Brevet FR2247691A1 — publié le 19750509

La présente invention concerne les appareils qui servent à assurer un échange thermique de surface entre deux fluides, et dans lesquels le fluide chaud est une vapeur, qui cède sa chaleur de vaporisation au fluide froid, et qui se condense par conséquent au cours de cet échange thermique. L'invention se rapporte plus partieulierement aux appareils de ce type dans lesquels le fluide froid est de la vapeur sortant d'un étage haute pression d'une turbine de centrale thermiQue de génération d'énergie, et que 1 'on resurchauffe avant de l'envoyer à l'étage basse pression, en utilisant comme fluide chaud de la vapeur à pression relativement plus élevée, provenant du générateur de vapeur de l'installation ou d'un soutirage à la turbine haute pression. Dans leur application aux centrales thermiques, ces appareils sont-utilisés notamment par les centrales nucléaires à eau légère, qui emploient un réacteur du type couramment dénommé PWR ou BWA, selon qu'il s'agit d'un réacteur à eau pressurisée ou à eau bouillante. Dans ce cas, la vapeur détendue contient une certaine proportion d'eau et doit subir une opération de séchage avant resurchauffe. Ces deux opérations de séchage et de surchauffe se font généralement dans un seul et même appareil, un sécheur-resurchauffeur, dont la partie resurchauffeur comporte un ou plusieurs faisceaux de tubes en U, ou en épingle à cheveux, dont les deux branches sont reliées par une partie coudée en demi-cercle, les diamètres de cintrage décroissant progressivement d'un tube à un tube voisin pour leur permettre de s'insérer les uns dans les autres. Les deux branches de chaque tube sont soudées à une plaque tubulaire et débouchent à travers celle-ci, l'une sur une chambre d'admission de fluide chaud, vapeur vive, et l'autre sur une chambre de sortie de ce même fluide, condensé en partie ou totalement. Quant au fluide froid, vapeur à resurchauffer, dont la pression est relativement faible, il représente un débit important, auquel il est nécessaire d'offrir une large section de passage dans l'échangeur. Par conséquent, on fait circuler la vapeur à resurchauffer transversalement par rapport aux tubes en U, dont ils balayent la face extérieure sur toute leur longueur. On réalise ainsi un échange de chaleur du type à circulation croisée, la vapeur à resurchauffer traversant généralement le faisceau de tubes horizontaux, ou légèrement inclinés vers la plaque tubulaire, de bas en haut, ce qui fait que les nappes de tubes-inférieures sont en contact, par leurs faces extérieures, avec un fluide plus froid que dans le cas des nappes de tubes supérieures, la température du fluide de balayage extérieur augmentant graduellement de bas en haut du faisceau de tubes. Il résulte de ce mode de circulation de la vapeur basse pression dans les appareils connus que les divers tubes en U, ou en épingle à cheveux, constituant le faisceau, ont des charges thermiques différentes. On montre que cette charge croit à partir des épingles du centre, vers les épingles extérieures.Comme les épingles sont toutes alimentées par une même chambre d'admission, et s'évacuent toutes dans une même chambre de sortie, elles fonctionnent toutes sous la même différence de pression, de sorte que le débit de vapeur dans chacune d'elles est imposé par la perte de charge le long du tube, et ne peut s'ajuster en fonction de sa propre charge thermique. Tl peut en résulter, pour les tubes les plus chargés : soit un engorgement du tube, dont une partie de la branche inférieure peut être noyée par le condensat, et se refroidir sur la longueur noyée, de manière à causer des problèmes de dilatation thermique entre les deux branches ; soit une entrée de vapeur par l'orifice de sortie du tube, avec reflux du condensat, ce aui constitue une source d'instabilité de débit avec cyclages thermiques, ou variations cycliques de température dans le tube. -Ces deux types d'incidents affectant la circulation du condensat créent, dans les tubes, des contraintes supplémentaires susceptibles de provoquer des dégâts à plus ou moins brève échéance. On a proposé d'éviter ces risques en faisant circuler dans les tubes un débit de vapeur supérieur à celui qui peut s'y condenser, de manière à y créer une ventilation par vapeur, la vapeur excédentaire étant dirigée vers un lieu d'utilisation de la centrale à plus basse pression. Ce surdébit de vapeur, établi en fonction des déséquilibres thermiques anticipés dans les épingles extrêmes mais alimentant uniformément tous les tubes du faisceau, peut atteindre une valeur importante, et entraîner une baisse de rendement appréciable de l'installation. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients exposés ci-dessus, de manière plus rationnelle et plus économique, et, propose, dans ce but, un procédé d'échange thermique de surface entre un fluide chaud, aui circule à l'intérieur d'au moins un faisceau de tubes ou conduits parallèles en s'y conden sant et cédant sa chaleur de vaporisation à un fluide froid aui circule à courants croisés par rapport au fluide chaud, à travers le faisceau, en en balayant les surfaces extérieures de conduits, procédé selon lequel on répartit les conduits en plusieurs groupes, les conduits de 11un de ces groupes au moins ayant des charges thermiques égales ou voisines les unes des autres, et on fait circuler le fluide chaud en série à travers les groupes ainsi constitués, en terminant par le groupe dans lequel les conduits ont une charge thermique sensiblement égale. Dans un tel-procédé, le débit de fluide chaud non condensé sortant d'un groupe de conduits donné constitue le débit d'entrée du groupe de conduits suivant. L'invention s'applique particulièrement au cas des faisceaux composés de tubes en U, ou en épingle à cheveux, disposés suivant plusieurs plans parallèles, les tubes situés dans un même plan étant nichés les uns dans les autres dans Tordre décroissant de leurs largeurs ou diamètres de cintrage, et le fluide froid circulant suivant une direction transversale, parallèle aux plans ainsi définis.Dans ce cas, les groupes sont formés d'après la distance des tubes au plan médian du faisceau intersectant les coudes, et le procédé de l'invention consiste à former au moins un groupe de tubes en U intérieurs et un groupe de tubes en U extérieurs, celuici étant alimenté en premier lieu parle fluide chaud L'invention porte, en outre, sur diverses caractéristioues de construction d'appareils, ayant pour but de faciliter la mise en oeuvre du procédé proposé, et portant, en particulier, sur des cloisonnements pour former les chambres d'entrée et de sortie des divers groupes, sur des organes de purge de condensat, sur la ventilation par vapeur des tubes du faisceau. Tes objets, caractéristieues et avantages de l'invention ressortiront, par ailleurs, de la description que l'on va en faire ci-après, en référence aux dessins schématiques annexés dont la figure I représente un sécheur-resurchauffeur de type connu la figure 9 représente, à titre d'exemple non limitatif, un sécheur-resurchauffeur aménagé conformément à l'invention. La figure 1 représente un sécheur-resurchauffeur pour centrale thermioue nucléaire, du genre décrit, par exemple, dans le brevet français NO 70 43.999 du 2-12-1970 pour "Perfectionnements aux appareils de séchage et surchauffage de vapeur" au nom de la présente Demanderesse. Cet appareil comporte une enveloppe E, horizontalement allongée, qui renferme, sur toute sa longueur, un dispositif de séchage S, surmonté d'un resurchauffeur R.3 de vapeur sèche, composé d'un ou plusieurs faisceaux de tubes en U, désignés par l'indice T.Chaque tube en U est recourbé en épingle suivant un plan vertical, les coudes 2 de tous les tubes se trouvant disposés à une même extrémité axiale du faisceau (à droite sur la vue de la figure 1), et leurs branches 1 étant horizontales ou légèrement inclinées vers le bas, en allant de droite à gauche. Les tubes T sont ainsi disposés suivant plusieurs plans verticaux parallèles, d'après une disposition connue et décrite dans le brevet précité, et les tubes situés dans un même plan vertical sont nichés les uns dans les autres, dans l'ordre décrois aant de leur largeur entre branches 1, ou du diamètre de leur partie coudée 2. Du côté opposé aux coudes 2, les branches 1 sont soudées, Dar leurs extrémités, à une plaque tubulaire 3, pour déboucher dans un espace que délimite cette plaaue tubulaire 3 avec une virole 4 munie d'un fond bombé 5. Une cloison 6 divise cet espace en deux chambres supérieure et inférieure 7 et 8, avec lesquelles communiquent respectivement les deux branches supérieure et inférieure de chaque tube T. La chambre 7 est munie, à sa-paroi supérieure, d'une tubulure 9 d'entrée de vapeur. Un pot de purge VC, servant à assurer la vidange de condensat de fluide chaud mis en oeuvre dans le sécheur-resurchauffeur, a une enveloppe composée d'une partie cylindrique 10 à axe vertical, d'un dôme supérieur 11 et d'un fond bombé 12. Un tuyau 13 assure la liaison entre la chambre 8 et la partie supérieure du pot de Durge VC, en se raccordant, d'une part au dôme 11 et, d'autre part, à la partie supérieure de la chambre 8. En outre, une tuyauterie 14, raccordée d'une part avec la paroi inférieure de la chambre 8 et, d'autre part,avec la paroi cylindrique 10, assure la communication entre la chambre 8 et la partie inférieure du pot de purge VC. Le fond bombé 12 du pot de purge a une tubulure d'évacuation 15, commandée par une vanne 16, elle-même commandée par un capteur de niveau 17 du pot de purge. La chambre 8 présente de plus une tubulure de ventilation 18, associée au fond bombé 5. En fonctionnement, la vapeur d'échappement de lSétage haute pression du groupe de turbines de l'installation est admise à la partie inférieure de l'enveloppe E et en sort à la partie haute, après avoir traversé successivement le sécheur 5, qui retient la plus grande partie de son eau en phase liquide, et le faisceau resurchauffeur RS, dans lequel elle se réchauffe par échange thermique à circulation croisée avec de la vapeur haute pression (prélevée au générateur de vapeur, par exemple, ou à un soutirage haute pression de la turbine) qui, admise dans la chambre 7 par la tubulure 9, circule successivement dans les branches supérieures, les tronçons coudéslet les branches inférieures des tubes T, en s'y eondensant, du moins en partie, et débouche en phase mixte dans la chambre 8, la phase liquide arrivant aupot de purge par la tuyauterie 14 et la phase vapeur stéchacpant par la tubulure 18. La tuyauterie 13 assure l'équilibre de pression entre la chambre 8 et le pot de purge, le niveau de séparation de phases dns le Dot de purge étant maintenu constant, du fait que la vanne 16 de sortie de condensat est commandée par le capteur de niveau 17. Ainsi qu'on l'a dit en préambule, les tubes en U ont des charges thermiques d'autant plus fortes qu'ils s'éloignent plus du plan horizontal médian M du faisceau, mais sont tous soumis cependant à des conditions d'alimentation égales, ou à peu près, en fluide chaud. A moins de prévoir un surdébit important en fluide chaud, établi en fonction des tubes les plus chargés thermiquement, ceux-ci sont exposés aux risques d'engorgement, aux branches inférieures 1, ou de reflux de vapeur en provenance de la chambre 8. Ces risques s'accentuent lors d'une montée rapide en puissance de la centrale, car celle-ci a pour effet presque immédiat une baisse de pression encore plus marquée dans les tubes les plus chargés, la pression de la chambre 8 pouvant alors, d'autant plus aisément, Entre supérieure, du moins transitoirement, à celle qui règne dans ces tubes extérieurs du faisceau, et provoquer ainsi les reflux de vapeur et instabilités de circulation et troubles de circulation du condensat, signalés ci-dessus. La figure 2 représente schématiquement un séeheur-resurchauffeur analogue à celui de la figure 1, mais aménagé suivant 1 'inven- tion. On retrouvera sur la figure 2 des éléments identiques ou analogues à ceux de la figure 1, désignés par les mêmes numéros d'indice, affectés,le cas échéant, de la lettre a ou b, en cas de dédoublement. Sur la figure 2, les tubes T du faisceau resurchauffeur sont répartis en deux groupes, les tubes extérieurs formant le groupe marqué a, et les tubes intérieurs le groupe b. Dans l'ensemble, les charges thermiques individuelles sont inférieures dans les tubes du groupe b que dans ceux du groupe a. nanas l'espace délimité par la plaque tubulaire X, la virole 4 et le fond bombé 5, la cloison 6 de la figure 1 est remplacée, dans le mode de réalisation de la figure 2, par un cloisonnement plus complexe, non désigné, et oui sert à former quatre chambres, à savoir : une chambre 7a, munie de la tubulure d'entrée de fluide chaud (vapeur haute pression ou vapeur vive), et alimentant en fluide chaud les tubes du groupe a, à charges thermiques individuelles élevées et sensiblement différentes les unes des autres, puis une chambre 8a qui reçoit le débit de fluide chaud partiellement condensé sortant du groupe a, une chambre 7B oui, recevant de la chambre 8a la fraction non condensée de ce fluide chaud, en alimente les tubes du groupe b, et enfin une chambre 8b qui reçoit le fluide chauffant sortant de ce dernier groupe en phase mixte. Les phases liquides de fluide chauffant que reçoivent les chambres 8a et 8b sont acheminées vers le pot de purge VC par les conduites respectives 14a et l4b. La phase vapeur de ce même fluide, qui subsiste en fin de circulation, s'évacue par la conduite 18. Fn fonctionnement, la totalité du débit de fluide chauffant est dirigée d'abord vers le groupe a, dans lequel les charges thermiques varient le plus d'un tube à un autre. Ceci permet de fournir aux tubes les plus chargés de ce groupe un débit de fluide chaud au moins égal à celui qui peut s'y condenser, et cela sans avoir àprévoir de surdébit prohibitif pour le débit global ainsi fourni. Dans la chambre de sortie 8a, la partie condensée de fluide chauffant est envoyée au pot de purge, et la phase vapeur restante est dirigée, comme fluide chauffant, dans les tubes, relativement moins chargés thermiauement, du groupe b, situé au centre du faisceau RS. Dans ce groupe, les charges thermiques individuelles varient relativement peu d'un tube à autre, Une répartition correcte de vapeur entre ces tubes se fait sans dispositif particulier, et un débit de ventilation (ou surdébit).très faible par rapport au débit total de fluide chauffant, suffit à assurer aux tubes de ce groupe un fonctionnement correct, à l'abri des risques et incidents de circulation exposés ci-dessus.Il convient, par ailleurs, de signaler à ce propos au'un surdébit de vapeur paraît pratiquement toujours nécessaire, ne serait-ce aue pour extraire les incondensables, oxygène ou air, par exemple. La liaison de vapeur 13 (ou liaison d'équilibrage de pression) entre pot de purge et sortie de fluide chauffant en phase vapeur, se fait avec la chambre de sortie 8a, celle dont la pression est la plus élevée, 1 t éeart entre cette pression et celle qui règne dans la chambre 8b étant égal à la perte de charge subie par le fluide chauffant dans les tubes du groupe b. Le pot de purge VC est installé au-dessous de la chambre 8a, à une altitude telle que la conduite 14b ait la hauteur requise pour recevoir une co lionne de liquide dépassant celle de la conduite 14b de la hauteur 2Sh, correspondant à la différence de pression entre les deux chambres de sortie 8a et 8b. Les avantages que présente l'appareil de la figure 2 par rapport à celui de la figure 1 s'accentuent encore dans le fonctionnement en "prise de charge c 'est-à-dire lors d'une montée rapide en puissance appelée dans la centrale. Cette montée en puis sance se traduit dans le sécheur-resurchauffeur par un débit croissant de fluide froid, ou vapeur basse pression, donc des transferts thermiques plus importants, et une augmentation de fluide chaud condensé dans les tubes. T1 en résulte une baisse de pression dans l'ensemble du réseau de fluide chauffant, qui s' amorce d'abord à l'intérieur des tubes T.Mais, contrairement à ce qui se passe dans l'appareil connu, cette baisse de pression n' entraîne pas de sérieux risques de reflux dans les tubes les plus chargés, ceux du groupe a, à partir de leur chambre de sortie 8a, car cell.e-ci communique avec la chambre d'admission 7b du groupe b ; or, la baisse de pression dans les tubes du groupe a s'accompagne dans les tubes du groupe b d'un phénomène analogue, qui crée un appel de fluide chauffant dans la chambre 7b et provoque une baisse de pression dans la chambre 8a. D'ailleurs, cette dernière reçoit, pendant la montée en puissance, un débit décroissant de phase vapeur. Quant aux risoues de reflux dans les tubes du groupe b, à partir de leur chambre de sortie 8b, ils sont d'autant plus réduits que cette chambre est d'un faible volume et que le débit de ventilation qui lui est fourni y permet une évolution de pression rapide. REVENDICATIONS 1. Procédé d'échange thermique de surface entre un fluide chaud oui circule l'intérieur d'au moins un faisceau de tubes ou conduits parallèles en s'y condensant et cédant sa chaleur de vaporisation à un fluide froid qui circule à courants croisés par rapport au fluide chaud, à travers le faisceau, en en balayant les surfaces extérieures de conduits, procédé selon lequel on répartit les conduits en plusieurs groupes, les conduits d'au moins l'un des groupes ayant des charges thermiques égales ou voisines les unes des autres, et on fait circuler le fluide chaud en série à travers les groupes ainsi constitués, en terminant par l'un des groupes dans lequel les charges thermiques des conduits sont égales ou voisines les unes des autres. 2. Procédé suivant la revendication 1 dans lequel le faisceau est composé de tubes en U disposés suivant plusieurs plans parallèles, les tubes situés dans un même plan étant nichés les uns dans les autres dans l'ordre décroissant de leur largeur ou diamètre de coudage, le fluide froid circulant suivant une direction transversale, parallèle aux plans ainsi définis, la répartition des tubes en plusieurs groupes se faisant de manière à constituer au moins un groupe avec les tubes situés le plus à l'intérieur du faisceau et un groupe avec ceux situés le plus à l'extérieur, ce dernier groupe étant alimenté en premier lieu par le fluide chaud. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2 selon lequel on fournit aux tubes ou conduits les plus chargés du ou des faisceaux un débit de fluide chaud au moins égal à celui qui peut s'y condenser. 4; Procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le débit de fluide chauffant inclut un surdébit suffisant pour assurer la ventilation par phase vapeur du groupe de conduits alimenté en dernier lieu. 5. Echangeur de chaleur pour mise en oeuvre du procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 4 comportant la mise en circulation d'un fluide chauffant à l'intérieur des tubes ou conduits d'un faisceau et celle d'un fluide à chauffer par balayage transversal de surface extérieure du dit faisceau, caractérisé par des moyens pour fournir le débit global de fluide chauffant à une partie des conduits du faisceau, pour recueillir le fluide sortant de cette partie et pour le fournir comme fluide chauffant à la partie restante de conduit du faisceau. 6. Echangeur de chaleur suivant la revendication 5, comportant la répartition de conduits du faisceau en plusieurs groupes, l'aménagement d'une chambre d'admission de fluide chauffant communiquant avec l'entrée d'un de ces groupes, d'une chambre d'évacuation sur laquelle débouche la sortie d'un autre groupe et d'une ou plusieurs chambres intermédiaires entre les groupes ainsi constitués, la ou chaque chambre intermédiaire formant chambre de sortie pour un des groupes et chambre d'admission pour un autre groupe. 7. Echangeur de chaleur suivant la revendication 5 ou 6, comportant un poste de purge commun pour recevoir le condensat de la chambre d'évacuation du fluide chauffant ainsi aue celui de la ou des chambres intermédiaires. 8. Echangeur de chaleur, suivant la revendication 7, dans lequel chaque chambre renfermant du fluide chauffant condensé communique avec le poste de purge par un conduit séparé, le poste de purge étant maintenu en équilibre de pression avec la chambre intermédiaire dans laquelle règne la pression la plus élevée et son altitude par rapport à la chambre d'évacuation permettant l'aménagement entre elle et lui d'un conduit capable de recevoir une colonne de liquide de hauteur au moins égale à celle requise pour équilibrer la différence de pression entre elle et ladite chambre intermédiaire à pression la plus élevée. 9. Echangeur de chaleur suivant une auelconaue des re-endi- cations 5 à 8 dont la chambre d'évacuation a un conduit d'échappement de phase vapeur assurant la ventilation des tubes du faisceau. 10. Application du procédé suivant une auelconaue des revendications 1 à 4 ou de l'appareil suivant une quelconQue des revendications 5 à 9 au resurchauffage de vapeur basse pression par de la vapeur vive dans une centrale thermique, notamment centrale nucléaire de génération d'énergie.