Brevet FR2134520A1 — publié le 19721208

La présente invention concerne un cyclone de séparation vapeur-eau, avec des aubes disposées axialement ou néi hélicoïdalement et un tube central de soutirage de vapeur. Les réacteurs à eau bouillante, les générateurs et les convertisseurs de vapeur sont un domaine d'emploi important de tels cyclones. Les cyclones doivent par principe assurer une séparation aussi Donne que possible, avec ne perte du charge aussi faible que possible. 1 mouvement de rotation nécessaire est habituellent imposé au mélange pénétrant dans Le cyclone par une entrée tangentielle, une roue à aubes ou une hélice. A l'intérieur du cyclone3 iv- constituant le plus lourd, c' est-à-dire l'eau, se déplace extér eurement vers la paroi, sous l'action de la torce centrifuge, tandis qu'il se se forme au centre une colonie dans laquelle un tube central soutire de la vapeur vers le haut. De nombreuses mesures sont connues pour améliorer le pouvoir sépa- rater des cyclones. Un exemple est fourni par l'article de Jürgen Vollradt dans la revue "Technische Überwachung" 9, (1968) 2. La figure 3 de cet article représente un cyclone pour réacteur nucléaire, dans lequel une hélice 3 impose le mouvement de rotation au mélange entrant. afin d'améliorer le pouvoir séparateur, un étrangleur 8 est disposé dans la partie aval de ce cyclone et interdit une diminution inadmissible de la résistance du circuit d'eau, de sorte que l'eau n'entraîne pas beaucoup de vapeur. ii est également connu de disposer à la sortie du tube de soutirage de vapeur de tels cyclones des griffas destinéees a sépare ultérieure l'eau entraînée dans le circuit de vapeur. Il a parfois été tenté aussi d'obtenir un rendement élevé de séparation par montage en aval de dispositifs additionnels couteux. Les mesures connues visent à améliorer le pouvoir séparateur à l'aide de dispositifs additionnels qui augmentent partiellement une séparation initiale très imparfaite. La réalisation précitée de la partie aval est destinée à produire un écoulement optimal de l'eau. Certaines mesures connues améliorent notablement le rendement total de la séparation. Ce résultat n'est toutefois obtenu qu'avec une dépense constructive élevée et une importante perte de charge. L'invention a pour objet une nouvelle amélioration simple du pouvoir séparateur de cyclones destinés à [a séparation de mélanges vapeur-eau, en influençant le moment cinétique dans le cyclone, par une forme particulière du dispositif produisant la rotation. Selon une caractéristique- essentielle de l'invention, dans un cyclone de séparation vapeur-eau comprenant des aubes disposées axialement ou hélicoidalement et un tube central de soutirage de la vapeur, le moment cinétique (r.c ) du mélange vapeur-eau demeure constant ou n'augmente que légèrement suivant la section du cyclone, par suite de la forme des aubes La cause de l'accroissement du pouvoir séparateur par la réalisation des aubes selon l'invention résulte de la théorie de l'écoulement d'une phase incompressible. (cf. W. Traupel, Thermische Turbomaschinen, tome I, 2sème édition 1966, et notamment les paragraphes 7.2 à 7.9).Cette théorie montre que les lignes de courant suivent des trajectoires cylindriques circulaires coaxiales quand le produit r.cu, appelé "moment cinétique" ci-dessous, est constant suivant tous les rayons et que les particules subissent un mouvement radial vers l'intérieur quand un accroissement du rayon entraîne une diminution du moment cinétique et un mouvement radial vers l'extérieur quand un accroissement du rayon entraîne aussi un accroissement du moment cinétique. Lorsque la distance par rapport au générateur de rotation augmente, l'écoulement d'une phase présente une distribution de vitesse "naturelle", qui correspond sensiblement à la loi du tourbillon (r.cU = constante) (cf. thèse de Laux). Cet effet est applicable à un écoulement binaire, dans un cyclone, en vue de réduire la teneur en eau (humidité de la vapeur) à l'entrée dans le tube de soutirage de vapeur. I1 faut pour ce faire prévoir, notamment entre le rayon interne r. et le rayon moyen rm à la sortie des aubes, une distribution telle que le moment cinétique demeure au moins constant ou n'augmente que légèrement quand le rayon augmente. En plus de la séparation, les particules d'eau subissent ainsi un mouvement radial vers l'extérieur, à proximité du diamètre extérieur du tube de soutirage de vapeur. Les lignes de courant, à une certaine distance du générateur de rotation, s'orientant de nouveau suivant la loi du tourbillon, il est inutile de prévoir une augmentation excessive du moment cinétique vers l'extérieur, car il en résulte des pertes supplémentaires lors du changement d'orientation des particules d'eau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous de deux exemples de réalisation et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en coupe d'un cyclone selon l'invention, dans lequel la rotation est produite par des aubes disposées axialement (roue à aubes); la figure 2 est une vue en coupe d'un cyclone selon l'invention, dans lequel la rotation est produite par des aubes disposées hélicoTdalement; la figure 3 est une coupe agrandie de la partie supérieure du cyclone selon figure 1; et la figure 4 est une coupe suivant l'axe A-A de la figure 3. Le cyclone selon figure 1 est constitué par un tube séparateur 1, portant une entrée latérale du mélange 2, et un tube coaxial 3 de soutirage de la vapeur. Entre le tube 3 de soutirage de vapeur et le tube- séparateur 1 est disposée une roue à aubes 4, qui imprime un mouvement de rotation au mélange entrant. A la partie inférieur du tube séparateur 1 se trouve un étrangleur 5 qui interdit l'écoulement de la vapeur vers le bas avec l'eau séparée. La forme de la roue à aubes 4, illustrée par les figures 3 et 4, est essentielle pour l'invention. La roue 4 est constituée par des aubes disposées radialement vers l'extérieur, à partir du tube 3 de soutirage de vapeur, telles que l'aube 7. Toutes les aubes présentent systématiquement une courbure suivant la même direction, afin d'imprimer un mouvement de rotation au mélange affluant. Afin de maintenir le moment cinétique du mélange vapeur-eau constant, ou tout au moins de ne le faire augmenter que légèrement vers l'extérieur, suivant la section du cyclone, il est nécessaire que la vitesse de rotation du mélange soit plus faible sur les trajectoires extérieures que sur les trajectoires intérieures. L'arête de sortie des aubes, désignée par 8 sur la figure 3, est déterminée pour chaque rayon; elle est plus proche du plan de sortie suivant le rayon interne, c'est-à-dire sur le tube 3 de soutirage de vapeur, que sur le rayon externe. Cette disposition est également souhaitable pour obtenir une guidage suffisant de l'écoulement par des aubes axiales, car l'écartement de ces dernières (c'est-à-dire le pas d'aubage) augmente vers l'extérieur. L'angle de sortie, mesuré suivant la circonférence et déterminant l'écoulement, est toutefois plus faible sur le rayon interne que sur le rayon externe. Les aubes 7 peuvent être formées par cintrage de tôles planes, puis reliées au tube 3 de soutirage de vapeur et/ou au tube séparateur 1, par soudage par exemple. Pour des raisons de fabrication, il convient de tracer des aubes développables, obtenues par cintrage de tôles. Lorsque l'arête de sortie 8 des aubes 7 se situe dans un plan axial, des aubes en tôle développables ne permettent généralement pas d'obtenir la distribution désirée du moment cinétique. Cette distribution peut toutefois être obtenue quand le plan de sortie est fixé pour chaque rayon en fonction du moment cinétique désiré. Le développement de l'arrête de sortie 8 des aubes 7 est alors généralement une ligne courbe. Il est souvent possible d'obtenir une approximation suffisamment précise de cette courbe à l'aide d'une droite. Dans les cyclones à production de la rotation par une aube héli cotidale (figure 2), l'aube 7 est tracée suivant les mêmes considérations que les aubes individuelles de la roue pour obtenir la distribution désirée du moment cinétique. L'arête de sortie 8 de l'aube est déterminée pour chaque rayon, comme dans l'exemple de réalisation des figures 1, 3 et 4; elle est plus proche du plan de sortie sur le rayon interne, c'est-à-dire sur le tube 3 de prélèvement de vapeur, que sur le rayon externe. La séparation de la vapeur et de l'eau n'est généralement pas terminée immédiatement en aval de la roue à aubes 4 ou de l'aube hélicoSdale du modèle selon figure 2. Dans le cyclone selon l'invention, le tube 3 de soutirage de vapeur pénètre par suite dans le tube séparateur 1, audelà de l'arête inférieure 8 des aubes. Les avantages du cyclone selon l'invention résident essentiellement dans le fait qu'en plus de la séparation, les particules d'eau sont repoussées vers l'extérieur par la composante du moment cinétique imposé au mélange, du fait de la densité différente de l'eau et de la vapeur. Ce mouvement radial vers ltextérieur n'est pas entravé quand le moment cinétique est constant suivant le rayon et se trouve même favorisé par un léger accroissement du moment cinétique. Le trajet de séparation, disponible pour le mélange en aval des aubes, est allongé par la prolongation du tube de soutirage de vapeur vers le bas, au-delà de l'arete inférieure de la roue à aubes ou de l'aube. La séparation est ainsi plus complète et la quantité d'eau (humidité) diminue dans la vapeur à la sortie du tube de soutirage. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. cyclone de séparation vapeur-eau avec des aubes disposées axialement ou hélicoïdalement et un tube central de soutirage de la vapeur, ledit cyclone étant caractérisé en ce que le moment cinétique (r.c ) du mélange vapeur-eau demeure constant ou n'augmente que légèrement suivant la section du cyclone, par suite de la réalisation des aubes. 2. cyclone selon revendication 1, dans lequel la rotation est produite par une roue a aubes et caractérisé en ce que le plan axial de l'arête de sortie des aubes est fixé pour chaque rayon de la section du cyclone, en ftrietioo de l'angle de sortie déterminé à partir de [a répartition radiale du moment cinétique, souhaitable hydrodynamiquement. 3. tycunne selon revendic=tion 2, caractérisé en ce que les aubes sont produites par cintrage de toles planes et que l'arete de sortie est décc-'ée en biseau. 4. Cyclone selon revendication 3, caractérisé en ce que la longueur axiale des aubes est plus grande sur le rayon extérieur que sur le rayon intérieur. 5. Cyclone selon revendication 1 à aube disposée hélicoïdalement, caractérisé en ce que l'hélice est biseautée à l'extrémité inférieure.