Brevet FR2041709A1 — publié le 19710205

La présente invention concerne un échangeur de chaleur à régénération, c'est à dire comportant une masse d'échange de chaleur Patternativement par un fluide chaud et par un fluide froid. On connait les avantages de ce type d'échangeur par rapport aux échangeurs récupérateurs dans lesquels le fluide chaud et le fluide froid circulent au contact chacun de l'une des faces d'une paroi d'échange de chaleur qui doit, à la fois, être bonne conductrice de la chaleur, assurer une bonne étanchéité et pouvoir résister à des pressions et des gradients de température parfois élevés. Les échangeurs actuels à régénération à masse d'échange de chaleur statique sont robustes, de construction simple, et permettent d'atteindre des températures élevées, mais ils sont encombrants, ont de très grandes inerties, et présentent à leur sortie d'importantes fluctuations de température. Avec des appareils rotatifs, on peut augmenter la cadence des commutations entre fluide chaud et fluide froid, et réduire, par conséquent, les fluctuations de température, mais on se heurte, à des difficultés d'étanchéité de joints et on est limité dans le choix des matériaux constitiant la masse d'échange. La présente invention vise à conserver les avantages des échangeurs de chaleur à régénération à masse d'échange fixe, tout en permettant une cadence rapide de comnutatfon entre fluide chaud et fluide froid et en obtenant, ainsi, l'avantage de faibles fluctuations de température à la sortie, que pourrait donner un échangeur à régénération rotatif. Pour cela, l'invention propose un échangeur de chaleur à régénération comportant une masse d'échange de chaleur fixe qui est disposée à l'intérieur d'une enveloppe portant des ouvertures d'admission-et d'évacuation de fluides, et qui est parcourue alternativement par un fluide chaud et par un fluide froid, caractérisé en ce que la masse d'échange de chaleur est constituée par un matériau finement divisé se présentant dans son encombrement général, 5045 la forme d'un élément de faible épaisseur, en ce que les ouvertures d'admission et d'évacuation d'un meme fluide sont respectivement disposées d'un ctté et de l'autre ctté de cet élément, de manière que celui-ci soit traversé, successivement, et à contrecourant ou non, par les fluides dans le sens de son épaisseur, et en ce que l'en- veloppe s'applique sur la masse d'échange de chaleur en laissant simplement les passages nécessaires entre enveloppe et masse d'échange de chaleur pour distribuer ou collecter les fluides sur chacune des deux grandes faces de l'élément constitué par la masse d'échange de chaleur, à partir des ouvertures d'admission ou d'évacuation. La masse d'échange de chaleur est avantageusement constituée par un matériau en forme de matrice développée, de grillage ou de grains, ou d'empilages de plusieurs couches de tels matériaux. L'épaisseur de l'élément constitué par cette masse d'échange de chaleur est inférieure à 4 ou 5 centimètres et, de préférence, inférieure à 2 centimètres. Ainsi, pour un vidime très réduit, on obtient un échange de chaleur très efficace. En effet, la masse d'échange de chaleur peut titre divisée sans augmenter exagérément les pertes de charge puisqu'elle est traversée dans le sens de son épaisseur qui est très faible.C'est cette réduction de volume qui permet d'accroitre les cadences de commutation entre fluide chaud et fluide froid, cadences qui peuvent etre, par exemple, de l'ordre d'une dizaine de cycles par minute. A chaque commutation, ce volume constitue, en effet, un espace mort dont l'importance relative s'accrott donc avec la fréquence des commutations. Pour réduire encore l'espace mort, l'invention prévoit que les organes d'obturation des ouvertures d'admission et d'évacuation des fluides s'appliquent directement sur la dite enveloppe. Les passages nécessaires entre enveloppe et masse d'échange pour distribuer ou collecter les fluides peuvent par exemple entre obtenus par dessainures prati quées dans cette enveloppe ou par des cales d'espacement insérées entre paroi et masse d'échange. L'invention prévoit d'assurer des passages longitudinaux en constituant la masse d'échange au moyen d'un plissage qui a, en outre, l'avantage de réduire l'encombrement pour un volume de la masse d'échange donné. Ce plissage peut notamment titre effectué à partir d'une bande formée de plusieurs couches superposées de grillage métallique. Une disposition particulièrement avantageuse de l'échanteur est obtenue si l'enveloppe est constituée par deux cylindres concentriques à la masse d'échange. Dans le cas d'une-envelôppe- cylindrique à section circulaire, l'invention prévoit notamment d'effectuer les ouvertures d'admission et d'évacuation sur les Iles cylindres constituant cette enveloppe > et de obturer par des pistons coulissant sur ces cylindres intérieurement ou extérieurement. De préférence, ces ouvertures sont allongées dans le sens perpendiculaire à l'axe, et les passages entre enveloppe et masse d'échange de chaleur sont axiaux. L'invention prévoit aussi, dans le cas d'une enveloppe cylindrique, de disposer les ouvertures d'admission et d'évacuation en bout de la masse d'échange et de les obturer par des soupapes. De préférence, ces ouvertures ont la forme de secteurs, et on installe entre enveloppe et masse d'échange de chaleur des passages axiaux. On doit généralement utiliser ces échangeurs de chaleur par paires, un échangeur recevant le fluide froid pendant que l'autre échangeur reçoit le fluide chaud, et inversement. Dans le cas d'enveloppes de forme cylindrique, on peut disposer deux enveloppes de même axe, superposées. On peut aussi adopter une autre disposition particulièrement intéressante, qui permet d'obtenir à partir d'une enveloppe, deux espaces d'échange séparés et qui consiste à diviser l'es- pace intérieur à l'enveloppe par une cloison axiale. En se référant aux figures schématiques cijointes, on va décrire des exemples de mise en oeuvre de l'invention, donnés à-titre non limitatif. La Fig. 1 montre un schéma de principe de mise en oeuvre de l'invention. la Fig. 2 en représente une réalisation en forme de cylindre, dont la Fig. 3 montre une coupe suivant 3-3. La Fig. 4 représente une coupe partielle de la masse d'échange. La Fig. 5 représente une réglisation du même genre que celle de la Fig. 2, mais avec un autre mode d'admission et d'évacuation des fluides, une coupe suivant 6-6 des ouvortures d'admission et d'évacuation étant représentée par la Fig. 6. Dans l'exemple de la Fig. 1, la masse d'échange 1 vue en coup suivant l'épaisseur est nonstituée par exemple par @@ empilage de grillages métalliques fins ou de grain@ métalliques ou céramiques. Cette masse 1 est disposée à l'intérieur d'une caveloppe 2 portant des ouv@rture@ 3, 4, 5 et 6 pouvant être @@@@@ctive- mont fermée@ par des soup@pes 7, 8, 9 et 10.L'invelopne 2 s'appli@ue eractement aur le pourteur, de forme carrée. par @xemple, de l'élément plat constitué par la masse 1. Das espaces 11 et 12 sont ménagés de part et d'autre de la masse 1 entre les faces principales de celle-ci et l'enveloppe 2, la masse 1 étant maintenue au moyen par exemple de cales 13, de dimensions réduites fixées sur l'enve- lop@e 2 de place n place de manière n laisser passer les fluides @ur la totalite des faces principales de la masse 1.Dans la position de soupape: eprésentée sur la figure, un fluide chaud, par exemple, arrive aui@@nt la @lèche 14 par une canalisation 15, s'étend dans l'@space 12, traver@@ la masse @ pour @@@ser dan l'e@pace 11 et sort suivant la flèche 16 par la can@lisation 17. Dans l@ ph@se suivante, les soupapes 7 et 9 sont fermées et les coupapes 8 et 01 sont @uverter. Un fluide froid, par exemple, arrive suivent la flèche 18 pat la canalisation 19, s'étend dans l'espace 11, traverse la masse 1 pour passer dans l'espace 12 et sort suivant la flèche 20 nar 12 canalisation 21. On donne au espaces 11 et 12 juste l'épaisseur suffisante nour permettre au fluides de s'étendre tout le long de la manse 1. Comme les soupapes s'appliquent directement sur l'enveloppe 2, l'espace mort balayé à cha@ue commutation des fluides, délimité par l'enveloppe 2, est aussi réduit @ue possible et on peut aden@er des fréquences de cycle de l'ordre de la dizaine par minute. Dans l'example de la Fig. 2, la masse d'échange de chaleur se présente sous la forme générale extérieure d'un cylindre 22 à section circulaire. Cette masse est contenue dans une enveloppe composée d'un cylindre intérieur 23 et d'un cylindre extérieur 24. L'espace compris entre ces cylindres 23 et 24 est divisé en doux parties é@ales par les cloisons diamétrales 25 @i@ibles sur la Fig. 3. les ouvertures d'admission et d'évacuation des fluides sont découpées en forme de secteurs environ semi-circulaires ur les cylindres 23 et 24. L'échanseur de chaleur situé, sur la figure 3, au-dessus de cloisons 25, et qui sera désigné, dans ce cui suit, comme échangeur supérieur, comporte, dans le cylindre 24, une ouverture 26 d'admission d'un fluide froid par exemple et une ouverture 27 d'évacuation d'un fluide chaud par exemple, et, dans le cylindre 23, une ouverture 28 d'admission d'un fluide chaud et une ouverture 29 d'évacuation du fluide froid.De même, l'échangeur de chaleur situé au-dessus dos cloisons 25 et dit échangeur inférieur, comporta, dans le cylindre 24, une ouverture 30 d'admission du fluide froid et une ouverture 31 d'évacuation du fluide chaud, et, dans le cylindre 23, une ouverture 32 d'admission du fluide chaud et une ouverture 33 d'évacuation du fluide froid. Le fluide froid par exemple l'air sortant d'un compresseur et devant alimenter une turbine à gaz, arrive, par une tubulure 34, dans une chambre distributrice 35 entourant les ouvertures 26 et 30. Le fluide chaud, par exemple les gaz sortant d'une turbine à gaz, arrive en 36 à l'intérieur du cylindre 23, pour pénétrer dans l'ouverture 28 ou 32. L'espace réservé à ce fluide chaud à l'intérieur du cylindre 23 est limité par une cloison 36. Le fluide froid sort par l'ouverture 29 ou 33 à l'intérieur du cylindre 23, dans la partie gauche de celui-ci délimitée par la cloison 36. Le fluide chaud sort par l'ouverture 27 ou 31 dans une chambre collectrice 37, puis dans la tubulure 38. Les ouvertures d'admission et d'évacuation dans les cylindres 23 et 24 peuvent être obturées par les pistons 39, 40, 41 et 42. Le piston 39 porte une lumière 43 qui, dans la positon de la figure, découvre l'ouverture 26, et, une lumière 44 nui, dans l'autre nosition de ce piston (déplacé à gauche), découvre l'ouverture 30. Le piston 40 découvre l'ouverture 30. Lé piston 40 découvre, dans la position de la figure, l'ouverture 32, et, dans l'autre position (piston déplacé à gauche), l'ouverture 28. Le piston 41 découvre, dans la position de la figure, l'ouverture 31 par sa lumière 45, et, dans l'autre position (piston déplacé à gauche) l'ouverture 27 par sa lumière 46. Le piston 42 découvre, dans la position de la figure, l'ouverture 29, et, dans l'autre position (piston déplacé à gauche) l'ouverture 33. Le fonctionnement de l'échangeur de chaleur de la Fig. 2 se comprend, aisément. Dans la position des pistons représentée sur la figure, le fluide froid entre par l'ouverture 26, passe entre le cylindre 24 et la masse 22, dans l'échangeur supérieur, traverse cette masse 22 dans son épaisseur, circule entre elle et le cylindre 23 et sort nar l'ouverture 29 ; le fluide chaud entre, dans l'échangeur inférieur, par l'ouverture 32, traverse la mare 22 dans son épaisseur et sort par l'ouverture 31. Lorscue les pistons sont déplacés à gauches c'est l'échangeur supérieur oui est parcouru par le fluide chaud (entrée en 28 et sortie 27) et l'échangeur inférieur qui est parcouru par le fluide froid (entrée en 30 et sortie en 33).Les termes d'échangeur supérieur et d'échangeur inférieur n'ont été utilisEs que par commodité, l'axe des cylindres pouvant aussi bien être vertical. Ce fonctionnement suppose qu'on laisse un passage pour les fluides entre la masse 22 et les cylindres 23 et 24. La fig. 4 montre à une échelle développée, comment la masse 22 peut, par exemple, titre disposée entre ces cylindres pour obtenir ce résultat. Plusieurs couches, neuf par exemple, d'un grillage 47 très fin, d'une épaisseur de l'ordre du dixième de millimètre par exemple, sont disposées les unes au-dessus des autres pour former une bande qui est plissée et laisse ainsi apparaître des passages axiaux 48 assurant la répartition du fluide dans le sens axial, sa répartition dans le sens circonférentiel étant assurée par la forme semi-circulaire des ouvertures d'admission et d'évacuation dans les cylindres 23 et 24.Le plissage présente le grand avantage d'accroître considérablement le volume de la masse d'échange, contenu dans un espace donné, pour une épaisseur déterminée de celle-ci. L'étanchéité entre pistons et cylindres est réalisée au moyen de segments, non représentés pour simplifier la figure. Les pistons sont commandés, par l'intermédiaire de tiges sortant à travers des presse-étoupes, par des vérins. Toute cette commande n'a pas été représentée car elle est de réalisation classique. Dans le cas de la Fig. 5, les ouvertures d'admission et d'évacuation des fluides ont été disposées en bout des cylindres 23 et 24. Ceu. -ci sont évasés à leurs extrémités pour former des sièges de soupapes 47 à 54, avec les supports 55 et 56 de la masse d'échange de chaleur 22. Le support 55 se prolonge par une tubulure 57 d'admission d'un premier fluide et le support 56 par une tubulure 58 d'évacuation d'un second fluide, l'espace interneau cylindre 23 étant divisé axialement en deux parties distinctes par une cloison 59. Les extrémités évasées 60 et 61 du cylindre 23 débouchent à l'intérieur du cylindre formé par la masse 22 et son support 55 ou 56.Les extrémités évasées 62 et 63 du cylindre 24 forment respectivement un distributeur annulaire 64 muni d'une tubulure d'admission 65 du deuxième fluide et un collecteur annulaire 66 muni d'une tubulure 67 d'évacuation du premier fluide. Les cylindres sont divisés par une cloison telle que la cloison 25 de la Fig. 3 de manière à former deux échangeurs. La prolongation de cette cloison est visible en 68 sur la Fig. 6. Un ensemble de soupapes telles que 69 viennent s'appliquer sur les sièges 47 à 54. La commande de ces soupapes est classique et n'a pas été représentée. Le fonctionnement est analogue à celui décrit à propos de l'exemple de la Fig. 2. Comme on le voit sur la Fig. 6, on a prévu plusieurs (trois dans l'exemple représenté) secteurs d'admission ou d'évacuation par fluide, mais on pourrait aussi n'en avoir qu'un seul si les dimensions le permettaient. Les exemples de réalisation montrent cue les organes d'obturation des ouvertures d'admission et d'évacuation des fluides peuvent ainsi être d'une nature analogue à ceux que l'on rencontre dans les anciennes locomotives à vapeur ou dans les moteurs à combustion interne. Leur duréc de vie est excellente car ils travaillent ici à une fréquence beaucoup plus faible et avec des temps d'arret, et qu'on peut les munir d'organes d'amortissement évitant les chocs. REVENDICATIONS 1 - Echangeur de chaleur à régénération comportant une masse d'échange de chaleur fixe qui est disposée à l'intérieur d'une enveloppe portant des ouvertures d'admission et d'évacuation de fluides, et qui est parcourue alternativement, et à contre-courant ou dans le même sens, par un fluide chaud et par un fluide froid, caractérisé en ce que la masse d'échange de chaleur est constituée par un matériau finement divisé se présentant dans son encombrement général, sous la forme d'un élément de faible épaisseur, en ce que les ouvertures d'admission et d'évacuation d'un même fluide sont respectivement disposées d'un caté et de l'autre côté de cet élément, de manière que celui-ci soit traversé par les fluides dans le sens de son épaisseur, et en ce que l'enveloppe s'applique sur la masse d'échange de chaleur en hissant simplement les passages nécessaires entre enveloppe et masse d'échange de chaleur pour distribuer ou collecter les fluides sur chacune des deux grandes faces de l'élément plat constitué par la masse d'échange de chaleur, à partir des ouvertures d'admission ou d'évacuation. 2-- Echangeur de chaleur suivant la revendication -1, caractérisé en ce que les organes d'obturation des ouvertures d'admission et d'évacuation des fluides s'appliquent directement sur la dite enveloppe. 3 - Echangeur de chaleur suivant les revendications l ou 2, caractérisé en ce que la masse d'échange de chaleur est constituée par un plissage. 4 - Echangeur de chaleur suivant la revendication ., caractérisé en ce que le plissage est effectué à partir d'une bande formée de plusieurs couches superposées de grillage métallique. 5 - Echangeur de chaleur suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'enveloppe de la masse d'échange de chaleur est constituée par deux cylindres concentriques. 6 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 5, à enveloppe de section circulaire, caractérisé en ce que les ouvertures d'admission et d'évacuation sont effectuées sur les dits cylindres concentriques, et sont obturées par des pistons coulissant sur ces cylindres, intérieurement pour le cylindre intérieur et extérieurement pour le cylindre extérieur. 7 - Echangeur de chaleur suivant les revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'on donne aux ouvertures d'admission et d'évacuation portées par les dits cylindres concentriques la forme de fenttres allongées dans le sens perpendiculaire à l'axe et en ce que l'on installe des passages aeiau: entre enveloppe et masse d'échange de chaleur. 8 - Echangeur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les ouvertures d'admission et d'évacuation sont disposées en bout de l'enveloppe de la masse d'échange, et sont obturées par des soupapes. 9 - Echangeur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les ouvertures d'admission et d'évacuation ont la forme de secteurs et an ce que l'on installe Sas passages axiaux entre enveloppe et masse d'échange de chaleur.