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Echangeur de chaleur.
Cette invention concerne en général des échangeurs de chaleur et, plus particulièrement, un échangeur de chaleur dans lequel un mélange vapeur en voie de condensation-liqui- de échauffe un fluide vaporisable, par transfert indirect de la chaleur, un fluide s'écoulant à l'intérieur et l'autre à l'extérieur de tubes générateurs de vapeur s'étendant verti- calement. L'invention est caractérisée en ce que le mélange vapeur en voie de condensation-liquide est séparé en deux parties : la vapeur en voie de condensation et le liquide; chacune des parties chauffant une section séparée des tubes produisant la vapeur.
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L'invention convient particulièrement pour être employée dans un réacteur nucléaire à eau bouillante et à circuit fermé.
Dans ce système de réacteur, le réfrigérant primaire, en s'écou- lant à travers le noyau du réacteur, se transforme en un mélan- ge vapeur-liquide qui communique sa chaleur à un fluide secon- daire par transfert indirect, pour produire un mélange vapeur- liquide. Le fluide secondaire passe ensuite vers un point d'uti- lisation où. on peut l'employer pour le chauffage, la production .l'énergie électrique ou dans d'autres buts.
Le groupe produisant la vapeur dans la présente inven- tion apporte une solution à un certain nombre de problèmes aux- quels ont à faire face les constructeurs de réacteurs à eau bouillante. Un de ces problèmes est d'éviter la propagation des radiations du réacteur. En empêchant tout contact entre le flui- de primaire et le fluide secondaire, on réduit fortement lapos- sibilité de la contamination, par des produits radio-actifs pro- venant du réacteur, des parties du système en contact avec le fluide secondaire. L'invention apporte une seconde solutionen fournissant un système dans lequel l'écoulement du fluide pri- maire se produit par circulation naturelle, ce qui évite l'ins- tallation de pompes de circulation coûteuses.
On peut enfin mettre au point un procédé pour contrôler un réacteur à eau bouillante, en faisant varier le degré de sous-refroidissement du fluide primaire.
En conséquence, la présente invention fournit un procédé dans lequel le fluide primaire constitué par un mé- lange vapeur-liquide est employer poru chauffer un second fluide. Initialement, le fluide primaire chauffé est séparé en vapeur et en liquide. La vapeur s'écoule alors en transfé- rant indirectement sa chaleur au secon fluide pour compléter le chauffage de celui-ci. Au cours de cet échange, la partie vapeur du premier fluide est condensée et se mélange à la partie liquide qui est en train de s'écouler, en transférant indirectement sa chaleur au second fluide, ce qui provoque un chauffage partiel de ce dernier, tandis que la partie li- quide est sous-refroidie.
Dans son écoulement, le second flui-
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de est en contact initialement avec la partie liquide du crémier fluide et ensuite avec la partie vapeur de celui-ci.
En outre, la présente invention envisage un échan- geur de chaleur constitué par une cuve sous pression, dans laquelle le liquide s'établit à un niveau normal et est sur- monté d'un espace pour la vapeur. Les surfaces d'échange de chaleur sont situées à la fois à l'intérieur de l'espace où se trouve la vapeur et dans la masse de liquide de la cuve sous pression. Le fluide primaire ou chauffant entre dans la cuve et en sort par des raccords placés sous le niveau du liquide. Le fluide à chauffer, c'est-à-dire le fluide secon- daire, est introduit dans les surfaces d'échange de chaleur en un point situé sous le niveau du liquide et le fluide chauffé tésultant est enlevé des surfaces d'échange de cha- leur au-dessus du niveau du liquide.
Le fluide chauffant est en outre dirigé dans son parcours d'écoulement à travers la cuve sous pression de manière qu'il se sépare en une partie vapeur et une partie liquide. La partie vapeur passant sur les surfaces d'échange de chaleur dans l'espace réservée à la vapeur est condensée et se mélange ensuite à la partie liquide s'écoulant vers le bas, en passant sur les surfaces d'échange de chaleur sous le niveau atteint par le liquide dans la cuve sous pression.
Dans les dessins : la figure 1 est une vue schématique, montrant en élévation le groupe produisant la vapeur, installé dans un système de réacteur à eau bouillante; la figure 2 est une section verticale à travers la forme de construction préférée du groupe générateur de va- peur ; la figure 3 est une vue agrandie, partiellement en coupe, prise le long de la ligne 3-3 de la figure 2, et la figure 4 est une vue agrandie, partiellement en coupe, prise suivant la ligne 4-4 de la figure 2.
Dans la figure 1, on a représenté un groupe généra-
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teur de vapeur 10, disposé pour recevoir un mélange primaire eau-vapeur venant du noyau d'un réacteur nucléaire à eau bouillante 12. l'eau primaire circule en circuit fermé,à travers le réacteur et le groupe générateur de vapeue enle- vant la chaleur produite dans le noyau du réacteur par la réaction en chaîne provoquée par la fission, et cède cette chaleur à celui-ci. Le groupe 10 est monté verticalement au- dessus du réacteur 12, de façon que l'écoulement d'eau pri- maire à travers le système de réacteur à circuit fermé se produise par circulation naturelle. L'eau primaire est sous- refroidie à l'intérieur du groupe générateur de vapeur et est la plus dense dans la partie du cycle où elle quitte le grou- pe.
Comme indiqué par les flèches de la figure 1, l'eau pri- maire sous-refroidie s'écoule par la,sortie 64, située dans le fond du groupe générateur de vapeur pour passer dans le raccorde! entrée 64A, à la base du réacteur 12.
Elle s'écoule ensuite vers le haut, à travers le réacteur absorbant de la chaleur à mesure qu'elle passe dans le noyau, et formant un mélange vapeur-eau qui sort par le raccord 62A, situé au-dessus du noyau, puis remonte, pour entrer dans le groupe générateur de vapeur par le raccord 62.
Sur son passage à travers le groupe générateur de vapeur, le
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ynélanoee primaire eau-vapeur, en traindé3er ;. la chaleur qu'il a absorbé dans le réacteur, est condensé et sous-refroidi, en vue de sa recirculation continue dans le système de réac- teur nucléaire à eau bouillante à circuit fermé.
Le sous-refroidissement tel qu'utilisé ici signi- fie que l'eau primaire est refroidie au-dessous de la tem- pérature à laquelle la vapeur et l'eau existent en équilibre thermodynamique, pour une pression déterminée.
Le groupe générateur de vapeur 10 de la figure 2 consiste en une cuve sous pression 14, allongée verticalement, fermée au sommet par une tête supérieure 16 en forme le cu- vette, munie d'une sortie 18 pour la vapeur secondaire et d'un trou d'homme 20 normalement fermé. Au fond existe une
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tête inférieure 22 en forme de cuvette, contenant un certain nombre de trous 24 pour y passer la main et un raccord de vidange 26 du système secondaire. Une plaque tubulaire supé- rieure 28 est disposée transversalement à l'intérieur de la paroi de la cuve. avec laquelle elle fait corps, et divise le groupe en une section inférieure 30 de production de va- peur et une section supérieure 32, séparant la vapeur de l'eau.
Dans la partie inférieure de la section de produc- tion de vapeur, une plaque tubulaire inférieure 34, faisant corps avec les parois de la cuve est: disposée parallèlement à la plaque tubulaire supérieure. la plaque tubulaire inférieu- re en combinaison avec la tête inférieurs, ion elle est étroi- tement rapprochée, forme une chambre d'entrée 36 pour l'eau secondaire. Une paire d'ouvertures centrales 38 et 40, ali- gnées suivant l'axe, sont ménagées dans les plaques tubulai- res supérieure et inférieurs, respectivement. Une manche-- 42 est assemblée par ses extrémités opposées aux plaques tubulai- res supérieure et inférieure et établit une communication entre les ouvertures respectives 38 et 40 dans les plaques tubulaires.
Un faisceau de tubes générateurs de vapeur 44 est monté dans un espace de forme annulaire 46 limité horizonta- lement par les plaques tubulaires supérieure et inférieure et verticalement, par la paroi de la cuve sous pression 14 et la manche 42. Les tubes générateurs de vapeur sont espa- cés de la paroi de la cuve sous pression et fixés par leurs extrémités opposées dans des sièges 48 prévus dans les pla- ques tubulaires. pendant le fonctionnement du groupe généra- teur de vapeur 10, on maintient un niveau d'eau normal 50 entre les extrémités des tubes, dans l'espace annulaire 46, pour ménager un espace 52, réservé à la vapeur, au-dessus de la masse d'eau primaire 54.
A peu près à l'endroit où se si- tue le niveau normal du liquide, une ceinture de support de tubes 56, disposée transversalement, est montée entre la paroi
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de la cuve sous pression et le faisceau de tubes. Une enve- loppe 58, entourant étroitement le faisceau de tubes géné- rateurs de vapeur, s'étend vers le bas, à partir de la ceinture de support des tubes, jusqu'à un plan horizontal espacé d'une courte distance au-dessus de la plaque tubulai- re inférieure. l'enveloppe des tubes et la paroi de la cuve sous pression se combinent pour former un passage d'écoule- ment annulaire 60 entre les deux.
Un orifice d'entrée 62, divergent à son entrée dans la cuve, est prévu dans la sec- tion de production de vapeur et amène un mélange primaire va- peur-eau dans l'extrémité inférieure du passage d'écoulement
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60. Thé sortie v-Y, vLil'1 W1'r VW iy4WnâWÎÛIic'. à. l'entrée u2, ost prévue pour la sortie de l'eau primaire venant du passage d'édoulement. Une chicane annulaire inclinée 66 est placée dans le passage d'écoulement 60, en travers duquel elle for- me un joint. Elle est attachée à la cuve d'un côté en un point situé exactement sous l'entrée 62, et du côté opposé, en un point situé au-dessus de la sortie 64.
De cette façon, elle divise le passage d'écoulement en une partie d'entrée 68 et une partie de sortie 70, en sorte que le mélange primai- re vapeur-eau, lorsqu'il entre par le raccord 62, s'écoule vers le haut par la partie d'entrée annulaire 68, la vapeur se dégageant au niveau de l'eau 50, et l'eau s'écoulant vers le bas, sur les tubes générateurs de vapeur, à l'intérieur de l'enveloppe des tubes, dans un passage de sortie 70 et quittant ensuite la cuve sous pression par la sortie 64.
Un évent 72 est situé dans la cuve à pression en un point situé exactement sous la plaque tabulaire supérieure communiquant avec l'espace réservé à la vapeur de la section génératrice de vapeur, pour enlever les gaz/non condensables qui pourraient s'accumuler dans le système primaire. La sec- tion de production de vapeur possède également une paire de raccords 74, pour des tubes indicateurs du niveau d'eau pri- maire, l'un disposé au-dessus et l'autre en-dessous du niveau normal du liquide 50.
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Dans la section 32 de séparation de l'eau et de la vapeur, une chicane collectrice 76, en forme de coupe, est espacée vers l'intérieur à partir de la paroi 14 de la cuve et au-dessus de la plaque tubulaire supérieure 28. la caica- ne collectrice délimite également l'espace 80 réservé à l'eau secondaire, et, en partie, l'espace 78 réservé à la vapeur. Une ouverture de sortie 82 est située dans le centre du fond de la chicane collectrice, et alignée axialement avec l'ouverture 38 de la plaque tubulaire supérieure. Un tube de descente 84 est raccordé par son extrémité supérieure à l'ouverture de sortie 82 et s'étend vers le bas à travers la manche 42, pour se terminer à la face inférieure de la plaque tubulaire inférieure 34.
Un passage d'écoulement annulaire étroit 86 est ainsi formé entre le tube de descente et la manche, pour s'étendre entre les plaques tubulaires inférieu- re et supérieure et à travers celles-ci.
Un passage ascendant 88 est formé par la chicane collectrice 76, la plaque tubulaire supérieure 28 et. la pa- roi de la cuve 14. Ce passage, qui s'étend vers le haut de- puis la plaque tubulaire supérieure est fermé autour du som- met par une plaque annulaire 90 Six séparateurs de vapeur 91 du type cyclone, disposés circonférentiellement, sont es- pacés autour de la périphérie intérieure de la chicane col- lectrice, pour recevoir le mélange vapeur-eau venant du pas- sage montant 88. Ces séparateurs de vapeur ont leur extrémi- tés supérieures situées dans l'espace 78 réservé à la vapeur secondaire et s'étendent vers le bas dans la masse d'eau 80.
Une plaque distributrice de vapeur 92 est montée au sommet de chacun des séparateurs, pour renvoyer toute eau s'échap- pant du sommet de ceux-ci vers le bas, dans l'espace 80 ré- servé à l'eau.
L'eau séparée sort des séparateurs de vapeur par une extension 93, attachée au séparateur au moyen d'un man- chon de connexion 93A. A son extrémité de sortie, l'ouvertu- re de la manche de décharge est placée juste au-dessus du fond
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de la chicane collectrice et est cintrée pour diriger le cou- rant intérieurement en direction de l'ouverture 82, vers le tube de descente. Dans l'espace secondaire 78, réservé à,la vapeur au-dessus des séparateurs, se trouve un élément se- d'épuration condaire/de la vapeur 94, du type à ondulations.
Un raccord 96 destiné à souffler vers le bas est situé dans la cuve sous pression communiquant avec la masse d'eau secondaire dans l'espace 80 réservé à l'eau. Une pai- re de raccords 98 pour les indicateurs de niveau d'eau se- condaire est logée dans la section de séparation de l'eau et de la vapeur, avec une communication s'ouvrant vers l'es- pace 78 réservé à la vapeur secondaire et une s'ouvrant vers l'espace 80 réservé à l'eau secondaire. Il existe en outre un conduit 100, pour l'eau secondaire qui alimente le grou- pe en eau.
La sortie de ce conduit se trouve directement au- dessus de l'ouverture du tyau descendant 84, en sorte que l'eau d'alimentation arrivant se mélange intimement avec l'eau secondaire sortant du fond de l'extension 93 du sépa- rateur de vapeur.
La forme de construction préférée du groupe 10 générateur de vapeur décrite ici fonctionne de la manière sui- vante. Le mélange primaire vapeur-eau, chauffé dans le noyau, quitte d'abord le réacteur à eau bouillante 12 par la commu- nication de sortie 62A et entre dans le groupe générateur de vapeur 10 par l'orifice d'entrée 68 du pasrage d'écoulement 60. Le mélange primaire vapeur-eau subit un certain degré de séparation dans la région du niveau d'eau normal 50, abec la vapeur primaire montant dans l'espace 52 réservé à la vapeur et l'eau primaire s'écoulant vers le bas, en passant sur les tubes générateurs de vapeur 44, confinée dans son passage d'é- coulement par l'enveloppe 58 des tubes.
Dans l'espace 52 ré- servé à la vapeur, la vapeur primaire s'écoule en transférant indirectement sa chaleur à l'eau secondaire montant dans les tubes générateurs de vapeur 44. En s'écoulant le long des tu- bes générateurs de vapeur, la vapeur primaire se conlense,
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puis= se mélange avec l'eau,primaire descendant s. l'inté- rieur de l'enveloppe des tubes, en transférant indirectement sa chaleur aux tubes générateurs de vapeur que celle-ci ren- ferme Après son passage dans l'enveloppe, l'eau primaire sort sous celle-ci par la sortie 70 du passage d'écoulement 60 et est évacuée du groupe générateur de vapeur par l'orifice 64. pendant son passage autour des tubes générateurs de valeur, :
ou= le ni-.eau normal de ',eau 50, l'eau primaire estsous- refroidie, à la température désirée, avant de quitter la cuve sous pression.Comme on peut le voir dans la figure 1, de la sortie 64, l'eau primaire sous-refroidie a'écoule vers le réacteur 12 en entrant par les raccords d'entrée 64A, pour compléter son circuit fermé à travers le réacteur et le grou- pe générateur de vapeur.
L'eau secondaire à vaporiser à l'intérieur de la section 30 de production de vapeur descend à travers l'espa- ce 84; depuis l'espace 80 réservé à l'eau jusqu'à la chambre d'entrée 36 de l'eau secondaire. Pour éviter la production de vapeur dans le tube de descente, ce qui gênerait la circu- lation naturelle de l'eau secondaire dans le groupe généra- teur de vapeur, on fait circuler une petite quantité d'eau secondaire dans le passage annulaire 86 entre le tuyau de des- cente 84 et la manche 42.
En plus du fait qu'elle évite la production de vapeur, la présence d'eau secondaire dans le passage d'écoulement annulaire protège la manche contre un choc thermique provoqué par la différence de température entre la vapeur primaire et l'eau s'écoulant d'un coté de la manche et l'eau secondaire s'écoulant dans le tube de descen- te.
De la chambre d'entrée 36, la masse principale de l'eau secondaire monte à travers les tubes générateurs de vapeur 44 à contre-courant, et transfère indirectement sa cha- leur à la vapeur et à l'eau primaires. La vapeur est produi- te dans l'eau secondaire, lorsqu'elle passe d'abord à travers la ruasse d'eau primaire 54, puis à travers l'espace 52 réservé
A
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à la vapeur. En quittant les tubes générateurs de vapeur, le mélange secondaire vapeur-eau péntre dans le tuyau mon- tant 88, et monte à travers celuic-i dans les séparateurs ie vapeur 91.
Lorsque la vapeur et l'eau sont séparées, la vapeur secondaire s'échappe du sommet du séparateur, puis passe à travers l'épurateur de vapeur ondulé 94, où la totalité de l'humidité entraînée estpratiquement enlevée, et s'évacue finalement, par la sortie 18, vers un point d'utilisation ( non indiqué ).
Entretemps, l'eau secondaire descend à travers l'extension 93 et s'écoule dans l'espace 80 réservé à l'eau où. elle est dirigée vêts l'intérieur transversalement au fond du récipient en direction de l'ouverture 82 du tuyau de descente 84. Le niveau de l'eau secondaire dans l'espace réservé à l'eau est maintenu entre un niveau supérieur et un niveau inférieur 80A et 80B respectivement, pour assurer une certaine pression d'eau au-dessus de la sortie, depuis l'extension 93 des séparateurs 91. L'eau d'alimentation est amenée au système de production de vapeur secondaire par la conduite 100 et descend vers l'extrémité supérieure du tuyau de descente.
A mesure qu'elle sort de la conduite, l'eau d'alimentation secondaire se mélange intimement à l'eau se- condaire venant des séparateurs et condense de cette façon les bulles de vapeur susceptibles d'être entraînées dans cel- le-ci.
L'eau secondaire ainsi débarrassée de sa vapeur pos- sède la force opératoire ou la charge nécessaire à sa circu- lation naturelle dans le groupe générateur de vapeur.
Le tableau suivant donne un exemple typique des con- ditions opératoires de la section génératrice de vapeur de la construction que l'on vient de décrire.
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Eau <SEP> primaire <SEP> Eau <SEP> secondaire
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<tb> Pression <SEP> de <SEP> fonctionnement <SEP> -Kcm2 <SEP> 63 <SEP> 42
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<tb> Température <SEP> d'entrée- C <SEP> 278 <SEP> 177(eau <SEP> d'ali-
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<tb> mentation)
<tb>
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<tb> Température <SEP> de <SEP> sortie <SEP> C <SEP> 268 <SEP> 258
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Qualité <SEP> de <SEP> la <SEP> vapeur-% <SEP> 3,5 <SEP> 2,3
<tb>
Dans le groupe générateur de vapeur de la présen- te invention, le fluide primaire est maintenu hors de contact avec le fluide secondaire pour éviter ainsi tout passage des radiations directement du mélange primaire vapeur-eau au mélange secondaire.
En évitant ce passage des radiations, le danger de contamination de la turbine ou des autres par- ties de léquipement, dans la partie du fluide secondaire du réacteur nucléaire à eau bouillante, est considérablement réduit.
La disposition du groupe générateur de vapeur dans la présente invention, quand elle est employée en combinaison avec le réacteur à eau bouillante, permet à l'eau primaire de s'écouler par circulation naturelle à travers le réacteur et le groupe générateur de vapeur. Comme l'eau primaire s'é- coule naturellement, il n'est pas nécessaire d'employer des pompes de circulation et on supprime la présence de cet équi- pement. Cet avantage subsiste également pour l'eau secondai- naturelle re, qui s'écoule par circulation à travers le groupe généra- teur de vapeur.
En outre, dans la présente invention, en régulari- sant le degré de sous-refroidissement de l'eau primaire à l'intérieur du groupe générateur de vapeur, on peut contrô- ler le fonctionnement du réacteur à eau bouillante. Celui- ci a un coefficient de température de la réactivité négatif ce qui signifie simplement que quand la température du réfri- gérant ou eau primaire augmente, la réactivité du noyau du réactenr diminue. En conséquence, en contrôlant les limites de température de l'eau primaire qui s'écoule à travers le @
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noyau du réacteur, on peut régl.r la réactivité ou niveau de puissance de celui-ci.
Ceci peut être réalisé dans la pré- sente invention en faisant varier le niveau d'eau dans la section 30 de production de vapeur, pour augmenter ou pour diminuer le degré de sous-refroidissement nu en dérivant une fraction de l'eau primaire ou secondaire, en vue d'obtenir le même effet. Les raccords 74 et 98 pour les tubes indica- teurs de niveau d'eau sont placés fans les sections de pro- duction de vapeur et de séparation vapeur-eau du groupe gé- nérateur de vapeur, respectivement, pour indiquer le niveau d'eau dans celles-ci.
Au lise ic la construction, préférée ill@Strée et décrite ici, il serait possible d'employer la disposition générale de l'invention dans plusieurs autres formes de réa- lisation. Une de celles-ci consisterait à combiner le réac- teur à eau bouillante et la sectipn de production de vapeur secondaire dans une cuve sous pression unique. Dans cette disposition, le blindage serait disposé entre le noyau et les tubes générateurs de vapeur secondaire placés au-dessus de celui-ci. Le mélange primaire vapeur-eau s'écoulerait vers le haut, depuis le noyau jusqu'à la partie supérieure de la cuve sous pression, puis descendrait en passant sur les tu- bes générateurs de vapeur secondaire.
Un dispositif de sépa- ration du mélange secondaire vapeur-eau, similaire à celui de la construction préférée, pourrait être employé avec l'au- tre construction que l'on vient de décrire, ou encore un tambour de vapeur pourrait être placé à l'extérieur de l'en- ceinte du réacteur, pour séparer la vapeur secondaire du mé-
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zut.2- lange vapeur-eau, au moment où il est reçu du groupe généra- teur de vapeur.
Une autre forme de construction consisterait à pla- cer les sections génératrices de vapeur et les sections de la séparation de/vapeur t du,liquide dans des cuves séparées, alignées verticalement et réunies par une combinaison de tu- bes de descente et de tubes de montée. Le fluide secondaires
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serait vaporisé par le fluide primaire, à l'intérieur de la section génératrice de vapeur inférieure, et monterait en- suite par la conduite dans la section de séparation de la vapeur et du liquide. De cette section, la vapeur secondaire séparée s'écoulerait vers un point d'utilisation et, le li- quide secondaire séparé retournerait au groupe générateur de vapeur.
Cette disposition présente l'avantage que la section de séparation du groupe pourrait être installée à l'extérieur de l'enceinte du réacteur, la rendant ainsi disponible pour l'entretien, pendant que le réacteur est en fonctionnement.
La présente invention a été décrite en combinaison avec un réacteur à eau bouillante, mais les personnes quali- fiées dans le métier se rendront compte que le groupe géné- rateur de vapeur n'est pas limité à l'emploi avec un réacteur nucléaire, mais qu'on peut l'utiliser dans toute installa- tion non nucléaire où on emploie un fluide pour chauffer ou vaporiser un second fluide.
. REVENDICATIONS.
1. Echangeur de chaleur dans lequel an mélange de liquide et de vapeur en voie de condensation échauffe un fluide vaporisable par transfert indirect de chaleur, un fluide s'écoulant à l'intérieur et l'autre fluide à l'exté- rieur de tubes générateurs de valeur s'étendant verticalement, caractérisé en ce que le mélange liquide-vapeur en voie de condensation est séparé en une partie vapeur en voie de con- densation et une partie liquide, chaque partie échauffant une section .:séparée des tubes générateurs de vapeur.
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Heat exchanger.
This invention relates generally to heat exchangers and, more particularly, to a heat exchanger in which a condensing vapor-liquid mixture heats a vaporizable fluid, by indirect heat transfer, a flowing fluid. one inside and the other outside are vertically extending steam generator tubes. The invention is characterized in that the condensing vapor-liquid mixture is separated into two parts: the condensing vapor and the liquid; each of the heating parts a separate section of the steam producing tubes.
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The invention is particularly suitable for use in a closed circuit boiling water nuclear reactor.
In this reactor system, the primary coolant, as it flows through the reactor core, transforms into a vapor-liquid mixture which communicates its heat to a secondary fluid by indirect transfer, to produce a vapor. vapor-liquid mixture. The secondary fluid then passes to a point of use where. it can be used for heating, electrical power generation or for other purposes.
The steam generating group in the present invention provides a solution to a number of problems faced by manufacturers of boiling water reactors. One of these problems is to avoid the propagation of radiation from the reactor. By preventing any contact between the primary fluid and the secondary fluid, the possibility of contamination, by radioactive products from the reactor, of the parts of the system in contact with the secondary fluid, is greatly reduced. The invention provides a second solution by providing a system in which the flow of the primary fluid occurs by natural circulation, which avoids the installation of expensive circulation pumps.
Finally, a method can be developed for controlling a boiling water reactor, by varying the degree of subcooling of the primary fluid.
Accordingly, the present invention provides a method in which the primary fluid consisting of a vapor-liquid mixture is employed to heat a second fluid. Initially, the heated primary fluid is separated into vapor and liquid. The vapor then flows, indirectly transferring its heat to the second fluid to complete the heating of the latter. During this exchange, the vapor part of the first fluid is condensed and mixes with the liquid part which is flowing, indirectly transferring its heat to the second fluid, which causes a partial heating of the latter, while that the liquid part is sub-cooled.
In its flow, the second flui-
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de is in contact initially with the liquid part of the fluid creamer and then with the vapor part of the latter.
Further, the present invention contemplates a heat exchanger consisting of a pressure vessel, in which the liquid settles to a normal level and is surmounted by a space for steam. The heat exchange surfaces are located both inside the space where the vapor is located and in the liquid mass of the pressure vessel. The primary or heating fluid enters the tank and leaves it through fittings placed under the liquid level. The fluid to be heated, i.e. the secondary fluid, is introduced into the heat exchange surfaces at a point below the level of the liquid and the resulting heated fluid is removed from the heat exchange surfaces. heat above the liquid level.
The heating fluid is further directed in its flow path through the pressure vessel so that it separates into a vapor part and a liquid part. The vapor part passing over the heat exchange surfaces in the space reserved for the vapor is condensed and then mixes with the liquid part flowing downwards, passing over the heat exchange surfaces below the level reached by the liquid in the pressure vessel.
In the drawings: Figure 1 is a schematic view, showing in elevation the steam generating unit installed in a boiling water reactor system; Figure 2 is a vertical section through the preferred form of construction of the steam generator assembly; Figure 3 is an enlarged view, partially in section, taken along line 3-3 of Figure 2, and Figure 4 is an enlarged view, partially in section, taken along line 4-4 of Figure 2 .
In figure 1, a general group has been represented.
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steam tor 10, arranged to receive a primary water-steam mixture coming from the core of a nuclear boiling water reactor 12. the primary water circulates in a closed circuit, through the reactor and the steam generator group removing the vapor. heat produced in the reactor core by the chain reaction caused by fission, and transfers this heat to it. The group 10 is mounted vertically above the reactor 12 so that the flow of primary water through the closed circuit reactor system occurs by natural circulation. The primary water is sub-cooled inside the steam generator group and is most dense in the part of the cycle where it leaves the group.
As indicated by the arrows in figure 1, the sub-cooled primary water flows through outlet 64, located in the bottom of the steam generator group to pass into the connection! 64A inlet, at the base of the reactor 12.
It then flows upwards, through the reactor absorbing heat as it passes through the core, and forming a vapor-water mixture which exits through connection 62A, located above the core, then rises. , to enter the steam generator group through connection 62.
On its passage through the steam generator group, the
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primary water-vapor ynélanoee, traindé3er;. the heat which it has absorbed in the reactor is condensed and sub-cooled for continued recirculation through the closed-loop boiling water nuclear reactor system.
Subcooling as used herein means that the primary water is cooled below the temperature at which the vapor and water exist in thermodynamic equilibrium, for a determined pressure.
The steam generator unit 10 of FIG. 2 consists of a pressure vessel 14, elongated vertically, closed at the top by an upper head 16 in the form of the vessel, provided with an outlet 18 for the secondary steam and a normally closed manhole 20. Basically there is a
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lower head 22 in the form of a bowl, containing a number of holes 24 for passing the hand through and a drain connection 26 of the secondary system. An upper tube plate 28 is disposed transversely within the wall of the vessel. with which it is one, and divides the group into a lower section 30 for producing steam and an upper section 32, separating the vapor from the water.
In the lower part of the steam generating section, a lower tube sheet 34, integral with the walls of the vessel, is arranged parallel to the upper tube sheet. the lower tube sheet in combination with the lower head, when closely spaced, forms an inlet chamber 36 for the secondary water. A pair of centrally aligned apertures 38 and 40 are provided in the upper and lower tube plates, respectively. A sleeve 42 is assembled at its opposite ends to the upper and lower tube sheets and establishes communication between the respective openings 38 and 40 in the tube sheets.
A bundle of steam generator tubes 44 is mounted in an annular shaped space 46 limited horizontally by the upper and lower tube plates and vertically by the wall of the pressure vessel 14 and the sleeve 42. The steam generator tubes are spaced from the wall of the pressure vessel and fixed by their opposite ends in seats 48 provided in the tubular plates. during the operation of the steam generator set 10, a normal water level 50 is maintained between the ends of the tubes, in the annular space 46, to provide a space 52, reserved for steam, above the tube. primary water body 54.
At about the point where the normal level of the liquid is, a tube support belt 56, arranged transversely, is mounted between the wall.
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of the pressure vessel and the tube bundle. An envelope 58, closely surrounding the bundle of steam-generating tubes, extends downward from the supporting belt of the tubes to a horizontal plane spaced a short distance above of the lower tube plate. the shell of the tubes and the wall of the pressure vessel combine to form an annular flow passage 60 between the two.
An inlet port 62, which diverges as it enters the vessel, is provided in the steam producing section and brings a primary steam-water mixture into the lower end of the flow passage.
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60. Tea outlet v-Y, vLil'1 W1'r VW iy4WnâWÎÛIic '. at. the inlet u2, ost provided for the outlet of the primary water coming from the flow passage. An inclined annular baffle 66 is placed in the flow passage 60, through which it forms a seal. It is attached to the tank on one side at a point exactly below the inlet 62, and on the opposite side, at a point above the outlet 64.
In this way, it divides the flow passage into an inlet portion 68 and an outlet portion 70, so that the primary vapor-water mixture, when entering through fitting 62, flows to upwards through the annular inlet portion 68, the steam being released at the water level 50, and the water flowing downwards, over the steam generator tubes, inside the casing of the tubes, into an outlet passage 70 and then leaving the pressure vessel through outlet 64.
A vent 72 is located in the pressure vessel at a point exactly below the upper tabular plate communicating with the steam space of the steam generator section, to remove gases / non-condensables which may accumulate in the vessel. primary system. The steam generating section also has a pair of fittings 74, for primary water level indicator tubes, one disposed above and the other below the normal liquid level 50.
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In the steam and water separation section 32, a cup-shaped header baffle 76 is spaced inwardly from the vessel wall 14 and above the upper tubesheet 28. the collecting tube also delimits the space 80 reserved for the secondary water, and, in part, the space 78 reserved for the steam. An outlet opening 82 is located in the center of the bottom of the header baffle, and axially aligned with opening 38 of the upper tubesheet. A down tube 84 is connected at its upper end to the outlet opening 82 and extends downward through the sleeve 42, to terminate at the underside of the lower tube sheet 34.
A narrow annular flow passage 86 is thus formed between the down tube and the sleeve, to extend between and through the lower and upper tube plates.
An ascending passage 88 is formed by the collector baffle 76, the upper tubesheet 28 and. the wall of the tank 14. This passage, which extends upwards from the upper tube plate is closed around the top by an annular plate 90 Six vapor separators 91 of the cyclone type, arranged circumferentially, are spaced around the inner periphery of the collector baffle, to receive the vapor-water mixture coming from the riser passage 88. These vapor separators have their upper ends situated in the space 78 reserved for the secondary vapor and extend down into the body of water 80.
A steam distributor plate 92 is mounted at the top of each of the separators, to return any water escaping from the top thereof downwards into the space 80 reserved for water.
The separated water exits the vapor separators through an extension 93, attached to the separator by means of a connection sleeve 93A. At its outlet end, the opening of the discharge sleeve is placed just above the bottom.
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of the collector baffle and is bent to direct the current internally in the direction of the opening 82, towards the down tube. In the secondary space 78, reserved for the steam above the separators, is a condensate / steam cleaning element 94, of the corrugation type.
A connector 96 intended to blow downwards is located in the pressure vessel communicating with the body of secondary water in the space 80 reserved for water. A pair of fittings 98 for the secondary water level indicators is housed in the water and steam separation section, with a communication opening to the space 78 reserved for the water. secondary steam and one opening to the space 80 reserved for secondary water. There is also a conduit 100 for the secondary water which supplies the group with water.
The outlet of this conduit is directly above the opening of the down pipe 84, so that the incoming feed water mixes intimately with the secondary water exiting the bottom of the extension 93 of the separator. of steam.
The preferred form of construction of the steam generator assembly described herein operates as follows. The primary steam-water mixture, heated in the core, first leaves the boiling water reactor 12 through the outlet communication 62A and enters the steam generator group 10 through the inlet 68 of the pasrage d. flow 60. The primary steam-water mixture undergoes some degree of separation in the region of the normal water level 50, with the primary steam rising into the steam space 52 and the primary water flowing to the water level. the bottom, passing over the steam generator tubes 44, confined in its flow passage by the casing 58 of the tubes.
In the space 52 reserved for steam, the primary steam flows indirectly transferring its heat to the secondary water rising in the steam generator tubes 44. By flowing along the steam generator tubes , the primary vapor conlenses,
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then = mixes with water, primary descending s. inside the casing of the tubes, by indirectly transferring its heat to the steam-generating tubes which the latter contains After passing through the casing, the primary water leaves under it through the outlet 70 from the flow passage 60 and is discharged from the steam generator group through the orifice 64. during its passage around the value generator tubes,:
where = the normal water level of 'water 50, the primary water is sub-cooled, to the desired temperature, before leaving the pressure vessel. As can be seen in figure 1, from outlet 64, the sub-cooled primary water flows to the reactor 12, entering through the inlet connections 64A, to complete its closed circuit through the reactor and the steam generator group.
The secondary water to be vaporized within the vapor generating section 30 descends through the space 84; from the space 80 reserved for water to the inlet chamber 36 of the secondary water. To prevent the production of steam in the down tube, which would interfere with the natural circulation of the secondary water in the steam generator group, a small quantity of secondary water is circulated in the annular passage 86 between the down pipe 84 and the sleeve 42.
In addition to preventing the production of steam, the presence of secondary water in the annular flow passage protects the sleeve against thermal shock caused by the temperature difference between the primary steam and the flowing water. on one side of the sleeve and the secondary water flowing into the down tube.
From the inlet chamber 36, the main mass of the secondary water rises through the steam generator tubes 44 in countercurrent, and indirectly transfers its heat to the primary steam and water. The vapor is produced in the secondary water, when it passes first through the primary water bank 54, then through the space 52 reserved.
AT
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steam. On leaving the steam generator tubes, the secondary steam-water mixture enters the riser pipe 88, and rises through it into the steam separators 91.
When the steam and water are separated, the secondary steam escapes from the top of the separator, then passes through the corrugated steam scrubber 94, where all of the entrained moisture is practically removed, and finally discharges, via exit 18, to a point of use (not indicated).
Meanwhile, the secondary water descends through extension 93 and flows into the water space 80 where. it is directed through the interior transversely to the bottom of the container in the direction of the opening 82 of the downpipe 84. The level of the secondary water in the space reserved for the water is maintained between an upper level and a level lower 80A and 80B respectively, to ensure a certain water pressure above the outlet, from the extension 93 of the separators 91. The feed water is supplied to the secondary steam production system through line 100 and descends to the upper end of the downspout.
As it leaves the pipe, the secondary feed water mixes intimately with the secondary water coming from the separators and in this way condenses the vapor bubbles which may be entrained therein. .
The secondary water thus freed of its vapor has the operating force or the load necessary for its natural circulation in the steam generator group.
The following table gives a typical example of the operating conditions of the steam generator section of the construction just described.
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<tb>
Primary <SEP> water <SEP> Secondary <SEP> water
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Operating <SEP> pressure <SEP> <SEP> -Kcm2 <SEP> 63 <SEP> 42
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Inlet <SEP> temperature C <SEP> 278 <SEP> 177 (feed water <SEP>
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<tb> mention)
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Temperature <SEP> of output <SEP> <SEP> C <SEP> 268 <SEP> 258
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Quality <SEP> of <SEP> the <SEP> steam-% <SEP> 3.5 <SEP> 2.3
<tb>
In the steam generator group of the present invention, the primary fluid is kept out of contact with the secondary fluid to thereby prevent any passage of radiation directly from the primary steam-water mixture to the secondary mixture.
By avoiding this passage of radiation, the danger of contamination of the turbine or other parts of the equipment, in the secondary fluid part of the boiling water nuclear reactor, is considerably reduced.
The arrangement of the steam generator group in the present invention, when employed in combination with the boiling water reactor, allows primary water to flow by natural circulation through the reactor and the steam generator group. As the primary water flows naturally, it is not necessary to use circulating pumps and the presence of this equipment is eliminated. This advantage also remains for the secondary secondary water, which flows by circulation through the steam generator group.
Further, in the present invention, by regulating the degree of subcooling of the primary water within the steam generator group, the operation of the boiling water reactor can be controlled. This has a negative temperature coefficient of reactivity which simply means that as the temperature of the coolant or primary water increases, the reactivity of the reactor core decreases. Accordingly, by controlling the temperature limits of the primary water flowing through the @
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reactor core, the reactivity or power level of the reactor can be adjusted.
This can be accomplished in the present invention by varying the water level in the steam generating section 30, to increase or decrease the degree of naked subcooling by bypassing a fraction of the primary or secondary water. , in order to achieve the same effect. The fittings 74 and 98 for the water level indicator tubes are placed in the steam generating and steam-water separation sections of the steam generator set, respectively, to indicate the water level. in these.
In addition to the construction, preferred as illustrated and described herein, it would be possible to employ the general arrangement of the invention in several other embodiments. One of these would be to combine the boiling water reactor and the secondary steam generation section in a single pressure vessel. In this arrangement, the shielding would be disposed between the core and the secondary steam generator tubes placed above it. The primary steam-water mixture would flow upward from the core to the top of the pressure vessel, then descend over the secondary steam generator tubes.
A device for separating the secondary steam-water mixture, similar to that of the preferred construction, could be employed with the other construction just described, or alternatively a steam drum could be placed at the side. outside the reactor enclosure, to separate the secondary vapor from the
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zut. 2- steam-water mixture, when it is received from the steam generator group.
Another form of construction would be to place the vapor generating sections and the vapor / vapor separation sections of the liquid in separate tanks, aligned vertically and joined by a combination of downpipes and tubes. climb. The secondary fluid
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would be vaporized by the primary fluid, inside the lower vapor-generating section, and would then rise through the pipeline into the vapor-liquid separation section. From this section, the separated secondary steam would flow to a point of use and the separated secondary liquid would return to the steam generator group.
This arrangement has the advantage that the group separation section could be installed outside the reactor enclosure, thus making it available for maintenance, while the reactor is in operation.
The present invention has been described in conjunction with a boiling water reactor, but those skilled in the art will appreciate that the steam generating unit is not limited to use with a nuclear reactor, but that it can be used in any non-nuclear installation where a fluid is used to heat or vaporize a second fluid.
. CLAIMS.
1. Heat exchanger in which a mixture of liquid and condensing vapor heats a vaporizable fluid by indirect heat transfer, one fluid flowing inside and the other fluid outside tubes vertically extending value generators, characterized in that the condensing liquid-vapor mixture is separated into a condensing vapor part and a liquid part, each part heating a separate section from the condensing generator tubes. steam.