Brevet FR2262271A1 — publié le 19750919

La présente invention concerne un procédé de réfri gération de la vapeur provenant d'une turbine, notamment une turbine associée à un réacteur nucléaire de forte puissance. Selon l'invention, on utilise un circuit de mélange biphasique, circuit fermé allant du condenseur de la turbine à une tour de réfrigération. Le procédé de réfrigération selon l'invention permet, notamment d'utiliser, comme agent moteur des fluides caloporteurs dans le circuit fermé et la tour de réfrigération, la convection naturelle due aux gradients de température L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. On appelle échangeur tout appareil construit et utilisé en vue de transmettre la chaleur d'un corps à un autre, le plus souvent d'un fluide à un autre fluide. On sait que l'élimination de la chaleur provenant des condenseurs des turbines à réacteur nucléaire est un problème important qu'il s'agit de résoudre en tenant compte de divers impératifs tant économiques, qu'acoustiques et esthétiques. Comme il est nécessaire de refroidir les vapeurs sortant de la turbine pour les condenser, on utilise à cette fin un échangeur de chaleur. On sait que l'on peut extraire de la chaleur du fluide faisant mouvoir une turbine par un certain nombre de procédés mettant en jeu des échangeurs de chaleur de différents types. Un procédé, appelé dans l'art antérieur "procédé direct", consiste à envoyer la vapeur de la turbine dans des aérocondenseurs, c 'est-à-dire des échangeurs de chaleur refroidis par des gaz qui condensent la vapeur sortant de la turbine. Ce procédé, s'il est économique, présente de graves inconvénients par le volume important occupé par la vapeur, ce qui semble limiter ce procédé à des centrales de petites puissances.Un autre inconvénient est que le dispositif doit être d'une étan chéité absolue pour éviter toute entrée d'air vers la turbine, entrée qui entrainerait une diminution du rendement de la centrale et, à la limite, une disponibilité diminuée. On peut éviter ces rentrées d'air par des constructions modulai res avec des vannes d'isolement, mais ces précautions grèvent le coût du dispositif. I1 existe, dans l'art antérieur, d'autres procédés dans lesquels on fait circuler un fluide intermédiaire pour extraire la chaleur de la vapeur sortant de la turbine. Dans un de ces procédés, dits indirects, la chaleur se transmet au moyen d'un condenseur à mélange dans lequel on pulvérise de l'eau froide dans la vapeur du condenseur. Ce procédé par mélange a l'avantage de diminuer l'écart nécessaire de température entre les fluides; par contre, il nécessite une eau de même qualité que celle de la chaudière et des débits énormes de liquide à pomper, ce qui fait que le rendement énergétique de ce procédé est faible, ce qui diminue grandement son intérêt économique. Dans un autre procédé, la chaleur se transmet par l'intermédiaire d'un condenseur à surface d'échange, comprenant des tubulures dans lesquelles on fait circuler un fluide plus froid que la vapeur sortant des turbines. Ce fluide caloporteur évacue la chaleur de la vapeur sortant de la turbine. Le fluide circulant dans les tubulures est alors refroidi dans une tour de réfrigération séparée. Dans le procédé présenté par Carlo ROMA (An advanced dry cooling system for water from large power station 0 350 American Power conference 8.5.1973 Chicago), on fait circuler de l'eau dans des conduits reliant une tour de réfrigération au condenseur d'une turbine.Ce procédé a toutefois l'inconvénient de nécessiter des puissances de pompage élevées pour faire circuler l'eau dans les conduits reliant la tour de réfrigération au condenseur de la turbine. Il est, d'autre part, nécessaire de faire circuler le fluide réfrigérant extérieur dans la tour de réfrigération, afin de refroidir le fluide caloporteur contenu dans les conduits. En ce qui concerne le fluide extérieur, clest-a-dire le fluide servant à refroidir le fluide caloporteur dans la tour de réfrigération, on utilise maintenant de préférence des tours de réfrigération gazeuses pour éviter les pollutions thermiques liées a l'échauffement de l'eau des lacs ou des rivières qui ont été utilisés pour le refroidissement des centrales thermiques, dans les dispositifs a réfrigération liquide.Les tours de réfrigération par voie sèche peuvent, soit fonctionner par convection naturelle (et il est alors nécessaire que la perte de charge due à l'imbrication des conduits dans lesquels circule le fluide chaud soit-aussi réduite que possible), soit utiliser des ventilateurs dont la nuisance acoustique est importante et la dépense d'énergie associée fort coûteuse. Lorsqu'on utilise des tours de réfrigération a convection forcée ou les gaz sont aspirés par des ventilateurs, on augmente la surface d'échange des conduits dans lesquels circule le fluide caloporteur à réfrigérer par l'utilisation d'ailettes, qui favorisent les échanges thermiques mais qui augmentent les pertes de charge. La présente invention a pour objet un procédé de réfrigération de la vapeur provenant d'une turbine, selon lequel on fait circuler, en circuit fermé, un fluide F a l'état de mélange biphasique (vapeur et liquide de condensation) dans des conduits passant, à travers un condenseur associé a la turbine, dans lequel le fluide F (contenu dans lesdits conduits) se vaporise par échange thermique avec la vapeur chaude du condenseur, et -à travers une tour de réfrigération où le fluide F se condense par échange thermique avec un fluide de refroidissement. Selon l'invention, on choisit le fluide F et la pression dans les conduits, de façon à ce que le fluide F soit gazeux a la température de la vapeur du condenseur de la turbine et liquide à la température d'entrée du fluide de refroidissement de la tour de réfrigération. A la différence du projet Carlo ROMA mentionné précédemment, dans lequel le fluide de refroidissement F était monophasique (eau), il est avantageux d'opérer avec un fluide dont la température d'ébullition est voisine de la température des gaz à la sortie de la turbine. En effet, les enthalpies de vaporisation (chaleur latente de vaporisation à pression constante) sont importantes, ce qui permet, sous un volume faible de fluide, d'éliminer de grosses quantités de chaleur. De plus, les échanges de chaleur, entre la vapeur-sortant de la turbine et le fluide caloporteur, se font à température du fluide caloporteur F approximativement constante, de l'ordre de la temperature d'ébullition du fluide F. Cette constance de la température du fluide F fixe les gradients thermiques et augmente la vitesse de transfert thermique. On choisit le fluide F pour que sa température de liquéfaction soit supérieure à la eaQpérature des gaz à l'entrée de la tour de réfrigération (ctest- -dire, généralement la température ambiante). La même propriété d'échange de chaleur à température constante du fluide F est réalisée dans la tour de réfrigération puisque la vapeur, formée dans les conduits se liquéfie à la température de liquéfaction du fluide F. Selon différents modes de réalisation de-l'invention, on choisit comme fluide F tout fluide-pour lequel la pression de saturation est voisine de quelques bars pour une fourchette de température entre 20 et 1000C soit par exemple, l'alcool, l'ammoniac ou les fréons. Le fréon 21 a une température de liquéfaction de 300C,. sous une pression de 2 bars. L'ammoniac a-une température de liquéfaction de 300C, sous une pression-de 7 bars. L'utilisation d'un mélange biphaslque-de tels gaz offre de nombreux avantages. D'une part, on utilise des fluides caloporteurs de haute densité; ce qui fait qu'on élimine une quantité de chaleur importante sous des faibles volumes, ce qui restreint la grandeur des appareillages, tubulures et surfaces d'echange, ainsi que les inconvénients esthétiques liés à des échangeurs de trop grands volumes. D'autre part, lors de l'ebulli- tion, tout comme lors de la liquéfaction, une importante turbulence existe dans les conduits canalisant le fluide F; cette-turbu- lence favorise les échanges thermiques entre les diverses. parties du fluide situé dans les conduits, et par là même l'évacuation de la chaleur. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, on laisse circuler, par convection naturelle, le fluide F dans le circuit fermé de conduits. En opérant en biphasique, ie phénomène de convection naturelle liquide-vapeur est- très effet cace pour faire circuler à une vitesse notable le fluide F dans les conduits reliant en circuit fermé la tour de réfrigération au condenseur de la turbine. On réalise ainsi une importante économie de pompage par rapport au procédé Carlo ROMA, dans lequel on utilise nécessairement des pompes pour faire circuler le liquide caloporteur (eau). Toutefois, si l'on désire des vitesses de circulation accrues, il est possible, selon une variante de l'invention, d'utiliser des pompes pour faire circuler le mélange biphasique entre la tour de réfrigération et le condenseur de la turbine. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la tour de réfrigération est à voie sèche, et le fluide de reEroi- dissement de la tour est de l'air qui circule entre les conduits contenant le fluide F, soit par convection naturelle, soit par convection forcée. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, comprenant des conduits contenant le fluide F, lesdits conduits étant constitués de surfaces en regard parallèles, réunies par deux surfaces courbes de façon à définir des conduits cylindriques de section droite allongée, les parois des conduits étant constituées par un matériau de faible épaisseur, et ces conduits étant disposés selon des faisceaux de structures régulières dans le condenseur de la turbine ét la base de la tour de réfrigération. Les conduits dans lesquels circule le fluide F, et à travers lesquels circulent la vapeur de la turbine et l'air de la tour de réfrigération, sont de sections relativement larges pour que les pertes de charge associées soient faibles; de cette façon une libre circulation des fluides par convection naturelle est aise. Selon un mode de réalisation préférentiel de ltinventicn, les parois constituant les conduits sont des matériaux plastiques de faible épaisseur. Ces matériaux plastiques sont moins coûteux que les métaux de faible épaisseur utilisés dans une variante de l'invention pour constituer les parois des conduits. Selon un mode de réalisation de l'invention, le matériau à l'intérieur des conduits est fritté, ce qui a pour effet d'améliorer la tenue mécanique des conduits et de favoriser les échanges thermiques, l'ébullition et la liquéfaction du fluide dans les conduits Selon l'invention, dans le cas ou le fluide caloporteur circulant dans les conduits est sous pression il est important, notamment lorsque le matériau constituant les parois des conduits est un matériau plastique en feuille mince, de rigidifier les conduits pour éviter leur explosion ou leur déchirement. Dans un mode de réalisation de l'invention, les surfaces parallèles constituant un conduit de plastique sont soudées en différents points, lesdits points constituant un réseau régulier, ce qui a pour effet d'améliorer la rigidité mécanique du conduit. Dans un mode de réalisation de l'invention, les conduits sont munis d'une armature interne, ce qui augmente aussi leur rigidité. Selon un mode de réalisation préférentiel'de-î'invention,, les parois opposées de deux conduits adjacents sont séparées par une entretoise rigide fixée à ces deux parois, ce qui a pour effet d'améliorer la tenue mécanique de l'ensemble, ainsi que les échanges thermiques entre les conduits et le flùlde extérieur. - En effet, on sait qu'une partie notable de la chaleur, n'est pas éliminée par convection, mais par rayonnement de la partie externe de la surface des conduits canalisant le fluide caloporteur F. L'entretoise située entre deux parois-de conduit est soumise à l'action du rayonnement émis par les-deux surfaces des conduits, rayonnement qu'elle absorbe et retransmet par conduction et convection au gaz circulant dans la tour de réfrigération.Ces entretoises ont l'avantage supplémentaire d'augmenter la rigidité mécanique de l-'ensemble, en maintenant les parois de tubes adjacents à une distance fixe, ce qui évite leur flambement sous l'influence de la pression interne du fluide F. Selon une variante de l'invention, les conduits sont partiellement remplis d'un matériau léger et poreux. I1 est parfois nécessaire, pour des raisons de sécurité,de réduire l'espace délimité par les conduits dans lesquels circule le fluide caloporteur F. Cette limitation du volume a pour but, lors d'un arrêt de l'appareil, de restreindre l'espace occupe par 1 Seau de condensation, afin de ne pas trop surcharger lesdits conduits.L'introduction d'un matériau léger et poreux, sous forme de billes de faible densité, par exemple en matériau plastique expansé, diminue le volume à I'intérieur des conduits; la limitation du volume des conduits est surtout nécessaire pour ceux qui sont placés à un endroit délicat du dispositif, c'est-à-dire les parties basses où l'eau peut s'accumuler en cas de panne du dispositif. Selon un mode de réalisation de l'invention, les conduits sont constitués de feuilles de plastique moulées et ondulées, deux feuilles quelconques étant jointives selon des lignes correspondant au maximum d'amplitude d'ondulation des feuilles. Deux plaques ainsi accolées définissent des conduits. dans lesquels circulent respectivement le fluide caloporteur F et le fluide associé qui échange de la chaleur avec le mélange biphasique de fluide F. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux après la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif en référence aux figures annexées sur lesquelles on a représenté: - sur la figure 1, un schéma d'un système de réfrigération de la vapeur d'une turbine selon l'lnvention, - sur la figure 2, une vue en coupe d'un conduit dans lequel circule le fluide caloporteur F, - sur la figure 3, un schéma d'association de conduits, - sur la figure 4, un conduit munit d'une armature interne, - sur la figure 5, un conduit dont deux surfaces en regard sont soudées suivant un réseau de points, - sur la figure 6, deux conduits contenant le fluide caloporteur et reliés entre eux par une entretoise rigide, - sur la figure 7, un conduit partiellement rempli de billes faites d'un matériau léger. Sur la figure 1, on a représenté une turbine 2 envoyant de la vapeur dans un condenseur 4 parcouru par une série de conduits tels que 6. Le circuit fermé 8 du fluide réfrigérant relie les conduits tels que 6 du condenseur aux conduits tels que 9, placé dans la tour de réfrigération. Dans la tour de réfrigération à voie sèche, représéntée sur la figure, l'air est aspiré selon la flèche 12 et circule entre les conduits tels que 9. L'air circulant entre les conduits peut être mû par convection naturelle, ou selon une variante de l'invention, par convection forcée créée par un ventilateur 14. Comme on l'a déjà indiqué, le fluide F contenu dans les conduits tels que 6 et 9, reliés par la tubulure 8, peut, soit circuler par convection naturelle, soit, éventuellement pour améliorer la rapidité du transfert thermique, circuler sous l'action d'une pompe auxiliaire représentée en 16. La vapeur sortant de la turbine est injectée dans le condenseur selon la flèche 18, et cette vapeur se liquéfie au contact des conduits tels que 6 contenant le mélange biphasique de fluide F. En présence de la vapeur chaude, une fraction de la partie liquide du fluide F se vaporise.Dans la tour de réfrigération 10 le mélange biphasique contenant la vapeur du fluide F circule dans les conduits tels que 9 ol elle est refroidie par l'air circulant selon la flèche 12. Le liquide formé par condensation est alors renvoyé dans les tubulures telles que 6 du condenseur. Sur la figure 2, on a représenté une vue en coupe 20 d'un conduit selon l'invention. La partie liquide du fluide F qui circule à l'intérieur du conduit 20 est recueillie en bas du conduit 20, en 22. Le fluide F se déplace dans le conduit selon la flèche 24, alors que le fluide échangeant de la chaleur, soit la vapeur de la turbine, soit l'air de la tour de réfrigération, circule perpendiculairement selon la flèche 26. Sur la figure 3, on a représenté un mode de réalisation de l'invention dans lequel les conduits sont formés par des séries de plaques telles que 28 et 30 présentant des ondulations. Deux plaques sont soudées suivant les lignes telles que 32 correspondant au pointd'amplitude maximum de ces ondulations. La circulation du fluide F se fait dans les conduits tels que 34 et 36 alors que, soit la vapeur de la turbine, soit l'air de la tour de réfrigération circule dans les conduits tels que 38 ou 40 Dans ce cas, l'échange de chaleur se fait par circulations de fluides parallèles. Sur la figure 4, on a représenté un conduit 42 de plastique par exemple, rigidifié par une armature interne 44. Sur la figure 5, on a représenté un conduit 46, rigidifié par soudage d'un réseau de points tels que 48 sur deux faces en regard du conduit 46. Sur la figure 6, on a représenté un mode de- réalisation préférentiel de l'invention, dans lequel deux conduits tels que 50 et 52 sont reliés mécaniquement par l'entretoise 54 qui, comme on lta déjà indiqué, a pour double rôle d'augmenter les échanges de chaleur par rayonnement, entre les portions en regard des surfaces des conduits et le fluide de réfrigération, et de rigidifier les structures des conduits. Sur la figure 7, on a représenté une tubulure 55 remplie de billes 56, faites d'un matériau poreux de faible densité. Ces billes ont pour rôle de limiter le volume occupable par le fluide à ltintérieur du conduit tel que 54. La présente invention utilisant un procédé par réfrigération sèche et une circulation naturelle d'un mélange biphasique, présente d'importants avantages économiques dûs à l'absence possible de puissance de pompage et de soufflage, à un gain de transfert global par fonctionnement à fluide interne isotherme, et à l'utilisation de l'écoulement longitudinal le long de simples plaques formant les conduits évitant la construction de tours de tirage, ceci sur une superficie réduite. REVENDICATIONS 1. Procédé de réfrigération de la vapeur provenant d'une turbine, notamment une turbine associée à un réacteur nucléaire de forte puissance, caractérisé en ce qu'on fait circuler en circuit fermé un fluide F à l'état de mélange biphasique (vapeur et liquide de condensation) dans des conduits passant, à travers un condenseur associé à la turbine dans lequel le fluide F, contenu dans lesdits conduits, se vaporise par échange thermique avec la vapeur chaude du condenseur, et à travers une tour de réfrigération où le fluide F se condense par échange thermique avec un fluide de refroidissement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on choisit le fluide F parmi le groupe des fluides pour lesquels la pression de saturation est de l'ordre de quelques bars pour des températures de 200C à 1000C comprenant l'alcool, l'ammoniac et les fréons. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on laisse circuler par convection naturelle le fluide F dans le circuit fermé de conduits. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on fait circuler le fluide F dans le circuit fermé de conduits par convection forcée, sous l'action d'une pompe. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la tour de réfrigération est à voie sèche, le fluide de refroidissement étant de l'air circulant entre les conduits contenant le fluide F. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on laisse circuler par convection naturelle l'air chauffé dans la tour de réfrigération. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on fait circuler par convection forcée l'air chauffé dans la tour de réfrigération, sous l'action d'un ventilateur. 8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des conduits contenant le fluide F, constitués de dèux surfaces en regard parallèles, réunies par deux surfaces courbes de façon à définir des conduits cylindriques de sections droites allongées, les parois des conduits étant constituées par un matériau de faible épaisseur, ces conduits étant disposés selon des faisceaux réguliers dans le condenseur de la turbine et la tour de réfrigération 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau formant les parois des conduits est un matériau plastique de faible épaisseur. 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau formant les parois des conduits est un métal de faible épaisseur. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le matériau à l'intérieur des conduits est poreux, ce qui a pour effet d'améliorer la tenue mécanique du conduit et de favoriser les échanges thermiques. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que les deux surfaces en regard parallèles constituant un conduit sont soudées en différents points, lesdits points constituant un réseau régulier, ce qui a pour effet d'améliorer la rigidité mécanique du conduit. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 et 11, caractérisé en ce que les conduits sont munls d'armatures internes rigides, ce qui a pour effet d'augmenter la rigidité desdits conduits. 14 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que les parois opposées de deux conduits adjacents sont séparés par une entretoise rigide fixée aux deux parois, ce qui a pour effet d'améliorer la tenue mécanique de l'ensemble ainsi que les échanges thermiques entre les conduits et le fluide extérieur. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, caractérisé en ce que les conduits sont partiellement remplis d'un matériau léger et poreux 16. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisé en ce que les conduits sont constitués de feuilles de plastique, moulées et ondulées, deux feuilles quelconques étant jointives selon des droites correspondant au maximum d'amplitude de l'ondulation de la feuille.