Les générateurs de vapeur chaude Il existe deux types de vapeurs industrielles : les vapeurs chaudes et les vapeurs froides. Cet article traite des générateurs de vapeur chaude utilisés dans le domaine de l'énergie. Pour le générateur de vapeur froide, voir générateur de brouillard (GV) sont des composants essentiels des centrales électriques thermiques ou nucléaires, et de certains réseaux de chaleur.
Dans un réacteur à eau pressurisée (REP)Dans un réacteur à eau bouillante, il n'y a pas de générateur de vapeur, la vapeur produite dans le coeur étant envoyée directement à la turbine., la fonction du générateur de vapeur est d'échanger la chaleur entre le circuit primaire chauffé par le réacteur et le circuit secondaire qui produit la vapeur entraînant la turbine à vapeur — ou bien transporte la chaleur produite dans le cas d'un réseau de chaleur. Les générateurs de vapeur actuels les plus puissants atteignent environ thermiques. Un REP moderne dispose de 2 à 4 générateurs de vapeur dans l'enceinte de confinement.
Dans le circuit primaire d'un réacteur nucléaire, l'eau monte à et . Grâce aux générateurs de vapeur, l'eau du circuit secondaire est portée à ébullition, à une pression de Voir l'article sur le Réacteur pressurisé européen : la vapeur s'échappe alors sous pression et fait tourner le groupe turbo-alternateur situé dans la salle des machines.
vignette|upright=2|Schéma montrant le rôle d'un générateur de vapeur dans un réacteur à eau pressurisée.
Structure et géométrie Un générateur de vapeur (GV) tel que ceux équipant les réacteurs nucléaires français est un cylindre d'une vingtaine de mètres de hauteur, renfermant pour le GV de l'EPR (page 17) Réacteur EPR, Jacques Gollion, 23 mai 2007 en forme de U inversé.
L'échange de chaleur se fait par une grande quantité de tubes minces, dans lesquels circule le fluide chaud, et autour desquels circule le fluide à chauffer.
Les tubes ont un diamètre de environ, et montent dans le cylindre jusqu'à . Ils sont fixés à la base sur une plaque dite tubulaire, et sont maintenus à intervalle d'un mètre par des plaques entretoises. Dans la partie courbe en haut des tubes, qui peut avoir jusqu'à de rayon pour les tubes extérieurs, les tubes sont maintenus par des barres anti-vibratoires.
Valeurs palier N4 : d'un diamètre de et d'une épaisseur de sont répartis au pas triangulaire de sur la plaque à tubes.
Le faisceau de tubes est enveloppé par une chemise en tôle qui le sépare du retour d'eau extérieur et guide l'émulsion vers un étage de séparation puis de séchage.
Fonctionnement Générateurs de vapeur à tubes en U équipant les réacteurs à eau sous-pression
Description fonctionnelle - Taux de circulation Dans le GV, l'eau du circuit primaire circule dans les tubes. L'entrée dans les tubes se fait sous la plaque tubulaire, dans la branche chaude. Le fluide monte dans les tubes, côté branche chaude, transmet une partie de sa chaleur au circuit secondaire pendant la montée ainsi que dans les cintres, puis redescend côté branche froide.
L'eau du circuit secondaire ("eau alimentaire") entre dans le GV en partie supérieure au-dessus de l'altitude du sommet de faisceau des tubes, généralement sous le niveau d'eau. Elle s'échappe sous forme de vapeur sous pression au sommet du GV.
L'eau alimentaire admise dans le GV sous le niveau d'eau, de façon à prévenir la condensation de la vapeur présente dans le dôme est rapidement dirigée vers le bas du GV où elle se mélange avec l'eau à saturation issue des séparateurs. Le mélange se dirige ensuite sous la chemise vers le faisceau de tubes où il est tout d'abord réchauffé à saturation et ensuite évaporé partiellement. Le "taux de circulation" (noté ) est le rapport du débit du mélange diphasique faisceau au débit de vapeur produit. Plus le taux de circulation est élevé plus la température du mélange admis au contact des pièces épaisses et du faisceau de tubes est élevée et meilleur est le brassage de l'eau dans le faisceau de tubes.
Exemple : Dans une configuration typique où la pression de la vapeur saturée produite est de 55 bar (soit une température de ) et où la température d'eau alimentaire est de , la température du mélange vaut sensiblement Un taux de circulation de 3 conduit à Tmel = Le débit massique d'émulsion dans le faisceau vaut la valeur du débit vapeur ; le titre en vapeur de l'émulsion est donc égal à 33 % immédiatement à l'entrée de l'étage de séparation séchage. Soit donc un taux de vide de 93 % . La masse volumique de ce mélange vaut sensiblement , dans l'exemple choisi, contre pour le mélange eau alimentaire eau saturée présent dans le retour d'eau. Dans les séparateurs l'émulsion est centrifugée de façon à favoriser la séparation dynamique de l'eau ainsi que la séparation gravitaireLe taux de vide du mélange eau vapeur montant dans les colonnes des séparateurs est élevé. Le terme moteur créé par l'écart de poids de colonne d'eau entre le retour d'eau et l'émulsion dans le faisceau est important et le débit diphasique d'émulsion monte dans les séparateurs un peu comme un geyserLes modèles de GV à tubes en U les plus récents des différents constructeurs ont dans l'ensemble augmenté le volume consacré à la séparation et à l'assèchement de la vapeur. En aval de l'étage de séparation, une batterie de sécheurs à chicanes permet d'assécher complètement la vapeur.
On s'arrange pour équilibrer la perte de charge de l'émulsion dans le faisceau et l'étage de séparation avec le terme moteur de thermosiphon procuré par l'altitude du niveau. La surface de l'eau (limite entre phase liquide et vapeur) est maintenue à niveau constant par un automatisme agissant sur une vanne réglante du circuit d'eau alimentaire ce qui assure de façon simple la régulation d'ensemble.
La vapeur produite arrive dans un grand collecteur de vapeur où l'on tente de limiter la présence de gouttelettes, toutefois au-dessus de 32 bars toute perte de charge se traduit par une légère condensation. Puis le collecteur se rétrécit et la vitesse de la vapeur augmente tandis que diminue la dimension des tuyaux (qu'il faut aussi calorifuger).
Exemple de calcul simplifié d'un générateur de vapeur On tente dans ce paragraphe de retrouver de manière simple le dimensionnement général d'un générateur de vapeur de type classique de caractéristiques voisines de celui des réacteurs du palier N4. On effectue tout d'abord un calcul sans tenir compte de la présence du réchauffeur axial qui équipe ce type de GV. On apprécie ensuite le gain sur la pression vapeur ou la surface d'échange apporté par ce perfectionnement.
Le calcul estimatif effectué dans la boite déroulante montre que la conception à économiseur axial retenue pour les GV N4 et EPR fait gagner, toutes choses égales par ailleurs, environ 20 % sur la surface d'échange au prix de quelques tôles et tuyauteries internes non résistantes à la pression. À surface d'échange donnée, le gain sur l'échange thermique se traduit par une pression vapeur accrue de toutes choses égales d'ailleurs procurant un rendement thermodynamique augmenté et donc à production d’électricité donnée : une réduction de la charge thermique de la source froide (environnement moins affecté). une meilleure sûreté (puissance résiduelle moindre)
Liminaire :
On examine en premier lieu complètement le cas où le générateur de vapeur est du type ordinaire à recirculation simple sans économiseur. On évalue ensuite en différentiel le cas du générateur de vapeur à économiseur intégré dans la jambe froide du faisceau. Le modèle bien que simplifié comporte un assez grand nombre de données fastidieuses à lister. On convient de noter avec une lettre majuscule les valeurs afférentes au circuit primaire et avec une lettre minuscule les valeurs afférentes au secondaire. Ainsi représente un débit massique primaire et note un débit massique secondaire.
On donne à significatifs un certain nombre de calculs intermédiaires sans illusion de précision dans le simple souci d'éviter le cumul d'erreurs d'arrondis de calcul sachant que les résultats d'ensemble sont à 5 % près.
Caractéristiques générales ou d'ensemble
Côté primaire Débit primaire volumique par boucle = /h = /s à la température de l'eau passant dans les pompesLe débit primaire massique est pris égal au débit volumique généré par la pompe que multiplie la masse volumique de l'eau prise à la température du débit passant dans la pompe Débit primaire massique par boucle = Débit primaire volumique par boucle à la température moyenne de l'eau primaire = 5051 / 704,2 = /s Vitesse de l'eau primaire dans les tubes = = 7,173 / 1,255 = Nombre de Reynolds de l'eau primaire à température moyenne =
Nombre de Prandtl de l'eau primaire à température moyenne =
Côté secondaire Puissance thermique du générateur de vapeur = = Puissance thermique du réchauffage de l'eau alimentaire à saturation = = Puissance thermique d'évaporation = 1067,5 - 175,49 = Débit massique de vapeur produit = Débit massique d'eau alimentaire = = /s Taux de circulation estimé = La température d'eau alimentaire étant assez élevée du fait de l'optimisation du cycle vapeur côté turbine qui comporte plusieurs réchauffages de l'eau alimentaire, le taux de circulation retenu assure un complément de réchauffage suffisant pour protéger des chocs thermiques les grosses pièces de forge telles que la plaques tubulaire et les parois résistantes du GV Vitesse ascensionnelle moyenne du mélange d'eau en réchauffage dans le faisceau = = 3 × 599,4/752,7/4,116 = Nombre de Reynolds moyen du mélange en réchauffage = = 110 500 Nombre de Prandlt moyen du mélange en réchauffage = 0,8894
Puissances thermiques échangées, coefficients globaux d'échange, écarts logarithmiques moyen et surfaces d'échange
Coefficient global d'échange zone de réchauffage = d'où
Puissance thermique en zone de réchauffage côté primaire chaud = Température primaire en limite zone de réchauffage côté chaud = = Température primaire en limite de zone d'évaporation = - 36,16 × 892,0/1067,5 = Puissance thermique en zone de réchauffage côté froid = Écart logarithmique zone de réchauffage côté chaud du faisceau = = Surface d'échange en zone de réchauffage côté chaud = = Écart logarithmique zone de réchauffage côté froid du faisceau = = Surface d'échange en zone de réchauffage côté froid = = Les surfaces d'échange, températures intermédiaires , écart logarithmiques de températures, puissance thermique échangée en zone de réchauffage côté primaire froid et chaud sont tels que : Les surfaces d'échanges en réchauffage côté froid et côté chaud sont égales Le niveau de fin de la zone de réchauffage dans le faisceau de tubes côté chaud et côté froid est le mêmeDans l'évaporateur de type ordinaire il n'y a pas de cloisonnement interne au faisceau côté secondaire et le mélange diphasique circule librement et s'homogénéise en température sachant qu'un très faible écart local de température est immédiatement compensé par une condensation ou une ébullition en provenance du fluide au voisinage Les puissances thermiques échangées sont dans le rapport des écarts de températures logarithmiques
Coefficient global d'échange zone d'évaporation = d'où
Puissance thermique en zone d'évaporation = Écart logarithmique zone d'évaporation = = Surface d'échange en zone d'évaporation = = Surface d'échange totale extérieure tubes calculée =
Caractéristiques des fluides
On regroupe sous cet item les caractéristiques thermodynamiques des fluides entre autres nécessaires au calcul des nombres de Reynolds, Prandtl et Nusselt de façon à pouvoir utiliser les corrélations de la littérature scientifique.
Eau primaire Température primaire d'entrée dans le générateur = Enthalpie de l'eau primaire à l'entrée dans le générateur de vapeur =