Brevet FR2116545A1 — publié le 19720713

La présente invention concerne un rotor échangeur de chaleur de gaz et son procédé de réalisation4 notamment pour êchauffage air-air. Bien que l'invention puisse être appliquée à d'autres emplois elle est particulièrement destinée à améliorer la réalisation de rotors métalliques d'échange de chaleur de gaz ou air et sera donc décrite dans cette application. Les rotors échangeurs de chaleur sont utilisés dans des sjstèmes de récupération. Le rotor est habituellement en métal, ou matière analogue, constituant une structure ou matrice qui peut absorber l'énergie thermique d'un courant de gaz chaud ou d'air et dont l'énergie emmagasinée est cédée à un courant distinct d'air ou de gaz à réchauffer. Jusqu'à présent, les ensembles récupérateurs rotatifs étaient utilisés pour réchauffer l'air de combustion des turbines à gaz ou à des fins analogues. Ces récupérateurs sont aussi utilisés comme é-, onomiseurs dans les équipements de chauffage d'ambiance, ou eolorifères. Les rotors sont généralement soumis à des températures comprises dans des limites élevées et,de ce fait, doivent être agencés pour supporter une dilatation thermique élevée et résister à la déformation. Leur poids doit être léger, et leur construction suffisamment rigide pour supporter les pressions de fluide, essentiellement dynamiques,des courants gazeux. Ces rotors doivent également être constitués de manière que des joints convenables d'étan-chéité puissent coopérer avec leur surface pour isoler les deux courants d'air ou gaz. Selon les conditions thermiques et autres, les rotors peuvent avoir de grands diamètres. De ce fait, l'étude d'un rotor satisfaisant est extrêmement difficile. Dans la demande de brevet français déposée simultanément pour "dispositif rotatif de chauffage de milieu ambiant par combustion et récupération',' on décrit un système de chauffage utilisant un rotor d'échange de chaleur. Ce système de chauffage est unique en ce qu'il permet de réaliser un ensemble à combustion efficace, spécialement destiné à engendrer des gaz chauds qui réchauffent le rotor, lequel les utilise pour réchauffer de l'air qui, lui-même, réchauffe directement l'enceinte d'environnement. Le rotor du côté chambre de combustion est soumis à un mélange d'air et de produits de la combustion, ayant une température de l'ordre de 700 à 820°C, et qui sort du rotor à environ 115cC. Du côté réchauffage d'air, l'air introduit a généralement une température d'environ 203C, et est évacué à environ 71°C. Dans l'exemple de mise en oeuvre décrit dans la demande de brevet précitée, le rotor est agencé pour tourner à environ 20 tr/mn et son diamètre est un peu supérieur à 90 cm et son épaisseur n'est que d'environ 7,6 cm. 71 43599 2 2116545 L'invention s dctoc pour objet un rotor échangeur de chaleur de fluides gazeux, ayant des surfaces complètemerit lisses permettant de réaliser l'étanchéité efficace auxgaz. Ce rotor convient particulièrement à l'échange de chaleur, en supportant sans déformation les températures atteintes 5 dans un système de chauffage du genre décrit dans la demande de brevet précité. L'invention a également pour objet un procédé de réalisation économique de ce rotor. Ce rotor échangeur de chaleur selon l'invention comprend un châssis métallique constitué par un moyeu et une jante concentrique extérieure. 10 Le châssis supporte un remplissage cellulaire)ou matrice, constitué par enroulement en spirales autour du moyeu, de bandes alternées, ondulées et plates en métal, ayant une largeur égale à la dimension axiale de la jante. Le garnissage permet le transfert de chaleur entre les gaz ou air et occupe l'intervalle complet entre le moyeu et la jante. Ce garnissage est perméable 15 à l'air en écoulement parallèlement à l'axe du moyeu. Le cadre comprend de plus un premier groupe de rayons de roue répartis angulairement et disposés dans des rainures correspondantes du garnissage, sur l'un des côtés de la roue, et un seconde groupe de rayons analoguœ disposé dans des rainures correspondantes du garnissage de l'autre côté du rotor,les deux jeux de rainures 20 étant de préférence constitués également dans le moyeu et la jante. Les rayons des deux groupes se trouvent au ras des surfaces correspondantes opposées du rotor,constituées par la jante et le garnissage. Les rayons du premier groupe sont fixés par leur deux extrémités au moyeu et à la jante, respectivement, et ceux du secojid groupe peuvent n'Être fixés de préférence qu'à 25 une extrémité, soit de la jante, soit du moyeu, les extrémités non fixées restant flottantes. Le procédé de réalisation de ce moyeu selon l'invention comprend les étapes suivantes : on enroule autour du moyeu métallique des bandes de métal alternées, ondulées et plates, jusqu'à ce que le diamètre 30 nécessaire soit réalisé. On fixe l'enroulement-, en disposant autour la jante de métal. Ensuite on constitue des fentes radiales régulièrement espacées à travers l'enroulement des bandes, et de préférence à travers le moyeu et la jante, des deux côtés du rotor. On donne à ces rainures ou fentes une profondéur sensiblement inférieure aux dimensions axiales des bandes enrou-35 lées, et, en aucun point,on ne découpé les bandes enroulées. On insère alors un rayon en métal dans chaque rainure, de manière qu'il soit au ras de la surface 'du"rotor. Tout les rayons sont fixés' sur un côté du rotor, par leurs 71 43599 3 2116545 deux extrémités, au moyeu et à la jante respectivement, et, sur l'autre côté du rotor, tous les rayons ne peuvent être fixés, dé préférence, qu'à seulement une extrémité, soit à la jante soit au moyeu. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description 5 qui va suivre d'une réalisation préférée, et du dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est une vue en plan, avec une partie arrachée d'un rotor réalisé selon l'invention; et - la figure 2 est une coupe transversale selon la ligne 2-2 de la figure 1. 10 Les mêmes références sont utilisées sur les deux figures pour désigner les éléments identiques ou analogues. On voit sur ces figures, que le rotor est constitué de préférence.par un moyeu 10, une jante 11, une matrice de remplissage 12, des rayons 13, répartis régulièrement sur la surface supérieure du rotor, et 15 un autre groupe de rayons analogues disposés sur l'autre face. Le moyeu 10 est constitué par une pièce 15 en métal, tubulaire ou cylindrique, aux extrémités de laquelle sont fixés des chapeaux 16 et 17 comprenant des ouvertures respectives 18 et 19. Ces ouvertures 18 et 19 sont destinées à recevoir un arbre sur lequel le rotor peut être monté. 20 Comme indiqué sur la figure 1, huit rayons sont disposés à la surface supérieure du rotor. Bien que n'apparaissant pas sur les figures, on comprendra qu fun nombre égal de rayons 14 est disposé sur l'autre côté du rotor, ces rayons étant décalés selon les bissectrices des rayons correspondants 13 du côté supérieur de rotor. Cet agencement relatif apparaît 25 à travers le vide de la matrice, dans l'arrachement de la figure 1. On fixe d'abord dans le moyeu 15 une ou plusieurs paires de bandes dont l'une 20 est plate, alors que l'autre 21, est ondulée. Ces bandes peuvent être constituées par des feuilles métalliques. Dans le présent cas, on utilise l'acier inoxydable de manière satisfaisante avec une épaisseur 30 de 5/100e de millimètre. La largeur de ces bandes doit être égale à la largeur de la jante afin de réaliser une surface lisse d'ensemble. La paire de bandes,ayant une extrémité fixée au moyeu 15,est enroulée en spirale autour de celui-ci jusqu'à ce que le diamètre recherché de rotor soit atteint. Lorsque la jante 11 d'entourage, qui est de préférence en acier inoxydable, 35 est assemblée pour maintenir l'enroulement en place, on fixe alors l'ensemble dans un montage convenable, et on meule ou coupe,avec une roue en abrasif, des rainures à travers le moyeu 15, la matrice 12 et la jante 11, pour 71 43599 4 2116545 y disposer les rayons 13 et 14. On met alors ces rayons en place, la profondeur des rayures étant telle que ceux-ci soient au ras de la surface de la matrice. Ensuite on fixe,ou soude autrement, les rayons 14 au moyeu 15 et à la jante 11 par leurs extrémités respectives. Les rayons 13, tels que 5 représentés,sont fixés de même par leurs extrémités extérieures à la jante 11, mais laissés libres ou flottants pour s'allonger en ajustage coulissant dans la rainure du moyeu. Ensuite, les plaques,ou chapeaux,d'extrémité 16 et 17 sont soudées à l'élément cylindrique 15, en évitant de souder les extrémités intérieures des rayons 13. On a constaté qu'il était satisfaisant 10 pour l'emploi particulier décrit dans la demande de brevet précitée, de réaliser les rayons 13 en acier inoxydable, et les rayons 14 en acier laminé à chaud, les éléments 15, 16 et 17 du moyeu étant réalisés en acier ordinaire. Dans un exemple particulier de réalisation, un rotor a été constitué avec un diamètre extérieur d'environ 95 cm et une épaisseur d'environ 15 7,6 cm. Les rayons 14 sont constitués dans une barre de 3,2 mm d'épaisseur, avec une hauteur,placée suivant la direction axiale, de 3,8 cm. Les rayons 13 sont constitués dans une barre de 3,2 mm d'épaisseur, avec une hauteur disposée en direction axiale d'environ 1,3 cm. Ainsi, les rayons 14 ont une hauteur qui est égale à trois fois celle des rayons 13. On voit que, par 20 le décalage des rayons sur les côtés opposés du rotor, l'épaisseur axiale minimale de la matrice en tout point est d'environ 3,8 cm, c'est-à-dire la différence entre l'apaisseur de 7,6 cm du rotor, et la profondeur de 3,8 cm des rayons 14. Si l'on plaçait les rayons sur les côtés opposés en alignement, la dimension minimale axiale de la matrice serait réduite à 2,54 cm. Le 25 décalage des rayons permet ainsi d'obtenir une réalisation de rotor plus robuste. On a constaté que les réalisations décrites pouvaient supporter des conditions sévères de température,qui sont rencontrées datts le système décrit plus haut, sans déformation appréciable. On a constaté que dans la 30 zone de combustion où le rotor est exposé auxgaz chaud^ la température de surface de rotor atteint environ 650°C, alors que la température tombe brusquement dans la matrice pour être de l'ordre de 150°G, à seulement 2,54 cm de profondeur sous la surface. Ainsi, les rayons 14,qui sont de dimensions importantes et assurent la rigidité du rotor,sont essentiellement protégés 35 des variations élevées de températures. Sur la surface supérieure du rotor, les rayons 13 ne sont destinés qu'à maintenir la matrice qui tendrait normalement à se déformer par coulissement, en leur absence, di fait de la dilatation thermique. Mais les extrémités intérieures radiales des rayons 13 71 43599 5 2116545 étant laissées libres, ceux-ci peuvent se dilater, sans déformer le rotor. Bien que l'invention ait été décrite ci-dessus dans son application à un rotor échangeur de chaleur de gaz, elle peut être appliquée à une roue de transfert total de chaleur, où la matrice comprend un matériau hygroscopique. Un exemple caractéristique de rotor de ce genre pourrait être constitué en amiante enduite d'une matière hygroscopique. Bien qu'il soit commode de découper simultanément les rainures dans la jante, la matrice et le moyeu, il est également possible d'usiner au préalable les rainures de jante et de moyeu et ensuite de découper les rainures dans la matrice avec une meule abrasive, après assemblage avec la jante 11 et le moyeu 15. Il est possible de constater que, dans certaines conditions, Iôs rayons supérieurs courbent et tordent la jante bien qu'ils aient été laissés flottants par rapport au moyeu. Dans ce cas, il peut être préférable de laisser libre les extrémités de jante des rayons et de fixer leur extrémité côté moyeu. Si on agence un dispositif pour empêcher que les rayons supérieurs glissent complètement hors de la jante ou du moyeu, ces rayons peuvent être laissés libres aux deux extrémités. En variante, sous des conditions moins rigoureuses, les rayons peuvent être fixés à la fois aux jante et moyeu. Des modifications et variantes peuvent être apportées au dispositif décrit, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 71 43599 6 2116545 REVENDICATIONS . 1 - Rotor échangeur de chaleur entre fluides gazeux, comprenant un moyeu, une jante concentrique de celui-ci et qui en est séparée radiale-ment, un garnissage cellulaire constitué par des organes ou matériaux de 5 transfert de l'énergie sous forme de chaleur entre des fluides gazeux, occupant l'espace compris entre le moyeu et la jante, et qui est perméable à l'air ou au gaz en écoulement parallèle à l'axe du moyeu, ce garnissage ayant des surfaces opposées affleurant les bords opposés de la jante, un premier groupe de rayons répartis angulairement s'étendant entre le moyeu et la jante, 10 et disposés dans des rainures correspondantes ménagées dans le garnissage sur un côté du rotor, et affleurant la surface du garnissage et le bord de la jante, un second groupe de rayons analogues auxpremiers étant disposés comme ceux-ci, s'étendant entre le moyeu et la jante, mais sur l'autre côté du rotor, les rayons du premier groupe étant fixés par leurs deux extrémités 15 au moyeu et à la jante, respectivement, et un dispositif retenant les rayons du second groupe affleurant dans des rainures correspondantes afin d'empScher le déplacement axial, relativement au rotor, du garnissage pendant le fonctionnement de ce rotor. 2 - Rotor selon la revendication 1, dans lequel les rayons du 20 second groupe ne sont fixés que par une extrémité à la jante ou au moyeu, l'autre extrémité non fixée restant flottante. 3 - Rotor selon la revendication 2, dans lequel le garnissage cellulaire est constitué par un enroulement continu en spirale d'un matériau convenable en forme de feuille. 25 4 - Rotor selon la revendication 2, dans lequel le remplissage cellulaire est constitué par un enroulement continu en spirale de bandes alternées constituées de feuilles lisses et ondulées. 5 - Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le remplissage, la jante et le second groupe de rayons sont 30 constitués en acier inoxydable, lê moyeu étant constitué en acier ordinaire et le premier groupe de rayons en acier laminé à chaud. 6 - Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la hauteur des rayons du premier groupe, en direction axiale du moyeu est de l'ordre de trois fois la hauteur correspondante des rayons du 35 second groupe. 71 43599 7 2116545 7 - Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les positions angulaires des rayons du premier goupe sont décalées par rapport à celles des rayons du second groupe. 8 - Procédé de réalisation d'un rotor échangeur de chaleur 5 entre fluides gazeux, caractérisé par les opérations suivantes, on enroule en spirale autour d'un moyeu en métal des bandes alternativement lisses et ondulées de feuilles de métal jusqu'à ce que le diamètre recherché soit obtenu, on fixe cet enroulement en disposant autour une jante en métal^ayant une dimension axiale égale à celle des bandes, on ménage des rainures ou 10 encoches radiales, espacées angulairement, et s'étendant à travers l'enroulement de feuille, des deux côtés du rotor, ces rainures ayant une profondeur sensiblement moindre que la dimension axiale des feuilles, et ne séparant en aucun point une spire d'enroulement de feuille, on insère un rayon en métal dans chaque rainure de manière qu'il affleure la surface du rotor, on 15 fixe tous les rayons d'un mSme côté du rotor à leurs deux extrémités sur le moyeu et la jante, respectivement, et on fixe tous les rayons de l'autre côté, au moins par une de leurs extrémités, à la jante ou au moyeu. 9 - Procédé selon la revendication 8, dans lequel les rainures sont ménagées de manière à s'étendre aussi à travers le moyeu et la jante 20 des deux côtés du rotor. 10 - Procédé selon la revendication 9, dans lequel les rainures sont ménagées, tout au moins dans l'enroulement de feuille, par usinage à l'aide d'une meule abrasive.