Brevet FR2045854A1 — publié le 19710305

i 2045854 La présente invention concerne une structure pour distribuer l'écoulement d'un fluide à travers un appareil de traitement à faible chute de pression tel qu'un sécheur de gaz situé entre collecteurs d'entrée et de sortie pour l'écoulement 5 en parallèle ou à contre-courant. De nombreux appareils pour le traitement de fluides nécessitent la commande de la distribution de l'écoulement du fluide. Un exemple est l'égalisation de la distribution du courant de vapeur d'eau à travers un sécheur de vapeur, en parti-10 culier du type à plaques ou "chevrons". L'utilisation industrielle de la vapeur d'eau nécessite le plus souvent que la vapeur soit •bêche". Par exemple, la vapeur d'eau utilisée pour le fonction*-nement d'un moteur tel qu'une turbine à vapeur ne doit contenir qu'un maximum spécifié d'eau entraînée à l'état de phase liquide. 15 Un générateur de vapeur typique comprend un sépara teur qui sépare la vapeur d'eau du mélange de gaz et de liquide reçu du générateur de vapeur ou de la chaudière» La vapeur d'eau séparée traverse ensuite un sécheur de gaz et élimine le liquide résiduel. 20 Des équipements du générateur de vapeur récents compor tent des réacteurs nucléaires comme sources de chaleur. Dans les premières installations nucléaires, par exemple le générateur de vapeur d'eau Dresden 1 utilisé dans la centrale pour la production d'énergie de Dresden près de Chicago, Illinois, E.U.A., 25 le réacteur nucléaire est contenu dans sa propre cuve sous pression, tandis que l'ensemble séparateur et sécheur de vapeur est contenu dans un ballon séparé relativement important. Dans les installations nucléaires plus récentes, il a été constaté qu'une réduction substantielle du prix de revient 30 peut être obtenue en plaçant l'appareil séparateur et sécheur de vapeur d'eau à l'intérieur de la cuve sous, pression du réacteur nucléaire. Un système séparateur et sécheur intérieur de ce type est utilisé dans le générateur de vapeur d'eau à réacteur nucléaire de l'installation KRB (Kernkraftwerk RWE-35 Bayernwerk) près de Gundremmingen, Allemagne. Dans ce système, le mélange de vapeur d'eau et d'eau provenant du coeur du réacteur est envoyé dans un groupe de séparateurs qui élimine une partie substantielle du liquide du mélange. 70 20410 2 2045854 Le fonctionnement efficace des sécheurs de ce type nécessite que la vapeur d'eau les traverse dans une direction perpendiculaire aux plaques du sécheur,, Le système sécheur vaentionné ci-dessus 'comporte ainsi un collecteur d'entrée pour 5 chaque sécheur afin de diriger verticalement la vapeur d'eau ascendante à travers le sécheur et un collecteur de sortie pour 11 échappement de la vapeur d'eau ascendante après son passage dans le sécheur, La tendance actuelle est à la réalisation de coeurs 10 de réacteurs nucléaires fonctionnant avec une densité de puissance supérieure. Autrement dit, la quantité de chaleur produite dans un coeur d'une dimension donnée est plus importante, et il sa résulte une augmentation du débit de mélange de vapeur d'eau G'c d'eau et la production d'une masse plus importante de vapeur 15 d'eau» Cette masse plus importante de vapeur d'eau nécessite Uïie augmentation de la capacité du sécheur. Cependant, les sécheurs du type à chevrons considérés ci-dessus ne fonctionnent Les jEppareils de ce type- pour le traitement des fluides sont caractérisés par une faible résistance à l'écoulement, c'est-à-dire que la perte de pression à travers 3e sécheur est 30 faible par comparaison avec la pression dynamique du courant gazeux pénétrant dans le distributeur (la pression dynamique du courant gazeux pénétrant dans le distributeur étant proportionnelle- au* carré de la vitesse à 1'entrée)„"Cette faible résistance à l'écoulement a peu d'influence sur l'égalisation de la 35- distribution de l'écoulement à •travers l'appareil» De plus, la résistance à l'écoulement du gaz-à travers le s'éctesOir n'est pas isotrope, c'est-à-dire que 1-&;^résistance à-l'écoulement est supérieure dans une direction perpendiculaire aiiïï crêtes des 70 20410 3 2045854 plaques du sécheur et plus faible dans une direction parallèle aux crêtes de ces plaques. Les différences de pression à l'entrée du sécheur ont tendance à provoquer dans l'écoulement du gaz à travers le sécheur des composants de vitesse non per-5 pendiculaires. L'augmentation de la hauteur des sécheurs et des dimensions verticales des distributeurs et des collecteurs, tout en permettant pratiquement le maintien des dimensions latérales, se traduit par des vitesses supérieures de la vapeur d'eau dans 10 les collecteurs d'entrée et de sortie. La combinaison de la longueur supérieure des collecteurs et de la vitesse supérieure de la vapeur d'eau dans les collecteurs aggrave le problème relatif au maintien d'une distribution uniforme de l'écoulement à travers les sécheurs et le problème du maintien d'un écoule-15 ment de la vapeur d'eau dans une direction perpendiculaire aux plaques des sécheurs. Il est désirable d'égaliser les vitesses d'écoulement de la vapeur d'eau à travers les sécheurs et de minimiser les composantes de vitesse non perpendiculaires sans augmentation 20 sensible de la chute de pression. L'invention a pour objet une structure pour un appareil tel qu'un sécheur de vapeur supprimant ces inconvénients. L'objet de l'invention est atteint au moyen d'un dispositif de commande d'écoulement ayant des sections d'écoule-25 ment variant de l'entrée à la sortie du sécheur. Suivant le mode de mise en oeuvre considéré à titre d'exemple, le dispositif de commande d'écoulement comporte des plaques perforées, la dimension, le nombre et la distribution des perforations étant choisis pour obtenir:1'uniformité maximale de l'écoulement à 30 travers le sécheur et pour minimiser les composantes de vitesse non perpendiculaires. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur les-35 quels s la figure 1 représente schématiquement un réacteur nucléaire à eau bouillante ayant à l'intérieur de la cuve un groupe de sécheurs de vapeur1 d'eau suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention, 70 20410 4 2045854 la figure 2a est une coupe d'un des sécheurs de la figure 1, la figure 2b est une coupe horizontale du sécheur de la figure 2a, et 5 la figure 3 est une vue en élévation d'une plaque perforée du dispositif de commande d'écoulement'du sécheur des figures 2a et 2b, La figure 1 représente schématiquement à titre d'exemple un système générateur de vapeur d'eau à réacteur nucléaire 10 du type à eau bouillante. Le réacteur comprend une cuve sous pression 1,0 contenant le coeur 11 du réacteur. Le coeur 11 est entouré par un écran 12 qui forme une chambre d'entrée 13 pour l'eau en dessous du coeur, une chambre 14 pour le mélange de vapeur d'eau et d'eau au-dessus du coeur et une chambre à 15 vapeur d'eau 16 au-dessus du niveau de l'eau indiqué par la ligne en tirets 17. L'eau sous pression est envoyée dans la chambre d'entrée 13, par exemple par une pompe de circulation 18 qui refoule l'eau à travers plusieurs orifices 19 pour qu'elle remonte autour du combustible nucléaire du coeur 11 dans lequel 20 une partie de l'eau est convertie en vapeur d'eau. Le mélange résultantcte vapeur d'eau et d'eau de la chambre 14 s'écoule à travers plusieurs séparateurs de gaz et de liquide 21 qui séparent une partie substantielle de l'eau du mélange, la vapeur d'eau échappant dans la chambre 16. La vapeur d'eau de la 25 chambre 16 passe ensuite à travers un ensemble sécheur 24 qui extrait l'humidité résiduelle, et la vapeur d'eau échappe de la cuve sous pression vers un dispositif d'utilisation tel que la turbine à vapeur 26. La vapeur échappant de la turbine peut être condensée et être renvoyée comme eau d'alimentation dans 30 la cuve sous pression par une pompe 27. L'ensemble sécheur 24 est formé par un groupe de sécheurs 28 (figures 1, 2a, 2b) disposés en rangées espacées. Des cloisons 29 entre les sécheurs et des écrans 31 entre les rangées de sécheurs forment des canaux ou collecteurs d'entrée 32 et des canaux eu 35 collecteurs de sort ie 33. La vapeur montât verfcicailanerfc à partir' des séparateurs 21 dans la chambre 16 pénètre ainsi dans les collecteurs d'entrée 32 des sécheurs et elle est dirigée horizontalement à travers les sécheurs 28. Les collecteurs 33 dirigent ensuite la vapeur 70 20410 5 2045854 sèche vers le haut à l'intérieur du dôme de la cuve sous pression 10. Les sécheurs 28 comportent des drains (non représenté) pour le retour de l'eau extraite vers la masse d'eau contenue dans la cuve. Bien que les sécheurs 28 soient représentés sur la figure 1 en position verticale,, cela n'est pas une nécessité et ne limite pas l'invention. Les sécheurs peuvent être montés dans des positions incliné es limitées parles conditions requises pour le drainage du liquide. Comme il a été indiqué ci-dessus, pour augmenter les dimensions et par suite la capacité des sécheurs, il est désirable d'augmenter leur hauteur plutôt que leuçs dimensions latérales déterminant les sections des collecteurs 32 et 33. La longueur supérieure des collecteurs et la vitesse supérieure de la vapeur d'eau dans les collecteurs. ont tendance à provoquer une distribution non uniforme d'écoulement de la vapeur d'eau à travers les sécheurs. Il y a aussi une tendance supérieure au passage de la vapeur d'eau à travers les sécheurs dans une direction non horizontale, c'est-à-dire dans une direction non perpendiculaire aux plaques du sécheur, ce qui réduit le rendement des sécheurs. Suivant le mode de réalisation représenté, la distribution d'écoulement est maintenue uniforme et les composantes verticales de la vitesse résultant de l'augmentation de la hauteur des sécheurs sont minimisées en plaçant des plaques perforées de commande d'écoulement ayant des sections de passage progressives aux entrées et aux sorties des sécheurs 28. Ces plaques de commande d'écoulement sont représentées en coupe transversale sur la figure 2a sous la forme d'une plaque d'écoulement d'entrée 34 entre le collecteur d'entrée 32 et le sécheur 28 et d'une plaque d'écoulement de sortie 36 entre le sécheur et le collecteur de sortie 33° La figure 3 représente en élévation un exemple de plaque de commande d'entrée 34. La dimension, le nombre et la distribution des perforations peuvent être déterminés expérimentalement pour obtenir l'uniformité maximale d'écoulement à travers le sécheur. Pour la disposition représentée, "la section de passage de la plaque de commande d'écoulement d'entrée augmente de bas en haut, et inversement, la section de passage 70 20410 6 2045854 de la plaque d'écoulement de sortie décroît de bas en haut. D'une façon idéale la section d'écoulement ou pourcentage de section ouverte devrait varier de façon continue dans la direction verticale de la plaque d'écoulement, Cependant, du 5 point de vue pratique la plaque peut être divisée en un certain nombre de sections a-f ayant différents pourcentages de section d'écoulement ou de densité de perforations » Par exemple, pour la plaque de commande d'écoulement de la figura 3 les perforations ont un diamètre de 6,35 mm et les 10 centres de ces perforations sont quxconcées pour obtenir les pcuro ont âges désirés.de section ouverte en variant les distances de centre à centre des perforations. Cependant, la section d'écoulement peut être aussi variée en utilisât des perforations de différents diamètres., 15 Les plaques de commande d'écoulement d'entrée et d® sortie sont fixées de façon étanche dqns les collecteurs eor-respqndants, afin que tout le courant soit obligé de traverser 1-3s perforations. Pour permettre l'augmentation de l'écoulement et réduire la chute de pression non récupérée, la plaque d'entrée 20 34 est espacée de l'entrée du sécheur 28 d'une distance (par exemple de 6,35 à 19mm) et la plaque de sortie 36 est espacée du sécheur d'une distance WQ (par exemple de 6,35 à 12,7 mm). Le tableau ci-après donne les pourcentages de section ouvert© (ou d'écoulement) pour des exemples de plaques de commande 25 d'entrée et de sortie satisfaisantes pour un sécheur d'une hauteur 2 d'environ 1,8 m d'une section d'écoulement d'environ 50 dm , avec p une section d'entrée du collecteur d'entrée d'environ 10,5 dm , une section de sortie du collecteur de sortie d'environ 10,5 dm 2 et un débit de Tapeur d'eau d'environ 1 700 vP/h. 30 Pourcentage_de=section^ouverte Plaque^d^entrée El§âU§_§®_Ë°rîii® haut a 32 15 b 30 17*5 35 c 28 20 d 25 22,5 e. 23 24 bas f 20 30 70 20410 7 2045854 Cette combinaison de sécheur permet d'obtenir de la vapeur d'eau contenant environ 0,1% en poids ou même moins de liquide pour de la vapeur d'eau à l'entrée contenant environ 10# en poids de liquide» La chute de pression non récupérée est d'envi-5 ron0,021 kg/cm . En l'absence des plaques de commande d'écoulement et 36 la vapeur d'eau à la sortie contient au moins 2.% en poids dè liquide pour le même titre de la vapeur d'eau à l'entrée. Les plaques de commande d'écoulement permettent ainsi une amélioration importante des performances du sécheur. Le sécheur 10 décrit ci-dessus est ainsi un sécheur compact et efficace ne provoquant qu'une chute de pression minime. Bien que l'invention soit décrite ci-dessus dans le cas de son utilisation pour un sécheur de gaz, la structure de distribution d'écoulement selon l'invention peut être avanta-15 geusement utilisée pour la commande et la distribution d'écoulement à travers un autre appareil, par exemple d'un échangeur de chaleur, ou d'un appareil analogue situé entre un distributeur et un collecteur pour l'écoulement parallèle, oblique ou à contre-courant. 20 Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 70 20410 8 2045854 1. Appareil de traitement tel qu'un sécheur de vapeur comportant un côté d'entrée et un côté de sortie, un collecteur d'entrée pour dispositif de traitement pour recevoir le fluide et le diriger à travers ce dispositif, 3e fluide pénétrant dans 5 ce collecteur d'entrée dans un direction différente de la direction d'écoulement désirée pour le fluide à travers le dispositif de traitement 'et un collecteur de sortie pour diriger le fluide dans une direction différente de la direction d'écoulement désirée pour le fluide à travers le dispositif de traitement, carac-10 térisé par un premier dispositif de commande d'écoulement entre le collecteur d'entrée et le dispositif de traitement, ce premier dispositif de commande d'écoulement ayant une section de passage croissant progressivement dans la direction générale d'écoulement du fluide dans le collecteur d'entrée, et un second 15 dispositif de commande d'écoulement entre le dispositif de traitement et le collecteur de sortie, ce second dispositif de commande d'écoulement ayant une section de passage décroissant progressivement dans la direction générale de l'écoulement du fluide dans le collecteur de sortie. 20 2. Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que le premier et le second dispositifs de commande d'écoulement sont espacés du dispositif de traitement. j5. Appareil selon la revendication 1 caractérisé par un premier élément de commande perforé dans le collecteur d'entrée 25 à côté de l'entrée du dispositif de traitement, un collecteur de sortie à côté de la sortie du dispositif de traitement pour recevoir le fluide du dispositif de traitement et provoquer son échappement, et un second élément de commande perforé pour le collecteur de sortie à côté de la sortie du dispositif de tral-50 tement, les dimensions, le nombre et la distribution des perforations du premier et du second éléments de commande d'écoulement étant choisis pour obtenir une distribution uniforme de l'écoulement du fluide à travers le dispositif de traitement. 4. Appareil selon la revendication 3 caractérisé en 55 ce que les éléments de commande d'écoulement sont espacés du dispositif de traitement.