Brevet FR2899824A1 — publié le 20071019

La présente invention a pour objet un séparateur centrifuge pour la séparation de liquide à partir d'un flux de gaz, en particulier pour la séparation d'eau à partir de vapeur d'eau. Des séparateurs centrifuges de ce type sont utilisés par exemple dans les installations de génération de vapeur avec conduites d'arrivée de vapeur et 15 aident au fonctionnement d'un séparateur d'eau et réchauffeur intermédiaire classique. Un tel séparateur d'eau classique est disposé entre une turbine haute pression et une turbine basse pression et sert à sécher la vapeur avant son entrée dans la turbine basse pression. À la suite de modifications du système ou du mode de conduite d'une centrale génératrice, il peut arriver que la 20 vapeur amenée au séparateur d'eau et réchauffeur intermédiaire ne corresponde plus au dimensionnement initial, de sorte que de la vapeur de chauffage supplémentaire est nécessaire pour faire évaporer l'humidité résiduelle ou que de la vapeur humide pénètre dans la turbine basse pression. Le rendement de l'installation diminue alors et il peut se poser des 25 problèmes d'érosion et de corrosion dans les composants d'aval de l'installation. Un séparateur centrifuge supplémentaire, tel qu'il est décrit par exemple par DE 10129198 B4, qui est installé avant le séparateur d'eau et réchauffeur intermédiaire, permet de séparer davantage d'eau de manière fiable et économique. Il est également possible d'obtenir une séparation plus 30 poussée et fiable de l'eau avec des séparateurs à grande vitesse d'autres types, 1 par exemple tels qu'ils sont décrits dans les brevets EP 0002235 Al ou EP 0233332. Des difficultés peuvent toutefois se poser lorsque des installations existantes doivent être modifiées. ]La place disponible pour l'installation est très limitée, de sorte que l'on ne peut monter que des séparateurs d'eau supplémentaires de dimensions relativement modestes. Dans un tel cas, l'objectif d'augmenter le rendement de l'installation ne peut pas toujours être atteint. La présente invention a donc pour objet de créer un séparateur centrifuge générique qui puisse être monté dans une installation à modifier même si la place disponible est restreinte, tout en pouvant augmenter en outre le rendement de l'installation. Dans le but d'atteindre ce résultat, l'invention propose un séparateur centrifuge pour la séparation de liquide à partir d'un flux de gaz, en particulier pour la séparation d'eau à partir de vapeur d'eau, ce séparateur possédant un premier tuyau dans lequel est disposé un générateur de tourbillons et un deuxième tuyau qui lui fait suite, le diamètre intérieur du deuxième tuyau, à une première extrémité tournée vers une première extrémité d'un troisième tuyau coaxial qui lui fait suite, étant plus grand que le diamètre extérieur du troisième tuyau à la première extrémité de celui-ci, le deuxième tuyau et le troisième tuyau étant entourés avec un écartement axial en formant une chambre de séparation par une enveloppe équipée d'une évacuation de liquide. Selon l'invention, ce séparateur est caractérisé par le fait qu'il possède au moins un compensateur de longueur. Grâce à celui-ci, la longueur axiale du séparateur centrifuge peut être modifiée en fonction d'un espace d'installation disponible. Une modification est ainsi facilement possible et un séparateur centrifuge suffisamment dimensionné peut être prévu, ce qui permet d'améliorer le rendement de l'installation. Le compensateur de longueur est de préférence un soufflet ou un coude ou une autre pièce tubulaire mise en forme. Cela permet une adaptation flexible aux conditions d'espace spécifiées. Un coude permet en particulier d'obtenir une déviation de la direction de l'axe du séparateur centrifuge de 90 ou plus, de sorte qu'une grande longueur axiale du séparateur centrifuge est possible pour une faible hauteur totale de construction. Il est judicieux qu'un compensateur de longueur soit disposé entre le premier tuyau et le deuxième tuyau. Dans un tel cas., le premier tuyau avec le générateur de tourbillons peut être utilisé comme un premier module et le deuxième tuyau ainsi que le troisième tuyau avec la chambre de séparation comme un deuxième module. Le compensateur de longueur sert alors d'élément de liaison entre les deux modules. Avec une telle construction modulaire, l'adaptation aux conditions d'espace prescrites est facilement possible. Les éléments modulaires peuvent en outre être dimensionnés de façon optimale en fonction de la place disponible. Le premier tuyau peut en outre posséder au moins une section de forme conique, dans laquelle le générateur de tourbillons est disposé. La géométrie conique réduit la vitesse axiale de la vapeur entrante, de sorte que la perte de pression au niveau du générateur de tourbillons est moins importante et que le rendement du séparateur centrifuge peut être encore amélioré. Cette mesure peut être réalisée sans influer sur la longueur de construction axiale, de sorte qu'il est facile de modifier une installation dans un espace restreint. Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, le deuxième tuyau et le troisième tuyau sont disposés à distance l'un de l'autre dans le sens axial. Le rapport entre la distance axiale et le diamètre du deuxième tuyau à sa première extrémité est de préférence compris entre 0,1 et 0,2. Il est ainsi possible d'amener de manière fiable les gouttes d'eau projetées par le générateur de tourbillons sur la paroi extérieure du premier tuyau et du deuxième tuyau vers la chambre de séparation. Si le séparateur centrifuge possède aussi un tranquillisateur d'écoulement monté à la suite de la première chambre de séparation, les turbulences du flux de vapeur débarrassé de l'eau peuvent être atténuées avant la sortie du séparateur centrifuge. Afin d'augmenter le rendement, il est possible de prévoir, après la chambre de séparation susmentionnée, une chambre de séparation supplémentaire possédant un quatrième tuyau faisant suite au troisième tuyau. Le quatrième tuyau est suivi d'un cinquième tuyau qui lui est coaxial, lequel cinquième tuyau est au moins partiellement enfilé dans le quatrième tuyau de façon à former un espace annulaire entre le quatrième tuyau et le cinquième tuyau. Le quatrième tuyau et le cinquième tuyau sont entourés avec un écartement radial par une enveloppe supplémentaire, ce qui forme une chambre de séparation supplémentaire équipée d'une évacuation de liquide pour l'extraction de l'eau séparée. Si la chambre de séparation supplémentaire possède un raccord, celui-ci eut être utilisé pour appliquer une dépression dans la chambre de séparation supplémentaire. Le rendement de séparation et ainsi le rendement d'efficacité peuvent ainsi être encore accrus. S'il est prévu une chambre de séparation supplémentaire, il est possible de monter à sa suite un tranquillisateur d'écoulement afin d'obtenir un flux de vapeur débarrassé des turbulences. Une mesure efficace pour augmenter encore le rendement consiste à équiper le générateur de tourbillons à l'intérieur du premier tuyau d'aubes à tourbillons, qui s'étendent d'un moyeu du générateur de tourbillons à la paroi intérieure du premier tuyau et qui ont un contour courbe en section. Le contour courbe a de préférence la forme d'un arc de cercle. Le rapport entre le rayon de l'arc de cercle et le diamètre intérieur du premier tuyau à une première extrémité opposée au deuxième tuyau est de préférence compris entre 0,1 et 0,3. Il est apparu que l'on peut obtenir une déviation très efficace des gouttes entrant dans le séparateur centrifuge si l'angle d'ouverture de l'arc de cercle est compris entre 20 et 60 . Il est avantageux, dans ce contexte, que le rapport entre le diamètre intérieur du deuxième tuyau à la première extrémité et le diamètre intérieur du premier tuyau à sa première extrémité soit compris entre 1,0 et 1,5. Il est en outre possible d'augmenter le rendement, même lorsque l'espace est restreint, si l'angle d[' ouverture de l'arc de cercle diminue du moyeu du générateur de tourbillons vers la paroi intérieure du premier tuyau. Une force de tourbillon relativement importante est ainsi exercée sur les gouttes arrivant sur les aubes à tourbillons relativement près du moyeu du générateur de tourbillons pour les transporter vers la paroi intérieure du premier tuyau. Les gouttes arrivant sur les aubes à tourbillons relativement près de la paroi intérieure du premier tuyau n'ont pas besoin de forces de déviation importantes, de sorte que l'arc de cercle peut avoir un angle d'ouverture plus petit. Dans l'ensemble, cela entraîne une plus faible perte de pression et une augmentation du rendement du séparateur centrifuge. Une mesure alternative ou complémentaire consiste à augmenter le rayon de l'arc de cercle du moyeu du générateur de tourbillons à la paroi intérieure du premier tuyau. Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La Figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'un séparateur centrifuge avec plusieurs modules ; La Figure 2 est une vue de dessus d'une aube à tourbillons montée sur un moyeu du générateur de tourbillons ; La Figure 3 est une vue en perspective d'une première aube à tourbillons ; et La Figure 4 est une vue en perspective d'une deuxième aube à 20 tourbillons. La Figure 1 représente une coupe longitudinale schématique d'un séparateur centrifuge 1 avec plusieurs modules. Le séparateur centrifuge 1 possède un premier tuyau 2 avec une partie conique 3. Dans cette partie 3, plusieurs aubes à tourbillons 4 sont disposées en couronne autour d'un moyeu 25 5 et fixées au moyeu et à la paroi intérieure du premier tuyau 2 qui les entoure. Les aubes à tourbillons 4 et le moyeu 5 forment un générateur de tourbillons 6. Lorsque de la vapeur venant d'une turbine haute pression (non représentée) montée en amont entre dans le sens indiqué par la flèche 40 dans le premier tuyau 2 du séparateur centrifuge 1, elle rencontre le moyeu 5 et les aubes à 30 tourbillons 4 disposées autour de celui-ci. Les aubes à tourbillons 4 acheminent les gouttes d'eau vers la paroi intérieure du premier tuyau où elles peuvent s'écouler. Le moyeu 5 est creux et possède un fond de moyeu 7 qui est fermé du côté de l'entrée. Sur le côté de sortie 8 opposé, le moyeu 5 est ouvert. Une dépression qui se crée à cet endroit peut être exploitée pour faciliter une aspiration dans les modules de séparateur qui suivent, comme cela sera expliqué plus loin. La partie conique 3 est précédée par un raccord cylindrique 9 qui sert à faciliter le raccordement à une conduite existante. Pour cela, le raccord possède par exemple le même diamètre D que la conduite à raccorder. Facultativement, la partie conique 3 peut être précédée d'une partie cylindrique 10, afin de faciliter le montage des parties de tuyau cylindriques qui suivent. Ce premier tuyau 2 peut être manipulé comme un seul module, la longueur des composants suivants du séparateur centrifuge n'étant pas encore fixée. Le premier tuyau 2 est couplé à un deuxième tuyau 11 qui possède une première extrémité 12. Ce deuxième tuyau 11, qui a un diamètre intérieur Dl, est suivi d'un troisième tuyau 13 coaxial du deuxième tuyau 11, qui possède une première extrémité 14. Il est judicieux que la distance 15 entre la première extrémité 12 du deuxième tuyau 11 et la première extrémité 14 du troisième tuyau 13 soit telle que sa grandeur corresponde à 0,1 à 0,2 fois le diamètre intérieur Dl du deuxième tuyau 11. Le diamètre intérieur Dl du deuxième tuyau 11 est plus grand que le diamètre extérieur D2 du troisième tuyau 13, de sorte que l'eau s'écoulant de la paroi intérieure du premier tuyau 2 et à partir de celle-ci, sur la paroi intérieure du deuxième tuyau 11 puisse sortir de l'espace annulaire ainsi formé et passer dans une chambre de séparation 16. La chambre de séparation 16 possède une enveloppe 17 qui entoure le deuxième tuyau 11 et le troisième tuyau 13. Des éléments internes 18 de la chambre de séparation 16 écartent en outre efficacement le flux de vapeur de l'eau collectée, qui peut être retirée au moyen d'une évacuation d'eau 19 située dans le fond 20 de la chambre de séparation 16. La vapeur ainsi séparée de l'eau dans une grande mesure passe dans le troisième tuyau 13 et peut sortir du séparateur centrifuge 1 à son extrémité opposée. 2899824 -7 Il est possible de monter entre le premier tuyau 2 et le deuxième tuyau 11, dans la zone A de la Figure 1, un compensateur de longueur 50. Celui-ci est par exemple un soufflet ou un coude de tuyau (ce dernier n'étant pas représenté dans la Figure 1), de sorte que la position relative entre le premier 5 tuyau 2 servant de premier module et la chambre de séparation 16 servant de deuxième module peut être adaptée aux conditions locales d'espace disponible. Le premier tuyau 2 peut ainsi éventuellement être couplé à la chambre de séparation 16 selon un angle ou avec un décalage de l'axe. Pour augmenter le rendement, la chambre de séparation 16 peut être 10 suivie d'une chambre de séparation supplémentaire 21 possédant un quatrième tuyau 22 et un cinquième tuyau 23 coaxial de celui-ci. Le cinquième tuyau 23 est au moins partiellement enfilé dans le quatrième tuyau 22, de façon à créer un espace annulaire 24 entre le quatrième tuyau 22 et le cinquième tuyau 23, de sorte que l'eau qui se trouve encore sur la paroi intérieure du quatrième 15 tuyau et s'y écoule puisse parvenir dans la chambre de séparation supplémentaire 21. La chambre de séparation supplémentaire 21 est formée par les deux tuyaux 22, 23 et une enveloppe 25 entourant ceux-ci dans le sens radial, et possède au niveau du fond 26 une évacuation d'eau 27 permettant l'extraction de l'eau accumulée. Si la chambre de séparation supplémentaire 20 21 possède aussi un raccord 28, il est possible de lui raccorder une conduite d'aspiration pour faciliter l'aspiration de l'eau hors du quatrième tuyau 22. La conduite d'aspiration est reliée de préférence à une conduite de retour 29 qui est couplée sous la forme d'une extension du moyeu 30 pour prolonger le moyeu 5 à l'intérieur du premier tuyau 2. Il est ainsi possible d'utiliser 25 habilement la dépression qui se crée sur le côté d'aval 8 du moyeu 5. S'il est prévu seulement une première chambre de séparation 16, il est possible de la faire suivre, facultativement, d'un tranquillisateur d'écoulement 31 qui élimine les turbulences dans le flux de vapeur. Le tranquillisateur d'écoulement 31 possède pour cela des aubes à tourbillons 32 montées fixes 30 sur un moyeu 33, le sens de rotation des aubes à tourbillons 32 du tranquillisateur d'écoulement 31 étant opposé au sens de rotation des aubes à tourbillons 4 du générateur de tourbillons 6. Si une deuxième chambre de séparation 21 est prévue, le tranquillisateur d'écoulement 31 est monté en aval de cette deuxième chambre de séparation 21. La vapeur séchée sort du tranquillisateur d'écoulement 31 en direction d'une turbine basse pression montée en aval. Comme on le voit dans la Figure 1, la longueur L1 d'un séparateur centrifuge possédant un premier tuyau 2 servant de premier module et une chambre de séparation 16 servant de deuxième module peut varier au moyen d'un compensateur de longueur de façon à exploiter la place de manière optimale même lorsque l'espace disponible est restreint. Il est également possible de prévoir un compensateur de longueur entre la chambre de séparation 16 et la chambre de séparation supplémentaire 21, de façon à pouvoir faire varier la longueur L2 du séparateur centrifuge. Cela est également valable pour l'espace formé entre une chambre de séparation 16, 21 et un tranquillisateur d'écoulement 31 monté en aval, de sorte que l'on peut ajuster une longueur L3. Afin d'augmenter le rendement d'un séparateur centrifuge 1, il est possible aussi que les aubes à tourbillons aient un contour courbe en section. Il s'agit de préférence d'un arc de cercle, comme on le voit dans la Figure 2. La Figure 2 représente en vue de dessus un moyeu 5 d'un générateur de tourbillons 6 et une aube à tourbillons 4 (d'autres aubes à tourbillons 4 présentes ne sont pas représentées). L'arc de cercle a un rayon R qui correspond de préférence à 0,1 fois à 0,3 fois le diamètre D du raccord 3 du premier tuyau 2. L'angle d'ouverture a de l'aube à tourbillons 4 est de préférence compris entre 20 et 60 . Les gouttes d'eau arrivant dans le sens d'écoulement indiqué par la flèche 40 sur l'aube à tourbillons 4 sont déviées par le contour courbe vers la paroi intérieure du premier tuyau 2 qui l'entoure. On peut obtenir un rendement encore plus important si l'aube à tourbillons possède un angle d'ouverture a diminuant du moyeu du générateur de tourbillons 5 vers la paroi intérieure du premier tuyau 2, voir la Figure 3. L'angle diminue alors de al à a2. Une autre possibilité ou une possibilité complémentaire consiste en ce que le rayon de l'arc de cercle d'une aube à tourbillons 4 augmente du moyeu du générateur de tourbillons 5 vers la paroi intérieure du premier tuyau 2. D'autres formes de construction sont également avantageuses, voir la Figure 4 dans laquelle une aube à tourbillons 4 ayant un angle d'ouverture constant al égal à a2 est représentée. Dans ce dernier cas, l'aube à tourbillons 4 a la géométrie d'un segment de cône. REVENDICATIONS 1. Séparateur centrifuge (1) pour la séparation de liquide à partir d'un flux de gaz, en particulier pour la séparation d'eau à partir de vapeur d'eau, avec un premier tuyau (2), dans lequel est disposé un générateur de tourbillons (6), et un deuxième tuyau (11) suivant celui-ci, dans lequel le diamètre intérieur (Dl) du deuxième tuyau (11) à une première extrémité (12), orientée vers une première extrémité (14) d'un troisième tuyau (13) coaxial monté en aval, est plus grand que le diamètre extérieur (D2) du troisième tuyau (13) à sa première extrémité (14), le deuxième tuyau (11) et le troisième tuyau (13) étant entourés avec un écartement radial, en formant une chambre de séparation (16), par une enveloppe dotée d'une évacuation de liquide (19), caractérisé en ce que le séparateur centrifuge (1) possède au moins un compensateur de longueur (50) permettant de faire varier la longueur axiale (L1, L2, L3) du séparateur centrifuge (1). 2. Séparateur centrifuge (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compensateur de longueur (50) est un soufflet ou un coude. 3. Séparateur centrifuge selon la revendication 2, caractérisé en ce que le compensateur de longueur (50) est disposé entre le premier tuyau (2) et le deuxième tuyau (11). 25 4. Séparateur centrifuge (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier tuyau (2) possède au moins une partie (3) de forme conique, le générateur de tourbillons (6) étant disposé dans cette partie (3). 2899824 -11- 5. Séparateur centrifuge (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le deuxième tuyau (11) et le troisième tuyau (13) sont disposés avec un écartement axial (15) l'un par rapport à l'autre. 5 6. Séparateur centrifuge (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport entre la distance axiale (15) et le diamètre intérieur (Dl) du deuxième tuyau (11) à sa première extrémité (12) est compris entre 0,1 et 0,2. 10 7. Séparateur centrifuge (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est prévu un tranquillisateur d'écoulement (31) qui est monté en aval de la chambre de séparation (16). 8. Séparateur centrifuge (1) selon l'une des revendications 1 à 6, 15 caractérisé en ce qu'un quatrième tuyau (22) fait suite au troisième tuyau (13), lequel quatrième tuyau (22) est suivi d'un cinquième tuyau (23) qui lui est coaxial, le cinquième tuyau (23) étant au moins partiellement enfilé dans le quatrième tuyau (22) de façon à former un espace annulaire (24) entre le quatrième tuyau (22) et le cinquième tuyau (23), le quatrième tuyau (22) et le 20 cinquième tuyau (23) étant entourés avec un écartement radial par une enveloppe (25) supplémentaire, de façon à former une chambre de séparation supplémentaire (21) qui possède une évacuation de liquide (27). 9. Séparateur centrifuge (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la chambre de séparation supplémentaire (21) possède un raccord (28) pour appliquer une dépression dans la chambre de séparation supplémentaire (21). 10. Séparateur centrifuge (1) selon l'une des revendications 8 ou 9, 30 caractérisé en ce qu'il est prévu un tranquillisateur d'écoulement (31) qui est monté en aval de la chambre de séparation supplémentaire (21).- 12 - 11. Séparateur centrifuge (1) selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le générateur de tourbillons (6) possède à l'intérieur du premier tuyau (2) des aubes à tourbillons (4) qui s'étendent d'un moyeu du générateur de tourbillons (5) à la paroi intérieure du premier tuyau (2) et ont un contour courbe en section. 12. Séparateur centrifuge (1) selon la revendication 11, caractérisé en ce que le contour courbe est en forme d'arc de cercle. 13. Séparateur centrifuge (1) selon la revendication 12, caractérisé en ce que le rapport entre le rayon de l'arc de cercle et le diamètre intérieur (D) du premier tuyau (2) à une première extrémité (34) tournée vers le deuxième tuyau (11) est compris entre 0,1 et 0,3. 15 14. Séparateur centrifuge (1) selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que l'angle d'ouverture (a) de l'arc de cercle est compris entre 20 et 60 . 20 15. Séparateur centrifuge (1) selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que le rapport entre le diamètre intérieur (Dl) du deuxième tuyau (11) à la première extrémité (12) et le diamètre intérieur (D) du premier tuyau (2) à sa première extrémité (34) est compris entre 1,0 et 1,5. 25 16. Séparateur centrifuge (1) selon l'une des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que l'angle d'ouverture (a) de l'arc de cercle diminue du moyeu du générateur de tourbillons (5) vers la paroi intérieure du premier tuyau (2). 2899824 - 13 - 17. Séparateur centrifuge (1) selon l'une des revendications 12 à 16, caractérisé en ce que le rayon (R) de l'arc de cercle augmente du moyeu du générateur de tourbillons (5) vers la paroi intérieure du premier tuyau (2).