Brevet FR2420112A1 — publié le 19791012

La présente invention est relative à un échangeur thermique du type à régénération dans lequel des gaz de sortie chauds suivent plusieurs passages de petit diamètre prévus dans une matrice, la ehaleur emmagasinée dans celle-ci étant ensuite utilisée pour chauffer des gaz entrants froids. On connaît un échangeur thermique à régénération de ce type dénommé " régénérateur rotatif" dans lequel la matrice présente dans son ensemble la forme d'un disque monté rotatif de façon que chacune de ses faces d'extrémité passe de façon continue entre des passages d'écoulement de gaz chaud et froid. Des moyens d'étanchéité sont prévus aux faces d1 extrémi- tés axiales de la matrice afin de maintenir séparés sur une première face d'extrémité des gaz entrants chauds et de l'air sortant chauffé ,par exemple, et sur la face d'extrémité opposée de l'air entrant froid et des gaz de rebut sortants refroidis. L'invention a pour objet un échangeur thermique à régéné- ration comprenant une matrice rotative ayant deux faces d'extrémités opposées, au moins deux passages pour des gaz débouchant sur- chaque face d'extrémité de la matrice,et des moyens d'étanchéité sur au moins l'une des faces d'extrémité afin d'empêcher des fuites de gaz entre les deux passages situés du même côté de la matrice,les moyens d'étanchéité comprenant plusieurs éléments ou blocs d'étanchéité qui prennent appui de façon étanche sur la face d'extrémité respective de la matrice et qui sont forcés en contact ensemble par les forces de frottement qui prennent naissance par suite du contact des blocs avec ladite face d'extrémité de la matrice.De préférence, chaque élément ou bloc d'étanchéité présente une forme en gouttière et est monté sur un organe de guidage respectif s'étendant dans le passage de l'élément en forme de gouttière, D'une façon commode,des moyens d'étanchéité sont prévus sur chacune des deux faces d'extrémité de la matrice et les moyens d'étanchéité sur chacune de ces faces peuvent comprendre deux parties ayant dans leur ensemble unefoemeenD et disposées dos à dos et comportant une branche commune rectiligne s'étendant en travers de la face d1extrémité de la matrice entre les deux passages de gaz a i n s i qus' une partie incurvée s'étendant au tour de la périphérie de la face d'extrémité de la matrice. Les parties incurvées peuvent de façon avantageuse être formées par plusieurs courts éléments d'étanchéité rectilignes assem blés dans un agencement à recouvrement de façon à former une barrière incurvée. Un tel ensemble assure une liberté appropriée en vue d'une dilatation thermique et d'un déplacement relatif entre les blocs. Dans une variante, les blocs d'étanchéité s'étendent de façon à à former un polygone lorsque l'on les ^considère en plan, et chaque coté du poly- gone est forcé en contact avec un côté adjacent par les forces de frottement qui prennent naissance par suite du=contact des blocs avec la face d'extrémité respective de la matrice. Le polygone peut être un hexagone ayant au moins une paroi qui le divise et qui comprend des éléments ou blocs d'étanchéité agencés de façon à diviser l'hexagone en deux zones. Ces deux zones ont de préférence des surfaces égales. La paroi divisant l'hexagone peut être réalisée en deux parties s'étendant parallèlement l'une par rapport à l'autre et mobile l'une par rapport à l'autre dans leur sens longitudinal respectif. Les deux parties se rejoignent de préférence au centre de la matrice ou au voisinage de ce centre.Les éléments ou blocs d'étanchéité situés aux extrémités libres des deux parties de la paroi de division qui sont adjacentes l'une à l'autre ont de préférence une section d'extrémité qui est adaptée pour empêcher le cou rant des gaz de pénétrer derrière les éléments ou blocs d'étanchéité.Les blocs d'étanchéité de la paroi de division et des côtés du polygone peuvent présenter des faces d'extrémité inclinées de façon que chaque bloc, considéré en plan, présente deux faces parallèles avec les extrémités du bloc inclinées l'une vers l'autre. Au point où une paroi de division rencontre l'un des côtés du polygone et aux endroits où chaque côté du polygone rencontre un autre côté de ce polygone, la face inclinée est forcée contre une face du bloc d'étanchéité adJacent. D'une façon commode,lléchangeur thermique peut être monté avec la matrice rotative autos d'un axe vertical, auquel cas ceux des blocs d'étanchéité qui prennent appui sur la face d'extrémité supérieure de la matrice peuvent être sollicités par leur propre poids, ou sous la pression d'un fluide ou par un dispositif mécanique, sur ladite face d'extrémité supé rieur, tandis que ceux des blocs d'étanchéité qui prennent appui sur la face d'extrémité inférieure . - 1 matrice peuvent être sollicités élastiquement vers le haut en contact avec cette face d'extrémité inférieure.Dans un tel agencement,les deux passages de gaz qui communiquent avec la face d'extrémité supérieure de la matrice peuvent de façon commode assurer le passage des gaz chauds entrant et de l'air chauffé sortant, tandis que les deux passages de gaz qui communiquent avec la face inférieure d'extrémité peuvent assurer le passage de l'air froid entrant et du gaz de rebut refroidi sortant, la matrice présentant ainsi une face d'extrémité supérieure " chaude " et une face d'extrémité inférieure " froide ".Les organes de guidage des éléments ou blocs d'étanchéité qui prennent appui sur la face d'extrémité " chaude " de la matrice peuvent de façon commode être refroidis par un liquide ou par un gaz Ceux des blocs d'étanchéité qui sont sollicités en contact avec la face d'extrémité " froide " de la matrice peuvent être sollicités élastiquement par un fluide sous pression ou par un dispositif de sollicitation mécanique. Les éléments ou blocs d'étanchéité sont de préférence réalisés sous la forme de semelles métalliques en U qui portent une isolation céramique, soit sous forme massive, soit sous forme fibreuse, sur l'extérieur des parois latérales, et une partie inférieure d'usure en céramique massive qui est fixée mécaniquement sur la partie inférieure de la semelle. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa rairont au cours de la description qui va suivre,faite en se référant aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels - la Fig. 1 est une vue en perspective et en coupe partielle d'un échangeur thermique rotatif suivant l'invention, comportant deux passages pour les gaz à chaque face d'extrémité de la matrice; - la Fig. 2 est une vue latérale en section suivant la ligne II-II de la Fig. 1 - la Fig. 3 est une vue en perspective d'un élément ou bloc d'étanchéité; ; - la Fig. 4 est une vue en coupe d'un dispositif de sollicitation chargé par un ressort avec un organe de guidage refroidi analogue à un rail de guidage, d'un élément ou bloc d'étanchéité composite, et d'un dispositif d'actionnement mécanique; - la Fig. 5 est une vue en plan d'une variante de division; - la Fig. 6 est une vue en plan détaillée de la région représentée en VI à la Fig. 5 ; - la Fig. 7 est une vue latérale prise suivant la flèche VII de la Fig. 6 ; - les Fig, 8 et 9 sont des vues en plan de variantes de blocs d'étanchéité suivant l'invention. On a représenté à la Fig. 1 un échangeur thermique rotatif à régénération qui est de façon caractéristique destiné à être utilisé pour le préchauffage d'air d'alimentation d'un brûleur. Le régénérateur est constitué par une matrice 10 réfractaire ou métallique en forme de disque comportant plusieurs passages de petit diamètre agencés suivant une configuration en nids d'abeilles et présentant deux faces d'extrémité opposées à peu près parallèles 12,14. En service,le régénérateur est monté de façon que la matrice 10 puisse tourner autour d'un axe vertical central sous l'action d'un dispositif approprié d'entrainement à moteur et à roues dentées (non représenté) qui engrène avec une couronne dentée 16 de la matrice. Des conduites de gaz et flair sont reliées à des collecteurs 18, 20,22,24 qui dirigent les courants de gaz et dair de façon qu'ils s'écoulent à travers des secteurs séparés de la matrice 10. Les collecteurs supérieurs 18,20 respectivement dirigent un gaz entrant chaud sur la face supérieure d'extrémité 12 " chaude " de la matrice et de l'air de sortie préchauffé. quittant cette meme face, tandis que les collecteurs inférieurs 22 > 24 dirigent respectivement des gaz de rebut sortants refroidis en s'éloignant de la face inférieure d'extrémité froide" 14 de la matrice et de l'air entrant froid sur cette face. Un joint d'étanchéité souple s'étend entre les deux collecteurs 18,20 et 22,24 sur chaque face d'extrémité de la matrice respectivement et,comme on le voit à la Fig. 1, chacun de ces joints est constitué par deux parties en forme de D disposés dos à dos et ayant une branche commune rectiligne transversale 26 qui s'étend dans son ensemble diamétralement en travers de chaque face d'extrémité de la matrice à la jonction des collecteurs respectifs et ayant ses parties incurvées 23 s'étendant de façon continue autour de la totalité de la périphérie de la face d'extrémité respective.Les deux collecteurs de chaque face d'extrémité peuvent sous-tendre des secteurs circulaires d'aires diffe. entes sur les faces d'extrémité de la matrice, auquel cas chaque joint d'étanchéité souple peut être constitué de deux branches rectilignes radiales et d'une partie incurvée située sur la périphérie de la face d'extrémité. Comme on le voit aux Fig. 2 et 3, le joint d'étanchéité souple est constitué d'un certain nombre d'éléments ou blocs d'étanchéité 30 qui sont disposés bout à bout, chaque élément ayant une forme en gouttière présentant une partie intermédiaire ou inférieure 32 p r e n a n t appui de façon étanche sur la face d'extrémité respective 12,14 de la matrice 10 et étant monté sur un organe de guidage respectif fixe 34 qui s'étend à l'intérieur du passage de l'élément en gouttière.Les organes de guidage 34 qui portent les blocs d'étanchéité 30 sur la face d'extrémité 12 " chaude " de la matrice peuvent être refroidis au moyen d'un liquide ou d'un gaz et porter les blocs d'étanchéité de façon qu'ils prennent appui de manière étanche sur la face d'extrémité en étant sollicités par gravité ou éventuellement par un fluide sous pression ou un dispositif d'assistance mécanique.Les blocs d'étanchéité situés sur la face d'extrémité 14 "-froide " de la matrice ne nécessitent pas d'être refroidis, et les organes de guidage 34 peuvent comporter un dispositif quelconque de sollicitation vers le haut afin de forcer les blocs d'étanchéité 30 en contact d'étanchéité avec la fa:e d'extrémité inférieure de la matrice.Comme on l'a représenté schématiquement à la Fig. 2,les organes de guidage inférieurs 34 comprennent un dispositif de sollicitation par fluide sous pression de leurs blocs d'étanchéité 30 associés,bien qu'on puisse éga lement utiliser des dispositifs de sollicitation mécaniques tels que des ressorts, des barres de torsion ou des dispositifs à contrepoids. Comme on le voit à la Fig. 3,les faces d'extrémité de chaque bloc d'étanchéité 30 sont conformés de façon à réaliser un tenon 36 et une mortaise 38 afin de réaliser une interpénétration libré entre les blocs d'étanchéité adjacents, permettant un déplacement relatif entre les blocs adjacents tout en réalisant en meme telfaps un joint étanche efficace entre les blocs. On remarquera que plusieurs de ces blocs 30 agencés suivant la configuration représentée réalisent un joint d'étanchéité souple qui est mobile de façon limitée vers une face d'extrémité 12 ou 14 de la -oea- trice 10 ou en s'éloignant de celle -ci afin de compenser tolltes diformations pouvant se produire en travers des faces d'extrémité en raison des effets thermiques. Les blocs d'étanchéité eux-mêmes peuvent être fabriqués à par tir d'un métal réfractaire ou d'une matière céramique,et et dans le cas de blocs fabriqués en matière céramique on peut utiliser une garniture métallique pour assurer des propriétés améliorées de résistance à la flexion et également pour diminuer le frottement et l'usure à l'interface organe de guidage/bloc. Les blocs d'étanchéité sont fabriqués sous la forme de semelle stnétalliques en forme de U qui portent une isolation emmatière céramique, soit sous forme massive, soit sous forme de fibres, sur l'extérieur des parois latérale s, et une surface inférieure usure en céramique massive qui est fixée mécaniquement sur la partie inférieure de la semel-le. Comme on l'a représenté à la Fig. 4, une semelle d 'usure céramique 130 est portée par un carter 134 formant guide au moyen d'une tige de poussée 140 sollicitée élastiquement. Un ressort 142 prend appui contre une collerette 144 prévue sur la tige et sur une extrémité 146 du carter. La semelle d'usure est reliée à une garniture métallique 148 en forme de gouttière et celle-ci agit comme un guide pour la partie restante du bloc. Un fluide de refroidissement peut circuler le long de la cavité intérieure du carter de guidage 134. L'isolation (représentéeentrait mixte) entoure la garniture métallique 148. Comme on l'a représenté à la Fig. 5 > les semelles sont interpénétrées par leurs extrémités afin d'empêcher les fuites et comportent des joints à tenon et mortaise coopérant ensemble. Le centre de l'échangeur thermique est divisé par des rangées de semelles 150 et 152 qui peuvent être déplacées L'ive par rapport à l'autre à leur interface. La Fig. 6 montre de façon plus détaillée l'engagement mutuel des semelles et montre comment le carter 146 s'étend au-dessus des parties des joints qui coopèrent ensemble. Les semelles 130 sont reliées à la garniture 148 au moyen de bossages 154,de de sorte que la surface d'usure des semelles peut facilement être remplacée. L'agencement représenté aux Fig. 5, 6 et 7 concerne un échangeur thermique de forme octogonale, et il est prévu trois ensembles formant blocs sur chaque côté de l'octogone. La Fig. 8 montre une variante de l'invention. Dans cette variante, une première série de blocs d'étanchéité horizontaux 160 s'étend suivant une disposition bout à bout sur la surface de la matrice depuis un point adjacent à la périphérie 162 de celle-ci au-delà du centre de la matrice désigné par la référence 164. Une seconde série de blocs 166 s'étend parallèlement aux blocs 160 depuis un point situé presque à l'opposé sur la périphérie 162 de la matrice de sorte que les blocs 160 et 166 les plus internes sont disposés avec leurs faces en contact ensemble de part et d'autre du centre 164. Les blocs 160 et 166 forment ensemble une paroi de séparation située à peu près sur un diamotre de la matrice. Chacun des blocs 160 et 166 présente une forme oblique à ses extrémités de façon que > considérés en plan,ces ces blocs présentent deux faces parallèles avec les extrémités des blocs inclinées l'une vers l'autre. La partie inclinée d'un bloc est réunie avec une partie analogue d'un bloc adjacent de la même série, Un élément d'extrémité 168 est ajusté sur chaque série de blocs 160 et 166 à son extrémité adjacente au centre de la matrice. Les parois formant le joint d'étanchéité périphérique s 'étendent suivant une configuration hexagonale autour de la face de la matrice et chacune de ces parois est formée de trois blocs 170 d'une façon analogue à une série de la paroi de séparation. Chaque paroi composée de blocs 170 est disposée en butée sur une face interne d'un c8té adjacent de l'hexagone et est située dans un plan horizontal afin d'empêcher un déplacement de la paroi perpendiculairement à la longueur de celle-ci, Un élément d'extrémité 172 est prévu sur l'extrémité libre de chaque côté de l'hexagone.Une conduite transportant à la matrice des gaz de rebut chauds en provenance d'un four est indiquée par un petit cercle 174 en trait mixte tandis qu'une conduite transportant vers le four de l'air chauffé provenant de la matrice est indiqué par un petit cercle 176 en trait mixte, Les conduites 174 et 176 ont une partie inférieure dont la limite la plus extérieure s'étend suivant un cercle au-delà de la paroi d'étanchéité hexagonale,comme indiqué au dessin par le grand cercle 178 en trait mixte. Lorsque la matrice tourne en service dans le sens indiqué par la flèche 180, les forces de frottement engendrées entre les blocs d'étanchéité 170 et la surface supérieure de la matrice poassent les blocs 172 ensemble par leurs extrémités, et chaque côté de l'hexagone est poussé contre un côté adJacellt, réduisant ainsi les fuites entre les blocs 170 et entre les côtés alllacents délimitant l'hexagone. Chaque côté de l'hexagone peut cependant se dilater à la chaleur et se contracter tout en maintenant ce niveau d'étanchéité, du fait que chaque côté n'est pas retenu par l'une de ses extrémités dans le sens longitudinaL Les deux séries de blocs 160 et 166 sont poussées chacune vers 11 extérieur lorsque la matrice tourne,vers les points où les blocs 160 et 166 rejoignent les blocs 170 formant les côtés de l'hexagone On ohtient ainsi l'étanchéité entre les blocs de chaque série de la paroi de séparation et chaque série est étanche avec les côtés de l'hexagone tout en permettant une dilatation et une contraction thermique des blocs suivant la longueur des séries, du fait que chaque série de blocs 160 et 166 comporte une extrémité libre. On peut utiliser pour réduire les fuites sur la face inférieure de la matrice un agencement des blocs d'étanchéité qui constitue sur la face inférieure de la matrice l'image réfléchie de l'agencement décrit plus haut. Le principe de base de 1 'invention peut être appliqué à n'importe quel agencement de blocs d'étanchéité de forme polygonale. Il peut également être prévu plus de deux séparations du passage d'écoulement à travers la matrice, ce qui implique l'utilisation d'un grand nombre de conduites. Dans la variante représentée à la Fig.9,tous les intervalles entre les blocs sont fermés par un déplacement des blocs produit par la rotation du rotor. Une première série de blocs 182 s'étend depuis la paroi pé riphérique suivant une ligne décalée par rapport au centre 164 de la matrice. Une seconde série de blocs 184 s'étend suivant une droite parallèle à la première série et est décalée d'une quantité égale vers le côté opposé du centre 164 de la matrice. Un bloc 186 de grande dimension est disposé par-dessus le centre de la matrice et, monté rotatif sur l'axecentralde celle-ci. La forme en plan de ce bloc 186 est celle d'un cercle avec des extensions 188 adaptées pour être en butée sur les extrémités internes des blocs adjacents 182 et 184. Les extrémités en butée 190 des blocs 182 et 184 et des parties adjacentes du bloc 186 peuvent etre conformées de façon à assurer et maintenir un contact total pendant une rotation limitée du bloc 186. En~serviceJ la force de frottement entre la matrice et le bloc 186 tend à faire tourner ce dernier ,forçant ainsi les extensions 186 en contact avec les blocs adJacents 182 et 184 et forçant ces derniers à leur tour en contact avec les blocs avoisinants. -REVENDICATIONS- 1 - Echangeur thermique à régénération,caractérisé en ce qu'il comprend une matrice rotative ayant deux faces d'extrémité opposées, au moins deux passages pour des gaz débouchant sur chaque face d'extrémité de la matrice,et des moyens d'étanchéité prévus sur au moins l'une desdites faces d' extrémité pour empêcher les fuites de gaz entre les deux passages situés du même côté de la matrice, les moyens d'étanchéité comprenant plusieurs éléments ou blocs d'étanchéité prenant appui de façon étanche sur la face d'extrémité respective de la matrice et qui sont forcés en contact les uns avec les autres par les forces de frottement prenant naissance par suite du contact des blocs avec ladite face d'extrémité de la matrice. 2 - Echangeur thermique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque bloc présente une forme en gouttière et est monté sur un organe de guidage respectif qui s'étend à l'intérieur du passage de la gouttière, 3 - Echangeur thermique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'étanchéité sont disposés sur chacune des deux faces d'extrémité de la matrice. 4 - Echangeur thermique suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'étanchéité,sur sur chaque face d'extrémité,com- prennent deux parties ayant dans leur ensemble une forme en D et disposées dos à dos et présentant une branche rectiligne transversale s'étendant en travers de la face d'extrémité de la matrice entre les deux passages pour les gaz ainsi qu 'une partie incurvée s'étendant autour de la périphérie de la face d'extrémité de la matrice, 5 - Echangeur thermique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice est montée rotative autour d'un axe vertical central, ceux des blocs d'étanchéité qui prennent appui sur la face d'extrémité supérieure de a matrice étant sollicités par gravité sur la face d'extrémité supérieure de la matrice, tandis que ceux des éléments ou blocs d'étanchéité qui prennent appui sur la iace d'extrémité inférieure de la matrice sont sollicités élastiquement vers le haut en contact avec ladite face inférieure d'extrémité. 6 - Echangeur thermique suivant la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits organes de guidage sont refroidis par un liquide ou par un gaz. 7 - Echangeur thermique suivant ltune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les blocs d'étanchéité, considérés en plan, sont disposés suivant un polygone, chaque côté du polygone étant forcé en contact avec un côté adjacent Far les forces de frottement prenant naissance du contact des blocs avec la face d'extrémité respective de la matrice. 8 - Echangeur thermique suivant la revendication 7,carac- térisé en ce que le polygone comporte au moins une paroi qui le divise et qui comprend des blocs d'étanchéité agencés de façon à diviser le polygone en deux zones. 9 - Echangeur thermique suivant la revendication 8, caractérisé en ce que ladite paroi divisant le polygone est formée de deux parties qui s'étendent parallèlement l'une par rapport à l'autre et peuvent se déplacer l'une par rapport à l'autre dans leur sens longitudinal respectif. 10 - Echangeur thermique suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9,caractérisé en ce que les blocs d'étanchéité comportent des extrémités obliques de façon, que considéré en plan,chaque bloc présente deux faces parallèles avec les extrémités du bloc inclinées l'une vers l'autre. 11 - Echangeur thermique suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les extrémités libres des deux parties de la paroi divisant le polygone sont disposées chacune en butée contre un bloc d'étanchéité central monté pivotant sur l'axe central de la matrice 12 - Echangeur thermique suivant l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que le polygone est un hexagone. 13 - Echangeur thermique suivant l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que le polygone est un octogone.