Brevet FR2600403A1 — publié le 19871224

Générateur de vapeurà moens de séchaeeg úfectionn. La présente invention concerne un générateur de vapeur équipé de moyens de séchage d'un type nouveau, à efficacité accrue. Dans les centrales électriques utilisant comme source 5 d'énergie la chaleur dégagée par exemple par la réaction de fission produite dans un réacteur nucléaire, la vapeur servant à entraîner les turbines de l'alternateur électrique est créée dans un générateur de vapeur. L'expression "générateur de vapeur" désigne ici tout 10 composant dans lequel de l'eau pénétrant à l'état liquide ressort à l'état de vapeur sous l'effet de son échauffement. Un tel composant peut donc être un échangeur de chaleur dans lequel un fluide primaire, réchauffé par exemple dans le coeur d'un réacteur nucléaire, échauffe à son tour l'eau du circuit 15 secondaire. Il peut également s'agir de la cuve principale d'un réacteur nucléaire à eau bouillante, dans lequel l'eau se réchauffe directement en traversant le coeur du réacteur. Dans les appareils de ce type, la vapeur produite est fortement chargée en humidité. Avant d'être admise dans les 20 turbines, le taux d'humidité doit donc être réduit dans des proportions importantes. A cet effet, on place généralement dans l'enveloppe extérieure des générateurs de vapeur, au-dessus de la zone de production de vapeur, des dispositifs appelés "séparateurs" et 25 servant à extraire de la vapeur une partie de l'eau entraÂnée par celle-ci, et des dispositifs appelés "sécheurs" réduisant encore le taux d'humidité de la vapeur produite. Dans l'état actuel de la technique illustrée notamment par la demande de brevet européen 0 043 760, les séparateurs sont 30 constitués par des tubes verticaux juxtaposés, dans lesquels sont placées des ailettes hélico'dales centrifugeant le mélange eauvapeur, et permettant ainsi de séparer la plus grande partie de l'eau entraînée par la vapeur. La vapeur toujours chargée d'humidité sortant par L'extrémité supérieure des tubes traverse 2. 2600403 ensuite le dispositif de séchage, constitué de passages en chicane formés entre des lamelles en forme de chevrons. La forme des chicanes est telle qu'une partie des gouttelettes d'eau entraînées par la vapeur est séparée de celle-ci et redescend vers la zone de production de vapeur. Dans un générateur de vapeur de ce type, une bonne efficacité du dispositif de séchage ne peut être obtenue qu'au prix d'un encombrement relativement important. L'efficacité médiocre de ce dispositif de séchage 10 s'explique principalement par le fait que la séparation des gouttelettes d'eau est obtenue en faisant circuler la vapeur horizontalement à l'intérieur des chicanes. Lorsque la vapeur heurte la paroi de la chicane, la force d'inertie due au changement de courbure et la force de pesanteur,qui agissent cs simultanément sur chaque gouttelette d'eau, sont donc dirigées selon deux directions différentes, approximativement perpendiculaires. Le module de la résultante de ces deux forces, qui détermine le pouvoir séparateur du dispositif, est donc très inférieur à la somme des modules de ces deux forces, oui. pr9 correspond au pouvoir séparateur théorique maximum. De lus, après avcir éte séparées de la vapeur, les gOtte.ettes d'eau ne sont pas irm.é-iate ent soustraites 0 l'action de la vapeur environnante, de sorte qu'une partie d'entre elles 'peut être à nouveau entraÂnée par la vapeur. L'efficacté du d spGsitif est é6a erent iiritée par cephénomène. L'invention a précisément pour objet un générateur de vapeur équipé de sécheurs perfectionnés dans lesquels la séparation des gouttellettes d'eau est obtenue er faisant subir à 30 la vapeur des changements de direction successifs à 180 et en faisant circuler la vapeur de bas en haut, de telle sorte que la force de pesanteur agissant sur chaque gouttelette d'eau s'ajoute à la force d'inertie due au changement de direction, pour donner à la séparation une efficacité maximum. L'invention a aussi pour 35 objet un générateur de vapeur dont les sécheurs sont conçus de façon à soustraire immédiatement les gouttelettes d'eau à l'action de la vapeur. A cet effet et conformément à l'invention, il est proposé un générateur de vapeur comprenant une enveloppe extérieure renfermant, en partant du bas, une zone de production de vapeur chargée d'eau, des moyens de séparation d'une partie de l'eau entraînée par la vapeur, et des moyens de séchage de la vapeur, caractérisé en ce que les moyens de séchage de la vapeur comprennent plusieurs couches horizontales superposées de sécheurs élémentaires disposes selon un réseau régulier, de maille donnée, ce réseau étant identique et décalé d'une couche à l'autre, de sorte que les sécheurs élémentaires de chacune des couches sont situés à la verticale du centre des mailles des couches adjacentes, chaque sécheur élémentaire ayant approximativement la forme dfun entonnoir d'axe vertical, comprenant une partie supérieure sensiblement tronconique délimitée extérieurement par un bord périphérique extérieur retourné vers le bas et prolongée intérieurement vers le bas par une partie tubulaire centrale, les moyens de séchage comprenant de plus des canaux de drainage d'eau situés sous les couches de sécheurs, de telle sorte que les parties tubulaires centrales des sécheurs éLémerta4res des deux couches les pLus basses plongent toutes dans l'un des canaux de drainage, ces derniers débouchant dans des passages de retour d'eau descendant vers la zone de production de vapeur. Dans l'empilement ainsi constitué, la vapeur circulant de bas en haut vient heurter la partie supérieure sensiblement tronconique de chaque sécheur élémentaire. Pour contourner le bord périphérique extérieur retourné vers le bas, la vapeur change de direction à 180 , avant de reprendre sa progression vers le haut jusqu'à la couche de sécheurs élémentaires immédiatement supérieure. Sous l'effet de ce changement de direction à 1800, les gouttelettes d'eau sont soumises à une force d'inertie orientée verticalement vers le bas, qui vient 35 donc s'ajouter à la force de pesanteur. Le pouvoir séparateur atteint ainsi sa valeur maximum possible. De plus, les gouttelettes d'eau ainsi séparées de l'écoulement de vapeur tombent sur la partie supérieure sensiblement tronconique du sécheur élémentaire situé immédiatement en-dessous, pour 5 redescendre par la partie tubulaire centrale de ce sécheur, alors que la vapeur circule autour des parties tubulaires des sécheurs. Le réentraînement des gouttelettes d'eau par la vapeur est ainsi empêché. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, 13 les moyens de séchage comprennent des paniers interchangeables juxtaposés, contenant chacun plusieurs couches de sécheurs élémentaires. De préférence, les paniers interchangeables ont alors une section horizontale hexagonale. Dans une variante de réalisation, les mcyens de 15 séparation comprenant de façon connue des ailettes hélicoldales disposées dans des tubes verticaux, les paniers interchangeables contiennent également des canaux de drainage élémentaires et se prolongent vers Le bas de façon à entourer et à supporter l'extrémité supérieure de l'un des tubes, en délimitant avec 2= celui-ci un escece annulaire de retour de l'eau, dans lequel débcóchent les canaux de drainage élémentaires. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, différents modes de réalisation de l'invertion en se référant aux dessins annexés dans Lesquels: 2; - la figure 1 est une vue en coupe verticale schématique d'un générateur de vapeur réalisé conformément à la présente invention, - la figure 2 est une vue en coupe verticale à plus grande échelle représentant une partie des moyens de séchage 30 utilisés dans le générateur de vapeur de la figure 1, conformément à l'invention, - la figure 3 est une vue en perspective représentant de façon schématique une variante de réalisation de l'invention, selon laquelle les sécheurs élémentaires sont placés dans des 35 paniers modulaires interchangeables, - la figure 4 est une vue en coupe verticale schématique représentant une autre variante de réalisation de l'invention, dans laquelle des paniers modulaires contiennent à la fois les moyens de séchage et les séparateurs, et - la figure 5 est une vue en coupe à plus grande échelle, selon la ligne V-V de la figure 4. Sur la figure 1, on a représenté un générateur de vapeur réalisé conformément aux enseignements de l'invention. Ce générateur de vapeur est destiné notamment à être 10 utilisé pour assurer l'échange de chaleur entre un fluide primaire préalablement réchauffé dans un réacteur nucléaire et un fluide secondaire constitué par de l'eau. Comme on l'a mentionné précédemment, l'invention n'est pas limitée à ce type de générateur de vapeur et couvre également le cas o le fluide primaire est supprimé, la source de chaleur constituée par exemple par le coeur d'un réacteur à eau bouillante étant placée directement à l'intérieur de l'enveloppe extérieure du générateur de vapeur, qui constitue alors la cuve principale du réacteur. Le générateur de vapeur représenté sur la figure 1 comprend de façon classique une enveloppe extérieure 10 présertart une symétrie de révolution autou- d'un axe vertical. Dars la partie inférieure du vclume clos délimité par l'enveloppe 10 est logé un faisceau de tubes en U renversé 12, dort les extrémités sont fixées de façon étanche sur une plaque à tubes horizontale 14, elle-même fixée de façon étanche à l'enveloppe 10 à proximité du fond hémisphérique 10a de celle-ci. Les extrémités des tubes 12 débouchent respectivement dans une chambre d'entrée 16 et dans une chambre de sortie 18 de fluide primaire, ces deux chambres étant formées entre la plaque à tubes 30 14 et le fond hémisphérique 10a, et séparées par une cloison 20. L'entrée du fluide primaire dans la chambre 16 et la sortie de ce fluide hors de la chambre 18 se font respectivement par une tubulure d'entrée 22 et par une tubulure de sortie 24 formées dans le fond 10a de l'enveloppe. Les tubulures 22 et 24 sont prévues pour être reliées à un circuit extérieur dans lequel se trouve par exemple une cuve contenant le coeur d'un réacteur nucLéaire. Le fluide primaire relativement chaud pénétrant dans la chambre 16 circule dans le faisceau de tubes 12 avant d'être évacué par la chambre de sortie 18. Le faisceau de tubes 12 5 constitue donc à l'intérieur de l'enveloppe extérieure 10 une source de chaleur servant à vaporiser l'eau du circuit secondaire. L'admission de l'eau du circuit secondaire à l'état liquide à l'intérieur de l'enveloppe 10 du générateur de vapeur 10 se fait par une tubulure d'entrée 26 située immédiatement audessus de la plaque à tubes 14. L'eau à l'état liquide pénétrant par la tubulure 26 chemine de bas en haut autour des tubes 12, en prélevant une partie de la chaleur de l'eau véhiculée par le fluide primaire circulant dans ces tubes. Le faisceau de tubes 12 15 constitue ainsi une zone de production de vapeur. Dans la partie supérieure du volume clos délimité par l'enveloppe extérieure 10, la vapeur ainsi formée circule ensuite successivement de bas en haut dans un dispositif séparateur 28, puis dans un dispositif de séchage 30, avant de s'échapper à l'extrérrmité supérieure de l'enveloppe 10 par une tubulure de sortie de vapeur 32. Sur Les tubulures 26 et 32 est raccordi de facon classique un circuit eau/vapeur comprenant notamment un ensemble turbc-alternateur produisant l'énergie électrique désirée. A l'intérieur de l'enveLoppe 10, le faisceau de tubes 12 est logé dans une enveloppe intérieure cylindrique 34 delimitant avec l'enveloppe extérieure 10 un espace annulaire 36. De façon connue, le dispositif séparateur 28 comprend des tubes verticaux 38 raccordés directement sur la partie 30 supérieure de l'enveloppe intérieure 34. A l'intérieur des tubes 38, une partie des gouttelettes d'eau est séparée de la vapeur par des ailettes helico;dales. L'eau ainsi séparée de la vapeur retourne directement dans la zone de production de vapeur délimitée par l'enveloppe intérieure 34. La vapeur sortant des tubes 38 du dispositif séparateur 28 poursuit son chemin vers le haut pour se diriger vers le dispositif de séchage 30 dont la description va maintenant être faite plus en détail en se référant à la figure 2. Le dispositif de séchage 30 comprend principalement plusieurs couches horizontales de sécheurs élémentaires 40, les sécheurs élémentaires de chaque couche étant disposés selon un réseau régulier, de préférence à mailles triangulaires ou carrées. D'une couche à l'autre, les sécheurs élémentaires sont décalés de telle sorte que les sécheurs d'une couche donnée se trouvent à la verticale du centre des mailles des sécheurs des deux couches immédiatement adjacentes. De plus, les sécheurs élémentaires des couches successives sont emboités les uns dans les autres, comme le montre clairement la figure 2. Sur cette figure, on voit également que chacun des sécheurs élémentaires 40 présente approximativement la forme d'un entonnoir d'axe vertical. De façon plus précise, chaque sécheur élémentaire 40 comprend une partie supérieure 40a approximativement troncorique, un bord Périphérique extérieur 40b tourné vers Le bas et une partie centraLe 40c approximativement tubulaire. La partie supérieure 40a, très évasée, draine sur sa face supérieure les gouttelettes d'eau vers la partie centrale c, qui la borde intérieurement. Au contraire, la face inférieure de la partie 40a, prolongée extérieurement par le bord 40b, oblige le courant de vapeur s'élevant dans le générateur de vapeur à effectuer un changement de direction à 180 . La longueur de la partie centrale tubulaire 40c de 30 chaque séparateur élémentaire 40 est telle que son extrémité inférieure pénètre dans l'extrémité supérieure de la partie correspondante 40c du sécheur élémentaire 40 avec lequel il est aligné verticalement, deux couches plus bas. A cet effet, le diamètre de la partie 40c diminue progressivement vers le bas, de 35 façon à ménager un jeu entre l'extrémité inférieure de la partie c d'un sécheur élémentaire donné et l'extrémité supérieure de la partie 40c du sécheur dans lequel pénètre cette extrémité inférieure. Ce jeu permet de drainer les gouttes d'eau collectées par les parties 40c, comme l'illustrent les flèches F sur la figure 2. Par ailleurs, le diamètre extérieur de chacun des sécheurs élémentaires 40 et la dimension des mailles selon lesquelles ces sécheurs sont disposés dans chacune des couches sont tels qu'il existe également un certain jeu entre la partie 10 tubulaire 40c de chaque sécheur élémentaire et le bord périphérique extérieur 40b des sécheurs élémentaires de la couche immédiatement inférieure. En outre, la longueur du bord périphérique extérieur b des sécheurs élémentaires est telle qu'il existe également un jeu entre l'extrémité inférieure de ces bords et les parties 40a des sécheurs élémentaires de la couche de sécheurs situés immédiatement en-dessous. En pratique, ce résultat est obtenu en faisant simplement reposer par gravité les sécheurs élémentaires d'une couche donnée sur les sécheurs de La couche inférieure azaae'te, grâce au caractère approximativement tronconique des parties 40a. Ces deux dernières caractéristiques assurent l'écoulement ascendant de la vapeur au travers de l'empilement de sécheurs élémentaires 40, comme l'illustrent les flèches F sur la figure 2. Ainsi, la vapeur d'eau en provenance de l'ensemble séparateur 28 et s'écoulant de bas en haut subit un changement de direction approximativement à 180 à chaque fois qu'elle vient heurter la partie supérieure 40a prolongée par le bord 40b d'un 30 sécheur élémentaire. En effet, la forme légèrement évasée de la partie 40a dévie la vapeur radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe vertical du sécheur élémentaire correspondant, vers le bord retourné 40b. Ce dernier oblige alors la vapeur à redescendre avant de reprendre son chemin ascendant jusqu'aux 35 sécheurs élémentaires de la couche supérieure. Sous L'effet combiné des forces d'inertie et des forces de pesanteur orientées toutes deux verticalement vers le bas, l'efficacité de la séparation est sensiblement accrue par rapport aux dispositifs de la technique antérieure. L'encombrement 5 vertical du dispositif de séchage 30 et, par conséquent, du générateur de vapeur peut donc être réduit, pour une efficacité donnée, par rapport aux dispositifs utilisés actuellement. Comme l'illustrent également les flèches F sur La figure 2, les gouttelettes d'eau séparées de la vapeur par chacun 10 des sécheurs élémentaires 40 chutent sur la partie supérieure 40a des sécheurs élémentaires de la couche inférieure adjacente en soustrayant les gouttelettes d'eau séparées à un entraînement de la vapeur. L'eau séparée de la vapeur est ensuite acheminée par les parties centrales tubulaires 40c des sécheurs élémentaires 15 jusqu'à des canaux de drainage 42 s'étendant horizontalement sur toute la largeur du générateur de vapeur (figure 1) et dans lesquels pénètrent les extrémités inférieures des parties tubulaires 40c des sécheurs élémentaires formant les deux couches inférieures de l'empilement. 2C9 A leurs extrémités, les canaux de drainage 42 sont équipés de tuyauteries 44 (figure 1) permettant d'acheminer l'eau anr.si drainée usqu'au-dessus de l'espace annulaire 36 délimité enrtre les enveloppes 34 -et 10. L'eau séparée de la vapeur redescend ainsi jusqu'en partie basse du générateur de vapeur 25 pour être mélangée avec l'eau d'alimentation pénétrant par la tubulure 26. De préférence et comme l'illustre la figure 1, le fond de chacun des canaux de drainage 42 est incliné radialement vers l'extérieur de l'échangeur pour faciliter l'écoulement de l'eau 30 jusqu'aux tuyauteries 44 formant les Passages de retour de l'eau vers la zone de production de vapeur du générateur. En variante et comme l'illustre très schématiquement la figure 3, l'ensemble de séchage 30 peut être constitué de paniers modulaires interchangeable 46 dans chacun desquels est logé un 35 certain nombre de sécheurs élémentaires 40. Pour faciliter leur mise en place, et occuper l'ensemble de la section du générateur de vapeur, les paniers 46 présentent de préférence une forme hexagonale en section horizontale. Dans cette variante de la figure 3, les canaux de drainage 42 restent montés de façon fixe à l'intérieur de l'enveloppe 10 du générateur. En revanche, dans la variante de réalisation représentée sur les figures 4 et 5, chacun des paniers modulaires interchangeables comprend à la fois un empilement de plusieurs couches de sécheurs élémentaires 40, un ensemble de canaux de 10 drainage élémentaires 42 et un tube 38 du dispositif séparateur 28. De façon plus précise, les sécheurs 40 sont ici encore logés dans un panier 46 présentant une section horizontale hexagonale, ce panier se prolongeant vers le bas de telle sorte 15 que s'y trouvent logés des canaux de drainage 42 de longueur réduite (figure 5), ainsi que l'extrémité supérieure de l'un des tubes 38. Comme l'illustre la figure 5, le diamètre du tube 38 est tel qu'il se loge entièrement à l'intérieur de la partie 20 inférieure du parier 46 en délimitant avec celui-ci un espace annulaire 44a dans lequel les extrémités des canaux de drainage 42 débouchent par des trous 42a. Cet espace annulaire 44a constitue alors le passage de retour de l'eau vers la zone de production de vapeur et remplace ainsi les canalisations 44 de la 25 figure 1. Dans cette variante des figures 4 et 5, chacun des tubes 38 est fixé au panier 46 correspondant, de sorte que l'enlèvement de ce dernier permet d'assurer la maintenance des sécheurs et du séparateur correspondants. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. De ce point de vue, la forme particulière des sécheurs élémentaires 40 décrite précédemment ne doit pas être considérée 35 comme limitative, la seule double condition que doivent remplir ces sécheurs étant d'assurer un retournement à environ 180 de l'écoulement de vapeur ascendant ainsi qu'un retour de l'eau séparée de la vapeur dans les canaux de drainage 42. En particulier, la partie supérieure 40a des sécheurs élémentaires 5 peut présenter une section en arc de cercle permettant de relier la partie tubulaire 40c au bord périphérique 40b. REVENDICATIONS 1. Générateur de vapeur comprenant une enveloppe extérieure (10) renfermant, en partant du bas, une zone (12) de production de vapeur chargée d'eau, des moyens (28) de séparation 5 d'une partie de L'eau, et des moyens (30) de séchage de la vapeur, caractérisé en ce que les moyens (30) de séchage de la vapeur comprennent plusieurs couches horizontales superposées de sécheurs élémentaires (40) disposés selon un réseau régulier, de maille donnée, ce réseau étant identique et décalé d'une couche à 10 l'autre, de sorte que les sécheurs élémentaires de chacune des couches sont situés à la verticale du centre des mailles des couches adjacentes, chaque sécheur élémentaire (40) ayant approximativement la forme d'un entonnoir d'axe vertical, comprenant une partie supérieure (40a) sensiblement tronconique 15 délimitée extérieurement par un bord périphérique extérieur (40b) retourné vers le bas et prolongée intérieurement vers le bas par une partie tubulaire centrale (40c), les moyens de séchage (30) comprenant de plus des canaux (42) de drainage d'eau situés sous les couches de sécheurs (40), de telle sorte que les parties 2C tubulaires centrales (40c) des sécheurs élémentaires des deux couches les plus basses plongent toutes dans l'un des canaux de drainage (42), ces derniers débouchant dans des passages de retour d'eau (44, 44a) descendant vers la zone de production de vapeur (12). 2. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de séchage (30) comprennent des paniers interchangeables (46) juxtaposés contenant chacun plusieurs couches de sécheurs élémentaires (40). 3. Générateur de vapeur selon la revendication 2, 30 caractérisé en ce que les paniers interchangeables (46) ont une section horizontale hexagonale. 4. Générateur de vapeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que, les moyens de séparation comprenant des ailettes hélico;dales (29) disposées dans des tubes verticaux (38), tes paniers interchangeables (46) contiennent également des canaux de drainage élémentaires (42) et se prolongent vers le bas de façon à entourer et à supporter l'extrémité supérieure de l'un des tubes (38), en délimitant avec celui-ci un espace annulaire 5 (44a) de retour de l'eau, dans lequel débouchent les canaux de drainage élémentaires (42).