Brevet FR2111714A1 — publié le 19720609

La vapeur produite dans les centrales nucléaires qui utilisent des réacteurs à eau légère est en général chargée d'une forte humidité finale, si bien qu'il faut la soumettre avant son introduction dans les turbines à un séchage nécessitant des appareils 5 très coûteux. On utilise le plus souvent des séparateurs en gros basés sur l'action de la force centrifuge et suivis de séparateurs de précision fort coûteux. La force centrifuge engendrée dans ces séparateurs en gros serait théoriquement suffisante pour précipiter toutes les gouttelettes d'eau entraînées par la vapeur, mais il 10 intervient des effets perturbateurs, parmi lesquels le déplacement en va-et-vient désordonné du "pied" de la trombe formée dans de tels séparateurs centrifuges. Il s'ensuit que de l'eau déjà séparée se trouve réintroduite dans le courant de vapeur épurée ou, inversement, que de la vapeur est entraînée par l'eau de séparation, 15 d'où, dans l'un et l'autre cas, une nette dégradation du rendement. Ce mauvais rendement impose une plus large utilisation de séparateurs de précision en aval et il en résulte en particulier une grande hauteur de construction des générateurs de vapeur, d'où d'importants frais supplémentaires notamment dans le cas de grandes 20 puissances unitaires. L'invention a pour objet un dispositif qui, par perfectionnement des divers séparateurs centrifuges et montage en série ou en parallèle particulièrement favorable de plusieurs d'entre eux, améliore le rendement des séparateurs en gros en sorte que l'on 25 puisse faire l'économie des séparateurs de précision précédemment' nécessaires et que l'encombrement et le prix des générateurs de vapeur soient par suite considérablement diminués. Ce dispositif est caractérisé par le fait qu'il comporte^ d'une part, concentriquement à un cyclone à entrée axiale placé 30 au-dessus du générateur de vapeur et parcouru de bas en haut, plusieurs cyclones à contre-flux par courus de haut en bas dans lesquels arrive l'eau séparée par le cyclone axial et qui sont munis d'aubages directeurs d'entrée en disposition concentrique par rapport à leur tube plongeur et, d'autre part, concentriquement 35 aussi au cyclone axial mais au-dessus de lui, un séparateur à tourbillon avec une entrée axiale inférieure pour la vapeur venant dudit cyclone axial et une entrée supérieure, coaxiale au manchon de sortie de la vapeur sèche, pour la vapeur venant des cyclones à contre-flux, laquelle sert de gaz auxiliaire audit séparateur. 40 Ce séchage de la vapeur en plusieurs échelons et cette 71 37357 2 2111714 récupération de la vapeur encore contenue dans l'eau séparée en premier lieu font que l'on obtient, à la sortie du dernier séparateur centrifuge, de la vapeur presque parfaitement sèche, si bien qu'il n'est plus besoinj en plus, de séparateurs de précision. 5 Les cyclones à contre-flux peuvent être disposés, à l'extérieur du tube de tourbillonnement du cyclone axial, en sorte que leurs entrées soient à un niveau voisin de celui de l'extrémité supérieure dudit tube. Il est alors avantageux que les sorties d'eau du séparateur à tourbillon débouchent dans la région 10 inférieure des cyclones à contre-flux. Suivant une autre variante, les cyclones à contre-flux et leurs entrées sont disposés à l'intérieur du tube de tourbillonnement du cyclone axial, dans la zone extérieure de celui-ci. Les sorties d'eau des cyclones à contre-flux et du séparateur à tourbil-15 Ion peuvent alors aboutir à un même conduit d'évacuation. En vue du séchage complémentaire de la vapeur sortant des cyclones à contre-flux, les tubes plongeurs de ceux-ci peuvent être reliés à l'arrivée supérieure de gaz auxiliaire du séparateur à tourbillon. 20 L'écoulement dans les divers séparateurs centrifuge est de préférence stabilisé par le fait que, dans le cyclone axial, la face supérieure du corps profilé central entouré par les aubages directeurs de mise en giration hélicoïdale présente un creux approximativement concave et que dans la région inférieure des cyclones 25 à contre-flux sont disposés des corps coaxiaux en forme de coupelles ouverts vers le haut pour stabiliser les trombes qui s'établissent dans lesdits cyclones à contre-flux. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de deux modes de réalisation pris comme exemples 30 non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel : la figure 1 est une vue en coupe longitudinale axiale d'un séparateur comportant des cyclones à contre-flux à l'extérieur du cyclone axialj la figure 2 représente de la même manière un sépara-35 teur dont les cyclones à contre-flux sont montés à l'intérieur du tube de tourbillonnement du cyclone axial. Si l'on se réfère à la figure 1, le générateur de vapeur 1 renferme, au-dessus du faisceau 2 de tubes en U parcouru par le réfrigérant du réacteur, un cyclone à entrée axiale 3 qui 40 reçoit la vapeur humide, montant vers lui dudit faisceau 2. Ce cyclo 71 37357 3 2111714 ne axial 3 comporte le tube de tourbillonnement 4 et, à Bon entrée, des aubages directeurs 6 disposés concentriquement à un corps profilé 5 et imprimant au mélange de vapeur et d'eau d'entrée un mouvement hélicoïdal sous l'effet duquel ce mélange est mis en rotation et 5 l'eau qu'il renferme est projetée contre la paroi intérieure dudit tube de tourbillonnement 4. L'eau séparée longe cette paroi vers le haut,- change de dire et ion à l'extrémité supérieure du tube de tourbillonnement 4 et parvient ensuite à des cyclones a contreflux 7 disposés concentriquement au; cyclone axial 3. Ces cyclones à 10 contre-flux 7 se composent d'une chambre cylindrique de tourbillonnement qui comporte à son extrémité supérieure un tube plongeur axial 8 entouré concentriquement par des aubages directeurs 9 qui impriment eux aussi au mélange d'entrée un mouvement hélicoïdal» Ce mélange d'eau et d'une certaine quantité de vapeur résiduelle 15 entrant par les aubages directeurs 9 est séparé à nouveau par l'action de la force centrifuge en eau et vapeur : l'eau s'écoule vers le collecteur 10 du bas; la vapeur se dégage vers le haut à travers les tubes plongeurs axiaux 8. Le séchage à nouveau de la vapeur sortant du cyclone 20 axial 3 et des cyclones à contre-flux 7 est assuré par un séparateur dit à tourbillon qui est placé au-dessus du cyclone axial et concentriquement à lui. Un tel cyclone à tourbillon présente une entrée axiale inférieure pour le mélange à séparer et, dans l'enveloppe de la chambre de tourbillonnement ou sur la face frontale 25 supérieure, une admission de gaz auxiliaire en sens contraire de " l'entrée axiale inférieure : le fluide épuré sort donc du côté opposé à l'entrée axiale du mélange, tandis que le fluide plus lourd, qui s'en sépare, s'écoule par une fente annulaire coaxialement à l'entrée du mélange, 30 Dans l'exemple considéré, la vapeur afflue de bas en haut, du cyclone axial 3 au séparateur à tourbillon proprement dit 11, à travers les aubages directeurs 13 entourant un corps profilé coaxial 12. La vapeur sortant des cyclones à contre-flux 7 par les tubes plongeurs 8 entre dans ledit séparateur à tourbillon 11 à 35 travers une couronne d'aubages directeurs 15 entourant concentriquement le manchon de sortie 14 de la vapeur sèche. L'eau que renferme encore la vapeur venant du cyclone axial est projetée contre la paroi intérieure de la chambre de tourbillonnement 16 du séparateur à tourbillon 11 par l'action des forces centrifuges et des forces 40 de traînée, puis elle est refoulée, à travers une fente annulaire 71 37357 4 2111714 concentrique à l'entrée inférieure 25, vers un collecteur 18 par le courant opposé engendré vers le bas par la couronne d'aubages directeurs 15. De là, elle s'écoule par des canaux 19 vers la région inférieure des cyclones à contre-flux 7. La vapeur séchée au 5 maximum sort du séparateur à tourbillon 11 vers le haut par le tube axial 14, d'où elle peut être amenée directement aux turbines. Diverses mesures sont adoptées afin d'améliorer le rendement des divers séparateurs centrifuges. le corps profilé central 5 du cyclone axial 3 présente à 10 cet effet, sur sa face supérieure, un creux 20 approximativement concave par l'effet duquel la trombe se formant dans ledit cyclone 3, c'est-à-dire la couche limite entre l'eau de séparation et la vapeur épurée de la zone axiale dudit cyclone, est stabilisée en position. Il en résulte dans ce cyclone axial des conditions d'ecou-15 lement définies en sorte que l'eau déjà séparée ne risque plus d'être entraînée par la vapeur épurée. Des dispositifs stabilisateurs 21 correspondants sont placés selon le même principe dans les cylones à contre-flux 7. Ils sont constitués par un corps 21 en forme de coupelle ouvert 20 vers le haut et disposés coaxialement dans la partie inférieure desdits cyclones à contre-flux 7. La trombe 22 s'établissant dans ces derniers se trouve ainsi stabilisée elle aussi et son pied ne risque plus de se déplacer de façon désordonnée transversalement au cyclone. Ces corps stabilisateurs 21 empêchent particulièrement tout 25 entraînement de la gaine axiale de vapeur par l'eau d'écoulement, si bien que l'on n'enregistre pas de pertes de vapeur déjà séparée. Il est en outre bon pour le réglage des différences de pression requises dans les divers séparateurs d'insérer un diaphragme 24 dans 1'entrée de mélange 25 du séparateur à tourbillon 11, 30 La figure 2 représente un exemple de réalisation analo gue, car irn cyclone axial 3 suivi d'un séparateur à tourbillon 11 y est égalemaat placé au-dessus du faisceau 2 de tubes en U. Mais les cyclones à contre-flux 7 dans lesquels on procède à un nouveau traitement de l'eau séparée par le cyclone axial 3 ont leur entrée 35 supérieure 9 à l'intérieur du tube de tourbillonnement 4 du cyclone axial 3. Cette forme de construction permet de réduire le diamètre supérieur du générateur de vapeur 1 comme le fait nettement ressortir la comparaison avec le volume de construction initial indiqué par la ligne en trait mixte 26, 71 37357 2111714 Dans ce second exemple, la conduite d'évacuation d'eau 18 du séparateur à tourbillon 11 et la sortie d'eau 27 des cyclones à contre-flux 7 aboutissent à une même chambre 28, d'où l'eau fait retour à la région inférieure du faisceau 2 des tubes en U. 5 Les divers séparateurs centrifuges comportent eux aussi les dispositifs de stabilisation ccniàstant en un creux concave 20 du corps profilé 6 pour le cyclone axial 3 et des plaques en forme de coupelles 21 pour les cyclones à contre-flux 7. La combinaison ci-dessus décrite de séparateurs centri— 10 fuges classiques et l'insertion dans ceux-ci de corps stabilisateurs appropriés améliorant leur rendement permettent d'obtenir au moyen de ces seuls séparateurs centrifuges une vapeur suffisamment sèche pour que les séparateurs de précision précédemment nécessaires deviennent inutiles. Il résulte de leur suppression un plus faible 15 encombrement des générateurs de vapeur, aussi bien en hauteur qu'en, largeur, d'où une diminution considérable de leur prix. 71 37357 6 2111714 REVENDICATIONS 1. Dispositif de séchage de la vapeur par utilisation de séparateurs centrifuges dans des générateurs de vapeur de centrales nucléaires caractérisé par le fait qu'il comporte, d'une part, eon-5 centriquement à un cyclone à entrée axiale placé au-dessus du générateur de vapeur et parcouru de bas en haut, plusieurs cyclones, à contre-flux parcourus de haut en bas dans lesquels arrive l'eau séparée par le cyclone axial et qui sont munis d'aubades directeurs d'entrée en disposition concentrique par rapport à leur tube plon-10 geur et, d'autre part, concentriquement aussi au cyclone axial mais au-dessus de lui, un séparateur à tourbillon avec une entrée axiale inférieure pour la vapeur venant dudit cyclone axial et une entrée supérieure, coaxiale au manchon de sortie de la vapeur sèche, pour la vapeur venant des cyclones à contre-flux, laquelle sert de 15 gaz auxiliaire audit séparateur. 2„ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les cyclones à contre-flux sont disposés, à l'extérieur du tube de tourbillonnement du cyclone axial, en sorte que leurs entrées soient à un niveau voisin de celui de l'extrémité supérieu-20 re dudit tube. 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que les sorties d'eau du séparateur à tourbillon débouchent dans la région inférieure des cyclones à contre-flux. 25 4. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les cyclones à contre-flux et leurs entrées sont disposés à l'intérieur du tube de tourbillonnement du cylone axial, dans la zone extérieure de celui-ci. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par 30 le fait que les sorties d'eau des cyclones à contre-flux et du séparateur à tourbillon aboutissent à un môme conduit d1 évacuation# 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1,2 ou 4 caractérisé par le fait que les tubes plongeurs des cyclones à contre-flux sont reliés à l'entrée supérieure d« gaz auxi-35 liaire du séparateur à tourbillon. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé par le fait qu'un diaphragme est inséré dans l'entrée inférieure du séparateur à tourbillon, 8. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par 40 le fait que dans le cyclone axial, le corps profilé central entouré 71 37357 7 2111714 par les aubages directeurs de mise en mouvement hélicoïdal présente sur sa face supérieure un creux approximativement concave, 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1,2 ou 4 caractérisé par le fait que dans la région inférieure des 5 cyclones à contreflux sont disposés des corps coaxiaux en forme de coupelles ouverts vers le haut en vue de stabiliser les trombes s'établissant dans lesdits cyclones.