Brevet FR2501843A1 — publié le 19820917

Procédé de condensation de vapeur d'eau dans un cycle de production d'énergie, et échangeur de chaleur pour sa mise en oeuvre La présente invention concerne un procédé de condensation de vapeur d'eau dans un cycle de production d'énergie par détente dans des turbines. Elle s'étend en outre à un échangeur de chaleur pour sa mise en oeuvre. Dans les centrales de production d'énergie électrique par détente de vapeur d'eau dans des turbines, on condense la vapeur d'échappement de la turbine à basse pression par échange de chaleur avec de l'eau froide, que l'on réchauffe dans une mesure relativement faible. Cela nécessite que l'on dispose de débits élevés d'eau froide, qui ne sont pas toujours disponibles. Par ailleurs, un réchauffage trop important de l'eau froide de condensation, généralement prélevée dans une rivière, a des effets néfastes sur la faune de celle-ci. Cette difficulté est d'autant plus grave que l'on tend actuellement à édifier des centrales de production d'énergie électrique de puissance unitaire de plus en plus élevée. La présente invention a pour but de permettre d'effectuer la condensation de la vapeur d'eau d'échappement des centrales de production d'énergie électrique à l'aide d'un débit relativement faible d'eau froide, sans cependant réduire le rendement énergétique du cycle de production d'énergie et même en améliorant celui-ci. Le procédé de l'invention est caractérisé en ce que l'on effectue la condensation par vaporisation d'un fluide frigorifique de température de vaporisation sous la pression atmosphérique inférieure à celle de l'eau, en ce que l'on détend dans une turbine le fluide frigorifique vaporisé, puis le condense par échange de chaleur avec de l'eau froide en cours de réchauffement, et en ce que l'on recomprime le fluide frigorifique liquéfié et le renvoie en échange de chaleur avec la vapeur d'eau à condenser. De préférence, l'on effectue dans la même zone d'échange de chaleur entre la vapeur d'eau à condenser et le fluide frigorifique, dans un premier passage du fluide frigorifique dans la zone d'échange son réchauffage au voisinage de la température d'ébullition, puis dans un second passage sa vaporisation. L'on soutire avantageusement les incondensables de la vapeur d'eau à condenser de la partie la plus froide de la zone d'échange de chaleur. L'invention s'étend en outre à un échangeur de chaleur vertical pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'admission axiale de fluide frigorifique liquide froid dans le bas de l'échangeur dans sa région axiale, un faisceau tubulaire axial de réchauffage du fluide frigorifique froid, relié à l'admission de celui-ci, des moyens d'admission de fluide frigorifique réchauffé dans le bas de l'échangeur dans une région concentrique, un faisceau tubulaire concentrique de vaporisation du fluide frigorifique réchauffé, une zone de séparation audessus des faisceaux tubulaires entre les phases liquide et vapeur du fluide frigorifique, des moyens de recyclage du fluide frigorifique liquide de la zone de séparation vers les moyens d'admission dans la région concentrique du bas de l'échangeur, des moyens d'évacuation du fluide frigorifique vaporisé sec de la zone de séparation, des moyens d'admission de la vapeur d'eau à condenser autour des faisceaux tubulaires, et des moyens d'évacuation de l'eau condensée. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes - Il comprend en outre des moyens de soutirage des incondensables de la vapeur d'eau dans la partie la plus froide de l'échangeur. - La zone de séparation entre les phases liquide et vapeur du fluide frigorifique est formée par une enveloppe, de préférence sphérique, disposée directement au-dessus de la plaque tubulaire supérieure des faisceaux tubulaires. - La zone de séparation entre les phases liquide et vapeur du fluide frigorifique comprend un compartiment axial en liaison avec le faisceau tubulaire de vaporisation du fluide frigorifique, dans lequel remonte l'émulsion d'eau et de vapeur provenant des tubes, et un compartiment annulaire de recueil du fluide frigorifique, et des moyens de communication par trop plein entre les deux compartiments. - Il comprend en outre des moyens de régulation du débit de fluide frigorifique à son admission en fonction du niveau de liquide dans la zone de séparation. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence à la figure unique du dessin annexé, un échangeur de condensation de vapeur d'eau d'échappement d'une turbine de détente à basse pression, par vaporisation d'ammoniac, et le circuit de l'a',,moniac vaporisé dans cet échangeur. L'échangeur, de virole externe 1, est relié à une tuyauterie 2 d'amenée de la vapeur d'eau à condenser. A sa partie inférieure, un conduit 3 assure l'évacuation de l'eau condensée. Il comprend deux faisceaux tubulaires, un faisceau axial de réchauffage 4 et un faisceau périphérique de vaporisation 5. Le faisceau axial 4 est relié à une botte inférieure axiale 6 d'introduction de l'ammoniac à réchauffer et à une botte supérieure 7 de collecte de I'armnoniac réchauffé. Le faisceau périphérique 5 est relié à une botte inférieure 8 périphérique d'introduction de l'ammoniac à vaporiser et à un compartiment supérieur 9 de collecte de l'ammoniac partiellersent vaporisé. La botte inférieure axiale 6 est reliée au conduit 10 d'alimentation en ammoniac, et la botte inférieure périphérique 8 au conduit 11 de recyclage de l'ammoniac liquide séparé. Dans le séparateur, désigné globalement par la référence 12, la cloche 13 sépare le compartiment axial 9 du compartiment annulaire 14. La botte supérieure 7 de collecte de l'ammoniac réchauffé est reliée par un court conduit 15 traversant la paroi de la cloche 12 au compartiment annulaire 14. Un chapeau formant chicane 16, coiffant la cloche 13, sépare les atmosphères gazeuses des compartiments axial et annulaire, sauf au voisinage du niveau de liquide dans le compartiment annulaire. Ce chapeau favorise la séparation du phases liquide et vapeur du fluide frigorifique par passage obligé de lsémulsion dans une chicane qui impose deux changements complets de direction à la phase vapeur, favorisant la séparation de celle-ci de la phase liquide.Des séparateurs 17, formés par exemple de paquets de tôles ondulées parallèles, permettent d'éliminer les gouttelettes de liquide restantes de la vapeur d'ammoniac. De la chambre 18 en aval des séparateurs 17, part un conduit 19 d'amenée de l'ammoniac gazeux séparé à la turbine de détente 20. Le débit d'ammoniac liquide introduit dans l'échangeur est réglé par une vanne 21, commandée par un régulateur 22 sensible au niveau de liquide dans le séparateur 12. Un conduit 23 de dégazage des incondensables de la vapeur d'eau part du bas de la zone axiale entourant le faisceau tubulaire de réchauffage 4, point le plus froid du côté vapeur d'eau de l'échangeur. De la turbine 20, un conduit 24 amène 1 'ammoniac détendu à un condenseur à eau 25, alimenté en eau froide par le conduit 26, cette eau étant ensuite évacuée réchauffée par le conduit 27. Le circuit d'ammoniac comprend enfin un conduit 28 d'amenée de l'ammoniac condensé à la pompe 29, qui le ramène dans l'échangeur à sa pression d'introduction par le conduit 10. Le fonctionnement du circuit est le suivant La vapeur d'eau à condenser, sous une pression de 400 à 500 millibars, pénètre par la tuyauterie-2 dans l'échangeur, où elle se condense autour des faisceaux tubulaires 4 et 5. L'eau formée est évacuée par le conduit 3, cependant qu'une fraction d'incondensables est éliminée par le conduit 23, partant de la zone la plus froide de l'échangeur, près du bas du faisceau tubulaire de réchauffage 4. L'ammoniac liquide à vaporiser est introduit par le conduit 10, un débit réglé par la vanne 21 contrôlée par le régulateur 22, sensible au niveau de liquide dans le ballon séparateur 12, dans la botte d'introduction 6.I1 s'élève alors dans les tubes du faisceau tubulaire 4, en se réchauffant au voisinage de sa température d'ébullition. Il se rassemble dans la botte 7, puis passe par le conduit 15 dans le compartiment annulaire 14. De ce compartiment, la tuyauterie de recyclage 11 ramène l'ammoniac liquide chaud à la boite inférieure 8 d'introduction dans le faisceau de vaporisation 5. De là, l'ammoniac s'élève dans le faisceau 5 en se vaporisant partiellement. L'ammoniac partiellement vaporisé recueilli dans le compartiment annulaire 14. Il se produit une première séparation, du fait du double changement de direction, en phases liquide et gazeuse. La phase liquide est recyclée par le conduit 11 déjà mentionné. La vapeur s 'élève jusqu'aux séparateurs 17, qui assurent son séchage final, en éliminent les dernières gouttelettes de liquide entrainées. On recueille dans la chambre supérieure 18 de l'ammoniac sec, qui est évacué par le conduit 19 vers la turbine de détente 20. De la turbine 20, l'ammoniac détendu passe par le conduit 24 dans le condenseur à eau 25 où il est condensé par de l'eau froide. L'ammoniac condensé est recyclé par le conduit 28 à la pompe 29, qui le comprime à nouveau à sa pression initiale et le renvoie au conduit 10 d'admission à l'échangeur. Bien que le procédé et l'échangeur de chaleur qui viennent d'être décrits en référence au dessin paraissent les formes préférables de réalisation de l'invention, on comprendra que diverses modifications peuvent leur être apportées sans sortir du cadre de l'invention, certaines des opérations du procédé et certains des organes de l'échangeur pouvant être remplacées par d'autres qui joueraient un rôle technique analogue. REVENDICATIONS 1/ Procédé de condensation de vapeur d'eau dans un cycle de production d'énergie par détente dans des turbines, caractérisé en ce que l'on effectue cette condensation (1) par vaporisation d'un fluide frigorifique de température de vaporisation sous la pression atmosphérique inférieure à celle de l'eau, en ce que l'on détend dans une turbine (20) le fluide frigorifique vaporisé, puis le condense (25) par échange de chaleur avec de l'eau froide en cours de réchauffement, et en ce que l'on recomprime (29) le fluide frigorifique liquéfié et le renvoie en échange de chaleur avec la vapeur d'eau à condenser. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue dans la même zone d'échange de chaleur entre la vapeur d'eau à condenser et le fluide frigorifique, dans un premier passage (4) du fluide frigorifique dans la zone d'éehange son réchauffage au voisinage de la température d'ébullition, puis dans un second passage (5) sa vaporisation. 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on soutire (23) les incondensables de la vapeur d'eau à condenser de la partie la plus froide de la zone d'échange de chaleur. 4/ Echangeur de chaleur vertical pour la vaporisation d'un fluide frigorifique dans le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'admission axiale (6) de fluide frigorifique liquide froid dans le bas de l'échangeur dans sa région axiale, un faisceau tubulaire axial (4) de réchauffage du fluide frigorifique froid, relié à l'admission de celui-ci, des moyens d'admission de fluide frigorifique réchauffé dans le bas de ltéchangeur dans une région concentrique (8), un faisceau tubulaire concentrique (5) de vaporisation du fluide frigorifique réchauffé, une zone de séparation (12) au-dessus des faisceaux tubulaires entre les phases liquide et vapeur du fluide frigorifique, des moyens de recyclage (11) du fluide frigorifique liquide de la zone de séparation vers les moyens d'admission dans la région concentrique du bas de l'échangeur, des moyens d'évacuation (19) du fluide frigorifique vaporisé sec de la zone de séparation, des moyens d'admission (2) de la vapeur d'eau à condenser autour des faisceaux tubulaires, et des moyens d'évacuation de l'eau condensée (3). 5/ Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (23) de soutirage des incondensables de la vapeur d'eau dans la partie la plus froide de l'échangeur. 6/ Echangeur selon les revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la zone de séparation entre les phases liquide et vapeur du fluide frigorifique est formée par une enveloppe (12), de préférence sphérique, disposée directement au-dessus de la plaque tubulaire supérieure des faisceaux tubulaires. 7/ Echangeur selon 1' une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la zone de séparation entre les phases liquide et vapeur du fluide frigorifique comprend un compartiment annulaire (14) en liaison avec le faisceau tubulaire de réchauffage du fluide frigorifique, un compartiment axial (9) en liaison avec le faisceau tubulaire de vaporisation du fluide frigorifique, et des moyens (13) de oommunication par trop-plein entre les deux compartiments. 8/ Echangeur selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de régulation du débit de fluide frigorifique (21, 22) à son admission en fonction du niveau de liquide dans la zone de séparation.