Brevet FR2022729A1 — publié le 19700807

L'invention se rapporte à un échangeur de chaleur rotatif à régénération et plus particulièrement à un échangeur de chaleur rotatif toroïdal dans lequel la direction des courants des liquides ou gaz chauds et froids peut être inversée. Généralement, des échangeurs de chaleur à régénération sont employés pour utiliser et récupérer la chaleur dans les gaz d'échappement d'un moteur à turbine à gaz. Ceci est accompli en transférant la chaleur des gaz d'échappement à l'air alimenté par un compresseur dans les chambres de combustion du moteur. Un exemple pour un échangeur de chaleur à régénération peut entre trouvé dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3.326.274. Dans les régénérateurs toroïdaux connus l'air coule axialement à travers une matrice qui s'étend généralement dans une direction radiale. Dans plusieurs cas il est désirable d'inverser le courant des liquides ou gaz afin qu'ils entrent et sortent sur le méme c8té de la surface toroïdale pour que le courant d'entrée soit opposé au courant de sortie. I1 est également désirable de diminuer la résistance au courant pour obtenir une diminuation mint male de la pression dans un régénérateur. Pour accomplir ceci et pour inverser le courant, comme mentioné ci-dessus, l'invention fournit un régénérateur avec des dimensions minimales et une diminuation minimale de la puissance.L'invention accomplit ces résultats et diminue essentiellement la longueur et par conséquent, le poids d'un échangeur de chaleur à régénération. La présente invention fournit un échangeur de chaleur to roidal utilisant une matrice à tambour pour une diminuatwon minimale de la puissance et ayant la possibilité d'inverser le courant des liquides ou gaz pour avoir les ouvertures d'entrée et d'échap- pement sur le meme cté du plan de la surface toroidale. Suivant la présente invention la surface toroïdale est tournante et supporte une matrice à tambour pour l'échange de chaleur, la matrice étant placée entre l'entrée et la sortie du régénérateur toroidal, pour chauffer ou refroidir successivement les flui passant à travers la matrice quand elle est déplacée à travers les courants des luid par la surface toroidale tournante.La matrice d'échange de chaleur 65t unique dans un régénéra- teur à surface toroVdate parce qu'elle comprend un tambour annulaire eu un anneau avec plusieur ailettes de guidage sur ces surfaces, ces ailettes agissant en combination avec les surfaces de guidage qui sont également supportées par la surface toroïdale pour guider le fluide de l'entrée dans et à travers la matrice d'échange de chaleur et vers la sortie de la surface toroïdale. D'autres particularités dé l'invention ressortiront de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier donné à titre d'exemple en référence au dessin annexé, dans lequel: La figure unique est une représentation en coupe longitudinale d'un moteur à turbine à gaz représentant un échangeur de chaleur rotatif toroidal suivant la présente invention. Dans la figure l'extrémité arrière d'un moteur à turbine à gaz est représentée. Le moteur 2 comprend une cage 4 et une paroi 6 qui est espacée radialement vers l'intérieur de la cage 4, la cage 4 et la paroi 6 définissent un passage 8. Le passage 8, comme représenté, forme l'entrée pour le régénérateur rotatif 10 qui sera décrit ci-apr-s, et ce passage permet l'entrée du fluid froid dans le régénérateur rotatif 10. Le régénérateur 10 comprend une cage divisée en deux partie 12 et 14 qui forment ensemble ué chambre toroïdale creuse, la partie 12 dc la cage formant une prolongation de la partie 14 de la cage. La partie 14 de la cage s'étend vers l'intérieur et enveloppe l'arbre de commande 20. Un rotor toroïdal 22 d'une section essentiellement circulaire se trouve à l'intérieur des parties 12 et 14 de la cage, et est supporté par un roulement 24 fixé à la partie 14 de la cage.Plusieurs dispositifs d'étanchéité conventionels 26 sont placés autour du pFrim-tre de la surface toroïdale pour diminuer la fuite, l'arrangement étang tel que les pressions sont balancées sur la surface toroïdale, Le rotor 22, qui est commandé par l'arbre 20 par un moyen approprier par exemple un collet 23, est divisé circonférentiellement dans plusieurs parties par des parois radiales. Ces parois ont un périm??tre continu pour s'adapter exactement à la surface intérieure de la chambre toroidale creuse.La construction du rotor employée dans la présente invention peut titre celle décrite dans le brevet des Etats-Unis d'A.rîque lffo. 3.326.274. Comme mentioné ci-dessus, le rotor 22 est complètement toroidal. D'une façon semblable, les parties 12 et 14 de la cage forment une chambre complztement toroïdale qui est interrompue seulement par les passages pour le fluide chaud et froid, comme décrit ci-dessous en plus grand détail. orale mention ci-dessus, du fluide froi d'une source quel conque, par exemple utun comFresseur (pas représenté) est alimenté ans le tassage 8. Le passage 9 a une ouverture 40 qui interrompt le contour toroidal sur une partie du périmètre de la chambre toroïdale. L'ouverture 40 étant espacée radialement de la ligne axiale centrale qui passe à travers la section circulaire de la surface torcidale et représente l'entrée pour le fluide froid dans le rotor toroïdal. Dans la construction suivant un mode de réalisation préféré le fluide froid coule à travers un système de passage ouvert et corpîtement isolé.Ce système comprend le passage S, l'ouverture ou l'entrée 40 et l'ouverture ou la sortie 42 qui mne vers un passage 44. La sortie 42 est placée radialement à l'intérieur de l'ouverture 40 et s'étend circonférentiellement avec l'ouverture 40. D'une façon semblable, le fluide chaud ou les gaz d'échappement coulent à travers leur propre système de passage qui interrompt la structure toroidale. Les gaz ou fluides chauds sont alimentés suivant la présente invention par un collecteur 50 pour les gaz d'échappement du moteur. Les gaz coulent du collecteur 50 par un passage 52 vers l'entrée 54 du rotor toroïdal.L'ouverture 54 s'étend seulement sur une partie du périt trie du rotor toroïdal et est en alignement périphérique avec et sur le même cté de la surface toroidale que l'ouverture de sortie 42 pour le gaz qui est à chauffer. Après avoir passé le rotor toroïdal les gaz d'échappement sortent par l'ouverture de sortie 53 et coulent dans la chambre d'échappement 59. L'ouverture de sortie 58 est placée radialement à l'extérieur de l'ouverture d'entrée 54 et s'étend circonférentiellement avec l'ouverture 54. Par conséquent, les gaz d'échap pement entrent par l'ouverture 54 dans le rotor toroïdal, coulent radialement vers l'extérieur et sont déchargés par l'ouverture 58. On doit noter que les positions des ouvertures d'entrée et des ouvertures de sortie pour chaque fluide sont uniques. Comme représenté, les ouvertures d'entrée et les ouvertures de sortie pour chaque fluide se trouvent sur le-mEme cté du rotor toroidal. D'une façon plus précise, le fluide est déchargé dans une direction opposée à sa direction d'entrée, c'est-à-dire les fluides entrent axialement et sont tournés d'un angle d'environ 180 pour Qtre déchargés dans une direction essentiellement axiale mais opposée à la direction d'entrée. De la figure on peut voir que la matrice d'échange de chaleur 70 est placée dans les ouvertures 42 et 54 de la surface toroidale. La matrice d'échange de chaleur 70 est supportée par le rotor 22 et par conséquent peut tourner avec celui-ci. La matrice 70 cc:jrend plusieurs plaques en acier inoxidable qui sont très ra-,rochées les unes des autres et entre lesquelles les fluides coulent quand ils passent à travers la matrice pour absorption de chaleur. En outre, la matrice comprend plusieurs segments placés entre les parois radiales adjacentes, et les segments forment ensemble un tambour annulaire ou un élément en forme d'anneau qui s'étend autour de la complète surface toroidale.Par conséquent, quand une partie de la matrice est chauffée par les gaz chauds, une autre partie est simultanément refroidie à l'endroit où le gaz froid coule à travers la matrice. Le procédé est continu parce que la matrice annulaire tourne avec l'arbre 20. Des ailettes de gui usage 74 sont placées sur la surface extérieure de la matrice d'échange de chaleur 70 et d'autres ailettes de guidage 76 sont placées sur la surface intérieure afin de coopérer avec les éléments de guidage 60 et 62 (décrits ci-dessous) pour diriger le courant à travers le rotor toroïdal. Des aubes appropriées 78 sont placées dans le courant à travers le rotor toroïdal et s'étendent générale- ment dans une direction radiale. Les aubes 78 servent également à calmer le courant des gaz à travers le rotor toroïdal. Afin d'assurer que le fluide entre et sort de la matrice i'une mani-re désirée, au moins deux surfaces de guidage 60 et 62 sont prévues dans le rotor toroïdal, pour guider le courant vers la matrice et de la matrice vers l'ouverture de sortie. Ces surfaces sont formées dans le rotor 22 et tournent avec celui-ci our fournir un passage essentiellement étanchéifié et isolé pour chaque syst.j?me, D'une façon plus explicite l'extrémité gauche de la surface de guidage 60 est alignée avec l'extrémité extérieure de chaque ouverture zC ou 53 et I 'extrmité opposée de la surface 30 termine à proximité de et est courbée vers l'extrémité droite de la matrIce.Par conséquent, le courant du gaz entrant par l'ouver- ture 40 est guidé radialement vers l'intérieur et distribué d'une façon essentiellement uniforme sur la surface de la matrice par la surface 60, et où le courant est dans la direction opposée, la surface 60 dirige le courant d'échappement uniformément de la matrice vers l'ouverture 58 en changeant le courant qui sort radialement de la matrice en un courant axial. Cette surface 60 peut être formée d'une plaque de métal mais dans le mode de réalisation décrit elle est formée par la surface intérieure d'un bloc d'une matière appropriée 64, un tel bloc étant prévu entre chaque paire de parois radiales 30. D'une façon semblable,une surface 62 est prévue radialement à l'intérieur de-la matrice et s'étend de l'extrémité droite de la matrice vers l'extrémité intérieur de l'ouverture 42 ou 52. Cette surface dirige les gaz qui ont été chauffés dans la matrice uniformément à travers l'ouverture 42. Quand la surface est alignée avec l'ouverture 54 elle sert à diriger les gaz d'échappement de la turbine des aubes 78 dans et à travers la matrice avec une distribution uniforme sur la surface de la matrice. La surface 62 est également formée par un bloc d'une matière appropriée prévu entre chaque paire de parois radiales 30. La surface du bloc opposée à la surface 62 est courbée et contribue à la formation du périmètre de la surface torordale. La construction décrite ci-dessus a l'avantage de fournir un régénérateur rotatif avec des courants beaucoup plus petits, et par conséquent, un régénérateur rotatif qui est beaucoup plus petit, est plus léger pour la méme capacité. Pendant le fonctionnement le fluide froid entre par l'ouverture 40, absorbe de la chaleur de la matrice 70 et est déchargé par l'ouverture 42 dans unie chambre 44. Ce gaz qui a maintenant une température plus élevée entre dans la chambre de combustion 80 et les produits de combustion sont alimentés de la chambre de combustion vers une turbine radiale 82. La turbine est entraînée par l'énergie dans les gaz de combustion et les gaz d'échappement de la turbine sont dirigés dans un collecteur 50 et ensuite alimentés vers l'ouverture 54 du rotor torslaal pour chauffer la matrice d'échange de chaleur Il va de soi que de nombreuses modifications pourraient entre apportées au mode de réalisaçion qui vient d'entre décrit sans pour cela sortir du cadre de 1 inventon. Revendications 1. Echangeur de chaleur rotatif à régénération caractérisé par une cage comprenant au moins un premier et un second passage, chaque passage ayant des ouvertures d'entrée et de sortie séparés par un rotor toroidal rotatif monté dans la cage et par une matrice d'échange de chaleur en forme de tambour dans le rotor, le rotor comprenant des surfaces de guidage pour diriger les fluides à travers la matrice, et ces surfaces étant arrangées dans le rotor toroïdal pour diriger les fluides de l'entrée appropriée à travers la matrice et vers la sortie de chaque passage. 2. Echangeur de chaleur rotatif à régénération caractérisé en ce que les ouvertures d'entrée et de sortie sont placées pour Ser- nir un courant axial du fluide entrant dans et sortant de la cage et en ce que le rotor comprend deux surfaces de guidage aux côtés opposés de la matrice qui sont arrangées pour diriger le courant radialement à travers la matrice. 3. Echangeur de chaleur rotatif à régénération selon la revendication 2 caractérisé en ce que les surfaces de guidage sont placées de sorte que les courants des fluides soient inversés dans le rotor torordal.