Brevet FR2372383A1 — publié le 19780623

La présente invention se rapporte a un séparateur vapeur-eau à effet centrifuge pour des générateurs de vapeur, en particulier des générateurs de vapeur a circulation naturelle d'installations de réacteurs nucléaires, comprenant une enceinte sensiblement en forme de cylindre creux, une chambre de turbulence située a l'intérieur de ladite enceinte et se rétrécissant en forme de cone dans le sens d'écoulement, une tubulure entrée débouchant par l'intermédiaire d'une couronne d'aube de mise en rotation dans une zone d'admission sur le côté inférieur de la chambre de turbulence, une sortie quittant l'enceinte sur le coté supérieur, pour évacuer de la chambre de turbulence la vapeur débarrassée de l'eau, ainsi que des moyens pour ramener dans le circuit du générateur de vapeur l'eau éjectée de la vapeur a l'intérieur de la chambre de turbulence. Un tel séparateur vapeur-eau a effet centrifuge est connu par la demande de brevet RFA nO 1 188 614. Dans le cas de tels séparateurs qui sont également appeles cyclones a courant ascendante il se pose le problème de rendre le degré de séparation aussi élevé que possible, c'est- -dire de rendre la vapeur quittant le séparateur aussi sèche que possible avant que cette vapeur soit envoyée aux turbines à vapeur. Dans le séparateur connu précité, le rétrécissement conique de la chambre de turbulence permet certes d'obtenir une augmentation de la vitesse circonférentielle de l'ecou- lement rotatoire produit par les aubages de mise en rotation, mais la chute de pression est relativement élevée.En outre, des particules d'eau déjà séparées de la vapeur et se trouvant sur le pourtour intérieur de la paroi de la chambre de turbulence peuvent être entraînées de nouveau par l'ecou- lement rotatoire. Les particules d'eau s' écoulant vers le bas sur le pourtour intérieur de la paroi de la chambre de turbulence ne parviennent dans des zones plus tranquilles que dans la partie inférieure de la chambre de turbulence, où un espace annulaire est prévu en vue de l'évacuation de l'eau entre la paroi de la chambre de turbulence et la tubulure d'entrée. La présente invention a pour objet un séparateur vapeureau a effet centrifuge pour des générateurs de vapeur, du type défini ci-dessus présentant une structure simple, une faible perte de pression et un degré de séparation élevé. Dans le séparateur vapeur-eau à effet centrifuge conforme à l'invention, la chambre de turbulence est constituée par un venturi perforé composé d'un convergent se rétrécissant en forme de cone et d'un diffuseur s'évasant en forme de cône depuis la section la plus étroite jusqu'à la sortie de la chambre de turbulence, de telle manière que la phase liquide éjectée et d'éventuelles particules de corps solides qui s'y trouvent contenues puissent être refoulées a travers les perforations dans l'espace annulaire formé entre le venturi perforé et l'enceinte, pour s'accumuler au fond de cet espace annulaire en vue de leur évacuation.Les avantages procurés par l'invention consistent surtout dans le fait que le diffuseur du venturi perforé est utilisé en tant que trajet supplémentaire de séparation et en vue de la récupération de pression et que les gouttelettes d'eau éjectées et d'éventuelles particules contenues dans ces gouttelettes se trouvent refoulées ou éjectées par les perforations hors de la zone d'action de l'écoulement rotatoire dans l'espace annulaire où elles peuvent s'écouler de façon pratiquement libre vers le bas le long du pourtour intérieur de la paroi de l'enceinte. De ce fait, la perte de charge est réduite et le degré de séparation est amélioré. Le séparateur vapeureau conforme a l'invention convient donc particulièrement pour des générateurs de vapeur de grande puissance dans des installations de réacteurs nucléaires.Pour un débit de vapeur donné, il est possible, grâce a l'agencement conforme à l'invention des séparateurs vapeur-eau, de réduire le nombre d'unités de séparation nécessaires. En se référant au dessin annexé, on va décrire ci-après plus en détail un exemple de réalisation non limitatif de l'invention; sur ce dessin la fig. 1 est une coupe longitudinale d'un générateur de vapeur pour des réacteurs à eau sous pression, équipé d'un agencement de séparation suivant l'invention; la fig. 2 représente une unité de séparation de l'agencement selon la fig. 1, également en coupe longitudinale; la fig. 3 est une coupe transversale suivant III-III de la fig. 2. Un générateur de vapeur représenté de façon simplifiée sur la fig. 1 et désigné dans son ensemble par DE comprend une enveloppe 14 verticale, sensiblement en forme de cylindre creux, présentant une calotte de fond non référencée, une partie de diamètre accru dans la zone des séparateurs et une calotte supérieure bombée, fermant la partie de diamètre accru de-l'enveloppe vers le haut. L'eau d'alimentation pénètre dans l'enveloppe 14 par une tubulure d'admission d'eau d'alimentation 16, s'écoule dans un espace annulaire 18 servant d'entrée et de là vers le bas a l'intérieur de l'espace de descente 10 délimité entre une chemise 24 et l'enveloppe cylindrique 14.La chemise 24 entoure des tubes échangeurs de chaleur u en forme de U disposés à l'intérieur de l'espace d'évaporation V et fixés par leurs extrémités dans un fond tubulaire 20, la chemise 24 se trouvant a distance au-dessus du fond tubulaire 20 et comportant à son extrémité supérieure un élargissement conique et une plaque de fermeture 36 à laquelle sont fixés en position verticale les différents séparateurs 38 d'un agencement de séparation. L'eau d'alimentation s'écoule dans l'espace de descente 10 vers le bas en direction du fond tubulaire 20, passe autour du bord inférieur de la chemise 24, remonte à l'intérieur de l'espace d'évaporation V et se trouve chauffé par échange de chaleur avec les tubes échangeurs de chaleur U, de manière à se vaporiser. Les tubes échangeurs de chaleur u sont traversés par le fluide primaire en tant qu'agent de chauffage, lequel fluide pénètre par une tubulure d'entrée 28 de la chambre primaire p dans la partie pl de la chambre primaire, traverse ensuite d'abord les branches ul dites chaudes du faisceau de tubes échangeurs de chaleur u et ensuite les branches u2 dites froides et, après avoir cédé sa chaleur, quitte de nouveau le générateur de vapeur par la partie de sortie p2 de la chambre primaire E et la tubulure de sortie 32. Les deux parties pl et p2 de la chambre primaire p sont séparées par une cloison t. La vapeur produite, en l'occurrence de la vapeur humide ou un mélange vapeur-eau, pénètre par des canaux d'admission 34 de la plaque de fermeture 3G, lesquels canaux ne sont pas visibles sur la fig. 1, mais sont repré sentés sur la fig. 2, depuis le bas dans les séparateurs 38 dans lesquels l'humidité contenue dans la vapeur est extraite, s'écoule par des ouvertures 40 prévues dans le fond des séparateurs, lesquelles ouvertures ne sont pas visibles sur la fig. 1, mais sont représentées sur la fig. 2, vers le caté supérieur de la plaque de fermeture 36 et de là par le bord extérieur de ladite plaque 36 et l'espace annulaire 18 dans llespace de descente 10 pour revenir dans le circuit du générateur de vapeur.La vapeur vive seche parvient par la tubulure de vapeur vive 72 dans une conduite de vapeur vive non représentée pour être envoyée aux turbines a vapeur. Chacun des séparateurs représentés en détail sur les fig. 2 et 3 et faisant partie de l'agencement de séparation selon la fig. 1 comprend une enceinte 36 sensiblement en forme de cylindre creux, avec une- tubulure d'entrée 42 du côté du fond, tubulure par laquelle chacun des séparateurs est fixé a la plaque de fermeture 36 dans la zone du pourtour intérieur des ouvertures 34a. A l'intérieur de l'enceinte 39 est disposée une chambre de turbulence W se rétrécissant en forme de cône dans le sens d'écoulement. La tubulure d'entrée 42 débouche par une couronne d'aubes de mise en rotation 66a dans la zone d'entrée, côté fond, de la chambre de turbulence W. La vapeur séchée sort par une sortie 70 commune à l'en- ceinte 39 et a la chambre de turbulence W, sur le c8té supérieur de l'enceinte.L'eau projetée hors de la chambre de turbulence W est évacuée dans la zone du fond de l'enceinte 39 par des ouvertures 40. Selon l'invention, la chambre de turbulence W est constituée par un venturi perforé 52 comprenant un convergent 56 se rétrEcissant en forme de cône et un divergent 52 s'élargissant en forme de cône depuis la section 57 la plus étroite jusqu'à la sortie 70 de la chambre de turbulence. La phase liquide éjectée et d'éventuelles particules de corps solides qui s'y trouvent contenues sont refoulées par les perforations 54 dans un espace annulaire R formé entre le venturi perforé 52 et l'enceinte 39, en étant en particulier projetées vers le pourtour intérieur de l'enceinte 39. Ces particules d'eau éjectées ainsi que les particules d'eau adhérant sur le pourtour extérieur-du venturi perforé 52 s'écoulent à l'intérieur de l'espace annulaire R vers le bas et sont recueillies dans la zone du fond de ce dernier.A cet endroit est prévu un fond annulaire 41 traversé par la tubulure d'entrée 42 et présentant les ouvertures d'écoule ment 40 déjà mentionnées. La partie d'enceinte 39 cylindrique et le venturi perforé 52 sont reliés, dans la zone de leurs bords supérieurs, a une paroi annulaire de fermeture 43 présentant une ouverture de sortie 70 centrale, coaxiale au venturi perforé 52. Cette ouverture de sortie 70 est de préférence délimitée par un tronçon tubulaire 44 faisant saillie vers l'intérieur dans le divergent 58 et relié à la paroi annulaire de fermeture 43, de telle manière que des niches de retenue N pour l'eau séparée, se trouvant à l'extrémité supérieure du divergent 58, soient formées à cet endroit. La couronne d'aubes de mise en rotation 66a entoure le canal d'admission 34 central délimité par la tubulure d'entrée 42, les aubes de mise en rotation 66 s'étendant en spirale et en éventail depuis le pourtour extérieur du canal d'admission 34 vers l'extérieur. En particulier, comme représenté, la couronne d'aubes de mise en rotation 66a présente un contour tronconique, ce qui crée, malgré le convergent 56 du venturi perforé, l'espace libre ou dégagement nécessaire pour l'établissement du pied du cyclone (écoulement rotatoire). En outre, la couronne d'aubes de mise en rotation 66a est fermée par une plaque 46 à son extrémité supérieure qui pénètre dans le convergent 56 du venturi perforé 52. Cela empêche un écoulement axial qui ne contriburait pas à l'effet de séparation. Les perforations 54 du venturi 52 sont en particulier réparties uniformément sur ce dernier. Le diamètre et l'espace ment des différentes perforations sont choisis de maniere d'une part à établir une section de passage suffisante pour la phase liquide séparée et,-d'autre part, à ne pas interrompre ou gêner l'écoulement rotatoire du mélange vapeur-eau à l'intérieur de la chambre de turbulence, ainsi que de manière à empêcher un échappement d'une quantité notable de vapeur séchée par lesdites perforations. Au fur et à mesure que l'écoulement rotatoire ou le cyclone se déplace vers le haut à l'intérieur du convergent 56 se rétricissant dans le sens de l'écoulement, la composante de vitesse circonférentielle augmente, de sorte que les forces centrifuges et donc l'effet de séparation se trouvent également accrues.Par conséquent, un gradient de pression déterminé est transformé en composante de vitesse augmentant la vitesse axiale et tangentielle de l'écoulement. A partir de l'emplacement le plus étroit ou col 57 du venturi, la vitesse d'écoulement du mélange diminue et la pression augmente jusqu'! ce que la vapeur séchée passe par l'ouverture de sortie 70 de la chambre de turbulence dans la chambre de vapeur vive da générateur de vapeur et de là dans la conduite de ";aeur vive.Du fait que la vapeur séchée présente une densité plus faible que la phase liquide, les forces centrifuges agissant sur la vapeur, sous l'effet de l'écoulement rotatoire sont sensiblement plus faibles, de sorte que la vapeur plisse s'écouler de façon pratiquement axiale. Comme déjà mentionné, la phase liquide éjectez traverse les perforations 54 du venturi perforé 52, est projetée en majeure partie contre le pourtour intérieur de la parsi d'enceinte 39, s'écoule le long de cette paroi, à linterinur de l'espace annulaire R, vers le bas en direction -des ouvertures d'écoulement 40, traverse lesdites ouvertures pour parvenir sur le côté supérieur de la plaque de fermeture 36 et passe de là dans 11 espace de descente 10 du générateur de vapeur. REVENDICATIONS 1. Séparateur vapeur-eau à effet centrifuge pour des générateurs de vapeur, en particulier des générateurs de vapeur à circulation naturelle pour des installations de réacteurs nucléaires, comprenant une enceinte sensiblement en forme de cylindre creux, une chambre de turbulence disposée A l'intérieur de ladite enceinte et se rétrécissant en forme de cône dans le sens d'écoulement, une tubulure d'entrée débouchant, en passant par une couronne d'aube de mise en rotation, dans une zone d'entrée, sur le côté inférieur de la chambre de turbulence, une sortie, quittant l'enceinte sur le côté supérieur, pour évacuer de la chambre de turbulence la vapeur débarrassée de l'eau ainsi que des moyens pour ramener dans le circuit du générateur de vapeur l'eau éjectée dans la chambre de turbulence, caractérisé par le fait que la chambre de turbulence est formée par un venturi perforé composé d'un convergent se rétrécissant en forme de cane et d'un divergent s'élargissant en forme de cône depuis la section la plus étroite jusqu't la sortie de la chambre de turbulence, de manière que la phase liquide éjectée et d'éventuelles particules de corps solides qui s'y trouvent contenues puissent être refoulées à travers les perforations dans un espace annulaire formé entre le venturi perforé et l'enceinte, espace au fond duquel ladite phase et les éventuelles particules de corps solides sont recueillies en vue de leur évacuation. 2. Séparateur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait-que l'enceinte comporte un fond annulaire traversé par la tubulure d'entrée et présentant des ouvertures d'écou- lement dans la zone du fond de l'espace annulaire. 3, Séparateur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la partie d'enceinte cylindrique et le venturi perforé sont reliés dans la zone de leurs bords supérieurs à une paroi annulaire de fermeture présentant une ouverture de sortie centrale coaxiale au venturi perforé. 4. Séparateur suivant la revendication 3,caractérisé par le fait que l'ouverture de sortie est délimitée par un tronçon tubulaire faisant saillie vers l'intérieur dans le divergent et relié à la paroi annulaire de fermeture, de manière à former des niches de retenue pour l'eau séparée se trouvant à l'extrémité supérieure du diffuseur. 5. Séparateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la couronne d'aubes de mise en rotation entoure un canal d'admission coaxial à la tubulure d'entrée et que les aubes s'étendent en spirale et en évantail vers l'extérieur depuis le pourtour exterieur du canal d'admission. 6. Séparateur suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que la couronne d'aubes de mise en rotation présente un contour tronconique. 7. Séparateur suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que la couronne d'aubes de mise en rotation est fermée par une plaque à son extrémité supérieure faisant saillie dans le convergent du venturi perforé.