Brevet FR2514483A1 — publié le 19830415

Des échangeurs de chaleur rotatifs à récupéra- tion ou régénération comprennent essentiellement une colonne de rotor supportant des paniers en forme de sec- teur qui s'étendent radialement vers l'extérieur de cette colonne et contiennent une masse de matière absorbant la chaleur La colonne du rotor et les paniers en forme de secteur sont mis en rotation de manière à être exposés de façon alternée à des fluides chaud et froid pour que la chaleur absorbée à partir du fluide chaud puisse être transmise au fluide froid s'écoulant à travers l'échangeur. Le rotor est entouré d'une enveloppe qui comporte des plaques extrêmes situées à des extrémités espacées et présentant des ouvertures pour faire circuler simultanément un fluide chauffant et un fluide à chauffer à travers la matière absorbant la chaleur, portée par le rotor. Attendu que les fluides chaud et froid circulant à travers le rotor sont maintenus à des niveaux de pres- sion variés, supérieurs ou inférieurs à la pression atmos- phérique ambiante, il existe une forte tendance aux fuites entre les fluides se trouvant dans les zones à haute pres- sion et à basse pression et dans l'atmosphère ambiante. Pour éviter les fuites excessives des fluides, des mesures importantes doivent être prises pour mettre en place des dispositifs d'étanchéité isolant efficacement les divers fluides les uns des autres et de l'atmosphère. Des dispositifs d'étanchéité pour colonne connus dans l'art antérieur sont de diverses conceptions et dimen- sions et ils utilisent différents moyens pour isoler effi- cacement les divers fluides Des joints à contact du type décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 822 739 comprennent des garnitures annulaires qui occupent un espace compris entre une structure d'enveloppe fixe et un arbre tournant, tandis qu'un dispositif du type décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 980 128 utilise une chambre à air à haute pression entre des ban- des de garniture Le brevet des Etats-:Unis d'Amérique no 4 159 033 décrit un autre perfectionnement dans lequel des chambres à air espacées sont utilisées de façon exclu- sive pour empêcher les fuites à partir d'un préchauffeur d'air Dans les brevets antérieurs cités, une matière de garniture constituée de laine céramique résistant à la chaleur est utilisée Cependant, lorsqu'elle est soumise à une abrasion constante, cette matière se fragmente rapi- dement en une poussière analogue à une poudre fine qui est déchargée à l'atmosphère Dans le dispositif du bre- vet N O 4 159 033 précité, la totalité de l'effet d'étan- chéité est produite par une chambre à air comprimé, tandis que le refroidissement de l'espace adjacent à la plaque extrême est assuré par une alimentation continue d'une chambre concentrique en air de refroidissement. Une interruption du courant d'air de refroidissement entraînerait une surchauffe du joint à air, du tourillon, du palier de support et de toute autre structure adjacente de l'enveloppe. L'invention concerne donc un dispositif d'étan- chéité de tourillon qui présente à la fois les avantages d'un joint à air et ceux d'un joint du type à garniture. De plus, les pièces du joint sont séparées de manière que le joint du type à air soit conçu pour assurer l'étan- chéité entre des pièces se déplaçant de façon continue, tandis que le joint à garniture est conçu pour assurer l'étanchéité entre des pièces de l'échangeur de chaleur ne présentant pas de mouvement relatif important entre elles Ainsi, la matière de garniture de ce dispositif d'étanchéité tient pendant de longues périodes de fonction- nement sans fragmentation et détérioration excessives des fibres, et elle reste donc efficace pendant de longues périodes de temps. Comme indiqué ci-dessus, le joint est divisé en deux parties distinctes, la première partie étant un joint du type à garniture qui empêche l'écoulement des gaz et de la chaleur au-delà de la plaque à secteur, tandis que la seconde partie est un joint à air qui empêche l'écoulement de l'air et d'autres gaz axialement le long de la colonne du rotor. La première partie du joint comporte des parois de chambre relativement fixes, destinées à contenir entre elles la matière de garniture tout en empêchant tout mouve- ment et toute abrasion de cette dernière pour prolonger ainsi sensiblement la durée de vie utile du joint Cette partie du joint résiste au flux de chaleur et d'air prove- nant des canaux du rotor. La seconde partie du joint comporte des parois de chambre qui tournent librement entre elles Cependant, seul de l'air comprimé est contenu dans la chambre d'étan- chéité formée par les parois mobiles, de sorte qu'un effet efficace d'étanchéité, pratiquement exempt de fragmentation ou de détérioration, est produit entre les surfaces mobiles entre elles. Les deux parties du joint sont portées par des barres d'accouplement espacées qui sont fixées de manière réglable à un étrier, lui-même porté par un palier de gui- dage mobile axialement sous l'effet de la dilatation ther- mique de la colonne du rotor et de son tourillon axial. Les barres d'accouplement sont aisément accessibles pour être réglées ou réparées; elles sont courtes; et elles tra- versent une partie de l'appareil qui n'est pas soumise à une chaleur extrême. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: la figure 1 est une élévation partielle d'un échangeur de chaleur rotatif à récupération comportant le dispositif d'étanchéité d'arbre selon l'invention; et la figure 2 est une coupe longitudinale par- tielle, à échelle agrandie, montrant le dispositif d'étan- chéité selon l'invention monté entre le tourillon et la structure d'enveloppe environnante. L'agencement représenté sur le dessin comprend un échangeur de chaleur rotatif à récupération ou régéné- ration comportant une colonne centrale 12 de rotor montée 14483 sur un palier 14 d'appui et destinée à tourner autour d'un axe vertical dans un palier supérieur 16 de guidage Une masse de matière absorbant la chaleur est contenue dans un rotor 18 de façon à tourner autour de la colonne centrale de ce rotor Ce dernier est disposé à l'intérieur d'une enveloppe 22 comportant des plaques d'extrémité ou de sec- teur à ses extrémités opposées, ces plaques étant traver- sées par des ouvertures 26 qui font circuler un fluide chauffant et un fluide à chauffer à travers les côtés oppo- sés du rotor. Pour empêcher la fuite des divers fluides péné- trant dans leurs canaux prédéterminés ou en sortant, un dispositif d'étanchéité, comprenant des joints circonfé- rentiels 28 placés sur la périphérie du rotor, et des joints de colonne de rotor, disposés entre le tourillon 32 et l'enveloppe, est prévu. Dans la forme de réalisation de l'invention représentée sur le dessin, le joint de la colonne du rotor est divisé en deux parties, à savoir un joint à air 34 qui empêche tout écoulement axial de fluide le long de la colonne du rotor, et un joint du type à garniture contenant une laine minérale ou autre, qui empêche tout écoulement de fluide et tout flux thermique autour de l'extrémité d'une plaque à secteur. Le joint du type à garniture est particulièrement conçu pour s'opposer aux fluxde chaleur et de fluide à partir du rotor, tandis que le joint à air est conçu pour empêcher particulièrement l'écoulement de fluide le long du tourillon vers le palier de guidage. Le joint du type à garniture est rempli d'une laine minérale fibreuse, résistant à la chaleur, qui élève la résistance à l'écoulement d'un fluide à travers le joint. Les parois du joint sont conçues pour permettre un mouve- ment minimal, de manière que la garniture fibreuse qu'elles renferment ne soit pas soumise à une abrasion et à un mou- vement constants Par conséquent, la fragmentation des matériaux isolants fibreux est faible et les fibres allongées restent intactes pendant de longues périodes d'utilisation continue Par contre, les parois du joint à air 34 formé d'une bague cylindrique 35 entourant le tourillon 32 mobile par rapport à elles tournent l'une par rapport à l'autre de façon continue Cependant, la chambre 34 d'étanchéité ne contient que de l'air comprimé arrivant par une entrée 38,-de sorte qu'aucune matière de garnissage ne tend à se fragmenter à l'intérieur de cette chambre. Dans le dispositif selon l'invention, un palier 42 de guidage est prévu à proximité immédiate du touril- lon supérieur 32 Le palier de guidage est porté par l'ex- trémité supérieure du tourillon supérieur afin qu'une dila- tation axiale de la colonne du rotor provoque un mouvement similaire de la chape 44 de support de cette colonne, mais ne provoque pas de mouvement latéral du tourillon. Le palier de guidage est entouré d'un bâti comportant un rail extérieur 48 destiné au palier et des pattes 46 desquelles partent verticalement vers le bas des tiges 52 de suspension. Des tiges 52 de suspension supportent une plaque annulaire 54 dont la face supérieure porte la bague 35 concentriquement autour du tourillon Un joint annulaire classique 58 à contact est destiné à frotter contre un manchon 74 d'usure pour empêcher l'air comprimé fourni par la source 38 de fuir de façon excessive du joint 34 à air avec l'air ou tout autre fluide contenu dans l'échangeur de chaleur. Un manchon cylindrique 56, partant vers le bas du bord périphérique extérieur de la plaque annulaire 54 et aligné avec l'extrémité intérieure de la plaque 24 à secteur disposée radialement, porte à son extrémité infé- rieure une seconde bride annulaire 62 destinée à supporter un rouleau 64 anti-friction sur lequel repose une saillie 66 de la plaque 24 à secteur, afin que cette dernière puisse se dilater radialement de façon libre sous l'effet des variations de température Une saillie intermédiaire 68, située à l'extrémité de la plaque à secteur 24,forme un joint du type à labyrinthe qui oppose une résistance supplémentaire à l'écoulement ascendant des fluides à tra- vers la garniture 36. Une bride 72, s'étendant perpendiculairement à l'extrémité supérieure des manchons 74 d'usure, autour du tourillon 32, est destinée à dévier latéralement tous gaz fuyant à travers le joint 34 et à empêcher ainsi ces gaz d'atteindre le palier 42 de guidage Attendu que la plus grande partie des gaz de fuite ont une pression et une température élevées, ils risquent de détériorer le palier et ses moyens de support. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées à l'échangeur dé chaleur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDI CATIONS 1 Echangeur de chaleur à récupération, caracté- risé en ce qu'il comporte un rotor ( 18) comprenant une colonne verticale ( 12), un tourillon supérieur ( 32) réalisé d'une seule pièce avec la colonne du rotor et s'élevant de ce dernier, un tourillon inférieur qui fait saillie vers le bas de l'extrémité inférieure de la colonne, une coque de rotor entourant concentriquement la colonne du rotor et destinée à délimiter un espace annulaire pour une masse de matière absorbant la chaleur, une enveloppe ( 22) entourant le rotor et présentant des ouvertures ( 26) d'entrée et de sortie d'un fluide chauffant et d'un fluide à chauffer, avec des plaques ( 24) à secteur, mobiles axialement, qui dirigent le fluide chauffant et le fluide à chauffer à travers la matière absorbant la chaleur du rotor, un palier ( 14) de support destiné à supporter le tourillon inférieur pour qu'il puisse tourner autour de son axe vertical, un palier ( 42) de guidage entourant le tourillon supérieur et destiné à empêcher tout mouvement latéral de celui-ci, des premiers moyens d'étanchéité disposés entre le tourillon supérieur et l'enveloppe du rotor et destinés à empêcher tout écoulement de fluide entre eux, ces moyens d'étan- chéité comprenant une plaque annulaire ( 54) qui entoure concentriquement le tourillon supérieur, un bâti annulaire porté par ladite plaque annulaire et présentant un côté ouvert tourné vers le tourillon pour former un joint à air ( 34) empêchant tout écoulement de fluide, une source ( 38) de fluide d'étanchéité sous pression, des moyens destinés à appliquer le fluide sous pression au joint à air, un manchon ( 56) qui part vers le bas de la plaque annulaire, autour du tourillon, et qui comporte un rebord latéral ( 62) supportant l'extrémité radialement intérieure d'une plaque à secteur adjacente, et une garniture ( 36) portée par le rebord du manchon, entre la plaque à secteur et le manchon, et destinée à constituer un moyen d'étanchéité indépendant qui empêche la chaleur et le fluide de s'écouler du rotor. 2 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers et seconds moyens d'étanchéité s'étendent à l'extrémité du rotor adjacente à l'entrée du fluide chauffant. 3 Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un manchon annulaire ( 74) qui entoure étroitement et concentriquement le tourillon, et un déflecteur annulaire ( 72) qui s'étend radialement vers l'extérieur de ce manchon et qui est destiné à dévier des gaz chauds de fuite à l'écart du palier de guidage. 4 Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le manchon annulaire constitue une paroi intérieure annulaire pour ledit joint à air. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments ( 52) de sus- pension qui partent verticalement vers le bas du palier de guidage jusqu'à la plaque annulaire afin qu'un mouvement axial du palier de guidage provoque un mouvement corres- pondant de la plaque annulaire et du manchon ( 56) qu'elle supporte. 6 Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un appui anti-friction ( 64) placé entre le rebord latéral du manchon ( 56) et l'extrémité de la plaque à secteur supportée par ce man- chon afin que la plaque à secteur puisse se déplacer radialement et librement sous l'effet d'une variation de température.