Brevet FR2525735A1 — publié le 19831028

Surchauffeur intermédiaire. La présente invention est relative à un surchauffeur intermédiaire qui est destiné princi- palement à surchauffer la vapeur (vapeur secondai- re) dans des centrales nucléaires, dans lequel on enlève la chaleur en excès de la vapeur qui se condense (vapeur primaire) d'un réacteur ou d'un générateur de vapeur Il peut aussi très bien être appliqué à d'autres installations,ou l'on utilise de la vapeur qui se condense comme milieu de chauffage. On connait des surchauffeurs intermédiai- res à un passage dans lesquels plusieurs faisceaux sensiblement verticaux de tubes sont disposés dans une cuve de réacteur sous pression et dans lesquels la vapeur chauffante (la vapeur primaire)se conden- se à l'intérieur des tubes et la vapeur qui est chauffée (la vapeur secondaire) passe transversale- ment dans le faisceau de tubes Dans les surchauf- feurs intermédiaires connus, une majeure partie de la transmission de la chaleur s'effectue dans les tubes extérieurs qui sont d'abord mis en contact avec la vapeur secondaire à chauffer Ceci signi- fie qu'il se condense davantage de vapeurà l'intérieur de ces tubes extérieurs que dans des tubes se trou- vant plus à l'intérieur du faisceau de tubes Une con- densation totale peut se produire dans une partie du faisceau de tubes, tandis qu'un excès de vapeur peut se produire dans une autre partie Il en résul- te une accumulation d'eau et de gaz non condensables (par exemple d'air) dans des parties stagnantes du faisceau de tubes, ce qui porte atteinte à la propa- gation de la chaleur Un autre inconvénient de ce phénomène est le danger d'endommagement par corro- sion et les grandes différentes de températures en- tre les tubes. Un procédé connu antérieurement pour pa- lier les inconvénients mentionnés ci-dessus a con- sisté à augmenter considéralement le courant de vapeur dans les tubes de manière à ce qu'un excès de vapeur soit toujours présent dans toutes les parties du faisceau de tubes ou des faisceaux de tubes et à faire recirculer l'excès de vapeur ain- si créé de la sortie des tubes à l'entrée des tu- bes Pour obtenir un courant de vapeur garanti dans tous les tubes, dans toutes les conditions de fonc- tionnement,il faut dans les surchauffeurs connus faire recirculer entre 100 et 150 % de la quantité de vapeur primaire fournie La recirculation est réalisée au moyen d'éjecteurs qui sont entraînés par la vapeur primaire fournie Chaque faisceau de tubes exige son propre système de recirculation avec des éjecteurs et son propre système d'évacua- tion pour décharger le produit condensé Le monta- ge des conduits est compliqué Il faut prévoir un grand nombre de joints compliqués et coûteux entre les faisceaux de tubes. L'invention vise un surchauffeur intermé- diaire plus simple et perfectionné ayant une plus grande capacité par unité de volume. Le surchauffeur intermédiaire suivant l'invention comprend un récipient sous pression ayant au moins un faisceau de tubes Avantageusement,le sé- cheur de la vapeur est placé dans le récipient de pression ou communique avec celui-ci Dans le sé- cheur pour la vapeur l'humidité de la vapeur secon- daire est enlevée avant que cette vapeur n'atteigne le faisceau de tubes o elle est surchauffée A l'in- térieur du récipient sous pression,des tubes sont disposés autour d'un espace central et communiquent au sommet avec une chambre d'entrée pour la vapeur et au fond avec une chambre de sortie pour la vapeur. L'espace central est défini ainsi par les tubes qui sont disposés avantageusement de manière annulaire autour de l'espace central et,au sommet et au fond, par les chambres pour la vapeur Au moins un conduit de recirculation pour un excès de vapeur met en com- munication les chambres pour la vapeur Ce conduit est disposé avantageusement au milieu de l'espace central Entre les tubes et le récipient sous pres- sion il y a un espace qui est avantageusement annu- laire Dans la chambre sous pression,il y a une cloison annulaire qui divise l'espace se trouvant entre la chambre sous pression et les tubes en une portion inférieure et en une portion supérieure De cette manière la vapeur secondaire qui doit être surchauffée est forcée de passer dans les tubes ra- dialemqnt vers l'intérieur et ainsi transversalement aux tubes d'un espace se trouvant à l'extérieur des tubes vers l'espace central, d'y passer verticalement et ensuite d'aller radialement vers l'extérieur transversalement auxtubes dans le second espace com- pris entre les tubes et le récipient sous pression. L'espace compris entre les tubes et la cloison du récipient sous pression peut également être subdivisé en trois parties ou en plusieurs parties par des cloisons orientées radialement et l'espace central peut être subdivisé en deux par- tiesou en plusieurs parties par des cloisons ra- diales Dans cette variante, la vapeur secondai- re qui doit être chauffée sera forcée d'une maniè- re répétée de passer radialement transversalement aux tubes du faisceau. Une petite quantité de vapeur primaire est évacuée en continu du système primaire pour main- tenir la concentration des gaz non condensables en dessous d'un niveau acceptable. Avantageusement,le récipient sous pres- sion et les tubes qui s'y trouvent sont disposés verticalement, mais ils peuvent bien entendu être disposés d'une manière différente, par exemple ho- rizontalement Dans un surchauffeur vertical, la vapeur secondaire à surchauffer peut s'écouler de manière ascendante ou descendante. Dans un 'Surchauffeur vertical, les cham- bres pour la vapeur ont une section droite horizon- tale circulaire Les tubes sont reliés annulaire- ment au voisinage de la périphérie La vapeur pri- maire est fournie à la chambre supérieure et le produit condensé formé est évacué de la chambre in- férieure La vapeur primaire est introduite tangen- tiellement sur le pourtour de la chambre supérieu- re de sorte que la vapeur prenne dans la chambre un mouvement de rotation important Il se produit ainsi une différence de pression radiale dans la chambre supérieure La pression est la plus basse au centre et la plus élevée au pourtour au-dessus des entrées des tubes Cette différence de pres- sion radiale constitue la force d'entraînement pour la recirculation de la vapeur de la chambre infé- rieure à la chambre supérieure par un conduit de recirculation disposé au centre Comme la vapeur secon- daire est surchauffée à la fois quand elle s'écoule vers l'intérieur et vers l'extérieur à travers les couches de tubes, on obtient une condensation plus uniforme de la vapeur primaire dans des tubes de couches diffé- rentes De cette manière et parce que la différence de pression radiale aux entrées des tubes dans la chambre supérieure pour la vapeur donne un courant de vapeur plus élevé dans les couches de tubes extérieures que dans celles qui sont à l'intérieurle besoin de recir- culationde vapeur sera considérablement plus faible que dans les surchauffeursconnusantérieurement Grâce à l'in- vention,on peut se dispenser d'éjecteurs spéciaux à sys- tème tubulaire compliqué pour la recirculation On peut ainsi simplifier l'agencement et le rendre moins coû- teux Un autre avantage est également que l'on peut construire le surchauffeur d'une manière symétrique et sous une forme très ramassée,de sorte que l'on ob- tient une capacité élevée par unité de volume En cons- truisant le surchauffeur de manière à ce que la vapeur secondaire passe radialement dans le faisceau de tubes un certain nombre de fois, la condensation dans le fais- ceau peut devenir si uniforme qu'il peut être suffisant d'évacuer une quantité très limitée de vapeur de la cham- bre inférieure pour la vapeur ce qui permet de se dis- penser du conduit de recirculation. Dans un mode de réalisation particulier du surchauffeur,plusieurs conduits de recirculation ou conduits pour l'évacuation de la vapeur sont montés avantageusement de manière à ce qu'ils soient parcou- rus par de la vapeur secondaire, en sorte qu'une con- densation de vapeur primaire se produit dans ces con- duits. La différence de pression entre les portions intérieure et extérieure de la chambre pour la vapeur peut être augmentée en disposant des moyens convena- bles à l'intérieur de la chambre C'est ainsi, par exemple, que la chambre pour la vapeur peut être sub- divisée en un compartiment supérieur et en un compar- timent inférieur par une cloison annulaire orientée radialement, qui est reliée à la paroi extérieure de la chambre pour la vapeur L'ouverture au centre est adaptée aux conditions opératoires et doit représen- ter normalement plus de 30 % du diamètre de la chambre pour la vapeur L'entrée pour la vapeur débouche tan- gentiellement dans le compartiment supérieur de la chambre pour la vapeurtandis que les tubes débouchent dans le compartiment inférieur. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple. La figure 1 est une coupe verticale d'un surchauffeur intermédiaire; la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne A-A de la figure 1; la figure 3 est une vue en coupe de la cham- bre supérieure pour la vapeur suivant la ligne B-B de la figure 1, la figure 4 est une vue en plan d'une va- riante de chambre supérieure pour la vapeuret la figure 5 est un graphique illustrant la variation de pression radiale dans une chambre pour la vapeur suivant la figure 4. Aux figures, 1 désigne une cuve *de réacteur sous pression De la vapeur secondaire à surchauffer arrive dans la cuve ou récipient sous pression par un conduit 2 L'humidité de la vapeur est séparée dans un sécheur pour la vapeur (non représenté), qui peut communiquer avec le surchauffeur ou qui peut être disposé à l'intérieur du récipient sous pression Un grand nombre de tubes verticaux 4 sont disposés dans le récipient sous pression M 735 1 suivant un agencement annulaire C'est ainsi par exemple que 25 couches cylindriques de tubes peu- vent être prévues Les tubes communiquent avec une chambre supérieure pour la vapeur 5 et une chambre inférieure pour la vapeur 6 Dans l'espace 7 à l'in- térieur des tubes,il y a un conduit 8 pour faire re- circuler la vapeur de la chambre inférieure 6 à la chambre supérieure 5 Tout le faisceau de tubes avec ses chambres 5 et 6 peut être suspendu dans le réci- pient sous pression 1 au moyen d'éléments porteurs Avec la chambre pour la vapeur 6 communique un conduit 11 pour le produit condensé,ayant un compen- sateur 12 capable d'absorber les variations de lon- gueur du faisceau de tubes Un ou plusieurs conduits pour la vapeur 13 communiquent tangentiellement à la chambre supérieure pour la vapeur De la vapeur pri- maire est envoyée par ces conduitspar exemple en pro- venance d'un réacteur à eau bouillante ou d'un géné- rateur de vapeur Comme les conduits 13 débouchent tangentiellement la vapeur dans l'espace 9 tourne com- me indiqué par les flèches 22 Environ à mi-hauteur du récipient sous pression 1 lÈ 1 y a une cloison annu- laire horizontale 14 qui subdivise l'espace annulai- re 15 se trouvant entre les tubes 4 et la paroi du ré- cipient sous pression 1 en un espace inférieur 15 a et en un espace supérieur 15 b Les tubes 4 sont sup- portés à un certain nombre de niveaux par des plaques horizontales 16. Dans le mode de réalisation de la chambre pour la vapeur suivant la figure,4, l'espace 9 est subdivisé en un coepartirent supérieur 9 a et en un comparti- ment inférieur 9 a par une cloison 17 ayant une ou- verture centrale 18. La figure 5 représente comment la pression P de la vapeur dans une chambre pour la vapeur 5 du type suivant la figure 4 varie en fonction du rayon r en raison de l'écoulement en rotation de la vapeur. Entre le centre et l'extérieur,on obtient une diffé- rence de pression AP. La vapeur à surchauffer est envoyée au ré- cipient sous pression par le conduit 2 et monte dans l'espace annulaire 15 a,puis passe radialement vers l'intérieur en traversant le faisceau annulaire de tubes 4 comme indiqué par les flèches 20 pour parve- nir à l'espace 7 Dans cet espacela vapeur s'écoule ver le haut,puis radialement vers l'extérieur, comme indiqué par les flèches 21 en passant à travers le faisceau tubulaire pour aller à l'espace 15 b et fina- lement elle sort par le conduit 3 La vapeur chauf- fante est envoyée à la chambre pour la vapeur 5 et est condensée lorsqu'elle s'écoule vers le bas dans les tubes 4 et chauffe ainsi la vapeur à l'extérieur des tubes Le produit condensé est enlevé par le con- duit 11 Comme la vapeur dans les divers tubes 4 du faisceau tubulaire se condense d'unè manière diffé- rente, il est nécessaire d'opérer avec un certain excès de vapeur sortant des tubes afin d'obtenir un écoulement descendant contrôlé vers la chambre pour la vapeur 6 dans tous les tubes Sans cet excès de vapeur, la vapeur dans la chambre 6 peut s'écouler vers le haut dans certains tubes très refroidis et provoquer des problèmes de fonctionnement Comme la vapeur qui doit être surchauffée passe dans le fais- ceau de tubes une ou plusieurs fois radialement sui- vant deux directions, on obtient un refroidissement plus uniforme des tubes 4 suivant les différences cou- ches radiales au sein du faisceau de tubes Il est ainsi possible d'obtenir un fonctionnement avec un faible excès de vapeur La différence de pression radiale AP,due à la rotation de la vapeur dans la cham- ? 5735 bre supérieure pour la vapeur,fournit la force d'en- traînement nécessaire pour retourner l'excès de va- peur de la chambre inférieure pour la vapeur 6-à la chambre supérieure pour la vapeur 5 par le conduit 8. La variation de pression suivant la direction radiale donne également une quantité quelque peu plus grande de vapeur s'écoulant vers le bas dans les couches tubulaires extérieures qui sont celles qui sont re- froidies le plus fortement et o donc la condensation et le besoin de vapeur sont plus grandsque dans les couches intérieures de tubes Ce fait contribue éga- lement à maintenir l'excès de vapeur nécessaire à un niveau faible Le courant de vapeur secondaire peut, bien entendu, s'écouler aussi bien dans le sens oppo- sé, c'est-à-dire dans le sens opposé à celui des flè- ches à la figure 1. Dans une centrale nucléaire,la pression P de la vapeur qui est envoyée au surchauffeur peut être de 8 bar environ et la température de 170 WC environ. La pression P 2 et la température t 2 qui règnent dans la chambre supérieure pour la vapeur 5 peuvent être de 65 bar' et de 2800 C respectivement La vapeur sur- chauffée peut avoir une température t 3 qui peut s'éle- ver à 260 WC environ Dans une centrale électrique, assez grande, le courant de vapeur allant au surchauffeur est grand et peut représenter 600 kg/s environ et,pour sur- chauffer cette quantité de vapeur, on peut avoir besoin d'environ kg/s de vapeur primaire. REVENDICATIONS 1 Surchauffeur intermédiaire ou appareil semblable, par exemple pour des centrales électri- ques, consistant en un récipient sous pression ( 1) comprenant au moins un faisceau de tubes ( 4) avec. condensation de vapeur (vapeur primaire)à l'inté- rieur et surchauffage d'une autre vapeur (vapeur secondaire) ou de fluide à l'extérieur, caractéri- sé en ce que les tubes d'au moins un faisceau de tubes ( 4) sont disposés autour d'au moins un espace central ( 7) et s'étendent entre une chambre ( 5) pour la vapeur qui communique par au moins un conduit ( 13) avec une source devapeur et une chambre pour la vapeur ( 6) mrxcunique avec au imoins un conduit d'évacuation ( 11) pour évacuer le produit condensé, en ce que l'espace central ( 7) est défini par les chambres pour la vapeur ( 5,6) et par le faisceau de tubes ( 4) disposé avantageusement annulairement, en ce qu'entre le faisceau de tubes ( 4) et le récipient sous pression ( 1) sont formés au moins deux espaces ( 15 a,15 b), avantageusement annulaires,séparés par une cloison ( 14) qui force la vapeur secondaire à passer dans les tubes ( 4) radialement vers l'inté- rieur de l'espace ( 15 a) à l'espace central ( 7) et, après avoir traversée axialement l'espace ( 7), à retourner radialement vers l'extérieur,transversa- lement aux tubes, dans l'espace( 15 b) ou vice-versa. 2 Surchauffeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre les chambres pour la va- peur ( 5,6) est disposé au moins un conduit ( 8) pour la recirculation de la vapeur de la chambre ( 6) à l'espace ( 7) et ce conduit est dispose avanta- geusement dans l'espace central ( 7). 3 Surchauffeur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chambre pour la va- peur ( 5) a une section droite circulaire et en ce que la vapeur primaire est envoyée à cette chambre tangentiellement de manière à donner,à la vapeur qui s'y trouve, un mouvement un rotation induisant une pression qui diminue vers l'intérieur en direc- tion du centre de la chambre. 4 Surchauffeur s'ỉvant la revendication 3, caractérisé en ce que la chambre pour la vapeur ( 5) est subdivisée en deux compartiments ( 9 a et 9 b) ayant tous deux une section droite circulaire par une cloison ( 17) et en ce que dans cette cloison ( 17) est ménagée une ouverture centrale ( 18) entre les compartiments ( 9 a et 9 b) et en ce que la va- peur primaire est envoyée ( 13) à l'un des compar- timents ( 9 a) et en ce que les tubes ( 4) communiquent avec le second compartiment ( 9 b). 5 Surchauffeur suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la chambre pour la vapeur ( 5) ou les raccords ( 13) sont munis de moyens pour influencer la vitesse de rotation ou de recirculation de la vapeur. 6 Surchauffeur suivant l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les tubes ( 4) entre les chambres pour la vapeur ( 5,6) sont disposés de manière annulaire en plusieurs couches autour de l'espace central ( 7). 7 Surchauffeur suivant l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que l'espace cen- tral ( 7) est subdivisé en deux portions ou en plusieurs portions par une ou par plusieurs cloisons orientées radialement et l'espace compris entre les tubes( 4)et la paroi du récipient est subdivisé en trois por- tions ou en plusieurs portions par deux ouparplusieurs cloisons ( 14) orientées radialement. 8 Surchauffeur suivant l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que plusieurs con- duits ( 8) sont disposés dans l'espace ( 7) de manière à ce que de la vapeur secondaire s'écoule autour de ces conduits et qu'il s'y produise une condensation de la vapeur primaire.