Brevet FR2357818A1 — publié le 19780203

La présente invention concerne les dispositifs sécheurs et surchauffeurs de vapeur destinés à extraire la phase liquide hors d'une vapeur sature, puis à surchauffer celle-ci. De très nombreuses applications rendent nécessaire ou avantageux de surchauffer la vapeur fournie par une chaudière ou un réacteur nucléaire, notamment un rédacteur nucleaire du type à eau bouillante, avant de la diriger vers un appareil d'exploitation. En particulier, on sait que, pour élever le rendement des turbines à vapeur, il faut les alimenter en vapeur surchauffée et, par ailleurs, oue la présence de gouttelettes d'eau dans la vapeur accélère l'usure d'une telle turbine. Il existe déjà de nombreux dispositifs de séchage et de surchauffe d'un fluide amené au dispositif R ltétat de vapeur saturée. Ces dispositifs comportent en genéral un séparateur d'eau et un surchauffeur qui constituent des ensembles distincts, souvent placés dans deux enceintes successives. La plupart de ces dispositifs exigent de plus, pour fonctionner correctement, que les vitesses d'écoulement y soient relativement faibles, ce qui conduit à des appareils d'encombrement et de poids importants. La présente invention vise à fournir un dispositif sécheur et surchauffeur de vapeur répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il constitue un ensemble compact assurant les deux fonctions de séparation et de surchauffe avec une efficacité élevée en acceptant des vitesses d'écoulement importantes et tout en n'imposant à l'écoulement que des pertes de charge acceptables. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif sécheur et surchauffeur de vapeur saturée, qui comprend une enceinte tubulaire (en général au moins approximativement de révolution) comPortant une extrémité amont par laquelle la vapeur saturée est admise à vitesse élevée et une extrémité aval de sortie de vapeur débarrassée d'une fraction importante au moins de la phase liauide, extrémité aval reliée directement à un ou plusieurs conduits de surchauffe délimités par des parois de chauffage de la vapeur, l'enceinte étant agence ou équipée de façon que l'écoulement le long de l'enceinte soit orqanisé sous forme d'une veine unique dont le mouvement comporte une composante de rotation et étant munie de moyens d'extraction de la phase liquide placés pour collecter la phase liouide qui se rassemble le long de la paroi de l'enceinte et pour l'évacuer Le dispositif peut comporter, sur le trajet de la vapeur, entre les moyens d'extraction et le ou les conduits de surchauffe, des moyens mécaniques déflecteurs destinés à redresser l'écoulement de la vapeur. Dans un premier mode de réalisation, l'enceinte est anproximativement de révolution autour d'un axe rectiligne et elle est munie de moyens déflecteurs localisés à proximité de l'extrémité amont de l'enceinte et imposant à l'écoulement un mouvement hélicodal en bloc autour de l'axe de l'enceinte. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'enceinte tubulaire est enroulée sur elle-meme ou ondule de facon à rejeter la phrase liquide vers les parties concaves de la paroi de l'enceinte et les moyens d'extraction sont constitués par des orifices traversant ladite paroi et ménagés dans la ou les parties concaves ou immédiatement à l'aval de celles-ci. L'efficacité de la séparation peut être encore accrue en imposant à l'écoulement, dans l'enceinte, une accélération ou un ralentissement qui provoque un grossissement des gouttes de la phase liquide. Quel que soit le mode de réalisation adopté, le dispssitif suivant l'invention permet d'accepter des vitesses d'écoulement dépassant 80 m/s. Pratiquement, on peut aller de 5 à 200 m/s. 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 aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif sécheur et surchauffeur de vapeur construit sous forme modulaire, représenté en coupe suivant un plan passant par son axe, - la figure 2 est un schéma de principe montrant une variante des moyens d'extraction du dispositif de la figure 1, - la figure 3 est un schéma de Drincipe d'un dispositif constituant une variante de celui de la figure 1, qui impose à l'écoulement une accélération immédiatement en amont des moyens d'extraction de la phase liquide, puis une décélération, représenté en coupe suivant un plan passant par l'axe, - la figure 4 est un schéma de principe d'une installation de séchage et de surchauffe, comportant plusieurs dispositifs -modulaires, en coupe suivant un plan passant par l'axe de plusieurs dispositifs, - la figure 5 est une vue de détail à grande échelle montrant une variante du sécheur du dispositif de la figure 4, - la figure 6 est également une vue de détail à grande échelle, montrant une variante du sécheur de la figure 4. Le dispositif montré schématiquement en figure 1 constitue un module qui peut tre utilisé isolément ou disposé en parallèle avec d'autres modules pour augmenter le débit qui peut être traité. On considérera, à titre d'exemple, que le module montré en figure 1, est destine à sécher la vapeur saturée fournie par un générateur de vapeur, qui peut être une chaudière de type classique, un réacteur nucléaire de puissance (cas d'un réacteur à eau bouillante), un échangeur de chaleur avec le fluide -caloporteur d'un tel réacteur (cas d'un réacteur à eau sous pression par exemple), etc. Le dispositif peut être placé à l'intérieur même du qénérateur de vapeur,dont il constitue un organe de structure, ou sur une tuyauterie de sortie de celui-ci. Le dispositif modulaire 10 de la figure 1 peut être regardé comme comportant une partie amont de séchage de vapeur saturée et une partie aval de surchauffe. La partie de séchage comprend une enceinte tubulaire 11, à section droite circulaire. L'extrémité amont de l'enceinte 11, qui reçoit un écoulement de vapeur saturée dirigé suivant la direction de la flèche f écoulement à filets parallèles à l'axe, est munie de moyens mécaniques déflecteurs destinés à orqaniser l'écoulement en aval sous forme d'une veine hélicoidale schématisée par la flèche fl. Les moyens déflecteurs peuvent par exemple être cons titubes par des ailettes 12 usinées dans la paroi interne de l'enceinte Il ou d'un manchon raccord à l'amont de cette enceinte, par exemple par soudage. Une des ailettes est figurée schématiquement sur la figure 1. On pourrait également utiliser des aubes reliant un moyeu central à la paroi de l'enceinte. L'extrémité aval de l'enceinte 11 est munie de moyens extracteurs de phase liquide. Dans le mode de réalisation de la figure 1, ces moyens comportent une cloison annulaire 15 solidaire d'un manchon 14 fixé contre la tranche aval de l'enceinte 11. Cette cloison fait saillie à l'intérieur de l'encein- te sur une fraction de sa longueur et délimite avec la paroi latérale de l'enceinte une chambre 17 de collection de liquide qui communique avec l'extérieur de l'enceinte par des orifices 18 répartis réqulièrement autour de la paroi. Dans le manchon 14 sont placés des moyens mécaniques déflecteurs 19 destinés à redresser l'écoulement hélicoïdal de la vapeur, moyens qui présentent la meme constitution que les moyens 12 mais qui infléchissent les filets fluides de manière à les ramener parallèlement à l'axe. L'enceinte 10 débouche directement dans un tube surchauffeur 20 chauffé extérieurement par une source de chaleur à une température suffisante pour surchauffer la vapeur qui sort du sécheur. Le tube 20 peut évidemment être muni intérieurement ou extérieurement d'ailettes ou de tout autre type de saillie permettant d'accroitre les échanqes thermiques. Dans la variante de réalisation illustrée en figure 2, les moyens d'extraction de la phase liquide comportent encore une cloison annulaire l5a délimitant avec la paroi de l'enceinte lla une chambre 17a. Mais cette chambre débouche à l'extérieur, dans un espace de collection de la phase liquide, par le jeu annulaire qui subsiste entre la cloison 15a et la paroi latérale lla.- La dimension radiale d de l'embouchure de la chambre de collection 17 ou 17a est prévue pour recueillir la quasi totalité de la phase liquide projetée à la périphérie de l'dcou- lement. L'efficacité de la séparation est encore améliorée si la dimension d est choisie pour qu'il y ait prélèvement non seulement de la phase liquide, mais aussi d'une fraction de la vapeur.Ce prélèvement peut servir à alimenter des soutirages, tels que ceux qui sont prévus dans les centrales classiques, ou vers un nouvel échangeur de chaleur pour vaporisation. Si le débit à traiter est tel que plusieurs sécheurs doivent être placés en parallèle, plusieurs sécheurs peuvent déboucher dans une seule et meme conduite de surchauffe ou dans des conduites individuelles. Par exemple, plusieurs sécheurs peuvent etre répartis à intervalles réguliers pour constituer une nappe quidbouche dans un même conduit de surchauffe, de forme plate. Ce surchauffeur peut notamment être un échangeur à plaques, tel que ceux dénommés Alfa Lavai. A -titre d'exemple on peut indiquer qu'il est possible d'admettre de la vapeur d'eau ayant un titre de 10 % environ à l'en- trée d'un dispositif ayant une longueur de l'ordre de 2 m et un diamètre de 20 cm, avec une vitesse atteignant ou dépassant 80 m/s, et de fournir à la sortie de la vapeur surchauffée ne comportant plus de phase liquide, avec un débit de prélèvement de vapeur dans le sécheur inférieur à 10 % du débit total d'entrée. En général la longueur de l'enceinte sera comprise entre 0,5 m et quelques mètres et le diamètre entre lOcm et quelques dizaines de cm. 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), l'enceinte est prévue pour imposer successivement à l'é- coulement une accélération en amontdeS,moyens d'extraction et un ralentissement en aval. La paroi de l'enceinte 11 comporte successivement un convergent précédé des moyens déflecteurs 12b et un divergent muni à la sortie des moyens de redressement 19b et qui débouche dans le conduit de surchauffe 20b. Le dispositif représenté en figure 4 peut autre regardé comme comprenant plusieurs modules en parallèle. On retrouve dans chaque module 10c un sécheur et un surchauffeur. Chaque sécheur comporte une enceinte tubulaire 11c et un conduit de surchauffe 20c. Les enceintes sont contenues dans un compartiment 21 de collection d'eau et de vapeur extraite tandis que les conduits de surchauffe sont disposés dans un compartiment 22 où circule, à contrecourant de la vapeur, un fluide chauffant. Ces compartiments sont délimités dans un corps cylindrique 23 en plusieurs pièces assemblées, par exemple par soudage. Les compartiments 21 et 22 sont séparés par une cloison 24. Une conduite 25 amène la phase liquide, ainsi éventuellement que le prélèvement de vapeur qui l'accompagne, à un appareil d'utilisation ou de réchauffe. Chaque sécheur est constitué par un tronçon de tube, d'une seule pièce avec le conduit surchauffeur ou raccordé à lui, cintré pour présenter trois coudes successifs. Le long de chaque coude, la phase liquide est rejetée vers la:partie concave de la paroi, du fait de la vitesse élevée de l'écoulement. IL suffit alors de placer a la sortie de ces parties concaves des orifices pour aue s'échappe la phase liquide rejetée le long de la paroi, ainsi éventuellement qu'une fraction de la phase vapeur. Dans le mode de réalisation illustré en figure 4, les orifices de sortie sont constitués par des crevés ménagés à la fin des deux premiers coudes, là où la courbure s'inverse, et délimitant des fentes 1bic. Les crevés montrés en figure o sont ménagés d-ans un sens qui tend à contrarier la sortie de la phase vapeur. On peut inverser cette disposition et adopter celle représentée schématiquement sur la figure 5, où les organes correspondant à ceux de la figure 4 sont désignés par le même numéro de référence affecté de l'indice d. Dans le cas de la figure 4 aussi bien que dans celui de la figure S, la partie terminale de l'enceinte llc redresse l'écoulement de maniere à l'introduire sous forme d'une veine dont les filets circulent parallèlement à l'axe dans les conduits surchauffeurs. Dans la variante de réalisation représentée en figure 6, l'enceinte lle se réduit à un tube enroulé sur luimême. Les orifices de sortie de liquide sont constitués par des fentes découpées, par exemple à la fraise-scie, dans la paroi concave du tube. Les fentes 18e ainsi formées doivent évidemment ne s'étendre que sur une fraction faible de la section droite du tube, largement inférieure à 1800. Le tube 11e représenté en trait plein sur la figure 6 est cintré suivant un cercle complet, ce qui permet de disposer le conduit de surchauffe dans l'alignement de l'entrée de fluide. On peut également, comme indiqué schématiquement en trait mixte, cintrer le tube île sur une fraction seulement de circonférence, par exemple à 90 , ce qui conduit à placer les conduits de surchauffe perpendiculairement au sens d'arrivée de la vapeur saturée. 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, comme à toute application autre que celles aui ont été spécifiquement indiquées. REVENDICATIONS REVENDICATIONS 1. Dispositif sécheur et surchauffeur de vapeur admise à l'état saturé, caractérisé en ce qutil comprend une enceinte tubulaire comportant une extrémité amont par laquelle la vapeur saturée est admise à vitesse élevée et une extrémité aval de sortie de vapeur sèche, reliée directement à un ou plusieurs conduits de surchauffe délimités par des parois de chauffage de la vapeur, des moyens déflecteurs étant placés dans l'enceinte pour organiser l'écoulement le long de l'enceinte sous forme d'une veine unique dont le mouvement comporte une composante de rotation et des moyens d'extraction de la phase liquide placés pour collecter ladite phase liquide qui se rassemble le long de la paroi de l'enceinte et l'évacuer. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte est approximativement de révolution autour d'un axe rectiliqne et en ce que les moyens déflecteurs sont localisés à proximité de ltextrémité amont et imposent à l'écou- lement un mouvement hélicofdal en bloc le long de l'enceinte. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce aue les moyens mécaniques déflecteurs sont constitués par des aubes ou ailettes portées par ladite paroi. 4. Dispositif séparateur suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend, en aval des moyens d'extraction et sur le trajet de la vapeur, des moyens meca- noues, tels qu'ailettes ou aubes, destinés à redresser l'écoulement de la vapeur avant admission dans le ou les conduits de surchauffe. 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 l'extrémité aval, concentrique à ladite enceinte et délimitant avec elle un espace annulaire de collection de la phase liQuide. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'enceinte a une longueur de O,S m à quelques mètres et un diamètre de une dizaine à quelques dizaines de centimètres. 7. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enceinte tubulaire est enroulée sur elle-même et en ce que les moyens d'extraction sont constitués par des orifices traversant ladite paroi et ménagés dans la ou les parties concaves de la paroi ou immédiatement en aval de ces parties. 8. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enceinte tubulaire est cintrée pour constituer des coudes successifs et en ce que les moyens d'extraction sont constitués par des orifices traversant la paroi de l'enceinte et ménagés à la sortie des parties concaves de celle-ci. 9. 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. 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte a une forme convergente et/ou divergente sur au moins une fraction de sa longueur pour imposer à l'écoulement une accélération et/ou un ralentissement. 11. 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.