Echangeur de chaleur. L'invention a pour objet. un échangeur de chaleur comprenant une enveloppe délimitant une chambre annulaire clans laquelle tourne un rotor muni de cloisons radiales, dont le contour correspond à celui de la section de la chambre et entre lesquelles sont montés des éléments échangeurs de chaleur, destinés à être traversés alternativement par deux courants de fluide, dont l'un donne de la chaleur auxdits éléments échangeurs, tandis que l'autre leur en prend, l'enveloppe étant pourvue de deux paires d'ouvertures, dispo- sées de façon que chacun des courants de fluide entre par une des ouvertures d'une paire et sorte par l'autre,
après avoir tra versé au moins un desdits éléments échan geurs de chaleur, et l'écartement angulaire des cloisons étant tel qu'il se trouve toujours au moins une cloison dans chacune des par- tues de l'enveloppe qui relient. entre elles les parties de l'enveloppe pour-vues d'ouvertures, afin d'empêcher le passage d'un fluide d'une de ces deux dernières parties de l'enveloppe à l'autre.
Jusqu'ici, ce type d'échangeur a été utilisé dans des cas où les pressions des deux cou rants de fluide diffèrent peu, ou même pas du tout; il a donc été assez facile de dimi nuer les fuites d'un courant vers l'autre, par exemple en employant, pour rendre la cons truction étanche, des moyens relativement simples, tels qu'un ajustement soigné des cloisons dans l'enveloppe ou un graissage ap- proprié. Mais dans une installation de tur bine à gaz par exemple, dans laquelle les gaz d'échappement.
de la turbine sont utilisés pour chauffer les gaz froids livrés par un compresseur, et aussi dans d'autres cas, tels que celui d'une installation pour la fabrica tion d'oxygène par exemple, les pressions des fluides entre lesquels se fait l'échange de cha leur peuvent être très différentes, ce qui excluerait l'emploi d'un échangeur du type indiqué, pourvu des seuls moyens d'étanchéité mentionnés, car dans un tel échangeur, il pourrait y avoir, dans ce cas, des fuites très importantes d'un courant de fluide vers l'au tre. Pour pouvoir être utilisé dans ces cas-là, un échangeur du genre indiqué doit être rendu étanche de façon plus efficace et c'est ce que vise à réaliser la présente invention.
A cet effet, l'échangeur de chaleur selon l'invention est caractérisé en ce que la cham bre annulaire délimitée par l'enveloppe est un espace engendré par la rotation autour de l'axe du rotor d'une surface située dans un plan passant par cet axe et dont le contour est une courbe convexe continue exempte d'angles, et en ce que des anneaux élastiques sont montés sur la périphérie des cloisons pour rendre étanches aux gaz les joints de ces cloisons et de l'enveloppe et empêcher des fuites appréciables de se produire par ces joints quand des différences de pression con sidérables existent entre des parties adja centes du rotor.
La chambre délimitée par l'enveloppe pourrait avoir la forme d'un tore. Dans ce cas, les cloisons auraient un contour circu laire. Mais cette chambre pourrait aussi être de section elliptique ou ovale.
Le rotor peut être entraîné en rotation de diverses manières, à partir d'une source d'énergie appropriée. Par exemple, lorsque l'échangeur de chaleur est utilisé en liaison avec une turbine à gaz, il pourrait être agencé de faon que le rotor soit entraîné en rotation à partir de l'arbre de la turbine, par l'intermédiaire d'un engrenage de réduction. L'agencement pourra être tel que la rotation soit continue ou intermittente, suivant ce qui convient à l'installation dans laquelle l'échan geur de chaleur est employé.
Le dessin représente schématiquement, à titre d'exemple, les parties principales de deux formes d'exécution de l'échangeur de chaleur selon l'invention.
La fig. 1 est une vue latérale de la pre mière forme d'exécution avec une partie de l'enveloppe enlevée pour montrer le méca- nisme à l'aide duquel le rotor est entraîné.
La fig. 2 est une coupe par 2-2 de la fig. 1, .en regardant dans le sens des flèches. La fig. 3 est une coupe par 3-3 de la fig. 1, en regardant dans le sens des flèches. La fig. 4 est une coupe verticale par un plan contenant l'axe de la seconde forme d'exécution.
Dans les fig. 1, 2 et 3, on voit un rotor comprenant un moyeu solidaire de disques radiaux B entre lesquels sont montés des élé ments échangeurs de chaleur A. Ces derniers sont constitués au moyen de lames métalli ques ondulées, de manière à présenter des passages par lesquels des courants de fluide peuvent traverser ces éléments. La section transversale de ces derniers est à peu près rectangulaire (fig. 2 et 3), tandis que, vus latéralement comme à la fig. 1, ils ont la forme d'un secteur de cercle.
Contre la péri phérie extérieure des éléments A s'appliquent des éléments en arc de cercle, montés entre les disques B et dont l'ensemble forme une couronne extérieure. Le profil transversal des éléments de couronne suit le contour de la section transversale d'une chambre en forme de tore, délimitée par une enveloppe C, et dans laquelle est logé le rotor. Cette enve loppe est en deux parties séparées par un joint Cl se trouvant dans un plan normal à l'axe du rotor. Les périphéries des disques circulaires B sont à proximité de la face in térieure de l'enveloppe.
Par contre, les éléments échangeurs de chaleur A n'occupent que la partie médiane de l'enveloppe C, de sorte que, de chaque côté de ces éléments, il existe un espace D, respectivement Dl limité par les disques B, par la face intérieure de l'enveloppe C et par une face extérieure des éléments A. Les passages pour les fluides présentés par les éléments A débouchent de chaque côté dans les espace D et D'.
Pour empêcher des fuites de se produire entre deux espaces D ou Dl consécutifs sépa rés par un disque B ou entre deux éléments A voisins l'un de l'autre, les disques B por tent 'sur leur périphérie au moins -Lui anneau élastique Bl, rendant le joint existant entre le disque et l'enveloppe étanche aux gaz, même lorsque les différences de pression entre les deux faces d'un disque sont considérables.
Dans chacune des parties de paroi laté rales opposées de l'enveloppe C se trouvent deux ouvertures arquées E et El qui, dans l'échangeur représenté, sont semblables de grandeur et de forme, mais qui n'ont pas nécessairement les mêmes dimensions. Les deux ouvertures E des deux parties de paroi latérales se trouvent en regard l'une de l'autre et il en est de même des deux ouver tures El. Ces deux paires E et El d'ouver tures sont diamétralement opposées par rap port à l'axe de l'échangeur de chaleur, comme on peut le voir à la fig. 1.
Les faces opposées de tous les éléments A, avec les extrémités des passages traversant ces éléments, vien nent successivement dans l'alignement de ces paires d'ouvertures E et El, de sorte qu'un fluide peut s'écouler parallèlement à l'axe du rotor en entrant par une ouverture E, d'un côté de l'enveloppe C, en traversant au moins un élément A et en sortant par l'ouverture E correspondante, du côté opposé de l'enve loppe. Un écoulement en sens inverse peut se faire aussi par les ouvertures El et au moins un élément A se trouvant entre elles.
Des raccords distincts (non représentés) corres pondent aux deux ouvertures E et aux deux ouvertures El, et les deux fluides, qui doivent être traités dans l'échangeur de chaleur, sont forcés de couler par ces raccords de telle façon que, quand on fait tourner le rotor, l'un des fluides passe dans un. sens au tra vers de chaque élément A. et qu'ensuite le second passe en sens inverse au travers des mêmes éléments.
Les parties de paroi laté rales de l'enveloppe C comprennent des par ties pleines C.=, qui se trouvent entre les ou vertures E et El, comme on le voit à la fig.1; ces parties occupent sur la circonférence une longueur telle que, dans celles des parties de l'enveloppe C qui sont. ainsi complètement fermées, il y ait toujours au moins un disque B pendant que le rotor tourne. De cette ma nière, ces disques B, avec leurs segments d'étanchéité Bl, formeront une fermeture effective qui empêchera les fuites entre un courant de fluide et l'autre.
Dans un plan perpendiculaire à l'axe du rotor et près de son plan de symétrie, les élé ments de la couronne extérieure du rotor pré sentent une gorge dans laquelle est fixée une denture périphérique F. L'ensemble de ces dentures forme une couronne dentée interrom pue au droit de chacun des disques B. Avec cette couronne dentée engrènent deux pignons dentés G, enfermés dans une partie en saillie C3 de l'enveloppe C (fig. 1 et 3).
Ces deux pignons se trouvent tous deux dans le même plan que la couronne dentée (fig. 3) et les pignons sont écartés l'un de l'autre dans le sens d'une circonférence, comme on peut le voir à la fig. 1.
Chaque pignon est entaillé sur une partie de sa périphérie en Gl, ce qui lui permet de laisser passer, pendant qu'il tourne, les disques B et leurs segments Bl. Les pignons sont entraînés en synchronisme par un mécanisme non représenté et ils sont à une distance telle l'un de l'autre et leur calage angulaire relatif est tel que, pendant qu'ils sont entraînés et tournent l'un et l'autre, la continuité du mouvement de rota tion transmis au rotor soit maintenue puisque, quand la partie entaillée Gl d'un pignon laisse passer un disque B et ainsi cesse d'engrener avec la couronne dentée, l'autre pignon en grène encore avec cette couronne et, par ce fait,
continue à imprimer une rotation au rotor.
Les segments d'étanchéité peuvent être meulés pour s'ajuster contre la paroi de la chambre annulaire de l'enveloppe, mais avec des segments de largeur normale le meulage cylindrique usuel donnera en général un ajus tement assez bon, leur permettant de s'adap ter rapidement à la forme de la paroi de la chambre. Dans l'un et l'autre cas, il est. dési rable de fixer les segments à l'aide de che villes ou d'une autre manière, de telle facon qu'ils ne puissent pas tourner dans leurs rai nures, puisqu'une partie du segment., qui est adaptée, par exemple, à. la. partie centrale de la paroi de la chambre, n'aura pas la forme correcte correspondant. à la partie extérieure et vice versa.
Dans une variante de l'échangeur qui vient, d'être décrit, l'écoulement, au lieu de se faire dans une direction parallèle à l'axe du rotor, pourrait se faire suivant les généra trices d'un cône de même axe que ce rotor.
L'échangeur de chaleur représenté à la fig. 4 comprend également une enveloppe C délimitant une chambre annulaire torique dans laquelle tourne un rotor muni de disques circulaires radiaux entre lesquels sont montés des éléments échangeurs de chaleur A mais, dans ces derniers, les passages pour les fluide sont dirigés suivant des ray ons du rotor, de sorte que ces fluides coulent perpendiculaire ment à l'axe de ce rotor, des ouvertures d'en trée et de sortie étant ménagées à cet effet dans les parois de l'enveloppe C, de chaque côté desdits éléments A. Pour le reste, cet. échangeur est identique à celui des fig. 1 à 3.
Deux passages<B>El</B> et E3, parallèles à l'axe du rotor et placés l'un contre l'autre, condui- sent à l'intérieur de l'enveloppe C; à leurs extrémités intérieures, ils se raccordent cha cun à l'une de deux ouvertures diamétrale ment opposées de la partie intérieure de l'en veloppe C, en regard des éléments A.
Des passages E4 et El diamétralement opposés se raccordent également chacun par son extré mité intérieure à l'une de deux ouvertures diamétralement opposées de la partie exté- rieire au rotor de l'enveloppe C et les axes des quatre passages E2, E3, E# et E5 se trou vent tous dans un même plan passant par l'axe du rotor.
Avec une telle disposition, le fluide froid coulera, par exemple, dans le passage Ez, puis vers l'extérieur, par l'ouver ture correspondante, dans le sens d'un rayon, aü travers d'au moins un des éléments A et sortira par l'autre ouverture de la paire et par le passage E4. En même temps, le fluide chaud, allant dans le sens opposé, entrera par le passage E5, l'ouverture correspondante et, après avoir coulé dans le sens d'un rayon, vers l'intérieur, au travers d'au moins un des éléments A, ressortira par l'autre ouverture de la paire et le passage E3. Dans certains cas,
une telle disposition convient au point de vue de la construction, parce qu'elle a l'avantage que la partie intérieure du dispositif est la plais froide et qu'en tous les points la coupe transversale peut être proportionnelle au vo lume de gaz, c'est-à-dire à sa température absolue, et qu'ainsi la vitesse au travers du rotor est maintenue constante.
Comme cela a été mentionné plus haut, il n'est pas essentiel que les deux paires d'ou vertures soient diamétralement opposées, ni que les ouvertures d'une paire soient de la même grandeur que celles de l'autre. Dans certains cas, l'ouverture d'entrée pour le fliûde froid ou à haute pression peut être plus petite que l'ouverture par laquelle sort le fluide chaud ou à basse pression. Quand l'échangeur de chaleur décrit est utilisé pour des gaz, cette disposition permet qu'il y ait des différences dans les volumes de gaz et dans les taux de transport de chaleur.
Il con vient qu'avec un tel arrangement., l'ouverture la plus grande soit plus étendue dans le sens de la circonférence sur la paroi de l'enve loppe que l'ouverture qui est plus petite.
Si l'échangeur de chaleur décrit est uti lisé avec une turbine à gaz, où il n'est pas possible de lubrifier avec de l'huile les par ties soumises au frottement, il est désirable que la paroi de la chambre délimitée par l'enveloppe soit munie d'un revêtement anti friction, par exemple d'un revêtement d'acier à haute teneur de carbone, appliqué par pro jection; la porosité d'un tel revêtement s'est révélée avantageuse dans d'autres applications où les conditions de frottement sont analo gues.