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@ Perfectionnements apportés aux échangeurs de chaleur rotatifs et régénérateurs ".
La présente invention est relative à des échangeurs de chaleur du type à générateur rotatif dans lesquels un anneau, un tambour, un disque ou ana- logue peut tourner autour de son axe et comporte une matière qui peut être chauffée par un courant fluide émettant de la ehale ur et refroidie par un courant fluide absorbant de la chaleur et cela d'une manière cyclique ou en circuit fermé au cours de la rotation.
Ces appareils comportent généralement une ou plusieurs cloisons, étanches eux fluides, qui servent à séparer les deux fluides et qui subdivisent efficacement les- pace libre de la matrice en deux parties ségmentaires.
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L'invention a pour but, surtout, d'augmenter l'utilité des générateurs de ce genre et d'améliorer leur adaptabilité et leur rendement et elle envisage, plus particulièrement, l'application de ces appareils eu ces où les deux fluides sont à des pressions dif-
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férentes, per exemple à des échangeurs de chaleur pour turbines à gaz dans lesquels le débit du compresseur est préchauffé par les gaz d'échappement de la turbine.
Dans ce dernier ces, l'air relativement plus
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froid et qui sort du compress','L1.I' est à une pression no- téblemént plus élevée que les ga d'échappement r618- tivement plus chauds, qui quittent le turbine, ces der- niers gez nécessitant, per conséquent, un passage d' écoulement beaucoup plus grand que celui qui est ré- servé à l'air.
Dans ces conditions et pour obtenir que
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l'échange de chaleur Lit lieu d'une menière plus effi- cace entre les deux courants gazeux, qui sont à des pressions différentes, on e recours, conformément à l'invention, à un échange ur de ch,:: l:,u1', du type spé- cifié, qui comporte une matrice occupent une position telle par rapport eux courants gazeux que le volume
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de be nletrice, soumise à l'ection des sez à 118L1te pres- sion, soit à tout moment inférieur à celui de le ma- trice dens laquelle agissent, au même moment, les gaz
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à besse pression.
Ceci peut eventegeusement être obtenu en établissant la ou les cloisons suites d'une maaière asymétrique par repport à l'élément rotatif afin que l'espace, dont on dispose pour l'écoulement des gaz,
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soit subdivisé en deux segments ou secteurs in6:',SE'LJ.x.
L 'él'6nieht rotatif peut être subdivisé en plusieurs cellules formées par une série de cloisons radiales, uniformément réperties, alors que la cloison peut avoir le forme de la corde d'un arc, une forme curviligne ouentre.
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La matrice est généralement en une matière so- lide qui présente une grande surface aux courants flui- des et à cet effet on peut lui donner une forme grenu.- leuse ou désagrégée de toute autre manière ou encore la forme de tubes ayant une section ouverteréduite et que l'on dispose radialement ou axielement.
Dans ges échangeurs de chaleur rotatif, du genre spécifié, et pour lesquels l'élément rotetif est subdivisé en cellules, celles-ci sont,à tout instant, dans des conditions différentes. Certaines ont été et seront, pendant un certain temps, en communication avec le fluide plus chaud ou avec le fluide plus froid et une ou plusieurs cellules sont sur le point de cesser d'être en communication avec l'un des fluides et sur le point d'entrer en communication avec l'autre fluide.
Dans le ces de deux courants gazeux à des températures différentes, chaque cellule, entraîne, quand elle passe de l'influence du courent plus chaud .à celle du courant plus froid, sa charge gazeuse avec elle, ,mais quand les pressions des deux courants sont sensiblement égales, l'effet de ce transfert du gaz se manifeste seulement par une légère dilution de chaque courant gazeux par l'autre.
Toutefois, quand les deux gaz sont à des pressions nettement différentes, ainsi que cela se pro- duit dans un échangeur de chaleur pour une turbine à gaz,-l'air froid est sous pression et, par conséquent, l'air perdu par l'échappement représente une, perte d' énergie dépensée pour se compression. De plus, les cel- iules qui sont sur le point de venir en communication avec l'air froid sont à la pression inférieure des gaz d'échappement et doivent être remplies jusqu'à ce que
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leur pression soit égale à le pression de l'air, ce qui implique une autre perte d'énergie .
Cette perte est évitée, conformément à une autre particularité de l'invention, en faisant compor- ter aux'échangeurs, du. genre en question, des moyens par lesquels une cellule, qui vient d'être coupée de la région à haute pression, est mise en communication avec une cellule qui est sur le point d'être reliée à cette région à un moment où les deux cellules sont séparées des régions de haute dt de basse pression. On équilibre ainsi la pression dans les deux cellules à une valeur intermédiaire entre les valeurs de le haute et de la basse pression et on diminue notablement le perte d'é- nergie susdite.
Dans certains cas, par exemple paur des ins- tallations motrices avec turbines à combustion, il peut être désirable de faire varier la section d'écoulement utile et relative de le matrice à l'entrée et à le sor- tie en fonction des conditions opératoires existantes.
Il est également désirable, dans tous les cas, que l'on obtienne une étanchéité par contact, aussi bonne que possible, entre le cloisonnement et le paroi adjacente, de l'élément rotatif et entre ledit élément rotatif et les parties fixes adjacentes de la boîte ou enveloppe qui guide ou contient les courants fluides. L'invention comporte d'autres caractéristiques qui tendent à satis- faire à ces desiderata.
Suivant une autre particularité de l'invention on fait comporter à un échangeur de chaleur, du genre en question, des cloisons constituées essentiellement en deux parties articulées entre-elles suivant un axe
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qui peut être l'exe de rotation de l'élément rotatif et dont les orientations relatives peuvent être modi- fiées suivant une série d'angles de manière à subdiviser la section d'écoulement effective de la matrice d'une manière variable.
Suivent une autre particularité de l'invention, la commande par laquelle on obtient cette variation est rendue dépendante d'une ou de plusieurs conditions opératoires, telles que le différence entre les températures régnant respectivement dens les espa- ces, réservés aux fluides, de part et d'autre de la cloison, ou les températures à l'entrée etàla sortie des fluides actifs, ou les conditions de pression de ces fluides, ou le degré d'alimentation en combustib- le, qui chauffe le générateur,
Un échangeur de chaleur rotatif et régénéra- teur, du genre spécifié, est généralement agencé et fonctionne de manière telle que chaque partie de la ma- trice subisse seulement un changement de température ré- duit au cours de son cycle d'opérations,
puisque c'est le seul moyen par lequel on peut obtenir un rapport thermique élevé (c'est-à-dire le rapport de la chaleur effectivement transférée au maximum théorique), de pair avec une perte minimum par frottement entre les gaz.
Ceci présente, toutefois, l'inconvénient que si l'un des courants fluides, tels que les gaz d'échap- pement d'une machine motrice avec turbine à gaz, con- tient des matières solides ou condensables, résultant d'une combustion incomplète, lesdites matières tendent à se déposer ou à se condenser dans une zone de tempé- rature, généralement dans les régions plus froides.
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Des matières solides typiques, contenues dans les gez d'échappement, per exemple les metières goudron- neuscs résultant d'une combustion incomplète, ont donc- une tendance à se déposer dans les zones internes de la matrice puisque ces zones ne sont jamais chauffées à une température suffisamment élevée pour que les dépôts puissent brûler ou s'évaporer. Pour écart or ces incon- vénients et conformément à une autre particularité de l'invention, on fait comporter à l'échangeur de che- leur rotatif et régénérateur des moyens propres , modi- fier la vitesse de rotation de l'élément rotetif afin que la durée d'exposition de la matrice à l'influence des fluides plus chauds et plus froids puisse être augmentée considérablement quand on veut enlever les dépôts en les brûlent.
Cette variation de vitesse peut être également rendue dépendante d'une ou de plusieurs conditions opératoires.
Les dessins ci-annexésmontrent, à titre d'ex- eniple, plusieurs mooes de réalisation de l'invention.
Sur le fig. 1 un tambour ou anneau 1 peut tourner autour d'un arbre 2 et il contient une matri- ce 3 constituée par des cellules ségmentaires 4 sépa- rées par des parois radiales 5. Une cloison 7, en forme de corde tendue, est établie asymétriquement par rapport à l'élément 1 et subdivisé efficacement le passage d'é- coulement de la matrice en deux parties inégales parmi lesquelles la chambre 22 est plus grande et sert à 1' absorption de le chaleur depuis le gaz à basse pression alors que le chambre 23 est plus petite et sert à le transmission de la chaleur au gazà haute press ion.
L'élément 1 est logé dans une boîte ou enve- loppe 8 comprenant deux parties et 10 dont la partie 9
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est plus grand et sert à l'entre du gaz à basse pres sion alors que la partie 10 est plus petite et sert à la sortie du gaz à haute pression. Quand il s'agit d'un échangeur de chaleur pour turbine à gaz, la partie 9 sert à l'entrée des gaz d'échappement chauds alors que la partie 10 sert à la sortie de l'air débité par le compresseur. Le gaz basse pression sort par la cham- bre 22 et le gaz à haute pression entre par la cham- bre 23.
Quand l'élément 1 tourne, le matrice 3 qui se trouve dans la, partie 9 de la boîte 8 est chauffée par le fluide pluschaud et,en tournant vers la partie 10 de l'a boite, cède sa chaleur au fluide plus froid.
Les extrémités 11 de.la cloison 7 sont cour- bées de manière à s'adapter à la paroi interne de l'é- lément 1 et sont en contact, d'une façon aussi étanche que possible aux fluides, avec ladite paroi pour empê- cher l'échappement du gaz depuis la zone 23 à haute pression vers la zone 22 à basse pression. Pour la même raison la boîte 8 est également en contact étanche aux fluides,'en 24, avec la paroi extérieure de l'élément 1.
La fig. 2 montre une variante suivant laquelle la cloison 7 a une forme curviligne tout en ayant des dimensions plus importantes' à ses extrémités 11 qu'à sa partie centrale alors que sa paroi convexe se trouve en regard de le chambre 22 à basse pression. Dans le cloison 7 des figs. 1 et 2 est ménagé un passage inter- ne 12 agencé de manière qu'une cellule 13 de la matri- ce, qui vient de quitter et d'être coupée de la cham- bre 23, à haute pression, soit mise en communication avec une cellule 14 qui est sur le point de communiquer
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avec ledit", en.:-,.bre, pendent cue les deux cellules 1;
3 et 14 sont isolées par le' cloison 7des deux chambres ce qui réduit de moitié la perte d'énergie quand les cellules 14 pénètrent dans le courent plus froid.
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uenc2, 00m:,j( u-ontré ur 1 fis. 8, chaque ex- r6ité 11 de le oloiron 7 assure à le fois l'étsnchéi- de deux cellules v,J5.:ines, on .peut x1J.meg#r. deux pes- ('2[::(;S s 1 L du Genre en ( estion ce qui réduit lp perte d'énergie d'environ lcsdeul tiers. Si on le désire, on peut ?voir retours s ,', un nombre de passâmes plus 6r21u que deux pour récupérer davantage l'énergie perdue.
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Pour lE variante sclon le fie;. 2;" 1- cloison 7 de le fig. 2 est ren13lecc-,,e per une cloison formée par deux parties 15 et 16, articulées entre-elles à l'aide d'un axe 17 qui coïncide de préférence avec celui autour duquel tourne l'élément rotatif 1. Le variation de l' engle formé entre les parties 15 et 16 a pour effet de faire varier les proportions suivent lesquelles la sec- tion d'écoulement de le matrice est subdivisée et elle peut être obtenue en montent le pertie 16 dans une posi- tion fixe alors que le partie 15 est rendue solidaire d'un levier 25 manoeuvrable à la main, ce levier por- tent également un joint mobile 26 intercelé entre le
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boîte 8 et l'élément 3,o'ue'bil- ,1.
Une membrene flexible 27, par exemple une feuille métallique, assure l'étenchéi- té autour de l'exe 17.
Les parties 15 et 16 de le cloison peuvent
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être creuses pour f or un pas2ege qui remplit les mê- mes fonctions que le passage 12 des figs. 1 et 2 et dans ce cas on peut utiliser une membrane 27 à paroi double.
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L e déplafement de la partie 15 de la cloison peut être également obtenu automatiquement en fonction d'une ou de plusieurs conditions opératoires choisies.
Pour l'exemple selon la fig. 3, la condition adoptée est le, rapport entre les pressions des deux fluides con- tenus respectivement dans les parties 9 et 10 de la boîte 8 et qui sont reliées respectivement par des con- duits 28 et 29 aux deux compartiments d'une capsule 30 qui sont séparés par un diaphragme flexible 31. Ce- lui-ci est relié, par des leviers articulés 32, eu cur- seur'33 d'une résistance électrique variable 34 établie dans un circuit électrique comprenant deux sources de courant 35 et 36 ainsi qu'un moteur électrique 37 dont l'arbre est relié par une chaîne ou courroie 38 à l' axe 17.
Le circuit électrique est tel que, lorsque le rapport des pressions des fluides dans les parties 9 et 10 varie dans un sens, le curseur 33, l'arbre 37 et l'axe 17 tournent dans une direction et quand la vaia- tion du rapport a lieu dans l'autre sens, le curseur 33, l'arbre 37 et l'axe 17 tournent dans une direction op- posée.
Sur la fig. 4 les bords radiaux extérieurs 11 des parties 15 et 16 de la cloison sont rendus étanches, par rapport à la paroi interne de l'élément rotatif 1 à l'aide de galets 18 qui sont en contact avec la paroi de cet élément et roulent dans des gorges 19 ménagées dans lesditsbords extérieurs 11 et cesgalets sont écartés de manière telle qu'ils intéressent. toujours un segment suffisant de l'élément rotatif 1 pour assu- rer l'étanchéité. 'Par suite du réglage angulaire des parties 15 et 16 autour de l'axe 17 de l'élément rota- tif, les galets 18 restent en contact pour toutès les
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positions.
On Peut remplacer .Les galets Ó't,0'1l't comme mont ré sur le fis. 5, per u : b2nôc sans i'ily20 en une metière souple telle qu'un tissu 6e fils métal- 1 iques ct de J. ures d'4::ier.te, ou Ces c;2ines, por- tent des plaques refrectaires, cette bande se déplaçant le lon; et entour des parties 15 et 16 et étent suppor- tée per cElles-ci a l'aide de poulies 39. Des moyen!:: d' étanchéité analogues peuvent µtre établis e,re le bcl- te à et le peî:oi extérieure de l'élément 1 et peuiTe.8.t être reglebles el" position. On peut égelement établir plusieurs joints'fixes à l'extérieur de l'élément 1, che- que joint correspondent à une position de le cloison in- terne mobile.
Dans, un régénérateur du type à disque, une
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cloison telle que 7, 15 ou 16 fait, en rbelit 6, un aLg1=. doit avec le plan de rotetion du disque et est établie de chaque coté de celhi-ci. Les parties mobiles corres- pondantes de le cloison, qui se trouvent de pert et d' eutre du disque, sont agencées de manière à pouvoir être
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déplacées ,lten(ment afin que les pesseges pour les fluides ectifs, en travers desquels se trouve le dis- que, soient maintenus séparés et restent continus.
Le fig. 6 montre une autre variante à l'aide de laquelle on peut enlever le carbone déposé dans le metrice. Dens ce ces l'élément rotetif 1 comprenant le matrice peut être entraîné par une transmission à vi- tesse verieble 49 procurant deux ou un plus grand nombre de rapports de vitesses.
Normalement on se sert d'un rapport de transmission plus élevé et qui est choisi de manière qu'il puisse permettre le fonctionnement le plus efficace mais quand on désire enlever les matières déposées on fait intervenir un rapport de transmission
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plus bes qui peut donner une vitesse de rotation corres- pondant par exemple à un vingtième de celui obtenu par le rapport plus élevé. Dans le cas d'un échangeur de chaleur pour turbine à gaz, chaque partie de la matrice est ai.nsi soumise aux gaz chauds pendent une durée telle qu'elle puisse être chauffée intensivement et de toutes parts, pour que les dépôts puissent être brûlée ou éva- porés.
Au cours du traîtement prolonge correspondant par les gaz froids, la matrice est soigneusement re- froidie et le différence de température ainsi obtenue favorise le détachement des dép8ts restants par l'effet de la dilatation différentielle.
En ayant recours à plusieurs rapports de vi- tesse on peut modifier ou faire varier la vitesse infé- rieure pour permettre l'enlèvement des dépôts de diffé- rentes natures et importances'et provenant de combustib- les différents.
Le passage de le vitesse normale à la marche lente et vice-versa peut être effectué à la main quand le comportement de l'échangeur de chaleur montre que cela est nécessaire ou à l'aide de moyens automatiques qui interviennent quand la machine a fait un certaih nombre de tours et qui sont déterminés par exemple à l'aide d'un compte-tours ou quand elle a fonctionné pen- dent une durée déterminée, par exemple un certain nom- bre d'heures déterminées par une horloge entraînée par la machine, ou encore par le degré d'engorgement de 1' échangeur de chaleur en faisant intervenir des moyens actionnés par l'accroissement de la résistance que le courant gazeux rencontre dans le matrice.
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quand leéchangeur de chaleur cee, décarboni- sé par une marche lente, son rendement pour le trabs- fert de chaleur est faible et il en résulte une
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réduction du¯ débit de le turbine de le .n'Echine avec tur- bine à gaz. Pour compenser cette réduction, on peut fei- re brûler du combustible additionnel dens les chambres de combustion de le turbine à pour compenser le
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.i..uissenoe perdue de le trens:',is8ion 2. vitesse 1:er.ieble .
Suivent une verisnte, si l'alimentetion en combustible des C.Clc^ulbr8s ae combustion dépend d'un l'émulateur de vi- tusse ou d'un l'6c;uh,teul' \le puissance, 1e déasit accru du combustible se fait 2uto:rleth;u.eL1E.nt sens que des commandes supplément sires soient nécessaires.
Un dispositif Générel, convenant à cet effet,
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est montré schémetiqa<,meilt sur le fig. 6. Une machine avec turbine à gaz comprend un compresseur d'air 41 fournissent de l'air, per l'intermédiaire d'un échan- Leur de chaleur 1, eux chambres de combustion 42 dans lesquelles l'air brûle avec du combustible injecté per les brûleurs 43. Les gazchauds, résultent de le com-
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bustion, font fonctionner le t az'i-inc .44 qui entraîne le compresseur 41 et ces gez sont ensuite évacués par le conduit d'échappement 45 d'où part un conduit 46 aboutissant à l'échangeur de cheleur 1.
Les gez chauds, après avoir passé per cet échangeur, retournent par le cpnduit 47 à l'échappement et le circuit, suivi per les gaz, est indiqué par des flèches en treits interrompus.
L'élément rotatif 1 est entraîne per un erbre 2, une transmission ù vitesse variable 49 et par le mo- teur électrique 50. Le transmission 49 est actionnée par un relais 51 sur lequel agit un interrupteur à temps 52 qui oblige l'élément rotetif 1 à tourner lentement pen- dent une période déterminée à des intervalles de temps choisis.