Brevet FR2801648A1 — publié le 20010601

INJECTEUR A VAPEUR HAUTE PRESSION COMPORTANT UN DRAIN AXIAL DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention se rapporte au domaine des injecteurs à haute pression, destinés à injecter de l'eau dans une machine ou une installation comportant un réservoir sous pression. Généralement, ce dernier est constitué du ballon de production de vapeur d'une chaudière ' vapeur. C'est le cas, en particulier, des générateurs de vapeur utilisés dans les réacteurs nucléaires notamment à eau sous pression. Toutefois, l'utilisation d'un tel injecteur pourrait etre faite pour tous les types de réservoirs produisant de la vapeur en utilisant une partie de cette vapeur comme source d'energie motrice et un réservoir à basse pression comme source d'eau. Art antérieur et problème posé Depuis plus d'un siècle, il connu d'utiliser des injecteurs à vapeur (voir le brevet GIFFARD de 1850), notamment dans les machines à vapeur, telles les locomotives et les bateaux. De nos jours, dispositifs sont surtout utilisés dans des installations industrielles où l'on doit transvaser des solutions ou effluents liquides qui risqueraient de détériorer rapidement des systèmes de pompage classiques. Dans les réacteurs nucléaires à eau, l'utilisation d'injecteurs, en tant qu'alimentation de secours a été étudiée. Ces alimentations sont destinees à l'évacuation de la chaleur résiduelle. Dans réacteurs à eau sous pression, l'alimentation secours des générateurs de vapeur est réalisée à l'aide de motopompes électriques ou de turbopompes. Ces dispositifs sont de conception délicate en raison des pièces tournantes et certains sont dépendants de sources électriques. C'est pour cette raison qu'on a cherche à utiliser des dispositifs passifs, tels que des ecteurs à vapeur qui, pourraient élever la pression de l'eau du réservoir de secours à basse pression à une pression supérieure à celle de la vapeur Jusqu'à présent, les différents prototypes d'injecteurs proposés n'ont pas été jugés suffisamment performants et fiables pour être utilisés dans les réacteurs nucléaires. En référence à la figure 1, le principe d'un ' ecteur à vapeur est de détendre de la vapeur sous pression dans un rétrécissement suivi d'un divergent 2, par exemple une tuyère de Laval, pour atteindre en sortie de celui-ci une vitesse supersonique et des pressions pouvant être inférieures à la pression atmosphérique. Dans une chambre de mélange 4, est aménagée une arrivée d'eau par une chambre d'admission 3 annulaire. Dans la chambre de mélange 4, les basses pressions permettent d'aspirer l'eau issue de la chambre d'admission 3, puis la vapeur cède son énergie à l'eau en se condensant. La chambre de mélange 4 est généralement de forme conique et converge vers un col 5. A cet endroit, l'eau atteint sa vitesse maximale. Après le col 5, se trouve 'un diffuseur 7 de sortie permettant de transformer l'énergie cinétique du mélange diphasique en pression et étant accompagnée d'une condensation la vapeur non condensée en sortie de la chambre mélange 4. Cette remontée de pression est brutale est parfois assimilée à une onde de choc stationnaire. Pour assurer son démarrage, l'injecteur à vapeur nécessite un drain 6 placé au niveau de la chambre de mélange . Ce démarrage peut être assez délicat car faut trouver la bonne position de drain. De plus, fois l' ecteur amorcé, la fermeture du drain 6 peut entraîner un désamorçage de l'injecteur à vapeur (une fermeture progressive est, en général, recommandée). La pression maximale de sortie est d'autant plus grande que la section de passage du col 5, situé entre la chambre de mélange 4, et le diffuseur 7, est petite. Cependant, la réduction d'une telle section rend le démarrage de l'appareil encore plus difficile. En outre, l'utilisation de deux drains 6 (figure 2) permet à certains injecteurs d'atteindre des pressions de 70 bars à 90 bars. Dans ce cas, seul le drain amont est fermé lors du fonctionnement normal l'injecteur à vapeur, le drain aval restant plus moins ouvert pour évacuer une assez importante quantite d'eau, environ 50 %, pour un fonctionnement à haute pression. La complexité de fonctionnement et la perte en eau d'un tel injecteur à vapeur font que celui ' n'a pas été retenu pour les installations des réacteurs nucleaires. Le but de l'invention est donc de remédier à inconvénients, en proposant un injecteur à vapeur pouvant être utilisé dans les réacteurs à eau pressurisée et pouvant injecter de l'eau jusqu'' des pressions avoisinant 80 bars. Résumé dé l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est un injecteur à vapeur à haute pression, comprenant - une entrée de vapeur débouchant dans - une tuyère vapeur débouchant elle même dans - une chambre de mélange ; - une chambre d'admission annulaire débouchant dans la chambre de mélange ; - un col placé à la sortie de la chambre de mélange ; - un diffuseur placé à la sortie du col ; et - une sortie placée en aval du diffuseur. Selon l'invention, on place un drain axial au milieu du col pour réduire la section du col et prelever une partie de la vapeur qui n'a été condensée et l'évacuer vers l'extérieur. I1 en effet, été montré que l'écoulement restait essentiellement annulaire jusqu'au col. Dans le but de pouvoir utiliser le drain de façon temporaire ou faire varier la section de passage minimum, celui-ci peut être monté mobile longitudinalement, de manière à pouvoir être déplacé par rapport au col. Pour améliorer l'efficacité de ce drain, celui-ci peut être de section variable. Une autre réalisation prévoit que la première partie du drain axial se présente sous une forme conique dans laquelle sont pratiqués les trous de prélèvements, dans le de permettre un drainage progressif de la vapeur. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, qui est accompagnée de quelques figures représentant respectivement - figures et 2, déjà décrites, des injecteurs selon l'art antérieur ; - figure 3, une première réalisation de l'injecteur, selon l'invention ; - figure 4, une deuxième réalisation de l'injecteur, selon l'invention ; - figure .un premier exemple d'implantation de l'injecteur, selon l'invention, sur un générateur de vapeur , et - figure 6, un deuxième exemple d'implantation de l'injection, selon l'invention, sur un générateur de vapeur. Description détaillée des réalisations de l'invention En référence à la figure 3, l'injecteur selon l'invention reprend les éléments principaux de injecteur à vapeur, selon l'art antérieur, et décrit référence à la figure 1, à l'exception du drain de prélèvement latéral 6. On retrouve donc une entrée de vapeur 1 débouchant dans une tuyère de Laval 2, une chambre d'admission 3 annulaire débouchant dans la chambre de mélange 4, placée à la sortie la tuyère 2 se terminant par le col 5. A la sortie ce dernier placé un diffuseur 7 débouchant dans sortie 8. Au niveau du col 5, est inséré un drain axial 10 constitué par un conduit de prélèvement et s'étendant à travers le diffuseur 7 pour se terminer à l'extérieur 9, en dehors de l'injecteur à vapeur objet de la présente demande. I1 a, en effet, été montré que l'écoulement diphasique restait essentiellement annulaire jusqu'au col, le film d'eau étant plaqué à la paroi de cette chambre de mélange 4. Ce fait expérimental contredit ce qui était préalablement admis, à savoir, 1a pulvérisation plus ou moins rapide film d'eau aspiré. Un tel drain axial 10, capte la partie centrale du flux traversant le col 5, et donc grande quantité de la vapeur non condensée dans la chambre de mélange 4. Cependant, celle-ci a cédé une grande partie de son énergie au liquide à injecter, grâce à la diminution de sa vitesse entre l'entrée et la sortie de la chambre de mélange 4. De plus, comme ce débit de vapeur central est faible, il n'est pas utile à la remontée de la pression de l'eau dans diffuseur 7. Seules les parties annulaires du flux traversant le col 5, c'est-à-dire de l'eau liquide, sont "'ectées à haute vitesse dans le diffuseur 7, puis vers la sortie 8 .. De plus, on comprend aisément que le drain axial 10 permet également de réduire la section de passage du flux au niveau du col 5, entre la chambre de melange 4 et le diffuseur 7, et donc d'augmenter ainsi pression maximale du flux vers la sortie 8, par rapport au cas où un tel drain axial ne serait pas utilisé avec un même diffuseur. On admet que l'accroissement de la pression est pratiquement inversement proportionnel à la section de passage au niveau du col 5. I1 faut noter que le drain axial 10 sert également au démarrage de l'injecteur à vapeur. En effet, dans ce cas, l'entrée de vapeur 1 est fermée et l'alimentation en eau est ouverte, c'est ' dire que celle-ci circule dans la chambre d'admission 3 annulaire et arrive dans la chambre de mélange 4. Toute ou partie de cette eau est rejetée par le drain axial 10 vers l'extérieur, suivant la conception de la décharge en aval de la sortie 8. Lorsque entrée de vapeur 1 est ouverte, une forte condensation produit dans la chambre de mélange 4. La pression dans cette chambre de mélange 4 baisse alors jusqu'à atteindre sa valeur nominale. L'écoulement du flux devient alors supersonique à la sortie de la tuyère 2. Au niveau du col 5, l'écoulement central, initialement à l'état liquide, devient vapeur et est capté par le drain axial 10. L'écoulement de l'eau se passe annulairement contre les parois du col 5 et se prolonge dans le diffuseur 7. Pour assurer une bonne vitesse de la vapeur à l'entrée du drain axial 10, celui-ci peut être de section variable. Ainsi, on peut imaginer que drain axial 10 puisse avoir un diamètre augmentant sensiblement au fur et à mesure qu'il se développe dans le diffuseur 7, à partir du col 5. En référence à la figure 4, on envisage également que ce drain axial 10 puisse pénétrer dans la chambre mélange 4 pour assurer le prélèvement de la vapeur, manière plus progressive. La première partie du drain pourrait être alors de forme conique avec un nombre suffisant de trous de prélèvement. Comme le suggère la figure 4 par des traits interrompus, pour pouvoir combiner de telles caractéristiques techniques, on prévoit également que le drain axial 10 puisse être mobile longitudinalement le long de l'axe de l'injecteur de vapeur selon l'invention et puisse donc être introduit et retiré. Ainsi, peut être retiré vers l'aval du 5, c'est-à-dire dans le diffuseur 7, lors du démarrage de l'injecteur de vapeur. I1 peut être replacé dans le col 5, une fois que le régime de l'injecteur de vapeur a été établi, et reprendre sa fonction de prélèvement de la vapeur et de réduction de la section de passage du flux dans le col 5. On précise que toutes ces variantes de réalisations du drain axial 10 permettent de régler de manière plus précise le fonctionnement de l'injecteur à vapeur, de démarrer plus facilement dernier et d'obtenir pression maximale de sortie. Cependant, un drain fixe est la solution de réference car elle minimise le nombre d'opérations à effectuer. En référence à la figure 5, une première utilisation de l'injection à vapeur, selon l'invention, est prévue pour alimenter en eau un générateur de vapeur 16 d'un réacteur à eau sous pression. L'injecteur à vapeur 13 est utilisé pour injecter de l'eau dans ce générateur de vapeur 16, en utilisant l'énergie de la vapeur générée par dernier. Un réservoir d'eau à basse pression 17 alimente la chambre d'admission de l'injecteur 13, par intermédiaire d'une vanne d'alimentation 22 qui donc fermée lorsque l " 'ecteur à vapeur 13 est l'arrêt. Ce dernier donc à la pression ambiante. drain axial 10 est ouvert et l'injecteur à vapeur 13 peut être purgé par de l'eau ou de la vapeur. Une vanne de sortie et de purge 23 est placée en aval de l'injecteur 13 et également fermée. Lorsque le générateur de vapeur 16 est en fonctionnement, sa pression est comprise entre 10 et 80 bars. Une canalisation de sortie 18 amenant l'eau sous pression sortant de l'injecteur à vapeur 13 au générateur de vapeur 16 est obturée par un clapet 15 qui est fermé. Les vannes d'alimentation en eau 22 et de sortie de purge 23 sont alors ouvertes et l'écoulement d'eau froide s'effectue alors, par gravité, à l'intérieur de l'injecteur à vapeur 13 et sort par le drain axial 10 et la vanne de sortie et de purge 23, l'injecteur se trouvant plus bas que le réservoir eau 17. Ensuite, la vanne d'admission de vapeur 21, placée en amont de l'injecteur de vapeur 13, est ouverte 'usqu'à un débit de plusieurs kg/s suivant la pression de la vapeur. La condensation dans la chambre de mélange 4 sur l'écoulement d'eau froide préalablement obtenu permet le démarrage de l'injecteur à vapeur 13. Une fois établi, un écoulement annulaire au niveau de la chambre de mélange 4 et du col le drain axial 10 ne rejette plus que de la vapeur au niveau l'extérieur 9. On ferme alors la vanne de sortie de purge 23, la première partie la canalisation de sortie 18 monte en pression jusqu'à positionner la remontée brusque de pression dans le diffuseur 7. Quand la pression dans la première partie de cette canalisation de sortie 18 est suffisante le clapet 15 s'ouvre et le système a alors atteint son fonctionnement nominal. Pendant ce dernier, l'eau aspirée réservoir 17 est injectée dans le générateur de vapeur 16, à raison de 5 à 20 kg/s, suivant le besoin eau de ce dernier, ceci étant obtenu en réglant vanne d'alimentation en eau 22. L'arrêt du système fait par la fermeture de la vanne d'alimentation en vapeur 21, suivie de fermeture de la vanne d'alimentation en eau 22. Plusieurs variantes d'installations de l'injecteur selon l'invention sont possibles. Par exemple, la vanne d'alimentation en eau 22 peut être placée sur la ligne de sortie du drain axial 10, c'est-à-dire vers l'extérieur, référencé 9. I1 est alors facile de prévoir un remplissage en du systeme. Le démarrage se fait alors dans mêmes conditions que la configuration de base. Comme le montre la figure 6, il peut être envisagé de supprimer la vanne de sortie 23 pour la phase de démarrage du système. on n'a alors plus que deux vannes à manipuler au lieu de trois. Suivant le dimensionnement de la canalisation 18, entre l' ecteur à vapeur 13 et le clapet 15, il peut alors être nécessaire d'ajouter un bidon d'amorçage 24 directement branché sur cette canalisation 18. Placé initialement à la pression ambiante, ce bidon d'amorçage 24 assure une temporisation, lors de l'augmentation de la pression de sortie avant l'ouverture du clapet 15. REVENDICATIONS 1. Injecteur à vapeur à haute pression comprenant - une entrée de vapeur (1) débouchant dans - une tuyère vapeur (2) débouchant dans - une chambre de mélange (4) ; - une chambre d'admission (3) annulaire ; - un col (5) placé à la sortie de la chambre de mélange (4) ; - un diffuseur (7) placé à la sortie du col et - une sortie (8) placée en aval du diffuseur (7), caractérisé en ce qu'il comprend un drain axial pour réduire la section du col (5) et prélever partie de la vapeur et l'évacuer vers l'extérieur (9). 2. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le drain axial (10) est mobile longitudinalement pour être placé ou retiré dans le col et/ou dans la chambre de mélange (4). 3. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le drain axial (10) est de section variable. 4. Injecteur selon la revendication caractérisé en ce que le drain axial (10) permettant drainage progressif de la vapeur se termine par forme conique (11) dans laquelle sont pratiqués des trous de prélèvement.