Brevet FR2615935A1 — publié le 19881202

Rotor cylindrique creux équipant un échangeur de chaleur à régénération, et procédé de fabrication de ce rotor Le brevet DE-C-3 308 445 concerne un rotor cylin- drique creux Équipant un échangeur de chaleur à régéné- ration, et muni d'une enveloppe se composant de plusieurs couches d'un ruban qui est orienté sur chant dans le sens radial, est enroulé hélicoidalement sur un noyau laissant passer un flux de fluide, et dans lequel sont ménagés des profils qui autorisent la circulation traversante du flux de fluide dans le sens radial. Cet agencement a pour objet de fournir un échangeur de chaleur du type précité, qui posséde d'une part un bon degré d'efficacité technique en matière d'écoulement et dans le domaine thermique et puis- se, d'autre part, être fabriqué avec une faible complexité et à peu de frais. Pour atteindre cet objet, il est pro- posé de réaliser le ruban d'une manière telle que les em- preintes encaissées s'étendent seulement sur une partie de la hauteur de ce ruban, et que les profils des couches individuelles dudit ruban forment des zones de contact à plat reposant de manière étanche les unes sur les autres, de façon qu'un écoulement soit empêché dans le sens péri- phérique. Le ruban, enroulé sur un tambour, est alors pro- mené entre deux cylindres de gaufrage à surfaces circon- férentielles complémentaires, après quoi le ruban gaufré est bobiné en continu sur un noyau; il faut alors veiller à ce que les profils des couches successives de ce ruban prennent avec précision les positions correctes les uns par rapport aux autres, de façon que la circulation traver- sante du flux de fluide soit garantie. Toutefois, une telle structure exige une production séquentielle, avec une grande précision. Si la précision réclamée n'était pas respectée lors de l'enroulement du ruban sur le noyau, il pourrait en résulter des perturbations dans le flux de fluide. En vue de perfectionner la conception sur laquelle l'agencement susmentionné se fonde, la présente invention s'est fixé pour objet de simplifier davantage encore et d'accélérer la fabrication, tout en garantissant simul- tanément un transfert de chaleur particulièrement intense et exempt de perturbations. Conformément à l'invention, dans.-l'agencement de type nouveau, cet objet est atteint en prévoyant d'asso- cier, au ruban profilé présentant, par exemple, une struc- ture ondulée ou en zigzag, un second ruban non profilé qui est également enroulé hélico dalement sur le noyau perméa- ble, et dont les couches individuelles alternent respec- tivement avec les couches du ruban à profils ondulés, de telle sorte qu'une couche de ce ruban profilé soit, à chaque fois, suivie par une couche du ruban non profilé, et inversement, les couches successives des deux rubans pouvant, par exemple, s'étendre parallèlement ou à peu près parallèlement les unes aux autres. L'agencement conforme à l'invention prodigue deux avantages consistant en ce que le rendement thermique et le degré d'efficacité technique en matière d'écoulement sont extraordinairement bons, ce qui implique l'avantage corrélatif d'une fabrication plus simple encore et moins onéreuse. Le rendement thermique est amélioré par le fait qu'on peut désormais utiliser, pour les deux rubans, une tôle la plus mince possible et choisir, pour le ruban pro- filé, un profilage ondulé très fin, ce qui confère par ailleurs une très grande superficie pour le transfert de chaleur. Les autres avantages résultent du fait qu'une circulation traversante pratiquement exempte de perturba- tions s'opère, désormais, moyennant une fabrication simpli- fiée; en tout premier lieu, il est désormais possible d'appliquer de manière irréprochable un procéd'é de fabri- cation en continu, une précision absolue n'entrant alors plus en ligne de compte lors de l'adaptation mutuelle des couches successives. Dans ce cas, le ruban non profilé sert au premier chef à orienter en quelque sorte la circu- lation en évitant des tourbillons et des perturbations d'écoulement, le fait que les couches successives commu- niquent-sensiblement les unes avec les autres ne revêtant, néanmoins, aucune importance grâce à la hauteur modeste des profils ou ondulations (amplitude), désormais rendue pos- sible. De surcroît, les profils peuvent être maintenus petits ou très petits en présence d'air propre; lorsque l'air utilisé en tant que fluide en circulation traver- sante est encrassé, l'on emploie commodément des profils grossiers. Par exemple, la fabrication peut également être simplifiée par le fait que les profils du ruban profilé sont produits à l'aide de rouleaux ou cylindres coniques de gaufrage associés, qui sont mutuellement en prise dans un poste de gaufrage, tournent en sens inverse et à travers la ligne de pincement desquels (formant le poste de gau- frage) l'on peut faire défiler d'un trait en continu la tôle à profiler, par exemple une tôle d'aluminium. Le ruban non profilé peut, quant à lui, être par exemple muni de fentes par matriçage, puis être soumis à une contrainte de traction dans sa direction longitudinale, de manière à conférer auxdites fentes une configuration rhombiforme. Ces fentes servent en tout premier lieu à apprêter le ru- ban non profilé, afin qu'il puisse être aisément bobiné au- tour du noyau (appliqué en rond). Cependant, au lieu d'avoir recours aux fentes, cela peut également être obtenu par le fait que le ruban est étiré par laminage au voisinage de son arête externe radiale supérieure, et refoulé au voisinage de son arête interne radiale. Dans ce cas, l'on procède commodément de la façon suivante: l'on achève tout d'abord le façonnage du ruban non profilé et du ruban profilé, dans des postes séparés, après quoi ces deux ru- bans sont enroulés en continu sur le noyau, lequel est enfilé sur un mandrin qui tourne autour d'un axe, trans- versalement par rapport à l'axe de rotation des cylindres de gaufrage, et qui avance par coulissement le long de cet axe. Il ressort clairement que la fabrication réclame désormais un nombre restreint d'opérations plus simples, des dispositions supplémentaires n'étant plus nécessaires pour respecter une précision excessive. L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemple nullement limitatif, en se réfé- rant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue d'ensemble schématique en perspective d'un rotor conforme à l'invention, faisant partie d'un échangeur de chaleur à régénération la figure 2a est une élévation latérale, égale- ment en illustration schématique, montrant une partie du rotor selon la figure 1; la figure 2b représente, à échelle agrandie, un détail de l'agencement selon la figure 2a; la figure 3 est une vue fragmentaire schémati- que, par-devant, d'un ruban profilé du rotor selon les figures i et 2a, 2b; la figure 4 est une vue en plan, également sché- matique, de l'agencement selon la figure 3; la figure 5a est une vue en plan, fragmentaire et schématique, d'un ruban non profilé du rotor selon la figure 1; la figure 5b illustre, à échelle agrandie, un détail de l'agencement selon la figure 5a; et la figure 6 est une vue schématique par-devant du ruban non profilé selon la figure 5a. La figure i représente, désigné dans son ensem- ble par 1, le rotor conforme à l'invention qui fait partie d'un échangeur de chaleur globalement 'repéré par 2, dont le-carter est illustré en arraché. Le rotor 1 est parcouru dans le sens de flèches 3 par deux flux de fluide, chacun de ces deux flux traversant deux fois, approximativement dans le sens radial, une enveloppe 4 dudit rotor 1. L'espa- ce interne de ce rotor 1 est subdivisé, par l'intermédiai- re d'une cloison 5, en deux chambres 6 respectivement asso- ciées à l'un des deux flux de fluide. Cette cloison 5 occu- pe une position fixe à l'intérieur du rotor 1, et forme une partie du carter dans lequel ce rotor 1 tourne, autour de son axe longitudinal, selon une flèche 7. Des parois sépa- ratrices 8, faisant partie du carter de l'échangeur de cha- leur 2, sont limitrophes de l'enveloppe externe du rotor 1 et séparent les unes des autres des zones d'afflux 9, res- pectivement des zones de sortie 10 des deux flux de fluide. Les zones d'afflux et de sortie respectivement assignées à un flux de fluide sont mutuellement décalées de 90 sur le pourtour du rotor 1, et les zones respectives d'afflux ou de sortie associées à différents flux de fluide sont opposées les unes aux autres sur le pourtour du rotor: la zone de sortie 10 d'un flux 3a est ainsi opposée à la zone de sortie 10 d'un flux 3b, la zone d'afflux 9 du flux 3a étant diamétralement opposée à la zone d'afflux 9 du flux 3b. Dans cet agencement par conséquent, les flux de fluide parcourent le rotor 1 dans des sens opposés, ce qui est avantageux pour un échange thermique efficace. Une circulation traversant l'enveloppe 4 se déroule à chaque fois de l'extérieur vers l'intérieur dans la zone d'afflux 9, une circulation de l'intérieur vers l'extérieur s'opérant dans la zone de sortie 10. Le rotor 1 est chauffé dans la zone de circulation traversante de l'un des deux flux, de la chaleur étant prélevée du flux correspondant, initialement le plus chaud. Par suite de la rotation du rotor 1 dans le sens de la flèche 7, la partie chauffée de ce rotor 1 migre vers la zone de circulation traversante de l'autre flux initialement plus froid,. lequel prélève de la chaleur dans cette zone, et refroidit simultanément le rotor 1. Une poursuite de la rotation a pour effet que la partie refroidie de l'enveloppe 4 du rotor parvient de nouveau à la région du flux de fluide chaud, et le proces- sus de transfert thermique se répète de manière correspon- dante. Le rotor 1 se présente comme un cylindre d'échange thermique intérieurement creux, en forme de cylindre cir- culaire; son enveloppe 4 se compose de plusieurs couches d'un ruban 15 qui est orienté sur chant dans le sens radial, et dans lequel sont ménagés des profils 16 autorisant la circulation traversante du flux de fluide considéré, dans le sens radial, conformément aux flèches 3. Ce ruban 15 muni de profils 16 est enroulé hélicoïdalement sur un noyau 17 qui laisse passer les flux de fluide, étant donné qu'il 6. est par exemple constitué d'un cylindre métallique perforé à grande superficie de section libre, ou bien d'une pièce tubulaire ajourée. Ce noyau 17 sert ainsi de support pour les enroulements du ruban 15 et, par conséquent, de soutien supportant le rotor i dans le carter de l'échangeur de cha- leur 2; sa face interne fait simultanément office de surface lisse de contact pour la cloison 5, de sorte que celle-ci peut se trouver à une très faible distance de la surface in- terne de l'enveloppe du noyau 17. Ce noyau 17 peut également être fabriqué à partir d'un tressage rigide en fils métal- liques. L'on peut aussi envisager, pour le noyau 17, une structure du type cage dans laquelle un grand nombre de ba- guettes, disposées parallèlement les unes aux autres sur la surface de l'enveloppe d'un cylindre, sont soutenues les unes par rapport aux autres à leurs extrémités. Les mailles du tressage métallique, respectivement les espaces intercalai- res séparant les baguettes, forment alors un passage traver- sant pour les flux de fluide qui traversent ledit passage avec une faible résistance d'écoulement. Une telle réalisa- tion du cylindre d'échange thermique fait déjà l'objet du brevet précité DE-C-3 308 445. Toutefois, conformément à l'invention, un second ruban 20 non profilé, lui aussi enroulé hélico dalement sur le noyau perméable 17, est associé au ruban profilé 15; les couches individuelles de ce second ruban alternent respecti- vement avec les couches du ruban 15 à profils ondulés, de telle sorte qu'une couche du ruban profilé 15 soit, à chaque fois,suivie par une couche du ruban non profilé 20, et inver- sement. Les couches successives des deux rubans 15, 20 s'éten- dent alors parallèlement ou à peu près parallèlement les unes aux autres. Cet agencement est illustré en détail sur les figures 2a et 2b, sur lesquelles une couche 20a du ruban non profilé 20 succède à une couche 15a du ruban profilé 15, à laquelle elle est sous-jacente; vient ensuite, de nouveau, une couche 15b du ruban profilé 15, qui repose sur une couche b du ruban non profilé 20. Les couches individuelles sont commodément en contact à plat les unes sur les autres, les couches du ruban non profilé ayant au premier chef pour fonc- tion d'orienter la circulation du fluide servant à l'échan- ge thermique, sans que les couches individuelles soient adaptées avec précision les unes aux autres. Comme le mettent notamment en évidence les figures 3 et 4, le ruban profilé 15 possède une structure ondulée ou en zigzag; la figure 3 révèle en particulier la présence de crêtes 18a suivies de creux 18b, par lesquels le ruban- profilé repose sur le plan du ruban non profilé sous-jacent. Le profilage est très fin, c'est-à-dire réalisé avec une pe- tite amplitude et une petite longueur d'ondulations. La hau- teur a de la structure ondulée (c'est-à-dire l'amplitude des ondulations) mesure entre i mm et 5 mm, de préférence environ 2 mm, tandis que la longueur b de ses ondulations mesure entre 2 mm et 8 mm, de préférence environ 5 mm. Enfin, il convient encore de faire observer que les profils du ruban profilé se rétrécissent dans le sens radial (flèche 19 sur la figure 4), de l'extérieur (19a) vers l'intérieur (19b), en direction de l'axe médian longitudinal du noyau, de telle sorte que ledit ruban soit contracté sur sa face interne ra- diale. Les profils de ce ruban profilé 15 sont produits (d'une manière non illustrée) à l'aide de rouleaux ou cylin- dres coniques de gaufrage associés qui sont mutuellement en prise, dans un poste de gaufrage, par des parties complémen- taires des surfaces de leurs enveloppes, et qui tournent dans des sens opposés; la tôle à profiler (par exemple une tôle d'aluminium) est alors mise en défilement d'un trait, en continu, à travers la ligne de pincement des rouleaux ou cy- lindres de gaufrage qui forme le poste de gaufrage. Les ondu- lations ou profils peuvent être maintenus petits lorsque le flux de fluide consiste en de l'air propre; en présence d'air encrassé, ils doivent être choisis conséquemment gros- siers. Comme cela ressort des dessins, les couches indi- viduelles du ruban non profilé 20 se trouvent à chaque fois dans un même plan, de sorte que les creux des ondulations de la structure ondulée du ruban profilé peuvent reposer, bien à plat, sur ce ruban non profilé, plan et aplati. Ce ruban non profilé 20 présente des orifices de passage 21 axiale- ment débouchants, si bien que ledit ruban 20 possède une structure métallique étirée ou est, respectivement, d'une réalisation similaire à un grillage déployé, comme le révèle notamment la figure 5a des dessins. Ce ruban non profilé consistant, par exemple, en de l'aluminium est, par exemple, muni de fentes par matriçage et est ensuite soumis à une contrainte de traction dans sa direction longitudinale, con- formément aux flèches 22, cé qui confère auxdites fentes une configuration rhombiforme. Ce ruban peut ainsi, sans précautions ni mesures particulières supplémentaires, être aisément enroulé tout autour du noyau cylindrique. En fonc- tion des exigences, les fentes peuvent être disposées en un grand éloignement mutuel, avec une largeur relativement gran- de (grillage déployé à maillage large) ou bien intimement rapprochées les unes des autres, auquel cas elles sont étroites. Par suite de la réalisation susdécrite des deux types de rubans, l'on peut désormais employer, pour la fabri- cation, des tôles les plus minces possible, par ailleurs également un profilage très fin; cela se traduit globale- ment (également grâce à la grande superficie de transfert, désormais disponible) par un très bon passage de la chaleur, d'autant plus qu'on enregistre aussi des avantages techniques en matière d'écoulement étant donné que la circulation tra- versante radiale, dans le cylindre d'échange thermique, n'est pratiquement soumise à aucune perturbation. La fabrication du cylindre d'échange thermique nou- veau est plus simple et moins onéreuse:-tout d'abord, dans des postes séparés, l'on achève le façonnage des rubans non profilé et profilé (consistant, d'une part, en un matriçage et en un étirage, d'autre part en un profilage lors du défi- lement à travers des cylindres ou rouleaux de gaufrage cor- respondants), puis ces deux rubans sont enroulés en continu sur le noyau après que les extrémités desdits rubans ont été fixées sur ce noyau. A la place d'un grillage déployé servant, en tout premier lieu, à facilier l'enlacement du noyau par le ruban non profilé, l'on peut également obtenir la nécessaire allure hélicoïdale du ruban en l'étirant par laminage sur sa face externe, et en le refoulant sur son arête interne radia- le. L'enroulement peut alors ê-tre effectué en un regroupe- ment serré tel que, comme déjà décrit ci-avant, les creux 18b des ondulations du ruban profilé 15 reposent sur le plan de la couche successive du ruban non.profilé 20, et que cette couche du ruban 20 repose, à son tour, sur les crêtes 18a de la structure ondulée de la couche suivante du ruban pro- filé. Il est dans ce cas possible de munir le noyau, au voisinage de ses faces extrêmes, de couvercles qui dépassent au-delà de la surface extérieure de ce noyau et emprisonnent les rubans entre eux, lesdits rubans étant'alors, judicieuse- ment, tendus entre les couvercles et enroulés en un regrou- pement serré entre ces couvercles, de sorte qu'ils demeurent en place du fait de leur élasticité intrinsèque. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au rotor et au procédé décrits et repré- senté, sans sortir du cadre de l'invention. - R E V E N D I C A T I 0 N S - 1. Rotor cylindrique creux (1) équipant un échan- geur de chaleur à régénération, et muni d'une enveloppe (4) se composant de plusieurs couches d'un ruban (15) qui est orienté sur chant dans le sens radial, est enroulé hélicoida- lement sur un noyau (17) laissant passer un flux de fluide, et dans lequel sont ménagés des profils (16) autorisant la circulation traversante du flux de fluide dans le sens ra- dial (flèches 3), rotor caractérisé par le fait qu'on asso- cie, au ruban profilé (15) présehtant, par exemple, une structure ondulée ou en zigzag, un second ruban (20) non profilé qui est également enroulé hélicoidalement sur le noyau perméable (17), et dont les couches individuelles alternent respectivement avec les couches du ruban (15) à profils ondu- lés, de telle sorte qu'une couche de ce ruban profilé (15) soit, à chaque fois, suivie par une couche du ruban non pro- filé (20), et inversement, les couches successives des deux rubans (15, 20) pouvant, par exemple, s'étendre parallèle- ment ou à peu près parallèlement les unes aux autres. 2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le profilage est très fin, c'est-à-dire réalisé avec une petite amplitude et une petite longueur d'ondula- tions, la hauteur de la structure ondulée, c'est-à-dire l'amplitude des ondulations, pouvant par exemple mesurer entre 1 mm et 5 mm, de préférence environ 2 mm, tandis que la longueur de ses ondulations peut mesurer entre 2 mm et 8 mm, de préférence environ 5 mm. 3. Rotor selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les couches individuelles du ruban non pro- filé (20) consistant, par exemple, en de l'aluminium se trou- vent à chaque fois dans un même plan et, de préférence, ce ruban non profilé (20) peut présenter des orifices de passage (21) axialement débouchants. 4. Rotor selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le ruban non profilé (20) possède une struc- ture métallique étirée ou est, respectivement, d'une réalisa- tion similaire à un grillage déployé. 5. Rotor selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le ruban non profilé (20) présente des fentes de largeur relativement grande, très éloignées les unes des autres. 6. Rotor selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le ruban non profilé (20) présente des fentes étroites intimement rapprochées les unes des autres. 7. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les profils du ruban pro- filé (15) se rétrécissent dans le sens radial, de l'exté- rieur (19a) vers l'intérieur (19b), en direction de l'axe médian longitudinal du noyau (17), de telle sorte que ledit ruban soit contracté sur sa face interne radiale. - 8. Rotor selon la revendication 7;, caractérisé par le fait que les profils du ruban profilé (15) sont produits à l'aide de rouleaux ou cylindres coniques de gaufrage asso- ciés, qui sont mutuellement en prise dans un poste de gau- frage, tournent dans des sens opposés et à travers la ligne de pincement desquels (formant le poste de gaufrage) l'on fait défiler d'un trait en continu la tôle à profiler, par exemple une tôle d'aluminium. 9. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le ruban non profilé (20) est muni de fentes, par exemple par matriçage, puis soumis à une contrainte de traction (flèches 22) dans sa direction longitudinale, de manière à conférer auxdites fentes une con- figuration rhombiforme. 10. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que, lors de la fabrication par laminage du ruban non profilé, ce ruban est étiré au voisinage de son arête externe radiale, et refoulé au voisi- n-age de son arête interne radiale. 11. Procédé de fabrication d'un rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, procédé caractérisé par le fait qu'on-achève tout d'abord le façonnage des rubans non profilé et profilé, dans des postes séparés, après quoi ces deux rubans sont enroulés en continu sur le noyau, lequel est 12 2615935 enfilé sur un mandrin qui tourne autour d'un axe, transversa- lement par rapport à l'axe de rotation des cylindres de gaufra- ge, et qui avance par coulissement le long de cet axe.