Brevet FR2009633A1 — publié le 19700206

La présente invention est relative à un échangeur de chaleur dans lequel de la vapeur est produite et qui fonctionne avec un métal liquide, par exemple du sodium, comme agent de transfert de chaleur, l'échangeur étant principalement formé 5 d'un carter à l'intérieur duquel est disposé un faisceau de tubes d'eau ou de tubes de vapeur fixés entre des plaques tabulaires et à l'intérieur duquel l'agent de transfert de chaleur s'écoule autour des tubes. Dans de tels échangeurs de chaleur, un gradient de tem-10 pérature à pente raide est établi sur le côté-sodium des plaques tubulaires et dans les joints entre les tubes et chaque plaque tubulaire. D'une part la plaque tubulaire et les tubes sont fortement chauffés localement et d'autre part fortement refroidis par 15 l'eau ou la vapeur passant par les orifices de la plaque tubulaire et dans les tubes, ce qui engendre des contraintes thermiques. Il se produit localement dans le sodium de grandes variations de température et par conséquent des contraintes très élevées et non-stationnaires. 20 Les contraintes thermiques produites par des gradients de température stationnaires et non-stationnaires s'exercent principalement dans la zone de la plaque tubulaire où les tubes sont reliés à ladite plaque tubulaire. Du fait de la température localement élevée de la 25 plaque tubulaire résultant du contact du sodium chaud avec la - plaque, la résistance du matériau constituant cette plaque est localement altérée. Pour empêcher les contraintes excessives précitées d@ se produire dans un échangeur de chaleur opérant avec du sodium 30 liquide, on sait, d'après la littérature technique, prévoir dans la zone de transition entre les tubes et la -plaque tubulaire, des moyens pour réduire le transfert de chaleur entre le sodium et la plaque tubulaire d'une part, et les joints entre les tubes et la plaque tubulaire d'autre part. 35 Dans ce but, il est prévu dans un échangeur thermique • vertical de type connu, au-dessus de la colonne de sodium et entre le sodium et les joints tubes-plaque, une couche de gaz inerte qui forme un genre d'écran thermique de nature gazeuse. 69 16326 2 2009633 Un tel écran thermique présente des inconvénients. Il ne peut par exemple être formé que dans un échangeur thermique du type vertical, ce qui nécessite en outre une construction comportant un ou plusieurs faisceaux de tubes coudés de manière 5 à pouvoir former un tel écran gazeux de chaque côté de ces faisceaux de tubes. D'après le document : "Âtomic Energy Commission Report" (Rapport de la Commission de l'Energie Atomique) N° 3.014 O.S. ÏÏ.L., première partie (Echangeur thermique pour M.S.R.E.), figu-10 re 1, 4, pages 8 à 10 incluses, on connaît un échangeur thermique dans lequel un écran thermique similaire est formé par disposition d'une chicane transversalement au faisceau de tubes à une certaine distance de la plaque tubulaire, l'agent étant station-naire entre cette chicane transversale et la plaque tubulaire, 15 ce qui forme Tin genre de grille-écran thermique assurant une réduction du transfert de chaleur entre l'agent passant dans l'échangeur de chaleur et la plaque tubulaire. Un gros inconvénient de cette chicane transversale est que, lorsque le sodium est utilisé comme agent de transfert de 20 chaleur dans un générateur de vapeur et lorsqu'il se produit une fuite dans un joint tube-plaque, la pression réduite dans la réaction sodium-eau lors de cette fuite exerce une poussée axiale sur la chicane transversale en provoquant des détériorations importantes du fait que la chicane endommage les tubes. 25 L'invention a pour objet un échangeur de chaleur qui ae présente pas les inconvénients précités et- qui comporte des moyens pour réduire le transfert de chaleur aux joints essentiels prévus entre les tubes et la plaque tabulaire, ce qui empêch© des variations de température se produisant dans le sodium d'être 30 transmises à ladite plaque tubulaire. Pour résoudre ce problème, 1'échangeur de chaleur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un certain nombre de canaux tabulaires entourant les tubes sur une partie de leur longueur', et en ce que ces canaux sont obturés 35 d'un côté par la plaque tubulaire et communiquent de 1!autre côté avec le volume intérieur de -l'échangeur de chaleur» 69 16326 3 2009633 Du fait que ces canaux tubulaires sont reliés au volume intérieur de 11échangeur de chaleur et par conséquent avec le sodium, une partie du sodium introduit dans 1* échangeur de chaleur pénètre dans ses canaux tubulaires et est arrêtée par la 5 plaque tubulaire. De cette façon, il se forme aux extrémités des tubes et contre la plaque une couche de sodium stagnant qui est formée de colonnes de liquide relativement étroites, placées les unes à côté des autres en étant appliquées contre la plaque tubulaire 10 et en entourant les tubes. Le sodium des canaux tubulaires prend la température des tubes de vapeur le traversant. Il résulte de la formation de ces canaux tubulaires qu'il ne peut pas se produire de gradient de température à 15 pente raide dans la plaque tubulaire et dans les joints tubes-plaque. Localement, la résistance de la matière constituant les tubes et la plaque tubulaire n'est pas altérée. Du fait de la faible vitesse d'écoulement du sodium 20 et du fait qu'il ne se produit pratiquement pas de variation de température dans la couche de sodium formée, les chocs thermiques imputables au sodium sont considérablement réduits ou éliminés. Si, contre toute attente, il se produit néanmoins dans les joints tubes-plaque une.augmentation de pression, le sodium 25 peut alors s'échapper par l'extrémité ouverte des canaux tubulaires dans la partie restante de 1'échangeur de chaleur. De préférence, les canaux tubulaires sont délimités par un certain nombre de chicanes constituant l'ensemble d'une grille et s'appliquant d'un côté contre la plaque tubulaire. 30 Cette grille peut par exemple être formée de deux ran gées orientées suivant un certain angle, de'plusieurs chicanes disposées parallèlement entre elles, ces chicanes étant munies d'encoches de façon à former un certain nombre de canaux tubulaires (fourreau) entourant les tubes. 35 En outre, la formation d'une couche stagnante de sodium peut être favorisée en plaçant les chicanes les unes par rapport aux autres de façon que chaque fourreau formé par ces chicanes entoure un tube d'eau ou un tube de vapeur. 69 16326 4 2009633' Les caractéristiques de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux dessins annexés dans lesquels: La fig. 1 est une section droite d'une partie du fais-5 ceau de tubes d'un échangeur thermique selon l'invention, montrant le positionnement de la grille formée de canaux tubulaires par rapport à la plaque tubulaire. La fig. 2 est une section droite faite suivant la ligne II-II de la fig. 1, en direction de la plaque tubulaire, de ma-10 nière à montrer la disposition des chicanes. La fig. 3 montre comment cette grille est placée par rapport aux parties restantes de 1'échangeur thermique. Sur la figure 1, on a désigné par 1 les tubes d'eau ou de vapeur qui sont fixés sur .la plaque tubulaire 2-, les tubes 15 correspondants à des trous 3 ménagés dans la plaque en vue du raccordement des tubes de vapeur à un collecteur 4. La grille formée des chicanes 5 est placée à l'intérieur d'un court cylindre 6 ouvert.à l'aide duquel la grille est fixée sur la plaque tubulaire 2. 20 Dans ce but, le cylindre ouvert 6 est muni sur sa péri phérie d'un anneau 7 en forme de bride comportant des trous dans lesquels sont engagés des boulons 8 assurant-la fixation du cylindre sur la plaque tubulaire à l'aide d'écrous 9» Un grand nombre de canaux tubulaires 10"qui entourent 25 localement les tubes de vapeur sont formés par deux rangées de chicanes 5 orientées suivant un certain angle et mutuellement parallèles (voir fig. 2)o Ces canaux tubulaires sont obturés du côté 11 de la plaque tubulaire tandis que, de l'autre côté 12, ils sont en 30 liaison avec le volume intérieur restant de 1'échangeur thermique dans lequel le sodium s'écoule autour des tubes de vapeur. Une partie du sodium introduit par l'intermédiaire du conduit 13 (voir fig. 3) pénètre par le volume annulaire 16 formé entre le carter 14 et la chicane cylindrique 15 dans des 35 canaux tubulaires 10 où la vitesse d'écoulement du sodium est fortement diminuée, le sodium s*arrêtant finalement contre la paroi de la plaque tubulaire. 69 16326 5 2009633 Ainsi, on obtient une couche stagnante de sodium adjacente à la plaque tubulaire et formée par des colonnes relativement étroites de sodium liquide placées les unes à côté des autres et entourant les tubes dans leur zone de jonction avec 5 la plaque tubulaire. localement, le sodium prend la température des tubes de vapeur situés dans les canaux tubulaires« Il en résulte qu'il ne s'établit pas de gradient de température à pente raide dans les tubes et les joints tubes-10 plaque. la résistance du matériau constituant les tubes et la plaque tubulaire n'est pas altérées La génération de choc thermique imputable au sodium et exerçant des contraintes thermiques dans les joints tubes-plaque 15 peut être pratiquement évitée en utilisant la construction décrite plus haut. Au cas où il se produirait néanmoins une pression excessive dans le sodium dans les joints vitaux établis entre les tubes et la plaque, le sodium peut alors s•échapper aisément par 20 l'intermédiaire des extrémités ouvertes des canaux tubulaires dans la partie restante de 11 échangeur thermique. Il va de soi que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre purement explicatif,nullement limitatif, et que diverses modifications de détail pourraient être apportées à la 25 forme de réalisation indiquée sans qu'on sorte pour autant du domaine de l'invention tel que défini dans les revendicatii qui suivent. 69 16326 6 2009633 . REVENDI CATIONS 1. Echangeur de chaleur dans lequel de la vapeur est produite et qui fonctionne avec un métal liquide, par exemple du 5 sodium, comme agent de transfert de chaleur, l'échangeur étant principalement formé d'un carter à l'intérieur duquel est disposé un faisceau de tubes d'eau ou de tubes de vâpeur fixés entre les plaque tubulaires et à l'intérieur duquel l'agent de transfert de chaleur s'écoule autour des tubes, et dans lequel il 10 est prévu dans la zone de transition entre les tubes et la plaque tubulaire des moyens pour réduire ce transfert de chaleur entre la plaqua et les tubes à proximité de leur zone de fixation sur la plaque, échangeur caractérisé, par le fait qu'il est prévu un certain nombre de canaux tubulaires entourant les tubes 15 sur une partie de leur longueur, et par le fait que ces volumes sont obturés d'un côté de la plaque tubulaire et communiquent de l'autre côté avec le volume intérieur de 1'échangeur de chaleur. 2® Echaageur ' de chaleur selon la revendication 1, carac-20 térisé par le fait que les canaux tubulaires sont délimités par un certain nombre de chicanes formant ensemble une grille et touchant d'un coté la plaque tubulaire. 3® Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque volume tubulaire entoure un tube 25 individuel.