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PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX ECHANGEURS 'DE PRESSIONS L'invention est relative à des échangeurs de pressions rotatifs (pour des fluides gazeux) du genre de ceux comprenant au moins un groupe annu- . laire de cellules pour la compression ou la détente de gaz et dans lesquels, au cours du fonctionnement, c'est-à-dire quand il se produit une rotation re- lative entre le groupe de cellules et les parties adjacentes de la machine, certaines cellules contenant du gaz comprimé sont mises en communication avec d'autres cellules (du même groupe ou d'un autre) qui contiennent du gaz à une pression inférieure,
les étages de compression et de détente ainsi obtenus agis- sant de pair avec des étages d'apport et d'évacuation de chaleur qui provoquent l'écoulement des gaz dans les cellules ou hors de celles-ci pour compenser les variations de volume résultant de la modification de 'leur état thermique.,
Pendant qu'une cellule de l'étage de compression est en communica- tion avec une cellule de 1-'étage de détente, il se produit nécessairement un écoulement de gaz (désigné ci-après par "gaz de transfert!!) depuis la cellule, dans laquelle le gaz se détend,, vers la cellule dans laquelle le gaz doit être comprimé,,
Le courant gazeux, produit pour un étage d'apport de chaleur, ne doit, si possible,
pas dépasser celui.nécessaire à l'enlèvement, hors des cel- lules, du gaz en excès qui est produit par l'accroissement de volume résultant du chauffage. De même, le courant gazeux, produit pour un étage d'évacuation de la chaleur ne doit, si possible pas dépasser 1?addition de gaz aux cellu- les pour compenser la diminution de volume résultant du refroidissement.
En pratique, il est avantageux que l'évacuation de la chaleur tout au moins (et si possible également l'apport de chaleur) se fasse à l'extérieur des cellules et, à cet effet.9 il a été proposé que les courants gazeux qui se produisent aux étages dévacuation et d'apport de la chaleur, soient obtenus par le procédé (désigné ci-après.par "balayage") par lequel le contenu de cha- que cellule),qui pénètre dans la zone pour 1-'apport (ou l'évacuation) de la chaleur, est enlevé et remplacé par du gaz qui,, à 1.:
1 extérieur des cellules, a
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été spécialement chauffé (ou refroidi) ou qui, dans chaque cas,provient d'une source de gaz qui est déjà à la température élevée (ou basse) désirée.
Ce procédé pour l'enlèvement et le remplacement du gaz implique l'interven- tion d'un courant contsnu du gaz qui traverse les cellules intéressées.
Les points du cycle de travail, auxquels l'apport et l'évacua- tion de la chaleur ont lieu, dépendent de l'usage auquel la machine est des- tinée. Si l'échangeur de pressions sert à fournir du gaz chaud et à pression élevée, qui doit être détendu par exemple dans une turbine à gaz ou toute autre machine pour fournir du travail mécanique, l'apport de la chaleur se fait à une pression élevée et 1-1 évacuation de la chaleur à une pression ré- duite. Par contre, si l'échangeur de pressions est utilisé comme pompe de chaleur ou machine frigorifique, le contraire se produit, c'est-à-dire que l'apport de chaleur se fait à basse pression et son évacuation à haute pres- sion.
Avantageusement, chaque groupe annulaire de cellules forme un rotor. Quand on se sert de plus d'un de ces rotors, 1-'.ensemble peut être agencé de manière que l'écoulement du gaz de transfert se fasse depuis les cellules de détente d'un rotor vers les cellules de compression de 1-'autre.
Plusieurs échangeurs du genre général en question ont été décrits avec leur fonctionnement détaillé dans le brevet belge n 496.320 déposé le 13 juin 1950 au même nom et sous le titre "Perfectionnements apportés aux échangeurs de pressions".
L'invention a pour but général de réduire les pertes d'énergie qui sont inhérentes à de tels échangeurs de pressions. En particulier, il ar- rive, par suite de la construction même, que le gaz de transfert, en s'écou- lant d'une cellule vers une autre (au besoin par des conduits spéciaux), su- bit nécessairement une certaine détente libre qui ne produit aucun travail utile pour comprimer un gaz dans une cellule de compression, ce qui corres- pond donc à une perte d'énergie, L'invention a pour objet un échangeur de chaleur du genre spé- cifié dans lequel le courant de gaz de transfert traverse des aubages de tur- bines ou analogues de sorte qu'une partie de l'énergie de ce gaz est extraite sous la forme d'un travail mécanique.
Ce travail peut servir à faire tourner le ou les rotors de l'échangeur de pressions ou à aider pour obtenir cette rotation et il peut également être utilisé, si possible, pour fournir de l'é- nergie recueillie sur l'arbre de ce ou de ces rotors.
D'une manière générale, l'invention consiste également en un échangeur de pressions, du genre spécifié, qui comprend au moins un rotor pro- pre à former (au besoin de pair avec la partie non-tournante de la machine) un groupe annulaire de cellules, ledit rotor comportant des aubages de turbi- ne qui, au cours du fonctionnement, reçoivent le gaz de transfert qui s'écou- le depuis les cellules de détente vers les cellules de compression. On a alors recours, de préférence, à un dispositif à aubages fixes agencé de ma- nière telle que ces aubages puissent recueillir le gaz de transfert déchargé par les aubages tournants d'une cellule de détente et puissent guider conve- nablement le gaz recueilli vers les aubages tournants d9une cellule de com- pression du même rotor ou d'un autre.
L'agencement peut être tel que le travail mécanique, fourni par les aubages, soit seulement suffisant pour entraîner le ou les rotors. Il peut également convenir à la fois à l'entraînement du ou des rotors et à la four- niture d'une certaine puissance extérieure à l'aide de l'arbre du ou des ro- tors, la partie restante du travail utile de l'échangeur de pressions étant dépensée pour le débit d'un gaz à haute pression pour un usage extérieur, par exemple dans une turbine à gaz. L'agencement peut être tel que le travail to- tal, fourni par l'échangeur de pressions, soit subdivisé en toute proportion voulue entre la fourniture d'un débit de gaz comprimé pour un usage extérieur et la production de la puissance mécanique pour le gaz de transfert, cette puissance étant recueillie sur l'arbre.
Dans un cas extrême, la totalité du travail utile extérieur peut être obtenue par de la puissance recueillie sur
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l'arbre alors que on ne produit, en substance, pas de gaz comprimé pour l'usa- ge extérieur. Il est toutefois préférable que l'échangeur de pressions four- nisse seulement une énergie mécanique telle qu'elle consomme la chaleur qui, sans cela., serait perdue au cours de l'échange des pressions. Cette énergie peut servir à l'entraînement non seulement du ou des rotors à cellules mais également de certains accessoires tels que des ventilateurs ou compresseurs pour le balayage ou des compresseurs auxiliaires pour fournir le gaz de ba- layage.
On constitue, de préférence, les échangeurs de pressions selon l'invention de manière telle que la communication entre une cellule de com-
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pression et une cellule de détente soit interrompue avant la fin de l'écou- lement du gaz de transfert,,,
Les dessins schématiques ci-annexés montrent,, à titre d'exemples, plusieurs modes de réalisation de l'invention. On a admis, pour tous les ex- emples qui seront décrits, que chaque groupe annulaire de cellules fait par-
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tie d'un rotor a,tcp pu7seu e les cellules étant balayées à la fois pour l'étage d'apport de chaleur et pour' 1?étage d'évacuation de la chaleur.
On. admet également dans ce qui suit que les machines décrites sont destinées à fournir du gaz chaud sous pression.
Les figs. 1 à 7 de ces dessins montrent,, respectivement en coupe
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axiale selon I-I fige 41J en coupe transversale selon II-II fig. z en coupe selon III-III fig. l, en coupe selon IV-IV frigo 1. en coupe selon V-V fige 1, en vue en bout et en coupe selon VII-VII fig. 4, un échangeur de pressions établi selon l'invention.
La fig. 8 montre, en développement dans un plan circonférentiel,
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une partie de 1?appareil de la fig, 1.
La fig. 9 montre un diagramme des vitesses pour les aubages de
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turbine de la figo 80 La frigo 9a montre une variante de l'appareil de la fig. 1.
La fig. 10 montre, semblablement à la fige 4, une autre variante.
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La fig. 7L montre, semblablement à la i.go 3, une variante uti- lisée de pair avec celle de la fige 100 Les figes. 7a et lob montrent, en développement schématique, des exemples d'anbages de rotor qui conviennent au dispositif de la fig, 11.
La figo 12 montre, en coupe axiale comme celle de la fig. 7$ un échangeur de pressions avec deux rotors tournant dans des sens opposés.
La fig. l2a montre, semblablem.ent une variante pour une partie de 1"appareil de la fig. je pour y incorporer une caractéristique indiquée sur la fig. 1.
La ±go 13 montre,, en développement dans un plan circonférentie4 une partie de l'appareil de la fig. 12
La fig. 14 montre un diagramme des vitesses pour les aubages
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de turbine de la fig. I,3 La figo 15 montre, semblablement à la fig. 72, un échangeur de pressions avec deux rotors tournant dans des sens opposés et séparés par une cloison non-touluanteo
La fig. 15a montre une combinaison des dispositifs des figs.15 et 9a.
La fig. 16 montre, en développement dans un plan circonféren-
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tiel, une partie de l'appareil de la fig. 15.
La fig. 17 montre un diagramme des vitesses pour les aubages de turbine de la fig. 160
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La fig, 18 montre, semblablement à la figo /, une antre variante.
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La fig. 19 montres en développement dans un plan circonférentiel de la fig. 12, une autre caractéristique de 1-'invention.
La fig. 20, à peu près semblable à la fig. 19, montre l'utili- sation pour un appareil avec rotor unique de la caractéristique montrée sur la fige 19.
L' échangeur de pressions., montré sur les figs. 1 à 7, comprend un rotor 1 formé par un cylindre interne 2 et un cylindre externe 3 et entre ces cylindres sont intercalées des cloisons radiales 4 séparant les cellules 5. Pour cet exemple particulier on se sert d'un balayage à contre-courant et pour cette raison le rotor comprend également une cloison cylindrique 6 qui subdivise les cellules en des parties radiales internes et externes. Le rotor comporte, à une de ses extrémités, un anneau 7 formé par des aubages d'un ro- tor de turbine, les cellules 5 étant fermées à cette extrémité à l' exception des passages prévus pour les aubages. A leur autre extrémité les cellules 5 sont ouvertes, comme montré sur la fig. 2.
Le rotor peut tourner dans une enveloppe 8 avec parois terminales 9 et 10, la paroi 9 portant des segments 11 et 12 formés par des aubages de stator et les passages pour les gaz entre les aubes communiquent avec des con- duits 13 pour l'écoulement du gaz de transfert;. Plusieurs passages entre les aubes peuvent communiquer avec une cellule et chaque conduit 13 peut communi- quer également avec plus d'un de ces passages du moment que, au cours du fonc- tionnement il n'existe aucune communication entre les cellules excepté aux endroits nécessaires pour l'échange des pressions.
Si l'on admet que'le rotor tourne dans le sens indirect (horlogi- que) par rapport à la fig. 4, le cycle opératoire est le suivante
AD est l'étage de détente, DC est l'étage de balayage à basse pression et pendant lequel se fait l'évacuation de la chaleur, CD est l'étage de compression et BA est l'étage de balayage à haute pression pendant lequel se produit l'apport de chaleur.
Les lumières de balayage, ménagées dans la paroi terminale 10, sont reliées à une tuyauterie appropriée pour laquelle, comme montré sur la fig. 7, le conduit 14 sert au balayage à haute pression et le conduit 15 au balayage à basse pression.. Pour 1-'exemple montré on admet que les gaz, dé- chargés pour le balayage à une pression élevée, reçoivent un apport de chaleur depuis l'extérieur, par exemple en faisant brûler un combustible dans ces gaz dans une chambre de combustion, après quoi ces gaz sont partagés en deux par- ties dont une est ramenée à l'échangeur de pressions pour recharger les cel- lules par le balayage à haute pression et dont l'autre est fournie à un en- droit d'utilisation, par exemple une installation séparée avec turbine à gaz.
La fige 8 montre un exemple des aubages de turbine qui convien- nent à la machine montrée sur les figs. 1 à 7. On voit que les aubages de ro- tor 7 fonctionnent comme des aubes à réaction pour le gaz de transfert qui sort des cellules I, c'est-à-dire celles qui sont en détente, et comme des aubes à impulsion pour les gaz pénétrant dans les cellules II, c'est-à-dire celles qui sont en compression. Les aubages de stator 11 et 12 sont constitués de manière telle qu'ils reçoivent, avec un minimum de perte d'énergie, le gaz de transfert déchargé hors des cellules et dirigent convenablement le débit de ces gaz vers les aubages de rotor d'une cellule de compression.
La fig. 9 montre un diagramme typique des vitesses pour des au- bages de la fige 8, les indications étant les suivantes U est la vitesse pé- riphériques OA la vitesse des gaz par rapport au rotor, à la sortie des cel- lules I, OB la vitesse des gaz par rapport au stator à l'entrée des cellules I, OE la vitesse des gaz par rapport au stator quand les gaz quittent ce der- nier pour pénétrer dans les cellules II, 0F est la vitesse des gaz par rap- port au rotor à l'entrée des cellules II et OB est la vitesse des gaz par rapport au rotor' quand ces gaz pénètrent dans les cellules II après avoir quitté les aubes du rotor.
La fig. 9A montre une machine analogue à celle de la fig. 1 mais
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pour laquelle les cellules comportent des lumières de balayage aux deux ex- trémités pour permettre un balayage axial complet. Dans ce cas les aubes 7 du rotor se trouvent dans une partie de plus grand diamètre du rotor afin que le courant des gaz de balayage puisse contourner les aubes en by-pass en une zone radiale vers l'intérieur.. Les aubages 11, 12 du stator se trouvent éga- lement et nécessairement dans une partie à plus grand diamètre.
Les figso 10 et 11 montrent une variante qui permet d'obtenir un rendement plus grand pour les aubages pour la raison que dans un disposi- tif selon la fig. 8 le gaz de transfert traverse les aubages de rotor d'abord dans un sens et puis dans le autre.. Pour obtenir ce résultat, les segments 11 et 12 de ces aubages peuvent être établis à des distances différentes de l'ar- bre, comme montré sur la fig.
10, et le rotor comporte deux séries concentri- ques d'aubages 16 et 17, les aubages 11 du stator et ceux 16 du rotor étant agencés de manière à venir se placer en regard pour un écoulement du gaz dans un sens alors que les aubages 17 du rotor et ceux 12 du stator peuvent corres- pondre pour un écoulement du gaz dans 1-'autre senso On comprend aisément qu'au cours du fonctionnement l'aubage particulier non utilisé est recouvert par une partie non perforée de la paroi 9. Les figso lla et 11b montrent des coupes schématiques des aubages 16 et 17 du rotor.
La machine, montrée sur la fig. 12, comprend deux rotors 1 et la tournant dans des sens opposés dans une enveloppe 8. Dans ce cas des conduits, analogues à ceux désignés par 13, n'existent pas et le gaz de transfert s'é- coule directement des cellules de détente d'un rotor dans les cellules de com- pression de l'autre rotor. Le fonctionnement de cette machine est décrit en détail dans le brevet belge n 496.320 dont question plus haut.,
Un conduit 14, pour le balayage à haute pression, est prévu à cha- que extrémité de la machine, de même qu'un conduit 15 pour le balayage à bas- se pression. Comme montrée on fait comporter à chaque rotor un aubage 7 de ro- . tor de turbine.
Dans ce cas il n'existe pas un aubage de stator correspon- dant et somme le gaz doit s'écouler successivement suivant des directions op- posées entre des aubes de rotor ayant le même profil on ne doit pas s'atten- dre à un rendement élevée La fig. 13 montre, en coupe, un aubage typique qui convient à une machine de ce genre et sur la fig.
14 on montre le diagramme des vitesses pour l'aubage de la fige 13, les indications ayant les signifi- cations suivantes-. U est la vitesse périphérique, OA la vitesse -du gaz par rapport au rotor I à la sortie de celui-ci, OD est la vitesse du gaz par rap- port au rotor II en entrant dans celui-ci, OB est la vitesse du gaz par rap- port au rotor II quand le gaz pénètre dans les cellules après avoir quitté les aubes du rotor.
La fig. 12a montre une variante de la fig. 12 avec incorporation de la caractéristique de la fige 9a c'est-à-dire que les aubes de rotor 7 sont logées dans des parties élargies, dans le sens diamétral, des tambours du ro- tor pour permettre un balayage axial sur toute la longueur des cellules.
Une cloison fixe 16a, établie entre les rotors, comporte des lumières permettant l'écoulement du gaz de balayage dans. le sens indiqué par les flèches.!
Pour obtenir un meilleur rendement pour les aubages dans une ma- chine à deux rotors, on peut adopter la disposition montrée sur la figo 15 pour laquelle les rotors 1 et la sont séparés par une cloison non tournante 16 qui porte des segments d'aubages de stator 17, 18 agissant d'une manière analogue à celle des aubages 11 et 12 de la fig. 4. Les aubages 17 et 18 peu- vent, comme montré sur la fig. 15, 'comporter chacun deux rangées d'aubes.
On peut également se servir, dans chaque cas, d'une seule rangée d'aubes com- me sur la fige .16. La fig. 17 montre -un diagramme typique des vitesses pour les aubages de la figo 169 les indications ayant les significations suivan- tes:U est la vitesse périphérique, OA la vitesse du gaz par rapport au ro- tor I à la sortie de celui-ci, OB est la vitesse du gaz par rapport à une par- tie intermédiaire (stator) à la sortie du rotor I, OC est la vitesse du gaz par rapport à la partie intermédiaire à la-sortie de celle-ci et à l'entrée du rotor II, OA est la vitesse du gaz par rapport au rotor II à 1-'entrée de celui-ci et OB est la vitesse du gaz par rapport au rotor II à l'entrée des cellules et après avoir quitté les aubes du rotor.
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La fig. 15a montre une disposition qui a certains avantages pra- tiques et qui, en substance, comprend la combinaison du dispositif de la fige 15 avec la caractéristique de la figa 9a.
Dans le cas où l'on se sert d'aubages de stator, il est avanta- geux, pour des raisons résultant des différences existant entre les densi- tés du gaz., d'agencer l'ensemble de manière telle que les cellules de com- pression et de détente, adjacentes à la zone à haute pression, communiquent entre elles par des aubages de stator pour lesquels les passages des gaz ont une section transversale plus petite que ceux de la zone à basse pression.
Un exemple d'un tel agencement est montré sur la fig. 18 sur laquelle E cor- respond à l'étage de détente et C à l'étage de compression, la pression dans les cellules de détente allant en diminuant dans le sens de la flèche en C.
Comme montré., on obtient le résultat voulu en diminuant l'envergure des au- bages de stator 11 et 12 par gradins dans le sens périphérique depuis la zo- ne à basse pression vers la zone à haute pression. Suivant une variante on peut faire diminuer cette envergure d'une manière progressive et non pas par gradins. Pour augmenter l'efficacité des aubages on peut faire comporter aux aubes de rotor, coopérant avec ces aubages, des sections ayant des profils différents et établies en des endroits radiaux différents afin de,pouvoir coopérer, d'une manière plus appropriée,, avec des aubages de stator ayant une envergure particulière.
Les différentes sections des aubages de rotor peuvent être séparées par des cloisons annulaires cylindriques ou analogues qui canalisent mieux le courant gazeux pour une section particulière de l' au- bage de rotor.
Diverses variantes possibles des exemples., décrits plus haut., peu- vent être aisément imaginés. En particulier la disposition selon la fig. 15 peut comporter avantageusement les dispositifs montrés sur les fige. 10 et 11.
A cause de l'énergie mécanique, obtenue par la détente du gaz de transfert dans les aubages de turbine, on peut construire des échangeurs de pressions dont les rotors sont auto-propulseurs. Il est, toutefois, possible qu'un surplus de puissance utile soit disponible et cette énergie peut être avantageusement utilisée pour entraîner des appareils auxiliaires tels que des ventilateurs de balayage. La constitution d'une machine particulière peut être telle que la puissance totale soit subdivisée dans des proportions vou- lues entre la fourniture de gaz comprimé pour un usage extérieur et une puis- sance recueillie sur l'arbre et fournie par les aubages de turbine dans les- quels le gaz de transfert se détend. Dans un cas extrême,, la totalité de la puissance peut être recueillie sur l'arbre sans que du gaz comprimé soit dé- bité pour un usage extérieur.
Les spécialistes se rendent compte qu'il existe nécessairement une différence entre la pression dans une cellule qui est sur le point d'être balayée et la pression du gaz frais, à pression élevée ou basse, qui sert au balayage. En d'autres mots, il n'est jamais possible de comprimer le gaz à traiter jusqu'à la pression la plus élevée du cycle pu de détendre ces gaz dans les cellules de détente jusqu'à la pression la plus basse du cycle.
Ceci signifie que pour les étages de balayage il se produit nécessairement une poussée de gaz (ce qui implique une détente libre et par conséquent une perte d'énergie) vers. les cellules ou à partir de celles-ci. En amplifiant l'idée fondamentale qui est à la base de l'invention, on propose d'agencer l' ensemble de manière telle que chaque cellule, après avoir quitté un étage de compression ou de détente et avant d'atteindre l'étage de balayage, soit mise en communication, à l'aide de l' aubage de turbine décret plus haut, avec le conduit de balayage (pour permettre l'admission de gaz frais à haute ou basse pression suivant le cas) afin que la pression dans cette cellule soit rendue égale à la pression de balayage avant que la cellule n'atteigne la cel- lule de balayage,
cet équilibrage des pressions donnant lieu à une détente du gaz dans l'aubage de turbine -avec une production plus grande de travail utile.
La fig. 19 montre un dispositif qui permet d'obtenir ce résultat
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dans des machines du genre de celle montrée sur la fig. 12. On voit sur la fig. 19 que le conduit 14 pour le balayage à haute pression du rotor la est décalée dans le sens périphérique, par rapport au conduit correspondant 14 du rotor 1. On suppose que la cellule du rotor 1a, qui se trouve à l'extrême droite, a été amenée à une pression aussi élevée que possible par un trans- fert de gaz depuis les cellules de détente mais qu'elle est encore à une pression inférieure à celle du gaz frais et à pression élevée qui est four- ni au rotor par le conduit 14.
La cellule, en se déplaçant vers la gauche depuis la position montrée jusqu'à la position pour laquelle elle est ba- layée, vient en communication par l'aubage 7 avec des cellules du rotor 1 qui ont été balayées. La pression dans la cellule du rotor la est ainsi ren- due sensiblement égale à celle de l'air frais introduit par le conduit 14.
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Il se produit donc un écoulement du gaz par 11 aubage 7 depuis le rotor 1 jusque au rotor la et, par conséquente une détente de ce gaz dans l'aubage; De même, une cellule., du coté gauche du rotor 1 et quand elle-se déplace vers la droite jusqu'à une position pour laquelle elle est balayée, est ame- née à la pression la plus élevée du cycle par sa communication, à l'aide
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de 1-aubage 7. avec des cellules du rotor la qui doivent être balayées. Il en résulte que le gaz traverse l'aubage 7 depuis le rotor la vers le rotor 1 et est détendu dans cet aubage (voir les petites flèches de la fig.- 19 o .
Un effet similaire peut,, si on le désire, être obtenu pour le balayage à basse pression en décalant les conduits de balayage. Dans ce cas
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la pression dans les cellules, qui s2!approohent de l'étage de balayage doit être diminuée.
La fig. 20 montre comment on peut obtenir le même résultat dans une machine avec rotor unique comme celui de la fige 1. On a recours à un conduit en by-pass 18 qui permet d'alimenter chaque cellule avec du gaz frais admis à haute pression avant que cette cellule n'atteigne la zone de
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balayage de sorte qu2lil se produit.un écoulement de gaz depuis 121extrémité du conduit 18 par l'aubage de rotor 7 jusque dans les cellules ce qui équi- libre les pressions et fournit du travail utile. L'aubage de stator 19 est logé dans 1lex,rémité ouverte du conduit 18. On peut remplacer le conduit 18 par un conduit 18a par lequel la cellule. qui est sur le point d'être balayées est amenée en regard d'une cellule qui est en cours de balayage.
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IMPROVEMENTS TO PRESSURE EXCHANGERS The invention relates to rotary pressure exchangers (for gaseous fluids) of the type comprising at least one annu- group. area of cells for the compression or expansion of gas and in which, during operation, that is to say when there is a relative rotation between the group of cells and the adjacent parts of the machine, some cells containing compressed gas are placed in communication with other cells (of the same group or of another) which contain gas at a lower pressure,
the compression and expansion stages thus obtained acting in conjunction with heat supply and discharge stages which cause the gas to flow into the cells or out of them to compensate for the variations in volume resulting from the modification of their thermal state.,
While a compression stage cell is in communication with an expansion stage cell, there will necessarily be a flow of gas (hereinafter referred to as "transfer gas !!) from the flow. cell, in which the gas expands ,, to the cell in which the gas is to be compressed ,,
The gas stream produced for a heat input stage should not, if possible,
not exceed that necessary for the removal from the cells of the excess gas which is produced by the increase in volume resulting from the heating. Likewise, the gas stream produced for a heat removal stage should, if possible not exceed the addition of gas to the cells to compensate for the decrease in volume resulting from cooling.
In practice, it is advantageous that at least the removal of heat (and if possible also the supply of heat) takes place outside the cells and, for this purpose.9 it has been proposed that the gas streams which occur at the heat removal and supply stages, are obtained by the process (hereinafter referred to as "sweeping") by which the contents of each cell), which enter the zone for 1- ' supply (or discharge) of heat, is removed and replaced by gas which ,, to 1 .:
1 outside of cells, has
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been specially heated (or cooled) or which in each case comes from a gas source which is already at the desired high (or low) temperature.
This process for the removal and replacement of gas involves the intervention of a continuous flow of gas which passes through the cells concerned.
The points in the work cycle at which heat is supplied and dissipated depend on the use for which the machine is intended. If the pressure exchanger is used to supply hot gas at high pressure, which has to be expanded for example in a gas turbine or any other machine to provide mechanical work, the heat is supplied at a high pressure and 1-1 removing heat at reduced pressure. On the other hand, if the pressure exchanger is used as a heat pump or refrigeration machine, the opposite occurs, that is to say that the heat is supplied at low pressure and its discharge at high pressure. .
Advantageously, each annular group of cells forms a rotor. When more than one of these rotors is used, the assembly may be arranged so that the flow of the transfer gas is from the expansion cells of one rotor to the compression cells of 1- 'other.
Several exchangers of the general type in question have been described with their detailed operation in Belgian patent No. 496,320 filed on June 13, 1950 under the same name and under the title "Improvements made to pressure exchangers".
The general object of the invention is to reduce the energy losses which are inherent in such pressure exchangers. In particular, it happens, as a result of the very construction, that the transfer gas, flowing from one cell to another (if necessary through special conduits), necessarily undergoes a certain expansion. free which does not produce any useful work for compressing a gas in a compression cell, which therefore corresponds to a loss of energy, The invention relates to a heat exchanger of the type specified in which the current of Transfer gas is passed through turbine blades or the like so that part of the energy of this gas is extracted in the form of mechanical work.
This work can be used to rotate the rotor (s) of the pressure exchanger or to help achieve this rotation and it can also be used, if possible, to provide energy collected on the shaft of this or of these rotors.
In general, the invention also consists of a pressure exchanger, of the type specified, which comprises at least one rotor suitable for forming (if necessary together with the non-rotating part of the machine) an annular group. cells, said rotor comprising turbine blades which, during operation, receive the transfer gas which flows from the expansion cells to the compression cells. Use is then preferably made of a device with fixed vanes arranged in such a way that these vanes can collect the transfer gas discharged by the rotating vanes of an expansion cell and can suitably guide the gas collected towards the rotating vanes of a compressor cell of the same rotor or of another.
The arrangement may be such that the mechanical work, provided by the blades, is only sufficient to drive the rotor or rotors. It may also be suitable both for driving the rotor (s) and for supplying a certain external power using the shaft of the rotor (s), the remaining part of the useful work of the rotor. 'pressure exchanger being expended for the flow of a high pressure gas for outdoor use, for example in a gas turbine. The arrangement may be such that the total work, provided by the pressure exchanger, is subdivided in any desired proportion between the supply of a flow of compressed gas for external use and the production of the mechanical power for it. transfer gas, this power being collected on the shaft.
In an extreme case, the totality of the useful external work can be obtained by the power collected on
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the shaft while essentially no compressed gas is produced for external use. It is, however, preferable that the pressure exchanger only supplies such mechanical energy as to consume heat which would otherwise be lost during the exchange of pressures. This energy can be used to drive not only the cell rotor (s) but also certain accessories such as fans or compressors for the scavenging or auxiliary compressors to supply the scavenging gas.
The pressure exchangers according to the invention are preferably constituted in such a way that the communication between a control cell
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pressure and an expansion cell is interrupted before the end of the flow of the transfer gas ,,,
The accompanying schematic drawings show, by way of examples, several embodiments of the invention. It has been assumed, for all the examples which will be described, that each annular group of cells is
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As part of a rotor, the cells are scanned for both the heat supply stage and the heat discharge stage.
We. also admits in what follows that the machines described are intended to supply hot gas under pressure.
Figs. 1 to 7 of these drawings show ,, respectively in section
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axial along I-I pin 41J in cross section along II-II fig. z in section according to III-III fig. 1, in section according to IV-IV fridge 1. in section according to V-V fig 1, in end view and in section according to VII-VII fig. 4, a pressure exchanger established according to the invention.
Fig. 8 shows, developing in a circumferential plane,
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part of the apparatus of fig, 1.
Fig. 9 shows a speed diagram for the blades of
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turbine of figo 80 The fridge 9a shows a variant of the apparatus of fig. 1.
Fig. 10 shows, similarly to fig 4, another variant.
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Fig. 7L shows, similar to i.go 3, a variant used in conjunction with that of fig 100 Figs. 7a and lob show, in schematic development, examples of rotor anbages which are suitable for the device of fig, 11.
Figo 12 shows, in axial section like that of fig. $ 7 a pressure exchanger with two rotors rotating in opposite directions.
Fig. 12a shows, similarly, a variation for a part of the apparatus of fig. 1 to incorporate therein a feature shown in fig. 1.
The ± go 13 shows, in development in a circumferential plane4 a part of the apparatus of fig. 12
Fig. 14 shows a speed diagram for the blades
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turbine of fig. I, 3 Fig. 15 shows, similarly to fig. 72, a pressure exchanger with two rotors rotating in opposite directions and separated by a non-touluanteo partition
Fig. 15a shows a combination of the devices of figs.15 and 9a.
Fig. 16 shows, developing in a circumferential plane
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tiel, part of the apparatus of FIG. 15.
Fig. 17 shows a speed diagram for the turbine blades of FIG. 160
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Fig, 18 shows, similar to figo /, another variant.
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Fig. 19 watches developing in a circumferential plane of fig. 12, another feature of the invention.
Fig. 20, roughly similar to fig. 19, shows the use for an apparatus with a single rotor of the characteristic shown in fig 19.
The pressure exchanger, shown in figs. 1 to 7, comprises a rotor 1 formed by an internal cylinder 2 and an external cylinder 3 and between these cylinders are interposed radial partitions 4 separating the cells 5. For this particular example, a counter-current sweep is used and for this reason the rotor also comprises a cylindrical partition 6 which subdivides the cells into internal and external radial parts. The rotor comprises, at one of its ends, a ring 7 formed by blades of a turbine rotor, the cells 5 being closed at this end with the exception of the passages provided for the blades. At their other end the cells 5 are open, as shown in FIG. 2.
The rotor can rotate in a casing 8 with end walls 9 and 10, the wall 9 carrying segments 11 and 12 formed by stator vanes and the gas passages between the vanes communicate with conduits 13 for the flow. transfer gas ;. Several passages between the vanes can communicate with a cell and each duct 13 can also communicate with more than one of these passages as long as during operation there is no communication between the cells except where necessary. for the exchange of pressures.
Assuming that the rotor turns in the indirect (clockwise) direction with respect to FIG. 4, the duty cycle is as follows
AD is the expansion stage, DC is the low pressure sweep stage during which the heat is removed, CD is the compression stage and BA is the high pressure sweep stage during which heat input occurs.
The scavenging slots, formed in the end wall 10, are connected to a suitable pipe for which, as shown in fig. 7, the conduit 14 serves for high pressure purging and the conduit 15 for low pressure purging. For the example shown, it is assumed that the gases discharged for the high pressure purging receive a heat input. from the outside, for example by burning a fuel in these gases in a combustion chamber, after which these gases are divided into two parts, one of which is returned to the pressure exchanger to recharge the cells by the high pressure sweeping and the other of which is supplied to a place of use, for example a separate installation with gas turbine.
Fig. 8 shows an example of the turbine blades which are suitable for the machine shown in Figs. 1 to 7. It can be seen that the rotor blades 7 function as reaction vanes for the transfer gas which leaves the cells I, that is to say those which are in expansion, and as impulse vanes. for gases entering cells II, that is to say those which are in compression. The stator vanes 11 and 12 are constructed in such a way that they receive, with a minimum loss of energy, the transfer gas discharged from the cells and suitably direct the flow of these gases to the rotor vanes of a compression cell.
Fig. 9 shows a typical diagram of the speeds for the blades of fig 8, the indications being the following U is the peripheral speed OA the speed of the gases with respect to the rotor, at the exit of the cells I, OB la speed of the gases with respect to the stator at the inlet of the cells I, OE the speed of the gases with respect to the stator when the gases leave the latter to enter the cells II, 0F is the speed of the gases with respect to the rotor at the inlet of cells II and OB is the speed of the gases with respect to the rotor when these gases enter cells II after leaving the rotor blades.
Fig. 9A shows a machine similar to that of FIG. 1 but
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where the cells have scan lumens at both ends to allow full axial scanning. In this case the blades 7 of the rotor are located in a part of larger diameter of the rotor so that the flow of the scavenging gases can bypass the blades in bypass in a radial zone towards the interior. The blades 11, 12 of the stator are also and necessarily in a part with a larger diameter.
Figures 10 and 11 show a variant which makes it possible to obtain a greater efficiency for the blades for the reason that in a device according to fig. 8 the transfer gas passes through the rotor blades first in one direction and then in the other. To achieve this result, segments 11 and 12 of these blades can be set at different distances from the shaft, as shown in fig.
10, and the rotor comprises two concentric series of blades 16 and 17, the blades 11 of the stator and those 16 of the rotor being arranged so as to come to face each other for a flow of gas in one direction while the blades 17 of the rotor and those 12 of the stator may correspond for a flow of gas in the other direction. It is easily understood that during operation the particular blade not used is covered by a non-perforated part of the wall 9. The figso 11a and 11b show schematic sections of the blades 16 and 17 of the rotor.
The machine, shown in fig. 12, comprises two rotors 1 and rotating it in opposite directions in a casing 8. In this case, conduits, similar to those designated by 13, do not exist and the transfer gas flows directly from the expansion cells. of one rotor in the compression cells of the other rotor. The operation of this machine is described in detail in Belgian Patent No. 496,320 referred to above.,
A duct 14, for the high pressure sweeping, is provided at each end of the machine, as is a pipe 15 for the low pressure sweeping. As shown, each rotor is provided with a ro- blading 7. turbine tor.
In this case, there is no corresponding stator blading and, after all, the gas must flow successively in opposite directions between rotor blades having the same profile. high efficiency Fig. 13 shows, in section, a typical blading which is suitable for a machine of this kind and in FIG.
14 shows the speed diagram for the blade blade 13, the indications having the following meanings-. U is the peripheral speed, OA the speed of the gas with respect to the rotor I at the exit of the latter, OD is the speed of the gas with respect to the rotor II when entering it, OB is the speed of the gas with respect to rotor II when gas enters the cells after leaving the rotor blades.
Fig. 12a shows a variant of FIG. 12 with incorporation of the feature of the pin 9a i.e. the rotor vanes 7 are housed in diametrically widened parts of the rotor drums to allow axial sweeping over the entire length cells.
A fixed partition 16a, established between the rotors, has ports allowing the flow of the scavenging gas into. the direction indicated by the arrows.!
To obtain a better efficiency for the blades in a machine with two rotors, the arrangement shown in figo 15 can be adopted for which the rotors 1 and 1a are separated by a non-rotating partition 16 which carries segments of the blades. stator 17, 18 acting in a manner analogous to that of the blades 11 and 12 of FIG. 4. The blades 17 and 18 can, as shown in fig. 15, 'each have two rows of blades.
It is also possible to use, in each case, a single row of vanes as in fig. 16. Fig. 17 shows a typical diagram of the speeds for the blades of fig. 169, the indications having the following meanings: U is the peripheral speed, OA the speed of the gas with respect to the rotor I at the exit of the latter, OB is the speed of the gas with respect to an intermediate part (stator) at the exit of the rotor I, OC is the speed of the gas with respect to the intermediate part at the exit of the latter and at the inlet of the rotor II, OA is the speed of the gas with respect to the rotor II at the inlet thereof and OB is the speed of the gas with respect to the rotor II at the inlet of the cells and after leaving the rotor blades.
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Fig. 15a shows an arrangement which has certain practical advantages and which in substance comprises the combination of the device of fig 15 with the feature of fig 9a.
In the case where stator blades are used, it is advantageous, for reasons resulting from the differences existing between the densities of the gas., To arrange the assembly in such a way that the cells of the gas. compression and expansion, adjacent to the high pressure zone, communicate with each other by stator vanes for which the gas passages have a smaller cross section than those of the low pressure zone.
An example of such an arrangement is shown in fig. 18 on which E corresponds to the expansion stage and C to the compression stage, the pressure in the expansion cells decreasing in the direction of the arrow at C.
As shown, the desired result is obtained by decreasing the span of the stator vanes 11 and 12 in steps in the peripheral direction from the low pressure area to the high pressure area. According to one variant, this span can be reduced in a progressive manner and not in steps. To increase the efficiency of the blades, the rotor blades, cooperating with these blades, can be made to include sections having different profiles and established at different radial locations in order to be able to cooperate, in a more suitable manner, with stator vanes having a particular span.
The different sections of the rotor blades can be separated by cylindrical annular partitions or the like which better channel the gas stream for a particular section of the rotor blade.
Various possible variations of the Examples, described above, can easily be imagined. In particular the arrangement according to FIG. 15 can advantageously comprise the devices shown on the figs. 10 and 11.
Because of the mechanical energy, obtained by the expansion of the transfer gas in the turbine blades, it is possible to build pressure exchangers whose rotors are self-propelling. It is, however, possible that a surplus of useful power is available and this energy can be advantageously used to drive auxiliary devices such as sweeping fans. The constitution of a particular machine can be such that the total power is subdivided in desired proportions between the supply of compressed gas for external use and a power collected on the shaft and supplied by the turbine blades in which the transfer gas expands. In an extreme case, all of the power can be collected from the shaft without compressed gas being released for outdoor use.
Those skilled in the art realize that there is necessarily a difference between the pressure in a cell which is about to be swept and the pressure of the fresh gas, at high or low pressure, which is used for the sweep. In other words, it is never possible to compress the gas to be treated up to the highest pressure of the cycle or to expand these gases in the expansion cells to the lowest pressure of the cycle.
This means that for the scavenging stages there is necessarily a gas surge (which implies a free expansion and consequently a loss of energy) towards. cells or from them. By amplifying the fundamental idea which is the basis of the invention, it is proposed to arrange the assembly in such a way that each cell, after having left a compression or expansion stage and before reaching the stage of. sweep, or put in communication, using the turbine blading decree above, with the sweep duct (to allow the admission of fresh gas at high or low pressure as the case may be) so that the pressure in this cell is made equal to the sweep pressure before the cell reaches the sweep cell,
this balancing of the pressures giving rise to an expansion of the gas in the turbine blade - with a greater production of useful work.
Fig. 19 shows a device that achieves this result
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in machines of the kind shown in FIG. 12. It can be seen in FIG. 19 that the duct 14 for the high pressure sweeping of the rotor 1a is offset in the peripheral direction, with respect to the corresponding duct 14 of the rotor 1. It is assumed that the cell of the rotor 1a, which is at the far right, has been brought to as high a pressure as possible by a transfer of gas from the expansion cells but still at a pressure lower than that of the fresh and high pressure gas which is supplied to the rotor through the duct 14.
The cell, moving to the left from the position shown to the position for which it is scanned, comes into communication through the blading 7 with cells of the rotor 1 which have been scanned. The pressure in the cell of the rotor 1a is thus made substantially equal to that of the fresh air introduced through the duct 14.
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There is therefore a flow of gas through 11 blading 7 from the rotor 1 to the rotor 1a and, consequently, an expansion of this gas in the blading; Likewise, a cell, on the left side of rotor 1 and when it moves to the right to a position for which it is swept, is brought to the highest pressure of the cycle by its communication, to ugly
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1-vane 7. with rotor cells 1a which must be swept. As a result, the gas passes through the vane 7 from the rotor 1a to the rotor 1 and is relaxed in this vane (see the small arrows in fig. - 19 o.
A similar effect can, if desired, be obtained for low pressure sweeping by shifting the sweep conduits. In that case
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the pressure in the cells, which approaches the scanning stage, must be decreased.
Fig. 20 shows how the same result can be obtained in a machine with a single rotor such as that in freeze 1. A bypass duct 18 is used which allows each cell to be supplied with fresh gas admitted at high pressure before this cell does not reach the area of
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sweeping so that a flow of gas occurs from the end of the conduit 18 through the rotor blade 7 into the cells which balances the pressures and provides useful work. The stator blading 19 is housed in 1lex, closed with the duct 18. The duct 18 can be replaced by a duct 18a through which the cell. which is about to be scanned is brought next to a cell which is being scanned.