Brevet FR2357308A1 — publié le 19780203

La présente invention concerne les dispositifs séparateurs de phases, et, plus particulièrement, les dispositifs séparateurs permettant d'extraire la phase liquide hors d'un écoulement comportant, en plus de cette phase liquide, une phase plus légère, gaz ou surtout vapeur. Dans de très nombreuses applications, il est nécessaire d'extraire l'eau qui subsiste dans un écoulement de vapeur avant de diriger celui-ci vers un appareil d'exploitation, tel qu'une turbine à vapeur. En effet, la présence de gouttelettes d'eau dans l'écoulement risque de provoquer une dégradation rapide d'une telle turbine. On a déjà réalisé de nombreux dispositifs séparateurs destinés à réduire le titre en eau de la vapeur à une valeur compatible avec le fonctionnement des turbines à vapeur. Malheureusement, les solutions actuellement connues ne donnent en général des résultats acceptables qu'a' condition que la vitesse d'écoulement dans le dispositif soit relativement faible, ce qui conduit à des appareils très volumineux. La présente invention vise à fournir un dispositif séparateur répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il assure une extraction efficace de la phase liquide, tout en autorisant une vitesse élevée, ce qui se traduit par un encombrement de l'appareillage et une masse de matériau plus réduits,et et ce sans imposer de perte de charge excessive à l'écoulement. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif séparateur comprenant une enceinte tubulaire approximativement de révolution, comportant à une extrémité,une entrée par laquelle l'écoulement biphasiqueest admis à vitesse élevée et, à l'extrémité opposée, une sortie de la phase légère (gaz ou surtout vapeur), des moyens mécaniques placés à proximité de ltentrée de I'enc-einte- pour.imposer a' l'écoulement un mouvement ayart une composante de rotation le' Ionq de l'enceinte, et des moyens d'extraction de la phase liquide placés à proximité de la sortie pour collecter la phase liquide qui se rassemble le long de la paroi de l'enceinte et l'évacuer par des orifices de ladite paroi, en même temps éventuellement qu'une fraction de la phase légère. Le dispositif peut également comporter, sur le trajet de la phase légère, après les moyens d'extraction, des moyens mécaniques-tels que des déflecteurs ou aubes-destinés à redresser l'écoulement, c'est-à-dire à rendre les filets de fluide parallèles. Le dispositif est avantageusement réalisé sous forme modulaire. Chaque enceinte, munie des moyens mécaniques destinés à donner au fluide un mouvement hélicoidal et des moyens d'extraction, constitue un module. Plusieurs-modules peuvent entre montés en cascade, pour augmenter l'efficacité de séparation (et dans ce cas, seul le dernier sera en général équipé de moyens pour redresser ltécoulement), et/ou en parallèle, pour augmenter le débit traité. On voit que le dispositif est susceptible de nombreuses applications et est d'une mise en oeuvre très souple. En particulier, il est applicable aux installations dans lesquelles la source de chaleur est constituée par un réacteur nucléaire, dont la chaleur est transmise par l'intermédiaire de boucles d'échange intermédiaire, comme au cas des chaudières classiques. Dans tous les cas, le dispositif pourra entre place aussi bien à l'intérieur même de la chaudière que sur tes conduites de sortie de celle-ci. Le dispositif suivant l'invention permet d'accepter des écoulements dont la vitesse dépasse 80 metres par seconde et peut méme atteindre 200 mètres par seconde environ. Pratiquement on peut aller de 50 à 200 m/s. Les moyens pour imposer a' l'écoulement un mouvement hélicoïdal pourront être des aubes réparties autour d'un moyen central fixe, des ailettes ou tout autre dispositif équivalent. Le pas du mouvement hélicoïdal imposé par les moyens mécaniques d'entrée pourra en général-!tre compris entre 0,1 et 10 fois le diamètre. I1 faut enfin noter. que l'efficacité de la séparation peut être encore accrue en imposant à l'écoulement, dans le dispositif, une accélération ou un ralentissement (ce dernier devant toutefois être suffisamment progressif pour éviter les turbulences). Un mouvement d'accélération se traduit en effet par un grossissement des gouttes de la phase liquide et par une augmentation de vitesse, l'un et l'autre favorables a une amélioration de la séparation. Un ralentissement de l'écoulement se traduit par un grossissement des gouttes et par l'évaporation de liquide supplémentaire.Ce deuxième effet peut titre utilisé en imposant à la phase légère, à la sortie du dispositif d'échange proprement dit, un ralentissement, qui se traduit par une évaporation supplémentaire de liquide et donc une diminution corrélative du titre qui peut amener à l'obtention d'une vapeur parfaitement sèche ou même légèrement surchauffée sans apport de chaleur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère au dessin qui l'accompagne dans lequel - la figure 1 est un schéma de principe d'un module séparateur, représenté en coupe suivant un plan passant par l'axe, - la figure 2 est un schéma de principe montrant une variante des moyens d'extraction du liquide, - la figure 3 est un schéma de principe montrant, en coupe suivant un plan passant par l'axe, une autre variante de réalisation, qui impose à l'écoulement biphasique une accélération immédiatement en amont des moyens collecteurs, puis une décélération. Le module séparateur montré schématiquement en figure 1 peut être monté en série avec d'autres modules, l'écoulement parcourant successivement plusieurs modules dans lesquels son titre de vapeur diminue progressivement. Le module peut être également utilisé isolément. Enfin, plusieurs modules peuvent être disposés en parallèle, lorsque des débits importants doivent être traites. On considérera, à titre d'exemple, que le module montré en figure 1 est destiné a' sécher la vapeur fournie par un générateur de vapeur, par exemple associé à un réacteur nucléaire de puissance. Ce module peut être placé à intérieur même du qnnPrateur, dont il constitue un organe de structure, ou sur la tuyauterie de sortie de celui-ci. Le module 10 peut être regarde comme comportant une enceinte tubulaire 11, de forme cylindrique dans le mode de réalisation illustré. Dans la partie terminale amont de cette enceinte, par laquelle pénètre l'écoulement biphasique représenté par les flèches fO, sont montés des moyens mécaniques déflecteurs d'écoulement, destinés à imposer a' celui-ci un mouvement hélicoidal, schmatisé par la flèche fl. Les moyens représentés sont constitués par des aubes 12 reliées par un moyeu central 13 et par un manchon externe 14. Le manchon 14 et l'enceinte 11 portent des brides permettant de les fixer l'un dans l'autre. La partie terminale aval du module 10 est munie de moyens extracteurs de phase liquide qui, dans le mode de réalisation de la figure 1, sont d'une seule pièce avec l'enceinte. Ils comportent une cloison annulaire 15 concentrique à la paroi de l'enceinte 11, faisant saillie vers l'intérieur. La cloison 15, la partie terminale de la paroi de l'enceinte Il et le fond annulaire 16 délimitent une chambre de collection de liquide 17 qui communique avec l'extérieur de l'enceinte 11 par des orifices 18 ménagés dans la paroi et répartis régulièrement autour de celle-ci. Dans le mode de réalisation illustré, la cloison 15 s'évase légèrement vers l'amont. Elle se prolonge vers l'aval par un raccord 19 de sortie de la phase légère, constituée par de la vapeur. Dans le cas d'un module de séparation de l'eau qui subsiste dans de la vapeur saturée, on utilisera en général une drekie want u7e huguar d'environ 0,5 mètre quelques mètres et un diamètre d'une dizaine à quelques dizaines de centimètres. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'une longueur de 2 m et un diamètre de 20 cm conviennent pour traiter un écoulement biphasique constitué par de la vapeur d'eau ayant, à l'entrée du module, un titre de l'ordre de O% . Les moyens déflecteurs peuvent être prévus pour donner à l'écoulement hélicoidal un pas de l'ordre de 0,1 à 10 fois le diamètre. La dimension radiale d de l'embouchure de la chambre de collection 17 doit être prévue pour recueillir la totalité de la phase liquide projetée à -la périphérie de l'écoulement hélicoldal. L'efficacité de la séparation sera améliorée si cette dimension est choisie pour qu'il y ait prélèvement non seulement de la phase liquide, mais aussi d'une fraction de la phase vapeur. Le prélèvement peut servir à alimenter des soutirages, aui sont dirigés vers un échangeur de chaleur ou une machine motrice, éventuellement par l'intermédiaire d'un dispositif de séparation supplémentaire. Si le débit à traiter est tel aue plusieurs modules doivent être placés en parallèle, ces modulesstront en qénéral reliés par des cloisons transversales qui délimitent un espace de collection de la phase liquide provenant des divers modules. Les trous 18 peuvent, au lieu d'être ménagés dans la paroi latérale de l'enceinte 11, être prévus dans le fond 16. Les moyens mécaniques déflecteurs peuvent etre précédés d'un dispositif, représenté schématiquement en trait mixte sur la figure 1, destiné à éliminer la totalité ou une fraction de la phase liquide qui chemine le long des parois latérales en amont du module 10. Ce dispositif peut avoir une constitution similaire à celle des moyens d'extraction du module. Dans le mode de réalisation illustré, le module et les moyens mécaniques déflecteurs sont fixés sur la partie terminale d'une conduite d'amenée 20. Une cloison annulaire 21 munie d'une bride de montage délimite avec la partie terminale de la conduite 20 une chambre 22 et celle-ci communique avec l'extérieur par des trous 23 de sortie de la phase liquide, suivant la direction indiquée par la flèche f2. Les moyens mécaniques déflecteurs peuvent évidemment, comme les moyens d'extraction, être dune seule pièce avec l'enceinte 11. Dans la variante de réalisation illustrée en figure 2, les moyens d'extraction sont au contraire rapportés sur la paroi de l'enceinte lla. Celle-ci comporte, à son extrémité aval, une bride 24 sur laquelle sont fixés - d'une part, une bride de la cloison 15a qui délimite la chambre 17a, - d'autre part, des moyens déflecteurs destinés à redresser l'écoulement hélicoïdal de la phase gazeuse, présentant la même constitution que les moyens mécaniques déflecteurs de la figure 1, mais infléchissant les filets fluides de manière à les ramener parallèlement à l'axe. Dans l'un ou l'autre des cas qui viennent d'être décrits, on peut ramener à 0,1% le titre en eau d'une vapeur saturée dont le titre à 1'entrée est supérieur à 10%, avec des vitesses à l'entrée qui peuvent dépasser 80 m/s, et ce avec une perte de charge ne dépassant pas quelques milliers de Pascals et un débit de prélèvement de vapeur par les trous 18 ou 18a inférieur à 10% du débit total d'entrée. Comme il a été indiqué plus haut, il peut être avantageux d'imposer à l'écoulement une accélération et/ou un ralentissement dans le module. Dans le mode de réalisation illustré en figure 3 (où, pour plus de simplicité, les organes correspondant à ceux qui ont déjà été décrits portent le même numéro de référence affecté de l'indice b), la paroi de l'enceinte 11b a une forme convergente approximatwement tronconique, de sorte que la section de passage se rétrécit vers l'aval.Ce rétrécissement se traduit par une augmentation des vitesses et un grossissement des gouttes qui favorisent le rejet de la phase liquide le long de la paroi de l'enceinte 11b. L'eau rejetée le long de cette paroi ainsi qu'une fraction de la phase vapeur sont évacuées par le jeu annulaire 18b. La phase vapeur est recueillie dans un divergent 19b où les vitesses diminuent tandis que la pression augmente. Au cas où plusieurs modules sont montés en parallèle, une chambre de collection de la phase liquide et de la fraction de la phase vapeur qui s'échappe avec elle peut être délimitée par des cloisons 25 et 26 qui assemblent en même temps les modules. Etant donné la forme de ceux-ci, il est même possible de les accoler, comme indiqué schématiquement en trait mixte sur la figure 3. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Dispositif séparateur de phases permettant d'extraire la phase liquide knrs d'un écoulement hthasque mprtant également une phase 'égreas raciirisé ence qu'Scomprend enceinte tubulaire comportant, à une extrémité, une entrée par laquelle l'écoulement biphasique est admis à vitesse élevée et, à l'extrémité opposée, une sortie pour la phase légère, des moyens mécaniques placés à proximité de l'entrez de enceinte pour imposer à l'écoulement le long de l'enceinte un mouvement ayant une composante de rotation, et des moyens d'extraction de la phase liquide placés à proximité de la sortie pour collecter la phase liquide qui se rassemble le long de la paroi de l'enceinte et l'évacuer par des orifices de ladite paroi. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte est approximativement de révolution et en ce que les moyens mécaniques déflecteurs placés à proximité de l'entrée imposent à l'écoulement un mouvement hélicoïdal lelong de l'enceinte. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens mécaniques déflecteurs sont constitués par des aubes ou ailettes portées par ladite paroi. 4. Dispositif séparateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, en aval des moyens d'extraction et sur le trajet de la phase légère, des moyens mécaniques, tels que des ailettes ou aubes, destinés à redresser l'écoulement dé la phase légère. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'extraction comportent une cloison tubulaire s'étendant sur une fraction de la longueur de l'enceinte à partir de la sortie, concentrique à la dite enceinte et délimitant avec elle un espace annulaire de collection de la phase liquide. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif est de constitution modulaire, chaque module pouvant être monté en cascade ou en parallèle avec d'autres modules. 7. Dispositif suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'enceinte a une longueur de 0,5 mètre à quelques mètres et un diamètre d' une dizaine à quelques dizaines de centimètres. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange biphasique est admis à une vitesse comprise entre 5 et 200 m/s. 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que enceinte a une forme convergente et/ou divergente sur au moins une fraction de sa longueur pour imposer l'écoulement une accélération et/ou un ralentissement. 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'extraction sont prévus pour prélever également une fraction de la phase légère.