Brevet FR2010568A1 — publié le 19700220

la présente invention se rapporte aux appareils d'évapora-tion ainsi qu'aux échangeurs de chaleur associés, et plus particulièrement à ceux de ces appareils chauffés par métal liquide et à 5 leurs échangeurs de chaleur. Typiquement, un appareil d'évapora-tion comprend une enceinte sous pression dans laquelle sont dirigés des fluides primaire et secondaire en contact d'échange de chaleur, le fluide secondaire est converti en vapeur par la chaleur fournie par le fluide primaire. Dans les appareils chauffés par métal li-10 quide, le fluide primaire est un métal liquide tel que le mercure, le sodium, un alliage ou mélange de sodium et de potassium, des alliages de sodium-bismirbh, "bismuth-plomb, etc. La chaleur est fournie au métal liquide par une source primaire, typiquement un réacteur nucléaire. lie fluide secondaire est habituellement con-15 duit dans 1'enceinte sous pression au moyen de tubes. Le fluide primaire s'écoule dans cette enceinte en passant sur ces tubes. Le terme "vapeur" utilisé dans le présent mémoire descriptif doit être considéré comme comprenant le fluide d'évaporation produit aux conditions supercritiques et sous-critiques de température et de 20 pression. Bans les appareils d'évaporation chauffés par métal liquide selon les principes de la technique antérieure, le fluide secondaire passe dans des tubes hélicoïdaux montés ou suspendus autour d'un conduit (voir Schlichting et al 3 1*2 735» Schlichting 3 256 932, 25 tubes 4QA.,40B, 40C, Figure 3» ou 40 Figure 6, respectivement). Selon d'autres principes de la technique antérieure, les tubes de fluide secondaire sont des serpentins involutés compliqués, emboités à la façon de tromborm.es à coulisse, en rangées, autour d'une colonne centrale (voir la Centrale Atomique EFAPP de Enroco 30 Fermi). Ces appareils d'évaporation antérieurs présentent, en commun, l'inconvénient de leur encombrement. Pour une puissance de sortie de 1000 ou 2000 mégawatts, un appareil d1évaporation selon ce principe de la technique antérieure serait trop gros pour être manutentionné facilement. De plus, le prix des appareils d1évaporation 35 chauffés par métal liquide de la technique antérieure est si élevé qu'il est douteux que cette technique permette la fabrication d'un appareil économique. Il est également désirable de réaliser un appareil d'évaporation, chauffé par métal liquide, qui offre toute 69 18937 2 2010568 sécurité de fonctionnement, de manière à réduire au minimum ou à éliminer entièrement, pour les usagers, les dépenses impliquées par les arrêts nécessaires aux réparations» la présente invention a pour objet de supprimer ces incon-5 vénients de la technique antérieure, et d'offrir un appareil d'évaporation sûr, compact, de prix relativement faible, du type à chauffage par métal liquide, en particulier pour centrale électrique à turbines, dans la gamme d'un millier de mégawatts, appareil de manutention facile pour le transprt et autres fins» 10 la présente invention offre un appareil d'évaporation chauf fé par métal liquide, dans lequel le fluide secondaire passe dans un certain nombre de tubes en serpentin, étroitement assemblés, mais suffisamment espacés pour permettre uh gros volume de circulation de fluide primaire, dans tout l'intérieur de l'enceinte sous pres-15 sion0 le rassemblement doit être aussi serré que possible en tenant compte du fait que le métal liquide a une faible chaleur spécifique ou capacité thermique de sorte qu'un fort volume de celui-ci est requis pour fournir la chaleur nécessaire à 1'évaporation du fluide secondaire. Typiquement, la chaleur spécifique du sodium liquide 20 est d'environ 7 calories par atome-gramme par degré centigrade, soit environ 0,3 calorie par gramme par degré dentigrade, B'aiifcres métaux ont de même une faible capacité thermique. Bien que l'on puisse réaliser d'autres profils, il est avantageux dans l'intérêt de la compacité, que chaque bloc de serpentins 25 soit plan et composé d'un certain nombre de tubes emboités à la façon des trombonnes à coulisse. Un certain nombre de ces blocs sont combinés en un faisceau modulaire de tubes, et* ces faisceaux modulaires sont montés dans toute l'enceinte, les tubes sont fixés de manière étanche dans une plaque tubulaire associée à un collec-30 teur à chaque extrémité de l'enceinte. Afin de permettre â*obtention d'un échange efficace de chaleur dans une enceinte compacte, les bras transversaux des serpentins sont longs, les tubes conduisant le fluide secondaire présentent alors de grandes longueurs efficaces dans la région du chauffage du fluide secondaire par le 35 fluide primaire. Typiquement, l'appareil d'évaporation est du type à un seul passage direct, l'enceinte est montée avec les tubes disposés verticalement et le fluide circulant en remontant à partir d'un 69 18937 3 2010568 collecteur de liquide alimentaire jusqu'à un collecteur de vapeur au-dessus duquel la valeur est prélevée, le métal liquide consti-tuant le fluide primaire, typiquement le sodium, est amené par des tuyaux chemisés à proximité de la partie supérieure de l'enceinte 5 dans un collecteur qui le répartit dans l'enceinte en contre-courant par rapport au fluide secondaire. le fluide primaire s8 écoule sur chacun des tubes et entre les blocs de serpentins étroitement rassemblés en contact intime d'échange de chaleur avec les tubes0 Ces derniers sont constitués d'une seule matière inattaquable par le 10 fluide primaire (typiquement l'Incoloy 800) et qui transmet efficacement la chaleur au fluide secondaire (épaisseur d'environ 1,6 mm). L'enceinte est constituée d'acier inoxydable inattaquable par le métal liquide (typiquement l'acier inoxydable AISI 316). le métal liquide constituant le fluide primaire ayant une faible chaleur spé-15 cifique (celle du sodium est d'environ 0,3) cède facilement sa chaleur aux tubes de fluide secondaire, l'intérieur de l'enceinte étant étroitement rassemblé, les pertes calorifiques sont réduites au minimum. la plaque tubulaire d'alimentation ou d'admission de fluide 20 secondaire est disposée at^âessous d'une zone de fluide primaire en repos dans laquelle les perturbations sont supprimées par des chicanes. Cette zone tranquille protège les joints des tubes, dans la plaque tubulaire inférieure d'admission, des variations transitoires brusques de température ce qui permet l'utilisation de joints de 25 type ordinaire peu onéreux, tout en offrant une grande sécurité. Les joints peuvent également être du type représenté à la Figure 5 des brevets Schlichting. Typiquement l'enceinte a une forme générale tubulaire circulaire. Les tubes sont disposés axialement dans tout l'intérieur 30 de l'enceinte perpendiculairement à la coupe transversale générale circulaire. Des faisceaux modulaires de blocs de serpentins de différentes dimensions sont utilisés pour le montage dans les différentes régions de la coupe transversale de l'enceinte, les tubes ont tous la même longueur effective en ce qui concerne le transfert de 35 chaleur active, de la plaque tubulaire d'admission à la plaque tubulaire de sortie, dans la totalité de la coupe transversale de l'enceinte ; les espacements axiaux entre les tours du serpentin sont ceux voulus pour réaliser ce but. lorsque la longueur d'une 69 18937 4 2010568 branche linéaire d'un serpentin est plus grande» on réduit 18espacement entre les tours de celui-ci. les faisceaux modulaires peuvent aussi être formés de manière à être identiques dans la totalité de la coupe transversale de 1'enceintee Dans ce cas, tous les tubes 5 ont la même longueur et le même espacement entre les tours du serpentin. l'appareil d5évaporation chauffé par métal liquide selon la présente invention possède de nombreux avantages î 1. Il est compact et de faible poids total ; 10 2. Il peut être construit avec une grande souplesse et une protection thermique totale offrant toute sécurité de fonctionnement 3» Il se prête à l'utilisation ci • une seule matière de tubes, ce qui réduit les difficultés et le pris de revient de fabrication j 4o la transmission de chaleur effectue en un seul passage 15 direct, ce qui simplifie l'appareil et en réduit le prix de revient j 5. la circulation du métal liar.ic.e (sodium) est stable, par inhérence, ce qui élimine les déflecteurs et permet d'obtenir une très faible chute de pression de métal liquide ; 6. l'appareil peut être construit de manière à être complè-20 tement vidangeable aussi bien du côté fluide primaire que du côté fluide secondaire ; 7. Un appareil d'une puissance de 1000 mégawatts peut être expédié par chemin de fer dans presque toutes les régions des Etats-Unis } 25 Typiquement, un appareil dsévaporation de 1000 mégawatts, à sodium liquide comme fluide primaire, présente de nombreux avantages significatifs. C'est un appareil compact, à grand rendement, qui exige un minimum de fondation et d'espace à'accès pour l'entretien. Il a une densité spécifique de puissance d'environ 31 800 Ktf/m3, par 30 rapport à 3500-7000 au plus dans le cas des appareils d'évaporation couramment en service, ou en cours de constructione la faible dimension non seulement réduit le prix de l'appareil de 1000 mégawatts, mais diminue les frais d'installation en raison du faible poids, du moindre encombrement, et de la moindre énergie emmagasinée à four-35 niro Ce haut rendement découle du choix d'une seule matière de forte résistance, 1'Incoloy-800, utilisé pour les tubes, typiquement, de 9,5 mm de diamètre extérieur, cintrés en forme de serpentin, et étroitement rassemblés selon une géométrie symétrique modulaire. 69 18937 5 2010-568 Cet appareil d'évaporation possède d'excellentes caractéristiques de transmission de chaleur du fait de la forte transmission de chaleur entre le sodium et la vapeur, et de l'utilisation de tube de faible résistance à paroi mince. Des dispositions pour la dilata-5 tion peuvent être facilement prises g^râce à la construction du support des tubes qui permet la dilatation et le glissement sans modifier la circulation du côté coque nà la géométrie de la transmission de chaleur, l'appareil est pourvu de plaques tubulaires sphéxiques (caractéristique de l'invention) qui offrent techniquement toute 10 sécurité et apportent un perfectionnement appréciable de fonctionnement. Cette caractéristique permet une réduction considérable de l'épaisseur et du poids des plaques tubulaires tout en renforçant et en simplifiant les moyens de fabrication et de montage. l'appareil présente une très faible chute de pression côté 15 coque et la circulation du sodium, s'effectuant en descendant au cours du refroidissement, est stable par inhérence, la structure modulaire de la zone de transmission de chaleur est; particulièrement remarquable, la totalité de la tiibulure à l'intérieur de l'appareil d'évaporation est subdivisée en cinq types de modules, répétés 20 chacun dans chaque quadrant de l'appareil. Cet agencement assure la redistribution de la circulation de sodium aussi bien dans un unique module que parmi les différents modules. la présente invention en ce qui concerne aussi bien sa réalisation que son mode de fonctionnement, ainsi que ses objets et. 25 avantages supplémentaires, ressortira mieux de la description qui và suivre en référence aux dessins annexés, sur lesquels : la Figure 1 est une perspective, avec une partie de la paroi interrompue, montrant un appareil d'évaporation constituant une forme préférée de réalisation de l'invention j 30 la Figure 2 est une Ame de l'appareil de la Figure 1, par tie en coupe et en partie schématique, montrant les caractéristiques importantes de cet appareil ; la Figure 3 est une vue en coupe transversale, en partie schématique pour la clarté du dessin, suivant la ligne III-III de la 35 Figure 2 j la Figure 4 est une vue fragmentaire agrandie de la partie de l'appareil représenté à la Figure 1 entourée dans le cercle IV de la Figure 3 î 69 18937 6 2010568 La Figure 5 est une vue agrandie, en élévation, d'une section d'une rangée de tubes en serpentins ou faisceau modulaire du fluide secondaire, ainsi que du support de cette rangée ou faisceau La Figure 6 est une coupe transversale, agrandie, dsune ran-5 gée ou nodule tubulaire, suivant la ligne Yl-Vi de la Figure 5» montrant le support des tubes dans lesquels passe le fluide secondaire ; La Figure 7 est une vue fragmentaire en coupe longitudinale agrandie, montrant l'écran thermique de la plaque tubulaire de sor-10 tie, dans laquelle sont fixes de manière étanche les tubes de fluide secondaire ; la Figure 8 est une vue fragmentaire en plan de cet écran thermique dans lequel les tubes sont agencés selon un dessin triangulaire, les centres des tubes se situant aux sommets de triangles 15 équilatéraux ; La Figure 9 est une vue similaire à la Figure 8, mais montrant l'écran thermique pour un appareil dans lequel les centres des tubes se situent aux sommets de rectangles ; La Figure 10 est une vue similaire aux Figures 8 et 9 à 20 laquelle les centres des tubes se situent aux sommets de triangles qui ne sont pas équilatéraux ; La Figure 11 est une vue agrandie de la partie de l'appareil entourée du cercle XI à la Figure 2, montrant la chemise du tuyau amenant le fluide primaire ; 25 Les Figures 12, 13 et 14 sont des vues fragmentaires, en coupe agrandie, montrant les joints ou fixations étanches des tubes de fluide secondaire dans les plaques tubulaires ; -et La Figure 15 est une coupe transversale d'une autre forme de réalisation de l'invention dans laquelle les modules de fais-30 ceaux sont identiques dans la totalité de la coupe transversale de la coque de l'appareil d'évaporation» L'appareil représenté aux dessins est un appareil d1évaporation à uii seul passage directs 21, du type à coque et tubes verticaux, Il comprend une enceinte sous pression 22, de forme généra-35 le cylindrique, pourvue de têtes hémisphériques supérieure et infé--rieure de conduits, 23, 24, constituées de matière inattaquable (typiquement en acier ixonydable AISI 316), dans le cas du sodium constituant le fluide primaire , enceihte dans laquelle est. monté 69 18937 7 2010568 un ensemble 25 de faisceaux modulaires 27» comprenant chacun un certain nombre de tubes 29 en forme de serpentin plan emboités à la façon des trombonnes à coulisse» L'enceinte 22 comporte des conduits ou ajutages chemisés 31 d'admission de métal liquide, 5 diamétralement espacés d'une façon générale, et amenant le métal liquide au collecteur 33 dans lequel est disposée une plaque arroseuse perforée 34- destinée à répartir le métal pratiquement uniformément sur l'ensemble de tubes» l'enceinte est également pourvue d'ajutages ou conduits 35 de sortie de métal liquide, disposés 10 de même diamétralement et dirigeant le fluide primaire dans les réchauffeurs (non représenté*) pour recyclage dans les conduits d'admission 31* les tubes 29 sont fixés de manière étanche à travers une plaque tubulaire d'eau alimentaire, 37» de forme générale sphérique, 15 située à la base de l'enceinte 22, et formant une chambre d'eau 38 avec la tête inférieure 24 de conduits, les tubes 29 étant fixés de manière étanche à leurs extrémités supérieures à travers une plaque tubulaire sphérique 39 située à la partie supérieure de l'enceinte et formant une chambre de vapeur 40 avec la tête supé-20 rieure 23 de conduits» La forme sphérique des plaques tubulaires 37» 39 et des têtes de conduits 23, 24, permet de réduire leur é-paisseur au minimum. Le liquide à évaporer est introduit dans la chambre 38 par une admission 38a, et la valeur se décharge de la chambre supérieure 40 au moyen d'une sortie convenable 40a« La 25 plaque tubulaire 37, ainsi que représentée, se situe au-dessus du niveau des conduits 35 de sortie de fluide primaire, de sorte qu'une zone tranquille 41 (Figure 2) de métal liquide se forme sur cette plaque 37» Le liquide dans cette zone 41 a tendance à stagner, et la circulation est supprimée par des chicanes 43. Il existe éga-30 lement une zone relativement tranquille 45 (Figure 2) de métal liquide au-dessus de la surface de la plaque arroseuse 34, sur laquelle le fluide primaire est projeté par le collecteur 33 sur l'ensemble de tubes. La longueur effective des tubes 29 est celle se situant en contact effectif de transmission de chaleur avec le courant de 35 sodium, c'est-à-dire celle comprise entre la ligne 47, juste au-dessous du collecteur 33» et la ligne 49 située juste au-dessus des conduits 35 de sortie. En raison de la circulation descendante du métal liquide 69 18937 8 2010Ë6I dans la coque 22s l'écoulement est stable et n!a pa.s tendance à se stratifier. le fluide secondaire s'écoule en remontant dans l'ensemble 25 de tuj>es en serpentins, selon un dessin à passages multiples d'écoulement transversal, le grand nombre de passages utilisés 3 permet d'approcher de l'idéal thermodynamique d'écoulement en contre-courant, La puissance totale requise de l'échangeux de chaleur pour le type d'appareil d'évaporation 21 de 1000 mégawatts est obtenu en un unique bloc, ainsi que le montre les dessinsa Le régime éco-10 nomique des grosses centrales nucléaires est considérablement perfectionné par l'usage de blocs uniques de .forte capacité thermique® Le tube à un seul passage direct d'échangeor de chaleur est de cohstruction et fonctionnement simples ; est peu onéreux, de moindre encombrement, et s'adapte facilemsat aux conditions éven-15 tuelles de suppression de vapeur ; en ou:":.'sr il présente une très faible rétention d'eau en cas de fuite- % compacité permet le montage complet à l'usine, l'expédition et 18installation en un bloc intégral. Dans le cas d'un appareil d'évaporations fonctionnant aux conditions soit guper, soit sous-critiques, avec le sodium 20 comme fluide primaire, on dispose d'une matière pour tubes (INC010Y-800) convenant aussi bien aux installations de métal liquide que d'eau. Oe fait élimine de très difficiles problèmes de fabrication ainsi que la plus grande dépense associée aux tubes bimétalliques ou à double paroi. On peut utiliser l'acier au carbone pour la 25 plaque tubulaire d'eau alimentaire 37 dans le cas de températures d'eau de 315°G. les régimes de transmission.de chaleur étant relativement élevés des deux côtés sodium et vapeur des-tubes 29» la résistance de conductibilité de leur paroi constitue un facteur principal de la détermination de la valeur de surface de transmis-30 sion requise. En utilisant des tubes de faible diamètre, typiquement 9»5 me, l'épaisseur de paroi requise pour supporter la pression est également relativement faible (typiquement de l'ordre de 1 ma au minimum), et conduit à un faible volume des faisceaux. la petitesse relative des tubes 29 limite également le régime de fuite 35 de l'eau dans le sodium en l'occurence d'une rupture de tube. Des dispositions sont prises pour une évacuation très rapide de l'eau, et si nécessaire du sodium également0 Dans l'appareil représenté au dessin, les tubes 2© sont très 69 18937 9 2010568 rapprochés les tuas des autres, tout en assurant entre eux les zones relativement grandes de circulation du sodium requises pour obtenir une chute modérée de pression de celui-ci. La compacité de faisceau accompagnant ce faible espacement conduit à une faible dimension 5 totale de l'appareil et par suite à des parois de coque plus minces. Cette caractéristique, à son tour, renforce la capacité de l'appareil d1évaporation à supporter les phénomènes thermiques transitoires. Pour obtenir une évaporation efficace du fluide, il est 10 essentiel que les bras 51 des serpentins constitués par les tubes 29 soient formés transversalement à l'axe de l'enceinte 22 avec la plus grande longueur possible» Ces bras 51 sont longs par rapport aux bras axiaux 53 (Figure 5)® Typiquement, la relation est celle voulue pour que la longueur effective des tubes 29 de fluide secoh-15 daire soit environ six fois celle des zones actives 47 à 49 dans lesquelles a lieu le chauffage, et au moins supérieur à trois fois cette longueur. Les modules tubulaires 27 s'étendent sur la totalité de la coupe transversale de l'enceinte 22» Cette enceinte 22 ayant une 20 coupe circulaire transversalement à l'écoulement du fluide primaires les modules 27 ont une largeur différente dans les diverses parties de la coupe transversale» Typiquement, il existe cinq"largeurs différentes de modules 27 portant les références A, B, C, D, E, (Figure 3)• Les modules de largeur A s'étendent sur la coupe trans-25 versale jusqu'aux extrémités. Ils touchent aux modules de largeur E qui s'étendent également sur la coupe transversale entre les deux côtés de la périphérie de l'enceinte 22. Ces modules E touchent à des modules de largeur A qui: partant du plan vertical central 61 de l'enceinte 23, aboutissent à chaque côté de la périphérie. Les 30 modules de largeur B touchent aux modules de largeur C, qui eux-mêmes touchent aux modules de largeur D, la totalité de ces modules partant du centre 61 et allant jusqu'à la périphérie» Les modules de largeur D touchent chacun au centre à des modules de largeur E qui vont également du centre 61 à la périphérie» 35 Les tubes 29 de tous les modules ont pratiquement essen tiellement la même longueur» L'espacement entre les bras 51-53 des serpentins des modules plus étroits A, B, C doit donc être plus petit que l'espacement correspondant dans le cas de modules plus 69 18937 10 2010568 larges D et E. las épaisseurs des modules sont différentes (Figure 3) et sont choisies de manière à adapter les modules à la coupe transversale 0 En alternative, on peut utiliser des modules 63 (Figure 15) 5 de dimensions identiques « Dans ce cas, chaque iacaule a typiquement la forme d'un parallélépipède, avec la longueur axiale de l6enceinte 22 perpendiculaire aux bases, et les bases des parallélogrammes faisant un jeu d5angles opposés de 120° et un autos jeu de 60°» Les tubes 65 sont agencés avec un pas de parallélogramme formant des 10 modules obliques, les modules 63 sont disposes e:& groupes en abou-tement dans des secteurs de 120° de la coupe traii«versale de 19 enceinte 22. I18 ensemble modulaire 25 de tubes est emboîté dans une enveloppe tubulaire 71 concentrique à l'enceinte 2Z (Figure 3)g et les 15 modules sont séparés par les plaques 73 (Figures 4 et 6) de support de tubes. les tubes 29, ainsi que le montre clairement la Figure 5s sont supportés par de longues bandes ou plaques 75 à encochess disposées verticalement et transversalement par rapport aux tubes et 20 fixées à des entretoises 77 qui traversent les rangées ou modules 27 de tubes« Les entretoises 77 sont elles-mêmes supportées par, et fixées ensemble aux différentes plaques de supports 73o Les plaques 73 font porter le poids sur 13 enveloppe 71, s-lie-même supportée par l'enceinte 22, en un certain nombre de points© 25 L'enveloppe 71 enferme la totalité de l8ensemble tubulaire et est fixée, à son extrémité inférieure, à la chemise 81 du conduit de sortie de sodium0 L'ensemble 25 est supporté au moyen de l'enveloppe 71 à l'extrémité inférieure de 18enceinte 220 Le mouvement de dilatation entre l'enveloppe 71 et les chemises 79 des con-30 duits d'admission est facilement compensé par les tolérances» Les chemises 79, 81 des conduits qui font circuler le métal liquide par les ajutages 31 et 35? sont thermiquement protégées par des dispositifs de forme générale cylindrique 91 (Figure 11). Les écrans 91 protègent la paroi externe 82 du conduit des efforts 35 thermiques rigoureux, en réduisant le régime de.transmission de chaleur de ou à la paroi (79 ou 81). Les écrans 91 réduisent également la dilatation relative entre la- paroi et" la chemise du conduit, produite par les phénomènes transitoires agissant dans la région de 69 18937 n 2010568 fixation de la chemise, et par suite perfectionne l'intégrité mécanique de l'appareil dans cette région* Les dispositifs de protection 91 ont une forme générale cylindrique coaxiale aux chemises 79 des conduits® Ces écrans 91 5 se composent chacun d'un manchon 95 en contact intime avec la paroi 82 du conduit à laquelle il est fixé au moyen d'une soudure électrique 95 autour de son bord. Un écran thermique 97 de forme générale cylindrique 97 est suspendu au manchon 93 par une partie intermédiaire radiale 99, et s'aligne avec la chemise 79 du conduit0 Des 10 écrans supplémentaires 101 sont disposés entre l'écran 99 et le manchon 93• L'écran 91 se situe dans une région entourée par du métal liquide relativement stagnant (sauf remous éventuels)P qai s'infiltre en retour par l'enveloppe 71. Les remous sont réduits par des 15 parties radiales 103. Bien que des caractéristiques convenables dsarrêt et de commande puissent amoindrir les efforts produits par les phénomènes transitoires de fonctionnement, les situations d'urgence telles qu' une interruption du réacteur ou une perte dans la circulation de 20 l'eau alimentaire ou du sodium, peuvent vraisemblablement être assez rigoureuses pour ne pas pouvoir être supprimées de cette manière. Pa£ exemple, la température d'admission du métal liquide dans l'appareil d1évaporation peut rapidement s'abaisser de presque 260°C à la suite d'une interruption d*urgence du réacteur. Il s'ensuit alors 25 une baisse similaire de la température de sortie de vapeur et une montée d'eau dans la vapeur 40. Une défaillance de la pompe à eau produirait une rapide augmentation de 260°C des températures de sortie de sodium, de l'appareil d1évaporation. Dans l'appareil selon l'invention, la contraiirfce entre les 30 parties métalliques qui se dilatent ou se contractent sont réduites au point que les efforts thermiques sont assez faibles pour satisfaire aux conditions requises de longue durée. Le tube en serpentin lui-même représente une construction extrêmement flexible assurant toute sécurité. Les ferrures de support des tubes sont également 35 libres de sa dilater, ainsi que les diverses chicanes et enveloppes. Ces ferrures sont légères, et ne sont pas • ^sujettes aux détériorations par choc thermique. Les parois d'intersection entre les ajutages 31, 35 et la coque 22 sont mariées aux endroits nécessaires 69 18937 12 2010560 pour amoindrir les difficultés dues aux efforts thermiques„ Un isolement thermique convenable est assuré aux joints entre les tubes et la plaque tubulaire de tubes de vapeur» Typiquement, les variations de température du fluide primaire produisent de sévères 5 efforts thermiques dans les plaques tubulaires 37 et 39» Ces efforts proviennent en particulier de la réponse rapide des tubes eux-mêmes (dilatation, contraction., ou déformation) aux variations de température du fluide primaire (ou secondaire)9 ce qui crée des efforts dans leurs connexions de collecteurs0 Les efforts proviennent, éga-10 lement du fait que certaines parties des plaques tubulaires 37 et 39 immédiatement adjacentes aux tubes 29, répondent plus rapidement que d'autres, créant ainsi des efforts dans les têtes de conduits» L'effort créé par la réponse des tubes 29 eux-mêmes est amoindrie au moyen d'une connexion flexible entre ces tubes 29 et 15 les plaques tubulaires 37 et 39. Cette connexion flexible est obtenue au moyen d'une rainure annulaire trépannée 111 (Figure 12) entourant chaque joint soudé 113 étanche au vides fixant les tubes aux plaques tubulaires de la plaque tubulaire (Figure 14) et en utilisant un manchon 117 entourant la partie dépassante du tu.be 29, puis fixé à ce dernier et à la plaque tubulaire 39 par des soudures électriques étanche 25 au vide 119 et 121, respectivement. L'effort produit par la réponse rapide des parties de plaque tubulaire adjacentes aux tubes est amoindri par*1*isolement thermique de la plaque tubulaire 39 de telle sorte que la partie adjacente aux tubes ne réponde pas rapidement aux variations de 30 température# L'isolement doit être réalisé par rapport aussi bien au fluide à l'intérieur des tubes qu'au fluide qui peut se déposer sur la plaque tubulaire 39. On peut isoler la partie de plaque tubulaire adjacente aux tubes du fluide contenu dans les tubes 29, en assurant autour de ceux-ci un espace annulaire libre 123 (Figu-35 3?es 12 et 14) ou une région annulaire stagnante 125 (Figure 13) entre le corps principal de la plaque tubulaire 39 et l'extrémité des tubes 29. la protection contre le dé;.: -r de fluide secondaire chaud 69 18937 13 2010568 non évaporé sur la plaque tubulaire supérieure 39 est obtenue au moyen du dispositif représenté aux Figures 7, 8, 9, 10. la plaque tubulaire 39 présente des saillies tubulaires 131 dans lesquelles passent les tubes 29. Ces derniers sont soudés de manière étanche 5 au vide en 133 aux parties montantes des saillies 131e Us dépassent au-dessus de ces saillies 131 et d'un certain nombre de blocs 135 qui sont glissés sur les tubes 29 et les saillies 131? et sont emboités ainsi que le montre la Figure 8 par exemplee lorsque les tubes 29 soiit centrés aux soumets de triangles 10 équilatéraux, les blocs 135 sont une coupe transversale extérieure hexagonale (Figure 8)» lorsque ces tubes sont centrés aux sommets de rectangles ou de carréz, les blocs 141 (Figure 9) ont une coupe transversale extérieure carrée ou rectangulaire, respectivement. Quand les tubes 29 sont centrés aux sommets de triangles non équila-15 téraux, les blocs 143 (Figure 10) ont une coupe transversale extérieure rectangulaire de dimension appropriée à leur emboîtement. Dans tous les cas, la vapeur ou l'eau surchauffée (ou autre fluide) sortant des tubes 29 se dépose sur les blocs qui protègent la plaque tubulaire 39 des phénomènes transitoires thermiques brusques. 20 Dans les régions où un haut degré de contrainte est inévi table, on assure une protection thermique destinée à réduire le régime de variation de température de chaque surface protégée à un niveau auquel les efforts thermiques ne sont pas sévères» Cette protection est nécessaire sur toutes les parties de la coque 22, des 25 plaques tubulaires 37, 39, et des ajutages 31, 33, en contact avec le métal liquide» Typiquement, le sodium liquide constitue un bon milieu de transmission de chaleur et le choc thermique appliqué à ces lourdes pièces serait rigoureux en l'absence de cette protection. Un gaz inerte de grande pureté et sous haute pression (argon 30 ou hélium particulièrement)- est introduit de toute manière convenable de façon à occuper l'espace 150 entourant le collecteur 33 et au-dessus du niveau de- métal liquide 151, afin d'agir comme gaz de recouvrement» Les éléments métalliques en contact avec ce gaz répondent lentement aux variations de température du métal liquide, 35 et n'exigent pas d'écran thermique. Le processus de transmission de chaleur du métal liquide au gaz et au métal par convect.ion naturelle est relativement lent. Le côté eau de la plaque tubulaire d'admission d'eau 57 ne supporte aucun phénomène transitoire sévère, sauf 69 18937 14 2010568 en cas de diminution "brusque de pression à la suite d'interruptions d'urgence. Ceci est similaire aux phénomènes transitoires que l'on rencontre dans les centrales classiques actuellese On donne aux parties inférieures des modules 27 de tubes la 5 forme indiquée en C afin de les adapter intinis^isnt à la zone circulaire de la plaque tubulaire inférieure 57 o C-itt-s plaque 37 est proteg&e par un certain nombre d'écrans therrai^-ies 43 maintenus mutuellement espacés par des entretoises 43ao Cas écrans font principalement fonction de chicanes pour créer un bain stagnant de métal 10 liquide entre le métal en circulation et la piec-us tubulaire 37. la condition transitoire la plus rigoureuse sa os qui concerne la plaque tubulaire 37 serait 1'arrêt de la circulation secondaire pendant la continuation de la circulation de métal liquide0 la. chaleur se transmettrait alors du métal situé dans la région de sortie, en 15 descendant à travers le bain stagnant 41 jusqu'à la plaque 37o la transmission de chaleur s'effectuant en descendant, elle n'aurait aucune tendance à créer des courants de confection de fluide et la chaleur se transmettrait uniquement par conduction thermiquee Bien que la conduction thermique» en particulier du sodium, soit très 20 élevée par rapport aux autres fluides courants, elle n'est .seulement qu'environ trois fois supérieure à celle de l'acier inoxydable. La. conduction thermique à travers Isebain, dont 18épaisseur est d'environ 60 centimètres, protège la plaque tubulaires, dont l'épaisseur peut être de 63,5 mm, contre les efforts thermiques rigoureux. Des 25 trous 152 sont de préférence percés ëans les chicanes 43 pour empêcher le développement de pression du fait d'une fuite de tube ou de plaque tubulaire dans le métal liquide. 'ï'out hydrogène dégagé s'évacue à travers les chicanes, et ensuite par la protection de coque, puis remonte à la partie supérieure de lBappareil d'évapo-30 ration 21. La protection constituée par le métal liquide stagnant entre l'enveloppe 71 et la coque 22, en protège les parois des phénomènes transitoires brusques. Typiquement, une épaisseur de l'ordre de 150 mm est prévue pour cette protection. La protection de la 35 coque suit des principes similaires à celle de la plaque tubulaire à eau 37, c'est-à-dire qu'elle utilise la résistance à la conduction thermique et la capacité thermique du métal liquide lui-même pour diminuer la transmission de chaleur. La coque é^ant verticale, il BAD ORIGINAL 69 18937 15 2010568 y a tendance à convection au cours des phénomènes transitoires» Cette confection peut être entravée en rompant la zone annulaire de sodium 153 (Figure 2) de l'enveloppe 71 en une matrice cellulaire au moyen d'un second écran 154 entourant l'enveloppe 71o 5 II existe dans la zone de protection 155 deux zones de métal liquide, une zone annulaire interne 155 et une zone annulaire extérieure 156® le métal d'a,dmission chaud descend dans la zone intérieure de protection 155 et se trouve refroidi par transmission de chaleur à la circulation principale de métal s'effectuant dans 10 l'enveloppe 71 de l'ensemble ou faisceau 25 de tubes, puis constitue une fuite s'infiltrant dans la circulation principale de sodium, au bas de l'appareil d'évaporation 21 (à l'endroit des tufaes 29 et des ajutages 35 de la coque). La zone extérieure de protection 156 renferme du sodium en 15 repos, en équilibre de température avec la zone interne, les deux zones pouvant être subdivisées pour empêcher la convection. Le degré et le type de subdivision dépendent de l'efficacité prouvée et de l'économie de fabrication. La coque 22 est de préférence complètement protégée au moyen de pièces de forme spéciale (non 20 représentées) soigneusement disposées autour de tous les ajutages 31, 35, et des irrégularités en contact avec le métal. Des dispositions sont prises pour le drainage et la ventilation des espaces de protection. Les parties supérieures des modules tubulaires 27 conver-25 gent intérieurement en remontant, ainsi qu'indiqué en D, pour se conformer à la coupe transversale de la plaque tubulaire supérieure 39, et sont entourées par un écran tubulaire 160„ La plaque tubulaire 39 est également protégée par des bandes annulaires 161 et des chicanes espacées 163 disposées à l'intérieur de l'écran tubulaire 30 160. Les principaux paramètres de l'appareil d'évaporation de l'invention sont indiqués au Tableau 1 ci-dessous en vue d'aider les techniciens pour la mise en oeuvre de l'invention, mais sans aucune intention d'en limiter la portée. 69 18937 16 2010568 TABLEAU 1 Type d'appareil Poids de l'appareil GEOMETRIE COTE COQUE Fluide contenu Diamètre extérieur 10 Epaisseur de paroi Longueur totale Chicanes de circulation Température prévue Pression prévue 15 Matière GEOMETRIE COTE TUBES Fluide contenu Matière constitutive des tubes Hombre de tubes 20 Diamètre extérieur Epaisseur de paroi (moyenne) Longueur effective Longueur installée Dessin 25 Ecartement ou pas Unités cm cm m O 0 Kg/cm2 mm mm m m mm 30 Température prévue Pression prévue GEOMETRIE DE PLAQUE TUBULAIRE Type de plaque Epaisseur du côté Eau 35 Epaisseur côté Vapeur Matière Ecartement des tubes 0 C kg/cm2 cm cm à un seul passage direct, Contre-courant à passages multiples. Goque et Tubes verticaux 90 720 kgs Sodium 380 5 s 84 10,55 Leier inoxydable type 316 .Eau et Tapeur Incoloy-800 6 000 9,52 1,17 18 21,65 Serpentin 14,3 entre centres des tubes dans le sens d'écoulement 15,9 entre centres transversalement à l'écoulement 650 175 sphérique 6,35 27,95 Incoloy-800 19,05 69 18937 17 2010568 DOMEES TTTEreivrrqTTFiR Unités Chaleur transmise Calories/Heure 0,856 x 10^ TT .j.. Zone de Zone d'é- Zone de mnm«T Unîtes Taporation Surchauffe 5 Superficie extérieure effective m2 574,1 1 265,3 1 365,6 3 205,-Coefficient général de transmission de cal/Heure chaleur m2 - 0 C 5 173,- 4 611,6 2 903,6 10 DONNEES RELATIVES ÀU SODIUM Unités Température d'admission 0 C 615 Température de sortie 0 C 343 Débit Kg/H 10,52 x 106 Vélocité moyenne du fluide m/s 1,10 15 Chute de pression Kg/c2t2 0,295 DOMEES RELATIVES A L'EAU ET A M VAPEUR Température d'admission ° C 316 Température de sortie 0 C 566 Pression de Vapeur de sortie . Kg/cm2 155 20 Débit ' Kg/h 1,75 x 106 Chute de pression Kg/cm2 10,5 Vélocité de fluide d'admission m/s 2,95 - Vélocité du fluide de sortie m/s 46,33 L'appareil d'évaporation 21 selon la présente invention, 25 dont le sodium constitue le métal liquide, spécifié au tableau ci-dessus, est construit pour fonctionnement en position verticale» Les diverses parties internes soç.t bien supportées lorsque l'appareil se trouve dans cette position. Mais, elles ne le seraient pas si l'appareil devait être disposé dans la position horizontale» 30 Puisqu'il est nécessaire de placer l'appareil d'évaporation dans la position horizontale pour certains procédés de fabrication, et en particulier pour l'expédition, des dispositions doivent être prises pour amarrer le faisceau de tube 25 et autres parties de l'intérieur de la coque 22» A cet effet, la coque 22 peirfc être remplie de sodium 35 liquide que 1'on laisse se solidifier, afin de maintenir solidement le faisceau de tubes 25» Le sodium, dans le présent appareil, constitue une matière de mise en pot extrêmement satisfaisante, puisque les matières de 69 18937 18 2010560 construction de l'appareil d'évaporation 21 doivent être toutes compatibles avec le sodium, et que l'appareil doit être nettoyé, rempli de gaz inerte, et par ailleurs;, dans une condition convenable à la réception du sodium» Le même sodium peut être utilisé 5 pour le fonctionnement de l'appareil d1évaporation 21 « Bien que l'on ait décrit des formes préférées de réalisation, on peut apporter à celles-ci de nombreuses modifications qui restent dans la portée de l1invention, cette dernière n'étant limitée que par les antériorités» 10 Des couvercles convenables 180s 181 de trous d1inspection peuvent être disposés et fixés aux têtes inférieure et supérieure 24 et 23 de conduits, respectivement, pour donner accès aux chambres associéess aux fins d'entrien, selon la technique connue « Un orifice de sortie de sécurité 185 (Figure 2) peut éga-15 lement être formé à l'extrémité supérieure de l'enceinte 22 et obturé au moyen d'un disque à rupture 186® En l'occurence d'une brusque suppression dans l'enceinte 22, le disque 186 se rompt et libère le fluide sous pression de 18enceinte, et en permet la décharge par le tuyau 188e 69 18937 19 2010568. BE VEIîD ICATI OU S 1 — Appareil d1évaporation chauffe par métal liquide comprenant une enceinte tubulaire verticale sous pression pourvue d'une admission et d'une sortie supérieure et inférieure pour l'admission 5 et l'évacuation d'un métal liquide chauffé, constituant le fluide primaire j des tubes s'étendant pratiquement dans la totalité de l'intérieur de cette enceinte» en forme de serpentins, pour conduire le fluide secondaire à évaporer, chaque tube présentant une admission inférieure amenant le fluide secondaire jusqu'à une sortie 10 supérieure à laquelle la vapeur est prélevée j et des moyens pour conduire le fluide primaire en contact d'échange de chaleur avec ces tubes entre l'admission et la sortie de ces derniers, les tubes étant espacés transversalement à la circulation du fluide primaire de manière à offrir la superficie de coupe transversale suffisante 15 pour l'écoulement du fluide primaire, ces tubes ayant une longueur suffisante, entre leur sortie et leur admission, pour assurer la transformation du fluide en vapeur à cette sortie„ 2 — Appareil selon revendication 1, caractérisé par le fait qu'une masse appréciable de métal liquide est maintenue dans l'en- 20 ceinte et qu'un certain nombre de tubes sont mutuellement emboités à la façon des trombonnes à coulisse, en forme de serpentins, ces serpentins étant immergés dans cette masse'de métal liquide. 3 - Appareil selon revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes constituent un certain nombre de faisceaux modulaires 25 montés séparément dans l'enceinte, les tubes de chaque faisceau ayant la forme de serpentinso 4 - Appareil selon revendication 3» caractérisé par le fait que l'enceinte a une forme générale cylindrique, que chaque module en serpentin s'étend azialement le long de l'enceinte, et que les 30 tours de serpentin de chaque tube sont axialement décalés les uns des autres, le nombre de tours des modules en serpentin étant agencés de manière que la longueur effective de ces tubes soit pratiquement identique, de l'admission à la sortie du tube, dans la totalité de la coupe transversale de 1*enceinte „ 35 5 - Appareil d*évaporation chauffé par métal liquide comprenant une enceinte tubulaire verticale sous pression pourvue de plaques iabulaires à ses extrémités supérieure et inférieure, respectivement, ainsi que d'une admission supérieure et une sortie inférieure pour 69 18997 20 £ U s l- ^ ô GJ la circulation descendante du métal liquide constituant le fluide primaire, dans l'enceinte, de cette admission à cette sortie, la masse de métal liquide étant disposée entre ces dernières j et de tubes destinés à conduire un fluide secondaire en contact d5 échange 5 de chaleur avec cette masse de métal liquide, ces tubes étant disposés d'une façon générale verticale dans 1'enceinte5 fixés de manière étanche à cette dernière? ainsi qus à travers les plaques tubulaires, la plaque tubulaire située à 1®extrémité inférieure de cette enceinte et les joints des tubes qui la traversent étant aggn-10 ces de manière à être submergés dans un bain stagnant de ee métal liquide. 6 - Appareil selon revendication 5 caractérisé par le fait que le niveau vertical de la sortie se situe au**4essus de la plaque tubulaire inférieure» 15 • 7 — Appareil selon revendication 5, caractérisé par le fait que l'introduction et la sortie du liquide par rapport au bain sont entravées par une ou plusieurs chicaneso 8 — Appareil selon revendication 5 comprenant un certain nombre de plaques-chicanes disposées au-dessus de la plaque tubulai- 20 re inférieure de maniète à être submergées dans le bain de métal liquide pour supprimer la convection du liquide dans ce bain» 9 - Appareil selon revendication l caractérisé par le fait que le fluide primaire a une capacité thermique relativement faible, et que l'espacement des blocs de serpentins est celui voulu pour 25 accroître au maximum le volume de circulation du fluide primaire» 10 - Appareil selon revendication 1 caractérisé par le fait que les blocs de tubes en serpentins présentent des premiers bras disposés normalement à l'écoulement du fluide primaire, et de seconds bras, disposés suivant l'écoulement de ce dernier, aussi longs 30 que possible dans l'espace disponible dans l'enceinte, et en tenant compte du besoin d'espace des bras suivant l'écoulement du fluide primaire » 11 — Appareil selon revendication 1 caractérisé par le fait que les tubes conduisant le fluide secondaire sont fixéa de manière 35 étanche à l'admission etala sortie du fluide au moyen de plaques tubulaires, de forme générale sphérique, disposées transversalement à l'enceinte à l'admission et .à la sortie, et formant conjointement à ces dernières une chambre de liquide et une chambre de vapeur0 BAD ORIGINAL 69 18937 21 2010568 12 - Appareil selon revendication 1 caractérisé par le fait que la longueur des tubes conduisant le fluide secohdaire dans la région de l'enceinte dans laquelle le fluide secondaire est effectivement chauffé, est supérieure à trois fois la longueur de cette 5 région» 13 - Ensemble tubes-plaque tubulaires en particulier pour appareil d'évaporation, d'un côté duquel le liquide est transformé en vapeur, cet appareil d1évaporation comprenant une plaque tubulaire délimitant, au moins en partie, une chambre de vapeur^ cette 10 plaque présentant des saillies dans lesquelles les tubes sont fixés de manière étanche au vide, ainsi qu'un bloc entourant chacune dé ces saillies, ces blocs disposés sur les saillies étant intimement emboités les uns dans les autres, afin d'empêcher tout heurt du liquide de ces tubes sur la plaque tubulaire0 15 14 - Appareil selon revendication t caractérisé par le fait que l'enceinte a une forme générale circulaire et que les tubes sont agencés en faisceaux modulaires identiques» Les tubes de chaque module étant déportés de manière que chaque faisceau ait la forme d'un parallélépipède ayant une coupe transversale en forme de paral-20 lélogramme dont un jeu d'angles opposés a pratiquement 120 °, et l'autre &eu d'angles opposés pratiquement 60 °|i cette coupe transversale ayant la dimension, voulue pour que les faisceaux puissent être montés dans la coupe transversale de l'enceinte en jeux identiques de faisceaux en aboutement, chaque ieuébant contenu pratique-25 men=fc dans un secteur de 120 0 de l'enceihte» 15 - Une masse destinée au transport, consistant en l'enceinte sous pression d'un appareil d'évaporation chauffé par métal liquide, dont l'intérieur est pourvu d'un certain nombre de tubes destinés à transmettre un fluide secondaire, et de moyens pour con- 30 duire un métal liquide constituant le fluide primaire dans cette enceinte en contact d'échange de chaleur avec ces tubes, cette masse ayant été conditionnée pour le transport par l'introduction de fluide primaire qu'on laisse se solidifier autour de ces tubes» 16 - Appareil d'évaporation chauffé par métal liquide 35 comprenant : — une enceinte verticale sous pression à paroi tubulaire et pourvue d'extrémités sphériques supérieure et inférieure ; — une plaque tubulaire supérieure et une plaque tubulaire inférieure 69 18937 22 2010568 accouplées à ces extrémités sphériques supérieure et inférieure, et délimitant conjointement à ces dernières iws chaaibre supérieure de "vapeur et une chambre inférieure à liquide5 respectivement f, — an certain nombre de tubes disposés dans la totalité de l3inté— 5 rieur- de 13 enceinte, en une configuration ce serpentins plax.3» et dont les extrémités supérieures et inférieures? sent fixées de manière étanche à travers ces plaques tabulaire? supérieure et inférieure* respectivement5 en communication do .fluide avec ces chambres de vapeur et de liquide | 10 — des moyens pour admettre le métal liquide chaud dans 1*enceinte j — des moyens pour conduire ce métal liquide autour- de ces t"bes en bonne relation d'échange de chaleur avec ces e-srpentinSg ©t constituant 'une masse de métal liquide dans 1-enceinte ; — des moyens pour évacuer le métal liquide da" l'enceinte j 15 - des-moyens pour vaporiser le liquide sous pression, dans cette enceinte j — des moyens délimitant un espace de gaa au-dessus de.cette œasse-de métal liquide ; — des moyens pour admettre un gaz inerte soas pression dans cet 20 espace j — ces tubes ayant une longueur suffisante pour permettre la transformation de ce liquide sous pression en vapeur sous pression à sa sortie de cette plaque tubulaire dans l'espace de vapeur et, — des moyens pour évacuer la vapeur sous pression de cet espace de 25 vapeur# 17 — Appareil selon revendication 16 caractérisé par le fait que les tubes sont emboités mutuellement, étroitement espacés, dans le sens transversal au sens d'écoulement du métal liquide ; l'emboîtement de tubes est entouré d'une enveloppe tubulaire dispo- 30 sée à l'intérieur et espacée de la paroi tubulaire de l'enceinte ; et qu'il comprend en outre un écran tubulaire entourant cette enveloppe pour former conjointement à cette enveloppe ...et à la paroi de l'enceinte deux espaces annulaires pour le métal liquide stagnant. 18 - Appareil selon revendication 16, caractérisé par le 35 fait que des moyens comprenant un certain nombre de chicanes espacées verticalement sont disposées au-dessus de la plaque tubulaire inférieure pour restreindre au passage la circulation du métal liquide et former ainsi un bain stagnant de métal liquide# 69 18937 23 2010568 19 - Appareil selon revendication 18, caractérisé par le fait que la sortie de métal liquide est disposée au-dessus des chicanes afin de favoriser la formation du bain stagnant» 20 - Appareil, selon revendication 19S comprenant en outre : 5 un dispositif de chicanes disposé sous la plaque tubulaire supérieure afin d'empêcher l'éclat-cassement de métal liquide chaud contre cette plaque tubulaire© 21-Appareil selon revendication 16, comprenant en outre % une chemise tubulaire entourant les tubes $ ces derniers étant agen-10 cés en un certain nombre de modules de coupe transversale rectangulaire emboités de manière à remplir pratiquement la superficie de coupe transversale à l'intérieur de l'enveloppe ; les parties supérieures des tubes dépassant des serpentins, convergeant en direction de la plaque tubulaire supérieure ; un écran tubulaire disposé sous 15 la plaque tubulaire supérieure, autour de ces parties supérieures convergeantes des tubes. 22 — Appareil selon revendication 21» comprenant en outre s un certain, npmbre de chicanes verticalement espacées disposées à l'intérieur de l'écran tubulaire, les parties supérieures des tubes 20 passant à travers ces chicanes ; et ces plaques-chicanes et l'écran tubulaire ayant pour fonction d'empêcher l'eclaboussement de métal liquide chaud contre la plaque tubulaire associée0