Brevet FR2027434A1 — publié le 19700925

- i - 2027434 la présente invention se rapporte à un appareil de séparation vapeur-liquide utilisé dans un générateur de vapeur et comprenant un corps cylindrique allongé, s'étendant verticalement et définissant une chambre de rotation, doté d'une admission pour le 5 mélange vapeur-liquide à son extrémité inférieure et muni en outre d'un ensemble rotatif engendrant une action centrifuge et d'une émission de vapeur à son extrémité supérieure. Dans la technique de production de vapeur, on admet en général que des volumes internes de tambour, incorporant des appa-10 reils de séparation vapeur-liquide, sont nécessaires pour réduire la teneur en humidité de la vapeur produite dans le générateur de vapeur. Une forme d'appareil de séparation utilisé ordinairement dans les générateurs de vapeur, en particulier ceux du type mis en action par la voie nucléaire, est le séparateur centrifuge. Dans 15 un appareil de ce type, un flux circulant d'une manière ascendante, contenant un mélange de vapeur et de liquide, pénètre par l'extrémité inférieure d'une chambre de rotation définie par un corps cylindrique, disposé verticalement. Un mouvement rotatif à grande vitesse est communiqué au mélange contenu dans la chambre, de façon que 20 la phase liquide plus lourde du mélange soit projetée radialement et extérieurement contre la surface interne du corps cylindrique et soit ainsi séparée de la phase vapeur plus légère et moins dense du mélange. La vapeur séparée s'élève par la partie centrale de la chambre de rotation, tandis que le liquide séparé traverse la sur-25 face du corps cylindrique d'une manière ascendante, à partir duquel il se répand sur le bord supérieur de celui-ci, en vue d'être ramené au réservoir à liquide, dans la cuve duquel l'appareil de séparation est logé. Etant donné que le liquide séparé doit être conduit d'ime 50 manière ascendante sur la surface du corps cylindrique en vue d'y être éliminé par l'extrémité supérieure de celui-ci, les appareils de séparation de ce type se caractérisent par une chute de pression d'une grandeur telle que leur utilisation dans des générateurs de vapeur à grande capacité en est empêchée. En outre, on a constaté 35 que le liquide séparé, provenant du sommet du corps cylindrique, retient une quantité appréciable de vapeur qui est ramenée au réservoir à liquide où elle est recirculée à travers le générateur t ^ - 2 - 2027434 69 44631 de vapeur, avec le liquide en circulation. Cette recirculation de la vapeur à travers le générateur a un effet perturbateur sur la stabilité de la circulation de l'unité, ce qui réduit ainsi le rendement total. 5 Par conséquent, l'utilisation d'appareils de séparation centrifuges dans des générateurs de vapeur à circulation naturelle, mis en action par la voie nucléaire, nécessite l'emploi d'un grand nombre de séparateurs, en vue de traiter convenablement la vapeur engendrée dans ceux-ci. Bien entendu, ce fait augmente la dimension 10 de la cuve nécessaire au logement des appareils de séparation et entraîne par conséquent des coûts de fabrication plus élevés pour 1'installation. Le but de la présente invention consiste à résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus et à réaliser une forme améliorée 15 d'appareil de séparation centrifuge caractérisé par une chute de pression réduite et conjointement par la possibilité de traiter de plus grandes quantités de mélange vapeur-liquide jusqu'à un état sec acceptable, comparativement aux appareils de séparation centrifuges, connus à ce jouir dans la présente technique. 20 Une solution est apportée à ce problème, conformément à l'invention, par le montage d'un'ensemble rotatif immédiatement au-dessus, de l'ouverture d'admission de vapeur, à l'extrémité inférieure de la-chambre de rotation, et par plusieurs ouvertures d'évacuation de fluide pratiquée dans la paroi de la chambre de rotation. 25 L'extrémité inférieure du corps cylindrique est contrainte de communiquer avec une source de mélange vapeur-liquide par une ouverture prévue dans la fermeture finale constituant une admission de la chambre de rotation. L'appareil provoquant la rotation du fluide est adjacent à l'admission de la chambre et est conçu de~façon à 30 communiquer un mouvement rotatif à grande vitesse au mélange entrant dans la chambre. Par suite du mouvement rotatif communiqué au fluide, les constituants plus lourds de celui-ci, notamment le liquide et toutes les particules entraînées, sont projetées radia-lement et extérieurement par voie de contrainte contre la surface 35 interne du corps cylindrique par l'action de la force centrifuge, tandis que la vapeur poursuit son ascension à travers la zone centrale de la chambre en vue d'être évacuée par l'extrémité ouverte du corps cylindrique. 69 44631 - 3 - 2027434 la paroi du corps cylindrique est perforée sur sa longueur entière, les perforations constituant des ouvertures d'évacuation, par lesquelles le liquide séparé du mélange contenu dans la chambre de séparation est expulsé de celle-ci vers l'intérieur 5 de la cuve. Conformément à l'invention, la paroi du corps cylindrique présente des perforations pratiquées en d'eux groupes, le premier étant adjacent à l'extrémité inférieure de la chambre et présentant une grandeur réduite de surface de paroi ouverte qui, tout en permettant l'évacuation du liquide séparé, empêche suffisamment 10 l'établissement d'un flux vertical dans le fluide traité. La seconde partie perforée s'étend d'un point intermédiaire aux extrémités du corps cylindrique au sommet de celui-ci et présente une grandeur en substance accrue de surface de paroi ouverte, par laquelle le volume restant de liquide séparé est expulsé. Etant donné que la 15 partie supérieure du corps cylindrique maintient sa forme cylindrique, tout en augmentant en même temps la grandeur de la surface ouverte par laquelle le liquide peut être expulsé, le fluide restant, circulant dans cette zone du séparateur, est contraint de maintenir ses caractéristiques de flux vertical, à un point tel que 20 des forces centrifuges se manifestent pour projeter les particules de liquide moins denses entraînées par la vapeur. les séparateurs centrifuges réalisés conformément à 1'invention sont caractérisés par une faible chute de pression, due au fait que le liquide de séparation ne doit pas traverser néees-25 sairement la longueur entière du corps cylindrique avant d'être évacué de la chambre de rotation. En outre, étant donné que le liquide séparé, évacué de la chambre, sort de celle-ci en flux discrets, toute vapeur entraînée dans le liquide peut s'échapper rapidement par les espaces compris entre les flux adjacents. 30 Chacune de ces caractéristiques rend l'appareil sépara teur décrit particulièrement avantageux pour une utilisation dans des générateurs de vapeur à grande capacité, mis en action par la voie nucléaire et où la préservation de la pression de la vapeur est critique, en raison de la nécessité de maintenir des grandeurs 35 de pression appropriées pour favoriser et promouvoir la circulation du fluide à travers l'unité. En raison de la faible chute de pression subie par le fluide en circulation à travers les séparateurs 69 44631 - 4 - 2027434 et de l'empêchement d'une recirculation de la vapeur à travers l'imité, la circulation du fluide dans le générateur de vapeur n'est pas entravée. En outre, par suite de la capacité augmentée de l'appareil séparateur conforme à la présente invention, un nom-5 bre réduit de séparateurs est nécessaire pour traiter le volume de fluide sortant du générateur de vapeur, ce gui réduit ainsi la dimension de la contenance de la cuve nécessitée pour loger l'imité. D'autres détails et avantages de la présente invention se dégagent de la description ci-après d'une forme de réalisation 10 préférée, établie en liaison avec les dessins annexés, dans lesquels s la figure 1 est une vue en élévation et en coupe d'un générateur de vapeur mis en action par la voie nucléaire et incorporant des appareils de séparation conformes à la présente invention ; 15 la figure 2 est une vue en coupe centrale et verticale de l'appareil de séparation utilisé dans le générateur de vapeur de la figure 1 ; la figure 3 est une vue en coupe réalisée le long de la ligne 3-3 de la figure 2; et 20 la figure 4 est une vue en coupe réalisée le long de la ligne 4-4 de la figure 2. En' se référant à la figure 1 des dessins annexés, on a représenté ici un générateur de vapeur 10 mis en oeuvre par la voie nucléaire et comprenant une cuve verticale 12, en général cylin-25 drique, dotée de cloches de fermeture inférieure et supérieure en forme de dôme, désignées respectivement par les nombres de référence 14 et 16. Une plaque tubulaire 18 est prévue à l'extrémité inférieure de la cuve et divise l'intérieur de celle-ci-en une chambre inférieure 20 à fluide chauffant et en une chambre supéri-30 eure 22 de production de vapeur. La chambre 20 à fluide chauffant est séparée en parties d'admission et d'émission 24 et 26 respectivement par une plaque de séparation verticale 28; des raccords appropriés sont prévus pour la circulation du fluide chauffant à l'intérieur et à l'extérieur de la cuve, la chambre de production 35 de vapeur 22 comprend une plaque-chicane annulaire 30 divisant la chambre en un: passage annulaire-, latéral et extérieur 32 et en une section interne 34- Un faisceau de tubes en U inversés 36, dont 69 44631 - 5 - 2027434 les extrémités sont fixées sur la plaque tubulaire 18 de façon à communiquer avec les parties d'admission 26 et d'émission 28 de la chambre 20 à fluide chauffant, est logé dans la section interne 34» afin que le fluide chauffant soit en relation-d ' échange thermique 5 avec le liquide vaporisable pénétrant dans la cuve par une admission 37. Le liquide vaporisable admis dans la cuve circule par le passage latéral 32 et la section interne 34 et une partie de ce liquide est transformée en vapeur dans cette section 34. L'extrémité supérieure de la section interne 34 est fermée par une plaque-10 chicane 38 disposée horizontalement qui définit, avec une autre plaque-chicane 30, une chambre 40 recueillant le mélange vapeur-liquide. La plaque-chicane 38 est dotée de plusieurs ouvertures (non représentées), auxquelles sont rattachés des tubes verticaux 44 servant au montage des appareils séparateurs 46 et à la mise en 15 communication de ceux-ci avec la chambre 40 recueillant le mélange vapeur-liquide. Ce mélange vapeur-liquide, formé dans la section interne 34, est traité par les appareils 46, le liquide séparé de ceux-ci étant évacué vers le bas sur la plaque-chicane 38 et amené ensuite au passage latéral 32, tandis que la vapeur séparée s'élève 20 jusqu'à la chambre 48 située à l'extrémité supérieure de la cuve. Une tubulure d'émission de vapeur 50 communique avec la chambre 48 pour amener la vapeur traitée au point d'utilisation. L'appareil séparateur 46, réalisé conformément à l'invention, est décrit en détail ci-après en se référant à la figure 2. 25 Comme représenté, cet appareil comprend un corps cylindrique creux 52, allongé verticalement, définissant une chambre de rotation 54 dont l'extrémité de base est formée par une plaque d'assise annulaire 56 dotée d'une ouverture centrale 58, à partir de laquelle saille une courte tubulure 60. La conception de cette tubulure 60 30 permet son montage, sur l'extrémité supérieure d'un des tubes de liaison 40, par l'intermédiaire d'un organe de raccord approprié, par exemple la bride d'accouplement 62 représentée à la figure 1. L'ensemble rotatif 64 à décharge tangentielle est disposé au fond de la chambre de rotation 54, au-dessus de l'ouverture 35 d'admission 58 de la plaque d'assise 56. Comme représenté, l'ensemble rotatif 64 comprend plusieurs pales curvilignes verticales 66, circonférentiellement espacées et fixées par leurs bords infé- 69 44631 - 6 - 2027434 rieurs sur la plaque d'assise 56, par exemple par soudage. Les bords supérieurs des pales 66 sont raccordés à une plaque de fermeture annulaire 68, dont le bord périphérique est espacé radialement de la surface interne du corps cylindrique 52,' pour prévoir une 5 communication en substance sans entrave entre les extrémités de décharge des pales et la partie de la chambre de rotation 54 située au-dessus de l'ensemble rotatif 64. Tel que ceci est représenté clairement à la figure 4, les parties radialement internes des pales 66 sont contiguës à l'ouver-10 ture 58 de la plaque 56 et forment ainsi, avec la plaque de fermeture 68, des passages d'écoulement 70 orientés tangentiellement, s'étendant horizontalement et par'lesquels le mélange vapeur-liquide entrant dans la. chambre 54 doit nécessairement passer. En circulant à travers les passages d'écoulement 70, un mouvement rotatif à gran-15 de vitesse est communiqué au mélange, le sens des flux de décharge à partir des passages n'étant que légèrement incliné par rapport à l'horizontale. Cette rotation du mélange projette les éléments plus lourds et plus denses, principalement le liquide, et dans une mesure moindre, tous les solides entraînés, radialement et extérieure-20 ment contre la surface interne du corps cylindrique 52 par l'action de la force centrifuge. Le cette façon, une couche de liquide séparé, animée d'un mouvement vertical, est formée sur la surface du corps cylindrique, la composante verticale du sens de l'écoulement de ce liquide étant établie d'une manière ascendante. Le constituant 25 vapeur du mélange, moins dense que le liquide, est moins affecté par les forces centrifuges et occupe ainsi la zone centrale de la chambre de rotation 54, en circulant vers l'extrémité d'évacuation supérieure de celle-ci. Conformément à l'invention, le corps principal 52 est 30 pourvu sur sa longueur entière de perforations ou d'ouvertures circulaires 72a et 72b, servant à évacuer le liquide séparé, déposé sur la surface du corps cylindrique extérieurement à la chambre de rotation 54, vers la chambre 48 recueillant la vapeur. Les perforations sont disposées en deux groupes, chaque groupe occupant des 35 parties verticalement espacées de la surface du corps cylindrique 52. La partie perforée inférieure, désignée par 74, part d'un niveau étroitement espacé de la plaque de fermeture 68 de l'ensem- 69 44631 - 7 - 2027434 ble rotatif 64 et aboutit à un niveau légèrement inférieur à la moitié de la hauteur du corps cylindrique et comprend plusieurs perforations 72a espacées réciproquement autour du corps cylindrique de façon à former une zone perforée considérablement inférieure 5 à celle réalisée par les perforations 72b prévues dans la partie perforée supérieure 76 s'étendant jusqu'au sommet du corps cylindrique. Le diamètre et l'espacement des perforations 72a sont déterminés de manière à créer une surface de paroi ouverte d'une grandeur suffisante pour permettre le passage d'une partie importante 10 du liquide séparé traversant la surface du corps cylindrique, mais en même temps insuffisante pour rompre la forme verticale du liquide en circulation et pour permettre la fuite de quantités importantes de vapeur à travers la paroi cylindrique, Similairement, le diamètre et l'espacement des perforations 72b de la partie perforée 15 supérieure 76 sont déterminés de façon à créer une surface de paroi ouverte d'une grandeur suffisante pour permettre essentiellement le passage de la totalité du liquide séparé restant et pour limiter également la circulation du fluide dans cette zone de la chambre de rotation, en vue de maintenir la nature rotative de son mouvement. 20 Grâce à cette action, toutes les fines particules de liquide entraînées dans la vapeur circulant dans cette zone de la chambre de rotation sont soumises à l'action des forces centrifuges qui provoque leur élimination à partir de la vapeur. On a constaté que des résultats optimum sont obtenus à 25 l'aide de séparateurs construits conformément à la présente invention, lorsque la partie 74 incorpore des ouvertures d'un diamètre de 5/16 de pouce (7,94 mm), disposées à un espacement de 3/4 â.e pouce (19,5 mm) et lorsque la partie 76 comprend des ouvertures d'un diamètre de l/8 de pouce (3,17 mm), disposées à un espacement de 30 1/4 de pouce (6,35 mm). En se basant sur ce principe, la partie 74 présente approximativement 10 de surface de paroi ouverte et la partie 76,' 24 $ de surface de paroi ouverte. Dans la plupart des applications, on a constaté qu'il est avantageux de prévoir une chicane de fermeture supérieure 78 à 35 l'extrémité supérieure du corps cylindrique 52. la chicane de fermeture 78 se compose d'une bague annulaire munie d'une ouverture centrale 80, par laquelle la vapeur séparée est évacuée de la cham 69 44631 - 8 - 2027434 bre. Une lèvre annulaire 82 saille à partir de l'ouverture 80 et sert de barrière pour empêcher le flux ascendant de tout film de liquide qui peut se former dans cette zone de la chambre, ce qui provoque ainsi une évacuation radiale du liquide à partir de la 5 chambre par les ouvertures 72b. G-râce à la présente invention, on a réalisé ainsi une forme améliorée d'appareil de séparation centrifuge doté d'ime capacité accrue de traitement de vapeur, comparativement aux séparateurs centrifuges connus à ce jour dans la présente technique. 10 Cette capacité augmentée est attribuable au fait que le fluide en circulation à travers le séparateur est soumis à une action de séparation de liquide plus efficace, tout en subissant une chute de pression inférieure à celle des séparateurs de la technique antérieure. Dans les séparateurs comparables, relevant de la technique 15 antérieure, le liquide séparé est contraint de traverser la hauteur entière de la paroi cylindrique, avant d'être évacué de la chambre de séparation; toutefois, en raison de la présence d'une paroi perforée s'étendant en substance sur la hauteur entière du corps cylindrique, le liquide séparé est évacué de la chambre de séparation, 20 sans devoir traverser la surface interne du corps cylindrique. De cette façon, l'élimination du liquide séparé réduit la grandeur de l'énergie cinétique nécessaire pour surmonter la force de friction s'exerçant entre le liquide en circulation et la paroi cylindrique, ainsi que la quantité d'énergie nécessaire pour amener le liquide 25 séparé à l'intérieur de l'appareil. Une efficacité de séparation accrue des particules est obtenue, grâce à la présente invention, en partie par le fait qu'en évacuant le liquide séparé à partir de l'intérieur de l'appareil sous la forme de flux discrets, toute quantité de vapeur suscepti-30 ble d'être entraînée dans le liquide évacué peut aisément s'échapper de celui-ci par les espaces compris entre les flux. De même, en pratiquant les ouvertures d'évacuation de liquide dans deux parties perforées longitudinalement espacées, une utilisation plus efficace de la chambre de séparation.est obtenue. En réduisant la 35 grandeur de la surface de paroi ouverte dans la zone inférieure de la paroi cylindrique, une zone adéquate d'évacuation de liquide est prévus pour éliminer la charge de liquide séparé dans cette 69 44631 - 9 - 2027434 zone du séparateur, tout en prévoyant simultanément une surface suffisante sur laquelle s'établit le flux vertical du fluide traité. L'augmentation de la grandeur de la surface de paroi ouverte dans la zone supérieure de la paroi cylindrique et le maintien de la 5 forme cylindrique du corps favorisent l'évacuation de la totalité du liquide restant, ainsi que le maintien de -la nature verticale du flux de fluide, ce qui permet de promouvoir la présence des forces centrifuges du flux dans cette zone de la chambre pour provoquer ainsi la séparation des fines particules restantes à partir 10 de la vapeur. Il est bien évident que de nombreux changements peuvent être apportés aux détails, matières et montages des pièces et éléments, décrits et représentés dans le présent mémoire en vue d'expliquer la nature de l'invention, par des hommes de métier spécia-15 lises dans cette technique, tout en respectant le principe et la portée de l'invention, tels qu'ils sont exprimés aux revendications ci-annexées. 69 44631 - 10 - 2027434 REVENDICATIONS. 1.- Appareil de séparation vapeur-liquide destiné à un générateur de veipeùr et comprenant un corps cylindrique allongé, t/'étendant verticalement, définissant une chambre de rotation, pourvu 5 d'une admission pour le mélange liquide-vapeur à son extrémité inférieure et muni d'un ensemble rotatif engendrant une action centrifuge et d'une émission de vapeur à son extrémité supérieure, caractérisé en ce'que l'ensemble ro.tatif (64) est monté immédiatement au-dessus de l'ouverture d'admission de vapeur (58), à l'extrémité •10 inférieure do la chambre de rotation (54), plusieurs ouvertures d'évacuation de fluide (72a, 72b) étant pratiquées dans la paroi de la chambre de rotation. 2.- Appareil de séparation vapeur-liquide suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le corps cylindrique (52) est un 15 cylindre circulaire droit. 3.- Appareil de séparation vapeur-liquide suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'ensemble rotatif (64) se compose de plusieurs pales curvilignes droites (66), espacées cir-conférentiellement autour de l'extrémité d'admission du corps 20' cylindrique (52) au fond de la chambre de rotation (54) s d'unc- plaqxie de fermeture (68) montée sur les bords supérieursr des pales (66) et formant avec celle-ci plusieurs passages d'écoulement de fluide (70) orientés extérieurement et dont les extrémités de décharge sont espacées concentriquement à partir de la surface intor-25 ne du corp'i cylindrique (52). 4.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3,caractérisi par plusieurs parties perforées (74, 76) espacées longitudinalement sur la longueur entière du corps cylindrique (52), chacune des parties comprenant plusieurs rangées d'ouvertures (72a, 72b), espacées 30 circonférenciellement autour de la chambre de rotation (54), les ouvertures traversant la paroi du corps cylindrique (52) pour évacuer le liquide séparé de la chambre de rotation (54) sous la forma de flux discrets; 5.- Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en ce 35 que la partie la plus inférieure (74) des parties perforées est adjacente à l'extrémité d'admission de la chambre de rota,tion (54) et est située au-dessus d'une partie de paroi annulaire non perfo- 69 44631 - ii - 2027434 rée entourant 1''ensemble rotatif (64) sur une partie importante de sa hauteur et suffisante pour établir un flux vertical du fluide .dans la chambre de rotation. 6.- Appareil suivant les revendications 4 et 5t caractérisé 5 en ce que la partie la plus supérieure (76) des parties perforées est séparée de la partie perforée précédents par une zone de paroi non perforée d'une largeur suffisante, mais en Substance plus petite que colle de la partie non perforée la plus inférieure, pour maintenir un flux vertical de fluide dans la zone supérieure de la 10 chambre de rotation (54). 7i- Appareil" suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les ouvertures (72a, 72b) sont circulaires.; 8»— Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7,caractérisa • en ce que la paroi du corps cylindrique (52) comprend deux parties permis forées (74, 76), la partie inférieure (74) partant d'un niveau situé immédiatement au-dessus de la plaque de fermeture (58) de l'organe rotatif et aboutissant verticalement à un niveau intermédiaire aux extrémités dix corps cylindrique, la partie supérieure (76) s'étendant sur le restant entier du corps cylindrique (52). 20 9.- Appareil suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la }Dartie perforée sùpérieiire (76) comprend une surface de paroi ouverte deux fois supérieure à celle de la partie perforée inférieure (74). 10.- Appareil suivant la revendication 9, caractérisé on ce 25 que la surface de paroi ouverte de la partie perforée inférieure (74) est approximativement de 10 et en ce que la surface de paroi ouverte de la partie perforées supérieure (76) est approximativement de 24'/'. . : 11.- Appareil-suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10,caractérisi Par une plaque—chicane annulaire (78) disposée au sommet du corps cylindrique (52) et s'étendant radialemont et intérieurement à par-, tir du bord supérieur de ce corps cylindrique, la plaque-chicane (78) comprenant uns ouverture centrale (80) pour l'évacuation de la vapeur séparée à partir de la chambre de rotation (54)-