Brevet FR2081618A1 — publié le 19711210

La présente invention se rapporte, dans l'ensemble, à un générateur de vapeur à corps cylindrique et à tubes et elle concerne, plus particulièrement, des perfectionnements à la disposition prévue pour introduire un fluide d'alimentation vaporisable 5 dans une chaudière à circulation unique. Les perfectionnements de la présente invention sont applicables aux générateurs de vapeur du type décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique 3.385.268 et 3.447.509 délivrés à la cessionnaire de la présente invention, dans lesquels un fluide 1Q de chauffe passe par des tubes et dans lesquels le fluide d'alimentation est refoulé dans le corps de la chaudière et s'écoule vers le bas par une descente annulaire, puis y remonte vers le haut parmi un faisceau de tubes, ledit fluide d'alimentation étant chauffé et vaporisé quand il passe le long des tubes. Une 15 partie de ce fluide, partiellement chauffé, est prélevé de la zone du faisceau de tubes pour être mélangé au fluide d'alimentation quand il pénètre dans la chaudière et pour le réchauffer d1 avance, ceci permettant d'éviter le choc thermique susceptible d'affecter le corps cylindrique épais du générateur et la tôle 20 des tubes à leur partie inférieure, choc qui provient de la différence de température existant entre le métal et l'eau d'alimentation. En vue d'éviter des réparations coûteuses et de prolonger la durée du générateur, on a fixé des limites strictes aux différences de température des parties métalliques pour la mise en 25 route de l'installation et l'arrêt de son fonctionnement. Toutefois, ces limitations imposées au fonctionnement de l'appareil présentent l'inconvénient de prolonger l'interruption de service et d'entraîner ainsi une diminution de la rentabilité de l'installation. Un état de choses particulièrement désavantageux appa-30 raît quand, par suite d'une situation critique, il arrive que 1' écoulement du fluide d'alimentation est interrompu, que le fluide de chauffe du générateur s'évapore et que la température du métal approche celle du fluide de chauffe à son arrivée. Dans de telles conditions, et même s'il peut être rapidement mis un terme à la 35 situation critique, on ne disposera pas de fluide chaud pour réchauffer d'avance le fluide d'alimentation entrant dans le corps du générateur et l'installation se trouvera soumise à un arrêt prolongé pendant tout le temps que les températures du métal du générateur mettent à baisser pour atteindre un point auquel l'ad-40 dition de fluide d'alimentation sans le bénéfice du réchauffement 71 06906 2 2081618 préalable, ne cause pas de différences de températures qui dépassent les limites prescrites. Selon la présente invention, un perfectionnement est apporté aux générateurs de vapeur déorits dans les brevets des 5 Etats-Unis d'Amérique N° 3»385.268 et 3.447-509, sous la forme d' une disposition permettant de reprendre l'introduction du fluide d'alimentation dans le générateur par le conduit principal ou collecteur sans retard après un arrêt de l'écoulement du fluide d'alimentation pendant le fonctionnement du générateur. La dispo-10 sition prévue consiste en un certain nombre de buses traversant l'extrémité supérieure du blindage ou bouclier pour amener une quantité voulue de fluide d'alimentation auxiliaire, directement dans le passage intérieur du générateur de vapeur. Un dispositif type d'alimentation en fluide auxiliaire assure un écoulement ma-15 ximum atteignant environ 3,5 % de l'écoulement du fluide d'alimentation principal à charge normale. Les parois du blindage et des tubes d'échange de chaleur sont relativement minces et capables de résister aux différences de température engendrées par 1'in- , troduetion de fluide d'alimentation auxiliaire non réchauffé d'a-20 varice. A la suite de pertes se produisant dans 1' écoulement du fluide d'alimentation principal, le fluide d'alimentation auxiliaire est injecté directement dans le passage intérieur et il se vaporise quand il entre en contact avec les tubes chauds, ce qui a pour effet d'engendrer une pression de vapeur à l'intérieur du 25 générateur. On peut assurer une reprise rapide de 1'écoulement de fluide d'alimentation principal en utilisant la vapeur du fluide d'alimentation auxiliaire pour réchauffer le fluide d'alimentation principal à son entrée dans l'appareil. Dès que la vapeur se forme normalement, on peut couper l'écoulement du fluide d'alimen-30 tation auxiliaire. Le dispositif d'alimentation en fluide auxiliaire peut aussi être utilisé pour éliminer la chaleur résiduelle du générateur et de la source de chaleur avec laquelle il est conjugué, par exemple, un réacteur nucléaire, pendant un arrêt de l'installation. Une certaine vitesse de refroidissement peut être 35 entretenue en réglant la quantité de fluide d'alimentation auxiliaire introduite dans le générateur de vapeur et en refoulant directement dans le condenseur la vapeur obtenue. Les caractéristiques et avantages de 1'invention ressorti-ront d'ailleurs de la description qui va suivre en référence aux 40 dessins annexés sur lesquels: 71 06906 3 2081618 - la figure 1 est une coupe verticale d'un générateur de vapeur aménagé selon l'invention. - La figure 2 est une section transversale suivant la ligne 2-2 de la figure 1« 5 - La figure 3 est une section transversale suivant la ligne 3-3 de la figure 1. La figure 1 représente un échangeur de chaleur se présentant sous la forme d'un groupe 10 de vaporisation et de surchauffe, ce groupe comprenant une enceinte de pression cylindrique 11, 10 allongée verticalement et fermée à ses deux extrémités par une calotte supérieure 12 et une calotte inférieure 13. L'enceinte 11 est divisée dans le sens transversal par les plaques tubulaires 14 et 15. La plaque tubulaire supérieure 14 fait corps avec l'enceinte 11 et la calotte supérieure 12, et elle se conjugue à cet-15 te dernière pour former une chambre d'entrée de fluide 16. La plaque tubulaire inférieure 15 fait corps avec 1'enceinte 11 et la calotte inférieure 13 et elle se conjugue à cette dernière pour former une chambre de sortie de fluide 17. De nombreux tubes droits 18, disposés de façon à former un 20 faisceau, s'étendent verticalement entre la plaque tubulaire supérieure 14 et la plaque tubulaire inférieure 15 et passent à travers chacune d'elles pour relier la chambre d'entrée 16 à la chambre de sortie 17. Un bouclier ou blindage inférieur, de forme cylindrique 19, entoure les tubes 18 et s'étend vers le haut à par-25 tir de la face supérieure de la plaque tubulaire inférieure 15 pour se terminer à mi-hauteur de 1'enceinte 11. Ce blindage inférieur délimite la partie inférieure d'un passage intérieur ou chambre de vaporisation 20 à circulation ascendante où se trouve la partie inférieure des tubes 18 et contribue à former, avec 1' 30 enceinte 11, la partie inférieure d'un passage extérieur annulaire ou compartiment d'arrivée 21. Des ouvertures régulièrement espacées autour de la partie inférieure du blindage 19, assurent la communication d'écoulement entre le compartiment d'arrivée 21 et la chambre à circulation ascendante 20. Un orifice 23 réglable à 35 plaque en forme de segment circulaire, déborde à l'extérieur du blindage 19, à peu près à la hauteur du bord supérieur des ouvertures 22. Un bouclier ou blindage supérieur 24 de forme cylindrique, s'étend vers le haut à partir d'un plan très rapproché du bord su-40 périeur du blindage inférieur 19 jusqu'à un plan situé au-dessous 71 06906 4 2081618 de la plaque tubulaire 14. Ce blindage 24 constitue la partie supérieure d'un passage intérieur ou chambre de vaporisation et de surchauffe 25 prolongeant la chambre 20 et renfermant ainsi la partie - supérieure des tubes 18. En se conjuguant avec l'enceinte 11, 5 le blindage 24 forme la partie supérieure d'un passage extérieur annulaire ou compartiment de sortie 26. L'extrémité inférieure du compartiment 26 est hermétiquement closé par une plaque annulaire 27 dont le bord extérieur est soudé à 1'enceinte 11 et le bord intérieur au blindage 24. L'espace libre 28, entre le haut du blin-10 dage 19 et le fond 27 du blindage 24, communique pour écoulement avec le compartiment d'arrivée 21. Plusieurs supports 29 de tubes s'étagent sur la longueur des faisceaux 18 à l'intérieur des chambres 20 et 25 o Plusieurs tuyères ou buses 30 de fluide d'alimentation prin-15 cipal, sont disposées près de l'extrémité supérieure du compartiment d'arrivée 21 et traversent la paroi de l'enceinte 11, chaque extrémité d'évacuation de ces buses débouchant et refoulant dans le compartiment d'arrivée 21 au niveau ou sensiblement au niveau de l'espace libre 28, comme indiqué par le jet de pulvérisation 20 30A. Des tuyaux de jonction 31 assurent la liaison entre les buses 30 et un réchauffeur annulaire 32 de fluide d'alimentation principal, ce réchauffeur 32 entourant l'enceinte 11 au-dessous des buses 30. Plusieurs buses 33 de fluide d'alimentation auxiliaire, sont 25 disposées près de l'extrémité supérieure du compartiment de sortie 26; elles traversent la paroi de l'enceinte 11, ainsi que le blindage supérieur 24 et chaque extrémité d'évacuation de ces tuyères débouchent et refoulent dans la chambre 25 de vaporisation et de surchauffe, ciomme indiqué par le jet de pulvérisation 33A. Des tu-30 yaux de jonction 34 assurent la liaison entre les buses 33 et un collecteur annulaire 35 de fluide d'alimentation auxiliaire entourant l'enceinte 11 au-dessous des buses 33. La calotte supérieure 12 comporte une prise d'arrivée 36 pour l'entrée du fluide de chauffe dans la chambre 16, tandis que la 35 calotte inférieure 13 comporte une prise de sortie 37 pour permettre l'évacuation du fluide de chauffe de la chambre 17. L'enceinte 11 comprend des prises de sortie 38 pour envoyer la vapeur surchauffée au point d'utilisation, ainsi qu'un passage d'accès 39 et des regards de visite 40 et 41 pour permettre d'accéder effective-40 ment et de voir à l'intérieur de l'enceinte. Des raccords de détec 71 06906 5 2081618 tion du niveau de fluide 42, des raccords d'éventa 43 et de purge 44 sont également prévus» Les calottes 12 et 13 comportent respectivement des passages d'accès 45 et 46 et des regards de visite 47 et 48, la calotte inférieure 13 comportant également un rac-5 cord de purge 49» La figure 2 représente une coupe transversale du groupe 10 de vaporisation et de surchauffe suivant la ligne 2-2 de la figure 1, à la hauteur du point d'entrée de l'alimentation auxiliaire du groupe. Les buses 33 du fluide d'alimentation auxiliaire sont 10 représentées réparties en circonférence autour de l'enceinte 11 et s'étendant à travers les parois de ladite enceinte, le compartiment de sortie 26 et le blindage supérieur 24 pour décharger directement dans la partie supérieure du passage intérieur de la chambre 25 de vaporisation et de surchauffe, ainsi qu'on peut le 15 voir en 33A. Un collecteur 35 de fluide d'alimentation auxiliaire constitué par deux parties recourbées réunies par une bride ou collerette d'assemblage 50 envoie, par les tuyaux de jonction 34, le fluide aux buses 33 d'où il est déchargé sur l'extérieur des tubes 18. 20 La figure 3 représente une coupe transversale du groupe 10 suivant la ligne 3-3 de la figure 1, c'est-à-dire à la hauteur du point d'entrée du fluide d'alimentation principal dans le groupe par un grand nombre de buses 30 de fluide d'alimentation principal dont cinq seulement sont représentées. Oes buses sont ré-25 parties en circonférence autour de l'enceinte 11 et s'étendent à travers la paroi de l'enceinte pour décharger directement le fluide vers le bas dans le compartiment d'arrivée 21. Un collecteur 32 de fluide d'alimentation formé de deux parties recourbées séparées, envoie le fluide par les tuyaux de jonction 31 jusqu'aux 30 buses 30, d'où il est déchargé dans le compartiment 21. Le blindage inférieur 19 dessine la périphérie extérieure de la partie inférieure du passage intérieur ou chambre à circulation ascendante 20, qui reçoit la partie inférieure des tubes 18. Pendant le fonctionnement normal du générateur de vapeur, 35 le réfrigérant basse pression ou primaire provenant d'un réaeteur d'eau sous pression, non représenté, ou d'une source du même genre, est envoyé dans la chambre supérieure 16, par l'intermédiaire de la prise d'entrée 36. Le réfrigérant primaire transmet de la chaleur à un fluide secondaire pendant le passage dans les tubes 40 18 du générateur 10, et c'est pourquoi on lui donnera ci-après 71 06906 6 2081618 le nom de fluide de chauffe. A partir de la chambre 16, le fluide de chauffe s'écoule vers le bas par les tubes 18 jusque dans la chambre inférieure 17 et il est évacué du générateur par la prise de sortie 37. le fluide d'alimentation est amené au collecteur 32 5 d'où il est refoulé par les buses 30 jusqu'à la partie supérieure du compartiment d'arrivée 21 du générateur de vapeur. Le fluide d1 alimentation s'écoule vers le bas dans le compartiment d'arrivée 21 et passe par l'orifice réglable 23 et par les ouvertures 22 du blindage pour entrer dans la chambre à circulation ascendante 20. 10 Le fluide d'alimentation principal entre dans la chambre 20 sensiblement à la température de saturation et la vaporisation commence immédiatement. Le fluide s'écoule vers le haut, autour des tubes, dans le sens opposé à celui où le fluide de chauffe s'écoule dans les tuyaux 18 et il est en relation indirecte de transmission de 15 chaleur avec ledit fluide de chauffe. Quand le fluide d'alimentation principal s'écoule vers le haut dans la chambre à circulation ascendante 20, la vaporisation se produit, la qualité de la vapeur étant nulle à la hauteur de la plaque tubulaire inférieure 15 pour atteindre une qualité pratique-20 ment égale à 100 $ près de l'extrémité supérieure du blindage inférieur 19» Une partie du fluide d'alimentation principal transformée en vapeur de qualité 100 est soustraite de la partie supérieure du blindage 19 pour passer par 1*espace libre 28 et se mélanger, tout en le réchauffant, au fluide d'alimentation principal 25 déchargé par les buses 30. Quand cette vapeur se mélange au fluide d'alimentation tout juste introduit, elle se condense et il en résulte une légère diminution de pression qui engendre un phénomène d'aspiration ayant pour effet d'entraîner la vapeur qui passe de l'intérieur de la chambre 20 au compartiment d'arrivée 21. La par-30 tie de vapeur ainsi entraînée hors de la chambre 20, abandonne sa chaleur latente de vaporisation au fluide d'alimentation à son arrivée, le mélange étant chauffé sensiblement à la température de saturation. La partie de vapeur qui n'a pas été entraînée monte à travers la chambre de surchauffe 25 et se trouve surchauffée avant 35 de se diriger en sens inverse en contournant le blindage supérieur 24. Elle s'écoule alors vers le bas par le compartiment de sortie 26, entre le blindage supérieur et le corps du générateur, et est évacuée par les prises de sortie de vapeur» Conformément à la présente invention, chaque fois que l'ali-40 mentation du générateur en fluide d'alimentation principal est com 71 06906 7 2081618 plètement interrompue, le réacteur nucléaire est automatiquement coupé tandis que le réfrigérant primaire ou fluide de chauffe continue à passer par le réacteur et par le générateur de vapeur à une vitesse d'écoulement choisie, le dispositif du fluide d'ali-5 mentation auxiliaire se met en marche sensiblement au moment où l'alimentation en fluide d'alimentation principal, se tarit. Le fluide auxiliaire est envoyé dans le collecteur 35 et directement injecté par les buses 33 dans la partie supérieure du passage intérieur ou chambre de surchauffe 25, une partie de ce fluide se 10 vaporisant en entrant en contact avec les tubes chauffés 18, ce qui a pour effet de créer une pression de vapeur à l'intérieur du générateur. Le fluide d'alimentation auxiliaire continue d'arriver à une vitesse d'écoulement choisie, de façon à maintenir un niveau d'eau minimum prévu à l'avance. On élimine la chaleur résiduelle 15 du réacteur en poursuivant 1'échange indirect de chaleur entre le réfrigérant primaire et le fluide d'alimentation auxiliaire et en refoulant directement dans le condenseur la vapeur obtenue. Au cas où l'on envisage une reprise de fonctionnement à chaud on peut recommencer à introduire le fluide d'alimentation princi-20 pal dans le générateur, dès que l'arrivée en est assurée. La possibilité de chocs thermiques affectant le métal échauffé de l'enceinte 11 et de la plaque tubulaire 15 par suite des différences de température engendrées par le fluide d'alimentation principal relativement froid à son arrivée, se trouve éliminée en évacuant 25 par l'espace libre 28, la partie de fluide auxiliaire transformée en vapeur et en la mélangeant immédiatement au fluide d'alimentation principal au moment où il est refoulé par les buses 30, ce dernier fluide se trouvant ainsi réchauffé avant tout contact notable avec le métal chaud du générateur. L'écoulement de fluide 30 d'alimentation auxiliaire se poursuit jusqu'à ce que reprenne la vaporisation normale du fluide d'alimentation principal, moment auquel l'écoulement de fluide auxiliaire s'interrompt» Si le programme établi prévoit une mise hors service, on peut fixer d'avance la vitesse de refroidissement du réacteur nu-35 cléaire et des organes de vaporisation, en réglant la quantité de fluide d'alimentation auxiliaire s'écoulant dans le générateur» Dans une chaudière de ce genre fonctionnant à l'énergie nucléaire, le dispositif d'écoulement de l'eau d'alimentation auxiliaire, offre un écoulement qui s'établit dans une gamme allant 40 de 0 à 3,5% environ de l'écoulement de l'eau d'alimentation principale à charge normale et est capable d'absorber 5% de la puissance du réacteur pour une température d'admission d'eau d'alimentation de32°C et pour une production de vapeur saturée dans les conditions de pression de vapeur à charge normale. 71 06906 8 2081618 REVENDICATIONS 1°)- Eehangeur de chaleur comprenant une enceinte de pression, une pluralité de tubes s*étendant dans cette enceinte et des moyens pour envoyer du fluide de chauffe dans les tubes, caracté-5 risé par un blindage ou bouclier entourant les tubes et coopérant avec l1 enceinte pour former un passage intérieur et un passage extérieur, ledit passage extérieur étant divisé pour former un compartiment d'entrée et un compartiment de sortie, chacun d'eux étant en communication d'écoulement avec le passage intérieur, des moyens 10 pour introduire et envoyer en série un premier fluide d'alimentation à l'intérieur par le compartiment d'arrivée, par le passage intérieur en relation indirecte d'échange de chaleur avec le fluide de chauffe et pour le faire sortir par le compartiment de sortie, des moyens pour soustraire du passage intérieur une partie 15 du premier fluide d'alimentation partiellement chauffé et pour 1' envoyer se mélanger au premier fluide d'alimentation pénétrant dans le compartiment d'arrivée et des moyens distincts pour introduire directement un second fluide d'alimentation dans ledit passage intérieur quand l'écoulement du premier fluide s'interrompt» 20 2°)- Eehangeur de chaleur selon la revendication 1, dans le quel les moyens pour introduire le premier fluide d'alimentation comprennent plusieurs buses refoulant le fluide dans le compartiment d'arrivée. 3°)- Eehangeur de ehaleur selon la revendication 1, dans le-25 quel le bouclier ou blindage est constitué par un blindage supérieur et un blindage inférieur séparés l'un de l'autre, ces deux blindages coopérant avec le corps du générateur pour constituer respectivement un compartiment de sortie et un compartiment d'arrivée. 30 4°)- Eehangeur de chaleur selon la revendication 3, dans le quel les moyens distincts pour introduire le second fluide d'alimentation, comprennent plusieurs buses s'étendant à travers le blindage supérieur pour décharger le fluide dans le passage intérieur. 35 5°)- Eehangeur de chaleur selon la revendication 3, dans le quel les moyens pour soustraire une partie du fluide partiellement chauffé, consistent au moins en une ouverture entre les extrémités adjacentes du blindage supérieur et du blindage inférieur pour assurer la communication de 1'écoulement entre le passage intérieur 40 et le compartiment d'arrivée. 71 06906 9 2081618 6°)- Procédé de mise en oeuvre d'un eehangeur de chaleur suivant la revendication 1, comprenant un corps et des tubes, ce procédé consistant à faire passer un fluide de chauffe dans les tubes, à introduire un premier fluide d'alimentation dans l'espace 5 formé entre les tubes et le corps et sans contact avec les tubes, à envoyer ledit premier fluide d'alimentation sur les tubes en relation indirecte d'absorption de chaleur avec le fluide de chauffe, à soustraire une partie du premier fluide d'alimentation partiellement chauffé, à mélanger ladite partie de fluide partielle-10 ment chauffé au premier fluide d'alimentation entrant dans le générateur, à décharger le reste du premier fluide d'alimentation, chauffé et à introduire séparément un second fluide d'alimentation directement sur les tubes quand l'écoulement dudit premier fluide s'interrompt. 15 7°)- Procédé suivant la revendication 6, selon lequel on com mence à introduire le second fluide sensiblement au moment où l'écoulement du premier fluide d'alimentation s'arrête. 8°)- Procédé suivant la revendication 6, selon lequel on chauffe le second fluide d'alimentation à une température choisie 20 avant la reprise de l'écoulement dudit premier fluide. 9°)_ Procédé suivant la revendication 8, selon lequel on mélange le second fluide d'alimentation chauffé au premier fluide d'alimentation pénétrant dans le générateur au moment de la reprise de l'écoulement de ce dernier fluide. 25 10°)- Procédé suivant la revendication 9, selon lequel on arrête 11 écoulement du second fluide d'alimentation quand le premier fluide d'alimentation a atteint une température choisie. Il0)- Procédé suivant la revendication 6, selon lequel on limite la quantité maximum d'écoulement du second fluide d'alimen-30 tation à un faible pourcentage de la quantité maximum d'écoulement dudit premier fluide d'alimentation» 12°)- Procédé suivant la revendication 6, selon lequel on règle la vitesse d'écoulement du second fluide d'alimentation, de façon à engendrer une vitesse choisie d'absorption de chaleur»