Brevet FR2022452A1 — publié le 19700731

Il est souvent nécessaire de séparer des mélanges vapeur-liquide, et notamment des mélanges vapeur-eau, -dans lesquels le liquide est la phase porteuse, afin que le liquide soit aussi exempt que possible de bulles de vapeur (ou de gaz). Les dispositifs assurant une telle séparation sont appelés séparateurs de vapeur, par opposition aux séparateurs d'eau qui éliminent les goutelettes d'eau dans un mélange vapeur-liquide contenant surtout de la vapeur. On connaît de nombreux modèles de séparateurs de vapeur, se prêtant aussi à la séparation d'un mélange gaz-liquide. Ils sont très importants dans le cas des réacteurs à eau bouillante (avec ou surchauffe). L'article de J. Vollradt "Dampfabscheidung bei Siedewasser- und Siede - Ubèrhitzerreaktoren" paru dans Technieche Ùberwachung 9 (1968) 2, pp. 46-50, décrit la constitution et les avantages des divers types de séparateurs, ainsi que les raisons de leur emploi dans. le cas des réacteurs à eau bouillante.Cet article montre quetparmi tous les types de séparateurs, les cyclones et notamment ceux dans lesquels l'ensemble du mélange binaire à séparer circule de haut en bas (cyclones à flux descendant) présentent une importance particulière pour les réacteurs à eau bouillante. La figure l représente le schéma~de principe d'un tel cyclone à flux descendant, décrit ci-dessous. Le mélange à séparer, provenant d'un caisson collecteur, pénètre par la pièce d'entrée l dans le tube de séparation 2, dont l'extrémité porte une pièce de sortie d'eau constituée par le tablier 3 et l'étran- gleur 4. Un déviateur 5 (grille d'aubes fixes) imprime une rotation au mélange, Les forces centrifuges produites séparent la vapeur de l'eau.L'eau s'écoule vers le bas tandis que la vapeur, qui s9ac- cumule au-dessous du déviateur, sur l'axe du cyclone, en formant unetboules', est dirigée au-dessus du niveau d'eau par un tube de prélèvement 7 auquel se raccordent un diffuseur 8 et une pièce de sortie 9. La vapeur est généralement dirigée ensuite dans un séparateur d'eau pour séchage avant de quitter le réacteur. Un cyclone à flux descendant pose le problème suivant. La vapeur est déviée de 1800 dans la boule. Cette déviation produit une force de réaction qui repousse la boule de vapeur vers le bas, à proximité de la pièce de sortie d'eau, ce qui risque d'annuler la séparation déjà effectuée L'étrangleur 4 est réalisé de façon que ia boule de vapeur se trouve à une distance suffisante de la pièce de sortie, même quand le réacteur fonctionne à pleine charge. Cet étranglement entratne toutefois une perte de charge supplémentaire et exige une puissance supérieure des-pompes. La boule remonte en régime à charge partielle.Afin qu'elle se trouve suffisamment loin du tube de prélèvement de vapeur à la charge partielle minimale, le tube de séparation doit avoir une longueur relativement grande, tenant compte de la plage de réglage du réacteur. L'invention a pour objet d'améliorer ces cyclones à flux descendant connus, de façon à réduire la longueur du tube de séparation et à diminuer l'étranglement. Elle est basée sur les principes suivants, décrits à l'aide de la figure I. Dans un cyclone, les phases descendantes se divisent de façon-que la condition suivante d'équilibre des pressions soit toujours satisfaite. La somme des pertes de charge dynamique sur le trajet de la vapeur (P6 P P5 = #Po) est égale à la somme des pertes de charge dynamique sur le trajet de l'eau (P6 - PF9 = #Pu) plus la pression statique exercée par- la colonne d'eau extérieure H (gfw.H = PF9 - P5). On a par suite #P0 = #Pu + gfwH. (1) Les cyclones à flux descendant étant toujours insérés dans un circuit à circulation (naturelle ou forcée), leur perte de charge totale #Ptot doit être aussi faible que possible. En d'autres termes, les grandeurs de l'équation (1) faisant partie de # Ptot doivent aussi etre aussi faibles que possible. On a constaté que le terme # P. peut eAtre représenté par une somme de pression partielle #Pu = #Pétr - #Prad - gfwHi - #Pm (2) avec composante de pression due à la force de réaction exercée par la boule de vapeur gfw.H1 = (P8 - P6) - #Pm pression statique exercée par la colon- ne d'eau intérieure APrad = (P9 P8) différence de pression radiale due à la force centrifuge étr = (P9 -PF9) perte de charge par étranglement L'invention a pour objet un cyclone destiné à la separation de la vapeur dans un mélange vapeur-liquide, notamment dans les réacteurs à bouillante, avec un tube de séparation dans lequel le mélange est séparé après passage de haut en bas dans un déviateur (cyclone à flux descendant), l'eau s'écoulant vers le bas à travers un étrangleur situé à l'extrémité du tube de séparation et la vapeur étaht prélevée vers le haut après une déviation de 1800. Selon une particularité essentielle de l t invention, une plaque absorbant la force de réaction produite -par la déviation de la vapeur est montée dans le tube de séparation et réduit l'étranglement et/ou la longueur du tube de séparation, conformément à l'équation d'équilibre des pressions. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous et des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente le schéma & un cyclone à flux descendant, précédemment décrit, et - la figure 2 représente la position de la boule de vapeur par rapport à l'étrangleur, en fonction de l'action exercée par ce dernier. Outre les pièces connues et précédémment décrites, le tube de séparation contient selon la figure l une plaque 10 qui est fixée sur lui, le tube de prélèvement de vapeur, les aubes ou la pièce de sortie d'eau. Cette-plaque 10 absorbe le terme de de l'équation (2), c'est-à-dire que dans cette dernière on a désormais #Pm = O. Ce terme étant affecté d'un signe négatif, #Pu augmenterait inutilement. Afin de rétablir l'équilibre selon l'équation (1), le cyclone augmenterait automatiquement les- termes g.Pw.Hi et le même équilibre pourrait être obtenu avantageusement- aussi en réduisant l'étranglement de la pièce de sortie d'eau. Les figures 2a à 2c illustrent l'action pratique sur le cyclone de ces deux mesures d'établissement de l'équilibre. Elles représentent la position de la boule de vapeur par rapport à l'étrangleur, en régime à pleine charge. La figure 2a correspond à un étrangleur à n trous (fort étranglement sans plaque, c'est-à-dire le cas connu), les figures 2b et 2c à l'emploi de la plaque 10. L'étrangleur de la figure 2c comporte également n trous, tandis que celui de la figure 2b comporte plus de trous, c'est-à-dire que l'étranglement est réduit. Les figures 2a et 2c montrent que par suite du montage de la plaque 10, sans modification' de l'éntranglement, la boule de vapeur 6 se termine plus haut par suite de la réaction automatique du cyclone (première mesure), de sorte qu'il est possible de raccourcir notablement le tube de séparation. Avec la réduction d'étranglement représentée à la figure 2b, il faut de nouveau un tube plus long, mais la pression totale dans le cyclone est avantageusement réduite.Il existe évidemment de nombreuses solutions intermédiaires entre les deux cas limites des figures 2b et 2c, c'est-à-dire que l'équilibre est obtenu par emploi simultané des deux mesures précitées. Indépendamment des considérations précédentes, intéressant le fonctionnement à pleine charge, le montage de la plaque permet par principe de raccourcir légèrement le cyclone car la différence des positions de la boule de vapeur en fonction de la charge diminue par suppression du terme tPm-qutg comme APO, dépend du débit de vapeur. Une longueur plus faible du tube de séparation suffit par suite à couvrir la plage de régulation. L'invention permet ainsi avantageusement de réduire l'étranglement, et par suite la perte de charge (essentielle pour le calcul des pompes de circulation en cas de circulation forcée) et la longueur du cyclone (réduction de la longueur du coûteux récipient sous pression) avec adaptation mutuelle des deux facteurs. Inversement, il est possible d'accroitre le débit de vapeur du cyclone en conservant la perte de charge et la même longueur. La plaque 10 peut avoir diverses formes. Elle comporte de préférence une ouverture au centre, afin de pouvoir soutirer la vapeur se trouvant au-dessous de la plaque. Le trou peut être muni d'un rebord 'protecteur. Le bord de la plaque peut en outre être replié vers le bas, par exemple pour permettre une marge de calcul sans tourbillons parasites, ou vers le haut, afin d'éviter la transmission de la pression dynamique à la paroi. La plaque peut présenter d'autres formes appropriées, afin de reduire la teneur en eau de la vapeur sortante, la perte de charge sur le trajet de la vapeur et l'humidité à la sortie. Le réacteur à eau bouillante, avec ou sans surchauffe, constitue le principal domaine d'emploi du cyclone selon l'invention. Ce cyclone est toutefois utilisable par principe aussi dans tous les groupes, tels que ballons de chaudière à vapeur ou échangeurs. de chaleur, dans lesquels circule un mélange binaire ou un mélange gaz-liquide REVENDICATIONS 1. Cyclone pour la séparation de vapeur (gaz) dans un mélange vapeur (gaz) - liquide, et notamment pour réacteurs nucléaires à eau bouillante, comportant un tube de séparation dans lequel le mélange est séparé après passage de haut en bas dans un déviateur (cyclone à flux descendant), l'eau s'écoule vers le bas, à travers un étrangleur situé à l'extrémité du tube de séparation et la vapeur est prélevée vers le haut après déviation de 1800, ledit cyclone étant caractérisé en ce qu'une plaque absorbant la force de réaction produite par la déviation de la vapeur est montée dans le tube de séparation et réduit l'étranglement et/ou la longueur du tube de séparation, conformément à l'équation d'équilibre des pressions. 2. Cyclone selon la revendicaEonl,caractérisé en ce que la plaque comporte une ouverture au centre. 3. Cyclone selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ouverture est munie d'un rebord. 4. Cyclone selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bord extérieur de la plaque est replié vers le haut. 5. Cyclone selon une des revendications-l à 3, caractérisé en ce que le bord extérieur de la plaque est replié vers le bas.