Brevet FR2012694A1 — publié le 19700320

-i- 2012694 L'invention concerne de façon générale des échangeurs de chaleur et particulièrement, un générateur de vapeur à recyclage chauffé au aodiua. utilisant une disposition à tubes multiples en serpentin . 5 Antérieurement, on a envisagé différentes dis positions de tube de générateur de vapeur chauffé au sodium, comprenant le serpentin hélicoïdal, le tube à baîonette et le tube en U. En outre, on a employé différents systèmes de générateur de vapeur chauffé au sodium tels que les systèmes à un 10 seul passage ou à recyclage. Ces dispositions et systèmes utilisent comme véhicule de chaleur le sodium liquide servant au refroidissement d'un réacteur nucléaire pour évaporer un liquide tel que l1 eau dans un générateur de vapeur» lia vapeur du générateur sert par exemple à produire de l'énergie dans une turbine 15 pour engendrer de l'électricité. Aussi, ces dernières années, on a fait des efforts considérables pour mettre au point une centrale thermique en circuit fermé pour la production à long terme d'énergie électrique au moyen de chaleur nucléaire. Dans une centrale type de ce genre, l'économie impose d'utiliser le plus 20 petit nombre de tubes; par suite, avec une disposition à recyclage, il est essentiel d'augmenter le pourcentage en poids de vapeur qui quitte le faisceau de tubes d'évaporation du générateur jusqu'au maximum possible tout en évitant de s'écarter du régime d'ébullition avec nucléation (DUS). 25 L'invention porte au maximum la qualité de sor tie d'un fluide à deux phases en plaçant un éconemiseur ou préchauffeur à courant direct avant un évaporateur à ooutre-courant, ce qui ramène au minimum les flux thermiques maximaux subis par le fluide à deux phases qui sort® 30 L'invention concerne de façon générale des sys tèmes échangeurs de chaleur et elle concerne particulièrement un-système générateur de vapeur à recyclage chauffé au sodium utilisant une disposition a tubes multiples en serpentin poiar convertir de l'eau en vapeur. Plus particulièrement, le générateur de 35 vapeur ici décrit assure un échange de chaleur entre du sodium liquide chauffé par un réacteur nucléaire et de l'eau contenue dans les tubes en serpentin, de manière à former de le vapeur à haute température qui sert à faire fonctieaner me turbine à va- BAP ORIGINE 69 23562 -2- 2012694 peur pour engendrer de 1* électricité tout en évitant le DNB0 le générateur de tapeur ici décrit comprend essentiellement une structure de récipient ou cuve à travers laquelle on fait circuler du sodânm liquide et une série d'ensembles 5 de tubes d'échange de chaleur en serpentin qui pénètrent vers le bas dans une masse de sodium liquide contenue à l'intérieur d'une enveloppe rectangulaire allongée à extrémités ouvertes supportée à l'intérieur de la cuve» TJn but principal de l'invention est de fournir 10 un générateur de vapeur chauffé au sodium qui puisse fonctionner en évitant le DÏTB, en prévoyant un économiseur au dessus d'un éva— porateur et donc en diminuant le flux thermique ■■T-iwaT subi par l'évaporateur, ce qui a pour effet d'augmenter la qualité de sortie de vapeur tout en maintenant un circuit de sodium à écoule-15 ment vers le bas et en évitant ainsi les problèmes de stagnation du sodium qui sont associés aux systèmes à écoulement du sodium vers le haut. Un autre but est d'utiliser urne configuration de tubes en serpentin comprenant des coudes en épingle à che-20 veux, pour un ensemble de tubes d'échange de chaleur qui se prête aussi bie* à un passage unique qu'à un recyclage, tout en permettant l'extrapolation à de plus grandes dimensions» Un autre but de l'invention est de fournir un générateur de vapeur muni de surface de tube qui possèdent une 25 flexibilité mécanique inhérente de manière à permettre une certaine liberté dans la disposition des supports pour réduire les vibrations au minimum sans diminuer la propriété que possèdent les surfaces d'absorber les effets de dilatation thermique. Un autre but de l'invention est de fournir une 30 disposition simplifiée de tubes en serpentin situés dans un plan de manière à faciliter l'inspection des tubes après l'assemblage, et d'assurer un démontage partiel et une réparation des tubes après une excursion, thermique telle que la réaction du sodium sur l'eau. 35 Un autre but est de fournir un générateur de vapeur comportant un économiseur en serpentin et un évaporateur en serpentin qui sont identiques par leur disposition générale et leur conception mécanique, de manière à simplifier sa fabrication et son montage. ^ Bâû Oftivast^iAL 69 23562 -3- 2012694 D'autres buts de l'invention apparaîtront dans la description ci-après et on les comprendra à l'étude des dessins annexés qui montrent, à titre d'exemple, un mode d'exécution préférentiel de l'invention. On peut concevoir d'autres modes d'exécution sans sortir pour cela du cadre de l'invention. - La figure I montre schématiquement le circuit: de circulation de fluide du système générateur de vapeur, avec certains appareils auxiliaires; - la figure 2 est une coupe verticale d'un générateur de vapeur selon l'invention, prise essentiellement suivant la ligne 2-2 de la figure 4; '- la figure 3 est une coupe suivan-c la ligne 3-3 de la figure 2," et - la figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 2, On considérera maintenant les dessins et plus particulièrement la figure I; un fluide de travail "tel que l'eau est amené comme l'indique la flèche 12 à une postpe de recyclage 10, du type à jet ou du type centrifuge, qui pompe le fluide de travail sous une pression prédéterminée^ dans le sens indiqué par les flèches 14, jusqu'à un tuyau d'entrée d'eau 16 monté à l'intérieur d'un récipient ou cuve à pression 18 d'un générateur de vapeur 20^ en passant par un manchon thermique de la façon expliquée plus complètement ci-après et le fluide sort sous la forme d'un mélange à deux phases, par exemple de vapeur et d'eau, par un tuyau de sortie 22 monté sur la cuve 18, en passant par un manchon thermique situé sur la cuve 18 en dessous du tuyau d'entrée 16, de la façon expliquée plus complètement ci-après» Le mélange de deux phases vapeur et eau se dirige alors, ccœme l'indiquent les flèches 24» vers un tambour r 0 séparateur de liquide 26 du genre décrit dans le brevet américain n° 3 314 220 et qui peut comprendre des séparateurs centrifuges èt des séchoirs du type Chevron. L'eau séparée du fluide à deux phases est alors ramené à la pompe 10 comme l'indiquent les flèches 28 pour être recyclée dans le système» Entre temps, comme l'indiquent les flèches 30* la vapeur est acheminée de manière à être surchauffée et utilisée dans un système utilisateur de chaleur 32 tel r* BAD ORKàlNM. 69 23562 -4- 2012694 qu'un système de turbine a la vapeur peut alors être condensée dans le système 32 et ramenée à la pompe 10 comme l'indiquent les flèches 34 et 12 pour être alors dirigée vers le générateur de vapeur 20 et quitter celui-ci» k Comme on le voit surtout sur les figures 2,3 et 4» le générateur de vapeur 20 utilise le principe de recyolage comportant un tambour séparateur 26 décrit plus haut. Sous l'action de la pompe 10, comme l'indique la flèche 36, l'eau est refoulée par le tuyau d'entrée 16 et le manchon thermique 38 vers tq un collecteur.d'alimentation 40 à une seule extréaité d'entrée, pour être distribuée dans de multiples rangées parallèles à tubes multiples 42 de configuration" en serpentin, Le3 tubes en serpentin de transport de fluide de travail 42 sont disposés à l'intérieur d'une enveloppe rectan-gulaire allongée d'écoulement de sodium, 44» à extréaités ouvertes, disposée verticalement, qui est à son tour supportée latéralement par quatre patins solidaires 46 dirigés verticalement, pouvant coulisser dans des guides en gouttière 48 prévus à l'intérieur du récipient ou cuve de pression 18. lies guides 48 sont fixés 20 rigidement à la cuve 18 par des moyens de fixation tels que des soudures 50. l'enveloppe rectangulaire 44 est libre de coulisser le long des guides 48 pour peiaettre l'allongement de l'enveloppe 44 à l'intérieur de la cuve 18, de manière à compenser tous effets de dilatation différentielle. En outre, grftoe aux patins 46 25 qui sont mobiles dans les guides 48, on peut retirer de la cuve 18 l'enveloppe rectangulaire 44 quand on le désire. La cuve 18 du générateur de vapeur 20 est formée d'une portion cylindrique verticale 52 munie d'extrémités bombées ou hémisphériques 54 et 56. L'extrémité 54 peut être retirée par 50 la bride 58 de façon que l'on puisse retirer complètement l'enveloppe 44 ou les rangées 40. L'extrémité 56 comprend une jupe 60 munie d'un socle 62, destiné à supporter le générateur de vapeur 20 en position verticale, comme on le voit surtout sur les figures I et 2. 55 Comme on le voit surtout sur la figure 2, cha que rangée 42 est formée de plusieurs tubes de transport de fluide 64 situés dans un plan. Chaque tube est relié radialement par une extrémité 66, d'une façon permettant le passage du fluide, au BAD ORlGiNAL 1 69 23562 -5- 2012694 collecteur d'alimentation d1extrémité d'entrée 40, de manière à recevoir de l'eau de la pompe 10. Les tubes 64 sont en faisceau, toujours dans le même plan et dirigés verticalement vers le bas, à l'intérieur de l'extrémité supérieure de l'enveloppe 5 44. Les tubes de transport de fluide 64 présentent alors une configuration en serpentin sur environ deux ou trois spires, à l'intérieur de la portion supérieure de l'enveloppe rectangulaire 44, puis se dirigent verticalement en faisceau, à l'intérieur de carters isolants 70, vers l'extrémité inférieure de l'enve-10 loppe rectangulaire 44. Les tubes s'enroulent à nouveau en serpentin et se dirigent vers le haut pour rencontrer la plus basse des deux ou trois spires supérieures en serpentin. En cet endroit, les tubes sont alors à nouveau munis de carters et se dirigent ver-15 ticaleaent en faisceau à l'intérieur de carters isolants 72 pour se relier radialement par leurs autres extrémités 74 à un collecteur de sortie 76 qui sert à recueillir le fluide et à l'amener au tambour 26, comme on le voit mieux par les flèches 24, par l'intermédiaire du tuyau de sortie d'eau et de vapeur 20 22 et du manchon thermique 78. Les figures 3 et 4 montrent que l'enveloppe rectangulaire 44 est divisée par des plaques 80 en quatre passages rectangulaires séparés de sodium 81, 82, 83 et 84® A l'intérieur des passages rectangulaires de sodium, les tubes 64 25 sont placés en serpentins, dans des plans parallèles» En outre, à l'intérieur des passages 81, 82, 83 et 84 s'étendent les carters individuels 70 et 72, comme on le voit surtout sur les figures 3 et 4. Le sodium chaud du réacteur entre dans le géné-30 rateur de vapeur 20, comme l'indiquent les flèches 86 et 88, par les tuyaux d'entrée 90 et 92 et les manchons thermiques 94 et 96 qui sont diamétralement opposés et supportés par la cuve 18 du générateur de vapeur 20c Le sodium entre alors dans l'enveloppe 44 par les conduits SB et 100 qui sont eux—mêmes 35 reliés aux tuyaux 90 et 92 par une bride 101 qui support® à son tour l'enveloppe 44. Le sodium chaud est alors distribué par un déflecteur 102 par dessus chaque passage individuel 819 82, 83 et 84 de l'enveloppe 44, eomme le montrent les flèches Ï04» le BAD ORIGINAL 69 23562 -6- 2012694 sodium se distribue uniformément entrç les passages 81, 82, 83 et 84- oar il ne rencontre aucun resserrement en s*écoulant de façon croisée par dessus le sommeil du déflecteur 102 0 Depuis la région du déflecteur 102, le sodium chaud s'écoule vers le bas sur les tubes en serpentin contenus dans chaque passage rectangulaire d'enveloppe 81, 82, 83 et 84, jusqu'au fond de l'enveloppe 44 et de la cuve 18 et vers l'extérieur, comme le montre la flèche 108» en passant par le tuyau de sortie "de sodium 110 et le manches. thermique 111 pour arriver au réacteur, non représenté. l'enveloppe 44 est soutenue contre les effets de la pression hydrostatique par les effets compensateurs du sodium stagnant accumulé sur la portion extérieure de l'enveloppe 44 et qui s'appuie contre l'extérieur de l'enveloppe. Dans des conditions dféquilibre, l'enveloppe a seulement à supporter la force dirigée vers l'extérieur et due à la chute de pression par frottement. Comme le montre 3a figure 2, c'est la différence entre un niveau normal de sodimu en service, 112, qui se trouve au dessus des tuyaux d'entrée de sodium 90 et 92 et qui est aussi situé près du sommet de l'enveloppe 44» et un niveau stagnant de sodium 114. A mesure que le sodiua s'écoule sur les rangées de tubes, il s© refroidit, ce profil de température se répercute dans le sodium stagnant situé hors de 1® enveloppe 44, oe qui réduit au minimum les effets d© la tension thermique. Comme indiqué plus haut, l'enveloppe 44 est montée sur les guides 48 qui compensent tous effets de dilatation différentielle. En outre, il faut noter que la division de l'enveloppe 44 en quatre passages séparés 81", 82 , 83 et 84 empêcherait une détérioration totale des tubes 64 en confinant dans un seul passage toute excursion thermique telle que la réaction entre le sodium et l'eau. Comme le Eontre la figure 2, les deux ou trois spires initiales de serpentin, allant du niveau A ou niveau Bs constituent un pré chauffeur ©m éesasaiseur du générateur de vapeur tandis, laas le fesystiomsasat du générateur de vapeur 20, la cuve 18 est initialement rempli® de sodium liquide par le bad original 69 23562 -7- 2012694 "tuyau de sortie IIQ et le niveau de sodium qui monte atteint finalement une hauteur intermédiaire entre les niveaux 112 et 114. le sodium chaud du réacteur circule dans les 5 deux sens entre le générateur de vapeur 20 et le réacteur non représenté, par les tuyaux d'entrée 90 et 92 et le tuyau de sortie 110. le sodium est distribué par le déflecteur 102 et se dirige de façon pratiquement égale dans tous les passages 81, 82, 83 et 84 de l'enveloppe et traverse le préchauffeur pour 10 chauffer initialement l'eau relativement froide et se dirige vers le bas à contre-courant relativement au fluide entrant formé d'eau et de vapeur, à l'intérieur des tubes en serpentin de l'évaporateur. le sodium sort alors de la ouvs 18 eo-nme l'indique la flèche 108, en passant par le tuyau de sortie de so-15 dium 110. Entre temps, l'eau d'alimentation débitée par la pompe de recyclage 10 alûaente les tubes 66 par le collecteur d'entrée alimenté par l'extrémité 40. l'eau froide descend alors dans l'enveloppe d'écoulement 44 où le tube forme le pré-2Q chauffeur ou éconemiseur à deux ou trois spires. A la sortie de l'éoonomiseur, l'eau d'alimentation desoend par la section, de descente munie d'un carter, en passant à travers les carters 70 qui mènent à l'évaporateur à contre-courant qui commence par la spire 121 comme le montre la figure 2. Du fluide à deux 23 phases est alors produit à l'intérieur de l'évaporateur et monte à travers le carter 72 par lequel il quitte le groupe générateur de vapeur en passant par le tuyau de sortie 22 situé en dessous du tuyau d'entrée 16. Le fluide à deux phases se rend finalement au tambour 26 où il subit une séparation centrifuge 50 et un séchage avant de se rendre au surohauffeur situé à l'intérieur de l'utilisateur de vapeur 32. La configuration en serpentin de ee système constitue un ensemble flexible qui se prête aussi bien à un passage unique qu'à un recyclage, et à l'extrapolation à des 55 dimensions plus grandes. On tire parti de la souplesse de la disposition en serpentin pour élever l'économiseur au dessus de l'évaporateur et diminuer par suite le flux thermique maximal que subit l'évaporateur par la réaction thermique initiale du sodium chaud. Cette disposition augmente la qualité de A t BAD original 69 23562 -8- 2012694 sortie du fluide à deux phases sans provoquer d.a SDiBç, tout en iùaiiitaa circuit desc ôodium e"s zr. orit&nt la stagnation du sodium qui so produit dans les systèaes à ®icv.» l'itacut, f.soaiidanrc lu so&iua. On cc2ipr»iui à-ono que 1s préohùafx ou économiseor placé au dessus de L'sraporatgjjr a 1!intérieur •Va x'écruv-imt "a géni^-atouT Taps-ar, un a cm finals on avec I;» £i.-posit:-. .-n ^srpi-ntin ds 1? pïssentant un c-c.i_-t.r-"" ---- «onrant -ia .r-.c-dlcj2i s1-icc-.il j t-cs là cas, cLosnera un ejstôjEe convenant très bien aux teiapéraxorsa élevées et aux coefficients élevés de transfert de chaleur qui caractérisent les réacteurs perfectionnés du typa refroidi au sodium et assurera ainsi un échangeur de chaleur à recyclage feaationnaat rai eux tout on ot1--= Tant le V-FB et ^n maintenant tsacors une hauts qualité ds sortie. On a décris 2* latent ioa à prcpcs d;ua ■l* éohmx-se à s chaleur sel cu-"a générateur ds vapeur utilisant 1-sodiurn liquids st l'eau o.oane fluides d'éehango da chaleur -z&L* il ©st é-rident que- l'invention ast utile dans d- autr es applications st 3ans d'autres éohangîurs ds chaleur dans Issqusls on échange da la chaleur entre âsmr. liquides différâtes ds caim: qui sont indicés« COPY ! 69 23562 -9- 2012694 liTEatlCJIIQIS 1°) - Générateur de vapeur chauffé au sodium qui comprend un récipient destiné à recevoir du sodium chaud à son niveau supérieur et le diriger vers le tas à travers le récipient et vers l'extérieur à travers son niveau inférieur, 5 des tubes de transport de fluide à configuration en serpentin servant à recevoir du fluide de travail relativement refroidi au niveau supérieur du récipient et qui comprennent plusieurs spires se dirigeant vers le bas dans le sodium liquide contenu dans le récipient, au niveau supérieur de celui-ci, et dirigé vers le 10 niveau inférieur du récipient où il s'enroule à nouveau en serpentin pour continuer de monter à l'intérieur du récipient jusqu'à atteindre la portion inférieure des spires initiales au niveau supérieur du récipient, le fluide de travail se dirigeant vers le haut à l'intérieur de ces tubes en serpentin, à contre-15 courant relativement au sodium qui s'écoule vers le bas, de manière à donner un fluide de travail à deux phases formé de liquide et de vapeur. 2°) - Générateur selon la revendication I, caractérisé par le fâit que les spires initiales au niveau supé-20 rieur du récipient servent de préchauffeur et que les spires inférieures qui vont du niveau inférieur au niveau supérieur du récipient, en bas du préchauffeur, constituent l'évaporateur qui sert à produire le fluide à deux phases et que le générateur comporte une enveloppe parcourant pratiquement la longueur 25 du récipient et enfermant le préchauffeur et l'évaporateur de manière à diriger le sodium liquide vers le bas à proximité immédiate de manière à diriger le sodium liquide ver3 le bas à proximité immédiate des serpentins de transport de fluide. 3°) - Générateur selon la revendication 2, ca-30 ractérisé par le fâit que les tubes de traisport de fluide sont en rangées multiples parallèles et présentent des carters servant à diriger les tubes de la spire inférieure du préchauffeur vers le bas et vers la spire inférieure de l'évaporateur et des carters servant à recevoir les tubes venant de la spire infé-35 rieure de l'évaporateur et à les diriger le long du préchauffeur vers la sortie du récipient de manière à améliorer le passage des deux fluides et à réduire notablement la probabilité du BîlB. COPY 69 23562 -10- 2012694 4°) - Générateur selon la revendication 2, caractérisé par le"fait que l'enveloppe est divisée en plusieurs passages destinés à recevoir les serpentins du préchauffeur et de l'évaporateur et à protéger le reste des serpentins dans le g cas d'une excursion thermique telle que la réaction du sodium et de l'eau à l'intérieur de l'un des passages. 5°) - Générateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les tubes an serpentin sont groupés en rangées présentant une disposition simplifiée de serpentin tq dans un plan^ d© manière à permettre d5assembler plusieurs de ces tubes et de formes* ainsi une configuration rectangulaire de section, et que les passages de l'enveloppe ont une configuration rectangulaire de section de manière à recevoir les multiples tubes et à faciliter ainsi 18inspection des tubes après 15 assemblage et à assurer un démontage partiel et une réparation des tubes après une excursion thermique telle que la réaction du sodiaa et âe l'eau. 6e) - Générateur selon la revendication I, caractérisé par le'fait que les tubes se présentent en rangées 20 de serpentins dans un plan formant ua@ configuration de section pratiquement reotasigulaire, 19 enveloppe ayant une configuration. - rectangulaire de section pour recevoir ces tubes, et que le générateur comprend en autre plusieurs guides allongés opposés, supportés verticalem eut à 1sintérieur du récipient, l'enveloppe 25 comportant des patina dirigés vsrtioaleaent dont chacun est supporté à l'intérieur dsua guida du récipient de sorte que l'enveloppe est libre de coulisser le long des guides ©a vue d'un allongement dé 1'enveloppe à l'intérieur du récipient, pour compenser tous effets âe dilatation thermique différentielle et per-50 mettre de retirer rapidement l'enveloppe du récipient. 7*) - Générateur salon revendication 4» caractérisé par le fait'que les serge&tisaa du préchauffeur ont une configuration et une ooneeption mécanique pratiquement identiques à celles d© l'évaporateur, ce qui facilite la fabrication 35 et l'assemblage. 8°) - Générateur selon revendication 4» caractérisé par le fait'qu'il comporte un collecteur alimenté par son extrémité d5 entrée et destiné à recevoir le fluide de travail au niveau supérieur du récipient et à le distribuer aux tubes, \ BÂD ORidirflAÎ, 69 23562 -ii- 2012694 d'abord à l'intérieur du préchauffeur et ensuite à l'intérieur de l'évaporateur et un collecteur de sortie, situé en dessous du collecteur d'entrée et servant à recueillir le fluide à deux phases formé à l'intérieur de l'évaporateur et un taabour servant à recevoir le fluide à deux phases et à le séparer en liquide et en vapeur. 9°) - Générateur selon la revendication 4» caractérisé par le fait qu'il comprend une entrée d® sodium comportant un tuyau d'entrée de sodium qui relie l'enveloppe rectangulaire aux passages de sodium juste au dessus des entrées, un manchon thermique interposé entre le tuyau d'entré® de sodium et le récipient et protégeant le récipient ®n service contre les tensions dues à la différence de température, et tm défies-» teur plat disposé horizontalement au sommet des passages de manière à recevoir à son sommet le sodium relativement chaud, le déflecteur étant muni d'ouvertures servant à diriger uniformément le sodium par dessus le sommet et à l'intérieur de chacun, des passages, le long de chaque rangée de serpentins. 10°) - Générateur selon la revendication. 4» caractérisé par le fait qu'il comprend en outre une entrée de fluide comprenant un tuyau d'entrée de fluide, ua. oolXssteur lindrique alimenté par l'extréaité d'entrée et fisé au tuyau i8G&= trée de fluide de manière à distribuer du fluide sus tubes et un manchon thermique interposé entre le tuyau d'entrée et le récipient, au niveau supérieur du récipient et protégeant le récipient en service contre les tensions dues à la chaleur différentielle, les tubes étant disposés en plusieurs rangées, chaque rangée s'étendant radialement dans un plan à la circonférence du collecteur cylindrique d'entrée, de manière à former les serpentins de préchauffeur et d'évaporateur, les serpentins de préchauffeur et d'évaporateur étant dans le même plan que les extrémités d'attache des tubes, les tubes présentant en outre des sorties identiques aux entrées, situées au niveau supérieur du récipient, en dessous de l'entrée, les tubes de la même rangée étant fixés radialement à la sortie dans le xaSme plan que les tubes attachés à l'entrée, de manière à donner des ensembles de rangée dans un plan que l'on peut retirer individuellement de l'entrée et de la sortie en détachant la liaison d'extrémité de chacun des tubes de façon que l'on puisse facilement monter et ' \ BAD ORIGINAL 69 23562 ~I2~ 2012694 démonter chaque rangée en unités indiTiduelles sans influencer sur l'autre rangée de tubes« BAD ORIGINAL