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"ECHANGEUR DE PRESSION-
Sous le non d'échangeur da pression on entend une machine qui reçoit un gaz, par exemple de l'air, à un étage de pression infé- rieur, qui le comprime et le délivre . à un étage de pression supérieur et qui, en marne temps, détend, de l'étage de pression. supérieur à 1'étage de pression inférieur, un gaz, par exemple le même gaz, dans un état modifié et en quantité différentes les échan- geurs de pression trouvent leur application dans les machines à froid, les pompes de chaleur* les turbinas à gaz, les groupes de suralimentation pour machines thermiques, dans les fabrications chimiques, les chaudières à vapeur à combustion sous pression.etc...
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On sait résoudre ce double problème avec des roues cellulaires dont le mode de travail se voit sur les Figue% 1 et 2.
Les Figs. 1 et 2 représentent, respectivement en coupe trans- versale et en coupe longitudinale, une roue cellulaire de cons- truction connue: * est la roue, Il sont les parois des cellules, c est le bâti. L'air est amené, par exemple par un ventilateur e, du canal d'aspiration 1 dans la cellule f; la. cellule f. vient au cours de la rotation dans la position g et se vide dans l'espace sous pression h On suppose que la roue cellulaire travaille corme pompe de chaleur.
L'air comprima est complété de manière connue par l'air qui a été comprimé dans la soufflante i; il est refroidi dans un échangeur de chaleur k, après quoi il est de nouveau conduit par le ventilateur 1 à la roue cellulaire au point m, puis détendu dans la dite roue et rejeté à l'extérieur en n,
Au moment où la cellule de compression s'ouvre du coté de l'espace sous pression, le gaz se précipite en bouffée, donc avec choc, dans la cellule; lors de l'ouverture de la cellule de détente dans l'espace de pression inférieur, le gaz s'échappa, en bouffée, à l'extérieur.
Différents moyens sont connus, pour éviter les pertes par choc, par exemple: excentrage du rotor avec des parois de cellules coulissantes, ou bien des canalisations pour légalisation par gradins de la pression dans les cellules de compression et dans les cellules d'expansion.
Le résultat de ces mesures est bien une améliora- tion du rendement, mais la capacité des machines ainsi construites est extrement limitée, soit en raison des contraintes mécaniques, soit à cause de pertes par écoulement dans les conduits d'égali- sation. On est forcé de se contenter de vitesses périphériques et de vitesses d'écoulement modérées*
La présente invention concerne une construction complètement nouvelle et un mode de fonctionnement complètement nouveau des roues cellulaires et elle permet d'établir une machine douée d'un
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bon rendement, d'une grande capacité et de construction ramassée,
grâce à la réalisation d'au moins la plus grande partis de la compression par des ondes de pression et d'au moins la plus grande partie de la détente au moyen d'ondes de dépression lancées à travers la cellule.
L'invention sera expliquée plus en détail en référence au dessin annexée La machine comprend de nouveau une roue cellulaire simple à parois rigides, comme représenté aux Fige. 1 et 2 A 1'é- tage de pression inférieur est insérée une phase de balayage dans laquelle le gaz frais à. comprimer chasse le gaz qui se détend; à l'étage de pression supérieur est insérée une phase de balayage, dans laquelle le gaz qui doit se détendre chasse le gaz comprimé.
C'est par une position particulière et une forma particulière des canaux fixas et mobiles que le nouveau mode de travail da la machine est imposé, corne on peut le voir d'après la Fig. 3 Cette Fig. représente un développement périphérique de la roue cellu- laire, suivant un mode de réalisation de l'objet de l'invention donné à titre d'exemple. 1-1 est la. roue développée, 2-2 et 3-3 le développement d'une coupe cylindrique à travers le bâti, des deux cotes de la roue. Les parois radiales des cellules apparais- sent ici suivant des traits rectilignes 4.A la rotation de la roue correspond un déplacement de puche: à droite de la périphérie développée.
De la chambre d'aspiration 5, le gaz à comprimer pénètre dans les cellules 6 et chasse, en marne temps, vers la chambre 7 le contenu des cellules provenant de la détentes Dès que le gaz fraia remplit le volume de la. cellule, l'extrémité de cette cellule se trouve fermée, par suite de la rotation de la roue, par une arête de distribution 8 dans la bâti 3. Au moment de la fermeture, le contenu de la cellule se trouve encore en mouvement. La fermeture brusque à l'extrémité de la cellule engen- dre une onde de pression dont 1''amplitude dépend de la vitesse et qui traverse la. cellule de l'extrémité de sortie à 1'extrémité d'entrée, donc en sens inverse du courante La cellule étant en
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mouvement, la front d'onde décrit le chemin 8-9 indiqué en trait mixte.
Lorsque le contenu total de la cellule a subi le ressaut de pression, c'est-à-dire au moment où le front d'onde atteint l'extré- mité antérieure de la cellule, cette extrémité se trouve fermée par l'arête de distribution 9, si bien que le gaz comprimé est enfermé et bloqué coma dans une écluse.
La cellule se déplace plus loin vers la droite ; son extrémité antérieure s'ouvre en 10 vers l'espaça 11 dans laquelle la gaz qui doit se détendre se trouve sous une pression plus élevée que le con- tenu de la cellule qui arrive. Cela a pour conséquence qu'à. nouveau une onde. de pression se trouve lancée à travers la cellule avec à peu près la vitesse du son, mais cette fois d'avant en arrière suivant le trajet 10-12. Au moment où cette onde de pression atteint l'extrémité postérieure de la cellule, cette extrémité est mise en communication avec la chambre sous pression 13 par l'arête de distribution 12. Derrière l'onde de pression, le gaz s'est mis en mouvement avec une vitesse qui dépend du saut de pression.
Il faut bien se garder de confondre cette vitesse d'écoulement avec la vitesse du son ou avec la vitesse du front d'onde; en général, elle est notablement moindre.
La cellule se trouve alors ouverte à. ses deux extrémités, et son contenu est en mouvement* Le gaz comprime se vide dans la chambra 13 et le gaz à détendre, venant de la chambre 11, prend sa place dans la cellule. Il faut, bien entendu, faire en sorte de réaliser dans le bâti des conditions satisfaisantes d'écoulement à l'entrée et à la sortie.
Dès qu'une quantité suffisante du gaz à détendre a pénétré dans la cellule, l'extrémité antérieure de cette cellule se trouve fermée par l'arête 14. Par suite, l'écoulement du gaz se trouve brusquement coupé, et il se forme une onde de dépression qui traverse la cellule suivant 14-15. A l'arrivée de l'onde de dépres-
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sion sur le côté opposé de la cellule, la. cellule se trouve fermée par l'arête 15.Le contenu total de la cellule est venu au repos et sa pression, est inférieure à. celle de l'étage supérieur de pression. La cellule continue à se déplacer; son extrémité posté- rieure s'ouvre dans la chambrer dtéchappement 7.
Il en résulte une nouvelle onde de dépression qui met à son tour en mouvement le contenu de la cellule. la balayage à 1'étage inférieur se trouve ainsi amorcé. Le cycle ainsi décrit pour la cellule est alors fermé et se reproduit à nouveaux Le principe nouveau de la. machina réside donc dans la compression utile au moyen d'ondes de surpression et dans la détente utile au moyen d'ondes de dé- pression. Les ondes mobiles de pression et de dépression provoquent un échange entre l'énergie de pression et l'énergie cinétique du balayage. la Fig. 4 montre le rapport des pressions avant et après l'onde en fonction de la vitesse de balayage.
On a porté en abaissée suivant 01 la vitesse exprimée par rapport à la vitesse du son (nombre de Mach). et en ordonnées suivant OB la rapport des pressions. La vitesse de balayage doit être d'autant plus grande que le rapport des pressions est plus élevé. Le gaz quitte une roue à cellules axiales, avac une vitesse dont la composante axiale est égale à la vitesse de balayage, et dont la composante tangen- tielle est égale à la. vitesse périphérique de la roue. Aux vitesses élevées, il y a. dans le gaz à la sortie une énergie considérable que l'on ne peut transformer qu'en partie d'une façon utile au moyen de diffuseurs appropriés.
On peut réduire l'énergie à la sortie en disposant les axes des cellules non pas parallèlement à l'axe, da la machine ou dans des plans méridiens, mais obliquement ou en hélice.
La. Fig 5 représente la développement d'un échangeur de pres- sion muni par exemple d'une roue cellulaire hélicoïdale. les chiffres de référence de 1 à 17 ont la marne signification quà la Fig 3
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Les Figs. 6a et 6b montrent la triangle des vitesses pour des cellules droites et pour des cellules obliques W est la vitesse d'écoulement par rapport à la cellule pendant le balayage.
Cette vitesse est déterminante pour le rapport des pressions.
U représente la vitesse périphérique de la roue cellulaire. La vitesse relative et la vitesse périphérique en se composant donnent la vitesse absolue c C'est la vitesse avec laquelle le gaz déboucha de la roue dans le bâti. On voit que dans la Fig 7a, la vitesse c est sensiblement plus grande que W; dans la Fig. 6b, au contraire, c est même plus petit que w.
Dans les roues à cellules axiales, la force centrifuge agis- sant sur les gaz créent une pression croissante avec le rayon.
Lorsque les deux gaz en présence durant le balayage sont de den- sité différente, la croissance de pression est plus importante dans le gaz lourd. Il s'ensuit un déséquilibre au front de balayage et un mélange des gaz qui est nuisible au fonctionnement.
Au moyen des cellules hélicoïdales-, on peut diminuer la composante tangentielle de la vitesse absolue c et par là diminuer et même supprimer les forces centrifuges agissant sur les gaz, sources de l'effet nuisible.
La Fig. 7 représente schématiquement l'allure da la pression et de la vitesse d'écoulement au milieu d'une cellule pendant un tour. I est la phase de balayage dans l'étage inférieur de pres- sion avec la pression P1 et la vitesse W1; II est la phase de compression avec la pression Pe et la vitesse. = 0; III est la phase de balayage à l'étage de pression supérieur avec la pression P et la vitesse W2;
IV est la phase da détente avec la pression Pa et la vitesse w = 0. la vitesse du courant de balayage établi par une onde de pression se maintient pendant tout le temps da balayage, si l'on a pris soin da vaincra la résistance. du circuit de balayage, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur de 1'échangeur da pression, par
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exemple au moyen d'un ventilateur* On peut aussi, au lieu d'avoir recours à un ventilateur, laisser baisser la vitesse pendanfle temps de balayage. On livre ainsi de l'énergie pour vaincre la résistance du circuit de balayage. Le ventilateur de balayage est ainsi décharge; suivant la valeur des résistances, dans l'un ou dans l'autre des circuits de balayage, on peut le supprimer, ou bien mima faire produire au gaz un travail utile.
L'allure corres- pondante des pressions et des vitesses est indiquée en traits interrompus dans la Fig 7.
On peut inversement faire produire à la soufflante de balayage une pression supérieure à celle qui est nécessaire pour surmonter les résistances. On accélère ainsi le courant de balayage dans une cellule entre le commencement et la fin de la tranche de balayage. L'amplitude de l'onde da compression à la fin de la période inférieure de balayage est ainsi renforcée et la gaz est emmagasiné dans l'écluse sous une pression plus élevée. De marne, à la. fin de la période supérieure de balayages le gaz quitte l'éclusa sous une pression inférieure. On a ainsi comprimé plus de gaz et détendu moins de gaz.
Dès lors, par exemple, le compres- seur auxiliaire qua 1*on emploie dans une pompe de chaleur doit débiter moins et peut marne, dans certains cas, être complètement supprima Le travail que devrait faire le compresseur auxiliaire est ainsi repassé à la soufflante de balayage.
Les vitesses da balayage dans les étages inférieur et supérieur ne doivent pas nécessairement être égales. Dans certaines limites, il n'y a pas d'inconvénient à. avoir des sauts da pression inégaux par suite de vitesses différentes* Les vitesses de balayaga, et par suite la voluna de balayage, peuvent être réglés par modifi- cation des résistances d'écoulement dans les circuits de balayage, ou bien en modifiant les pressions produites par les ventilateurs de balayage.
La plupart du temps, il est suffisant de prévoir un ventilateur dans un seul des circuits de balayaga, par exemple
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dans le circuit de balayage qui a la résistance la plus forte. i le gaz qui doit se détendre posséda une densité notablement différente de celle du gaz comprimé (par egempla lorsqu'il s'agit du rame gaz qui est détendu. avec une température différente), il faut que les vitesses. de balayage au commencement et à la fin des phases de balayage soient choisies différentes l'une de l'autre, et proportionnelles aux vitesses du son, car les sauts de pression des ondes de pression dépendent du rapport des vitesses de balayage et du son (nombre de Mach}, comme le montre la Fig 4.
Les sauts totaux de pression du c8té compression et du coté détente doivent être égaux entre eux. Si, par exemple, c'est de l'air qui est comprimé et qui doit être de nouveau détendu avec une température notablement supérieure-, il faut que les vitesses de balayage diminuent pendant la période inférieure de balayage, tandis qu' elles augmentent dans la.période supérieure, de sorte qu'elles sont plus grandes dans l'onde de dépression que dans l'onde de compression.
Dans certains cas, on obtient cette variation de vitesse de balayage sans avoir besoin de recourir à des dispositions spécia- les. On peut montrer que tel est le cas lorsque, dans le diagramme des vitesses de la Fig. 6, les vitesses c et IL sont égales. En effet, si un gaz léger chasse un gaz plus lourd, la vitesse restant constante, l'énergie cinétique du contenu de la cellule diminue en proportion des masses. L'énergie libérée sert à l'accélération du courant de balayage. On doit seulement disposer les canaux du bâti de telle façon que les transitions depuis la roue cellu- laire se fassent autant que possible sans pertes.
Si c et 1 sont différents, il faut aider à la modification de la vitesse par des moyens extérieurs; résistance de balayage et pression de balayage* Les modifications des vitesses qui, pour différents motifs, sont nécessaires ou désirables, se superposent et peuvent dans certains cas, se compenser mutuellement.
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La roue cellulaire qui a été décrite plus haut avec des cellules droites ou hélicoïdales n'a besoin pour son entraînement que d'une petite puissance destinée à surmonter les pertes par frottement, pour autant que le gaz entre sans choc. Si on laisse le gaz entrer avec un léger choc dans le sens de la rotation, on peut se dispenser d'une c@mmande spéciale. On peut même dévier le courant de balayage dans la.roue cellulaire beaucoup plus qu'il n'est nécessaire pour obtenir un simple entraînement de cette roue.
Quand) le moment cinétique du courant de balayage, ou le produit de la composante tangentielle de la vitesse de fluide par le rayon. s'accroît dans le sens de la rotation, la roue cellulaire travaille comme un turbo-compresseur et doit être entraînée par l'arbre+ La roue cellulaire aide ou remplace la soufflante de balayage et peut, dans certains cas, rendra super- flue également la soufflante auxiliaire i de la Fig 2 Lorsque, au contraire, le moment cinétique décroît à la traversée de la roue cellulaire, celle-ci travaille camrna turbine. La puissance qui est fournie sur l'arbre est livrée aux dépens, de 1'énergie de balayage.. La vitesse de balayage diminua par suite fortement depuis le commencement jusqu'à la. fin de la tranche de balayage.
La pression d'éclusage Pe (Figure 7) est réduite et on a moins de gaz comprimé'. La pression Pa d'échappement de 1'écluseest élevée, il y a une quantité supérieure de gaz qui est détendue.
La Fig. 8 montre le développement d'une roue qui travaille comme compresseur pendant les périodes de balayage. Les chiffres 1 à 17 ont la même significationque dans la. Fig. 3. On remarque que les canaux munis d'ailettes (18) dans le bâti. ont une direc- tion variable adaptée à la vitesse croissante de balayage. Les cellules suivant la Fig. 8 ont une largeur variable. Gréce au choix convenable de la hauteur des cellules, on obtient la section de cellule qua l'on désire la plupart du temps, constante ou peu variable (comparer Fig. 13).
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Les échangeurs de pression décrits jusqu'ici et qu'on peut désigner corane échangeurs de pression à un étage, travaillent avec, chaque fois, deux ondes de compression et deux ondes de détente.
Le saut de pression qu'on peut obtenir par onde de pression ne peut pas être augmenté arbitrairement. La Fig. 9 montre le développe- ment d'une roue à deux étages qui travaille avec quatre ondes de compression et quatre ondes de détente.
1 est le développement de la roue cellulaire avec cellules obliques 4, Les repères 2 et 3 correspondent au bâti.. Le balayage dans l'étage de pression inférieur se fait de l'espace 5 5 l'espace 7. la première onde de pression prend naissance à l'arête 8 qui ferme brusquement l'extrémité de la cellule. La seconde ozxle prend naissance à l'arête 20 au moment où la cellule entre en communica- tion avec un espace 21, dans lequel règne une pression intermé- diaire entre les étages inférieur et supérieur. A cet espace on peut, d'une manière connue, amener, au moyen d'un canal 22, du gaz qui provient des cellules dans la tranche d'expansion.
Le gaz ainsi amené peut aussi provenir d'une autre source; l'onde atteint au point 23 l'extrémité de la cellule; elle trouve là une paroi fermée. Elle est réfléchie et traverse, canne troisième onde de compression, la cellule d'arrière en avant. Lorsque l'onde arrive en avant, la cellule se trouve fermée par l'arête 24. Pendant tout le temps du déplacement de l'onde suivant le chemin représenté en traits mixtes 20-23-24, le gaz s'écoule da 21 vers la cellule. Le quatrième train d'ondes prend naissance, came dans la roue à un étage, à l'arête 10.
L'expansion se fait suivant une succession analogue: première onde de dépression 14-15 à la fin du balayage, deuxième onde de dépression 25-26 lors de l'ouverture d'un seul coté de la cellule sur l'espace intermédiaire 27 qui peut être en communication avec 21, réflexion des ondes à. l'extrémité fermée jusqu'à. 26, et trajet de retour 26-28, comne troisième onde. Pendant que l'onde se déplace
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sur le trajet 25-26-28, le gaz sort de la cellule pour aller dans l'espace 27 et'de la vers 21.
La quatrième onde de dépression 16-17 prend naissance au moment du débat de la période de balayage infé- rieure. la formation des ondes de canpression 20-23-24 et des ondes de dépression correspondantes 25-26-28 peut être répétée plusieurs fois; on obtient ainsi des échangeurs de pression à plusieurs éta- gea. On peut aussi, par exemple, réaliser la compression en un étage et la. détente en deux étages, de préférence dans le cas où le gaz qui doit être détendu est plus chaud que le gaz qui doit être comprimé. Des échangeurs de press.ion. séparés peuvent aussi être connectés en série.
Pour montrer ce que peut être Inapplication d'un échangeur de pression, on a représentée à. la Fig 10, le schéma d'une installa- tion avec turbine à combustion. I - I est la périphérie développée de la. roue cellulaire. On a indiqué seulement quelques parois 4 de callules. L'air frais entre en 5 dans la roue, est comprimé par deux ondes de pression et ressort en la* L'air comprimé entre en 40 dans un échangeur de chaleur 41 à trois étages, où il est encore réchauffé, et il ressort en 42.
Il continue à être chauffé dans une chambre de combustion 43 par la combustion d'un combusti- ble. Une partie des gaz d'échappement de la chambre de combustion arrive dans une turbine 44 qui fournit la puissance, tandis qu'une autre partie retourna en 11 à 1'échangeur de pression, où cet air est détendu, puis sort en 7 et est conduit en 45 à l'échangeur de chaleur où une partie de sa chaleur restante est transmise à l'air comprimé après quoi il s'échappe dans la. cheminée 50
L'air qui entre en 5 chasse les gaz brûlés qui sortent en 7 Le front de contact des deux gaz n'a pas une délimitation très nette.
Il se produit, par suite de conductibilité, de turbulence, de la formation d'une couche limite aux parois et par différentes forces de nasses qui agissent sur les gaz de densités différentes, une
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pénétration mutuelle qu'en général on ne désire pas. Cette zone de mélange s'étend dans la Fig. 10 sur un espace 46 en forma de coin entre les courants froid et chaud 5 et 7. Une zone semblable 48 existe à l'étage de pression supérieur. Ces pénétrations mutuelles peuvent être rendues en grande partie inoffensives si l'on balaie les zones de mélanga et si l'on prend soin de n'enfermer pratique- ment dans l'écluse que de l'air froid et de ne refouler en dehors de l'écluse que les gaz chauds.
De la chaleur est transmise du gaz chaud au gaz froid à travers les parois des cellules. L'échauffement du gaz froid et le refroi- dissement du gaz chaud pendant le court espace de temps entre la pénétration dans la cellule et la fermeture da la cellule est nuisible. Pendant ce temps, le contenu de la cellule n'est pas échauffé d'une manière uniforme, mais seulement dans la couche voisine de la paroi. Dans beaucoup de cas, en particulier dans le cas de cellules obliques, la force centrifuge est plus intense sur la couche limite que sur le noyau gazeux. La coucha limite s'écoule vers l'extérieur le long des parois. Dans la phase de balayage, où il n'y a pas de différence de pression entre cellules voisines, on peut prévoir dans le bâti des évidements et des canaux qui recevront la couche limite en voie de s'écouler et qui l'emmèneront avec le mélange de gaz.
La Fig. 11 représente une coupe d'un échangeur de pression. Les flèches 30 indiquent l'écou- lement de la couche limite. 31 est le canal ménagé dans le bâti pour servir à recevoir la couche limite projetée par la force centrifuge.
Quand il y a, coma dans l'exemple de la Fig. 10, un échangeur de chaleur, il est avantageux de recevoir séparément par les canaux 47 et 49 les gaz mélangés et balayés et de les conduire à un étage intermédiaire, ou même de ne pas les conduire du tout à l'échangeur de chaleur.
Dans la Fig. 10, une tuyauterie d'air 51 munie d'un organe de
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régulation conduit à la turbine 44. Comme les parois de la roue cel- lulaire viennent en contact alternativement avec des gaz froids et des gaz chauds, cette roue pourra souvent supporter une température plus élevée que la turbine 44 qui ne travaille qu'avec des gaz chauds.
Aussi est-il nécessaire de régler les deux températures indépendamment l'une de 1 $autre, ce qui est possible par exemple à l'aide da la conduite d'air 51 On peut aussi alimenter la tur- bine 44, par la conduite 51, exclusivement avec de l'air préchauffé, par exemple lorsqu'on veut la. préserver des cendres.*la turbine travaille en général avec des vitesses d'écoulement plus grandes que la roue cellulaire et elle est plus exposée à 1*érosion. le rotor de l'échangeur de pression peut être muni de cellules soit ouvertes, soit fermées à leur périphérie. la Fig. 1 montre des cellules ouvertes, at la Fig 12, au contraire, des cellules fermées..
Les parois des cellules 4 sont repliées à leurs extrémités et soudées les unes aux autres. Les cellules hautes peuvent être subdivisées au moyen d'une paroi intermédiaire 32 qui supporte une partie de la force centrifuge agissant sur le contenu de la cellule.
La paroi intermédiaira peut aussi avoir un prolongement dans le bâti extérieur et faciliter ainsi une adaptation de 1 'écoulement aux vitesses périphériques différentes des parties intérieure et extérieure des cellules* la ligne méridienne moyenne des cellules peut être axiale, obliqua ou radiale. Elle peut être droite ou courbe. la Fig 13 représente un échangeur de pression dont la section est analogue à celle d'une turbo-soufflante centrifuge, Cette forme peut s'employer avec avantage lorsque la roue cellu- laire travailla comme turbo-compresseur pendant le balayage.
D*après la description du mode de fonctionnement de 1'échangeur de pression, on voit qu'il est important que l'ouverture de 1'ex- trémité des cellules au moyen des arêtes de distribution sa fasse au moment voulu. Il est, pour cette raison, avantageux d'exécuter ces arêtes de distribution, ou au mains una partie d'entre elles,
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de façon qu'elles soient réglables. Dans la. Fig 5 par exemple, les arêtes 8 et 12 peuvent être déplacées au moyen de leviers 35 et 36.
Leur position peut être adaptée aux modifications qui peuvent se produire dans la vitesse du son par suite de changemetsde tempéra- ture. Egalement dans le cas où l'échangeur de pression travaille à pression variable ou avec des vitesses de balayage et des vitesses périphériques variables, de manière par exemple que le rapport vitesse de balayage à vitesse périphérique reste constant, il est désirable d'avoir un tel réglage de ces arêtes, lequel peut même se faire automatiquement en cours de marche.
Etant donné que le temps d'ouverture des extrémités des cellu- les par les arêtes de distribution demande un certain temps, si court soit-il, on obtient des ondes de pression à front aplati.
Ia première impulsion de pression qui se produit à l'ouverture de la cellule fait un certain parcours dans la cellule jusqu'à ce que l'entrée de cette cellule livre complètement passage au gaz. On doit faire en sorte que ce chemin ne soit pas trop grand comparativement à la longueur de la cellule, ce qui peut se réaliser par un choix judicieux du pas des cellules, de la vitesse périphérique et de l'angle d'obliquité des cellules. D'autre part, il faut tenir compte, dans le choix de ces grandeurs, des pertes d'écoulement et de la transmission de chaleur. Il est avantageux d'arrondir légèrement les angles des arêtes de distribution pour diminuer les pertes par écoulement pendant le temps que demandent l'ouverture et la ferme- ture.
Enfin, il y a des cas où il est nécessaire, pour l'adaptation à différentes conditions de fonctionnement, d'avoir des angles d'écoulement variables ; cela peut se faire d'une manière connue au moyen d'aubes pivotantes au rotor ou au stator.
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"PRESSURE EXCHANGER-
The term pressure exchanger is understood to mean a machine which receives a gas, for example air, at a lower pressure stage, which compresses it and delivers it. to a higher pressure stage and which, in time, relaxes the pressure stage. higher than the lower pressure stage, a gas, for example the same gas, in a modified state and in different quantities pressure exchangers find their application in cold machines, heat pumps * gas turbines , supercharging units for thermal engines, in chemical manufacturing, pressurized combustion steam boilers, etc.
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We know how to solve this double problem with cell wheels, the working mode of which is seen in Figs% 1 and 2.
Figs. 1 and 2 represent, respectively in cross section and in longitudinal section, a cellular wheel of known construction: * is the wheel, It is the walls of the cells, it is the frame. The air is brought, for example by a fan e, from the suction channel 1 into the cell f; the. cell f. comes during rotation in position g and empties into the pressurized space h It is assumed that the cellular wheel works as a heat pump.
The compressed air is supplemented in a known manner by the air which has been compressed in the blower i; it is cooled in a heat exchanger k, after which it is again conducted by the fan 1 to the cellular wheel at point m, then relaxed in said wheel and discharged to the outside at n,
When the compression cell opens on the side of the pressurized space, the gas rushes in a puff, therefore with shock, into the cell; When the expansion cell was opened in the lower pressure space, gas escaped, in a puff, to the outside.
Various means are known to avoid impact losses, for example: off-centering of the rotor with sliding cell walls, or else pipes for legalization by steps of the pressure in the compression cells and in the expansion cells.
The result of these measures is indeed an improvement in efficiency, but the capacity of the machines thus constructed is extremely limited, either because of mechanical stresses or because of flow losses in the equalization ducts. We are forced to be content with peripheral velocities and moderate flow velocities *
The present invention relates to a completely new construction and a completely new mode of operation of cell wheels and it allows to establish a machine endowed with a
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good performance, large capacity and compact construction,
by achieving at least most of the compression by pressure waves and at least most of the expansion by means of depression waves launched through the cell.
The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawing. The machine again comprises a simple cellular wheel with rigid walls, as shown in Figs. 1 and 2 At the lower pressure stage is inserted a flushing phase in which the fresh gas to. compress drives out the expanding gas; a scavenging phase is inserted in the upper pressure stage, in which the gas which has to relax drives out the compressed gas.
It is by a particular position and a particular form of the fixed and movable channels that the new working mode of the machine is imposed, as can be seen from Fig. 3 This Fig. shows a peripheral development of the cell wheel, according to an embodiment of the object of the invention given by way of example. 1-1 is there. developed wheel, 2-2 and 3-3 developing a cylindrical cut through the frame, on both sides of the wheel. The radial walls of the cells appear here in rectilinear lines. 4. The rotation of the wheel corresponds to a puche displacement: to the right of the developed periphery.
From the suction chamber 5, the gas to be compressed enters the cells 6 and expels, in time, towards the chamber 7 the contents of the cells coming from the detents As soon as the fresh gas fills the volume of the. cell, the end of this cell is closed, as a result of the rotation of the wheel, by a distribution edge 8 in the frame 3. At the time of closing, the contents of the cell are still in motion. The sudden closing at the end of the cell generates a pressure wave, the amplitude of which depends on the speed and which passes through it. cell from the output end to the input end, therefore in the opposite direction to the current The cell being in
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movement, the wavefront describes the 8-9 path indicated in phantom.
When the total content of the cell has undergone the pressure jump, that is to say when the wave front reaches the anterior end of the cell, this end is closed by the edge of the cell. distribution 9, so that the compressed gas is trapped and coma blocked in a lock.
The cell moves further to the right; its anterior end opens at 10 towards the space 11 in which the gas which is to expand is under a higher pressure than the contents of the incoming cell. This has the consequence that. again a wave. of pressure is launched through the cell with about the speed of sound, but this time back and forth following path 10-12. When this pressure wave reaches the rear end of the cell, this end is placed in communication with the pressure chamber 13 by the distribution ridge 12. Behind the pressure wave, the gas is put into communication. movement with a speed which depends on the pressure jump.
We must be careful not to confuse this speed of flow with the speed of sound or with the speed of the wave front; in general, it is significantly less.
The cell is then open to. its two ends, and its contents are in motion * The compressed gas empties into chamber 13 and the gas to be expanded, coming from chamber 11, takes its place in the cell. It is of course necessary to ensure that satisfactory conditions of flow at the inlet and at the outlet are achieved in the frame.
As soon as a sufficient quantity of the gas to be expanded has entered the cell, the front end of this cell is closed by the ridge 14. As a result, the flow of gas is suddenly cut off, and a vacuum wave that passes through the next cell 14-15. On arrival of the depression wave
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sion on the opposite side of the cell, the. cell is closed by ridge 15. The total content of the cell has come to rest and its pressure is less than. that of the upper pressure stage. The cell continues to move; its rear end opens into the exhaust chamber 7.
The result is a new wave of depression which in turn sets the contents of the cell in motion. the sweeping in the lower stage is thus initiated. The cycle thus described for the cell is then closed and reproduces again The new principle of. machina therefore resides in the useful compression by means of overpressure waves and in the useful expansion by means of negative waves. The mobile waves of pressure and vacuum cause an exchange between the pressure energy and the kinetic energy of the sweep. Fig. 4 shows the ratio of the pressures before and after the wave as a function of the scanning speed.
The speed expressed relative to the speed of sound (Mach number) was brought down according to 01. and on the ordinate along OB the pressure ratio. The higher the pressure ratio, the greater the sweep speed. The gas leaves an axial cell wheel, at a speed whose axial component is equal to the sweep speed, and whose tangential component is equal to the. peripheral speed of the wheel. At high speeds there is. in the gas at the outlet a considerable energy which can only be partially transformed in a useful way by means of suitable diffusers.
The energy at the exit can be reduced by arranging the axes of the cells not parallel to the axis, of the machine or in meridian planes, but obliquely or in a helix.
Fig. 5 shows the development of a pressure exchanger provided, for example, with a helical cellular wheel. the reference numbers from 1 to 17 have the meaning as in Fig 3
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Figs. 6a and 6b show the velocity triangle for straight cells and for oblique cells W is the flow velocity relative to the cell during scanning.
This speed is decisive for the pressure ratio.
U represents the peripheral speed of the cell wheel. The relative speed and the peripheral speed by being combined give the absolute speed c This is the speed with which the gas emerged from the wheel into the frame. It can be seen that in Fig 7a, the speed c is significantly greater than W; in Fig. 6b, on the contrary, c is even smaller than w.
In axial cell wheels, the centrifugal force acting on the gases creates pressure that increases with the spoke.
When the two gases present during the sweeping are of different density, the pressure increase is greater in the heavy gas. This results in an imbalance at the scanning front and a mixture of gases which is detrimental to operation.
By means of the helical cells, it is possible to reduce the tangential component of the absolute speed c and thereby reduce and even eliminate the centrifugal forces acting on the gases, sources of the harmful effect.
Fig. 7 schematically shows the shape of the pressure and the flow velocity in the middle of a cell during one revolution. I is the sweep phase in the lower pressure stage with pressure P1 and speed W1; It is the compression phase with the pressure Pe and the speed. = 0; III is the sweep phase at the upper pressure stage with the pressure P and the speed W2;
IV is the expansion phase with the pressure Pa and the speed w = 0. the speed of the sweeping current established by a pressure wave is maintained throughout the sweeping time, if care has been taken to overcome the resistance. of the scavenging circuit, both inside and outside the pressure exchanger, by
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example using a fan * It is also possible, instead of using a fan, to let the speed drop during the sweeping time. Energy is thus delivered to overcome the resistance of the scanning circuit. The scavenging fan is thus discharged; depending on the value of the resistances, in one or the other of the scavenging circuits, it can be suppressed, or else even the gas can be produced useful work.
The corresponding pattern of pressures and velocities is shown in broken lines in Fig 7.
Conversely, the scavenging fan can be made to produce a pressure greater than that which is necessary to overcome the resistances. This accelerates the scanning current in a cell between the beginning and the end of the scanning slice. The amplitude of the compression wave at the end of the lower sweep period is thus enhanced and gas is stored in the lock under higher pressure. From marl, to the. end of the upper flushing period the gas leaves the lock at a lower pressure. In this way, more gas was compressed and less gas was relaxed.
Therefore, for example, the auxiliary compressor which is used in a heat pump must deliver less and may, in certain cases, be completely eliminated. The work which the auxiliary compressor should do is thus passed on to the blower of scanning.
The sweep speeds in the upper and lower stages do not necessarily have to be equal. Within certain limits, there is no downside to. have unequal pressure jumps as a result of different speeds * The sweep speeds, and therefore the sweep volume, can be regulated by modifying the flow resistances in the sweep circuits, or by modifying the pressures produced by sweeping fans.
Most of the time, it is sufficient to provide a fan in only one of the balayage circuits, for example
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in the sweep circuit which has the highest resistance. i the gas which must be expanded has a significantly different density from that of the compressed gas (eg when it comes to the gas train which is expanded. with a different temperature), it is necessary that the speeds. sweep at the beginning and at the end of the sweep phases are chosen to be different from each other, and proportional to the speed of sound, because the pressure surges of the pressure waves depend on the ratio of the sweep speeds and sound ( Mach number}, as shown in Fig 4.
The total pressure jumps on the compression side and the relaxation side must be equal to each other. If, for example, it is air which is compressed and which has to be expanded again with a significantly higher temperature, the sweep speeds must decrease during the lower sweep period, while they increase in the lower sweep period. the upper period, so that they are larger in the vacuum wave than in the compression wave.
In some cases, this variation in scanning speed is obtained without the need for special arrangements. It can be shown that this is the case when, in the speed diagram of FIG. 6, the speeds c and IL are equal. Indeed, if a light gas drives out a heavier gas, the speed remaining constant, the kinetic energy of the contents of the cell decreases in proportion to the masses. The released energy is used to accelerate the sweep current. It is only necessary to arrange the channels of the frame in such a way that the transitions from the cell wheel take place as far as possible without losses.
If c and 1 are different, it is necessary to help the modification of the speed by external means; Sweep resistance and sweep pressure * Changes in velocities which for different reasons are necessary or desirable overlap and may in some cases compensate for each other.
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The cellular wheel which has been described above with straight or helical cells only needs for its drive a small power intended to overcome the frictional losses, as long as the gas enters without shock. If the gas is allowed to enter with a slight shock in the direction of rotation, a special control can be dispensed with. One can even deflect the sweep current in the cellular wheel much more than is necessary to obtain a simple drive of this wheel.
When) the angular momentum of the sweep current, or the product of the tangential component of the fluid velocity times the radius. increases in the direction of rotation, the cellular wheel works as a turbo-compressor and must be driven by the shaft + The cellular wheel assists or replaces the scavenging blower and may in some cases also make the blower superfluous. auxiliary fan i of FIG. 2 When, on the contrary, the angular momentum decreases when crossing the cellular wheel, the latter works camrna turbine. The power which is supplied to the shaft comes at the expense of the sweep energy. The sweep speed therefore decreased sharply from inception to. end of scan slice.
The lock pressure Pe (Figure 7) is reduced and there is less compressed gas. The exhaust pressure Pa from the lock is high, there is a greater quantity of gas which is relaxed.
Fig. 8 shows the development of a wheel which works as a compressor during the sweep periods. The numbers 1 to 17 have the same meaning as in the. Fig. 3. Note that the channels fitted with fins (18) in the frame. have a variable direction adapted to the increasing scanning speed. The cells according to FIG. 8 have variable width. Thanks to the suitable choice of the height of the cells, one obtains the section of cell which one wishes most of the time, constant or little variable (compare Fig. 13).
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The pressure exchangers described so far and which can be referred to as single-stage pressure exchangers, work with, each time, two compression waves and two expansion waves.
The pressure jump that can be obtained by pressure wave cannot be increased arbitrarily. Fig. 9 shows the development of a two-stage wheel which works with four compression waves and four expansion waves.
1 is the development of the cell wheel with oblique cells 4, The marks 2 and 3 correspond to the frame. The sweep in the lower pressure stage is made from space 5 5 space 7. The first pressure wave arises at edge 8 which abruptly closes the end of the cell. The second ozxle originates at ridge 20 as the cell enters into communication with a space 21, in which there is intermediate pressure between the lower and upper stages. To this space it is possible, in a known manner, to bring, by means of a channel 22, gas which comes from the cells in the expansion section.
The gas thus supplied can also come from another source; the wave reaches at point 23 the end of the cell; there she finds a closed wall. It is reflected and crosses, rod third wave of compression, the cell from rear to front. When the wave arrives in front, the cell is closed by the edge 24. During the whole time of the displacement of the wave following the path represented in phantom lines 20-23-24, the gas flows from 21 towards the cell. The fourth wave train begins, cam in the single-stage wheel, at ridge 10.
The expansion takes place in a similar sequence: first vacuum wave 14-15 at the end of the sweep, second vacuum wave 25-26 when opening on one side of the cell on the intermediate space 27 which can be in communication with 21, wave reflection at. the closed end up. 26, and return path 26-28, as a third wave. As the wave moves
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on the path 25-26-28, the gas leaves the cell to go into space 27 and towards 21.
The fourth depression wave 16-17 originates at the time of the lower sweep period debate. the formation of the pressure waves 20-23-24 and the corresponding depression waves 25-26-28 can be repeated several times; multi-stage pressure exchangers are thus obtained. It is also possible, for example, to achieve the compression in one stage and the. expansion in two stages, preferably in the case where the gas which is to be expanded is hotter than the gas which is to be compressed. Pressure exchangers. separate can also be connected in series.
To show what the application of a pressure exchanger can be, we have shown at. Fig 10, the diagram of an installation with a combustion turbine. I - I is the developed periphery of the. cell wheel. Only a few walls 4 of callules have been indicated. The fresh air enters at 5 in the wheel, is compressed by two pressure waves and exits at the * The compressed air enters at 40 in a three-stage heat exchanger 41, where it is still heated, and it comes out at 42.
It continues to be heated in a combustion chamber 43 by the combustion of a fuel. Part of the exhaust gases from the combustion chamber enters a turbine 44 which supplies power, while another part returns at 11 to the pressure exchanger, where this air is expanded, then exits at 7 and is leads at 45 to the heat exchanger where part of its remaining heat is transmitted to the compressed air after which it escapes into the. fireplace 50
The air entering at 5 drives out the burnt gases which exit at 7. The contact front of the two gases does not have a very clear delimitation.
It occurs, as a result of conductivity, turbulence, the formation of a boundary layer at the walls and by different trap forces which act on gases of different densities, a
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mutual penetration that in general we do not want. This mixing zone extends in FIG. 10 on a wedge-shaped space 46 between the cold and hot streams 5 and 7. A similar zone 48 exists at the upper pressure stage. These mutual penetrations can be rendered largely harmless by sweeping the mixed areas and taking care to practically enclose in the lock only cold air and to force out of the lock. the lock as hot gases.
Heat is transferred from hot gas to cold gas through the walls of cells. The heating of the cold gas and the cooling of the hot gas during the short time between entry into the cell and closure of the cell is detrimental. During this time, the contents of the cell are not heated in a uniform way, but only in the neighboring layer of the wall. In many cases, especially in the case of oblique cells, the centrifugal force is more intense on the boundary layer than on the gas nucleus. The limit coucha flows outward along the walls. In the sweeping phase, where there is no pressure difference between neighboring cells, recesses and channels can be provided in the frame which will receive the boundary layer in the process of flowing and which will take it with the gas mixture.
Fig. 11 shows a section of a pressure exchanger. The arrows 30 indicate the flow of the boundary layer. 31 is the channel formed in the frame to serve to receive the boundary layer projected by the centrifugal force.
When there is, coma in the example of Fig. 10, a heat exchanger, it is advantageous to receive the mixed and scavenged gases separately through the channels 47 and 49 and to lead them to an intermediate stage, or even not to lead them at all to the heat exchanger.
In Fig. 10, an air pipe 51 provided with a
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regulation leads to the turbine 44. As the walls of the cellular wheel come into contact alternately with cold gases and hot gases, this wheel can often withstand a higher temperature than the turbine 44 which only works with gases. hot.
It is therefore necessary to regulate the two temperatures independently of one another, which is possible for example by means of the air duct 51. The turbine 44 can also be fed via the duct 51 , exclusively with preheated air, for example when you want the. preserve ash. The turbine generally operates at higher flow velocities than the cellular wheel and is more exposed to erosion. the rotor of the pressure exchanger can be provided with cells either open or closed at their periphery. Fig. 1 shows open cells, and in Fig 12, on the contrary, closed cells.
The walls of the cells 4 are folded over at their ends and welded together. The tall cells can be subdivided by means of an intermediate wall 32 which supports part of the centrifugal force acting on the contents of the cell.
The intermediate wall may also have an extension into the outer frame and thus facilitate adaptation of the flow to the different peripheral velocities of the inner and outer parts of the cells. The mean meridian line of the cells may be axial, oblique or radial. It can be straight or curved. FIG. 13 represents a pressure exchanger whose section is similar to that of a centrifugal turbo-blower. This form can be used with advantage when the cell wheel worked as a turbo-compressor during the sweeping.
From the description of the mode of operation of the pressure exchanger, it will be seen that it is important that the opening of the ends of the cells by means of the distribution ridges takes place at the desired time. It is, for this reason, advantageous to carry out these distribution edges, or at the hands a part of them,
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so that they are adjustable. In the. Fig 5 for example, the edges 8 and 12 can be moved by means of levers 35 and 36.
Their position can be adapted to changes which may occur in the speed of sound as a result of changes in temperature. Also in the case where the pressure exchanger works at variable pressure or with varying scanning speeds and peripheral speeds, for example so that the ratio of scanning speed to peripheral speed remains constant, it is desirable to have such adjustment of these edges, which can even be done automatically while walking.
Since the opening time of the cell ends by the distribution ridges takes some time, however short, pressure waves with a flattened front are obtained.
The first pressure pulse which occurs when the cell is opened travels through the cell until the inlet of this cell completely passes gas. We must ensure that this path is not too large compared to the length of the cell, which can be achieved by a judicious choice of the pitch of the cells, of the peripheral speed and of the angle of obliquity of the cells. On the other hand, when choosing these quantities, account must be taken of flow losses and heat transmission. It is advantageous to slightly round off the angles of the dispensing ridges to decrease flow losses during the time required for opening and closing.
Finally, there are cases where it is necessary, for adaptation to different operating conditions, to have variable flow angles; this can be done in a known manner by means of vanes pivoting to the rotor or to the stator.