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H 8966 Cas 397 PP / FN -R- Procédé pour améliorer le tranfert de chaleur dans les conduits traversés par un courant à deux phases.
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============m=========8ga====== Priorité d'une demande de brevet en République fédérale d'Allemagne N P 17 51 652. 8 du 4.7.1968 au nom de la demanderesse
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Dans lea procédé* de transformation complète d'eau en vapeur sur- chauffée, en un seul passage, le coefficient de conductibilité thermique varie si fortement, dans le sens de la longueur du tube ou du conduit, en fonction de la teneur locale en vapeur d'eau, que les parois des conduite sont portées à une température trop élevée aux densités de flux thermique nécessaires dans la conatruction de réacteurs nucléaires.
Ces variations sont provoquées par un phénomène dit "anomalie de transfert de chaleur', c'est-à-dire par une zone à très forte résistance au tranafert de chaleur dons la courbe de conduc- tibilité. Cette anomalie a un caractère de gravité extrême, surtout dans les centrales nucléaires, du fait que ces températures excessives des parois peuvent entraîner des perçages des conduite.
Une anomalie de transfert de chaleur est caractérisée par une brusque augmentation de la résistance au transfert de chaleur. De faibles changements de la densité du flux thermique, de la pression et du débit suffisent déjà pour déclencher une chute excessive du coefficient de conduc- tibilité thermique. C'est pourquoi tous les réacteurs à eau bouillante fonc- tionnent jusqu'à présent dans des conditions qui excluent avec certitude une telle anomalie. A cet effet, il était notamment nécessaire de maintenir les densités de flux thermique notablement au-dessous d'une valeur susceptible de provoquer une anomalie de transfert thermique.
Les fortes variations locales du transfert thermique diminuent au fur et à mesure que la pression augmente. C'est pourquoi les premières recherches portant sur le transfert de chaleur dans la zone de l'anomalie de transfert ont été effectuées avec des mélanges d'eau et de vapeur à des pressions élevées, mais sous des charges thermiques faibles par unité de surface chauffée. La figure 1 montre les résultats d'une recherche importante dans la gamme de pression allant de 140 à 250 bars (on considère par la suite que 1 bar # 1 atmosphère). Ce graphique représente la température de la paroi d'un tube vertical chauffé uniformément et parcouru par un courant ascendant.
Dans cet exemple, le coefficient de conductibilité thermique [alpha] diminue très fortement au point C de la courbe en traits interrompus, c'est- à-dire au point où l'anomalie de transfert thermique commence, il passe par sa valeur minimale en D, monte ensuite lentement et atteint en F la valeur pour la vapeur sèche. L'amélioration de la conductibilité thermique dans la zone D-F peut être expliquée par l'augmentation de la vitesse du mélange à deux phases au fur et à mesure que la proportion de vapeur s'accroît.
A des pressions pJus élevées, au-dessus de 140 bars environ, le coefficient de conductibilité thermique dans la zone de la vapeur surchauffée
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est déjà ai bon que les températures admissibles pour les parois ne sont pas dépassées, marna aux densités de flux thermique de 60 W/cm2et davantage qui sont nécessaires pour lea réacteurs nucléaires. En revanche, le coeffi- cient de conductibilité thermique dent la aone C-D-E rente encore si faible qu'il est impossible de transformer l'eau en vapeur, en un seul passage, , lorsqu'on utilisa des matières normales pour les parois chauffées.
La @ chute prononcée du coefficient de conductibilité thermique ne disparatt que lorsqu'on approcha la pression critique et lorsque les masses en écoulement. sont importantes ; voir la courbe en traite pleine représentant la tempéra- ture Tw de la paroi intérieure.
Etant donné que la température maximale de la paroi, dans la zone à deux phases, est la candeur qui limite la denaité du flux thermique, il s'agit avant tout d'améliorer le transfert thermique dans la zone C-E,. c'est-à-dire depuis le commencement de l'anomalie, qui se produit généralement lorsque les proportions de vapeur sont inférieures à x = 0,5, jusque dans la zone où lea proportions de vapeur sont de l'ordre de x - 0,8 et où le coefficient de conductibilité thermique atteint pratiquement celui de la vapeur sèche.
Il est connu d'améliorer le transfert thermique dans la zone à deux phases par l'utilisation d'un courant tournant en forme de spirale autour de l'axe du tube ou du conduit. Pour produire un tel courant turbulent, on introduit des bandes métalliques torsadées dans les tubes traversés par le réfrigérant. Lorsqu'il s'agit de faisceaux de barres combustibles, on remplit l'espace entre les barres d'éléments analogues produisant une turbulence (Système Vortex de la Société SNECMA).
Toutefois, les recherches effectuées jusqu'à présent portent seulement sur les phénomènes hydrodynamiques et sur le mécanisme du transfert de chaleur de courants turbulents à des pressions allant jusqu'à 70 bars. Ces recherches concernaient principalement la détermination d'une forme appropriée des éléments produisant la turbulence, la répartition de la vapeur et du liquide dans le sens radial et l'augmentation de la densité critique du flux thermique. On a trouvé que le meilleur recouvrement de la surface chauffée par du liquide, par suite des forces centrifuges, permet non seulement des charges thermiques plus élevées des surfaces chauffées, mais que ce meilleur recouvrement déplace également le commencement de l'anomalie de transfert thermique dans une zone où les proportions de vapeur sont plus élevées.
A une pression de 70 bars, le transfert thermique dans toute la zone située au-delà de l'anomalie est encore si mauvais, même en utilisant un écoulement turbulent, qu-'une telle anomalie doit être évitée à tout prix.
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On a trouvé que l'augmentation de la température des surfaces chauffées peut être maintenue dans des limites acceptables, même lorsque les charges thermiques sont élevées, en utilisant, selon l'invention, des éléments à @urbulence et en augmentant la pression de l'écoulement à deux phases au-delà de 70 bars, de préférence à 100 bars et davantage.
Par l'utilisation simultanée de pressions élevées et de l'écoulement turbulent particulier décrit, il devient, par conséquent possible d'atténuer la diminution des coefficients de conductibilité thermique lorsque la surface chauffée devient sèche, tout en utilisant des densités de flux thermique intéressantes du point de vue technique à tel point que l'anomalie de trans- fert thermique est transformée en un phénomène moins grave. Il n'est plus nécessaire de prévoir la marge de sûreté, par rapport à la densité de flux thermique critique, que l'on devait observer jusqu'à présent.
Il devient, par conséquent, possible de produire de la vapeur surchauffée à des charges thermiques élevées de surfaces chauffées, en un seul passage, sans sépara- tion de phases, ce qui représente un progrès notable dans la technique de la production de vapeur par des réacteurs nucléaires.
Les figures 2 et 3 montrent l'allure de la température mesurée aux parois de tubes équipés d'éléments à turbulence nous des pressions de 140 et 185 bars. Pour permettre une comparaison, les graphiques indiquent également les résultats de mesure sur des tubes ne comportant pas d'éléments à turbulence, ces résultats ayant été obtenue sous les camée pressions et les mimes densités massiques, mais à des densités de flux thermique qui étaient environ 2,5 fois plus faibles. Dans les exemples illustrée, le point de commencement de l'anomalie de transfert thermique a été déplace de x < 0,5 avec des tubes normaux à une valeur x = # 0,7 avec des tube* comportant des éléments à turbulence.
Les températures maximales mesurées aux parois sont plus faibles dans toute la zone à deux phases lorsqu'on utilise un écoulement turbulent dirigé, malgré les densités de flux thermique notablement plus élevées. La valeur maximale élevée de la température des parois mesurée sur des tubes lisses n'existent plus dans les tubes équipés d'élextentt à turbulence. La température des parois ne dépasse de fagoet notable la température mesurée au point x = 1 en aucun point de la zone à forte résistance au transfert thermique.
Ceci démontre que la sone à forte résistance au transfert thermique, délimitée par les point* C et E A la figure 1, peut être supprimée, par la déplacement de l'anomalie de transfert thermique dans une sont où les propor- tions de vapeus sont élevées (x # 0,7).
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Il ne faut pas s'attendre à ce que l'anomalie de transfert thermique puisse être atténuée pour toutes les charges thermiques des surfaces chauffées comme cela a été le cas pour les essais illustrés aux figures 2 et 3, par l'utilisation de l'écoulement turbulent dirigé. Toutefoio, tant que le point de commencement de l'anomalie de transfert thermique ne-se déplace pas vers des zones où les proportions locales de vapeur sont nolablement inférieures à 0,7 environ, on peut s'attendre à des r6sultats analogues à ceux obtenus par les essais à 140 W/cm2. Des densités de flux thermique allant jusqu'à' 300 W/cm2 ont été obtenues pendant d'autres mesures, sans qu'une anomalie de transfert thermique se présente à des proportions de vapeur x < 0,7.
Exemples de mise en oeuvre du procédé
Un générateur de vapeur fonctionne de façon d'autant plus rentable que la température de sortie du fluide de refroidissement et la densité du flux thermique sont plus élevées, à condition que l'augmentation de cette dernière ne soit pas obtenue au prix d'une perte de pression excessive dans les canaux de refroidissement.
Application pour des réacteurs à eau bouillante :
Dans les réacteurs à eau bouillante connue, la température de sortie du fluide de refroidissement est égale à sa température de saturation ; cette température est donc de l'ordre de 285 C pour une pression de 70 bars, pression qui était jusqu'à présent classique.
Afin d'exclure avec certitude la possi- bilité d'une anomalie de transfert thermique, on choisissait jusqu'à présent des densités de flux thermique relativement faibles, de l'ordre de 60 W/cm2. et on admettait seulement des faibles teneurs en vapeur à la sortie- Le gain qui pouvait être obtenu par l'application éventuelle de pressions plus élevées, et par suite d'une température de saturation plus importante, était annulé en partie parce que la densité critique du flux thermique décroît au fur et à mesure que la pression augmente.
Pour améliorer le rendement thermodynamique, on a proposé jusqu'à présent les eaux mesures suivantes, dont l'efficacité a été examinée par des fonctionnements d'essai : a) l'augmentation de la densité critique du flux thermique par le montage d'éléments produisant une turbulence par exemplo, dans le réacteur nucléaire Kahl ; b) l'augmentation du rendement thermodynamique par le surchauffage de la vapeur produite dans le réacteur.
Dans la cas a), la densité critique du flux thermique pouvait être augmentée à une valeur qui est approximativement le double de celle obtenue
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dans les canaux de refroidissement ne comportant pas d'élément à turbulence.
Etant donne qu'une anomalie de transfert thermique provoquerait des tempé- ratures trop élevées aux parois des conduits, à la pression de 70 bars qui avait été choisie, la densité admissible du flux thermique doit toujours être fixée à une valeur qui est notablement inférieure à la valeur critique (facteur de sécurité d'environ 2,5). lorsqu'on applique b), la producticn de vapeur doit être séparée du surchauffage de celle-ci, étant donné que les densités de flux thermique utilisées dans les réacteurs comportant des canaux de refroidissement normaux provoquent déjà une anomalie de transfert thermique pour des proportions de vapeur inférieures à 0,5. Il faut donc utiliser des séparateurs de vapeur.
En outre, la charge thermique des surfaces chauffées doit être maintenue notablement plus faible dans le surchauffeur que dans 1'évaporâtes? pour les pressions # 70 bars appliquées jusqu'à présent.
Au contraire, avec le procédé selon l'invention, qui prévoit une application simultanée d'éléments produisant une turbulence et une pression élevée, par exemple de 100 bars, on obtient les avantages suivants : - le production de vapeur surchauffée en un seul passage ; - une densité de flux thermique plus élevée dans la zone d'6vapcra- tirn (per rapport aux canaux ne comportant pas d'éléments à turbulence) et une densité de flux thermique de même valeur dans la zone du surchauffeur qui est immédiatement monté à la suite : - la suppression du séparateur de vapeur ; - l'amélioration du transfert thermique à la vapeur en raison de la pression plus élevée.
Ces avantages sont également obtenus par rapport 3 une combinaison, qui est concevable, des techniques connues a) et b), donc par rapport à un
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réacteur comportant des éléments combustibleu Equipés d'élémenta à turbulence, des séparateurs de vapeur et des canaux de surchauffeur.
Exemple d'un réacteur pour la production de vapeur surchauffée en un seul passage.
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(uata11lktion comportant un fluide de refroidiaeement entrant en has et eortav ::i, haut et un modérateur maintenu froid ou modirateur fixa).
4ctfr!!iQu..de fonctlanDOl88nt
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Pre..10fi 185 bars Tampiratua da .8ur.ti 359 C Tra4i,rs d'antre 330 C Enthalpie 1.653 T¯p4Iratur. de .ortie 4oDe Enthalpie 3.388 D4bit 800 kg/*2 (caaal aa e<ntr<)
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Dimensions
Coeur : hauteur 3,6 m ; diamètre 3 m Faisceaux d'éléments combustibles comportant 8 x8 bars en bottes de section carrée 11 x 11 cm (éventuellement auivant une disposition géométrique différente ou subdivisée pour l'emplacement du modérateur, mais avec le même rapport entre la section d'écoulement libre et le pourtour de surface chauffée de cette section).
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Section <SEP> d'une <SEP> botte <SEP> 121 <SEP> cm2
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<tb> Section <SEP> d'une <SEP> barre <SEP> 0,85 <SEP> cm2
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<tb> Section <SEP> d'écoulement <SEP> libre <SEP> du <SEP> réfrigérant <SEP> 65 <SEP> cm2
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<tb> Charge <SEP> thermique <SEP> des <SEP> surfaces <SEP> chauffées <SEP> au <SEP> centre <SEP> 150 <SEP> W/cm2
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<tb> Charge <SEP> thermique <SEP> moyenne <SEP> des <SEP> surfaces <SEP> chauffées <SEP> 120 <SEP> W/cm2
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<tb> Puissance <SEP> par <SEP> canal <SEP> 9000 <SEP> kW
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<tb> Débit <SEP> des <SEP> réfrigérants <SEP> par <SEP> canal <SEP> 5,2 <SEP> kg/s
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<tb> Puissance <SEP> totale <SEP> (évaluée) <SEP> 3 <SEP> 000 <SEP> MW <SEP> (thermique)
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Le procédé selon l'invention peut également être appliqué pour les générateurs de vapeur classiques ainsi que pour la production de vapeur à l'intérieur d'échangeurs thermiques.
Générateurs de vapeur classiques
Pour les chaudières à haute pression, on a développé ce? derniers temps des installations de chauffe dans lesquelles les densités de flux thermique sont si élevées qu'une anomalie de transfert thermique n'est pas exclue, ce qui ce traduit par une destruction des parois chauffées. Ces difficultés peuvent être supprimées par le procédé selon l'invention au moyen d'un montage d'éléments produisant une turbulence et en utilisont des pressions correspondantes.
Production de vapeur d'échangeurs -thermiques.
Lorsque les densités du flux thermique sont élevées dans les géné- rateurs de vapeur de ce type, il peut se produire une sorte d'anomalie de transfert thermique pendant laquelle les variations de la température, variations locales et dans le temps, peuvent produire une fatigue thermique suivie par une destruction des parois d'échange thermique, par exemple lorsque le chauffage est effectué au moyen de métaux liquides. L'application d'un écoulement turbulent à une pression élevée pcurrait dans ce cas également apporter des améliorations considérables.