur-
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The present invention relates to heat exchangers of the regenerative rotary type, and more particularly to improvements to such exchangers used for the exchange of heat between hot combustion gases and colder combustion air, in the present invention. a gas turbine cycle
In a regenerative rotary heat exchanger, a mass of heat-storing material is carried by a rotor and is first exposed to the hot gases which are directed through the rotor and then is subsequently placed in the path of. a stream of air or other fluid intended to be heated.
It is particularly advantageous in a heat exchanger used in the high temperature fields of a gas turbine, that the mass of heat storage material is highly absorbent of heat so as to adequately absorb an amount. significant amount of heat present in the exhaust gases of said turbine. Materials with a high surface / mass ratio, such as. for example finely divided particles, wire wool or fine sieves are suitable in this respect and the latter are particularly suitable for their application in a regenerative rotary air preheater of the type defined above. known when used in conjunction with a gas turbine operating at relatively high temperatures.
In the normal operation of a device using a combustion of fuels as a source of heat, there are in the exhaust gases, varying amounts of residues which contain certain products of
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combustion and residual fuel resulting from complete combustion of the fuel which has been supplied to the combustion chamber * These residues are present in greater amounts in the exhaust gases when the device is switched on. in operation or when various factors influencing combustion combine to produce conditions which will not support complete combustion of all of the fuel supplied.
Normally, these fuels pass into the atmosphere where they dissipate easily. However, with the use of a thin, filamentary material as heat exchange elements, this material can become so loaded with combustible residues that it freely supports combustion and when the temperature of the exhaust gas is maintained. at a high value, as is the case in gas turbine practice, the entire device can become so subject to ignition that its use becomes extremely ... dangerous.
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a device for heat storage elements in a regenerative rotary heat exchanger, which strongly absorbs heat but which is not subject to ignition even when subjected to high temperatures. extremely high of a gas turbine exhaust.
The invention is described in detail below with reference to the accompanying drawing in which: - Figure 1 is a cross-sectional view of a regenerative rotary heat exchanger showing an embodiment of the present invention; FIG. 2 is a side elevational view, partially in section, showing a slightly molten form of the invention;
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- Figure 3 is a front elevational view of the device of Figure 2; - Figure 4 is a cross-sectional view of a slight variant of the present invention.
In figure 1 the numeral 10 denotes the cylindrical shell of a rotor which is divided into compartments in the form of sectors by radial partitions which connect it with a rotor shaft 12 which is driven slowly in rotation around its axis. by a motor, through a reduction gear 13.
The rotor compartments contain regenerative heat transfer material which absorbs heat from hot gases entering the preheater through line 26 from the exhaust of a turbine or other heat source. After passing over the heat transfer material carried in the compartments of the rotor 10 and after having transmitted a portion of their heat to it, the cooled gases escape through the outlet nozzle 28, as the rotor slowly rotates. , 'on' its axis,
the heated heat transfer elements are fed into the air inlet through line 34 and after passing over the heat transfer material and having absorbed heat from it, the heated air stream is leads to a combustion chamber or to another place of employment through an outlet duct 32. A casing 14 housing the rotor is provided, at each end, with end plates or sector plates 16 which are perforated at 18 and 20 to allow gas and air streams to enter and exit the heat exchanger.
The main heat transfer material carried by the rotor comprises several layers of fine screens 36 or other filamentous or porous material having a large ratio.
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surface / volume and placed in the fotor near its cold end or gas outlet. However, in the part of the rotor adjacent to the hot or gas inlet end, there are placed several layers of spherical elements 38 or other objects having a low surface / volume ratio compared to the fine material located at the end of the rotor. cold end of the rotor.
As these spherical elements have a low surface area to volume ratio, they do not easily absorb heat and do not easily transfer absorbed heat, although the heat absorbing capacity of the elements is directly proportional to their mass and by weight. therefore is very high.
For example, the main heat transfer material may be a fine woven wire mesh. means of wires 0.34 mm in diameter and comprising 94 wires per centimeter. A wire mesh of this type has an area of 3.25 m2 per cubic decimetre and weighs 2.22 kg per cubic decimetre. The surface / mass ratio is therefore 1.45 m2 per kg.
Metal spheres of 2.38 mm in diameter have an area of 1.78 m2 per dm of material and a weight of 4.75 kg / dm3. This gives an area-to-mass ratio of 0.37 m2 per kg.
Fine wire mesh therefore has a relatively high surface area to volume ratio, about four times that of metal spheres. However, it is pointed out that the relative proportions of the heat exchange elements as specified herein are given by way of example only and should not be construed as constituting a specific limitation.
When the apparatus is put into operation, its gas inlet pipe 26 being connected to a turbine outlet.
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gas and its air supply line 34 receiving combustion air from a compressor or other source not shown, a large quantity of residual fuel accumulates on the spheres 38 . When the temperature of the spheres
38 increases to approach the temperature of the turbine exhaust, the residue partially vaporizes and dissipates into the atmosphere.
If a sudden increase in temperature were to ignite the fuel residue on the spheres, the latter would burn harmlessly before the temperature of the spheres rises to such an extent that their metallic contents melt or are physically damaged in a way. any. But if the fuel residue had accumulated on the screens or fine mesh screens, in the absence of such spherical elements, the subsequent ignition of the residue would quickly raise the temperature of the screens to a sufficiently high point. to melt them or otherwise damage their filamentous form.
Since it is desirable to use a regenerative heat transfer element having a high surface-to-mass ratio, the use of spherical elements having a low surface-to-mass ratio in conjunction with sieves or other dilamentous materials having a low surface ratio. / high mass tends to lower the overall average surface / mass ratio; and thus also reducing the overall efficiency of the regenerative mass. This being kept in mind, the variant of FIG. 2 has been proposed in order to make the spherical elements available only when the heat exchanger is started up.
In this variant, the mass of the spherical elements is introduced in a removable manner through the hot gas inlet pipe only during start-up and when normal operating conditions.
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functioning, are established, the mass of spherical elements. ques is removed from the line leaving only relatively fine rotor screens or screens.
In Fig. 2 the rotor casing 14 has a conventional gas inlet nozzle 26 and a gas outlet nozzle 28 spaced circumferentially for air which countercurrently enters the casing through a nozzle. dtadmis, sion 34 and which leaves via an outlet pipe 32 from which it is released into the atmosphere. In the gas inlet nozzle or pipe 26, a box 40 is formed on one side of the pipe, of sufficient size to receive a mass of spherical elements 42 contained in a frame 41 having substantially the same configuration as the Dorite cross-sectional area of the pipe 26.
Actuating elements 44 connected by rods 46 to the frame 41 making it possible to place the latter, with its spherical elements in communication or out of communication with the pipe 26.
The spherical elements are held in their respective frames by spaced sheets of perforated retaining material 48 which allow the passage of gas to and through the mass of the metal spheres.
Figure 4 shows yet another variant.
Here, the frame 41, containing the spherical elements 42 is hinged at 50 so that it can be rotated to bring it into position 'across the pipe 26' during start-up periods or it can be retracted. in a wall 52 placed on the side of the pipe 26 during periods of normal operation.
There is little need to use actuation means other than manual means since shutdown periods and subsequent start-up periods are extremely infrequent in the practical use of turbines.
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