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PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX, ÉCHANGEURS DE CHALEUR ROTATIFS.
Il est aonnu de se servir d'échangeurs de chaleur rotatifs pour transmettre de la chaleur depuis un fluide gazeux, à une température plus élevée, à un autre fluide gazeux, à une température plus basse, les deux fluides étant à une pression égale ou sensiblement égale.. Les échan- geurs de chaleur de ce genre, connus jusqu'ici,ne conviennent, toutefois, pas à un usage pour des installations avec turbines à gaz ou dans d'autres cas pour lesquels la transmission de la chaleur se fait entre deux fluides gazeux dont les pressions respectives sont nettement différentes,
L'invention a pour but de rendre ces appareils tels qu'ils puissent fonctionner, d'une manière satisfaisante, avec des fluides ga- zeux dont un est à une pression considérablement plus élevée que celle de l'autre, par exemple une et demie fois plus élevée ou davantage.
L'échangeur de chaleur auquel on se réfère est du genre de ceux comprenant un corps rotatif (rotor) logé dans une enveloppe et qui comporte des cavités ou porosités réduites formant un grand nombre de pas- sages d'écoulement, ladite enveloppe comprenant deux chambres séparées l'une de l'antre et dans lesquelles passent respectivement le fluide plus chaud et le fluide plus froid,lesdites chambres étant subdivisées par le rotor, chaque chambre étant ainsi divisée, dans le sens de l'écoule- ment, en deux parties qui..' se trouvent de part et d'autre du rotor et ce- lui ci, par son passage dans le fluide- chaud, absorbe de la chaleur four- nie par ce fluide afin qu'il puisse, à son tour, fournir la chaleur ab- sorbée au fluide froid quand il passe dans celui-ci,
l'échangeur compre- nant en outre et de part et d'autre du rotor, des boites à labyrinthe à plusieurs passages pour empêcher l'écoulement du fluide d'une des chambres de l'enveloppe à l'autre, Une telle boite à labyrinthe, quand elle est constituée comme à l'ordinaire, n'est toutefois pas capable d'empêcher les fuites du fluide d'une chambre dans l'autre quand il existe une différence
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relativement grande entre les pressions des 'deux chambres car une détente peut se produire constamment dans les passages des labyrinthes,
Pour pouvoir appliquer 1'échangeur de chaleur dans les cas où les deux fluides en écoulement ont des pressions différentes et pour évi- ter l'inconvénient susdit,
on agence selon l'invention les passages des labyrinthes de manière telle qu'ils s'étendent de part et d'autre d'un plan axial de l'échangeur de chaleur., de préférence le plan central commun des chambres pour les deux fluides, chaque passage s'étendant sans interruption depuis le contour du rotor., en longeant le moyen de celui-ci, jusqu'au cô- té opposé dudit contour., afin que., pendant le fonctionnement de l'échan- geur de chaleur,, on obtienne constamment un équilibrage des pressions dans la direction longitudinale de chaque passage, de manière à éviter les fui- tes.
Dans un échangeur de chaleur,. établi selon l'invention, on peut, en outre,, constituer le rotor de manière telle que dans le rotor pro- prement dit il ne puisse se produire aucun écoulement depuis les endroits où règnent des pressions plus élevées vers des endroits où les pressions sont moindres. A cet effet on peut., par exemple., faire comporter comme con- nu au rotor un nombre approprié de parois sensiblement radiales qui s'éten- dent dans la direction de l'écoulement ou., de toute façon, dans une direc- tion ayant une composante orientée dans la direction de l'écoulement. Ces parois ne doivent pas s'étendre axialement, les bords avant et arrière de chaque paroi pouvant être décalés dans le sens de la rotation.
Les inter- valles entre ces parois peuvent alors être remplis avec une matière qui., d'une part,, permet le passage du fluide gazeux avec une perte de charge aussi réduite que possible et., d'autre part, présente une grande surface pour la transmission de la chaleur. Cette matière poreuse peut être con- stituée, par exemple,, par des grains métalliques ou de céramique frittés ensemble, par du treillis en métal ou par des plaques ou feuilles minces ondulées ou pliées en zigzag.
Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'invention.
Les figures 1 et 2 montrent, respectivement, en coupe axiale et en coupe transversale selon II-II figure 1, un échangeur de chaleur établi selon l'invention.
La figure 3 montre, en vue en bout, le rotor.
La figure 4 montre, en coupe transversale selon IV-IV figure 1, le même échangeur.
Les figures sont dessinées en partie schématiquement et la figure 3 montre seulement une partie des parois radiales du rotor avec les matières intercalées entre ces parois.
On a désigné par 1 l'enveloppe de l'échangeur de chaleur, dans laquelle peut tourner un rotor 2 entraîné par un arbre 3, ce dernier repo- sant dans des paliers 4. Le rotor comprend un moyeu 5 et une jante annu- laire 6, ces pièces étant reliées entre elles par des parois ou plaques ra- diales 7 réparties régulièrement sur tout le contour du rotor. Dans les intervalles, séparant les plaques 7, sont intercalées des feuilles 8, ondu- lées ou pliées en zigzag de manière à former un grand nombre de passages 8a dans la direction longitudinale du rotor afin que le- fluide puisse s'écou- ler suivant cette direction alors qu'un écoulement dans une direction per- pendiculaire aux'plaques radiales 7 est empêché.
L'enveloppe de l'échangeur de chaleur est divisée en deux chambres 9a-9b et 10a-10b de part et d'autre du rotor à l'aide d'une cloison 13. Comme chacune de ces chambres est subdivisée par le rotor 2, elle com-
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prend deux parties désignées par 9a-9b pour la chambre supérieure et 10a- 10b pour la chambre inférieure, La chambre supérieure peut, par exemple, être destinée au passage du fluide froid dans la direction indiquée par les flèches, l'entrée se faisant par l'ouverture 11 d'un des fonds de l'envelop- pe et la sortie par l'ouverture 12 de l'autre fond. Le fluide chaud s'écou- le en sens inverse, par exemple depuis l'ouverture 13 de ce dernier fond jusqu'à la sortie 14 ménagée dans l'autre fond.
La cloison 15 est élargie en son milieu pour former un manchon 16 (fig. 1) dans laquelle sont établis des joints à labyrinthe ordinaires pour l'arbre 3.
Le dispositif d'étanchéité à labyrinthe, qui caractérise l'in- vention, comprend plusieurs passages 17 et 18 établis les uns à côté des autres et qui s'étendent depuis le contour du rotor, d'un côté de l'enve- loppe, sans interruption et en longeant le moyeu du rotor, jusqu'au con- tour du rotor de l'autre côté de l'enveloppe. Chacun de ces passages com- prend des parties sensiblement radiales 17 et 18 établies reliées entre elles par des canaux 19 et elles sont'délimitées par des parois 20 qui, sur les côtés et à la périphérie du rotor, se trouvent à proximité de celui- ci avec-un jeu aussi réduit que possible.
L'échangeur de chaleur, ainsi constitué, fonctionne comme suit.
On admet que le rotor tourne dans le sens dela flèche montrée sur la figure 2. Chacun des deux fluides, qui traverse l'échangeur, doit passer par la partie du rotor qui, à un moment quelconque, se trouve dans la chambre 9a, 9b ou 10a, lOb réservée à ce fluide particulier. Dans ce cas la partie du rotor, qui se trouve dans la chambre 10a, 10b traversée par le fluide chaud, est chauffée alors que la partie du rotor, qui se trouve dans la chambre 9a, 9b, traversée par le fluide froid, est refroidie et, de cette manière, la chaleur est transmise, à l'aide du rotor, depuis le fluide chaud au fluide froid.
Si, par exemple, le fluide chaud est à une pression plus élevée que le fluide froid et si les passages 17 et 18 ne -communiquaient pas entre eux, il se produirait, à l'endroit où le rotor traverse la cloison 15, un écoulement du fluide à haute pression vers ce- lui à basse pression, c'est-à-dire depuis les cavités du rotor vers les passages 17 du dispositif à labyrinthe et la pression, dans ces passages 17,serait rapidement égale à la pression élevée, ce qui signifie que le rotor transporterait constamment une quantité nullement négligeable du fluide chaud depuis la chambre 10a, 10b vers la chambre 9a, 9b du fluide froid.
A cause de la communication existant, par les canaux 19, entre les passages 17 du labyrinthe et les passages 18 qui se trouvent de l'au- tre côté du rotor, on obtient un équilibrage continuel de la pression dans le sens longitudinal de chaque chambre 17, 18 c'est-à-dire entre les passa- ges 17 et 18, considérés deux à deux. Comme le rotor passe devant les pas- sages 18 après que les cavités du rotor ont été en communication avec la .chambre 9a, 9b pour le fuide froid et à basse pression, la pression dans les passages 18 tend à s'adapter d'elle-même à cette basse pression, une pression plus élevée dans les passages 18 étant équilibrée pour la raison que ces passages cèdent une partie de leur contenu aux cavités du rotor.
Ceci signifie que la pression plus élevée dans les passages 17 diminue par l'écoulement du fluide depuis ces passages 17 par les canaux 19 dans les passages 18 hors desquels le fluide est, à son tour, cédé au rotor et ramené par celui-ci à la chambre 10a, 10b pour le fluide chaud. En d'au- tres mots, le dispositif d'étanchéité à labyrinthe, établi selon l'invention, intervient pour recueillir une certaine quantité du fluide à pression éle- vée depuis la chambre contenant ce fluide, et pour ramener, par le rotor proprement dit, cette quantité du fluide à la chambre réservée à celui ci.
La pression dans les passages 17 du labyrinthe s'ajuste d'elle-même de ma- nière à diminuer uniformément dans la direction de rotation depuis la pres- sion élevée jusqu'à la basse pression alors que la pression dans les passa- ges 18 du labyrinthe augmente progressivement, dans la direction de rota- tion du rotor depuis la basse pression jusqu'à la pression élevée.
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Par l'objet de l'invention les fuites résultant de la différen- ce des pressions des deux fluides sont évitées pratiquement car à une déten- te, qui se produit dans les passages 17, correspond une compression égale dans les passages 18.
La constitution du rotor avec ses parois radiales 7 est telle que, dans le rotor proprement dit, il ne puisse se produire également aucun écoulement depuis le milieu à haute pression vers le milieu à basse pression.
Le rotor tel que montré a, en substance, la forme d'un disque épais mais l'invention vise également toutes autres formes pour les corps rotatifs de même que les détails de l'invention peuvent être réalisés d'une manière dif- férente de celle montrée et décrite.
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IMPROVEMENTS TO ROTARY HEAT EXCHANGERS.
It is known to use rotary heat exchangers to transmit heat from one gaseous fluid, at a higher temperature, to another gaseous fluid, at a lower temperature, the two fluids being at equal or substantially equal pressure. equal .. Heat exchangers of this kind, known heretofore, are, however, not suitable for use in installations with gas turbines or in other cases where the heat transfer takes place between two gaseous fluids whose respective pressures are markedly different,
The object of the invention is to make these devices such that they can operate, in a satisfactory manner, with gaseous fluids, one of which is at a considerably higher pressure than that of the other, for example one and a half. times higher or more.
The heat exchanger referred to is of the type comprising a rotating body (rotor) housed in a casing and which comprises reduced cavities or porosities forming a large number of flow passages, said casing comprising two chambers. separated one from the antrum and through which respectively pass the hotter fluid and the colder fluid, said chambers being subdivided by the rotor, each chamber thus being divided, in the direction of flow, into two parts which .. 'are located on either side of the rotor and the latter, by its passage through the hot fluid, absorbs the heat supplied by this fluid so that it can, in turn, provide the heat absorbed by the cold fluid when it passes through it,
the exchanger further comprising, on either side of the rotor, labyrinth boxes with several passages to prevent the flow of fluid from one of the chambers of the casing to the other, labyrinth, when constructed as usual, however, is not able to prevent fluid leakage from one chamber into the other when there is a difference
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relatively large between the pressures of the 'two chambers because an expansion can constantly occur in the passages of the labyrinths,
In order to be able to apply the heat exchanger in cases where the two flowing fluids have different pressures and to avoid the aforesaid disadvantage,
according to the invention the passages of the labyrinths are arranged in such a way that they extend on either side of an axial plane of the heat exchanger., preferably the common central plane of the chambers for the two fluids , each passage extending uninterruptedly from the contour of the rotor., along the means thereof, to the opposite side of said contour., so that., during operation of the heat exchanger The pressure is constantly balanced in the longitudinal direction of each passage, so as to avoid leaks.
In a heat exchanger ,. established according to the invention, it is furthermore possible to constitute the rotor in such a way that in the rotor proper no flow can occur from the places where there are higher pressures towards places where the pressures are higher. lesser. To this end, it is possible, for example, to have, as known to the rotor, an appropriate number of substantially radial walls which extend in the direction of flow or, in any event, in one direction. tion having a component oriented in the direction of flow. These walls must not extend axially, the front and rear edges of each wall being able to be offset in the direction of rotation.
The gaps between these walls can then be filled with a material which, on the one hand, allows the passage of the gaseous fluid with as little pressure drop as possible and, on the other hand, has a large surface area. for heat transmission. This porous material can be made, for example, by metal or ceramic grains sintered together, by metal mesh or by corrugated or zigzag folded thin plates or sheets.
The accompanying drawings show, by way of example, one embodiment of the invention.
Figures 1 and 2 show, respectively, in axial section and in cross section according to II-II Figure 1, a heat exchanger established according to the invention.
Figure 3 shows, in end view, the rotor.
Figure 4 shows, in cross section along IV-IV Figure 1, the same exchanger.
The figures are drawn in part schematically and FIG. 3 shows only a part of the radial walls of the rotor with the materials interposed between these walls.
1 denotes the casing of the heat exchanger, in which a rotor 2 driven by a shaft 3 can rotate, the latter resting in bearings 4. The rotor comprises a hub 5 and an annular rim. 6, these parts being interconnected by radial walls or plates 7 distributed regularly over the entire contour of the rotor. In the intervals, separating the plates 7, are interposed sheets 8, corrugated or folded in a zigzag manner so as to form a large number of passages 8a in the longitudinal direction of the rotor so that the fluid can flow following this direction while flow in a direction perpendicular to the radial plates 7 is prevented.
The casing of the heat exchanger is divided into two chambers 9a-9b and 10a-10b on either side of the rotor using a partition 13. As each of these chambers is subdivided by the rotor 2 , she com-
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takes two parts designated by 9a-9b for the upper chamber and 10a-10b for the lower chamber, The upper chamber can, for example, be intended for the passage of the cold fluid in the direction indicated by the arrows, the entry being made by the opening 11 of one of the funds of the envelope and the exit through the opening 12 of the other base. The hot fluid flows in the opposite direction, for example from the opening 13 of the latter bottom to the outlet 14 provided in the other bottom.
The partition 15 is widened in its middle to form a sleeve 16 (fig. 1) in which ordinary labyrinth seals are established for the shaft 3.
The labyrinth seal, which characterizes the invention, comprises several passages 17 and 18 established next to each other and which extend from the contour of the rotor, on one side of the casing. , without interruption and along the rotor hub, to the circumference of the rotor on the other side of the casing. Each of these passages comprises substantially radial portions 17 and 18 established interconnected by channels 19 and they are delimited by walls 20 which, on the sides and at the periphery of the rotor, are located close to it. here with as small a clearance as possible.
The heat exchanger thus constituted operates as follows.
It is assumed that the rotor rotates in the direction of the arrow shown in figure 2. Each of the two fluids, which passes through the exchanger, must pass through the part of the rotor which, at any given moment, is in the chamber 9a, 9b or 10a, 10b reserved for this particular fluid. In this case the part of the rotor, which is in the chamber 10a, 10b through which the hot fluid passes, is heated while the part of the rotor, which is located in the chamber 9a, 9b, through which the cold fluid passes, is cooled. and, in this way, heat is transmitted, with the aid of the rotor, from the hot fluid to the cold fluid.
If, for example, the hot fluid is at a higher pressure than the cold fluid and if the passages 17 and 18 do not communicate with each other, there would occur, at the point where the rotor passes through the partition 15, a flow fluid at high pressure to that at low pressure, that is to say from the cavities of the rotor to the passages 17 of the labyrinth device and the pressure in these passages 17 would quickly equal the high pressure, which means that the rotor would constantly transport a by no means negligible quantity of the hot fluid from the chamber 10a, 10b to the chamber 9a, 9b of the cold fluid.
Because of the existing communication, through the channels 19, between the passages 17 of the labyrinth and the passages 18 which are on the other side of the rotor, a continuous pressure balancing in the longitudinal direction of each chamber is obtained. 17, 18 that is to say between passages 17 and 18, considered two by two. As the rotor passes the passages 18 after the rotor cavities have been in communication with the chamber 9a, 9b for cold and low pressure fluid, the pressure in the passages 18 tends to adapt from it. even at this low pressure, a higher pressure in the passages 18 being balanced for the reason that these passages give up part of their content to the cavities of the rotor.
This means that the higher pressure in the passages 17 is reduced by the flow of the fluid from these passages 17 through the channels 19 in the passages 18 out of which the fluid is, in turn, given to the rotor and returned by the latter to the chamber 10a, 10b for the hot fluid. In other words, the labyrinth sealing device, established according to the invention, intervenes to collect a certain quantity of the fluid at high pressure from the chamber containing this fluid, and to return, through the rotor properly. said, this quantity of fluid in the chamber reserved for this one.
The pressure in the passages 17 of the labyrinth self-adjusts to decrease uniformly in the direction of rotation from high pressure to low pressure while the pressure in passages 18 of the labyrinth gradually increases in the direction of rotation of the rotor from low pressure to high pressure.
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By the object of the invention the leaks resulting from the different pressures of the two fluids are practically avoided because to an expansion, which occurs in the passages 17, corresponds an equal compression in the passages 18.
The constitution of the rotor with its radial walls 7 is such that, in the rotor proper, no flow can also occur from the high pressure medium to the low pressure medium.
The rotor as shown has, in substance, the shape of a thick disc but the invention also aims at all other shapes for the rotating bodies just as the details of the invention can be made in a different way from. the one shown and described.