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L'invention est relative aux échangeurs de pression et aux procédés pour utiliser ces appareils pour comprimer ou détendre des fluides.
Elle a pour objet un procédé pour modifier la pression d'un fluide en utilisant un échangeur de pression, ce procédé comprenant des opérations successives dans l'ordre cyclique suivant: on introduit le fluide sous forme d'un premier courant à une pression initiale dans des cellules d'un échangeur de pression; on comprime le fluide dans les cellules; on extrait hors des cellules une partie du fluide sous la forme d'un deuxième courant à une pres- sion plus élevée que la pression initiale; on permet au fluide, qui subsiste dans les cellules,de se détendre; et on extrait hors des cellules une autre partie du fluide sous la forme d'un troisième courant, à une pression plus basse que la pression initiale.
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L'invention a, également, pour objet un échangeur de pr@ssion comprenant des collâtes pour la compression et la détente d'un des moyens propres à introduire le dans des cellules et à extraire le fluide hors de celles-ci et des moyens propres à produire un mouvement relatif entre les cellules et les- dits moyens d'introduction et d'extraction, lesdits moyens d'intro- duction et d'extraction comprenant des moyens d'introduction à une pression intermédiaire.,
des moyens d'échappement haute pression et des moyens d'échappement à basse pression, ces différents moyens étant agencés pour pouvoir communiquer de manière telle, dans cet ordre cyclique, avec les cellules que, pendant le fonctionnement de 1* échangeur de pression, le fluide, pénétrant dans les cellules à une pression initiale à l'aide des moyens d'introduction à une pression intermédiaire, soit coup rimé dans les cellules, après quoi une partie du fluide, contenu dans les cellules, est évacuée à 1' aide desdits moyens d'échappement à haute pression, à une pression plus élevée que la pression initiale et qu'une autre partie du fluide, contenu dans les cellules,
se détend dans celles-ci et est évacuée, à l'aide desdits moyens d'échappement à haute pression, à une pression inférieure à sa pression initiale.
L'échangeur de pression, comportant des moyens pour in- troduire et extraire le fluide et fonctionnant conformément au procédé susdit, est désigné ci-après par "diviseur de pression".
Le procédé susindiqué, concernant l'usage des échangeurs de pression, peut être appliqué successivement à plusieurs diviseurs de pression. Par conséquente le deuxième courant du fluide à pres- sion plus élevée, provenant du premier diviseur de pression, peut être introduit dans un deuxième diviseur de pression. cette intro- duction étant suivie d'opérations cycliquement répétées, analogues à celles adoptées pour le premier diviseur de pression, une pression plus élevée étant ainsi produite.
Des échangeurs de pression, pour produire des pressions de plus en plus élevées, peuvent comporter au moins deux groupes de
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cellules pour la compression et la détente du fluide, des tuyauteries étant adjointes à chaque groupe de cellules pour conduire le fluide vers et à partir de ces cellules dudit groupe et des moyens pour effectuer un mouvement relatif entre les groupes de cellules et les tuyauteries, une communication se produisant successivement entre la tuyauterie et chacune des cellules du groupe adjoint à celle-ci, la tuyauterie de chaque groupe de cellules comprenant un conduit d'admission à pression intermédiaire, un conduit d'échappement à haute pression,
et un conduit d'échappement à basse pression propres à être mis en communication, dans cet ordre cyclique, avec les cellules dudit groupe, l'appareil comportant en outre une liaison entre un conduit d'extraction d'un groupe et le conduit d'admission à pression intermédiaire de l'autre groupe ou d'un autre groupe.
Les cellules de l'échangeur de pression peuvent être disposées suivant des anneaux et dans le cas où l'échangeur de pression comprend seulement un anneau de cellules, les cellules et la tuyauterie adjointe à celles-ci pour constituer chaque diviseur de pression sont réparties, en étant écartées les unes des autres, le long de la périphérie de l'anneau. Quand l'échangeur de pression comprend plus qu'un anneau de cellules, les diviseurs de pression peuvent être agencés de manière à correspondre chacun à un anneau.
Les anneaux cellulaires peuvent être mobiles et la tuyauterie peut être fixe ou vice-versa ou ils peuvent tous être mobiles.
Comme dans les-échangeurs de pression, proposés antérieu- rement, la compression et la détente du fluide actif sont, de pré- férence, obtenues par des ondes de choc ou des impulsions de pression réglées d'une manière sensiblement correcte en fonction du temps, avec ou sans intervention de passages pour Inchangé de pression.Le taux de compression ou de détente, que l'on peut obtenir par des on- des de choc ou de raréfaction, est limité et il en résulte que 1' intervention d'au moins deux diviseurs de pression permet d'obtenir une p@@ssion plus grande avec un échangeur de pression qu'ourla pu
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Les conduits de chaque diviseur de pression peuvent être placés tellement près l'un de l'autre que les ondes de choc et de raréfaction, produites par l'ouverture et la fermeture des conduits vers les cellules, puissent être combinées pour former des ondes uniques dont l'intensité est moindre que celle des ondes de choc ou de raréfaction individuelles.
Le "diviseur de pressiontt peut également être considé- ré comme étant un "diviseur de température" du moment que les opérations de compression et de détente sont telles que les courant.. du fluide, extraits aux pressions supérieures et inférieures, soient respectivement plus chauds et plus froids qu'un courant fluide introduit dans des cellules de l'échangeur de pression.
Les dessins ci-annexés montrent, schématiquement et titre d'exemples, plusieurs modes de réalisation de l'invention.
La fig. 1 montre, en perspective (les organes étant écar- tés les uns des autres), un échangeur de pression destiné à former un diviseur de pression simple.
La fig. 2 montre, en développement circonférentiel, 1' anneau cellulaire avec l'emplacement de la tuyauterie du diviseur de pression simple montré sur la fig. 1.
Les figs. 3 et 4 montrent, respectivement, différentes variantes de la tuyauterie indiquée sur la fig. 2.
La fig. 5 montre, en développement circonférentiel, l'anneau cellulaire d'un échangeur de pression dont la tuyauterie est agencée de manière à former plusieurs diviseurs de pression reliés entre eux pour produire un courant fluide à une pression très élevée.
La fig. 6 montre, semblablement, plusieurs anneaux cellulaires formant un diviseur de pression et reliés entre eux pour former un courant fluide à une pression très élevée.
La fig. 7 montre un échangeur de pression comprenant plu- sieurs diviseurs de pression agencés de manière à former des courant: servant à un refroidissement.
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L'échangeur de pression, montré sur la fig. 1 et destiné à être utilisé comme un simple diviseur de pression, com- prend un anneau cellulaire 1 comportant des tambours cylindriques externe et interne, désignés respectivement par 8 et 9, et des cloi- sons radiales 10 qui, de pair avec les tambours 8 et 9, délimitent des cellules à extrémités ouvertes. L'anneau cellulaire peut tourner. entre des plaques d'extrémités fixes 11 et 12, en étant monté sur un arbre 13 entraîné par un moteur 14 dans le sens de la flèche X.
La plaque d'extrémité 11 est.percée de deux ouvertures 15 et 16 qui se trouvent respectivement en regard des conduits 2 et 4. 'La plaque d'extrémité 12 comporte une ouverture 17 qui se trouve en regard du conduit 3. Le courant unique à une pression initiale avantageu- sement désignée comme étant une pression intermédiaire, est intro- duit dans l'anneau cellulaire par le conduit 2 et, quand l'échangeur de pression fonctionne, un courant de fluide actif,à une pression plus élevée que la pression Intermédiaire, s'écoule par le conduit 3 et un courant d'un fluide à une pression inférieure à la pression intermédiaire-, s'écoule par le conduit 4.
Pour expliquer le fonctionnement du diviseur de pression, .on se réfère à la fig. 2. Celle-ci montre le développement circon- féren'tiel de l'anneau cellulaire 1 et les écartements angulaires des conduits 2, 3 et 4. Pour cette fig. 2, ainsi que pour les figs. 3 à 6, la convention suivante a été adoptée. A chaque entrée du fluide actif dans l'anneau cellulaire, il se forme une paire d'ondes de choc comme montré par des traits pleins en forme de V. A chaque sortie du fluide actif hors de l'anneau cellulaire il se forme une paire d'ondes de raréfaction comme montré par des traits interrompus en forme de V.
Plus loin dans la description on expliquera que les ondes de choc et de'raréfaction peuvent être combinées et quand une telle combinaison existe, les ondes sont indiquées à la fois par des traits pleins et par des traits interrompus.
Le fonctionnement d'un diviseur de pression simple est le suivant. Le courant fluide unique, admis à une pression intermédiaire,
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est introduit dans l'anneau cellulaire par le conduit 2 pour l'admission du fluide à la pression intermédiaire et au moment où. le conduit 2 communique avec les cellules, une onde de choc est produite comme indiqué par les traits pleins en forme de V. La compression du fluide dans les cellules a donc lieu. Le fluide est entraîné dans les cellules jusqu'au conduit d'échappement 3 à tante pression, par lequel le fluide est évacué à une pression plus élevée que la pression intermédiaire, le fluide restant dans les cellules étant détendu à cause des ondes de raréfaction montrées par les traits interrompus.
Le fluide, qui subsiste encore dans les cellules, est entraîné vers le conduit d'échappement 4 à basse pression dans lequel le fluide est évacué à une pression inférieure à la pression initiale et dans lequel d'autres ondes de raréfaction sont formées. Le fluide, qui reste encore dans les cellules, est entraîné vers le conduit d'admission 2 à la pression intermédiaire et le cycle d'opérations est répété.
Comme exemple de la pression qui peut être obtenue avec un diviseur de pression simple, on donne des pressions possibles du fluide actif dans diverses régions de la fig. 2, ces régions étant désignées par A, B, C, D, E et F. Dans la région A, qui est celle dans laquelle se trouvent les cellules immédiatement avant leur communication avec le conduit d'admission 2 à la pression in- termédiaire, la pression est légèrement inférieure à la pression atmosphérique, étant égale par exemple à 0,95 atm. Dans la région B, c'est-à-dire dans le conduit d'admission 2 à pression intermé- diaire, la pression initiale est, par exemple, 3,0 atm.
Ceci corres pond à la pression de "stagnation" c'est-à-dire la pression régnant en un point suffisamment en amont du débouché du conduit 2 pour que la vitesse du courant dans ce conduit puisse être considérée comme étant égale à zéro. Quand le fluide s'écoule par le débouché du conduit 2 dans les cellules, il a une vitesse moyenne correspondant au nombre Mach 0,6. Dans les cellules, qui se trouvent entre les ouvertures des conduits 2 et 3 dans la région C, la pression est
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. 1.,,:1.'5 cP environ 5 ratai. Dans la région D, la pression dans le con- C.slt i:?'GC3.w.e.il1 3 à haute pression est d'environ 4,5 0:::-'-,1. La région. D se trouve suffisamment en aval de 1' entrée du conduit 3 pour que cette valeur corresponde à une pression de stagnation.
La vitesse du courant du fluide depuis les cellules dans centrée du conduit 3 correspond à un nombre Mach de l'ordre de 0,1. Dans les cellules comprises entre les ouvertures des conduits 3 et 4 dans la région F, la pression est d'environ 4,0 atm. et dans le conduit d'échappement 4 à basse pression, dans la région F, la pres- sion est atmosphérique et est également une pression de stagnation.
Il résulte de ces valeurs possibles de la pression et de la vitesse, que le diviseur de pression procure un taux de pression entre les conduits 2 et 3 d'environ 1, 5 et un taux de détente d'environ 3,0 et qu'à partir d'un courant d'un fluide à une pression intermédiaire et pénétrant à une vitesse élevée dans le diviseur de pression par le conduit 2, on peut obtenir dans le conduit 3,un courant fluide à une pression plus élevée et à.vitesse réduite.
Les conduits 2, 3 et 4 peuvent être disposés de manière telle que leurs ouvertures soient tellement près les unes des autres que les ondes de choc et de raréfaction se combinent pour former une onde unique dont l'intensité est moindre que celle de l'intensité la plus grande des ondes initiales. Cette disposition est montrée sur la fig. 3.
Une autre disposition de la tuyauterie pour un diviseur de pression simple est montrée sur la fig. 4. Les conduits d'admis- sion 2a, 2b, 2c et 2d à la pression intermédiaire, les conduits 3a, 3b, 3c et 3d à haute pression et les conduits 4a, 4b, 4c et 4d à basse pression sont disposés de manière telle que leurs ouvertures soient tellement près les unes des autres que les ondes de choc et de raréfaction se combinent pour former des ondes uniques comme pour la disposition de la fige 3. L'agencement de la fig. 4 présente 1? avantage qu'on exploite au maximum l'étendue de la plaque terni- nale.
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Les conduits de la fig. 4 peuvent être reliés entre eux à l'extérieur de l'anneau cellulaire comme nécessaire et comme montré, par exemple, sur la fig. 5. Sur cette fig. 5, un courant d'un fluide à une pression initiale, c'est-à-dire à une pression inter- médiaire, est admis dans l'échangeur de pression par le conduit 5 qui est scindé en trois branchas 2a, 2b et 2c. A proximité du débouché de chaque branche dans l'anneau: cellulaire est établi un conduit à haute pression 3a, 3b ou 3c et un conduit à basse pression 4a, 4b et 4c. Ces conduits sont disposés comme dans les trois divi- seurs de pression décrit plus haut et, comme montré, les ouvertures des conduits sont placées tellement près les unes des autres que les ondes de choc et de raréfaction se combinent comme sur la fig.3 ou 4.
Suivant une variante, les conduits peuvent être écartés davan- tage les uns des autres afin qu'on obtienne la formation de paires séparées d'ondes de choc et de raréfaction. Les conduits d'échappe- ment à hautepression 3a, 3b et 3c des trois diviseurs de pression sont reliés entre eux par un conduit commun 6 qui forme un conduit d'admission à pression "intermédiaire" pour un diviseur de pression final. Celui-ci comporte un conduit d'échappement 3d à haute pres- sion et un conduit d'échappement 4d à basse pression. Le conduit d'échappement 3d, pour le diviseur de pression final, reçoit donc un fluide qui a été préalablement comprimé dans les trois premiers diviseurs de pression, reliés en "parallèle".
Par conséquent, la pression du fluide dans le conduit d'échappement 3d est beaucoup- plus élevée que la pression initiale dans le conduit 5 puisque le fluide est comprimé dans chacun des trois premiers diviseurs de pression et est ensuite comprimé davantage dans le diviseur de pres- sion final. Par ailleurs, la pression du fluide est accrue car les fluides, débités par chaque conduit d'échappement à haute pression 3a, 3b et 3c, s'écoulent ensemble par le conduit commun 6. La vitesse du fluide dans le conduit 6 est donc approximativement trois fois plus grande que la vitesse du fluide dans un quelconque des con- duits 3a, 3b et 3c et, de ce fait, l'onde de choc dans le diviseur
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de pression final est beaucoup plus grande.
Par conséquent, la pression résultante du fluide dans le conduit d'échappement 3d, à haute pression, est beaucoup plus grande.
Les conduits d'échappement 4a, 4b et 4d à basse pres- sion peuvent être reliés entre eux pour forcer un conduit commun en vue de constituer effectivement un courant à basse pression.
Sur la fig. 5 on a recours à quatre diviseurs de pression. On peut, évidemment, utiliser deux, trois ou plus que quatre de ces diviseurs
Sur la fig. 6 la production d'une pression très élevée pour le fluide est obtenue à l'aide de plusieurs anneaux cellulaires munis de tuyauteries propres à former un diviseur de pression pour chaque anneau cellulaire. Les anneaux cellulaires sont désignés par la, 1b et le, les conduits à pression intermédiaire par 2a, 2b et 2c, les conduits d'échappement à haute pression par 3a, 3b et 3c et les conduits d'échappement à basse pression par 4a, 4b et 4c.
Le conduit d'échappement à haute pression 3a du premier anneau cellulaire est relié directement au conduit d'admission à pression intermédiaire 2b du deuxième anneau cellulaire, le conduit d'échappe- ment à haute pression 3b est relié directement au conduit d'admission à pression intermédiaire 3c du troisième anneau cellulaire et le conduit d'échappement à haute pression 3c du troisième anneau cellulaire constitue le conduit d'échappement final pour le fluide à haute pression. La compression du fluide dans l'échangeur de pres- sion se produit donc dans trois diviseurs de pression distincts, re- liés en série, et pour cette raison, le fluide actif, contenu dans les anneaux cellulaires dans des cellules correspondantes, est à une pression de plus en plus grande.
La pression du fluide, dans le conduit d'échappement final 3c, à haute pression, est @ .ne très élevée.On voit que les anneaux cellulaires la, lb et le ont des dimensions qui deviennent de plus en plus petites. Ceci sert à accélérer le gaz à pression élevée avant qu'il n'entre dans l'anneau cellulaire suivant. Suivant une variante, les anneaux cellulaires peuvent avoir des dimensions sensiblement les mêmes et peuvent fonc-
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tionner à des vitesses de plus en plus petites. On obtient ainsi un effet analogue à celui produit par la réduction des dimensions .
Bien qu'on ait montré seulement trois anneaux cellulaires, on peut avoir recours à deux, quatre ou à un nombre plus grand de ces anneaux. Les conduits 2, 3 et 4 de chaque diviseur de pression ont été montrés écartés les uns des autres comme sur la fig. 2 mais ils peuvent évidemment être placés les uns plus près des autres comme sur la fig. 3 ou 4 pour obtenir la combinaison des ondes de choc et de raréfaction.
Il est également possible, dans les limites de l'inven- tion, de combiner les dispositions des figs. 5 et 6 afin que le fluide soit comprimé dans au moins deux diviseurs de pression d'un même anneau cellulaire, en reliant plusieurs conduits entre eux comme sur le. fig. 5 et en introduisant ensuite un seul courant à haute pression dans un ou plusieurs diviseurs de pression dans un deuxième anneau cellulaire, etc. De cette manière, des courants fluides, à des pressions plus élevées que celle obtenue avec le dispositif de la fig, 5 ou de la. fig. 6, peuvent être obtenus.
Dans ce qui précède, l'échangeur de pression montré sur la fig. 1 et schématisé sur la fig. 2 a été dénommé diviseur de pression. D'une manière analogue, les figs. 3 à 6 représentent des modes de réalisation plus compliqués des diviseurs de pression.
Des échangeurs de pression, établis selon l'invention, peuvent également être considérés comme étant des diviseurs de température car, d'une manière générale, le courantà haute pression, sortant du conduit 3, et le courant à basse pression, sortant du conduit 4, sont respectivement plus chaud et plus froid que le fluide à pres sion intermédiaire pénétrant par le conduit 2. Ainsi,un courant à température intermédiaire, admis par le conçoit 2 est scindé en un courent 'un fluide à haute température sortant du conduit 3 et en
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'L:;'2 cotjït z s. basse température sortant du conduit 4.
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l'invention, peut être utilisé par des procédés de pompage de chaleur;, la chaleur étant extraite hors du courant plus chaud.
Une autre application concerne des procédés de réfrigération et dans ce cas le courant froide dans le conduit 4, sert à diminuer la température. Une autre application envisagée est la liquéfaction d'un gaz. Dans ce cas, le diviseur de température peut être consi- déré comme étant un Doyen pour extraire la chaleur hors du courant admis dans le. conduit 2.
L'application du diviseur de température comme une instal- lation de refroidissement ou de réfrigération convient tout spécia- lement au refroidissement d'avions. Bien que les avions volent normalement dans de l'air froid, ils atteignent approximativement la
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température ce stagnation n = T+ --# . Dans cette forTi"iû.l2 est la température de l'air, V est la vitesse de l'avion et Cp est la chaleur spécifique de l'air à une pression constante. Aux vitesses supersoniques, la température de stagnation devient inconfortable- ment grande.
Le refroidissement de l'avion est alors difficile car les surfaces échangeuses de chaleur agissent dans l'avion comme si elles étaient en contact avec un milieu à la température TO alors que la température ambiante est seulement T. Par conséquent, en vue de réduire la température d'une partie de l'avion à une valeur infé- rieure à TO .7 il est nécessaire d'effectuer une opération de pom - page de la chaleur. Un échangeur de pression peut avantageusement être utilisé à cet effet.
En utilisant un simple diviseur de pression, de l'air "refoulé" à la pression de stagnation peut être introduit par le conduit d'admission 2 à pression intermédiaire (figs. 2 et 3).
Le diviseur de pression scinde alors cet air en deux courants, un à haute pression et l'autre à basse pression. L'air passant par le conduit d'extraction 4 à basse pression agit sur l'air sortant du conduit d'extraction 3 à haute pression,le premier courant étant donc froid alors que le deuxième est chaud. Si le courant est isen- trop:*.que et si la vitesse de l'air à basse pression est petite,la
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température de l'air est égale à T. Le conduit d'extraction à basse pression constitue donc un réducteur de chaleur appropriée, cette chaleur pouvant être extraite hors de la structure de l'avion ou hors de la cabine.
L'air à pression élevée peut être éjecté par des tuyères procurant une poussée ou peut être utilisé comme un moyen de chauffage. Une variante d'un diviseur de pression simple peut être réalisée en admettant de l'air "refoulé" ou de l'air à une pression intermédiaire sur toute la périphérie d'un anneau cellulaire à une extrémité des cellules et en prélevant alternative- ment les courants à haute et à basse pression autour de la périphéri' à l'autre extrémité des cellules.
La fig. 7 montre un échangeur de pression qui convient plus spécialement au refroidissement d'un avion. Le dispositif comprend un premier anneau cellulaire 20 et un deuxième anneau cellulaire 25. De l'air "refoulé" est introduit dans l'anneau cellu- laire 20 par un conduit 21, à pression intermédiaire., communiquant avec une extrémité des cellules le long de toute la périphérie de l'anneau. A l'autre extrémité de l'anneau cellulaire 20 des conduits 22, pour l'extraction à haute pression, et des conduits 23, pour l'extraction à basse pression, sont établis alternativement le long de la périphérie de l'anneau 20 qui constitue ainsi un diviseur de pression ou de température. Les conduits 23 à basse pression sont reliés par des serpentins refroidisseurs 24 à une extrémité du deuxième anneau cellulaire 25.
Les conduits 22, à haute @@ession, sont reliés directementà la même extrémité de l'anneau cellulaire 25 et avec les extrémités des conduits 23, répartis le long de la périphérie. L'autre extrémité des cellules de l'anneau cellulaire 25 communique avec l'air libre en 26. L'anneau cellulaire 25 reçoit des courants d'air à haute pression par des conduits 22 et l'air à basse pression par les conduits 23, l'air étant éjecté sous la forme d'un seul courant, à une pression intermédiaire à celles des courants amis. L'anneau cellulaire 25 est donc l'inverse d'un divi-
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saur de 7")r'ssÍon et agit cornue un "égalisateur" de pression.
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pentins refroidisseurs 24 peuvent être logés dans la structure de l'avion ou dans les parois de la cabine.
L'expression "fluide" désigne aussi bien des gaz que des liquides ou un mélange des deux. Dans ce dernier cas, 1' agencement du ou des anneaux cellulaires peut être tel que ce soit le gaz qui est évacué à haute pression et le liquide à basse pression, ou vice-versa.
Dans les exemples décrits plus haut des diviseurs de pression, les opérations de compression et de détente peuvent se faire respectivement à l'aide d'ondes de choc et de raréfac- tion nais on peut également utiliser des passages de transfert.
Les anneaux cellulaires ont été décrits comme étant rotatifs mais des passages de transfert peuvent également être utilisés.. -fans sor- tir âes limites de l'invention, les anneaux cellulaires peuvent être fixes alors que les conduits tournent autour de l'axe de ces anneaux.
Les anneaux cellulaires et les conduits peuvent également tourner à des vitesses différentes. Les conduits montrés pour une quelconque des dispositions décrites peuvent être inclinés dans le sens de la rotation relative à leurs extrémités adjacentes aux anneaux cellu- laires.