<Desc/Clms Page number 1>
. La présente Invention est relative à la séparation de la vapeur d'un liquide et plus particulièrement à un sé- parateur vapeur-liquide à écoulement axial à haut rendement qui réalise efficacement la séparation de la vapeur et de l'eau bouillants. Lorsqu'ils remplissent cette fonction, lea séparateurs sont habituellement dénommés dea sépara- tours de vapeur,
La vapeur est d'un emploi répandu dans les utilisa- tions industrielles comme fluide de chauffage et comme forée motrice des moyens d'entraînement primaires tels que les machines à vapeur, les turbines à vapeur et analogues. Dans la plupart des cas, il est nécesseire que la vapeur soit sèche c'est-à-dire exempte d'eau entraînée de la phase li- quide.
Ceci est particulièrement vrai lorsque la vapeur meut un moyen d'entraînement primaire des types mentionnés, étant donné que l'accumulation d'un volume d'eau suffisant dans un cylindrt de machine à vapeur peut en provoquer la ruine et que la présence de quantités excessives d'eau entraînée* dans unb turbine à vapeur provoque une érosion des aube** et des ajutages pouvant conduire,en dernier lieu, à la ruine*
Dans la pratique courante d'utilisation de la vapeur où la source de vapeur est chauffée au charbon, au pétrole ou au gaz naturels, il n'est généralement pas besoin de séparateurs de vapeur, de dimensions normalement réduites, capabler de traiter des quantités anormalement élevées d'eau
<Desc/Clms Page number 2>
et de vapeur mélangées.
Un exemple est le cas des chaudières à haut rendement dans lesquelles le collecteur de vapeur est relié aux tubes chauffée de façon à recevoir un mélange d'eau bouillante et de vapeur. La capacité de séparation de vapeur du collecteur de vapeur peut être considérablement accrue en incorporant au collecteur des séparateurs individuels du type centrifuge. Ces séparateurs reçoivent le mélange eau vapeur à travers la paroi du collecteur de vapeur, envoient la vapeur dans la partie supérieure du collecteur pour être transmise à une charge et déchargent l'eau séparée dans la partie inférieure du collecteur pour être évacuée et rêva-. porisée.
Même dans les modèles de chaudières à haut rendement de ce type, il n'y a pas eu de teniance marquée au dévelop- peinent des séparateurs de vapeur à haut rendement, étant donné que la capacité d'un collecteur de vapeur comportant de tels séparateurs intérieurs, est plus facilement et plus économi- quement accrue en augmentant la longueur du collecteur de vapeur et le nombre de séparateurs qu'il contient. Un exemple de ce type de collecteur de vapeur est décrit dans le brevet des Etats-Unis No. 2.643.397.
Le développement récent des installations de production de vapeur comprend actuellement l'emploi de réacteurs à fission nucléaire, comme sources de vapeur, dans lesquels une réaction auto-entretenue de fission nucléaire en chaîne est réalisée dans le coeur du réacteur pour libérer de la cha- leur, la chaleur est transmise à une masse d'eau bouillante pour produire de la tapeur.
Les principes de la construction et du fonctionnement des réacteurs à eau bouillante sont bien connus dans la technique ; ils sont décrits par exemple dans l'ouvrage , parmi d'autres " Boiling Water Reactors" de Andrex W. Kramer - Addison-Wsley Publishing Cmpany, 1958.
<Desc/Clms Page number 3>
EMI3.1
lit réacteur à aU bouillant* fonctionne en premier lieu comme
EMI3.2
source de chaleur et produit un mélange d'eau bouillante et
EMI3.3
de vapeur qui doivent gtte séparées.
Dans les réacteurs classa
EMI3.4
que à faible densité d'énergie, la vapeur est séparée grâce
EMI3.5
au Maintien dtuftl Surface libre de liquide dans un endroit dé 1-..l'io.1nt. du réacteur* au-dessus du coeur ainsi qu*il est décrit dans * Thé eodë*dînge ôt the International Conférence ot th4 fruaoéfttl Uses of Atomic Energie , 1955, volume 3, page 56 et oùivânttâ et page 250 et suivantes .. Toutefois, le débit Vdluaetirique de séparation de la vapeur dans un tel sY8tme
EMI3.6
est limité à Une Valeur égalé au produit de l'aire de la surfine libre du liquide par la Vitesse superficielle maximum
EMI3.7
d#4tap6ebtibd pour laquelle il ne ne produit pas d'entraîné* fljfttti oxgéssît dtèau bon vaporisée.
Cette vitesse maximum va- rÏé avec là pressiez et la température du système et, pouf un pression do 70 kg/cot2 et une température de 295eC3 elle est de C@3 M/seo< Mette alors, la vapeur séparée de cette Manière contient environ 6e eh poids d'eau liquide entraînée et élit doit Otei séchée dans un sécheur de vapeur pour faire tomber la teneur te humidité à Moins de 0.1% en poids pour être
EMI3.8
admise tant danger dans la turbine à vapeur.
Cette limite
EMI3.9
de Ô#1% est inférieure â la valeur admise dans la pratique du lait do là nécessite de limiter la radio-activité dans li
EMI3.10
turbine
EMI3.11
LIM rdâdtdutâ à eau bouillante de grande densité dtdhot git nécessitant u)t appareillage spécial de séparation* Pâti tX'.P1tj Ït réacteur' nucléaire & eau bouillante de 192 rà#w#to (.,tt..1,ctr14ut) de la station Dresden à Ogicago est équipé dtuh él1.ct.ù de vapeur disposé à 26 a au-dessus dé 1 enceinte de pression du réacteur.
Le collecteur a environ 2,SÓ i1 de diùmèti-o, 20 l de long et comporte 290 séparateurs d
EMI3.12
de Vapeur distinct environ, te mélange eau-vapeur sortant
<Desc/Clms Page number 4>
du réacteur est admis avec un débit de 12*000 tonnes par heure dans les séparateurs à travers un grand nombre de con- duits d'amende et un collecteur L'eau séparés est retourna du tambour au réacteur au moyen de descentes à un débit de Il 400 tonnes par heure,
Ce collecteur de vapeur élevé et les longues conduites d'amenée et de descente nécessitent de grandes quantités de tuyaux, beaucoup de protection, de retenue, d'isolation, de nombreuses structure* de support et beaucoup d'autres matières quidans ce cas sont justifiées par l'accroissement sensible du rendement énergétique du sys- tème par rapport à celui du système classique de réacteur à eau bouillante,
Une réduction sensible des quantités de matière requis son dans une source de vapeur pour réacteur à eau bouillante de ce type pourrait être réalisée si des séparateurs de vapeur de môme capacité pouvaient être disposes dans l'enceinte de pression du réacteur et non dans un emplacement élevé Toutefois,
si un réacteur à eau bouillante installé dans une enceinte de pression de 4 m de diamètre intérieur est équipe des meilleurs séparateurs de vapeur commercialement dispo- nibles de la technique ceux dont la capacité de séparation de vapeur par unité de volume est la plus élevée et qui sont du type centrifuge à écoulement axial muni de sécheurs de vapeur primaires du type à mailles, le rendement énergétique électrique est limité par le rende* ment du séparateur à une valeur de 200 m.w.a environ* Cette valeur n'est pas sensiblement supérieure au rendement énergéti- que de la station Dresden dont l'enceinte de pression est sensiblement plus petite,
La présente invention prévoit un séparateur eau-vapeur* en particulier,- un séparateur liquide vapeur qui, lorsque
<Desc/Clms Page number 5>
et substitué aux séparateurs de vapeur classiques dans le réacteur à. eau bouillante sus-mentionné dans le paragraphe précédant, permet d'atteindre un rendement énergétique élec- trique ce l'installation de 300 m.w.e.
La présente invention a par conséquent)pour objet un séparateur vapeur-liquide amélioré à haut rendement, utili- sable pi,r exemple dans les chaudières & haut rendement de tout Soute y compta les réacteurs à eau bouillante de grande densité d'énergie.
La présents invention a encore pour objet la combinai- non d'un séparateur de vapeur centrifuge, amélioré, à écoule- ment axial et d'un sécheur de vapeur primaire, qui soit capable d'accepter des mélanges d'eau-vapeur d'une teneur allant de 5 à 25% environ, c'est-à-dire des mélanges contenant de 5 à 25% en poids de vapeur et qui soit capable de sépa- rer, de façon efficiente ,de tels mélanges avec un débit sensiblement accru et de fournir l'eau et la vapeur séparées à de faibles meneurs en vapeur entraînée et en eau entraînée respectivement.
La présente invention a encore pour objet un s éparateur de vapeur amélioré à haut rendement dont la capacité soit sensiblement accrue tout en fonctionnant avec des pertes de chaleur sensiblement réduites,
L'autres objets et avantages de la présente invention apparaîtront aux spécialistes au cours de la description illustrée suivante.
En résumé, suivant un de ses aspects, la présente invention prévoit un séparateur vapeur-liquide qui comporte un tube d'écoulement tourbillonnaire allongé pauni d'une ouverture d'admission axiale du mélange vapeur-liquide et une ouverture de sortie d'écoulement axial à l'autre extré-
<Desc/Clms Page number 6>
@ mité* un dispositif situé à proximité de l'entrée pour communiquer au mélange- vapeur-liquide un mouvement de rota-' @ tion capable d'établir dans le tube d'écoulement tourbillconai- re ,un tourbillon de vapeur entouré par un tourbillon coa- xial de liquide, un premier dispositif annulaire d'extrac- tion du liquide entourant le baril!.
de sortie du tuba d'écou- lement tourbillonnaire dont il ese @@@@tenu à écartement de @ façon à former entre eux un premier passage annulaire de sortie de renversement de l'écoulement du liquide destiné à recevoir l'écoulement tourbillonnaire du liquida à ladite @ extrémité de sortie et à le tourner de 180 autour de l'ex- trémité du tube d'écoulement tourbillonnaire,
un second dis- @ positif annulaire d'extraction du liquide entourant le pre- nier dispositif annulaire dont il est maintenu à écartement @ de façon à former entre -sux un second passage annulaire de sortie à renversement de l'écoulement du liquide pour rece- voir les écoulements de fuite du liquide de la couche péri- @ phérique depuis l'entrée dans le premier dispositif annulai- re et également destiné à conduire ces écoulemense de fuite sur 180 autour du premier dispositif annulaire, le second dispositif annulaire comportant une ouverture centrale à travers laquelle le tourbillon de vapeur est déchargé du tube d'écoulement tourbillonnaire.
Suivant un autre aspect, la présente invention prévoit un sécheur primaire de vapeur destiné à être relié pour rece- voir la tapeur du dispositif décrit dans le paragraphe précédent ou d'autres séparateurs, ce séparateur de vapeur comporte une enveloppe munie d'une ouverture d'admission tentrale disposée à une extrémité et une ouverture de sortie de la vapeur séchée disposée au centre de l'autre extrémité; une coucha cylindrique de matière:
de contact perméable aux fluides, disposée sur la paroi intérieure de l'enveloppe;
<Desc/Clms Page number 7>
une coucha conique de matière de contact perméable aux flui* des, la pointe du cône étant dirigée vers le bas, disposée
EMI7.1
à écartettent à l'intérieur de la couche cylindrique et :1'.. à son bord supérieur, au bord supérieur de l'en... loppe tattérieuré, et un dispositif d'évacuation,à partir de chacune de ces couches perwëablea aux fluides, du liquide provenant de la vapeur qui s'y est accumulé .
La présente invention sera mieux comprise par référence aux dessin' annexée se rapportant tous à la séparation de
EMI7.2
l'tau et de là vapeur, dans lesquels
La figure 1 est une vue en élévation, partiellement en coupe longitudinale d'un séparateur de vapeur centrifuge
EMI7.3
à écoulement axial d'un type classique de la technique antdw rieur* et d'un sécheur primaire de vapeur. figure Si est une vue en plan Montrant le dessus du séparateur-sécheur de la vapeur de la figure 1.
Figure 3 est une vue en coupe transversale du sépara
EMI7.4
toueï réalisée suivant la ligne 3-3 de la figure 1. figure 4 est une vue en élévation, partiellement en coupe longitudinale, du séparateur de vapeur centrifuge amélioré du typo à écoulement axial et du sécheur primaire de vapeur suivant la présente invention. figure $ est une vue en coupe du séparateur, réalisée suivant la ligna 5-5 de la ligure 1.
figuré 6 est une vue en perspective, partiellement
EMI7.5
en doupto Montrant les aubes directrices de décharge du li- qu1ôt dans le premier passage d'écoulement de sortie du liquide et lis tuyères d1 établissement du tourbillon à l'entrée du tuse d'écoulement tourbillonnaire du dispositif des figure* 4 et 5.
EMI7.6
Figu6 1 4Jt un diagramme illustrant le rendement
<Desc/Clms Page number 8>
amélioré du séparateur vapeur-liquide suivant la présente invention, en service.
Ainsi que l'on peut le voir à la figure 1. le sépara
EMI8.1
teur classique de.-vapeur est constitué d'une zone de sépa" .? ration 10 et d'un-sé-cheur primaire -.de vapeur 14 *# sépara- leur JLQ comporte un tube d'admission 16 faisan! communiquer : une admission 12 veo le tube d' écoulement -4w i?biilnnaiir 1 L'entrée du tube d'écoulement tourbillonnaire 19 est muni de plusieurs aubes d'Q.1'$iQn go conférant au mélange- eau'- vapeur s'écoulant axialemenfc deps-lodmiseiçn 12e un mouVIe- ment de rotation ou tourbillonnais Dans le tourbillon pro. duit par les tuyère.. 20 dans le tuÈr'd'éctJttîîBQnt tourbillon."!*-, naire 19, un champ artificiel qeaQteup.;.pr9q*t pour concentrer la phase vapeur de pl!1b1,.'\teJmt eo\.1. i'-or:
ns d'un tourbillon de vapeur ou intérieur 4 pr'g'lmlbe de l'AX8 longitudinal du séparateur, entoure par la phase eau de la plus grande densité sous .forme 4Lun ou:rbU1Qn¯J.q\1ïd' ou extérieur qui se déplace h4licotdalement le long de la paroi intérieure du tube d'écoulement tourbillonnaire la en direc- tion' de la sortie annulaire du tourbillon d 'eau -ZZ, La limite approximative de ces deux tourbillons est indiquée en traite interrompus 24.
L'extrémité de décharge du tube d'écoulement tourbil- lonnaire est munie d'un dispositif d'évacuation du tourbillon annulaire d'eau, constitué par un tube de sortie 26 du tour- billon de vapeur qui s'étend vers l'intérieur sur une cour- te distance dans l'ouverture de sortie du tube d'écoulement
EMI8.2
tourbillonnaire 18 pour former une sortie annulaire du tour"' billon d'eau 22, une plaque supérieure annulaire 28 dont le bord intérieur est fixé au bord supérieur du tube de sortie 26 et disposée.
transversalement à l'axe longitudinal de l'ap- pareil et un tube extérieur ou chemise 30 fixé par son bord
<Desc/Clms Page number 9>
supérieur au bord extérieur de plaque supérieure 28 et entou- rant le tube d'écoulement tourbillonnaire 16 pour constituer le passage de sortie de l'eau 32 comportant l'ouverture de sortie annulaire 34. Le tourbillon intérieur de vapeur se décharge à travers la conduite de vapeur 26 dans le sécheur primaire de vapeur 14* Le tourbillon d'eau se décharge du tube d'écoulement tourbillonnaire 18 à travers un orifice annulaire de sortie 22 dans un dispositif d'évacuation du tourbillon d'eau annulaire qu'il traverse. Le sens d'écoule- ment axial du tourbillon d'eau est ainsi inverse et l'eau séparée est évacuée par l'orifice de sortie d'eau 34.
La figure 2 représente une vue en plan ou de dessus de l'appareil de la figure 1, Le sécheur primaire de vapeur 14 est constitué d'un grand nombre de plaques ondulées parai léles 40 maintenues à écartement l'une de l'autre par des espacées 42 et reliées l'une à l'autre au moyen de tubes de liaison 44. la figure 3 représente une vue en coupe transversale du séparateur de la figure 1, réalisée au niveau indiqué* La disposition concentrique de la chemise 30 et du tube d'écoulement axial 18 entre lesquels est formé un passage de sortie annulaire de l'eau 32', est visible.
Les aubes 20 supportées par leur bord extérieur par fixation au tube d'écoulement tourbillonnaire 18 et par leur bord intérieur par fixation au manchon 50, constituent un ensemble de tuyère d'écoulement disposées en anneau. Ces tuyères sont, en fait, des passages délimités par le tube d'écoulement tour- billonraire 18, les aubes hélicoïdales 20 et le manchon 50.
L'inclinaison de l'hélice est choisie de façon à réaliser la force de tourbillon et la capacité d'écoulement voulues*
<Desc/Clms Page number 10>
Des exemples comparatifs sont donnés plus loin pour illustrer les caractéristiques de structure et les rendements du séparateur de la technique antérieure des figures 1 à 3 et sduséparateur suivant la présente invention des figures 4 à 6.
La figure 4 représente une vue en élévation partiellement en coupe longitudinale de la combinaison du séparateur vapeur-liquide et du sécheur primaire de vapeur perfectionnés suivant la présente invention. L'appareil est constitué par une zone de séparation 70 et une zone de séchage primaire 72, La zone de séparation comporte un tube d'écoulement tour- billennaire 74 dont le tube d'entrée 76 fait communiquer j j le tube d'écoulement tourbillonnaire avec l'ouverture d'admis- sien 78. A l'entrée du tube d'écoulement tourbillonnaire 74 se trouve un grand nombre d'aubes 80 fixées un manchon central 82 et A la paroi intérieure, adjacente, de la struc- ture qui les entoure.
Les tuyères ou passages formés entre les aubes communiquent au mélange entrant d'eau et de vapeur, un mouvement de rotation constituant un tourbillon intérieur de vapeur entouré par un tourbillon extérieur d'eau. La construction particulière des aubes sera décrite plus en dé- tail dans la suite. Les formes du manchon 82 et des aube* go sont choisies en fonction de la structure qui les entoure pour constituer entre ailes une ouverture annulaire dont l'aire décroisse avec :la distance à l'entrée 78. Par consé- quent, dans cette région, la vitesse du mélange entrant augmente sensiblement. Dans la mise en oeuvre de la présente invention, il est préférable de réaliser un accroissement de vitesse d'environ 30 m par seconde.
Simultanément, le mélange eau-vapeur soumis à accélération reçoit un mouvement de rota- tion appliqué par les aubes 80. La limite approximative des @ deux.tourbillons est représentée en t raits interrompus 84. @
<Desc/Clms Page number 11>
Un premier dispositif annulaire d'évacuation de l'eau ce*. prend un tube intérieur 86 disposé à distance de, et concen- triquement, sur une courte distancera la sortie du tube d'é- coulèrent tourbillonnaire 74 et constitue un orifice de sortie 88 du tourbillon d'eau;
une première plaque supérieure annu lait'* 90 dont le bord intérieur est fixé au bord supérieur du tuoe intérieur 86, cette plaque étant disposée transversa- lement à l'axe longitudinal de l'appareil,- et une chemise cylindrique 92 disposée concentriquement avec,, et écartée de/ la surface extérieure du tube d'écoulement tourbillonnais** 74, la chemise étant fixée à son bord supérieur au bord extérieur de la première plaque supérieure 90 pour ménager entre eux un passage de sortie du tourbillon d'eau 94, comportant un orifice annulaire 96.
Des aubes directrices 95 sont décrites plus loin et sont disposées dans le passage 94 pour arrêter le mouvement de rotation du tourbillon d'eau*
Un second dispositif annulaire ou d'enlèvement de la couche périphérique d'eau est prévu et disposé coaxialement de façon à entourer partiellement ce premier dispositif annulaire* Le second dispositif annulaire comprend un tube de sortie 96 d'écoulement ou tourbillon de vapeur s'étendant coaxialement dans le tube intérieur 86 et forme dans l'in- tervalle une sortie 100 de la couche périphérique,
une seconde plaque annulaire supérieure 102 dont le bord inférieur est fixé au bord supérieur du tube de sortie 98 de l'écoulement du tourbillon de vapeur et qui est parallèle à la première plaque supérieure 90, et un tube extérieur 104 fixé au bord extérieur de la seconde plaque supérieure 102 dans une posi- tion entourant coaxialement la chemise 92 et formant dans l'intervalle un passage 106 de décharge de la couche péri** phérique , comportant une ouverture Annulaire de sortie 108.
<Desc/Clms Page number 12>
EMI12.1
Une masse de matière de contact Z perméable aux Auide est disposée à l'ouverture annulaire de sortie 10$ paur diffus Ber le courant de décharge du liquide et l'empficher 40 perturber le niveau du liquide avoisinant 112.
En cours de fonctionnement, le tourbillon de vapeur
EMI12.2
s'écoule, à travers le tube intérieur zizi dans le .6cqur primaire de vapeur 72 décrit oi"aprêe Le tourbillon d<Mu traversin orifice annulaire de sortie 8$1 son gens 4*'*CU " lement axial est inversé de 1$00 lorsqu'il s écoule ppup la première plaque supérieure 90 et revient 4 travée le passa ge de sortie d'eau 94 en direction de l'orifice annulaire de sortie 96 dans le sens indiqué par les flèches Dans le passage de sortie 94, des aubes directrices 95 sont prévue* pour arrêter le mouvement hélicoïdal de l'eau enlevée du tour- billon d'eau.
Lors d'essais à grande capacité des appareils de la technique antérieure du type représenté à la figure 1; il
EMI12.3
a été constaté qu'ils étaient sujets 4 un entraînement qxefgçq sif d'eau dans la vapeur sortante lorsqu*on essayait de le* faire fonctionner à très grands débits On pense que cette
EMI12.4
particularité de l'écoulement est due aux forces de traînance de frottement exercée par la surface inférieure de la plaque supérieure 28 agissant sur le tourbillon de liquide en rotation lorsqu'il passe sous la plaque supérieure 28 par dessus le bord supérieur du tube d'écoulement toupillent naire 18.
A la tratnance, on a attribué l'induction de courante tourbillonnaires locaux dans cette zone d'inversion de l'é-
EMI12.5
coulement du liquide qui provoquait l'entraînement vers Iligim térieur d'une partie de ce liquide en travers de la surface inférieure de la plaque supérieure 28 de la figure 1 et vert le bas, le long de la surface extérieure de la conduite de sortie de vapeur 26, sous forme d'un écoulement de couche
<Desc/Clms Page number 13>
périphérique.
Une partie de cet écoulement de couche péri.. phérique s'est avérée s'écouler ou se répandre le long du bord inférieur de la conduite 86 et contaminer la vapeur effluentes Il en résulte un entraînement excessivement élevé d 1 humidité
Dans le séparateur suivant l'invention, le second dispositif annulaire d'évacuation de l'eau, décrit précède)*- ment et représenté aux figures 4 et 5,
est prévu pour collée ter et évacuer ces écoulements de fuite de la couche péri- phérique et empêcher la contamination de la vapeur effluente même cour de très grands débits. Ce second dispositif annu- laire d'évacuation d'eau de la couche périphérique comporte un tuhe de sortie 98 de l'écoulement du tourbillon de vapeur, une seconde plaque supérieure 102 et un tube extérieur 104.
L'écoulement de couche périphérique est ainsi collecté, retour- né de 180 par rapport à l'axe autour du premier dispositif d'évacuation et empêché de pénétrer dans la vapeur effluente.
Cette couche périphérique se décharge vers le bas sur l'ex- térieur de la chemise 92 à travers un orifice de sortie péri- phérique 108 et une ..grille de diffusion 110 dans laquelle l'énergie cinétique de l'écoulement de couche périphérique est sensiblement dissipée. Cet écran empêche la perturbation de la surface libre 112 de la masse de liquide 114 entourant le séparateur. De cette façon, la contaminaton, par l'hu- midité, de la phase vapeur disposée au-dessus du niveau du liquide 112 et la contamination, par la vapeur, de la phase liquide 114 sont simultanément diminuées.
Grâce au fonctionnement du premier dispositif annulaire d'évacuation du liquide (tourbillon) et du second dispositif d'évacuation du liquide (celui de la couche périphérique) dans la séparateur suivant la présente invention, le tourbil- lon de vapeur déchargé à travers le tube de sortie 98
<Desc/Clms Page number 14>
pour faire passer la vapeur dans le sécheur primaire de vapeur 74 présente même pour des débits d'écoulement élevés , une teneur en humidité sensiblement inférieure à celle ren- contrée dans les séparateurs de la technique antérieure fonc- tionnant à des débits d'admission identiques et une capacité ou débit admissible à l'entrée sensiblement plus élevée pour une contamination maximum admissible donnée, en humidité, de la vapeur effluente, ainsi qu'il est illustré dans les exemples donnés plus loin.
Les tuyères d'établissement du tourbillon et les aubes .Utilisées dans le séparateur suivant la présente invention font conçues suivant les procédés bien connus dans la prati- que et qui sont entièrement décrit dans J a littérature, par exemple, dans " Centrifagal and axial Flow Pumos" de A.J.
Stepanoff, John Wiley and Son ,1948, pages 16 et 144-154.
Report No. 1602 de la Oak Ridge National Laboratory par J.A.
Hafford décrivant le développement des séparateur* de gas d'oléoducs (non daté) et dans d'autres ouvrages, Les tuyères préférées suivant la prés-ante invention sont celles qui produiaent un écoulement tourbillonnaire libre dans la tube d'écoulement tourbillonnaire pour l'admission en volume supputée maximum dans le séparateur. Le séparateur muni de telles tuyères s'est avéré fonctionner excessivement bien @ pour n'importe quel débit d'écoulement inférieur à ce maximum.
Le sécheur centrifuge primaire 72 suivant la présenta invention comporte une enveloppe 120 qui, si on le désire, peut être le prolongement du tube extérieur 104; une plaque supérieure annulaire 122 ; un cône intérieur perforé 124 pourvu d'ouvertures 126 et d'un fond non perforé 128 de forme tronconique muni d'une ouverture centrale de sortie 130.
Le bord inférieur de l'enveloppe 120 est muni d'un grand nombre d'ouvertures 132 en des points situés juste au-dessus
<Desc/Clms Page number 15>
EMI15.1
de la ecnde plaque supérieure 102. Un anneau 136 de section transversale triangulaire est disposé centralement autour de l'extrémité de sortie de la conduite 98 de sortie du tourbillon de vapeur, dans le sécheur primaire 72. La surface intérieure 138 de cet anneau délimite un cet' d'une entrée annulaire faisant passer l'écoulement tourbillonnaire de va** peur dans le sécheur 72, l'autre cet' de l'entrée étant cône*'
EMI15.2
titu6 *,bar la surface inférieure du cône inférieur 128.
Ces surfais sont essentielleMent parallèles et forment un pas- sage dont l'aire de section transversale minimum Al ouverte à l'écoulement est au moins égale à l'aire de section trans-
EMI15.3
versale A2 du tube 3g de sortie du tourbillon de vapeur et dont l'aire de section transversale croît avec la distance
EMI15.4
dans le passage annulaire. La surface extérieure ou pdriphd*o riqu*140 de l'anneau 136 agit à la façon d'un barrage qui empôchu le liquide l42 collecté depuis le premier treillis sécheur 144 ou sécheur extérieur, de revenir en contact avec la vapeur pénétrant dans le sécheur. Ce treillis est ua corps cylindrique disposé sur la surface intérieure de l'env.- loppe 120 du sécheur.
Un deuxième treillis sécheur 146 eu treillis intérieur de forme tronconique ( dont la pointe est dirigée vers le bas) est disposé sur la surface intérieure
EMI15.5
du c8tt perforé intérieur 124* 1,6 tourbillon de vapeur provenant du séparateur '0, pénétrant dans le sécheur 72 à travers l'orifice de sortie de l'écoulement tourbillonnaire de vapeur 98, s'écoule entre le cône Inférieur 128 et l'anneau 136 dans la région située entre le cône perforé 124 et le treillis sécheur 144.
Les forces centrifuges produites dans le tourbillon provoquent 1'entraînement de gouttelettes de liquide à travers les treillis sécheur L'aire croissante de la surface de ces treillis développe des forces de tratnance de frottement
<Desc/Clms Page number 16>
élevées agissant sur les régions extérieures du tourbillon de vapeur.
Le.treillis absorbe une partie de l'énergie ciné- tique du tourbillon de vapeur et réduit sa vitesse de rota- tion, ce qui provoque l'entreînement d'une partie impor- tante des gouttelettes de liquide qui se condensent* Les gouttelettes condensées de liquide se rassemblent sur les eux' faces du treillis où, par suite de l'absente de vitesse éle- vée du tourbillon de vapeur et de la présence des forces de pesanteur, l'humidité est admise à précipiter et à s'écouler vers le bas pour constituer la masse de liquide 142.
Le liquide s'écoule à travers les ouvertures 132 ménagées dans le bord inférieur de l'enveloppe 120 du sécheur et va dans la passe de liquide 114,
Le tourbillon de vapeur, animé à ce moment d'une vitesse de rotation réduite, et de teneur en humidité réduire, s'écou- le vers le haut et vers l'intérieur à travers les ouvertures 126 ménagées dans le cône intérieur 124 et à travers le treil lis sécheur 146. Du fait que le tourbillon de vapeur est for- cé de s'écouler entièrement à travers le treillis,
sa vitesse de rotation est virtuellement détruite et une nouvelle ré- duction de la teneur en humidité entraînée est réalisée sui- vont le même mécanisme que dans le treillis extérieur 144.
L'aire totale A3 des ouvertures 126 ménagées dans le cône intérieur 124 est au moins égale et, de préférence, supérieur re à l'aire minimum Al ouverte à l'écoulement dans le passage annulaire divergent compris entre l'anneau 136 et le cane inférieur 128. L'humidité s'accumulant dans le treillis intérieur 146 est entraînée par les forces de gravité et s'accumule dans le cône inférieur 128 d'où elle s'écoule, par une ouverture centrale 130 traversant le cône de pression inférieur, suivant l'axe du tourbillon de vapeur dans le tubs
<Desc/Clms Page number 17>
d'écoulement tourbillonnaire 74.
Là, elle acquiert une vites- se de rotation si elle est déviât de l'axe longitudinal de 1'apparat! et est reséparé, par force centrifuge, de la vapeur et renvoyée au tourbillon d'eau. La vapeur effluente issue du sécheur primaire 72 eat déchargée à travers une ouverture de sortie 148 dont l'aire A4 est au moins égale à l'aire totale A3 des ouvertures 126 ménagea dans le cône supérieur 124.
La teneur en humidité est d'environ 6% en poids ou moins, pour le débit maximum d'écoulement,
La figure 5 représente une vue en coupe transversale du séparateur suivant la présente invention, réalisée au ni- veau indiqué à la figure 4, qui illustre la disposition coaxia- le des divers éléments décrits plus haut. Sont représentés à des distances radiales croissantes, le tube 98 de sortie du tourbillon de vapeur, l'ouverture de sortie 100 de la couche périphérique, le tube intérieur 86, l'orifice de sortie 88 du tourbillon d'eau , le tube d'écoulement tourbillonnaire 74, le passage de sortie de l'eau 94, la chemise 92, le passage de décharge 102 de, la couche périphérique, et le tube exté- rieur 104.
Dans le passage de sortie de l'eau 94, sont disposée* douze aubes,directrices 95 espacées de 30 dans cet exemple.
L& figure 6 représente une vue en perspective, par- tiellement en coupe, du tube d'écoulement tourbillonnaire 74, montrant les aubes d'admission 80, le manchon 82 et les au- bes directrices 95 suivant une variante légèrement modifiée du séparateur de la figure 4. La modification réside dans 1'élimination du tube d'entrée 76,
le prolongement du tube d'écoulement tourbillonnaire 74 jusqu'à l'ouverture d'admis- sion et la disposition des aubes 80 de formation du tourbil- lon et du manchon 82 dans la parti* inférieure du tube d'écou- lement tourbillonnaire. Le tube d'écoulement tourbillonnaire
<Desc/Clms Page number 18>
est pourvu à son extrémité supérieure et sur sa surface exté- rieure de plusieurs aubes directrices 95 incurvées à leur extrémité supérieure de façon que leur inclinaison coïncide avec celle de l'hélice de l'écoulement du tourbillon de décharge de l'eau, pat dessus le bord supérieur du tube d'écoulement tourbillonnaire 74. Cet angle d'inclinaison mesuré à la racine des aubes est généralement compris entre 5 et 15 environ par rapport à l'horizontale.
L'extrémité inférieure ou de décharge de ces aubes est conformée de façon à décharger l'écoulement parallèlement à l'axe longitudinal du séparateur.
La partie inférieure du tuba d'écoulement tourbillonnaire 74 est découpée et enlevée pour montrer les autes 80 de formation du tourbillon disposées à son extrémité d'admis. sion et au moyen desquelles les tourbillons de liquide et de vapeur sont produits. Ces aubes d'amission sont incurvées de telle façon que leur extrémité inférieure ou d'admission soit parallèle à la direction d'écoulement d'admission du mélange et, leur extrémité supérieure ou de sortie est incurvée de façon à diriger l'écoulement dans les ouvertures des tuyè- res, entre les aubes, suivant une trajectoire hélicoïdale pro- duisant les tourbillons. Des angles à la racine, de30 à 40* par rapport à l'horizontale, conviennent.
Les exemples suivants illustrent les caractéristiques de construction et le rendement d'un appareil séparateur- sécheur suivant la présente invention par comparaison avec les appareils classiques.
EXEMPLE I
Uh séparateur de vapeur suivant la technique antérieure, sensiblement tel que représenté à la figure 1, a les dimen- sions approchées données dans le tableau I.
<Desc/Clms Page number 19>
EMI19.1
-.. t. Mt4tJ!j TABLEAU.
EMI19.2
!s. # Dimension tube dfcolemert totb111onnà1r. lé
EMI19.3
<tb> Diamètre <SEP> 216 <SEP> ma
<tb>
EMI19.4
longueur 356 ma Tub* dé sortie de la vapeur 26 Diamètre 136,5 om Longueur 70 ma Plaque itupéfieuït 29 D1aètt..t'ti.ur 305 as Chêâiïtb 30 Longueur 391 mm Aubom dtadmts81o 20 Nombtt 4
EMI19.5
<tb> Type <SEP> hélicoïdal
<tb>
EMI19.6
IhcliMàitMtthp l'horizontale) 40.
Tube dt.d#1as10n 16 n1amtr. d'admiaiMOift . 15,5 mm Sd4hWut prt.airt 14
EMI19.7
<tb> Type <SEP> plaque <SEP> ondulé*
<tb>
EMI19.8
tik-gour 432 m Lortgulur 432 mm Hauteur 102 m
EMI19.9
te séparateur 6t 8dc.u primaire de vapeur suivant ,1 tachniqu* antérieur* de l'exemple 1 ( figures 1 à 3), a été oeaté au moyen d'un mélange eau-vapeur- d'uhe tenee de 9,6 à une pression de zij Kg/cm2 et à une température de 29500
EMI19.10
pour déterminai' son rendement correspondant à différente débit*'
<Desc/Clms Page number 20>
EMI20.1
de 1' écoulement de l'eau, et de la vapeur, 4 capacité maximum de séparation eau-vapeur de ce séparateur de vapeur vaut.
4?4- près les mesure 'sa *3 par heure de m61Aftl' 04u-vapoyrf ce qui correnpond A un débit vapeur ls4 bonnes par heure de teneur z l'entrée susmentionnée* Le maximum 9 été pria comme étant le débit auquel l'appareil tou13'. n vapeur gé"
EMI20.2
parée tenant 6% en humidité entraînée
EMI20.3
EXSMPIfg Jl\ Un séparateur de vapeur de taille aefbleReftt iden tique à celui de l'exemple Is mais réalisé IU"A loo pî*4 T çipei de la présente invention, le* dimensions approchée données dans le tableau Il suivant ;
<Desc/Clms Page number 21>
TABLEAU-11
EMI21.1
SEPARATEUR AF*"#Ptt suzvaNx T ¯.r,srlY.:F.
EMI21.2
ntwansionsNomenclature ens1on'-
EMI21.3
<tb> Tube <SEP> d'écoulement <SEP> tourbillonnaire <SEP> 74
<tb> Diamétre <SEP> 216 <SEP> mm
<tb>
EMI21.4
Longueur 610 mm Tube de sortis de la vavour 98 13695 m Diamètre 136,5 Longueur 76
EMI21.5
<tb> Seconde <SEP> plaque <SEP> supérieure <SEP> 102
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Diamètre <SEP> extérieur <SEP> 343
<tb>
EMI21.6
Tube extérieur 104 6.
# Longueur 647 lUI Tube intérieur 66 168 m Diamtre 168 Diamètre
EMI21.7
<tb> Longueur <SEP> 38 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Première <SEP> plaque <SEP> supérieure <SEP> 90
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Diamètre <SEP> extérieur <SEP> 305 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Chemise <SEP> 92 <SEP> Longueur <SEP> 635 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Aube. <SEP> d'admission <SEP> 80 <SEP> tourbillon <SEP> libre
<tb>
EMI21.8
Type tourbillon libre Type Nombre ln.linaison . c8t' admission 90.
EMI21.9
<tb> coté <SEP> sortie <SEP> 27
<tb>
<tb> Aubes <SEP> directrices <SEP> tourbillon <SEP> libre
<tb>
EMI21.10
Type 12
EMI21.11
<tb> Nombre <SEP> 30
<tb>
<tb>
<tb> Ecartement <SEP> angulaire
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Angle <SEP> à <SEP> l'entrée <SEP> 15
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Angle <SEP> à <SEP> la <SEP> sortie <SEP> 90 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Sécheur <SEP> primaire <SEP> 72 <SEP> centrifuge
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Type
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Treillis <SEP> extérieur <SEP> 144 <SEP> 286 <SEP> mm
<tb>
EMI21.12
Diamètre intérieur 286 ..
EMI21.13
<tb> Hauteur <SEP> 25 <SEP> mm
<tb>
EMI21.14
Epaisseur lII!ft
<Desc/Clms Page number 22>
TABLEAU II (suite) SEPARATEUR AMELIORE SUIVANT LA PRESENTE INVENTION
EMI22.1
<tb> Nomenclature <SEP> Dimensions
<tb>
<tb>
<tb> Treillis <SEP> intérieur <SEP> 146
<tb>
<tb>
<tb> Diamètre <SEP> supérieur <SEP> 292 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb> Diamètre <SEP> inférieur <SEP> 142 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb> Epaisseur <SEP> 25 <SEP> mm
<tb>
e Rapportée à l'horizontale
EXEMPLE IV
Ce séparateur de vapeur a été testé à une pression de 70 Kg/cm et à une température de 285 C au moyen du mélange est-vapeur d'une teneur de 9,66% corme danu l'exemple I.
On a déterminé que la capacité maximum prise à 6% de teneur en humidité entraînée de la vapeur effluente, était de 990 m" da mélange eau-vapeur par heure environ, ce qui correspond à un débit de vapeur de 24,3 tonnes/heure, de teneur à l'en- trée indiquée ci-dessus. Ceci représente un gain de 80% par rapport à la capacité du séparateur suivant la technique antérieure de l'exemple I.
On a également trouvé que la distan- ce axiale ou écartement de l'orifice de sortie du tube dé- coulement tourbillonnaire 74 et de la surface inférieure de la première plaque supérieure 90 possède un effet critique sur le rendement de cet appareil séparateur-sécheur primaire, Cet @ appareil a été construit de façon à faire varier l'écarte ment axial pour étudier cet effet, Les résultats de cette étu = de et la variation du rendement de la capacité du séparateur suovant la présente invention sont graphiquement illustrés à la figure 7.
A la figure 7, le pourcentage d'humidité entraînée dans la vapeur effluente de l'appareil séparateur-sécheur primaire de vapeur suivant la présente invention de l'exemple IV est porté en graphique en fonction de l'écartement axial de
<Desc/Clms Page number 23>
l'extrémité du tube d'écoulement tourbillonnaire et en t onc. tion de la distance sur laquelle s'étend le tube intérieur 86 au-delà de l'extrémité de sortie du tube d'écoulement tour- billonnaire ou "distance de recouvrement" exprimée en %, x, de cet écartement axial, ou intervalle axial, pria comme para- Mètre des divers débits d'écoulement d'admission en tonne par heure.
Pour des valeurs de l'écartement axial comprises en- tre 16,5 et 32 mm, et pour une réduction correspondante du recouvrement de 150 à 25% de l'écartement, un effet critique sur la teneur en humidité de la vapeur effluente a été cons- tata. sour chaque débit d'écoulement à l'entrée, la teneur en humidité effluente décroît jusqu'à une valeur minimum et , ensuite, augmente de nouveau lorsque l'écartement axial et le recouvrement varient dans les domaines des valeurs indi- quées. Les teneurs en humidité de la vapeur effluente pour divers débits à l'entrée et pour un écartement axial de 25,4 mm, un recouvrement de 50% environ, sont données dans le tableau suivant :
TABLEAU III
TABLEAU III
EMI23.1
<tb> Débit <SEP> d'écoulement <SEP> Humidité <SEP> effluente <SEP> Perte <SEP> de <SEP> charge
<tb>
<tb>
<tb> 83/heur. <SEP> % <SEP> en <SEP> poids <SEP> mètres <SEP> de <SEP> mélange
<tb>
<tb> @ <SEP> ! <SEP> '!! <SEP> ! <SEP> !!" <SEP> @ <SEP> !. <SEP> M!!!'!! <SEP> !.'!!!.-<!!*f'.!<f!t !!.!.<
<tb>
<tb> 990 <SEP> 6,0 <SEP> 39,6
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 905 <SEP> 3,5 <SEP> 33,7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 792 <SEP> 2,2 <SEP> 26,5
<tb>
<tb>
<tb> 680 <SEP> 1,3 <SEP> 19,8
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 566 <SEP> 1,0 <SEP> 13,7
<tb>
En prenant comme limite la même teneur en humidité entraînée de 6% dans la vapeur effluente, il ressort que l'appareil séparateur-sécheur suivant la présente invention présente une capacité maximum de 990 m/heure environ pour un intervalle axial d'extrémité de 25,4 mm environ.
L'eau séparée dans ces conditions contient environ 0,2% en poids de vapeur entraînée en phase liquide. Cette capacité est égale
<Desc/Clms Page number 24>
EMI24.1
à 160% de celle du séparateur de 14 technique pMrtapfi **# exemples 1 et II, figures 1 -o3 1 Les exemples ouivant. Ulmotrent 14 Ya.iQ. "4*yf admissible de rendement énergétique {limitée par Xfl Ç4P"it' de séparation de vapeur ) d'un réacteur à 949 bo4;ggt* fonctionnant à 70 Kg/ome et ge5*q et équipé dtt OQQUP le pu grand pouvant Otro introduit dane une enceinte de ptçoion
EMI24.2
de 406 eu de diamètre*
EMI24.3
Un réacteur 4jgu bouillante dont 19 coeur toçtQnn* nominalement à un maximum de 1100 ,w.t.
(ffi6ç44f*e$ thfrpl ques) est constitué de Z76 montages dnsembXe-de *e8rtU0fr i de combustible d'environ 305 cm de long ; 17t$ x 3 7|!5 car d4 section et contenant un assemblage de cartouches de comQu1- . ble d'UO, revêtu d'alliage ZÎrçelloye tenant environ gtl% d'U2J; les cartouches étant disposées suivant un rdo**g carré de 10 x 10 et espacées .'de lee3 mu entpe centrer Le diamètre de la circonférence circonscrite au çpp4r est 4f n-nr viron 343 cm. Le taux- moyen de transfert de eh3l Uff 4e qe* cartouches de combustible vers le réfrigérant à <tottX.lJrt$9fl 19% d'environ 403 Kwtt/e2 et les valeurs maxima sont de 1492 Kwatt a pour la production maximum.
Lorsque go réacteur fonctionne sans appareil spécial de séparation de vapeur de<
EMI24.4
EMI24.5
n'importe quel type dans l'enceinte du réacteur et lQ"q' ';i utilise la séparation libre de vapeur à la surface supérieure ,"# de li masse de liquide bouillant dans l'enceinte pour prçlo duiré de la vapeur ne tenant pas plus de 6% d'humidité eR>*1|î3| traînée, la capacité de séparation de vapeur limite la pvUp i| 88nce ' thermique maximum à laquelle le coeur peut f9nqo.. à 270 m.w te Cette valeur suffit à entraîner un< %ytfbQ*tf%1im ratrice pour produire de l'énergie électrique et"e mes4 d'environ 87 m.w.e.
(mégawatts électrtqueo)o
<Desc/Clms Page number 25>
EXEMPLE VI
Lorsqu'une installation de production d'énergie à partir d'un réacteur à eau bouillante de l'exemple V est équipée de 85 séparateurs de la technique antérieure tels que décrits en se référant aux figures 1 - 3 et dans les exemples
I et II, 85 étant le nombre maximum de séparateurs pouvant être placés dans l'enceinte sus-mentionnée de 406 cet de diam tre, la capacité de séparation de vapeur limite la puissasen thermique maximum du coaur à 610 m.w.t. Le rendement électri- que correspondant est de 197 m.w.e. , ce qui constitue un accroissement de 126% par rapport au rendement de l'exemple V.
EXEMPLE VII
Lorsqu'une installation de production d'énergie à par- tir d'un réacteur à eau bouillante de l'exemple V est équipée de 85 appareils séparateurs-sécheurs primaires de vapeur suivant la présente invention et tels que décrits en se réfé- rant aux figures 4-6 et dans les exemples III et IV, la capa- cité de séparation de vapeur permet un accroissement de la: puissance thermique maximum du noyau jusqu'à 1100 m.w.t.
Le rendement électrique admissible est de 356 m.w.e. ce qui constitue un gain de 310% par rapport à la valeur de l'exemple V et ur gain de 80% par rapport à la valeur de l'exemple VI lors de l'utilisation de séparateurs de la technique anté- rieure.
Il apparatt donc de façon évidente sur la base de la description et des exemples précédents que le séparateur-sé- cheur primaire de vapeur suivant la présente invention apporte une amélioration notable par rapport aux dispositifs de la technique antérieure et que cet appareil permet en outre un accroissement très important du rendement énergétique maximum
<Desc/Clms Page number 26>
des sources compactes de vapeur telles que les réacteurs nucléaires à eau bouillante.
Les séparateurs vapeur-liquide suivant les principes de la présente invention peuvent être appliqués à la sépara- tion d'autres mélanges vapeur-liquide ou conçus pour des tailles différentes, des capacités différentes ou les deux en se servant de l'équatien suivante qui établit la longueur du tube d'écoulement tourbiffennaire et le diamètre en fonc- tion des propriétés physiques du fluide.
EMI26.1
et
L : longueur* du tubz d'écoulement tourbillcnnaire
Z V2t/r
VT:vittese tangetielle du fluide
<Desc/Clms Page number 27>
r : rayon du volume élémentaire Vy : composante axiale de la vitesse R' : rayon de la bâte de la tuyère d'admission R : rayon du tube d'écoulement tourbillonnaire @: tension superficielle du liquide VL:
viscosité du liquide g accélération de la pesanteur #L poids spécifique du liquide #g poids spécifique du gaz k : constante comprise entre 1 et
EMI27.1
c Vtr: constante dans l'équation du mouvement tout,4 biliotmaire libre Ai . 1.;U (kac: If) 0125j go 0,167 f p 2 }Oflt2
Cette relatif liant la vitesse du fluide, le diamètre et la longueur du tube d'écoulement tourbillonnaire dépend des propriétés physiques du fluide utilisé .
Les séparateur de ce type pouvant être dimensionnés au moyen du coefficient de Froude édifié sur la base de l'équation suivante : Qm (facteur d'échelle) 2,5 bù Q est la débit d'zcoulement en volume, l'indice p désigne le prototype et l'indic, m, le modèle.
bans le séparateur suivant la présente invention, l'emploi du sécheur primaire centrifuge, de deux dispositifs annulaires d'extraction du liquide et l'observation de consi- dérations dimensionnelles critiques se rapportant à 1 écarte- *sont axial de la plaque supérieure du premier dispositif annu- laire d'extraction du liquide et du bord de sortie du tube d'écoulement tourbillonnaire et au degré de pénétration du tube intérieur dans le tuba d'écoulement tourbillonnaire ,
<Desc/Clms Page number 28>
EMI28.1
chaque facteur contribue am rendement m'Q6 . ;
Çppç4r du tube intérieur du premier 4PQtt .nn²t$' 4,,"Q tion du -liquida eat composa entre 2 ft 20% 49 * 3|.?W *W du tube d'écoulement tourbillonnait et, de $Mif*?*Wi f*W 5 et 10% de cette longueur plie est é|ei WW<5i ÇQMer10 entre 20 et 50% environ du rayon du tupe AeQpXfiWni; 1i<ïWt billonnairea loo d@Gré 4<? "recvrmQ" d 414bg '4rflr , du tube d'écouiçmant tpurbUware et la valeur de bzz tement axial 4o sont avérdo Avgtr 4n ?f| Critique sur l'efficience de la µêwftâ%t)f ta pr!pt.'1 pour les débite d'écouXswsn m1. Qa dMQnotPnq 990# sujettes à certaines latitudes pour les qapçéa jnfiWf à la capacité maximum, c'et.àd1r' en.de*3ogs do 14 t,n.u' en liquide entrait effilante acceptable.
Par fflfe ap3rf pVW une capacité de 00% environ de la capacité naxmWfi Vkw4** dite entraînée peut être Maintenue nda9ijO de (5j5 fqyipfq en fonctionnement de vapeur à 70 Kg/cm8 avec dee viftî9Ai de lfécartement axial de 20% environ en-doo*guo $4eq4'A J5% environ au-dessus de l'écart.ment donnant lî nî înew nt B ? muât. Pour lea débets plus faibles, la variait egt plus braz de. Toutefois, pour la capacité MamRj, le variation 3df3r v sible est d'environ plus ou Moins 10% de '4artQ.nt . donnant l'entraînement minimum Le "r'couvromet" d mbe intérieur exprimé sous tome d'un pourcentage de lf* sr* axial, également est moins critique aux capacités trif éyrieuaf au maximum.
Ce pourcentage est compris entre 15 et fOJfi environ de la capacité maximum mais il tombe entre 35 *% e5%
EMI28.2
environ pour la capacité maximum* Bien qu'une forme d'exécution suivant la présent*
EMI28.3
invention ait été décrit* en détail à titp* d.""*'''p3.,, .., est entendu que de nombreuses modifications et ,.r1t..,.., pfUf vent lui être apportées sans sortir du eadre ni de l'*)iprit
EMI28.4
de la présente invention.
<Desc / Clms Page number 1>
. The present invention relates to the separation of vapor from a liquid and more particularly to a high efficiency axial flow vapor-liquid separator which effectively separates steam and boiling water. When performing this function, the separators are usually referred to as vapor separators,
Steam is in widespread use in industrial uses as a heating fluid and as a motor for primary drive means such as steam engines, steam turbines and the like. In most cases, it is necessary that the vapor be dry, that is to say free of entrained water from the liquid phase.
This is especially true when steam drives a primary drive means of the types mentioned, since the accumulation of a sufficient volume of water in a steam engine cylinder can cause its ruin and the presence of large quantities. excessive water entrained * in a steam turbine causes erosion of the blades ** and nozzles which may ultimately lead to ruin *
In the common practice of using steam where the steam source is heated with coal, oil or natural gas, there is generally no need for steam separators, of normally small dimensions, capable of handling abnormally large quantities. high water
<Desc / Clms Page number 2>
and steam mixed.
An example is the case of high efficiency boilers in which the steam collector is connected to the heated tubes so as to receive a mixture of boiling water and steam. The vapor separation capacity of the vapor collector can be greatly increased by incorporating individual centrifugal type separators into the collector. These separators receive the water vapor mixture through the wall of the vapor collector, send the vapor to the upper part of the manifold to be passed to a load and discharge the separated water into the lower part of the manifold to be evacuated and dreamed. porized.
Even in high efficiency boiler models of this type, there has been no marked teniance in the development of high efficiency steam separators, since the capacity of a steam manifold incorporating such separators interiors, is more easily and more economically increased by increasing the length of the vapor manifold and the number of separators it contains. An example of this type of vapor collector is described in United States Patent No. 2,643,397.
The recent development of steam production facilities currently includes the use of nuclear fission reactors, as steam sources, in which a self-sustaining nuclear fission chain reaction is carried out in the reactor core to release heat. their, heat is transmitted to a body of boiling water to produce tapper.
The principles of construction and operation of boiling water reactors are well known in the art; they are described for example in the work, among others "Boiling Water Reactors" by Andrex W. Kramer - Addison-Wsley Publishing Cmpany, 1958.
<Desc / Clms Page number 3>
EMI3.1
boiling aU reactor bed * works primarily as a
EMI3.2
source of heat and produces a mixture of boiling water and
EMI3.3
of steam which must separate.
In classa reactors
EMI3.4
that at low energy density, the vapor is separated by
EMI3.5
to Maintain dtuftl Surface free of liquid in a place of 1 - .. the ion. of the reactor * above the core as described in * Thé eodë * dînge ôt the International Conférence ot th4 fruaoéfttl Uses of Atomic Energie, 1955, volume 3, page 56 and whereivânttâ and page 250 and following. the vapor separation rate Vdluaetirique in such a system
EMI3.6
is limited to A Value equal to the product of the area of the free surface area of the liquid times the maximum surface velocity
EMI3.7
d # 4tap6ebtibd for which it does not produce entrainment * fljfttti oxidizes good vaporized water.
This maximum speed varies with the pressure and the temperature of the system and, for a pressure of 70 kg / cot2 and a temperature of 295eC3 it is C @ 3 M / seo <So, the steam separated in this way contains about 6th weight of liquid water entrained and elect must Otei dried in a steam dryer to drop the moisture content to less than 0.1% by weight to be
EMI3.8
admitted so much danger in the steam turbine.
This limit
EMI3.9
of Ô # 1% is lower than the value admitted in the practice of milk where it is necessary to limit the radioactivity in li
EMI3.10
turbine
EMI3.11
LIM rdâdtdutâ with boiling water of great density dtdhot git requiring u) t special separation equipment * Pâti tX'.P1tj Ït nuclear reactor & boiling water of 192 rà # w # to (., Tt..1, ctr14ut) of the Dresden station at Ogicago is equipped with steam el1ct.ù placed at 26 a above 1 pressure vessel of the reactor.
The collector is approximately 2.00 in diameter, 20 liters in length and has 290 separators of
EMI3.12
Separate steam approx, the water-steam mixture leaving
<Desc / Clms Page number 4>
of the reactor is admitted at a rate of 12 * 000 tons per hour into the separators through a large number of fine pipes and a collector. The separated water is returned from the drum to the reactor by means of downspouts at a rate of It 400 tons per hour,
This high vapor collector and the long inlet and outlet pipes require large amounts of tubing, a lot of protection, containment, insulation, many support structures * and many other materials which in this case are justified. by the significant increase in the energy efficiency of the system compared to that of the conventional boiling water reactor system,
A substantial reduction in the quantities of material required in such a boiling water reactor steam source could be achieved if steam separators of the same capacity could be placed in the pressure vessel of the reactor and not in an elevated location. However,
if a boiling water reactor installed in a pressure vessel with an internal diameter of 4 m is fitted with the best commercially available vapor separators in the art those with the highest vapor separation capacity per unit volume and which are of the axial flow centrifugal type provided with primary steam dryers of the mesh type, the electrical energy efficiency is limited by the efficiency of the separator to a value of approximately 200 mwa * This value is not appreciably higher than the energy efficiency - than from the Dresden station, whose pressure vessel is significantly smaller,
The present invention provides a water-vapor separator * in particular, - a liquid vapor separator which, when
<Desc / Clms Page number 5>
and substituted for conventional vapor separators in the reactor. boiling water mentioned above in the previous paragraph, allows to achieve an electrical energy yield this installation of 300 m.w.e.
The present invention therefore relates to an improved high efficiency vapor-liquid separator suitable for use, for example, in high efficiency boilers of any kind, including high energy density boiling water reactors.
A further object of the present invention is the combination of an improved, axial flow, centrifugal steam separator and a primary steam dryer, which is capable of accepting water-steam mixtures of. a content ranging from about 5 to 25%, that is to say mixtures containing from 5 to 25% by weight of vapor and which is capable of separating, in an efficient manner, such mixtures with a substantially increased flow rate and supplying the separated water and steam to low entrained steam and entrained water drivers respectively.
A further subject of the present invention is an improved high efficiency steam separator, the capacity of which is significantly increased while operating with substantially reduced heat losses,
The other objects and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following illustrated description.
In summary, in one of its aspects, the present invention provides a vapor-liquid separator which has an elongated swirl flow tube provided with an axial inlet opening for the vapor-liquid mixture and an axial flow outlet opening. at the other end
<Desc / Clms Page number 6>
@ mity * a device located near the inlet for imparting to the vapor-liquid mixture a rotational movement capable of establishing in the vortex flow tube, a vortex of vapor surrounded by a vortex coaxial liquid, a first annular liquid extraction device surrounding the barrel !.
outlet of the vortex flow tuba which it is held apart so as to form between them a first annular outlet for reversing the flow of liquid intended to receive the vortex flow of the liquid at said outlet end and rotating it 180 around the end of the swirl flow tube,
a second annular device for extracting the liquid surrounding the first annular device from which it is kept at a distance so as to form between them a second annular outlet passage with reversal of the flow of the liquid to receive see the leakage flows of the liquid of the peripheral layer from the entry into the first annular device and also intended to conduct these leakage flows over 180 around the first annular device, the second annular device having a central opening through which the vortex of vapor is discharged from the vortex flow tube.
According to another aspect, the present invention provides a primary steam dryer intended to be connected to receive the taper of the device described in the previous paragraph or of other separators, this steam separator comprises a casing provided with an opening of a central inlet disposed at one end and an outlet opening for the dried steam disposed at the center of the other end; a cylindrical layer of material:
fluid permeable contact, disposed on the inner wall of the envelope;
<Desc / Clms Page number 7>
a conical layer of fluid permeable contact material, the tip of the cone pointing downwards, arranged
EMI7.1
to spread inside the cylindrical layer and: 1 '.. at its upper edge, at the upper edge of the outer shell, and an evacuation device, from each of these layers perwëablea to the fluids, liquid from the vapor that has accumulated in it.
The present invention will be better understood by reference to the accompanying drawings all relating to the separation of
EMI7.2
the water and steam, in which
Figure 1 is an elevational view, partially in longitudinal section of a centrifugal steam separator
EMI7.3
axial flow type conventional in the prior art * and a primary steam dryer. figure Si is a plan view showing the top of the steam separator-dryer of figure 1.
Figure 3 is a cross-sectional view of the separa
EMI7.4
All taken on line 3-3 of Figure 1. Figure 4 is an elevational view, partially in longitudinal section, of the improved centrifugal steam separator of the axial flow type and the primary steam dryer according to the present invention. Figure $ is a sectional view of the separator, taken along line 5-5 of ligure 1.
Figure 6 is a perspective view, partially
EMI7.5
Double showing the liquid discharge guide vanes in the first liquid outlet flow passage and the vortex setting nozzles at the inlet of the vortex flow nozzle of the device of Figures * 4 and 5.
EMI7.6
Fig6 1 4Jt a diagram showing the yield
<Desc / Clms Page number 8>
improved vapor-liquid separator according to the present invention in use.
As can be seen in figure 1.
EMI8.1
conventional steamer consists of a separation zone 10 and a primary steam dryer 14 * # separator JLQ has an inlet tube 16 pheasant! communicate: an inlet 12 veo the flow tube -4w i? biilnnaiir 1 The inlet of the swirling flow tube 19 is provided with several Q.1 '$ iQn go vanes giving the flowing water-vapor mixture axially deps-lodmiseiçn 12th a rotational or swirling movement In the vortex produced by the nozzles .. 20 in the vortex killer. "! * -, naire 19, an artificial field qeaQteup.;. pr9q * t to concentrate the vapor phase of pl! 1b1,. '\ teJmt eo \ .1. i'-or:
ns of a vortex of vapor or interior 4 pr'g'lmlbe of the longitudinal AX8 of the separator, surrounded by the water phase of the greatest density in .form 4Lun or: rbU1Qn¯Jq \ 1ïd 'or exterior which moves licotdally along the inner wall of the vortex flow tube in the direction of the annular outlet of the water vortex -ZZ. The approximate limit of these two vortices is shown in broken lines 24.
The discharge end of the vortex flow tube is provided with a device for discharging the annular vortex of water, consisting of an outlet tube 26 of the vapor vortex which extends inwardly. over a short distance in the outlet opening of the flow tube
EMI8.2
vortex 18 to form an annular outlet of the round "water bill 22, an annular upper plate 28 whose inner edge is fixed to the upper edge of the outlet tube 26 and disposed.
transversely to the longitudinal axis of the apparatus and an outer tube or jacket 30 fixed by its edge
<Desc / Clms Page number 9>
above the outer edge of the top plate 28 and surrounding the swirl flow tube 16 to constitute the water outlet passage 32 having the annular outlet opening 34. The inner steam swirl discharges through the conduit. of steam 26 in the primary steam dryer 14 * The vortex of water discharges from the vortex flow tube 18 through an annular outlet 22 into an annular vortex discharge device through which it passes. The direction of axial flow of the water vortex is thus reversed and the separated water is discharged through the water outlet 34.
Figure 2 shows a plan or top view of the apparatus of Figure 1. The primary steam dryer 14 consists of a large number of parallel corrugated plates 40 held apart from each other by spaced 42 and connected to each other by means of connecting tubes 44. Figure 3 shows a cross-sectional view of the separator of Figure 1, taken at the level indicated * The concentric arrangement of the jacket 30 and the Axial flow tube 18, between which an annular water outlet passage 32 'is formed, is visible.
The vanes 20 supported by their outer edge by fixing to the swirling flow tube 18 and by their inner edge by fixing to the sleeve 50, constitute a flow nozzle assembly arranged in a ring. These nozzles are, in fact, passages delimited by the vortex flow tube 18, the helical vanes 20 and the sleeve 50.
The pitch of the propeller is chosen to achieve the desired vortex force and flow capacity *
<Desc / Clms Page number 10>
Comparative examples are given below to illustrate the structural characteristics and the yields of the prior art separator of Figures 1 to 3 and the separator according to the present invention of Figures 4 to 6.
Figure 4 shows an elevational view partially in longitudinal section of the combination of the improved vapor-liquid separator and primary vapor dryer according to the present invention. The apparatus consists of a separation zone 70 and a primary drying zone 72. The separation zone comprises a vortex flow tube 74, the inlet tube 76 of which communicates the vortex flow tube with it. inlet opening 78. At the entrance to the swirl flow tube 74 is a large number of vanes 80 attached to a central sleeve 82 and to the adjacent inner wall of the structure which holds them. surrounded.
The nozzles or passages formed between the vanes communicate to the incoming mixture of water and steam, a rotational movement constituting an internal vortex of vapor surrounded by an external vortex of water. The particular construction of the blades will be described in more detail below. The shapes of the sleeve 82 and of the * go vanes are chosen as a function of the structure which surrounds them in order to constitute an annular opening between the wings, the area of which decreases with: the distance at the inlet 78. Consequently, in this region , the speed of the incoming mixture increases significantly. In practicing the present invention, it is preferable to achieve a speed increase of about 30 m per second.
At the same time, the water-vapor mixture subjected to acceleration receives a rotational movement applied by the vanes 80. The approximate limit of the two vortices is shown in broken lines 84. @
<Desc / Clms Page number 11>
A first annular water evacuation device ce *. takes an inner tube 86 disposed at a distance of, and concentrically, a short distance from the outlet of the vortex flow tube 74, and forms an outlet 88 of the water vortex;
a first upper annular plate 90 whose inner edge is fixed to the upper edge of the inner tube 86, this plate being disposed transversely to the longitudinal axis of the apparatus, - and a cylindrical sleeve 92 disposed concentrically with, , and spaced from / the outer surface of the vortex flow tube ** 74, the jacket being fixed at its upper edge to the outer edge of the first upper plate 90 to provide between them an outlet passage of the water vortex 94, having an annular orifice 96.
Guide vanes 95 are described below and are arranged in passage 94 to stop the rotational movement of the water vortex *
A second annular device or device for removing the peripheral layer of water is provided and arranged coaxially so as to partially surround this first annular device * The second annular device comprises an outlet tube 96 for the flow or vortex of vapor extending coaxially in the inner tube 86 and in the meantime forms an outlet 100 of the peripheral layer,
a second upper annular plate 102, the lower edge of which is attached to the upper edge of the outlet tube 98 of the vapor vortex flow and which is parallel to the first upper plate 90, and an outer tube 104 attached to the outer edge of the second upper plate 102 in a position coaxially surrounding liner 92 and in the interim forming a peripherical layer discharge passage 106, having an annular exit opening 108.
<Desc / Clms Page number 12>
EMI12.1
A mass of Auid-permeable Z contact material is disposed at the annular outlet opening 10 to diffuse the discharge current of the liquid and prevent it 40 to disturb the surrounding liquid level 112.
During operation, the vortex of steam
EMI12.2
flows, through the inner tube zizi in the primary vapor .6cqur 72 described oi "after The vortex of the bolster ring outlet orifice 8 $ 1 its people 4 * '* CU" axial element is inverted by 1 $ 00 when 'it flows ppup the first upper plate 90 and returns 4 bay the water outlet passage 94 in the direction of the annular outlet orifice 96 in the direction indicated by the arrows In the outlet passage 94, guide vanes 95 are provided * to stop the helical movement of the water removed from the vortex.
In high capacity testing of prior art apparatus of the type shown in Figure 1; he
EMI12.3
was found to be subject to a qxefgçq sif entrainment of water in the outgoing steam when trying to operate it at very high flow rates It is believed that this
EMI12.4
peculiarity of the flow is due to the frictional drag forces exerted by the lower surface of the upper plate 28 acting on the rotating liquid vortex as it passes under the upper plate 28 over the upper edge of the flow tube spinner 18.
To tratnance, we have attributed the induction of local vortex currents in this e-inversion zone.
EMI12.5
flow of the liquid which caused part of this liquid to be carried inwardly across the lower surface of the upper plate 28 of FIG. 1 and downwards, along the outer surface of the outlet pipe of vapor 26, as a layer flow
<Desc / Clms Page number 13>
peripheral.
Some of this peripherical layer flow has been found to flow or spread along the lower edge of pipe 86 and contaminate the effluent vapor. This results in excessively high moisture entrainment.
In the separator according to the invention, the second annular water discharge device, described above) * - ment and shown in Figures 4 and 5,
is intended to bond and evacuate such leakage flows from the peripheral layer and prevent contamination of the effluent vapor even at very high flow rates. This second annular device for evacuating water from the peripheral layer comprises an outlet pipe 98 for the flow of the vortex of steam, a second upper plate 102 and an outer tube 104.
The peripheral layer flow is thus collected, returned 180 from the axis around the first discharge device and prevented from entering the effluent vapor.
This peripheral layer discharges downwardly onto the exterior of the liner 92 through a peripheral outlet 108 and a diffusion grid 110 in which the kinetic energy of the peripheral layer flow is. noticeably dissipated. This screen prevents disturbance of the free surface 112 of the mass of liquid 114 surrounding the separator. In this way, the moisture contamination of the vapor phase disposed above the level of the liquid 112 and the vapor contamination of the liquid phase 114 are simultaneously reduced.
By virtue of the operation of the first annular liquid discharge device (vortex) and of the second liquid discharge device (that of the peripheral layer) in the separator according to the present invention, the vortex of vapor discharged through the tube exit 98
<Desc / Clms Page number 14>
for passing steam through the primary steam dryer 74 has, even at high flow rates, a substantially lower moisture content than that encountered in prior art separators operating at identical inlet rates and a capacity or admissible flow rate at the inlet appreciably higher for a given maximum admissible contamination, in humidity, of the effluent vapor, as is illustrated in the examples given below.
The vortex nozzles and vanes used in the separator of the present invention are designed according to methods well known in the art and which are fully described in the literature, for example, in "Centrifagal and Axial Flow. Pumos "from AJ
Stepanoff, John Wiley and Son, 1948, pages 16 and 144-154.
Oak Ridge National Laboratory Report No. 1602 by J.A.
Hafford describing the development of pipeline gas separators * (undated) and in other works. Preferred nozzles according to the present invention are those which produce free swirling flow in the swirling flow tube for the maximum assumed volume admission into the separator. The separator provided with such nozzles has been found to work exceedingly well at any flow rate below this maximum.
The primary centrifugal dryer 72 according to the present invention comprises a casing 120 which, if desired, can be the extension of the outer tube 104; an annular top plate 122; a perforated inner cone 124 provided with openings 126 and a non-perforated bottom 128 of frustoconical shape provided with a central outlet opening 130.
The lower edge of the casing 120 is provided with a large number of openings 132 at points located just above
<Desc / Clms Page number 15>
EMI15.1
of the upper plate 102. A ring 136 of triangular cross section is disposed centrally around the outlet end of the outlet pipe 98 of the vapor vortex, in the primary dryer 72. The inner surface 138 of this ring defines a this' of an annular inlet passing the vortex flow of va ** fear in the dryer 72, the other this' of the inlet being a cone * '
EMI15.2
titu6 *, bar the lower surface of the lower cone 128.
These superstructures are essentially parallel and form a passage whose minimum cross-sectional area Al open to the flow is at least equal to the cross-sectional area.
EMI15.3
versal A2 of the vapor vortex outlet tube 3g and whose cross-sectional area increases with the distance
EMI15.4
in the annular passage. The outer surface or peripheral 140 of the ring 136 acts as a barrier which prevents the liquid 142 collected from the first drying mesh 144 or outer dryer from coming into contact with the steam entering the dryer. . This mesh is a cylindrical body disposed on the interior surface of the envelope 120 of the dryer.
A second dryer mesh 146 with an internal truncated cone-shaped mesh (the tip of which is directed downwards) is arranged on the internal surface.
EMI15.5
from the inner perforated c8tt 124 * 1.6 vortex of vapor from separator '0, entering dryer 72 through outlet of vortex flow of vapor 98, flows between Lower cone 128 and ring 136 in the region between the perforated cone 124 and the dryer mesh 144.
The centrifugal forces produced in the vortex cause the entrainment of liquid droplets through the dryer meshes The increasing surface area of these meshes develops frictional tratnance forces
<Desc / Clms Page number 16>
high acting on the outer regions of the vapor vortex.
The mesh absorbs part of the kinetic energy of the vapor vortex and reduces its rotational speed, which causes the entrainment of a large part of the liquid droplets which condense * The condensed droplets of liquid collect on them 'faces of the lattice where, owing to the lack of high velocity of the vapor vortex and the presence of the forces of gravity, moisture is allowed to precipitate and flow towards down to constitute the mass of liquid 142.
The liquid flows through the openings 132 formed in the lower edge of the casing 120 of the dryer and goes into the liquid passage 114,
The vortex of vapor, at this moment animated by a reduced rotational speed, and reduced moisture content, flows upward and inward through the openings 126 in the inner cone 124 and through. through the drying mesh 146. Because the vortex of steam is forced to flow entirely through the mesh,
its rotational speed is virtually destroyed and a further reduction in the entrained moisture content is achieved following the same mechanism as in the outer mesh 144.
The total area A3 of the openings 126 formed in the inner cone 124 is at least equal to and preferably greater than the minimum area A1 open to the flow in the divergent annular passage between the ring 136 and the rod. lower 128. Moisture accumulating in the inner mesh 146 is driven by the forces of gravity and accumulates in the lower cone 128 from where it flows, through a central opening 130 passing through the lower pressure cone, along the axis of the vortex of steam in the tubs
<Desc / Clms Page number 17>
vortex flow 74.
There it acquires a speed of rotation if it is deviated from the longitudinal axis of the apparatus! and is re-separated, by centrifugal force, from the steam and returned to the water vortex. The effluent steam from the primary dryer 72 is discharged through an outlet opening 148 whose area A4 is at least equal to the total area A3 of the openings 126 provided in the upper cone 124.
The moisture content is about 6% by weight or less, for the maximum flow rate,
FIG. 5 is a cross-sectional view of the separator according to the present invention, taken at the level indicated in FIG. 4, which illustrates the coaxial arrangement of the various elements described above. Shown at increasing radial distances are the vapor vortex outlet tube 98, the peripheral layer outlet opening 100, the inner tube 86, the water vortex outlet 88, the vortex tube. swirl flow 74, the water outlet passage 94, the jacket 92, the discharge passage 102 of the peripheral layer, and the outer tube 104.
In the water outlet passage 94 are arranged * twelve guide vanes 95 spaced 30 apart in this example.
Figure 6 is a perspective view, partly in section, of the swirl flow tube 74, showing the inlet vanes 80, the sleeve 82 and the guide vanes 95 in a slightly modified variant of the separator of the cylinder. Figure 4. The modification is the elimination of the inlet tube 76,
the extension of the vortex flow tube 74 to the inlet opening and the arrangement of the vortex forming vanes 80 and the sleeve 82 in the lower part of the vortex flow tube. The swirl flow tube
<Desc / Clms Page number 18>
is provided at its upper end and on its outer surface with a plurality of guide vanes 95 curved at their upper end so that their inclination coincides with that of the propeller of the flow of the water discharge vortex, pat above the upper edge of the vortex flow tube 74. This angle of inclination measured at the root of the vanes is generally between about 5 and 15 with respect to the horizontal.
The lower or discharge end of these vanes is shaped so as to discharge the flow parallel to the longitudinal axis of the separator.
The lower portion of the vortex flow tuba 74 is cut out and removed to show the vortex forming autos 80 disposed at its inlet end. zion and by means of which the vortices of liquid and vapor are produced. These inlet vanes are curved such that their lower or inlet end is parallel to the admixture inlet flow direction and, their top or outlet end is curved so as to direct the flow through them. openings of the nozzles, between the blades, following a helical path producing vortices. Angles at the root, from 30 to 40 * from the horizontal, are suitable.
The following examples illustrate the construction characteristics and performance of a separator-dryer apparatus according to the present invention as compared to conventional apparatus.
EXAMPLE I
A prior art vapor separator, substantially as shown in Figure 1, has the approximate dimensions given in Table I.
<Desc / Clms Page number 19>
EMI19.1
- .. t. Mt4tJ! J TABLE.
EMI19.2
! s. # Tube dimension dfcolemert totb111onnà1r. the
EMI19.3
<tb> Diameter <SEP> 216 <SEP> ma
<tb>
EMI19.4
length 356 ma Tub * steam outlet 26 Diameter 136.5 om Length 70 ma Plate itupéfieuït 29 D1aètt..t'ti.ur 305 as Chêâiïtb 30 Length 391 mm Aubom dtadmts81o 20 Nombtt 4
EMI19.5
<tb> Type <SEP> helical
<tb>
EMI19.6
Horizontal IhcliMàitMtthp) 40.
Tube dt.d # 1as10n 16 n1amtr. of admiaiMOift. 15.5 mm Sd4hWut prt.airt 14
EMI19.7
<tb> Type <SEP> plate <SEP> corrugated *
<tb>
EMI19.8
tik-gour 432 m Lortgulur 432 mm Height 102 m
EMI19.9
The following primary vapor separator 6t 8dc.u, 1 previous * technique of example 1 (figures 1 to 3), was oeaté by means of a water-vapor-uhe tenee mixture of 9.6 to a pressure of zij Kg / cm2 and at a temperature of 29500
EMI19.10
to determine its output corresponding to different flow * '
<Desc / Clms Page number 20>
EMI20.1
of the flow of water, and of steam, the maximum water-steam separation capacity of this steam separator is worth.
4? 4- near the measurements 'sa * 3 per hour of m61Aftl' 04u-vapoyrf which corresponds to a good steam flow rate ls4 per hour of content z the aforementioned inlet * The maximum 9 was requested as being the flow rate at which the device tou13 '. n ge steam "
EMI20.2
trimmed with 6% entrained moisture
EMI20.3
EXSMPIfg Jl \ A vapor separator of size aefbleReftt identical to that of Example Is but made in the present invention, the approximate dimensions given in the following Table II;
<Desc / Clms Page number 21>
TABLE-11
EMI21.1
AF SEPARATOR * "# Ptt suzvaNx T ¯.r, srlY.: F.
EMI21.2
ntwansionsNomenclature ens1on'-
EMI21.3
<tb> Swirling <SEP> tube <SEP> <SEP> 74
<tb> Diameter <SEP> 216 <SEP> mm
<tb>
EMI21.4
Length 610 mm Vavour outlet pipe 98 13695 m Diameter 136.5 Length 76
EMI21.5
<tb> Second <SEP> plate <SEP> upper <SEP> 102
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Outside <SEP> diameter <SEP> 343
<tb>
EMI21.6
Outer tube 104 6.
# Length 647 lUI Inner tube 66 168 m Diameter 168 Diameter
EMI21.7
<tb> Length <SEP> 38 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> First <SEP> plate <SEP> upper <SEP> 90
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Outside diameter <SEP> <SEP> 305 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Shirt <SEP> 92 <SEP> Length <SEP> 635 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Dawn. <SEP> admission <SEP> 80 <SEP> vortex <SEP> free
<tb>
EMI21.8
Free vortex type Type Number ln.linaison. c8t 'admission 90.
EMI21.9
<tb> side <SEP> exit <SEP> 27
<tb>
<tb> Vane <SEP> guiding <SEP> vortex <SEP> free
<tb>
EMI21.10
Type 12
EMI21.11
<tb> Number <SEP> 30
<tb>
<tb>
<tb> Angular <SEP> spacing
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Angle <SEP> to <SEP> input <SEP> 15
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Angle <SEP> to <SEP> the <SEP> exit <SEP> 90 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Primary <SEP> <SEP> 72 <SEP> centrifugal dryer
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Type
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Lattice <SEP> exterior <SEP> 144 <SEP> 286 <SEP> mm
<tb>
EMI21.12
Internal diameter 286 ..
EMI21.13
<tb> Height <SEP> 25 <SEP> mm
<tb>
EMI21.14
Thickness lII! Ft
<Desc / Clms Page number 22>
TABLE II (continued) IMPROVED SEPARATOR FOLLOWING THE PRESENT INVENTION
EMI22.1
<tb> Nomenclature <SEP> Dimensions
<tb>
<tb>
<tb> Lattice <SEP> interior <SEP> 146
<tb>
<tb>
<tb> Diameter <SEP> upper <SEP> 292 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb> Diameter <SEP> lower <SEP> 142 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb> Thickness <SEP> 25 <SEP> mm
<tb>
e Reported horizontally
EXAMPLE IV
This vapor separator was tested at a pressure of 70 kg / cm and at a temperature of 285 C by means of the est-vapor mixture with a content of 9.66% as in Example I.
It was determined that the maximum capacity taken at 6% moisture content entrained by the effluent steam, was about 990 m "of water-steam mixture per hour, which corresponds to a steam flow rate of 24.3 tons / hour. , with an input content indicated above This represents a gain of 80% over the capacity of the separator according to the prior art of Example I.
It has also been found that the axial distance or spacing of the outlet of the vortex flow tube 74 and the lower surface of the first upper plate 90 has a critical effect on the performance of this primary separator-dryer apparatus. This apparatus has been constructed to vary the axial spacing to study this effect. The results of this study and the variation in the capacity efficiency of the separator according to the present invention are graphically illustrated in Figure 7 .
In Figure 7, the percentage of moisture entrained in the effluent steam from the primary steam separator-dryer apparatus according to the present invention of Example IV is plotted as a function of the axial spacing of
<Desc / Clms Page number 23>
the end of the vortex flow tube and onc. tion of the distance the inner tube 86 extends beyond the outlet end of the vortex flow tube or "overlap distance" expressed in%, x, of this axial spacing, or axial interval , prayed as a parameter of the various inlet flow rates in tons per hour.
For values of the axial pitch between 16.5 and 32 mm, and for a corresponding reduction in coverage of 150 to 25% of the gap, a critical effect on the moisture content of the effluent vapor has been. noted. With each inlet flow rate, the effluent moisture content decreases to a minimum value and then increases again as the axial spacing and overlap vary within the ranges of the values indicated. The moisture contents of the effluent vapor for various inlet flow rates and for an axial spacing of 25.4 mm, an overlap of approximately 50%, are given in the following table:
TABLE III
TABLE III
EMI23.1
<tb> Flow <SEP> <SEP> Humidity <SEP> effluent <SEP> Loss <SEP> of <SEP> load
<tb>
<tb>
<tb> 83 / hour. <SEP>% <SEP> in <SEP> weight <SEP> meters <SEP> of <SEP> mixture
<tb>
<tb> @ <SEP>! <SEP> '!! <SEP>! <SEP> !! "<SEP> @ <SEP>!. <SEP> M !!! '!! <SEP>!.' !!! .- <!! * f '.! <F! T !! .!. <
<tb>
<tb> 990 <SEP> 6.0 <SEP> 39.6
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 905 <SEP> 3.5 <SEP> 33.7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 792 <SEP> 2.2 <SEP> 26.5
<tb>
<tb>
<tb> 680 <SEP> 1.3 <SEP> 19.8
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 566 <SEP> 1.0 <SEP> 13.7
<tb>
Taking as a limit the same entrained moisture content of 6% in the effluent steam, it appears that the separator-dryer apparatus according to the present invention has a maximum capacity of approximately 990 m / hour for an end axial interval of 25 , About 4 mm.
The water separated under these conditions contains about 0.2% by weight of entrained vapor in the liquid phase. This capacity is equal
<Desc / Clms Page number 24>
EMI24.1
at 160% of that of the separator of the technique 14 pMrtapfi ** # Examples 1 and II, Figures 1 -o3 1 The examples yes. Ulmotrent 14 Ya.iQ. "4 * yf admissible energy efficiency (limited by Xfl Ç4P" it 'of vapor separation) of a reactor at 949 bo4; ggt * operating at 70 Kg / ome and ge5 * q and equipped with dtt OQQUP the large pu Otro introduced in a pregnancy enclosure
EMI24.2
406 eu in diameter *
EMI24.3
A boiling 4jgu reactor including 19 core toçtQnn * nominally to a maximum of 1100, w.t.
(ffi6ç44f * e $ thfrpl ces) is made up of Z76 assemblies dnsembXe-de * e8rtU0fr i of fuel about 305 cm long; 17t $ x 3 7 |! 5 car d4 section and containing an assembly of cartridges of comQu1-. UO wheat, coated with ZIrçelloye alloy holding about 1% U2J; the cartridges being arranged in a rdo ** g square of 10 x 10 and spaced.'de lee3 mu entpe center The diameter of the circumference circumscribed to the çpp4r is 4f n-nr about 343 cm. The average transfer rate of eh3l Uff 4e qe * fuel cartridges to the refrigerant at <tottX.lJrt $ 9fl 19% of about 403 Kwtt / e2 and the maximum values are 1492 Kwatt a for maximum output.
When the reactor is operated without a special vapor separation device of <
EMI24.4
EMI24.5
any type in the reactor enclosure and utilizes the free separation of vapor at the top surface, from the mass of boiling liquid in the enclosure to remove vapor that does not hold. not more than 6% humidity eR> * 1 | î3 | drag, the vapor separation capacity limits the pvUp i | Maximum thermal 88nce at which the core can f9nqo .. at 270 m.w.e This value is enough to cause a <% ytfbQ * tf% 1im ratrice to produce electrical energy and "e mes4 of about 87 m.w.e.
(megawatts electrtqueo) o
<Desc / Clms Page number 25>
EXAMPLE VI
When an installation for producing energy from a boiling water reactor of Example V is equipped with 85 separators of the prior art as described with reference to Figures 1 - 3 and in the Examples
I and II, 85 being the maximum number of separators that can be placed in the above-mentioned enclosure of 406 cc of diameter, the vapor separation capacity limits the maximum thermal power of the core to 610 m.w.t. The corresponding electrical efficiency is 197 m.w.e. , which constitutes an increase of 126% over the yield of Example V.
EXAMPLE VII
When an installation for producing energy from a boiling water reactor of Example V is equipped with 85 primary steam separator-dryers according to the present invention and as described with reference to figures 4-6 and in examples III and IV, the vapor separation capacity allows an increase in the: maximum thermal power of the core up to 1100 mwt
The admissible electrical efficiency is 356 m.w.e. which constitutes a gain of 310% with respect to the value of Example V and a gain of 80% with respect to the value of Example VI when using separators of the prior art.
It is therefore evident on the basis of the description and the preceding examples that the primary steam separator-dryer according to the present invention provides a notable improvement over the devices of the prior art and that this apparatus furthermore allows a very significant increase in maximum energy efficiency
<Desc / Clms Page number 26>
compact sources of steam such as boiling water nuclear reactors.
Vapor-liquid separators according to the principles of the present invention can be applied to the separation of other vapor-liquid mixtures or designed for different sizes, different capacities or both using the following equation which establishes the length of the vortex flow tube and the diameter as a function of the physical properties of the fluid.
EMI26.1
and
L: length * of the vortex flow tube
Z V2t / r
VT: tangential speed of the fluid
<Desc / Clms Page number 27>
r: radius of the elementary volume Vy: axial component of the speed R ': radius of the body of the inlet nozzle R: radius of the swirling flow tube @: surface tension of the liquid VL:
viscosity of the liquid g acceleration of gravity #L specific weight of the liquid #g specific weight of the gas k: constant between 1 and
EMI27.1
c Vtr: constant in the equation of motion all, 4 free biliotmary Ai. 1.; U (kac: If) 0125j go 0.167 f p 2} Oflt2
This relative binding fluid velocity, diameter and length of the vortex flow tube depends on the physical properties of the fluid used.
The separators of this type can be dimensioned by means of the Froude coefficient built on the basis of the following equation: Qm (scale factor) 2.5 bù Q is the flow rate in volume, the index p denotes the prototype and the indicator, m, the model.
In the separator according to the present invention, the use of the centrifugal primary dryer, two annular liquid extraction devices and the observation of critical dimensional considerations relating to the distance between the upper plate of the first annular device for extracting liquid from the outlet edge of the vortex flow tube and the degree of penetration of the inner tube into the vortex flow tuba,
<Desc / Clms Page number 28>
EMI28.1
each factor contributes am yield to me Q6. ;
Çppç4r of the inner tube of the first 4PQtt .nn²t $ '4 ,, "Q tion of -liquida is composed between 2 ft 20% 49 * 3 |.? W * W of the flow tube swirled and, of $ Mif *? * Wi f * W 5 and 10% of this folded length is | ei WW <5i ÇQMer10 between about 20 and 50% of the radius of the tupe AeQpXfiWni; 1i <ïWt billonnairea loo d @ Gré 4 <? "RecvrmQ" d 414bg '4rflr , of the flow tube tpurbUware and the value of axial bzz tement 4o are avérdo Avgtr 4n? f | Critique on the efficiency of µêwftâ% t) f ta pr! pt.'1 for the flow rates of flow xswsn m1. Qa dMQnotPnq 990 # subject to certain latitudes for qapçéa jnfiWf at maximum capacity, ie. in. * 3ogs do 14 t, bare in liquid entered tapering acceptable.
By fflfe ap3rf pVW a capacity of approximately 00% of the so-called driven naxmWfi Vkw4 ** capacity can be maintained nda9ijO de (5j5 fqyipfq in steam operation at 70 Kg / cm8 with dee viftî9Ai of the axial spacing of approximately 20% in-doo * guo $ 4eq4'A J5% approximately above the deviation giving lî nî înew nt B? muât. For lower debts, the variance egt more than. However, for the capacity MamRj, the variation 3df3r v sible is about plus or minus 10% of the '4artQ.nt. giving the minimum entrainment. The inner dmbe "cover" expressed as a percentage of the axial lf * sr *, also is less critical to the capacities maximum trif éyrieuaf.
This percentage is between 15 and fOJfi approximately of the maximum capacity but it falls between 35 *% e5%
EMI28.2
approximately for maximum capacity * Although an embodiment according to the present *
EMI28.3
invention has been described * in detail at titp * d. "" * '' 'p3. ,, .., it is understood that numerous modifications and, .r1t .., .., pfUf may be made without departing from the eadre nor of the *) spirit
EMI28.4
of the present invention.