Brevet FR2339132A1 — publié le 19770819

La presente invention concerne un échangeur de chaleur entre de 1 'eau sous pression a vaporiser et surchauffer et de la vapeur d'eau à haute tempE- rature. De tels dispositifs servent notamment à la production de vapeur surchauffée sous pression à l'aide de vapeur issue d'un générateur de vapeur Le fluide chauffant circule l'intérieur des tubes des divers faisceaux, le fluide chauffé circulant a l'exterieur des tubes. Les dispositifs d'échange de chaleur connus de ce genre comprennent en série un premier échangeur assurant la vaporisation de l'eau, un organe séparateur de la vapeur formée et de liteau résiduelle, et un ou plusieurs echangeurs de surchauffe de la vapeur. Ils sont très encombrants, complexes et necessitent un certain nombre de tuyauteries de liaison calorifugées. la présente invention a pour but de procurer un dispositif d'échange de chaleur très compact qui ne comporte pas de tuyauteries de liaison entre ses differents éléments et permette cependant des démontages et des réparations faciles. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend dans une même enveloppe cylindrique d'axe horizontal destinee à être remplie dans sa partie inférieure de l'eau à vaporiser et surchauffer a) dans ladite partie inférieure au moins un faisceau de tubes de vaporisation, alimente par la vapeur d'eau issue du générateur de vapeur, b) dans la partie supérieure de l'enveloppe, des separateurs entre la vapeur produite et l'eau entratnee et au moins un faisceau de tubes de surchauffe, alimente en parallèle avec le faisceau de tubes de vaporisation par la vapeur d'eau issue du generateur de vapeur. Il comporte en outre de preference au moins l'une des caractenstiques suivantes - Il comprend dans la partie inférieure de l'enveloppe deux faisceaux de tubes en parallele au morne niveau, et dans sa partie superieure un faisceau unique de tubes en epingle encadre par les separateurs. - Les faisceaux de tubes ou les tubes individuels sont amovibles de l'enveloppe. - Les faisceaux de tubes sont montes sur des chemins de roulement. - Il comprend des flasques verticaux des faisceaux vaporiseurs, disposes audessous des separateurs et descendant jusqu'à proximité du fond de l'enveloppe. Lorsque le dispositif d'echange de chaleur est destine à assurer la vaporisation et la surchauffe d'eau à des pressions et tetriperatures proches des pressions et temperatures de la vapeur de chauffe, on emploie de preference comme tubes de vaporisation des tubes droits. Lorsque le dispositif d'echange de chaleur est destiné à assurer la vaporisation et la surchauffe d'eau à des pressions et températures présentant des ecarts importants par rapport aux pressions et temperatures de la vapeur de chauffe, on emploie de préférence comme tubes de vaporisation des tubes en épingle amovibles individuellement. Par ailleurs, on incorpore en outre au dispositif un faisceau de tubes de sous-refroidissement de l'eau de condensation de la vapeur formant le fluide chaud, dans la partie inférieure de l'enveloppe, au-dessous des tubes de vaporisation. Ces derniers sont de préférence des tubes en épingle amovibles individuellement, et avantageusement à alimentation alternée par la gauche et par la droite du plan de symétrie vertical de l'enveloppe. Enfin, pour éviter l'erosion-corrosion par l'émulsion d'eau et de vapeur au-dessus des faisceaux de vaporisation, les parties métalliques susceptibles de venir au contact de cette emulsion sont en acier inoxydable. Il est décrit ci-après à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, des dispositifs d'échange de chaleur formant échangeur-separateur- surchauffeur pour la vaporisation et la surchauffe d'eau, d'une part sous 31 bars à 2300C, d'autre part sous 11 bars à 180 C} à l'aide de vapeur issue d'un générateur de vapeur alimenté par l'eau ou la vapeur réchauffée dans un réacteur nucléaire à eau légère. La figure 1 représente en coupe axiale l'échangeur pour le traitement d'eau sous 31 bars à 2300C. la figure 2 représente une coupe diamétrale du neme échangeur selon l'axe II-II de la figure 1. La figure 3 represente en coupe axiale l'échangeur pour le traitement d'eau sous il bars à 1800C. La figure 4 représente une coupe diamétrale de l'échangeur de la figure 3 par l'axe lV-lV de cette dernière. L'échangeur-séparateur-surchauffeur des eur des figures 1 et 2 comprend une virole cylindrique 1 comportant à une extremité une partie 2 de plus grand diamètre et se terminant de chaque côte par des fonds bombes. La partie 2 est munie d'une tubulure 3 d'admission de l'eau à vaporiser et surchauffer, arrivant à 2300C sous 31 bars. L'eau est introduite dans l'échangeur par une rampe de distribution 4 et le remplit jusqu'au-dessus des deux faisceaux tubulaires de vaporisation,5, le niveau d'eau étant représente en 4A en figure 2. Ces faisceaux tubulaires sont formes de tubes droits soudés sur deux plaques tubulaires 6 et 7.L'emploi de tubes droits permet de réduire la perte de charge de la vapeur d'une extremité à l'autre du tube, et de maintenir ainsi un coefficient d'échange de chaleur satisfaisant, en depit de la faible différence de température à travers la paroi. Des plaques intermédiaires maintiennent l'espacement entre les tubes et réduisent les vibrations. Elles sont maintenues entre elles par une enveloppe-support solidaire d'une des plaques tubulaires. L'enveloppe-suDport est forme Dar deux fers en U sur lesquels sont soudees des tôles de flancs assurant la canalisation de l'eau à vaporiser, et par une cornière-support telle que 8, s'appuyant sur des galets de roulement 9, servant à l'introduction et au soutien des faisceaux, et permet- tant leur libre dilatation longitudinale.Les flasques 27, 28 des faisceaux du côté interne de ceux-ci descendent relativement bas vers le fond de l'enveloppe et définissent un canal central 29 favorisant le retour de l'eau separee de la vapeur par effet de thermosiphon. La vapeur de chauffage pénètre dans l'échangeur vers 2570C par des tuyauteries telles que 10, passe dans les faisceaux vaporiseurs 5 et sort dans les chambres formées d'une virole cylindrique et dtun fond hémisphérique telles que 11, d'où les condensats sont évacués par des tubulures 12, la vapeur subsistante étant recyclée par des tubulures telles que 13. Les chambres Il sont reliées au fond de l'enveloppe par des manchettes thermiques telles que 11A. La partie supérieure de l'enveloppe cylindrique comprend des tôles déflectrices 14, 15, des séparateurs tels que 16 et un faisceau de tubes surchauffeurs 17. Les tôles déflectrices 14 et 15 sont disposées de manière à imposer à l'émulsion d'eau et de vapeur stelevant au-dessus des faisceaux vaporiseurs deux changements de direction à 180 . Les séparateurs 16, disposés de chaque côté du faisceau surchauffeur 17, sont formés de tôles ondulées parallèles imposant au fluide qui les traverse des changements successifs de direction, favorisant l'arrêt des gouttelettes d'eau. Le faisceau de tubes surchauffeurs 17 se compose de tubes ailetés en épingle, soudés sur une plaque tubulaire 18. Des plaques intermédiaires maintiennent l'espacement des tubes et canalisent les flux de vapeur. Le faisceau est fermé latéralement par des tôles 19, 20 soudées sur les plaques intermédiaires. Ces tôles forment chicane et obligent la vapeur à effectuer un triple passage au travers du faisceau. Sur chaque côté du faisceau se trouve une cornière 21 servant à son introduction ou à son enlèvement, par roulent -sur des galets 22. Un fond hémisphérique 23 relié à la plaque tubulaire 18 par une portion de virole cylindrique assure la répartition de la vapeur de chauffe, arrivant par la tubulure 24, et le recueil des condensats, evacués par la tubulure 25. Il est divisé à cet effet en deux parties par une tôle séparatrice 26. La zone voisine de la génératrice la plus élevée de l'enveloppe, au-dessus du faisceau surchauffeur 17, forme un tunnel 30 relié à une tubulure 31 de sortie de la vapeur. Le fonctionnement de l'échangeur est le suivant L'eau introduite dans l'enveloppe par la rampe de distribution 4 la remplit iusqu'au-dessus des faisceaux tubulaires vaporiseurs 5. Elle se vaporise en grande partie au contact des tubes de ces faisceaux, et l'émulsion d'eau et de vapeur formée s'éleve dans la nartie supérieure de ltenveloppe, nuis passe entre les tôles déflectrices 14 et 15, et à travers les séparateurs 16. Les gouttelettes d'eau séparées se rassemblent et ruissellent dans la partie centrale 29, guidées par les flasques 27 et 28, pour revenir dans le fond de l'enveloppe. Il se produit une circulation naturelle de l'eau, qui élève sur les côtés, au contact des faisceaux vaporiseurs, et redescend par la partie centrale. La vapeur d'eau passant à travers le faisceau surchauffeur 17, y est portée à 2450C environ, puis est évacueepar la tubulure 31 vers l'utilisation sous 30 bars environ. En cas d'avarie sur un ou plusieurs des faisceaux évaporateurs ou sur le faisceau surchauffeur, il est aisé soit de houcher ou remplacer un tube, soit d'échanger rapidement l'un quelconque des faisceau après découpe de la manchette thermique correspondante. L'échangeur de vaporisation et surchauffe d'eau sous il bars à 1800C représenté en figures 3 et 4 est semblable à celui des figures 1 et 2 en ce qui concerne les faisceaux de vanorisation et de surchauffe, qui ne seront pas décrits en détail à nouveau. Cependant les faisceaux vaporiseurs sont constitués de tubes en épingle verticale, du fait que lton peut y admettre une perte de charge de la vapeur plus élevée que dans l'échangeur de traitement d'eau à 30 bars, la différence de température à travers la paroi étant plus importante. De ce fait la chambre il d'alimentation en vapeur et de recueil des condensats est divisée en deux par une cloison séparatrice démontable IIA. L'échangeur de vaporisation d'eau des figures 3 et 4 comporte en outre un faisceau 40 de sous-refroidissement des condensats secondaires du faisceau surchauffeur 17 et des faisceaux vaporiseurs 5, recueillis aux ballons de purge correspondants. Ce faisceau est formé de tubes lisses en épingle horizontale tels que 41, dont chacun sort de l'envelopne par une manchette thermique 42. Ces tubes sont amovibles individuellement de l'envelopoe. Ils sont alimentés alternativement à gauche et à droite du plan de symétrie vertical de l'enveloppe, pour assurer une vaporisation homogène le long du faisceau. Leurs dilatations longitudinales sont rendues possibles par déplacement dans des grilles entretoises. Les tôles déflectrices de l'émulsion d'eau et de vapeur, les séparateurs et le faisceau de tubes surchauffeurs ont la même structure générale que celle des organes correspondants de l'échangeur des figures 1 et 2. 11 a toutefois été observé que dans la zone de températures (1800-1900C) et pour les vitesses de circulation de l'émulsion d'eau et de vapeur régnant dans l'évaporateur des figures 3 et 4, il risquait de se produire des phénomènes d'érosiorrcorrosion dans les parties de l'évaporateur venant au contact de l'émulsion Si celles-ci étaient en acier ordinaire. Il convient donc de réaliser les tôles déflectrices et les séparateurs en acier inoxydable et de revêtir la partie supérieure interne de l'enveloppe, au-dessus du niveau d'eau, d'un revêtement d'acier inoxydable 43. Le fonctionnement de cet échangeur est le suivant L'eau à réchauffer, vaporiser et surchauffer entre dans ltéchangeur par la rampe 4 à 180 C et sous 11 bars absolus. Elle se réchauffe et comnence à se vaporiser au contact des tubes du faisceau sous-refroidisseur des condensats, Duis se vaporise plus complètement au contact des faisceaux vaporiseurs. Comme pour le précédent échangeur, l'émulsion eau-vapeur s'élue dans la partie supérieure de l'échangeur, subit deux changements de direction à 180 entre les tôles déflectrices 14 et 15, puis se sèche complètement dans les séparateurs 16. La vapeur d'eau se surchauffe au contact des tubes du faisceau surchauffeur 17, puis sort à 1900C sous 10 bars absolus par la tubulure 31, cependant que l'eau résiduaire redescend dans la zone centrale 29 entre les flasques 14 des faisceaux vaporiseurs. La vapeur de chauffage est introduite en parallèle dans le faisceau surchauffeur 17 et les faisceaux vaporiseurs 5. Le condensat du faisceau surchauffeur est envoyé par la tubulure 25 à un ballon de purge (non représenté) et de là au ballon de purge (également non représenté) du condensat des évaporateurs, évacué de l'échangeur par la tubulure 12. L'ensemble des condensats est alors introduit dans le faisceau sous-refroidisseur 40, d'où ils sort sous-refroidi. Les faisceaux de tubes sont démontables comme ceux de ltéchangeur des figures i et 2. Chacune des épingles du faisceau sous-refroidisseur est amovible. Bien que les dispositipns des échangeurs qui viennent d'être décrites en détail en référence aux figures paraissent préférables, on comprendra que diverses modifications peuvent leur être apportées sans sortir du cadre de 1' invention, certain de leurs organes pouvant être remplacés par d'autres qui joueraient un rôle technique équivalent. REVENDlCATIONS 1/Dispositif d'échange de chaleur entre de l'eau sous pression à vaporiser et surchauffer et de la vapeur d'eau à haute temxérature issue d'un générateur de vapeurs caractérisé en ce qu'il comprend dans une même enveloppe cylindrique d'axe horizontal destinée à être remplie dans sa partie inférieure de l'eau à vaporiser et surchauffer a) dans ladite partie inférieure, au moins un faisceau (5) de tubes de vaporisation, alimenté par la vapeur d'eau issue du générateur de vapeur, b) dans la partie supérieure de l'enveloppe, des séparateurs (16) entre la vapeur produite et 1 'eau entraînée et au moins un faisceau (17) de tubes de surchauffe, alimenté en parallèle avec le faisceau de tubes de vaporisation par la vapeur d'eau issue du générateur de vapeur. 2/ Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractorisé en ce qu'il comprend dans la partie inférieure de ltenveloppe deux faisceaux de tubes en parallèle au même niveau, et dans sa partie supérieure un faisceau unique de tnhes en épingle encadré par les séparateurs. 3/ Echangeur de chaleur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les faisceaux de tubes ou les tubes individuels sont amovibles de l'enveloppe. -4/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les faisceaux de tubes sont montés sur des chemins de roulement. 5/ Fchangeur de chaleur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé par des flasques verticaux des faisceaux vaporiseurs disposés au-dessous des sépara- teurs et descendant jusqu'-à proximité du fond de ltenveloppe. 6/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, pour la vanorisation et la surchauffe d'eau sous des pressions et températures relativement proches des pressions et températures de la vapeur de chauffe, caractérisé en ce que les tubes de vaporisation sont des tubes droits. 7/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, pour la vaporisation et la surchauffe d'eau sous des pressions et températures présentant des écarts importants par rapport aux pressions et températures de la vapeur de chauffe, caractérisé en ce que les tubes de vaporisation sont des tubes en épingle. 8/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, pour la vaporisation et la surchauffe d'eau sous une pression d'environ 10 bars, caractérisé en ce qutil comprend en outre un faisceau (40, figure 3) de tubes de sous-refroidissement de l'eau de condensation de la vapeur fornant le fluide chaud, dans la partie inférieure de l'enveloppe, au-dessous des tubes de vaporisation. 9/ Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les tubes de sous-refroidissement de la vapeur sont des tubes en épingle (41) amovibles individuellement. 10/ Echangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce sue les tubes de sous-refroidissement sont à alimentation alternée par la gauche et par la droite du plan de symétrie vertical de l'enveloppe. I1/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, pour la vaporisation et la surchauffe d'eau sous une pression d'environ 10 bars, caractérisé en ce que les parties métalliques susceptibles de venir au contact de l'émulsion d'eau et de vapeur dégagée au-dessus des tubes de vaporisation sont en acier inoxydable.