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AMELIORATION AU TRANSFERT DE LA CHALEUR.
La présente invention est relative au transfert de la chaleur et se rapporte, dans ses aspects les plus larges, au transfert de la chaleur en- tre un corps solide et un milieu fluide. Plus spécialement, l'invention est relative au transfert de la chaleur entre un corps solide et un agent fluide gazeux, et encore plus particulièrement, l'invention se rapporte à 1?échange de chaleur indirect entre deux fluides différents dont l'un ou l'autre ou les deux peuvent être liquides ou gazeux,, par transfert de chaleur aux et des différents fluides et à ou d'un corps solide avec lequel les fluides sont sé- parément en contact superficiel.
L'objet général de l'invention est de procurer un échange de cha- leur à de grands taux de transmission par unité de surface de la surface d'é- change de chaleur, pour produire ce transfert avec une dépense minima de puis- sance pour réaliser le mouvement relatif entre les corps qui échangent la cha- leur,et dans certains de ses aspects pour utiliser le mouvement du corps so- lide échangeur de chaleur pour créer en tout ou en partie l'écoulement néces- saire du fluide ou des fluides avec lesquels le corps solide est en relation d'échange de chaleur.
Pour atteindre les buts généralement indiqués ci-dessus et d'autres buts plus détaillés apparaissant ci-après, l'invention présente un corps soli- de tournant sous forme d'un rotor ayant plusieurs ailettes ou nervures circu- laires avec des-canaux intercalaires sous forme de rainures concentriques à l'axe de rotation du rotor, à quoi est associée une construction fixe au point de vue rotation ayant des éléments déflecteurs qui s'étendent dans les rainu- res et des moyens de couverture pour les rainures, cette construction étant en outre combinée avec des moyens assurant des passages de transfert pour le flui- de conducteur vers des et à partir de différentes rainures suivant des princi- pes décrits plus en détails ci-après,,
avec pour conséquence un nouveau carac-
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tère découlement qui produit les résultats perfectionnés recherchés par 1' intention.
L'invention est particulièrement adaptée à l'échange de chaleur entre deux fluides gazeux pour des buts tels que le préchauffage d'air uti- lisé pour la combustion., dans les cas de chaleur à récupérer extraite de gaz de combustion provenant dappareils tels que des chaudières d'installations productrices de puissance et de moteurs à combustion interne et de turbines à gaz.
L'invention sera par conséquent décrite ci-après à titre d'exemple mais sans limitation, comme appliquée à une construction de préchauffage d'air, mais il sera entendu que les principes de l'invention sont susceptibles d'è- tre employés dans beaucoup d'autres applications et que pour certaines de ces applications,, les principes de l'invention dans ses aspects les plus larges peuvent être mis en oeuvre avec seulement certaines particularités de la cons- truction décrite ci-après au sujet d'un appareillage de préchauffage d'air choi- si à titre d'exemple
Pour une meilleure compréhension de la nature plus détaillée de l'invention, la manière dont elle peut être mise en pratique et les avantages qu'on peut retirer de son emploi,
on se reportera pour le mieux à la partie subséquente de cette description, considérée avec les dessins ci-annexés qui en font partie,dans lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale plus ou moins schémati- que suivant la ligne 1-1 de la figure 2, d'un appareil de préchauffage d'air réalisant les principes de l'inventiono - la figure 2 est une coupe transversale fragmentée faite suivant la ligne 2-2 de la figure 1; - la figure 3 est une vue en plan fragmentée prise suivant la ligne 3-3 de la figure 2 et avec certains éléments indiqués en traits inter- rompus dans un but de clarté; - la figure 4 est une vue perspective fragmentée d'une partie de la construction montrée aux figures précédentes et avec certains éléments omis dans un but de clarté;
- la figure 5 est une vue semblable à la figure 3 montrant un a- gencement structural différent de certaines parties polir produire un caractère modifié de 1?écoulement du fluide; - la figure 6 est une coupe transversale fragmentée, suivant la ligne 6-6 de la figure 5; - la figure 7 est une perspective fragmentée semblable à la figure 4,de 1?agencement montré à la figure 5; - la figure 8 est une vue semblable aux figures 3 et 5 montrant un autre agencement de la construction pour produire un écoulement de fluide de caractère différent de celui montré aux figures 3 et 5; - la figure 9 est une coupe transversale fragmentée suivant la lig- ne 9-9 de la figure 8; - la figure 10 est une coupe longitudinale fragmentée suivant la ligne 10-10 de la figure 8;
- la figure 11 est une vue semblable à la figure 8. montrant une construction présentant un caractère découlement du fluide modifié par rap- port à celui de la figure 8; - la figure 12 est une coupe longitudinale semblable à la figure 1 montrant un appareil réalisant 11invention et ayant une forme de rotor dif- férente de celui de la figure 1, et - la figure 13 est une coupe transversale fragmentée faite suivant la;ligne 13-13 de la figure 12.
En se reportant maintenant plus particulièrement aux figures 1 à
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4, l'appareil comprend un rotor indiqué généralement par 10, ayant un arbre
12 et un tambour creux défini par une paroi terminale radiale 16, une paroi- cylindrique 18 et une seconde paroi radiale 20. La paroi cylindrique 18 por- te un grand nombre d9ailettes ou nervures radiales 22 extérieures espacées axialement, laissant entre elles un grand nombre de canaux ou rainures annu- laires extérieures 24. Le tambour porte en outre de nombreuses nervures in-- térieures similaires 26 donnant lieu. à un grand nombre de rainures intérieu- res annulaires 28.
Au rotor est associée une construction qui ne tourne pas, compre- nant un élément de carter interne creux du genre d'un tambour indiqué géné- ralement par 30. La pièce 30 est montée coaxialement au rotor et a une paroi enveloppe cylindrique 32 écartée radialement des bords intérieurs des nervu- res intérieures 26. En outre elle est pourvue d'une entrée 34 à une extrémité et de sorties 36 à l'autre extrémité.
La construction immobile comprend encore une paroi enveloppe exté- rieure du genre d'un tambour 38 entourant le rotor et écartée radialement des nervures extérieures 32. La construction immobile a encore en outre des parois d'extrémités 40 et 42, la première s'étendant vers 1?intérieur au delà de la paroi d'extrémité 16 du rotor jusqu'à l'arbre 12 du rotor où une garniture d' étanchéité 41 peut tre employée, et la dernière s'étendant vers l'intérieur jusqu'à la partie d'entrée 34 de la pièce 30. Un conduit d'entrée 44 pour le fluide communique au moyen d'une ouverture 46 à une extrémité du rotor avec l'espace 48 entre la paroi de rotor 18 et l'enveloppe extérieure 38.
Cet es- pace communique à l'autre extrémité du rotor,par une ouverture 49,avec les sorties 50 et 52. La paroi 54 s'étend vers l'intérieur jusqu'à une fermeture ou garniture étanche indiquée par 56 et avec la paroi 42 présentant un conduit de sortie 58 qui communique avec l'espace 60 entre la paroi de rotor 18 et la paroi 32 de la pièce 300
Dans la forme de réalisation de l'appareil illustré, l'un des flui- des, par exemple de l'air à chauffer, pénètre dans la pièce 30 par l'entrée 34 et coule dans la direction des flèches 62 à travers la pièce 30. De cet es- pace l'air s'écoule généralement de la droite à la gauche comme on le voit à la figure 1 et d'une manière décrite ci-après en détail, par l'espace 60 entre le tambour de rotor 18 et la paroi 32 de la pièce 30, et de cet espace au con- duit de sortie 58.
Du fluide chaud,tel que des gaz de combustion usés, entre dans la direction indiquée par la flèche 64 par le conduit d'entrée 44 et l'ouver- ture 46, dans l'espace 48 entre le tambour de rotor 18 et la paroi envelop- pe extérieure 38. Le gaz s'écoule généralement de la gauche vers la droite comme on le voit à la figure 1 à travers cet espace d'une manière qui sera dé- crite ci-après et par l'ouverture 50 au conduit de sortie 52.
La paroi 32 de la pièce 30 porte plusieurs pièces déflectrices
66 s'étendant suivant l'axe du rotor et réparties périphériquement autour de la circonférence de la paroi 32. Ces pièces ont une forme de peigne ayant plusieurs doigts 68 s'étendant dans les et remplissant sensiblement les sections transversales des rainures 28. Des pièces déflectrices similaires en forme de peignes 70 s'étendent vers l'intérieur depuis la paroi d'enveloppe extérieure
38 et sont pourvues de doigts 72 remplissant sensiblement les sections trans- versales des rainures 24 du rotor.
A l'extérieur des nervures 22 et situées périphériquement à dis- tance les unes des autres entre les pièces déflectrices 70, un certain nombre d'éléments de couverture 74 s'étendent axialement en rapport étroit avec les crêtes des nervures 22. Ces pièces de couverture sont portées par des plaques de division ou de guidage 76 portées par la paroi d'enveloppe 38, corame on le verra plus clairement de la figure 2. Ces divisions s'étendent périphériquement d'un des déflecteurs 70 au voisin et comprennent des parties centrales obli- ques 78 recouvrant les éléments de couverture 74 et des parties terminales d'extrémités 80.
Les parties terminales 80 de ces divisions s'étendent au delà des bords des pièces de couverture jusqu'aux déflecteurs voisins et divisent
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les espaces entre les bords des plaques de couverture et les défiée-' . teurs en deux séries de passages alignés axialement entre chaque fois deux
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déflecteurs voisins. Une série de tels passages est indiquée par 84g 84a.', 81,.b et 84cy aux figures 3 et 4.
Ces passages donnent communication entre les sec- teurs des rainures 24 entre les déflecteurs voisins et l'espace entre les dé- flecteurs qui se trouve radialement à l'extérieur des pièces en plaques de
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couverture bzz,., ce dernier espace étant partagé par les divisions en une sé- rie de passages de transfert obliques comme indiqué en 86, 86a, 86b et 86c aux figures 3 et 4, ces passages étant définis par la plaque de couverture 74, les parties radialement extérieures des déflecteurs 70, la paroi d'en- veloppe extérieure 38 et les divisions 76.
Radialement à l'intérieur du tambour de rotor 18, est prévue une
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aonstraction semblable comprenant des plaques de couverture 88 disposées au voisinage des crêtes des nervures intérieures 26 et une série de plaques de division ou de guidage 90 pour soutenir les plaques de couverture et formant une série de passages 92 et 94, et en même temps que les plaques de couver- ture 88,la paroi intérieure denveloppe 32 et les déflecteurs voisins inté- rieurs 66,donnant des passages de transfert obliques 96 similaires aux passa- ges 86.
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Les passages de transfert 86 et 96 diffèrent en ce quails sont obliques en directions opposées par rapport à l'axe du rotor.
Le fonctionnement de l'appareil décrit est le suivant.
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Considérant daabord le gaz entrant par le conduit 44 et l'ouver- ture 46, ce gaz pénètre radialement dans un groupe de rainures 22 par les lu- mières d9admissian 82 distribuées tout autour de la périphérie de la construc- tion. On supposera que le rotor tourne dans le sens des flèches 98 de la fi- gure 4,le frottement entre les gaz et la surface des nervures mobiles fera
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que les gaz s9écouleront dans les rainures pour se déplacer périphériquement dans le sens de rotation du rotor sous la plaque de couverture 74 jusqu'à ce que les gaz soient forcés de s'écouler radialement hors des rainures par les doigts 72 des pièces déflectrices 70, qui font dans les rainures l'effet d'ar- rêts ou de barrages.
Si on considère maintenant l'action des courants de gaz dans la partie de 1-'appareil montrée à la figure 3, il sera évident que les courants entrant dans les rainures par la lumière 82 et rejetés des rainures par la lu- mière 84 s'écoulent obliquement par le passage de transfert 86a et la lumière 82a vers un jeu voisin de rainures au travers desquelles le courant s'écoule-
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ra jusqu9à ce qu'il soit rejeté par la lumière 84a dans le passage de trans- fert 86c qui véhicule les gaz vers la lumière d'entrée 82b d'un jeu suivant de rainures.
Cet effet est répété jusqu9à ce que le gaz atteigne l'extrémité de décharge du rotor et il sera évident diaprés la figure 4 que la colonne de gaz entrant par la lumière 82, qui est divisée en courants individuels dans les rainures, voyage suivant ce que l'on peut appeler un trajet hélicoïdal pour s'éoouler le long du rotor entre deux déflecteurs voisins.
De la descrip- tion qui précède, il sera évident que périphériquement au rotor il y aura une série de telles colonnes de gaz, chacune confinée entre deux déflecteurs voi- sins et se déplaçant en général suivant des voies hélicoïdales le long du ro- toro
L'effet concernant l'écoulement par les rainures entre les flas- ques intérieurs 26 est le même que décrit aussi pour l'appareil supposé, l'air
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entre par le conduit 34 et est divisé en un certain nombre de colonnes d9air, chacune s9écoulant entre les déflecteurs voisins suivant un trajet générale- ment hélicoïdal le long du rotor du conduit de sortie 580
Alors que les gaz et l'air s'écoulent tous deux périphériquement dans la direction du rotor, pendant qu'ils sont dans les rainures,
il sera évident diaprés la figure 1 que la relation générale d'écoulement entre les deux fluides est 1'écoulement à contre-courant, le gaz le plus chaud étant
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en relation d'éehange de chaleur avec la partie du rotor en contact avec l'air
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le plus chaud et le gaz le plus froid étant en relation d'échange de chaleur avec la partie du rotor à laquelle est admis l'air entrant le plus froid.
L'effet de l'appareil a été décrit ci-dessus comme appliqué au préchauffage de l'air de combustion par des gaz brûlés et dans une telle ap- plication il est généralement préférable de faire passer les gaz par les rai- nures extérieures des tambours et 1-'air par les rainures internes puisque le' volume de gaz passant par l'appareil dans de telles applications est générale- ment plus grand que le volume d'air.
La construction des nervures extérieures est aussi plus facile à nettoyer des matières solides telles que la suie et les cendres déposés par les gaz de combustion relativement saleso Pour ce qui concerne le fonctionnement de base, toutefois,il est évident que si on le désira le milieu chaud peut passer par les rainures intérieures, et le milieu à chauffer par les rainures extérieures, le choix étant dirigé par la nature et les caractéristiques des milieux employés et l'échange de chaleur désiré entre eux.
Comme il est bien connu, le taux de transmission de chaleur entre un fluide et un corps solide est, entre autres, une fonction de la vitesse re- lative entre les deux, et par le présent-agencement une grande vitesse relati- ve entre le rotor et les fluides gazeux peut être facilement maintenue.
Egale- ment en limitant l'écoulement ininterrompu des fluides dans les rainures in- dividuelles à des secteurs de longueur prédéterminée,le caractère de l'écou- lement peut être contrôlé de manière à produire un taux élevé de transmission de chaleur non seulement à cause de la grande vitesse relativemais aussi à cause du fait que la vitesse absolue du fluide peut être maintenue à une va- leur suffisamment basse pour empêcher une turbulence de nature non désirée, Si la vitesse est assez basse,
un écoulement généralement laminaire peut être maintenu sauf aux couches superficielles ou se produisent de petits tourbil- lons secondaires tournant autour daxes normaux à la ligne générale découle- mente Ces tourbillons sont désirables du point de vue de l'échange de chaleur et ne créent pas beaucoup de résistance à l'écoulement, et puisque les rainu- res sont de préférence en général relativement profondes et étroites, la tur- bulence à tourbillons des couches superficielles est suffisante pour amener la majeure partie du courant fluide en contact d9échange de chaleur avec la sur- face solide.
Si le courant dans une rainure déterminée peut être accéléré jus- qu'à prendre une vitesse absolue trop grande,, en sorte que sa vitesse relati- ve par rapport à celle-des parois de la rainure est faible,en lui permet- tant de voyager suivant un trajet trop long dans une rainure déterminée;, non seulement est réduite en conséquence la différence de températures et le taux de transmission de chaleur, mais il peut se produire aussi une turbulence ro- tative dans le plan de rotation, qui est indésirable. En outre, en éjectant le fluide des rainures après un voyage de longueur déterminée et en transférant le fluide à un autre jeu de rainures,on assure que tout le fluide dans un courant ou une colonne donnés est mis en relation intime d'échange de chaleur avec la surface de transfert de chaleur.
Le nombre, l'écartement, la forme en section et Paire d'écoule- ment des rainures peuvent varier largement suivant la nature des conditions déchange de chaleur à satisfaire, le caractère du fluide ou des fluides con- sidérés;, les températures entrée et les températures désirées à la sortie, les volumes à traiter, les pressions et d'autres facteurs spécifiques. Ces facteurs affecteront aussi la longueur des trajets d9écoulement des courants dans les rainures individuelles, le groupement des rainures, qui peut, par ex- emple, être tel dans un cas extrême que chaque "groupe" peut comprendre une seule rainure.
Dans la forme de réalisation décrite les rainures ont, dans un but de simplicité, été montrées de sections transversales égales, entre des nervures à l'écartement uniforme. Il est évident cependant que dans des cas ou un gaz est refroidi de façon importante et se contracte beaucoup pendant son écoulement dans 1'appareil, et qu'on désire maintenir une vitesse d'écou- lement relative constante, les nervures peuvent être plus rapprochées à l'ex- trémité plus froide qu'à l'extrémité plus chaude pour compenser la contrac- tion.
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Egalement, dans un appareil ou le trajet d9écoulement est relati- vement long et se fait par un grand nombre de secteurs de rainures l'effet cumulatif du frottement peut avoir pour conséquence une vitesse plus grande que désirée à travers 1?appareil quand une colonne fluide voyage dans tous les cas par les nervures dans le sens du mouvement du rotor, comme illustré par exemple à la figure 4. Cette condition peut être facilement évitée par 1?appareil fonctionnant pour inverser le sens d9écoulement dans un certain nombre choisi de secteurs en sorte que dans ces secteurs le fluide qui s'écou- le dans les rainures progresse en sens contraire du mouvement du rotor, et aux figures 5 à 7 on a illustré une forme de réalisation de 1?appareil conve- nant pour- réaliser cela.
Dans sensiblement toutes les particularités l'agence- ment est le même que décrit ci-avant et les parties correspondantes sont dé- signées par les mêmes références. La différence entre les constructions est qu'en tout espace ou tous espaces choisis, comme on le voit plus particuliè- rement aux figures 5 et 7, le sens de pente de la partie oblique 78 des piè- ces de division 76 est inversé comme indiqué en 78a en sorte que si on com- pare les figures 3 et 5et les figures 4 et 7 respectivement, on verra que le fluide s'écoulant des rainures par la lumière de sortie 84a, s'écoule axia- lement dans l'agencement des figures 5 et 7 vers la lumière d'entrée 82b qui est en fait une suite axiale de la lumière de sortie 84a.
De la lumière de sortie 82ble fluide s'écoule par les rainures en sens contraire au sens du mouvement du rotor vers la lumière de sortie 84b qui dans cette forme de réalisation est du même côté de l'élément de couverture 74 que les lumières d'entrée 82 et 82a. Dans la forme de réalisation illustrée, le courant en sens contraire est porté à travers un certain nombre de groupes de rainures, mais il est évident que cet agencement spécifique peut être modifié à volon- té en ce qui concerne le nombre et 1-'agencement des passages par les rainu- res dans lesquelles le fluide s'écoule en sens contraire à celui de la rota- tion du rotors, comparativement aux passages dans lesquels 1-,écoulement se fait dans le même sens.
En tout cas, il sera visible que dans les passages où le courant est en sens contraire au sens de rotation du rotorg le frottement pro- duira un effet de décélération, etpar un choix convenable, pour un modèle don- né,le taux d'écoulement de fluide â travers l'appareil comme un tout peut e- tre facilement dirigé pour convenir aux conditions du cas d'espèce.
Comme remarqué plus haut, les rainures sont de préférence relati- vement profondes et étroites et le rapport de la profondeur à la largeur des rainures peut dans beaucoup de cas être jusqu9à 1 0 à 1, ou morne beaucoup plus grand. Avec de telles rainures relativement profondes et étroites., le taux de transfert de chaleur dans les rainures est augmenté en prévoyant des doigts de guidage auxiliaires montrés en 102 et 104 à la figure 2, lesquels doigts s'étendent seulement partiellement sur la pleine profondeur des rai- nures et sont situés de telle façon qu'ils servent à diviser et à guider le fluide entrant dans les secteurs de rainures et en sortant par les lumières respectives dentrée et de sortie.
Ces doigts peuvent être des pièces du gen- re de peignes similaires aux éléments déflecteurs 70 et portés de toute fa- gon convenable comme des parties de la construction immobile, en remarquant que dans la présente forme de réalisation ces pièces de guidage doivent être écartés radialement des parois cylindriques 32 et 38 respectivement de la construction fixe puisque le fluide doit s'écouler sur les sommets de ces élé- ments de guidage dans son écoulement entre les différentes lumières et les passages de transfert. Dans un but de clarté, ces éléments de guidage ont été représentés en pointillés à la figure 3 et ont été omis de la représentation de la figure 4.
Le nombre et les agencements spécifiques des doigts de gui- dage à toute lumière particulière ou série de lumières peuvent être modifiés pour s'adapter aux conditions individuelles nécessaires dans le but d'obtenir une distribution plus avantageuse de l'écoulement du fluide dans la profon- deur de la rainure.
Il peut aussi dans certains cas être désirable de prévoir des lu- mières dentrée de plus grande étendue périphérique que celle des lumières de sortie y plutôt que des lumières d9aire égale comme montrées sur 1?appareil illustré.
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Il sera évident en outre que d'après la nature de 11' appareil dé- critoutre qu'il agit comme échangeur de chaleur l'appareil peut aussi four- nir la puissance nécessaire pour créer l'écoulement des milieux fluides et par exemple lorsqu'il est employé comme préchauffeur d'air, il peut consti- tuer les seuls moyens nécessaires pour produire le tirage forcé nécessaire de 1?air de combustion et également la force nécessaire pour aspirer les gaz brûlés. Ainsi l'appareil permet d9éliminer entièrement les ventilateurs sé- parés de tirage forcé et d'aspiration ou de diminuer de manière importante les besoins en puissance nécessaires pour ces ventilateurs en agissant comme ventilateur combiné dans les deux buts.
Dans les deux formes de réalisation décrites plus haut,la cons- truction immobile est agencée de telle sorte que les colonnes fluides s'écou- lent en direction généralement axiale de bout en bout des rotorso Cet agen- cement,cependantg peut être modifié et aux figures 8 à 10, on a illustré une autre forme de réalisation dans laquelle on a prévu un trajet différent d'é- coulement pour les colonnes d'air. Dans cet exemple, l'agencement général du rotor et de la construction immobile sont comme montrés à la figure 1 et les parties correspondantes sont indiquées de même façon.
Dans la présente cons- truction, les éléments déflecteurs présentant les doigts qui s'étendent dans les rainures ne s'étendent pas de bout en bout du rotor mais sont décalés en périphérie comme indiqué en 70a, 70b, SI 700, 70d et 70e à la figure 8.Chacun de ces déflecteurs décalés coexiste avec un groupe de rainures dont le nombre peut être choisi à volonté, coexistant axialement avec les déflecteurs.
Une série de jeux de pièces de couverture du genre de boites 106 et 108, dont les fonds procurent respectivement les éléments de couverture 74 et 88 situés res- pectivement au-dessus des rainures de rotor intérieures et extérieures., Les parois terminales 110 et 112 de ces éléments du genre de boites définissent périphériquement les limites des lumières d'entrée et de sortie communiquant avec les secteurs de rainures tandis que les parois latérales 114 et 116 défi- nissent l'étendue axiale des lumières.
Du fait du rapport de décalage en péri- phérie de séries voisines de ces différentes séries d'éléments en bottes,, les lumières de sortie communiquent avec un groupe de rainures qui sont axiale- ment en communication avec les lumières d9entrée du groupe de rainures immé- diatement voisin au moyen de passages de transfert s'étendant axialement, 118, chacun défini par une pièce déflectrice., les parois latérales de deux éléments en boites voisins et la paroi d'enveloppe intérieure ou extérieure 32 ou 38 suivant le caso
A la figure 8, la nature de l'écoulement des colonnes de fluide est indiqué par des flèches 120, dont on verra que les diverses colonnes pro- gressent successivement par des secteurs périphériques décalés de groupes suc- cessifs de rainures, la direction générale du trajet d'écoulement étant,
cel- le d'une hélice autour du tambour de rotor;,plutôt que généralement progres- sant suivant l'axe du rotor comme dans 1?agencement de la figure 1.
Dans le présent agencement,des doigts de guidage auxiliaires 102 et 104 sont montrés,, et on remarquera que dans la présente construction ces doigts de guidage peuvent tre prolongés pour être portés par les parties d' enveloppe 38 et 32, respectivement puisque l'écoulement pour le passage de transfert se fait dans le sens de la longueur de ces éléments de guidage plu- tôt qu'en travers de leurs sommets, comme dans les formes de réalisation dé- crites auparavant
Dans 1?agencement montré à la figure 8, le courant fluide dans les ranures est toujours dans le sens du mouvement du rotor et pour les raisons expliquées ci-avant il peut être désirable de prévoir un courant de fluide en sens contraire dans un ou plusieurs groupes de rainures.
Un agencement pour réaliser ceci est montré à la figure 11, où certaines des pièces déflectrices 70 et des éléments de boîtes 106 sont montrés en décalage tel que le sens d' écoulement des colonnes de fluide est renversé périphériquement comme indiqué par les flèches 12.
Aux figures 12 et 13,19 invention est montrée réalisée dans un ro-
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tor de forme différente de celle qui a été montrée dans les formes de réali- sation décrites précédemment.
Dans cette forme d'appareil 19arbre de rotor 200 porte un pla- teau 202 s'étendant radialement qui à son tour supporte un certain nombre de nervures cylindriques concentriques à distance l'une de l'autre 204 et 206 aux côtés opposés du plateau respectivement, et présentant plusieurs canaux cylindriques annulaires en forme de rainures;, 208 et 210 respectivement. La construction immobile indiquée par 212 comprend une coque cylindrique exté- rieure 214 entre laquelle et le plateau 202 une garniture d'étanchéité indi- quée schématiquement en 216 a été prévue,et des parois terminales 218 et 220. La construction forme un conduit d'entrée 222 pour le fluide tel que de l'air à chauffer,lequel communique avec l'espace annulaire 224 immédia- tement autour de l'arbre du rotor d'un côté du plateau 202.
La construction présente encore un autre conduit de sortie 226 ayant une partie annulaire 228 s'étendant autour de la périphérie de l'enveloppe au voisinage de la paroi d'extrémité 220 et l'écoulement d9air du conduit 222 à 226 est généra- lement vers 1-'extérieur depuis l'espace d'entrée intérieure 224 vers la péri- phérie du conduit de rotor et du conduit annulaire 228.
La paroi terminale 220 porte plusieurs jeux d'éléments déflecteurs 230 qui présentent des doigts 232 s'étendant dans les rainures 208 et y faisant sensiblement barrages,les jeux de déflecteurs de même rayon étant décalés périphériquement par rapport aux jeux voisins de déflecteurs de plus grand rayon, comme on le voit claire- ment à la figure 13, et entre des déflecteurs voisins de chaque jeu il y a des éléments de couverture tels que des bottes 234 qui sont également par jeux, avec des jeux voisins de rayons différents décalés périphériquement 1'un par rapport à l'autre.
Ces éléments de couverture 234 sont semblables de forme et de fonc- tion aux éléments en forme de boites illustrés à la figure 8, et ont des parois latérales définissant des lumières dentrée et de sortie 236 et 238 communiquant avec les secteurs des rainures entre les déflecteurs voisins du même jeu.
Com- me on le verra en outre diaprés la figure 13, la situation périphérique rela- tive des éléments de couverture des jeux voisins est tel que les lumières d' entrée conduisant à un groupe de rainures est radialement en correspondance avec un groupe de lumière de sortie conduisant d'un jeu radialement voisin de rainures, pour fournir des passages de transfert s'étendant radialement 240 pour amener du fluide déchargé par les secteurs de l'un des groupes de rainu- res vers des secteurs décalés périphériquement du groupe voisin de rainures se trouvant radialement à l'extérieur du groupe dont le fluide est déchargé.
Par comparaison des figures 13 et 8, il sera évident que 1-'agence- ment est en principe le même dans les deux, la différence étant que les diver- ses colonnes de fluide dans l'agencement de la figure 13 s'écoulent en direc- tion générale d'une spirale radiale du rotor, comme indiqué par les flèches 242, au lieu de suivre la direction générale d'une hélice de la longueur du rotor comme dans la construction de la figure 8.
Dans la présente forme de réalisation la construction prévoit un conduit d'entrée 244 pour le fluidetel que des gaz de combustion., ce conduit ayant une partie annulaire 246 pour distribuer le gaz aux rainures radialement plus extérieures. La paroi d'enveloppe 218 porte des déflecteurs 248 prévues avec des doigts 250 s'étendant dans des rainures 210 et des éléments du genre de boite 252, semblables aux éléments de couverture 234 portés par la paroi terminale 2200 l'agencement de ces déflecteurs et de ces éléments de couvertu- re est semblable à celui de la construction montrée à la figure 13 et n'a pas besoin d'être décrit en détail,
la différence entre l'agencement des deux cô- tés du plateau 202 étant que dans un cas le fluide s'écoulant a généralement le sens vers l'extérieur tandis que dans l'autre cas le courant a généralement la direction d'une spirale allant vers l'intérieur vers le conduit de sortie 254. Gomme dans les formes de réalisation précédentes, cet agencement produit le contre--courant. De préférence, comme décrit, le fluide à chauffer qui se di- late, coule vers 1?extérieur, tandis que le fluide chauffant qui se contracte
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du fait de son refroidissement, s'écoule vers l'intérieur.
Il sera évident que dans la forme de réalisation qui vient juste- ment d'être décrite,l'agencement des déflecteurs et des éléments de couver- ture peut être fait tel qu'il donne lieu à l'écoulement du fluide en sens contraire au sens de rotation du rotor dans autant de secteurs qu'on le dé- sire dans le but de procurer le taux d9écoulement désirée Des changements dans la section relative des lumières dentrée et de sortie et le fait de prévoir des doigts de guidage auxiliaires sontg dans un but de clarté, omis des figures. D'autres particularités de modèles décrits précédemment peuvent également bien être appliquées à la forme de réalisation suivant 1-'invention.
Dans toutes les formes de réalisation décrites précédemment, le mouvement du corps tournant est utilisé pour produire 1-'écoulement du fluide ou des fluides, et les mouvements de rotation du fluide et des corps solides concourent
Cependant les principes de base de 1?invention sont également applicables avec des résultats améliorés dans des cas où, en vue d'assurer un taux encore plus élevé d'échange de chaleur entre les corps fluides et solide, le fluide est forcé par des moyens mécaniques tels qu'un ventilateur à 13.9 écouler en sens contraire au sens de rotation du corps solide.
Pour un tel mode de fonctionnement, il est évident que les constructions décrites ci- avant,, sauf pour les modifications illustrées a aux figures 5, 7 et 11, con- viennent sans changement:, étant entendu qu'il faut seulement qu'un ventila- teur approprié ou des moyens équivalents de tout genre habituel désiré soient prévus pour produire l'écoulement nécessaire du fluide dans le sens opposé à celui qui est indiqué par les flèches sur les différentes figures.
Même les variantes des figures 5, 7 et 11 fonctionneraient avec un écoulement forcé en sens contraire à celui de la rotation du corps solide mais dans ces cas le renversement du courant en des points intennédiaires réalisé par ces constructions n'aurait aucun but utile et serait en fait désa- vantageux.
Superficiellement, il peut sembler qu'un courant forcé en sens con- traire au sens de rotation du corps solide est un changement par rapport aux principes de base de 1?invention telle qu'ici décrite, mais cela n'est pas le caspuisque de grandes vitesses relatives entre les corps échangeurs de cha- leur peuvent être assurées avec des vitesses absolues relativement faibles des corps fluides. Une vitesse absolue faible du fluide évite de créer l'indésira- ble écoulement turbulent rotatif du fluide dans le plan de rotation:, discuté ci-avant, même si la vitesse relative entre les corps solide et fluide est élevée. Cecien même temps que le fait qu'il ne faut engendrer qu'une vitesse absolue relativement faible du fluide:, assure une consommation de puissance re- lativement très faible pour le taux d'échange de chaleur obtenu.
Alors que, dans le but d'exposer 1-'invention,, un-appareil a été montré pour l'échange de chaleur entre deux fluides gazeux qui sont tous deux amenés à s'écouler suivant les principes de l'invention, il est entendu que ces principes sont également applicables à l'échange de chaleur entre des fluides gazeux et liquides:, entre différents liquides, et pour le transfert de cha- leur entre un fluide et un corps solide.En outreil sera visible quasi on le désire l'un des deux fluides entre lesquels de la chaleur est échangée peut s'écouler de manière habituelle en rapport d'échange de chaleur avec le corps solide qui peut avoir une surface plane ou prolongée du genre connu pour les échanges de chaleur avec ce fluide.
En conséquence il est entendu que dans le cadre de !S'invention bien des changements,.de modèle et d9agencement, sont possibles et que certai- nes particularités ici décrites peuvent être employées à l'exclusion d'autres, l'invention étant définie par et comprenant toutes les formes d'appareils com- prises dans le champ des revendications ci-après, REVENDICATIONS.
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IMPROVED HEAT TRANSFER.
The present invention relates to the transfer of heat and relates, in its broadest aspects, to the transfer of heat between a solid body and a fluid medium. More specifically, the invention relates to the transfer of heat between a solid body and a gaseous fluid agent, and even more particularly, the invention relates to the indirect heat exchange between two different fluids, one or more of which. The other or both may be liquid or gaseous, by transfer of heat to and from the various fluids and to or from a solid body with which the fluids are separately in surface contact.
The general object of the invention is to provide heat exchange at high transmission rates per unit area of the heat exchange surface, to produce this transfer with minimum expenditure of power. to achieve the relative motion between the heat exchanging bodies, and in some aspects thereof to use the motion of the heat exchanging solid body to create in whole or in part the necessary flow of the fluid or fluids with which the solid body is in a heat exchange relationship.
In order to achieve the objects generally indicated above and other more detailed objects appearing hereinafter, the invention presents a rotating solid body in the form of a rotor having several circular fins or ribs with intermediate channels. in the form of grooves concentric with the axis of rotation of the rotor, associated with a rotationally fixed construction having deflector elements which extend into the grooves and cover means for the grooves, this construction being further combined with means providing transfer passages for the conductive fluid to and from different grooves in accordance with principles described in more detail below,
with the consequence of a new character
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a flow which produces the perfected results sought by the intention.
The invention is particularly suited to the exchange of heat between two gaseous fluids for purposes such as the preheating of air used for combustion., In the case of heat to be recovered extracted from combustion gases from apparatus such as boilers for power plants and internal combustion engines and gas turbines.
The invention will therefore be described hereinafter by way of example but without limitation, as applied to an air preheating construction, but it will be understood that the principles of the invention are capable of being employed in many other applications and that for some of these applications the principles of the invention in its broadest aspects can be implemented with only certain features of the construction described hereinafter in connection with an apparatus. air preheating unit chosen as an example
For a better understanding of the more detailed nature of the invention, how it can be put into practice and the advantages which can be derived from its use,
as best we can refer to the subsequent part of this description, considered with the appended drawings which form part thereof, in which: - Figure 1 is a more or less diagrammatic longitudinal section taken on line 1-1 of Figure 2, of an air preheating apparatus embodying the principles of the invention; Figure 2 is a fragmentary cross section taken along line 2-2 in Figure 1; FIG. 3 is a fragmentary plan view taken along line 3-3 of FIG. 2 and with certain elements indicated in broken lines for the sake of clarity; FIG. 4 is a fragmentary perspective view of part of the construction shown in the preceding figures and with certain elements omitted for the sake of clarity;
FIG. 5 is a view similar to FIG. 3 showing a different structural arrangement of certain polishing parts to produce an altered character of the fluid flow; - Figure 6 is a fragmentary cross section taken on line 6-6 of Figure 5; Figure 7 is a fragmentary perspective similar to Figure 4, of the arrangement shown in Figure 5; FIG. 8 is a view similar to FIGS. 3 and 5 showing another arrangement of the construction for producing a flow of fluid of a character different from that shown in FIGS. 3 and 5; FIG. 9 is a fragmentary cross section taken along line 9-9 of FIG. 8; - Figure 10 is a fragmentary longitudinal section taken on line 10-10 of Figure 8;
FIG. 11 is a view similar to FIG. 8, showing a construction exhibiting a fluid flow character modified from that of FIG. 8; Figure 12 is a longitudinal section similar to Figure 1 showing an apparatus embodying the invention and having a different rotor shape from that of Figure 1, and Figure 13 is a fragmentary cross section taken along line 13 -13 of figure 12.
Referring now more particularly to Figures 1 to
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4, the apparatus comprises a rotor indicated generally by 10, having a shaft
12 and a hollow drum defined by a radial end wall 16, a cylindrical wall 18 and a second radial wall 20. The cylindrical wall 18 carries a large number of axially spaced outer radial fins or ribs 22, leaving a large number between them. of outer annular channels or grooves 24. The drum further carries numerous similar inner ribs 26 giving rise. to a large number of internal annular grooves 28.
Associated with the rotor is a non-rotating construction comprising a hollow internal drum-like housing member generally indicated by 30. The piece 30 is mounted coaxially with the rotor and has a radially spaced cylindrical shell wall 32. inner edges of the inner ribs 26. Further, it is provided with an inlet 34 at one end and outlets 36 at the other end.
The stationary construction further includes a drum-like outer casing wall 38 surrounding the rotor and radially spaced from the outer ribs 32. The stationary construction still further has end walls 40 and 42, the former extending. inwardly beyond the end wall 16 of the rotor to the rotor shaft 12 where a seal 41 may be employed, and the latter extending inwardly to the portion. inlet 34 of part 30. An inlet duct 44 for the fluid communicates by means of an opening 46 at one end of the rotor with the space 48 between the rotor wall 18 and the outer casing 38.
This space communicates at the other end of the rotor, through an opening 49, with the outlets 50 and 52. The wall 54 extends inwardly to a seal or seal indicated by 56 and with the wall. 42 having an outlet duct 58 which communicates with the space 60 between the rotor wall 18 and the wall 32 of the part 300
In the embodiment of the illustrated apparatus, one of the fluids, for example air to be heated, enters room 30 through inlet 34 and flows in the direction of arrows 62 through the room. 30. From this space air generally flows from right to left as seen in Fig. 1 and in a manner described in detail hereinafter, through the space 60 between the rotor drum. 18 and the wall 32 of the part 30, and from this space to the outlet duct 58.
Hot fluid, such as spent combustion gases, enters in the direction indicated by arrow 64 through inlet duct 44 and opening 46, into space 48 between rotor drum 18 and the wall. outer casing 38. Gas generally flows from left to right as seen in Figure 1 through this space in a manner which will be described below and through opening 50 to the duct. output 52.
The wall 32 of the part 30 carries several deflector parts
66 extending along the axis of the rotor and distributed peripherally around the circumference of the wall 32. These parts have the shape of a comb having several fingers 68 extending into them and substantially filling the cross sections of the grooves 28. Parts similar comb-shaped deflectors 70 extend inwardly from the outer casing wall
38 and are provided with fingers 72 substantially filling the cross sections of the grooves 24 of the rotor.
Outside the ribs 22 and located peripherally spaced apart from each other between the deflector pieces 70, a number of cover elements 74 extend axially in close connection with the ridges of the ribs 22. These pieces cover are carried by dividing or guide plates 76 carried by the casing wall 38, as will be seen more clearly from FIG. 2. These divisions extend peripherally from one of the deflectors 70 to the neighbor and comprise parts oblique centrals 78 covering the cover elements 74 and end portions 80.
The end portions 80 of these divisions extend beyond the edges of the cover pieces to neighboring baffles and divide
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the spaces between the edges of the cover plates and the defied- '. teurs in two series of passages aligned axially between each time two
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neighboring deflectors. A series of such passages is indicated by 84g 84a. ', 81, .b and 84cy in Figures 3 and 4.
These passages provide communication between the sectors of the grooves 24 between the neighboring deflectors and the space between the deflectors which is located radially on the outside of the plate parts.
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cover bzz,., the latter space being divided by the divisions into a series of oblique transfer passages as indicated at 86, 86a, 86b and 86c in Figures 3 and 4, these passages being defined by the cover plate 74, the radially outer portions of the baffles 70, the outer casing wall 38 and the divisions 76.
Radially inside the rotor drum 18, there is provided a
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A similar construction comprising cover plates 88 disposed adjacent to the ridges of the inner ribs 26 and a series of dividing or guide plates 90 to support the cover plates and forming a series of passages 92 and 94, and together with the cover plates 88, the inner casing wall 32 and neighboring interior baffles 66, providing oblique transfer passages 96 similar to the passages 86.
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The transfer passages 86 and 96 differ in that they are oblique in opposite directions relative to the axis of the rotor.
The operation of the apparatus described is as follows.
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Considering first the gas entering through conduit 44 and opening 46, this gas enters radially a group of grooves 22 through admissian lights 82 distributed all around the periphery of the building. Assume that the rotor rotates in the direction of arrows 98 in Figure 4, the friction between the gases and the surface of the moving ribs will cause
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that the gases will flow in the grooves to move peripherally in the direction of rotation of the rotor under the cover plate 74 until the gases are forced to flow radially out of the grooves by the fingers 72 of the deflector pieces 70, which in the grooves act as stops or dams.
If we now consider the action of the gas streams in the part of the apparatus shown in figure 3, it will be evident that the currents entering the grooves through the lumen 82 and rejected from the grooves by the light 84 'flow obliquely through transfer passage 86a and lumen 82a to a neighboring set of grooves through which current flows.
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ra until it is rejected by lumen 84a into transfer passage 86c which conveys gases to inlet lumen 82b of a next set of grooves.
This effect is repeated until the gas reaches the discharge end of the rotor and it will be evident from Figure 4 that the column of gas entering through lumen 82, which is divided into individual streams in the grooves, travels according to what. we can call a helical path to flow along the rotor between two neighboring deflectors.
From the foregoing descrip- tion, it will be evident that peripherally to the rotor there will be a series of such columns of gas, each confined between two adjacent baffles and generally moving in helical paths along the ro- toro
The effect regarding the flow through the grooves between the inner flanges 26 is the same as also described for the supposed apparatus, air
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enters through duct 34 and is divided into a number of air columns, each flowing between neighboring deflectors in a generally helical path along the rotor of the outlet duct 580
While the gas and air both flow peripherally in the direction of the rotor, while they are in the grooves,
It will be evident from Figure 1 that the general flow relationship between the two fluids is countercurrent flow, the hottest gas being.
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in heat exchange relation with the part of the rotor in contact with air
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the hottest and the coldest gas being in heat exchange relation with the part of the rotor to which the coldest incoming air is admitted.
The effect of the apparatus has been described above as applied to the preheating of combustion air with flue gases and in such an application it is generally preferable to pass the gases through the outer grooves of the flue gases. drums and air through the internal grooves since the volume of gas passing through the apparatus in such applications is generally greater than the volume of air.
The construction of the outer ribs is also easier to clean from solids such as soot and ash deposited by relatively dirty flue gases. As to basic operation, however, it is obvious that if desired the environment hot can pass through the interior grooves, and the medium to be heated through the exterior grooves, the choice being directed by the nature and characteristics of the media used and the desired heat exchange between them.
As is well known, the rate of heat transfer between a fluid and a solid body is, inter alia, a function of the relative velocity between the two, and hereby a relatively high velocity between the two. rotor and gaseous fluids can be easily maintained.
Also by limiting the uninterrupted flow of fluids in the individual grooves to sectors of predetermined length, the character of the flow can be controlled so as to produce a high rate of heat transfer not only due to relatively high speed but also because of the fact that the absolute speed of the fluid can be kept low enough to prevent turbulence of an unwanted nature. If the speed is low enough,
a generally laminar flow can be maintained except at the superficial layers where small secondary eddies occur revolving around axes normal to the general line of flow These eddies are desirable from the point of view of heat exchange and do not create much resistance to flow, and since the grooves are preferably in general relatively deep and narrow, the vortex turbulence of the surface layers is sufficient to bring most of the fluid stream into heat exchange contact with the surface layer. - solid face.
If the current in a given groove can be accelerated until it takes too great an absolute speed, so that its relative speed with respect to that of the walls of the groove is low, allowing it to traveling too long a path in a determined groove;, not only is the difference in temperature and the rate of heat transfer reduced accordingly, but there may also be rotational turbulence in the plane of rotation, which is undesirable . Further, by ejecting the fluid from the grooves after a determined length travel and transferring the fluid to another set of grooves, it is ensured that all the fluid in a given stream or column is brought into an intimate heat exchange relationship. with the heat transfer surface.
The number, spacing, cross-sectional shape and flow pair of the grooves can vary widely depending on the nature of the heat exchange conditions to be met, the character of the fluid or fluids considered, the inlet temperatures and desired outlet temperatures, volumes to be treated, pressures and other specific factors. These factors will also affect the length of the flow paths of the streams in the individual grooves, the grouping of the grooves, which may, for example, be such in an extreme case that each "group" may comprise a single groove.
In the embodiment described the grooves have, for the sake of simplicity, been shown of equal cross sections, between ribs of uniform spacing. It is evident, however, that in cases where a gas is significantly cooled and contracts a great deal during its flow through the apparatus, and it is desired to maintain a constant relative flow velocity, the ribs may be brought closer together. at the cooler end than at the warmer end to compensate for the contraction.
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Also, in an apparatus where the flow path is relatively long and through a large number of groove sectors the cumulative effect of friction may result in a greater than desired velocity through the apparatus when a column of fluid is flowing. in any case travel through the ribs in the direction of rotor movement, as illustrated for example in Figure 4. This condition can be easily avoided by apparatus operating to reverse the direction of flow in a selected number of sectors so that in these sectors the fluid flowing in the grooves progresses in the opposite direction of the movement of the rotor, and in Figures 5 to 7 an embodiment of the apparatus suitable for accomplishing this has been illustrated.
In substantially all of the features, the arrangement is the same as described above and the corresponding parts are designated by the same references. The difference between the constructions is that in any space or spaces chosen, as can be seen more particularly in Figures 5 and 7, the direction of slope of the oblique part 78 of the dividing pieces 76 is reversed as shown. 78a so that if we compare Figures 3 and 5 and Figures 4 and 7 respectively, it will be seen that the fluid flowing from the grooves through the outlet lumen 84a flows axially into the arrangement of the grooves. Figures 5 and 7 towards the inlet port 82b which is in fact an axial series of the outlet port 84a.
Fluid output lumen 82ble flows through the grooves in the opposite direction to the direction of rotor movement toward the outlet lumen 84b which in this embodiment is on the same side of the cover member 74 as the lumens of entry 82 and 82a. In the illustrated embodiment, the counter current is carried through a number of groups of grooves, but it is evident that this specific arrangement can be varied as desired with regard to the number and arrangement. passages through the grooves in which the fluid flows in the opposite direction to that of the rotation of the rotors, compared with the passages in which the flow is in the same direction.
In any case, it will be visible that in the passages where the current is in the opposite direction to the direction of rotation of the rotor, the friction will produce a deceleration effect, and by a suitable choice, for a given model, the rate of Fluid flow through the apparatus as a whole can be easily directed to suit the circumstances of the case.
As noted above, the grooves are preferably relatively deep and narrow and the depth to width ratio of the grooves can in many cases be up to 10 to 1, or much greater. With such relatively deep and narrow grooves, the rate of heat transfer in the grooves is increased by providing auxiliary guide fingers shown at 102 and 104 in Figure 2, which fingers extend only partially to the full depth of the grooves. grooves and are located in such a way that they serve to divide and guide the fluid entering the groove sectors and exiting through the respective inlet and outlet ports.
These fingers may be comb-type parts similar to the deflector elements 70 and suitably carried as parts of the stationary construction, noting that in the present embodiment these guide parts must be spaced apart radially. cylindrical walls 32 and 38 respectively of the fixed construction since the fluid must flow over the tops of these guide elements in its flow between the various ports and the transfer passages. For the sake of clarity, these guide elements have been shown in dotted lines in Figure 3 and have been omitted from the representation in Figure 4.
The specific number and arrangements of the guide fingers in any particular lumen or series of lumens can be varied to suit the individual conditions needed in order to achieve a more advantageous distribution of the fluid flow in the depth. - deur of the groove.
It may also in some cases be desirable to provide entrance lights of greater peripheral extent than that of the exit lights γ rather than lights of equal area as shown in the illustrated apparatus.
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It will be further evident that from the nature of the apparatus as to act as a heat exchanger the apparatus can also provide the power necessary to create the flow of fluid media and for example when it is employed as an air preheater, it may be the only means necessary to produce the necessary forced draft of the combustion air and also the force necessary to suck the flue gases. Thus the apparatus makes it possible to eliminate entirely the separate fans of forced draft and suction or to significantly reduce the power requirements necessary for these fans by acting as a combined fan for both purposes.
In both embodiments described above, the stationary construction is arranged such that the fluid columns flow in a generally axial direction from end to end of the rotors. This arrangement, however, can be modified and Figures 8-10 illustrate another embodiment in which a different flow path is provided for the air columns. In this example, the general arrangement of the rotor and the stationary construction are as shown in Fig. 1 and the corresponding parts are similarly indicated.
In the present construction, the deflector elements having the fingers which extend in the grooves do not extend from end to end of the rotor but are offset peripherally as indicated at 70a, 70b, SI 700, 70d and 70e to FIG. 8. Each of these offset deflectors coexists with a group of grooves, the number of which can be chosen at will, coexisting axially with the deflectors.
A series of sets of box-type cover pieces 106 and 108, the bottoms of which provide respectively the cover elements 74 and 88 located respectively above the inner and outer rotor grooves., The end walls 110 and 112 of these box-like elements peripherally define the boundaries of the inlet and outlet ports communicating with the groove sectors while the side walls 114 and 116 define the axial extent of the ports.
Due to the offset ratio at the periphery of neighboring series of these different series of bundled elements, the exit ports communicate with a group of grooves which are axially in communication with the entry ports of the immediate group of grooves. - adjacent diatement by means of transfer passages extending axially, 118, each defined by a deflector part., the side walls of two neighboring box elements and the inner or outer casing wall 32 or 38 depending on the case
In FIG. 8, the nature of the flow of the columns of fluid is indicated by arrows 120, of which it will be seen that the various columns progress successively by peripheral sectors offset by successive groups of grooves, the general direction of the flow. flow path being,
that of a propeller around the rotor drum, rather than generally progressing along the axis of the rotor as in the arrangement of Figure 1.
In the present arrangement, auxiliary guide fingers 102 and 104 are shown, and it will be noted that in the present construction these guide fingers can be extended to be carried by the casing parts 38 and 32, respectively since the flow for the transfer passage is made in the direction of the length of these guide elements rather than across their tops, as in the embodiments described above
In the arrangement shown in Figure 8, the flow of fluid through the streams is always in the direction of rotor movement and for the reasons explained above it may be desirable to provide a flow of fluid in the opposite direction in one or more. groups of grooves.
An arrangement for doing this is shown in Figure 11, where some of the deflector pieces 70 and box members 106 are shown offset such that the direction of flow of the fluid columns is peripherally reversed as indicated by arrows 12.
In Figures 12 and 13,19 the invention is shown carried out in a ro-
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tor of a different shape from that which has been shown in the embodiments described above.
In this form of apparatus the rotor shaft 200 carries a radially extending plate 202 which in turn supports a number of spaced concentric cylindrical ribs 204 and 206 on opposite sides of the plate respectively. , and having several annular cylindrical channels in the form of grooves ;, 208 and 210 respectively. The stationary construction indicated by 212 comprises an outer cylindrical shell 214 between which and the plate 202 a gasket indicated schematically at 216 has been provided, and end walls 218 and 220. The construction forms a conduit of. inlet 222 for fluid such as air to be heated which communicates with the annular space 224 immediately around the rotor shaft on one side of the platen 202.
The construction features yet another outlet duct 226 having an annular portion 228 extending around the periphery of the casing in the vicinity of the end wall 220 and the air flow from duct 222-226 is generally towards. 1-outside from the interior inlet space 224 to the periphery of the rotor duct and the annular duct 228.
The end wall 220 carries several sets of deflector elements 230 which have fingers 232 extending in the grooves 208 and forming there substantially barriers, the sets of deflectors of the same radius being peripherally offset with respect to the neighboring sets of deflectors of greater radius, as can be seen clearly in figure 13, and between neighboring deflectors of each set there are covering elements such as boots 234 which are also in sets, with neighboring sets of different radii offset peripherally 1 'one in relation to the other.
These cover elements 234 are similar in form and function to the box-like elements shown in Figure 8, and have sidewalls defining inlet and outlet ports 236 and 238 communicating with the areas of the grooves between the baffles. neighbors of the same game.
As will be seen further from Fig. 13, the relative peripheral situation of the cover elements of neighboring sets is such that the entrance lumens leading to a group of grooves are radially in correspondence with a lumen group of. outlet leading from a radially adjacent set of grooves, to provide radially extending transfer passages 240 for supplying fluid discharged from sectors of one of the groups of grooves to sectors peripherally offset from the neighboring group of grooves located radially outside the group from which the fluid is discharged.
By comparing Figures 13 and 8, it will be evident that the arrangement is in principle the same in both, the difference being that the various fluid columns in the arrangement of Figure 13 flow together. general direction of a radial rotor spiral, as indicated by arrows 242, instead of following the general direction of a rotor length propeller as in the construction of Figure 8.
In the present embodiment the construction provides an inlet duct 244 for fluid such as combustion gases, this duct having an annular portion 246 for distributing the gas to the radially outermost grooves. The casing wall 218 carries deflectors 248 provided with fingers 250 extending in grooves 210 and box-like elements 252, similar to the cover elements 234 carried by the end wall 2200 the arrangement of these deflectors and of these roofing elements is similar to that of the construction shown in figure 13 and does not need to be described in detail,
the difference between the arrangement of the two sides of the plate 202 being that in one case the flowing fluid generally has the outward direction while in the other case the current generally has the direction of a spiral going inward to the outlet duct 254. As in previous embodiments, this arrangement produces the counterflow. Preferably, as described, the fluid to be heated which expands flows outwardly, while the heating fluid which contracts.
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due to its cooling, flows inwards.
It will be evident that in the embodiment which has just been described, the arrangement of the deflectors and the cover elements can be made such as to give rise to the flow of the fluid in the opposite direction. direction of rotation of the rotor in as many sectors as desired in order to provide the desired rate of flow Changes in the relative section of the inlet and outlet ports and the provision of auxiliary guide fingers are included in a purpose of clarity, omitted from figures. Other features of the models described above can also be applied to the embodiment according to the invention.
In all of the embodiments described above, the movement of the rotating body is used to produce the flow of the fluid or fluids, and the rotational movements of the fluid and of the solid bodies combine.
However the basic principles of the invention are also applicable with improved results in cases where, in order to ensure an even higher rate of heat exchange between the fluid and solid bodies, the fluid is forced by means. mechanical such as a 13.9 fan to flow in the opposite direction to the direction of rotation of the solid body.
For such a mode of operation, it is evident that the constructions described above, except for the modifications illustrated in Figures 5, 7 and 11, are suitable without change :, it being understood that only one A suitable ventilator or equivalent means of any customary type desired are provided to produce the necessary flow of fluid in the direction opposite to that indicated by the arrows in the various figures.
Even the variants of Figures 5, 7 and 11 would work with a forced flow in the opposite direction to that of the rotation of the solid body, but in these cases the reversal of the current at intermediate points achieved by these constructions would have no useful purpose and would be in fact disadvantageous.
Superficially, it may appear that a current forced against the direction of rotation of the solid body is a change from the basic principles of the invention as here described, but this is not the case since high relative velocities between the heat exchanger bodies can be ensured with relatively low absolute velocities of the fluid bodies. A low absolute velocity of the fluid avoids creating the undesirable rotating turbulent flow of the fluid in the plane of rotation :, discussed above, even if the relative velocity between the solid and fluid bodies is high. This at the same time as the fact that only a relatively low absolute speed of the fluid must be generated :, ensures relatively very low power consumption for the heat exchange rate obtained.
While, for the purpose of exposing the invention, an apparatus has been shown for the exchange of heat between two gaseous fluids which are both caused to flow according to the principles of the invention, it is understood that these principles are also applicable to the exchange of heat between gaseous and liquid fluids, between different liquids, and for the transfer of heat between a fluid and a solid body. In addition, it will be visible almost as desired. one of the two fluids between which heat is exchanged can flow in the usual way in heat exchange ratio with the solid body which can have a flat or extended surface of the type known for the heat exchange with this fluid.
It is therefore understood that within the scope of the invention many changes, of design and arrangement, are possible and that certain features described herein may be employed to the exclusion of others, the invention being defined. by and including all forms of apparatus included within the scope of the following claims, CLAIMS.
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