Brevet FR2126940A1 — publié le 19721013

La présente invention, due à la collaboration de Ir. Maurice BILLE se rapporte à un échangeur de chaleur entre flux gazeux, et plus particulièrement entre air comprimé d'ali- mentation et gaz d'échappcment de moteurs, tels que les échangeurs régérateurs de turbines àgaz. On connaît sous ce terme, des échangeurs constitués par un bloc de matière perméable, soit métallique, soit céra- mique, sur lequel passent alternativelent les gaz chauds et l'air comprimé, de telle façon que ces gaz soient refroidis et que l'air comprimé soit réchauffé. Le plus fréquemment, c'est le bloc de matière poreuse qui se déplace, pour passer successivement dans le ccurant de gaz chauds et dans le courant d'air comprimé. Les échangeurs de ce genre sont en général constitués par des disques tournant à vitesse relativement lente. Il est indispensable que la canalisation de ga7 brûlés d'une part, et la canalisation d'air comprimé d'autre part, ne communiquent pas entre elles puisque l'air comprimé est à une pression de l'ordre de 4 à 5 bars et qu'une perte, même faible, d'air comprimé, dimillue fortement le rendement de la turbine. Il est donc nécessaire d'établir un bon joint le long des deux rayons qui séparent la canalisation de gaz et la canalisation d'air, au contact du disque tournant. Or, il est bien connu qu'un tel joint est très difficile à réaliser, notannient au raccordement des deux rayons et au raccordement des rayons avec la périphérie du disque. L'objet de la présente invention est un échangeur ue chaleur évitaiit ces inconvénients. Les flux gazeux sont répartis en une succession de veines aplaties et parallèles,dtégale largeur dans lesquelles les flux chaud et froid sont alternés. Cet ensemble de veines est traversé et inlerrompu par un espace cylindrique dans lequel est ajusté un échangeur également cylindrique, animé d'un mouvement de translation alternatif le long de son nse, d'amplitude égale à la largeur d'une des veines, et travers par les flux gazeux suivant des plans perpendiculaires à son axe, entre un empilage de plaques alvéolaires formant un réseau poreux étanche dans le sens axial Ainsi, dans le cas d1un échangeur -régénérateur de turbine à gaz, on utilisera un bloc de matière porellse, qui se déplace successivement dans les gaz chauds et l'air comprimé, mais sans utiliser la solution d2un disque tournant, pour échapper à la difficulté du joint.Le but étant de remplacer ce joint par une série de joints circulaires du type segments, que l'on sait réaliser avec le minimum de fuites, voir des fuites quasi-nulles. A cet effet, les deux courants de gaz et d'air sont chacun séparés en plusieurs canaux plats disposés en sandwich, comportant alternativement un canal de gaz et un canal d1air. Le Bbc,ou cylindre échangeur, par un moyen quelconque, est déplace alternativement de façon rectiligne,avec une course égale à la largeur des susdits canaux, de telle façon que la partie qui était dans les gaz vienne dans l'air comprimé et réciproquement. L'étanchéité entre les parois des veines et ltéchan- geur est réalisée simplement par des segments circulaires. De tels segments peuvent être du type de ceux des pistons de moteurs à combustion interne. Ils s1 encastrent dans la paroi de la veine et leur largeur est suffisante pour recouvir simultanément plusieurs épaisseurs de plaques alvéolées du cylindre échangeur, formant avec celui-ci une étanchéité du type labyrinthe. Côté cloison, l'étanchéité sera du type à clapet, ou autoclave. Le bloc de matière perméable est cylindrique et les joints qui séparent les canaux de gaz chauds et dtair comprimé sont des segments cylindriques. I1 est bien entendu que la constitution du bloc de matière perméable ne permet pas le passage des fluides dans un sens axial mais uniquement dans un sens radial.Ce bloc peut être métallique, constitué par des plaques circulaires empilées de façon à éviter toute communication axiale et séparées entre elles par des ondulations qui définissent un passage préalablement orienté, soit par faisceaux de petits canaux, soit par pointes, qui donne une grande parméabilité dans uredirection radiale quelconque, en créant une turbulence particulièrement favorable aux échanges de chaleur0 Le mouvement alternatif du bloc peut entre obtenu, soit par une commande bielle -manivelle, soit par une pression gazeuse (la pression de l1 air comprimé par exemple) alternativement appliquée à chaque extrémité du bloc. La consommation d'air comprimé nécessaire dans ce cas est infime par rapport au débit de la turbine. En variante de réalisation, les segments peuvent setre formés de deux couches concentriques de materiaux à coefficients de dilatation différente, le plus dilatable étant situé à l'intérieur. Suivant cette disposition, le segment monté ajusté à froid tendra à stouvrir lors de ltaugmentation de temperature, et, corrélativement, de la pression, ce qui équilibrera les forces des pression des gaz sur les segments et limitera les pertes d'énergie par le frottement à sec des segments sur les tranches des tôles alvéolares du cylindre-échangeur. A titre d'exemple de réalisation, les segments pourront avoir une largeur de 5 à omm, la largeur des alvéoles étant de 11 ordre de Ow5mm, la fréquence du mouvement de déplacement étant inférieure à 10 fois par minute. Dans cette autre caractéristique de l'invention, les segments d'étanchéité sont donc formés d'un bilame où le métal le plus dilatable est à l'intérieur. A froid, le segment possède une bande qui tend à le serrer sur le bloc. A chaud, le bilame tend à s'ouvrir et à desserrer la pression sur le bloc, mais simultanément, la pression de l'air comprimé agit à l'ex- térieur du segment pour tendre à le serrer sur le bloc; ces deux effets antagonistes sont judicieusement utilisés pour que la pression finale sur le bloc soit positive mais faible, de façon à éviter son usure et celle du segment . Cette double action reste toujours sensiblement proportionnelle, paree que dans la turbine à gaz, la température des gaz dléchappement reste liée à la pression de ltair comprimé mis en oeuvre. Dans une seconde version de l'invention, un mouvement de rotation du cylindre échangeur autour de son axe est ajouté à son mouvelr,ent de translation alternatif. Cette rotation favorisera l'équilibrage des températures, et donc des contraintes dans le cylindre-échangeur et rendra les échanges plus homogènes. La vitesse linéaire pérphérique de rotation sera supérieure à la vitesse linéaire du mouvement de translation. Dans cette version, le réseau alvéolaire ne sera plus orienté directionnellement. Il pourra etre formé d'une multiplicité de protubérances circulaires d'axe parallèle à lwaxe de ltéchangeur et reliant les parois de deux plaques du réseau alvéolaire. Il en résultera une absence d'orientation préférentielle et un régime dtécoulement turbulent mais continu des flux gazeux. Une autre caractéristique de l'invention est donc de faire tourner ce bloc cylindrique autour de son axe, en même temps qu'il est déplacé alternativement comme il est dit cidessus. Ce mouvement de rotation est possible, puisque dans la solution préférée avec pointes, les petits fanaux intérieurs du bloc ne sont pas orientés radialement. Cette rotation est très avantageuse, parce quelle tend à égaliser les tenipéra- tures du bloc et à éviter les distortions. Il est à noter d'ailleurs que, même si le bloc ne tournait pas, ces distortions restent très inférieures à celles des disques de ltéchan- geur connu. Le mouvement de rotation peut être créé indépendame ment du mouvement de translation et il est avantageux qu'il soit relativement plus rapide que ce dernier. Un avantage important de l'invention est de faciliter l'architecture de la turbine pour la placer plus aisément dans un véhicule. En effet, les disques des échangeurs connus sont obligatoirement situés sur les côtés de la turbine, de sorte que l'encombrement en largeur, au niveau de l'arbre de la turbine, devient relativement important et se place difficilement entre les deux longerons d'un camion. D'habitude, même pour maintenir cette largeur aussi réduite que possible, on est amené à donner aux conduits de fluides, des formes moins satisfaisantes au point de vue des pertes de charge.Avec les échanbeurs proposés, il est possible de les situer au-dessus de l'axe de la turbine et vers l'arrière, de telle façon que l'en- combrement en largeur, au niveau des'longerons d'un camion, reste très satisfaisant. Ils permettent également d'utiliser un conduit d'échappement extrêmement direct, sans autres pertes de charges que celles de la traversée des blocs0 Un autre avantage important de cette disposition est la possibilité d'orienter indifféremment et de croiser les flux gazeux (fig.XII), ce qui facilite et permet l'implantation du ou des échangeurs dans les conditions les plus favorables0 On prévoit généralement au MoinS deux cylindres-échangeurs montés symétriquement, en parallèle dont les déphasages de déplacement sont inversés et assurent un régime d'échange constant. Ce type d' échangeur permet également un démontage et un échange aisé des cylindres-échangeurs à fin de vérification et de nettoyage, par leurs extrémités, comme une cartouche de filtre, ce qui en réduit au minimum les frais d'entretien. La description qui suit et les dessins annexés donnent plus de déLails sur les particularités de l'invention dans son application à un échangeur pour turbine à gaz où La figure 1 est une vue de face d'un échangeur à disque de type connu. La figure 2 est une coupe de ce disque par un plan diamétral. La figure 3 est une coupe axiale d'un échangeur selon l'invention. La figure 4 est une coupe transversale de l'échangeur de la figure 3. La figure 5 est une coupe semblable a' celle de la figure 3, dans le cas d'une commande du mouvement par pression gazeuse (par exemple air comprimé)0 La figure 6 et 7 sont 2 vues d'un segment d'étanchéité. La figure 8 représente la coupe d'un segment d'étanchéité en place. La figure 9 est la coupe d'un type de segment constitué par un bilame. La figure 10 et 11 correspondent respectivement aux figures 3 et 5 et montrent un dispositif de mise en rotation du cylindre-échangeur. La figure 12 est une variante de la figure 4 oh les flux gazeux ont des directions différentes. La figure 13 est une vue perspective d'une matrice du bloc montrant schématiquement les reliefs d'échange et de turbulence omnidirectionnels. La figure 14 est un schéma dtun ensemble turbine de véhicule vu en élévation La figure 15 est le méme schéma vu en plan montrant une disposition avantageuse de cet ensemble. Dans les figures 1 et 2, on distingue les deux rayons ou se fait 11 étanchéité et l'on voit en même temps dans les galets spéciaux de ce disque, l'entratnement par cotonnes dentées ainsi que la forme assez tourmentée du conduit d'arrivée d'air comprimé. Sur la figure 3, og. remarque l'arrivée (1) d'air comprimé, l'arrivée (2) de gaz d'échappement, la séparation de (1) en divers canaux (3), le nombre de séparations pouvant entre d'ailleurs plus grand, la séparation de (2) en divers canaux (4) intercalés entre les canaux (3). Le bloc échangeur cylindrique (5) traverse perpendiculairement tous ces canaux qui ont d'ailleurs tous la même largeur correspondant à la course du bloc. Au passage du bloc, les canaux sont séparés entre eux par les éléments d'étanchéité (6).Ces éléments d'étanchéité sont détaillés sur les figures 6, 7, 8 et 9. Ces éléments d'étanchéité affectent la forme d'un segment habituel avec, par exemple, une coupe à mi-fer (7). La pression d'air comprimé pénètre comme d'habitude dans la gorge de segment (C) et applique le segment sur le cylindre, en (9). Le segment peut être, comme il a été dit, un bilame avec la bande (10) la moins dilatable à l'extérieur et la bande (11) la plus dilatable à lin- térieur. Les deux bandes peuvent être d'épaisseur constante, ou même, comme il est montré sur la figure 9, d'épaisseur variable pour tenir compte de la plus grande température du c8té des gaz brûlés (13) que du c8té de l'air comprimé (14), la séparation (12) étant alors oblique. Ainsi, par un choix approprié des matériaux et des dimensions des éléments du bilame, on peut régler de façon très sensible son degré d'ouverture0 Un léger arrondi sur les angles de la face frottante des segments facilitera l'engagement et le frottement des tranches des éléments de l'échangeur en fonctionnement. Le bloc est constitué par unisérie de matrices circulaires (21) empilées et serrées par un axe central (15), des flasques (i6) et des écrous (17)e Les prolongements de la tige sont eux-memes guidés dans des éléments coulissants (18) et du côté supCrieur, la tige est commandée par la bielle (10) et la manivelle (20). Les ma-trices circulaires peuvent posséder des canaux parallèles (22) comme il apparat sur la figure 5, mais de préférence elles peuvent Qtre constituées par des disques à pointes (23), de telle sorte que les canaux (3) et (4) n1 ont pas besoin d'entre parallèles au droit du bloc, mais peuvent former entre elles, un angle comme il apparatt sur la figure 12.Puisque le bloc se déplace dtune quantité égale à la largeur des canaux (3) et (4), la chaleur accumulée sur les maté rivaux est transférée dans le canal froid inférieur ou supérieur. Le déplacement du bloc (5) peut être obtenu par l'air comprimé; sur la figure 5 on voit le même bloc que précédemment décrit, sans prolongement de la tige centrale, sans guidage,avec l'air comprimé pouvant arriver par les canaux (24), soit à la partie supérieure, soit à la partie inférieure, par la manoeuvre rendue automatique d'un clapet (25); ltair utilisé s'échappe par les gicleurs (26). Le mouvement est relativement rapide et le bloc reste un certain temps à chacune de ses ex trémités, le mouvement est toutefois amorti par le contrôle de ltéchappement d'air aux gicleurs (26). Le bloc est alors tenu uniquement par sa segmentation, sans aucune contrainte supplémentaire. Mais dans ltopération décrite, le transfert de chaleur peut présenter certaines dissymétries, ainsi que les dilatations correspondantes. C1 est pourquoi, les préférences vont au bloc tournent représenté aux figures 10 et 11. On voit que la tige (15) peut être prolongée par un anneau (27) solidaire d'un engrenage (28) lui-même commandé par un pignon (29). La translation reste commandée, soit par le bourrelet (30) et le système de bielles (19 et 20), soit par l'air comprimé arrivant par les canaux (24). Il est à noter que la rotation du bloc (5) composé de ses matrices (23) est non seulement favorable à lXéquilibre des températures, mais aussi à la turbulence autour des pointes donc à l'échange de chaleur. On entend par le terme "pointe" tout type de protubérance de forme ronde offrant une résistance au flux gazeux identique dans toutes les directions. Il est à peu près certain que dans ces conditions, la vitesse d'échange et la régularité sont plus grandes que dans la aolution du disque uniquement tournant. Il serait donc possible théoriquement, de mouvoir le bloc plus rapidement et d'augmenter ainsi son pouvoir dtéchanget mais on est limité par le mélange inévitable entre l'air et le gaz, au cours des déplacements axiaux du bloc.De même, on pourrait augmenter le fonctionneme@t des canaux d'arrivée (3 et 4), mais on serait conduit à augmenter ainsi le nombre de segments. Un choix optimum des dimensions est donc à déterminer en fonction des performances demandées à ltéchangeurO Notons égalenient que la rotation du bloc se combine à sa translation, pour réaliser un mouvement louvoyant favorable à la diminution du coefficient de frottement sur le bloc, donc à la diminution des pertes mécaniques et à la meilleure tenue du matériel, même s'il s'agit d'un bloc eii céramique.Il n'a pas été donné de détails en effet, sur la constitution éventuelle du bloc en céramique, l'idéal étant de reproduire au plwprès, ce qui est obtenu par les éléments métalliques (23). Les matrices à pointes peuvent entre éventuellement elles mêmes en matériau céramique. Une construction céramique en un seul élément est possible, toujours à condition qu'il nty ait pas de communication, ni de circulation axiales. L'installation dans la turbine peut être agencée comme il est représenté aux figures 14 et 15, données à titre d'exemple non limitatif d'emploi de ces échangeurs. Le compresseur (31) est entrain par la première roue de turbine (32). Dans la veine du gaz, la deuxième roue de turbine (33) commande le réducteur (34) et l'arbre de sortie (35)0 Entre la première roue (32) et la deuxième roue (,3) se situe le distributeur orientable(36). L'air comprimé par le compresseur (31) est réparti en 2 flux par les collecteurs (37)symétriques ; ces collecteurs (36) se terminent chacun devant lXéchangeur cylindrique vertical (38), en se fractionnant naturellement comme indiqué aux figures 5 et 11 et débouchent dans un collecteur général (39) qui alimente en air la chambre de combustion (40).L'air primaire de combustion entre en (41) et l'air seoondaire en (42), la veine de gaz brûlés est guidée à l'intérieur du collec@eur (43) qui conduit les gaz chauds sous pression, à la turbine (32). Le gaz détendus N la sortie de la turbine (33) sont conduits vers l'arrière par les gaines (44) qui traversent également les échangeurs (38),après s'être répartis en plusieurs canaux, comme représenté aux figures 3,5 et 11, mais sans changer de direction, sauf après sortie de la turbine où un seul coude (45) les renvoie dans les cheminées (46). La commande des mouvements des échangeurs (38) n'est pas représentée ; elle eut être conforme à une des solutions représentées par les figures 3,5, 10 ou 11. Il est à noter que les échaugeurs (38) sont entièrement situés au-dessus de l'axe (47) du groupe turbine, donc au-dessus des longerons des véhicules, ce qui permettrait à ces longerons d'occuper la position représentée par les lignes pointillées (48). Les 2 échangeurs doivent êXre synchronisés et décalés d'une demi-course pour une meilleure régularité de la lempérature de l'air] D'après des dispositions prises, l'encrassement de l'échangeur est certainement très long à se produire; même s'il se produit, il est visible que le démo@tage des blocs de ma titre poreuse peut se faire facilement, @ ans sortir 11 ensemble turbine du véhicule, simplement en démontant le couvercle supérieur et en introduisant des gaz chauds sans pression, pour détendre les segments (6) et annuler leur frottement. Un tel changement de bloc peut être réalisé cn quelques minutes. R@VENDICATTONS 1. Echangeur de chaleur entre flux gazeux dont les échanges calorifiques sont transmis d'un flux chaud à un flux froid par le passage alternatif et successif de ces flux dans zones d'une structure de bloc elchangeur et dont ces flux ga/e@x sont répartis en une succession de veines aplaties et parallèles, d'égales largeurs, alternant les veines parcourues par les gaz à refroidir avec les veines parcourues par les gaz à réchauffer, @'ensemble des veines étant traversé et interrompu par un espace eylindrique dans lequel est ajusté un bloc échangeur également eylindrique, animé d'un mouvement de translation alternatif le long de son axe, d'amplitude égale à la largeur d'une des veines et traversé par des flux ga/eux suivant des plans perpendiculaires à son axe entre un empilage de plaques formant un réseau alvéolaire poreux transversalement et étanche dans le sens axial du bloc-échangeur, caraotérisé en ce que ledit bloc échangeur est animé d'un mouvement de rotation continu combine' avec le mouvement de translation aiternatif du bloc échangeur, l'étanchéité entre les veines de flux gazeux et le bloc échangeur étant réalisée par des segments @ir- culaires en contact frottant avec la surface périphérique du bloc échangeur et encastrés dans les parois des veines de flux azeux, le résoau alvéolaire du bloc échangeur étant une multiplicilé de protubéra@@es circulaires d'axe parallèle à l'axe de l'échangeur et reliant les parois de deux plaques voisines. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 dans lequel la vitesse linéaire périphérique de rotation du bloc échangeur est supérieure à sa vitesse linéaire de translation. 3. Echangeur de chaleur selon le revendication 2 dans lequel les mouvements du bloc échangeur sont commandés par des moyons pneumatiques agissant par prossion de l'un des flux gazeux alternativement sur les faces d'extrémité du qloc échangeur formant piston. 4. Echangeur de chaleur solon le revendication dans lequel les segments sont formés de deux couc@es concoutriques de matériaux à coefficients de dilatation différents, le plus dilatable étant situé sur la face interne frottante di segment. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4 dont les arêtes de la surface frottante des segments forment un angle légè- rement arrondi. 6. @@@@@@ur de chaleur selor seion la rovendiention 1 @@@@@té- risé en @e @@@ @u unins un blos échangeur est monté werticalement d@@@ @@ @@se@@le moteur à turbine pave vébicule, son axe verti- @@@ @@@@ @@@ué au poini de convergon@e des axes des veines de gaz de @@ @@@@@en @ d'air d'alimentatien. 7. E@hugeur de cadeur selon la reverdicatien 6 dars legvel le blos éelange@r e@@ @@ @é en@@èrenent @@-lessns des lengerons du vénieale. 8. Echangeur de chaleur selon les revendications 6 et 7 dans l@quel doux bloc@ échangeurs dont les mouvements alternatifs vorticaux sont décalés d'une demi-course sont placés symétriquement par rapport à l'axe de la turbine. 9. Echangeur de chaleur selon la rovendication 1 dans lequel le démen@@ge du bloc échangour s'effectue par extractien le long do son axe par l'une des extrémités de son logoment, après dilatation préarable par ga@ chands et desserrage des segments d'étanchéité.