Cette invention concerne des dispositifs séparateurs pour séparer un fluide élastique et un liquide.
Plus particulièrement, l'invention est relative à des séparateurs cyclones de vapeur et d'eau en tant qu'éléments constitutifs du corps cylindrique séparateur de vapeur et d'eau d'un générateur de vapeur à haute pression et de grande capacité, les séparateurs cyclones de l'invention séparant efficacement la va-
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tion dans un générateur de vapeur à circulation naturelle, en augmentant les différences de densités entre les branches à circulation ascendante et les branches à circulation descendante du générateur de vapeur.
Des dispositifs séparateurs pour séparer un fluide élastique et un liquide d'un mélange de fluide élastique et de liquide, suivant la présente invention, comprennent un récipient sous pression, une chambre réceptrice du mélange à l'intérieur du récipient sous pression, destinée à recevoir le mélange de fluide élastique et de liquide sous pression et possédant des parois espacées verticalement dont la paroi supérieure est pourvue d'ouvertures pour le passage de bas en haut du fluide élastique séparé
et la paroi inférieure d'ouvertures pour le passage de haut en bas du liquide séparé, et des cages à chambre de tourbillonnement dont les extrémités.se trouvent chacune dans le même alignement qu'une ouverture ménagée dans la paroi supérieure et-une ouverture ménagée dans la paroi inférieure et qui comprennent une série circulaire d'aubes disposées de manière que les aubes adjacentes soient espacées l'une de l'autre et chevauchent pour former des passages d'entrée du mélange dans la chambre de tourbillonnement à l'intérieur de la cage répartis sur toute la périphérie de la chambre
de tourbillonnement et destinés à diriger des courants ou filets respectifs de mélange dans le même sens autour de l'axe de la chambre de tourbillonnement.
L'invention sera décrite ci-après, à titre d'exemple, avec référence aux dessins partiellement schématiques annexés, dans lesquels : Figure 1 est une coupe transversale d'un corps cylindrique de vapeur et d'eau d'un générateur aquatubulaire de vapeur possédant des dispositifs séparateurs comprenant des cages à chambre de tourbillonnement, et Figure 2 est une vue en perspective de l'une des cages à chambre de tourbillonnement. Figure 1 représente un corps cylindrique de vapeur et d' eau 10 qui constitue un élément constitutif d'un générateur de vapeur à haute pression. A l'intérieur du corps cylindrique se <EMI ID=2.1>
mée par une série de tôles et une partie de la paroi intérieure du corps cylindrique. La chambre 12 communique avec les extrémités
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lement déchargent des mélanges de vapeur et d'eau à une grande vitesse à l'intérieur de la chambre. Les tôles formant la chambre. comprennent des tôles supérieure et inférieure disposées horizontalement 16 et 18, des tôles latérales 20, d'autres tôles cintrées
22, 24 et des tôles d'extrémités appropriées près des extrémités du corps cylindrique. Dans la partie supérieure de la chambre 12, se trouvent une série de cages circulaires à chambre de tourbillonnement à aubes multiples qui sont indiquées en 30. Chaque cage
à chambre de tourbillonnement possède une couronne d'aubes métalliques telles que celles indiquées en 32, 33, 34 et 35 sur la figure 2, les aubes étant fixées à des bagues inférieures et des bagues supérieures 38 et 40 pourvues de jeux respectifs d'oreilles de centrage 43 et 44. Les bords.d'entrée et de sortie des aubes sont disposés à l'extérieur radialement à distance des aubes adjacentes pour former des fentes ou des passages d'entrée étroits 42 de mélange de vapeur et d'eau, chaque entrée servant à conduire une couche ou une nappe à grande vitesse du mélange de vapeur et d'eau à l'intérieur de la cage à chambre de tourbillonnement. Les séparateurs cyclones de vapeur et d'eau ayant la forme représentée peuvent être employés pour séparer 4 à 40 fois autant d'eau que
de vapeur.
Il y a une rangée de cages à chambre de tourbillonnement disposées de préférence sur la majeure partie de la longueur du corps cylindrique. Chaque cage à chambre de tourbillonnement 30 est superposée à une ouverture circulaire 50 ménagée dans la plaque inférieure 18 de telle manière que les oreilles 43 coopèrent avec des oreilles espacées fixées à la plaque 18 pourcentrer la cage par rapport à son ouverture d'eau séparée 50. Chaque cage peut être boulonnée par les oreilles de centrage à la plaque inférieure
18.
En dessous de chaque cage à chambre de tourbillonnement se trouve un dispositif pour la sortie de l'eau séparée, indiqué d'une façon générale en 52. Ce dispositif comprend une bague métallique cylindrique 54, soudée à la surface inférieure de la plaque 18 comme c'est indiqué en 56, et une pièce centrale, condentrique, circulaire, affectant la forme d'un bassin renversé 58, fixée à la bague 54 par une série d'aubes hélicoïdales 60 disposées dans l'espace annulaire entre la pièce centrale 58 et la bague 54. Les aubes s'étendent de leurs extrémités supérieures à leurs extrémités inférieures autour de l'axe de la chambre de tourbillonnement dans le même sens que les passages d'entrée 42 du mélange.
Lorsque les cages à chambre de tourbillonnement sont disposées comme c'est indiqué, on fixe la plaque supérieure 16 à des
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une série d'ouvertures circulaires, pourvues de bagues, chacune en ligne avec l'ouverture ménagée à là partie supérieure d'une cage
à chambre de tourbillonnement. Ainsi, la figure 1 montre une bague
66 dans le même alignement que l'ouverture de la partie supérieure de la cage à chambre'de tourbillonnement 30, les oreilles de centrage 44 étant disposées entre des oreilles coopérantes fixées
à la tôle 16 ou fixées à celle-ci par des éléments filetés. Après que la tôle 16 a été fixée en place, la plaque d'égouttoir 68 est disposée au-dessus de la tôle supérieure 16 et y est fixée dans la position indiquée sur la figure 1, par exemple, par des soudures telles que celle indiquée en 70. La plaque d'égouttoir possède une série d'ouvertures circulaires 72 espacées dans le sens de sa longueur et centrées par rapport aux cages à chambres de tourbillonnement et aux ouvertures de sortie de la vapeur séparée formées par les bagues 66. A l'intérieur de chaque ouverture 72 dans la plaque d'égouttoir 68 se trouve une plaque métallique perforée en forme de pyramide ou de cône renversé 74 qui peut être considérée comme un séparateur auxiliaire. Chaque plaque 74 a de préférence la forme d'un cône de faible hauteur par rapport au diamètre.
Au-dessus des plaques perforées 74, des scrubbers ou égouttoirs sont fixés à la plaque 68. Il existe un égouttoir pour chaque cage à chambre de tourbillonnement et chaque égouttoir consiste en une série de plaques ondulées verticales et intimement rapprochées 78 fixées ensemble et maintenues sur la plaque d'égouttoir 68 par une pièce en forme de U renversé 80 et un boulon vertical 82 passant dans la pièce en U et coopérant avec un écrou de la plaque d'égouttoir. La partie principale de la plaque d'égouttoir 68 a la forme d'une pièce métallique en forme de U possédant un aile s'étendant vers le bas 84 espacée horizontalement de la paroi 20 vers l'axe du corps cylindrique. Cette pièce en U forme ainsi un chapeau pour les séparateurs à chambre de tourbillonne-
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dans l'eau 86 dont le niveau normal est représenté en 88. Le long de son côté opposé à l'aile 84, la plaque-d'égouttoir 68 présente un rebord dirigé vers le bas 90 venant en contact avec la tôle supérieure 16 et soudé à celle-ci. Aux extrémités de la rangée des
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sède des rebords d'extrémités dirigés vers le bas unis à la base de la pièce en U et à ses ailes descendantes 84 et 90.
Chaque cage à chambre de tourbillonnement peut, à titre d'exemple, avoir une hauteur d'environ 8 pouces (200 mm) et un diamètre interne d'environ 8 pouces à la base de la cage. Les aubes individuelles de chaque cage peuvent avoir une largeur déve -
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et une largeur légèrement moindre à leurs extrémités supérieures. La partie intermédiaire, longitudinalement, de chaque aube peut être cintrée transversalement sous un rayon de courbure d'environ 4 pouces (100 mm) près du bord avant, la courbure changeant de telle manière que le rayon de courbure au bord arrrière de l'aube est
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sente des fentes ou des passages verticaux étroits, pour l'entrée des courants à grande vitesse de mélanges de vapeur et d'eau pénétrant dans la chambre de tourbillonnement. Ces fentes ou passages peuvent avoir une largeur d'environ 1/16 pouce (1,5 mm) à leurs <EMI ID=9.1>
- inférieures, formant ainsi de minces tranches ou couches de courant entrants ' de grande vitesse, nécessitant peu de temps pour faire passer les bulles de vapeur au travers des nappes entrantes.
A la partie supérieure du corps cylindrique se trouve au moins un conduit de prise de vapeur 92 partant d'une chambre de prise de vapeur 94 assurant une séparation additionnelle d'eau
et comprenant une tôle de fond 96, une tôle latérale 98 et une autre tôle latérale 100 pourvue de perforations ou d'ouvertures
102 pour le passage de la vapeur de la chambre de vapeur 104 du corps cylindrique au conduit 92.
A l'intérieur de la chambre d'eau du corps cylindrique se trouve une conduite continue de purge 106 maintenue par des ferrures 108 soudées aux tôles formant la paroi intérieure de la chambre d'entrée du mélange, comme c'est indiqué en 110. A l'intérieur de la chambre d'eau du corps cylindrique 10 est également disposé un tuyau d'eau d'alimentation 112, pourvu d'ouvertures 114 pour la répartition de l'eau d'alimentation lorsqu'elle pénètre dans la chambre d'eau du corps cylindrique et maintenu en place par des supports 116 soudés, comme c'est indiqué en 118, à des tôles ou des'équerres de support 119 faisant partie de la chambre d'entrée du mélange.
Un tuyau d'amenée de produits chimiques 120 est maintenu en place à l'intérieur de la. chambre d'eau du corps cylindrique par des supports 122 qui peuvent s'étendre de la paroi de la chambre d'admission du mélange jusqu'à la paroi du corps cylindrique où ils sont soudés à celle-ci, comme c'est indiqué en
124.
En fonctionnement les mélanges de vapeur et d'eau quittent les tubes de montée ou tubes vaporisants 14 et passent dans la chambre d'entrée 12 à une grande vitesse. Les mélanges à haute pression passent en minces filets ou courants allongés verticalement dans les passages ou fentes 42 entre les aubes adjacentes des cages à chambre de tourbillonnement et exercent une action de tourbillon-nement à grande vitesse à l'intérieur de ces chambres. Cette action donne lieu à une force centrifuge telle que l'eau se concentre en un courant à tourbillonnement rapide près du périmètre
de chaque chambre de tourbillonnement, les bulles de vapeur quittant l'eau pour se rendre vers le centre de cette chambre d'ou la
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ensuite entre les tôles ondulées de l'égouttoir 76 et enfin à l'intérieur de la chambre de vapeur 104 du corps cylindrique d'où la
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Cette forme de construction du séparateur de vapeur et d'eau non seulement réduit la quantité de métal nécessaire pour une séparation optimum de vapeur et d'eau à l'intérieur d'un corps cylindrique d'un certain volume, mais elle est aussi si compacte que le rendement de la séparation totale de vapeur et d'eau est notablement plus élevé. Cette compacité est due aux cages à chambre de tourbillonnement et à leur rapport avec la chambre d'entrée du mélange de vapeur et d'eau et elle donne lieu à une capacité de séparation accrue dans un corps cylindrique d'une certaine longueur et d'un certain diamètre, en augmentant ainsi la capacité de séparation de vapeur et d'eau du corps cylindrique.
La force contre-agissante ou de retenue (force agissant à l'encontre de la force produisant la séparation de la vapeur) qui s'exerce sur une bulle de vapeur dans l'eau agit dans une direction radialement vers l'extérieur et la force de retenue dans le séparateur représenté et décrit est donnée par la formule cidessous :
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intérieur s'exprime comme suit : ,
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Dans les séparateurs cyclones du type représenté, l'eau reste le long de la paroi de la chambre de tourbillonnement ou du cyclone et se décharge axialement.' Il suffit donc pour une bulle de vapeur de se déplacer vers la :surface d'une_ couche de mélange relativement mince pour être séparée. Des bulles de n'importe quelles dimensions peuvent être séparées si l'on y met assez de temps. En d'autres termes, même des bulles de vapeur extrêmement petites peuvent être séparées si on leur donne un temps suffisant pour atteindre la surface de la couche de mélange avant qu'elle ne soit déchargée par l'anneau de sortie. Ainsi le temps de séparation est de la plus grande importance dans ce type de séparateur.
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épaisseur de la couche de mélange, et par conséquent le temps de séparation, à un minimum par l'emploi d'entrées multiples.
Les entrées multiples assurent aussi un fonctionnement relativement souple et symétrique, ce qui est important pour retirer les plus grands avantages de l'emploi de l'anneau de sortie, en chargeant uniformément toutes les parties de celui-ci.
Les séparateurs de vapeur et d'eau décrits séparent efficacement la vapeur de l'eau même dans le cas de concentrations d' eau de chaudière aussi élevées que 10.000 ppm. Dans leur fonction-
This invention relates to separator devices for separating an elastic fluid and a liquid.
More particularly, the invention relates to cyclone steam and water separators as constituent elements of the cylindrical body for separating steam and water from a high-pressure and large-capacity steam generator, the separators cyclones of the invention effectively separating the va-
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tion in a natural circulation steam generator, by increasing the density differences between the upward and downward branches of the steam generator.
Separator devices for separating an elastic fluid and a liquid from a mixture of elastic fluid and liquid, according to the present invention, comprise a pressure vessel, a receiving chamber for the mixture inside the pressure vessel, intended to receive the mixture of elastic fluid and pressurized liquid having vertically spaced walls the top wall of which is provided with openings for the passage from the bottom to the top of the separated elastic fluid
and the bottom wall of openings for the passage from top to bottom of the separated liquid, and swirl chamber cages the ends of which are each in the same alignment as an opening in the top wall and an opening formed in the bottom wall and which include a circular series of vanes arranged so that the adjacent vanes are spaced apart from each other and overlap to form inlet passages for the mixture into the swirl chamber within the cage distributed over the entire periphery of the chamber
vortex and intended to direct respective streams or streams of mixing in the same direction around the axis of the swirl chamber.
The invention will be described below, by way of example, with reference to the accompanying partially schematic drawings, in which: Figure 1 is a cross section of a cylindrical body of steam and water of an aquatubular steam generator having separator devices comprising swirl chamber cages, and Figure 2 is a perspective view of one of the swirl chamber cages. Figure 1 shows a cylindrical body of steam and water 10 which constitutes a component of a high pressure steam generator. Inside the cylindrical body is <EMI ID = 2.1>
made by a series of sheets and part of the inner wall of the cylindrical body. Chamber 12 communicates with the ends
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They discharge mixtures of steam and water at high speed inside the chamber. The sheets forming the chamber. include upper and lower horizontally arranged plates 16 and 18, side plates 20, other curved plates
22, 24 and suitable end plates near the ends of the cylindrical body. At the top of chamber 12 is a series of circular multi-vane swirl chamber cages which are indicated at 30. Each cage
vortex chamber has a crown of metal vanes such as those indicated at 32, 33, 34 and 35 in Figure 2, the vanes being attached to lower rings and upper rings 38 and 40 provided with respective sets of lugs centering 43 and 44. The inlet and outlet edges of the vanes are disposed radially outwardly at a distance from the adjacent vanes to form slits or narrow inlet passages 42 for the steam and water mixture, each inlet for conducting a high velocity layer or slick of the steam and water mixture inside the swirl chamber cage. Cyclone steam and water separators in the form shown can be used to separate 4 to 40 times as much water as
of steam.
There is a row of swirl chamber cages preferably disposed along the major part of the length of the cylindrical body. Each swirl chamber cage 30 is superimposed on a circular opening 50 in the bottom plate 18 such that the ears 43 cooperate with spaced ears attached to the plate 18 to center the cage relative to its separate water opening 50. Each cage can be bolted by the centering ears to the bottom plate
18.
Below each swirl chamber cage is a device for the outlet of the separate water, generally indicated at 52. This device comprises a cylindrical metal ring 54, welded to the lower surface of the plate 18 as. this is indicated at 56, and a central, condentric, circular part, taking the form of an inverted basin 58, fixed to the ring 54 by a series of helical vanes 60 arranged in the annular space between the central part 58 and the ring 54. The vanes extend from their upper ends to their lower ends around the axis of the swirl chamber in the same direction as the inlet passages 42 of the mixture.
When the swirl chamber cages are arranged as shown, the top plate 16 is attached to
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a series of circular openings, provided with rings, each in line with the opening made in the upper part of a cage
with swirl chamber. Thus, figure 1 shows a ring
66 in the same alignment as the opening of the top of the swirl chamber cage 30, the centering lugs 44 being disposed between attached cooperating lugs
to the plate 16 or fixed thereto by threaded elements. After the sheet 16 has been secured in place, the drip plate 68 is disposed above the upper sheet 16 and is secured therein in the position shown in Figure 1, for example, by welds such as that shown. at 70. The drip plate has a series of circular openings 72 spaced lengthwise and centered with respect to the swirl chamber cages and the separate steam outlet openings formed by the rings 66. A l Within each opening 72 in the drip tray 68 is a perforated metal plate in the shape of a pyramid or inverted cone 74 which can be viewed as an auxiliary separator. Each plate 74 preferably has the shape of a cone of low height compared to the diameter.
Above the perforated plates 74, scrubbers or drainers are attached to the plate 68. There is a drainer for each swirl chamber cage and each drainer consists of a series of vertical and intimately spaced corrugated plates 78 fixed together and held on. the drip plate 68 by an inverted U-shaped piece 80 and a vertical bolt 82 passing through the U-piece and cooperating with a nut of the drip plate. The main part of the drip plate 68 is in the form of a U-shaped metal piece having a downwardly extending wing 84 spaced horizontally from the wall 20 towards the axis of the cylindrical body. This U-shaped part thus forms a cap for the separators with vortex chamber.
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in water 86, the normal level of which is shown at 88. Along its side opposite to the flange 84, the drip plate 68 has a downwardly directed rim 90 coming into contact with the upper plate 16 and welded to it. At the ends of the row of
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sede downwardly directed end flanges united to the base of the U-piece and its downward wings 84 and 90.
Each swirl chamber cage, by way of example, may be about 8 inches (200 mm) high and about 8 inches internal diameter at the base of the cage. The individual vanes of each cage can have a deve -
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and a slightly lesser width at their upper ends. The longitudinally intermediate portion of each vane may be bent transversely under a radius of curvature of approximately 4 inches (100 mm) near the leading edge, the curvature changing such that the radius of curvature at the trailing edge of the vane is
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Provides slits or narrow vertical passages, for entry of high speed streams of steam and water mixtures entering the swirl chamber. These slits or passages may be approximately 1/16 inch (1.5mm) wide at their <EMI ID = 9.1>
- lower, thus forming thin slices or layers of high speed incoming streams, requiring little time to pass the vapor bubbles through the incoming webs.
At the top of the cylindrical body is at least one steam intake duct 92 extending from a steam intake chamber 94 providing additional water separation.
and comprising a bottom plate 96, a side plate 98 and another side plate 100 provided with perforations or openings
102 for the passage of steam from the steam chamber 104 of the cylindrical body to the duct 92.
Inside the water chamber of the cylindrical body is a continuous purge pipe 106 held by fittings 108 welded to the sheets forming the inner wall of the mixture inlet chamber, as indicated at 110. Also inside the water chamber of the cylindrical body 10 is a feed water pipe 112, provided with openings 114 for distributing the feed water as it enters the chamber. water from the cylindrical body and held in place by supports 116 welded, as indicated at 118, to plates or support brackets 119 forming part of the mixture inlet chamber.
A chemical supply pipe 120 is held in place inside the. water chamber of the cylindrical body by supports 122 which may extend from the wall of the admixture inlet chamber to the wall of the cylindrical body where they are welded thereto, as indicated in
124.
In operation the steam and water mixtures leave the riser tubes or vaporizing tubes 14 and pass into the inlet chamber 12 at a high speed. The high pressure mixtures pass in thin streams or streams elongated vertically through the passages or slits 42 between adjacent vanes of the swirl chamber cages and exert a high speed swirling action within these chambers. This action results in a centrifugal force such that the water concentrates in a rapidly swirling current near the perimeter.
of each swirl chamber, the vapor bubbles leaving the water to go to the center of this chamber from where the
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then between the corrugated sheets of the drip tray 76 and finally inside the vapor chamber 104 of the cylindrical body from where the
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This form of construction of the steam and water separator not only reduces the amount of metal required for optimum separation of steam and water within a cylindrical body of a certain volume, but it is also so compact that the efficiency of the total separation of steam and water is significantly higher. This compactness is due to the swirl chamber cages and their relation to the inlet chamber of the steam and water mixture and it gives rise to an increased separation capacity in a cylindrical body of a certain length and a certain diameter, thereby increasing the vapor and water separation capacity of the cylindrical body.
The counteracting or restraining force (force acting against the force causing the vapor to separate) exerted on a vapor bubble in water acts in a radially outward direction and the force retention in the separator shown and described is given by the formula below:
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interior is expressed as follows:,
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In cyclone separators of the type shown, the water remains along the wall of the swirl chamber or cyclone and discharges axially. It is therefore sufficient for a vapor bubble to move towards the surface of a relatively thin mixture layer to be separated. Bubbles of any size can be separated if given enough time. In other words, even extremely small vapor bubbles can be separated if given sufficient time to reach the surface of the mixing layer before it is discharged from the outlet ring. Thus the separation time is of the utmost importance in this type of separator.
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mixing layer thickness, and hence separation time, to a minimum by the use of multiple entries.
The multiple inlets also provide relatively smooth and symmetrical operation, which is important in obtaining the greatest benefits from the use of the outlet ring, by uniformly loading all parts of it.
The steam and water separators described effectively separate steam from water even in the case of boiler water concentrations as high as 10,000 ppm. In their function-