Brevet FR2371658A1 — publié le 19780616

La présente invention concerne un réchauffeur haute pression et, plus précisément, un appareil dans lequel de l'eau sous pression relativement élevée circulant dans des tubes est réchauffée par échanges thermiques avec de la vapeur également sous pression qui se condense dans la partie chaude de l'appareil, c'est-à-dire du côté de la sortie de liteau, les condensats étant sous-refroidis dans la partie froide de l'échangeur, c'est-à-dire du côté de 1' ntrée de 1 'eau. Un tel appareil est utilisé, en particulier, dans les cycles thermiques associés aux centrales nucléaires et comprenant une phase de production de vapeur, une phase de détente de la vapeur dans une turbine et une phase de condensation de la vapeur détendue, l'eau résultant de la condensation étant retournée dans le générateur de vapeur. Un réchauffeur selon l'invention est alors utilisé pour remonter la température de l'eau provenant du condenseur avant sa ré-introduction dans l'évaporateur. La vapeur servant à réchauffer cette eau est généralement prélevée sur l'étage haute pression de la turbine. Les problèmes à résoudre pour réaliser un tel réchauffeur sont multiples. Compte tenu des températures relativement élevées mises en jeu dans le réchauffeur, de l'ordre de 2500,il faut pouvoir assurer la dilatation du faisceau de tubes parcouru par l'eau à réchauffer. Par ailleurs, la structure de l'appareil doit être adaptée aux fortes pressions que l'on trouve à la fois dans l'eau pressurisée qui peut atteindre 200 bars ou même plus, et dans la vapeur, qui peut être de 40, 60 bars ou plus. L'appareil doit en outre assurer le sous-refroidissement des condensats, c'est-à-dire qu'il doit avoir une structure telle qu'il soit facile de sous-refroidir les condensats dans la zone froide à contre-courant de l'eau à réchauffer. Il faut cependant éviter que la vapeur puisse entrer en contact avec les condensats sous-refroidis, ce qui aurait pour effet de les réchauffer. Enfin, il convient d'offrir de larges sections de passage à l'écoulement de la vapeur pour éviter les érosions dues à de trop grandes vitesses. Pour résoudre le problème de la dilatation du faisceau de tubes, on a déjà proposé des échangeurs dans lesquels l'eau à réchauffer parcourt des tubes coudés en U dont les extrémités sont fixées à une plaque commune, de telle sorte que la partie coudée peut se dilater librement. L'eau est introduite du côté opposé de la plaque, dans une tête, parcourt les tubes et ressort dans la tête, une cloison séparant la tête en un compartiment d'entrée et un compartiment de sortie. Une virole entourant le faisceau et liée à la plaque définit une enceinte qui permet l'introduction du fluide à refroidir circulant entre les tubes parcourus par l'eau à réchauffer. En disposant un tel réchauffeur horizontalement, on peut introduire la vapeur à la partie superieure de la virole.Cette vapeur se condense sur la portion de sortie des tubes en U parcourus par l'eau, et les condensats sont sous-refroidis sur les portions d'entrée des tubes en U, avant d'être évacués à la partie inférieure de l'appareil. Du fait qu'il n'existe qu'une tête avec le compartiment d'entrée et le compartiment de sortie de l'eau, cette tête a un diamètre relativement important et l'on conçoit que des considérations d'ordre technologique limitent les dimensions de cette tête et, par conséquent, les pressions qui peuvent etre appliquées. Par ailleurs, le réglage du sous-refroidissement est difficile à réaliser. I1 convient en effet de mettre en place une cloison horizontale pour séparer la vapeur introduite des condensats formés. Or, la hauteur des condensats est difficile à définir exactement et, l'on risque donc d'avoir un niveau de condensats trop bas, ce qui provoquerait le chauffage des condensats par la vapeur passant sous la cloison horizontale, ou au contraire un niveau trop haut des condensats qui viendrait noyer la partie du faisceau qui est située au-dessus de la cloison horizontale et sur laquelle se condense la vapeur. Si on utiiisait le même type d'appareil en position verticale, le niveau des condensats serait plus facile à régler, mais la condensation se ferait à la base de l'appareil aussi-bien du côté entrée que du côté sortie des tubes, de sorte que toute la partie située du côté sortie des tubes, c'est-à-dire là où les tubes sont parcourus par l'eau réchauffée, serait perdue. Si, enfin, on imaginait des appareils verticaux à tubes droits, on résoudrait le problème relatif au réglage des condensats et à la forte pression appliquée, mais on se heurterait au problème de la dilatation des tubes. L'invention a pour objet un nouveau type de réchauffeur dont la conception permet de résoudre les divers problèmes énumérés plus haut. A cet effet, un réchauffeur selon l'invention comprend un faisceau de tubes destinés à être parcouru par l'eau à réchauffer et présentant une portion sensiblement horizontale qui est fixée sur une première plaque d'extrémité et qui est raccordée par une portion cintrée à une portion sensiblement verticale fixée sur une deuxième plaque d'extrémité, l'introduction de l'eau dans les tubes se faisant par une tête au bas de la portion sensiblement verticale tandis que l'évacuation se fait par une tête à l'extrémité de la portion sensiblement horizontale, le faisceau étant entouré pur une virole liée aux plaques d'extrémité et l'introduction de la vapeur se faisant sur la portion horizontale, de telle manière que la vapeur se condense sur la portion sensiblement horizontale du fais ceau et que les condensats soient sous-refroidis dans la portion sensiblement verticale de celui-ci. Grâce à la présence de la portion coudée, les tubes peuvent ainsi se dilater sous l'effet de la température. Par ailleurs, cette portion coudée permet de disposer d'une portion sensiblement verticale dans laquelle des condensats sont sous-refroidis par échanges thermiques uniquement dans la partie froide des tubes, le réglage du niveau des condensats étant facilement réalisé dans une telle portion verticale. Par ailleurs, les tubes sont fixés à deux plaques d'extrémité, de sorte que les têtes et les plaques correspondantes peuvent être de dimensions sensiblement moitié de celles qui sont nécessaires avec une disposition à tubes en U où une seule plaque sert à la fixation des deux extrémités des tubes.En d'autres termes, il est possible avec un appareil selon l'invention, d'accroître les épaisseurs des plaques et les dimensions des têtes pour travailler à des pressions supérieures à celles qui constituent la limite technologique pratique dans le cas d'un échangeur à faisceau en U. En outre, la distribution de la vapeur est particulièrement facile puisqu'elle s'effectue sur tout le pourtour de'la portion horizontale du faisceau de tubes. Enfin, le montage est simple puisqu'il ne fait appel qu'è des modes de construction habituels en chaudronnerie, en particulier en ce qui concerne le faisceau formé- de deux portions rectilignes raccordées par une portion coudée. Le complément de description qui vo suivre, avec le dessin annexé est destiné à mettre en évidence les particularités de l'invention. Sur le dessin - la figure 1 est un schéma d'un cycle thermique dans lequel un réchauffeur selon l'invention peut être utilisé - la figure 2 montre schématiquement un réchauffeur de type classique - la figure 3 est une coupe verticale axiale d'un réchsuf- feur selon l'invention et - la figure 4 est une vue de détail, dans le cas où la vapeur de chauffage est surchauffée. Le cycle thermique représenté sur la figure 1 et associé par exemple à une centrale nucléaire comprend un générateur de vapeur 7 équipé d'un faisceau en U, la, parcouru par un fluide chaud admis en lb et évacué en Ic. La vapeur produite dans le générateur 1 et qui se trouve à une température de 265oc par exemple est détendue dans un corps de turbine haute pression 2a, puis un corps de turbine basse pression 2b. La vapeur détendue est condensée dans un condenseur 3. L'eau pressurisée provenant du condenseur est réchauffée partiellement dans un réchauffeur basse pression 4, par échange de chaleur avec de la vapeur prélevée sur le corps de turbine basse pression 2b. L'eau, sous une pression qui peut être de l'ordre de 150 bars, se trouve alors à une température de l'ordre de 185 . Elle ne peut pas être renvoyée directement dans le générateur de vapeur. Elle doit être réchauffée à une température fixée par exemple à 226 . Le réchauffage est alors effectué dans un réchauffeur haute pression 5 par échange thermique avec de la vapeur prélevée sur le corps de turbine haute pression 2a. La vapeur est par exemple à une température de 2290C et sous une pression de 40 bars. Un appareil classique proposé comme réchauffeur 5 est représenté sur la figure 2. L'eau à réchauffer parcourt un faisceau 6 de tubes coudés en U dont les extrémités sont fixées à une plaque commune 7. L'eau est introduite du côté opposé à la plaque 7 en 8 dans un compartiment d'entrée 9 formé dans une tête 10. Après avoir parcouru le faisceau 6, elle ressort dans un compartiment de sortie 11 formé dans la tête 10, pour être envoyée en 12 vers le générateur de vapeur 1. Une virole 13 entoure le faisceau de tubes 6 et est liée à la plaque 7 pour former une enceinte qui permet l'introduction en14 de la vapeur de réchauffage.La vapeur se condense sur la portion chaude du faisceau 6, puis du fait de la disposition horizontale de l'appareil, les condensats sont sous-refroidis au contact de la portion froide du faisceau de tubes, à la partie inférieure de l'appareil. Les condensats sous-refroidis sont evacués en 15. Pour éviter que la vapeur introduite en 14 ne vienne réchauffer les condensats, on dispose une cloison horizontale de séparation 16. Toutefois, avec une telle disposition horizontale, le réglage du niveau des condensats est difficile à réaliser.On risque que le niveau soit trop bas et que par suite la vapeur vienne, sous la cloison 16, réchauffer les condensats, cu bien que le niveau soit trop haut et que les condensats viennent noyer la partie du faisceau 6 qui est située au-dessus de la cloison horizontale 16 en nuisant à une bonne réalisation de la condensation de la vapeur. Par ailleurs, du fait qu'il n'existe qu'une tête 10 avec un compartiment d'entrée 9 et un compartiment de sortie Il et une seule plaque 7 pour le faisceau de tubes, on conçoit que les pressions qui peuvent être appliquées sont limitées en raison des limitations imposées au diamètre de la tête et à l'épaisseur de la plaque. Un réchauffeur selon l'invention, pouvant avantageusement s'intégrer dans un cycle thermique selon la figure 1 , à la place d'un réchauffeur classique 5, est représenté sur la figure 3. Un tel réchauffeur comprend un faisceau de tubes désigné d'une manière générale par 20, destiné à être parcouru par l'eau à réchauffeur et présentant une portion sensiblement horizontale 21 qui est fixée sur une première plaque d'extrémité 22. Cette portion, sensiblement horizontale, 21, est raccordée par une portion cintrée 23 à une portion sensiblement verticale 24 fixée sur une deuxième plaque d'extrémité 25. L'introduction de l'eau pressurisée à réchauffer se fait par une tête 26 au bas de la portion sensiblement verticale tandis que l'évacuation de l'eau pressurisée réchauffée se fait par une tête 27, à l'extrémité de 1-a portion sensiblement horizontale.Dans la portion horizontale, le faisceau de tubes est maintenu par des parois verticales 28, tandis que dans la portion verticale, il est maintenu par des parois horizontales 29, le faisceau pouvant se dilater librement dans la portion cintrée 23. Une vir-ole 30 entourant le faisceau 20 est soudée sur les plaques d'extrémité 22 et 25. A la partie supérieure de la portion horizontale, elle comporte une admission 31 pour la vapeur de réchauffage. A la partie inférieure de la portion verticale, elle comporte une évacuation 32 pour les condensats. Un détecteur de niveau 33 permet de régler le niveau des condensats dans la portion verticale 24. Dans l'exemple indiqué précédemment, l'eau qui pénètre dans la tête 26 est à une température de 185 , sous une pression de 150 bars. Cette eau parcourt le faisceau de tubes où elle est réchauffée de manière à ressortir par la tête 27 à une température de 2260C. La vapeur de réchauffage est introduite en 31 à une température de 2290C, sous une pression de 40 bars. Bien entendu, ces chiffres sont donnés uniquement pour fixer les idées et ne sauraient restreindre la portée de l'invention. La vapeur se condense au contact des tubes sur la portion sensiblement horizontale du faisceau et l'eau de condensation qui en résulte s'écoule dans la portion sensiblement verticale du réchauffeur où les condensats sont sous-refroidis au contact de la portion la plus froide du- faisceau. Dans l'exemple indiqué, les condensats sont soutirés en 32, alors que leur température est de 1930C. On conçoit que dans la portion verticale, le réglage du niveau des condensats soit facile à réaliser. Bien entendu, les cloisons 29 servant à supporter les tubes du faisceau dans cette portion verticale, sont convenablement échancrées pour ne pas faire obstacle au passage des condensats. Dans le cas où le réchauffage de l'eau pressurisée se ferait avec de la vapeur surchauffée, on pourrait prévoir une admission 31' de cette vapeur voisine de la plaque d'extrémité 22 et une ou plusieurs chicanes telles que 35 pour opérer un premier refroidissement de cette vapeur, avant qu'elle ne se condense sur le restant de la portion sensiblement horizontale du faisceau 21, comme indiqué sur la figure 4. La portion sensiblement verticale du faisce-au est nettement plus courte que la portion sensiblement horizontale et il vo de soi qu'elle peut être plus ou moins inclinée par rapport à la verticale, et même coudée si le besoin s'en faisait sentir pour des raisons d'encombrement ou autres, le principe restant cependant le même. Revendications 1. Réchauffeur comprenant un faisceau de tubes destiné à etre parcouru par de l'eau à réchauffer par échange thermique avec de lsa vapeur introduite dans une virole entourant le faisceau, caractérisé en ce que le faisceau de tubes présente une portion sensiblement horizontale qui est fixée sur une première ploque d'extrémité et qui est racoordée par une portion cintrée à- une portion sensiblement verticale fixée sur une deuxième plaque d'extrémité, l'introduction de l'eau dans les tubes se faisant par une tête au bas de la portion sensiblement verticale et l'évacuation de l'eau se faisant par une tête à l'extrémité de la portion sensiblement horizontale, tandis que l'introduc tion de la vapeur se fait sur la portion horizontale de telle manière que ladite vapeur se condense sur la portion Sensiblement horizontale du faisceau et que les condensats soient sous refroidis au contact de la portion sensiblement verticale de celui-ci. 2. Réchauffeur selon la revendication 1, dans lequel le fluide de réchauffage est de la vapeur surchauffée, caractérisé en ce que l'introduction de la vapeur se fait au voisinage de la plaque d'extrémité de sortie du faisceau, au moins une chicane assurant un premier refroidissement de la vapeur avant sa condensation sur la portion sensiblement horizontale du faisceau. 3. Réchauffeur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la portion sensiblement verticale est équipée d'un ré gulateur de niveau des condensats.