Brevet FR2335792A1 — publié le 19770715

La présente invention concerne un générateur de vapeur d'eau du type à calandre et à serpentin, qui comprend une calandre pour le passage / chaufWrant et un tube ou serpentin qui est disposé à 11 intérieur de cette calandre et dans lequel doit passer un fluide à chauffer, et plus particulièrement un générateur de vapeur d'eau utilisant du sodium liquide comme liquide chauffant, et qui peut être utilisé dans une centrale nucléaire à réacteur sur-régénérateur "rapide". Jusqu'à présent, les générateurs de vapeur de ce type utilisaient un échangeur de chaleur à contre-courant, dans le but d'augmenter le rendement de la régénération de chaleur Les générafeurs de vapeur selon la technique antérieure, utilisant l'échangeur de chaleur à contre-courant,ont un cycle de fluctuation de températures d'amplitude extremement grande résultant des fluctuations dans une position d'assèchement, et également un cycle de fluctuation des contraintes thermiques d'amplitude extrèmement grande. La grande amplitude des fluctuations des contraintes thermiques agit sur un tube de transmission de chaleur, et il en résulte une accumulation de la fatigue de ce tube au bout d'une longue durée d'utilisation, ce qui entralne des dommages pour le tube de transmission de chaleur. La présente invention a donc pour objet de procurer un générateur de vapeur d'eau qui soit affranchi des inconvénients susmentionnés et dont la durée d'utilisation soit prolongée. Pour parvenir à cet objectif, il est procuré, selon la présente invention, un générateur de vapeur d'eau qui comprend une calandre dans laquelle doit passer un fluide chauffant, comme le sodium, et intube ou serpentin qui est disposé à l'intérieur de cette calandre et dans lequel doit passer un fluide à chauffer, par exemple de l'eau, lequel est chauffé par le fluide chauffant, et dans lequel l'échange de chaleur à contre-courant a lieu dans une région d'écoulement à phase unique comportant une région dans laquelle le fluide à chauffer est préchauffé sous la forme d'une phase liquide, et une autre région dans laquelle le fluide à chauffer est surchauffé sous la forme d'une phase gazeuse, tandis qu'un échange de chaleur à écoulement parallèle a lieu dans une région d'écoulement à deux phases dans laquelle le fluide à chauffer s'évapore On va maintenant decrire l'invention en détail en se reportant aux planches de dessins annexées, sur lesquelles la figure 1 est un diagramme donnant la quantité de chaleur transmise (en abscisses) en fonction de la température (en ordonnées, en degrés), dans un générateur de vapeur d'eau à échange de chaleur à contre-courant selon la.technique antérieure la figure 2 est un diagramme similaire pour un générateur de vapeur d'eau selon la présente invention la figure 3 est une vue en coupe schématique d'un générateur de vapeur selon la présente invention la figure 4 est une vue en coupe schématique d'une autre forme de réalisation de la.présente invention ; et la figure 5 est une vue en coupe schématique représentant encore une autre forme de réalisation de la présente invention. On va d'abord décrire un générateur de vapeur d'eau à échange de chaleur à contre-courant selon la technique antérieure, dans lequel le sodium est utilisé comme fluide chauffant, et l'eau est utilisée comme fluide à chauffer. Il est évident d'après la figure 1 que dans le générateur de vapeur d'eau selon la technique antérieure, l'écart maximal de température entre le côté sodium et le côté eau apparaît dans la dernière moitiéde la région d'écoulement à deux phases dans laquelle la température du côté eau est maintenue constante et l'eau s'évapore. Dans cette dernière moitié de la région d'écoulement à deux phases, par conséquent, la quantité de chaleur qui est transmise du côté sodium au côté eau est maximale. Cette dernière moitié de la région d'écoulement à deux phases correspond à une position d'assèchement dans laquelle la caractéristique de transmission de chaleur passe d'une ébullition "en noyaux" à une ébullition "en film".Cette modification de la caractéristique de transmission de chaleur au voisinage de cette position d'assèchement se traduit par une diminition importante du coefficient de transmission de chaleur, qui est réduit à peu près au dixième de sa valeur. Tant que cette position d'assèchement est habituellement maintenue dans une zone fixe, il ne se pose pas de problèmes importants. Mais cette position d'assèchement fluctue sans cesse sous l'influence de différents phénomènes de fluctuation qui existent dans la région d'écoulement à deux phases. Autrement dit, au voisinage de la position d'assèchement il se produit une fluctuation de température telle que lecoeffi-- cient de transmission de chaleur du côté eau présente une variation de l'ordre de 1 à 1/10. Cette fluctuation de tempéra ture entraîne la fluctuation extrèmement importante de la contrainte thermique qui agit sur le tube de transmission de chaleur de manière répétitive sur une longue durée d'utilisation, avec ce résultat que, sur une longue période de marche du générateur de vapeur d'eau, la fatigue due à la fluctuation répétée de la contrainte thermique s'accumule dans le tube de transmission de chaleur, en entraînant des dommages pour ce tube. Sur les diagrammes des figures 1 et 2, PH représente une région de pré-chauffage, EV une région d'évaporation, SH une zone de surchauffage, et DO une position d'assèchement. Avant d'expliquer les différentes formes de réalisation de la présente invention, on va expliciter la manière dont se fait l'échange de chaleur dans le générateur de vapeur d'eau selon -la présente invention, en se reportant à la figure 2. Comme le montre la figure 2, selon la présente invention, il se produit d'une part un échange de chaleur à contre-courant dans une région d'écoulement à phase unique qui comporte une région de pré-chauffage PH pour pré-chauffer un fluide à chauffer, tel que l'eau, et une région de surchauffage SH pour surchauffer le fluide à chauffer, et d'autre part un échange de chaleur à courants parallèles dans une région d'écoulement à deux phases qui comporte une région d'évaporation EV pour produire de la vapeur d'eau. La figure 3 représente une première forme de réalisation d'un générateur de vapeur d'eau vertical selon la présente invention, qui permet les modes précités d'échange de chaleur. Un générateur de vapeur d'eau désigné dans son ensemble par le repère numérique l est un échangeur de chaleur qui comprend trois calandres et trois tubes ou serpentins. Une première calandre située du côté amont par rapport au sens d'écoulement du fluide à chauffer constitue un pré-chauffeur 2, une seconde calandre constitue un évaporateur 3, et une troisième calandre constitue un surchauffeur 4. Le pré-chauffeur 2, l'évaporateur 3 et le surchauffeur 4 comportent un certain nombre de tubes ou serpentins 5A, 5B et 5C de transmission de chaleur (bien qu'un seul tube soit représenté pour plus de simplicité sur les dessins) servant au passage de 11 eau, et des calandres 6A, 6B et 6C servant au passage du sodium. Une canalisation 7 d'alimentation en sodium liquide à température élevée qui constitue le fluide chauffant est reliée à la partie supérieure de la calandre 6C du surchauffeur 4, et une' canalisation 8 de sodium relie entre elles la calandre 6C du surchauffeur 4 et la calandre 6B de l'évaporateur 3 dans leurs parties inférieures pour permettre la communication entre eux, tandis qu'une canalisation 9 dé sodium relie entre elles la calandre 6B de l'évaporateur 3 et la calandre 6A du préchauffeur 2 dans leurs parties supérieures pour permettre la communication entre eux. A la partie inférieure de la calandre 6A est reliée une canalisation 10 de sortie de sodium. Par ailleurs, une canalisation il d'alimentation en eau, l'eau étant le fluide à chauffer, est reliée au tube 5A de transmission de chaleur à son extrémité inférieure, dans le pré-chauffeur 2. Une canalisation 12 de vapeur d'eau relie entre elles ltextremite supérieure du tube 5A de transmission de chaleur dans le pré-chauffeur 2 et l'extrémité inférieure du tube 5B de transmission de chaleur dans l'évaporateur 3, et une canalisation 13 de vapeur d'eau relie entre elles l'extrémité supérieure du tube 5B de transmission de chaleur dans l'évapora- teur 3 et l'extrémité inférieure du tube 5C de transmission de chaleur dans-le surchauffeur 4.Une canalisation 14 de sortie de vapeur d'eau est reliée à l'extrémité supérieure du tube 5C de transmission de chaleur. Lorsque l1évaporateur fonctionne, du sodium liquide porté à une température élevée est introduit par la canalisation 7 d'alimentation en sodium dans la calandre 6C du surchauffeur 4 dans sa partie supérieure. Le sodium liquide qui est ainsi introduit dans la calandre 6C, en descendant le long de la paroi extérieure du tube 5C de transmission de chaleur, échange sa chaleur avec la vapeur d'eau surchauffée qui circule dans la régiond1écoulement à phase unique dans le tube 5C de transmission de chaleur, en abaissant ainsi la température de la vapeur, et finalement sort de la calandre 6C.Les courants de sodium liquide sont introduits au moyen de la canalisation 8 de sodium dans la partie inférieure de la calandre 63 de l'évaporateur 3, et échangent leur chaleurs avec l'eau qui passe dans la région d'écoulement à deux phases dans le tube 5B de transmission de chaleur, tout en montant le long de la paroi extérieure du tube 5B de transmission de chaleur. Par conséquent,la température du sodium liquide s'abaisse encore, et le sodium liquide sort ensuite de la calandre 6B et est introduit au moyen de la canalisation 9 de sodium dans la partie supérieure de la calandre 6A du pré-chauffeur 2.Le sodium liquide qui est ainsi introduit, en descendant le long de la paroi extérieure du tube 5A de transmission de chaleur dans le pré-chauffeur 2, échange sa chaleur avec l'eau qui coule dans la région d'écoulement à phase unique dans ie tube 5A, et la température du sodium liquide est ainsi abaissée au minimum, le sodium liquide sortant finalement de la calandre 6A par la canalisation 10 de sortie de sodium. Le sodium liquide qui a cédé toute la chaleur qu'il contenait dans les opérations précites d'échange de chaleur est soumis à un echange de chaleur dans un echangeur de chaleur intermédiaire (non représenté) avec le sodium liquide d'une autre installation, qui a été chauffé dans un réacteur (non représenté), pour que le sodium liquide précité soit porté à une température élevée, avant d'être introduit par la canalisation 7 d'alimentation en sodium dans la calandre 6C du surchauffeur 4, ce qui lui permet de décrire un circuit fermé. Par ailleurs, l'eau dont la pression a été élevéepaune pompe d'alimentation en eau (non représentée) et qui a été portée à une température donnée par un réchauffeur d'eau d'alimentation (non représenté) est introduite par la canalisation Il d'alimentation en eau dans le tube 5A de transmission de chaleur du pré-chauffeur 2. L'eau qui monte dans le tube 5A de transmission de chaleur est soumise à l'échange de chaleur à contre-courant avec le sodium liquide qui descend à l'intérieur de la calandre 6A, puis s'écoule, dans la région d'écoulement à daux phases de mauvais rendement, au moyen de la canalisation 12 de vapeur qui relie entre elles l'extrémité supérieure du tube 5A de transmission de chaleur et l'extrémité inférieure du tube 5B de transmission de chaleur, dans le tube 5B de transmission de chaleur de l'évaporateur 3. L'eau qui-entre ainsi dans le tube 5B de transmission de chaleur subit un échange de chaleur à courants parallèles avec le sodium liquide qui monte à l'intérieur de la calandre 6B, ce qui fait bouillir l'eau et la fait circuler sous forme de vapeur d'eau un peu surchauffée, de I'extrmité supérieure du tube 5B de transmission de chaleur dans la canalisation 13 de vapeur qui lui est reliée.La vapeur d'eau qui est introduite dans la canalisation 13 est envoyée par la canalisation 13 dans la partie inférieure du tube 5C de transmission de chaleur du surchauffeur 4. La vapeur d'eau qui esc ainsi is oduite dans le tube 5C de transmission de chaleur, en montant dans ce dernier, subit un échange de chaleur à contre-courant avec le sodium liquide qui descend à l'intérieur de la calandre 6C, ce qui fait que la vapeur d'eau est portée à une température encore plus élevée et est transformée en vapeur surchauffée, et cette vapeur d'eau surchauffée est ainsi évacuée par la partie supérieure du tube 5C de transmission de chaleur dans la canalisation 14 de sortie de vapeur d'eau qui lui est reliée. La vapeur d'eau surchauffée à haute température et à haute pression qui est ainsi produite par les opérations précitées d'échange de chaleur entraîne une turbine (non représentée) pour produire une force d'entraînement, et il en résulte une vapeur surchauffée de pression et de température moindres. La vapeur d'eau surchauffée ayant cette pression et cette température moindres est soumise à une condensation dans un condenseur (non representé) puis est envoyée pour recyclage dans la pompe précitée d'alimentation en eau (non représentée), ce qui lui permet de décrire un cycle fermé. La figure 4 représente une autre forme de réalisation d'un générateur de vapeur d'eau vertical selon l'invention. Ce générateur, désigné dans son ensemble par le repère numérique 20, comprend : une calandre verticale unique 6 à la partie supérieure de laquelle est reliée une canalisation 27 d'alimentation en sodium, et à la partie inférieure de laquelle est reliée une canalisation 30 de sortie de sodium; et un tube ou serpentin 25 de transmission de chaleur qui est disposé à l'intérieur de la calandre 26 et qui est relié par son extrémité inférieure à une canalisation 21 d'alimentation en eau dans la partie inférieure de la calandre 26, et par son extrémité supérieure à une canalisation 24 de sortie d'eau dans la partie supérieure de la calandre 26. Le tube ou serpentin 25 de transmission de chaleur comporte une partie de pré-chauffage 25A qui est reliée à la canalisation 21 d'alimentation en eau, une partie de surchauffage 25C qui est reliée à la canalisation 24 de sortie d'eau, et une partie d'évaporation 25B qui est placée entre les deux parties précitées. Les parties 25A et 25B du tube de transmission de chaleur sont disposées de manière -à perr,lettre un échange de chaleur à courants parallèles, tandis que la partie 25B est reliée respectivement, par des canalisations 22 et 23 de transmission de chaleur, aux parties 25A et 25C du tube de transmission de chaleur peur permettre un échange de chaleur à contre-courant. Dans une autre forme de réalisation du générateur de vapeur d'eau, représentée figure 5, un générateur de vapeur 40 comprend une calandre verticale unique 26 et un tube 45 de transmission de chaleur qui est disposé à l'intérieur de la calandre 26 et qui est presque identique à celui qui est représenté figure 4, à ceci près qu'une canalisation 42 qui relie entre elles la partie de pré-chauffage 25A et la partie d'évaporation 25 du tube ou serpentin de transmission de chialeur, et qu'une canalisation 43 qui relie entre elles la partie d'évaporation 25B et la partie de surchauffage 25C du tube de transmission de chaleur,nversent respectivement les parois latérales opposées de la calandre 26, si bien que leurs parties verticales respectives se trouvent à l'extérieur de la calandre 26. D'après ce qui précède, on comprendra que. le générateur de vapeur selon la présente invention présente un cycle de contrainte thermique, agissant sur le tube de transmission de chaleur au voisinage de la position d'assèchement, dont l'amplitude de fluctuation est extremement faible, ce qui permet d'éviter les dommages occasionnés au tube de transmission de chaleur résultant de l'accumulation de la fatigue de ce dernier en raison de la contrainte thermique, et permet d'obtenir un fonctionnement sur. Etant donné que l'écoulement à deux phases de grand rendement augmente la quantité de chaleur appliquée, il s'ensuit que la position d'assèchement du générateur de vapèur est.décalée vers une position qui correspond à un grand rendement, par rapport a ce qui se passe dans le générateur de vapeur d'eau selon la technique antérieure. Ceci permet d'élargir la zone dans laquelle la transmission de chaleur se fait avec ebullition "en noyaux" ce qui correspond à une meilleure caractéristique de transmission de chaleur. Pour la fabrication du générateur de vapeur qui est représenté figure 3, le pré-chauffeur, 11 évaporateur et le surchauffeur peuvent éventuellement avoir les mêmes dimensions et la même forme I1 en résulte une simplification du processus de fabrication, ainsi que la normalisation du produit à fabriquer. Les générateurs de vapeur qui sont représentés sur les figures 4 et 5 comportent une seule calandre, ce qui contribue a réduire les coûts de fabrication. Dans la forme de réalisation qui est représentée figure 5, les canalisations de transmission de chaleur sont supportées par la calandre. Ceci donne au générateur de vapeur une construction rigide. REVENDICATIONS 1. Générateur de vapeur d'eau a calandre et à serpentin, comportant une calandre dans laquelle doit passer un fluide clans lequel chauffant, et un tube ou serpentin/doit passer un fluide qui doit être chauffé par ledit fluide chauffant, ledit tube ou serpentin étant disposé à l'intérieur de ladite calandre, caractérisé en ce que ledit tube ou serpentin est ainsi agencé qu t un échange de chaleur à contre-courant entre le fluide chauffant et le fluide à chauffer a lieu dans une région d'écoulement à phase unique dans laquelle ledit fluide à chauffer est chauffé dans un état d'écoulement à phase unique par ledit fluide chauffant, et un échange de chaleur à courants parallèles a lieu entre eux dans une région d'écoulement à deux phases dans laquelle ledit fluide à chauffer est chauffé dans un état d'écoulement à deux phases par ledit fluide chauffant. 2. Générateur de vapeur d'eau selon la revendication -l, caractérisé en ce que ledit fluide chauffant est du sodium liquide et ledit fluide à chauffer est de l'eau. 3. Générateur de vapeur d'eau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région d'écoulement à phase unique dans laquelle ledit fluide à chauffer est soumis au chauffage dans un état d'écoulement à phase unique comporte une région de préchauffage dans laquelle ledit fluide à chauffer est pré-chauffé, et une région de surchauffage dans laquelle ledit fluide a chauffer est surchauffé, et en ce que la région d'écoulement à deux phases dans laquelle ledit fluide à chauffer est chauffé dans un état d'écoulement à deux phases comporte une région d'évaporation dans laquelle ledit fluide à chauffer s'évapore, 4. Générateur de vapeur d'eau, comprenant un pré-chauffeur, un évaporateur et un surchauffeur, qui sont chacun du type à calandre et à serpentin, les calandres étant destinées au passage d'un fluide chauffant et les serpentins étant destinés au passage d'un fluide qui doit être chauffé par ledit fluide chauffant, et ledit pré-chauffeur, ledit évaporateur et ledit surchauffeur étant reliés l'un à l'autre, caractérisé en ce que ledit pré-chauffeur et ledit surchauffeur sont prévus pour un échange de chaleur à contre-courant entre le fluide chauffant et le fluide à chauffer, et en ce que ledit évaporateur est prévu pour un échange de chaleur à courants parallèles entre les deux fluides. 5. Générateur de vapeur d'eau selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit fluide chauffant est du sodium liquide, et en ce que ledit fluide à chauffer est de l'eau. 6. Générateur de vapeur d'eau, comprenant : une calandre unique ayant à l'une de ses extrémités une entrée de fluide chauffant et à son autre extrémité une sortie de fluide chauffant, pour que le fluide chauffant circule toujours dans le même sens et un tube ou serpentin de transmission de chaleur comportant une entrée pour le fluide à ehaaCert su voisinage de ladite autre extrémité de ladite calandre , et une sortie pour le fluide à chauffer, au voisinage de ladite autre extrémité de ladite calandre, le tube étant disposé à l'intérieur de ladite calandre de façon qu'un fluide à chauffer puisse y passer en étant soumis à un échange de chalèur avec ledit fluide chauffant, caractérisé en ce que ledit tube ou serpentin de transmission de chaleur se compose d'une partie de pré-chauffage placée au voisinage de ladite autre extrémité de ladite calandre, en provoquant ainsi un change de chaleur à contre-courant entre le fluide chauffant et le fluide à chauffer,une partie de surchauffage placée au voisinage de ladite une extrémité de ladite calandre de façon à provoquer un échange de chaleur à contre-courant entre le fluide chauffant et le fluide à chauffer, etd'une partie d'évaporation intercalée entre ladite partie de pré-chauffage et ladite partie de surchauffage, de façon à provoquer un échange de chaleur à courants parallèles entre le fluide chauffant et le fluide à chauffer. 7. Générateur de vapeur d'eau selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit fluide chauffant est du sodium liquide et ledit fluide à chauffer est de l'eau. 8. Générateur de vapeur d'eau selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite partie de préchauffage et ladite partie d'évaporation du tube ou serpentin de transmission de chaleur sont reliées entre elles au moyen d'une canalisation qui passez ltextérieur de ladite calandre, et en ce que ladite partie d'évaporation et ladite partie de surchauffage du tube ou serpentin de transmission de chaleur sont également reliées entre elles par une canalisation qui passe à l'extérieur de ladite calandre. 9. Générateur de vapeur d'eau selon la revendication 8, caracterisé en ce que ledit fluide chauffant est du sodium liquide et ledit fluide à chauffer est de l'eau.