Brevet FR2049022A1 — publié le 19710326

La présente invention concerne les échangeurs-de chaleur comportant un faisceau tubulaire composé de tubes en U dont les branches d'entrée et de sortie communiquent par l'intermédiaire d'une plaaue tubulaire avec deux compartiments respeetifs dtad- mission et d'évacuation formés de part et d'autre d'une cloison dans une boîte d'alimentation en fluide caloporteur, que l'on dérommera "boîte à eau" dans le présent mémoire, indépendamment de la nature de ce fluide. De tels faisceaux tubulaires servent à équiper en particu- lier certains générateurs de vapeur associés à des réacteurs nu- cléaires de type PWR, PHWR, ou autres Dans ces générateurs, le faisceau de tubes en U, immergé dans le fluide secondaire, c'est- à-dire dans l'eau à vaporiser, est généralement alimenté en flui- de primaire, ou fluide de réfrigeration du coeur de réacteur par une botte à eau de forme hémisphérique Celle-ci représente donc un volume important, ce qui constitue un inconvénient non négli- geable, surtout lorsque le fluide primaire est de l'eau lourde. D'autre part, dans les générateurs de vapeur connus du type sus-visé, l'installation de puissances éléevées nécessite une pla- que tubulaire d'épaisseur considérable, difficile à réaliser comme pièce de forge. Comme autre inconvénient, ces générateurs de vapeur présen- tent du cote secondaire, ou côté vaporisateur, un fonctionnement thermique hétérogène, l'écart moyen de température entre le fluide primaire et l'émulsion eau-vapeur étant beaucoup plus grand sur les branches d'entrée des tubes que sur leurs branches de sortie. La Demanderesse constate qu'il est relativement plus aisé d'atténuer ces inconvénients, ou de les éliminer quand les deux compartiments d'entrée et de sortie du fluide @rimaire sont des volumes de révolution concentriques, formés dans une boîte à eau de forme arlatie, ce part et d'autre d'une cloison de séparation, et un objet de la présente invention est de @@ciliter la réalisa t on d'un faisceau de tubes en U de fonctionnement efficace, adapté à une boîte à eau de cette forme. L'invention pronose dans ce but un échangeur de chaleur à tubes en U pourvu d'une plaque tubulaire dont les zones d'entrée et de sortie sons deux régions concentri@ues, comnortant chacune e même nombre de trous, le réseau de perforations de chaque zone étant déterminé par les intersections de jeux familles de courbes à savoir : une famille de cercles concentriques et une famille de développantes de cercle formees sur le plus petit de ces cercles Ainsi qu'on le verra ci-après, cette disposition f:aaixite une répartition homogène et ordonnée des tubes en U dans l'espace qui leur est réservé. Selon un autre perfectionnement, cet espace est divisé en deux compartiments annulaires par trois viroles cylindriques, verticales et concentriques, dont une virole extérieure qui isole le faisceau tubulaire de l'enceinte contenant le fluide à vaporiser, une virole intermédiaire de hauteur plus faible qui sépare à la partie 11iiérieure de l'appareil les branches montantes des tE- bes en U de leurs branches descendantes, et une virole intérieure formant cheminée de recirculation du fluide secondaire. Ce dispositif permet d'organiser dans les meilleures conditions la circulation du fluide secondaire dans l'échangeur. Un autre perfectionnement envisage une disposition ayant pour effet d'augmenter la résistance de la botte à eau aux pressions intérieures et aux charges extérieures. Une boîte à eau ainsi réalisée comporte, par exefflple un fond plat parallèle à la plaque tubulaire et raccordé à -île par un rebord périphérique en quart de tore ; le fond et la plaque soeqt rigidement reliés par deux cloisons cylindriques concentriques, les compartiments d'entrée et de sortie du fluide primaire étant situés de part et d' autre de la cloison de pli?-s grand diamètre, tandis que l'autre cloison, formant tubulure de raccordement au circuit de fluide primaire, est munie de fençAtres latérales débouchant sur le compartiment limitrophe Les objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront par ailleurs de la description que l'on va en donner ci-après, portant sur un mode de réalisation choisi à titre d' exemple et représenté aux dessins annexés. Sur ces dessins la figure t est une coupe verticale axiale d'un générateur de vapeur suivant l'invention la figure 2 est une mue en coupe horizontale, suivant la ligne Il-Il de la figure i la figure 3 est une vue en plan partielle de la plaque tubulaire du générateur de vapeur la figure 4 est une vue partielle en élévation, suivant la ligne IV de la figure 3 la figure 5 et la figure 6 sont des vues en coupe horizontale, suivant les lignes V-V et VI-VI de la figure 1 la figure 7 représente à plus grande échelle un détail de la figure 1. Selon l'exemple choisi et représenté, un générateur de vapeur a une enveloppe cylindrique verticale 1, évasée vers le haut et fermée à sa partie inférieure par une plaque tubulaire 2. Un fond plat 3, raccordé à la plaque 2 par un rebord périphérique 4 en forme de quart de tore, forme avec cette plaque une boîte à eau 5 qui dessert un faisceau de tubes en U à branches verticales placés à l'intérieur de l'enveloppe i, dont deux représentés schématiquement et désignés par Um et Un. Dans la boîte à eau 5 se trouvent deux cloisons cylindriques 6 et 7, qui y délimitent deux compartiments annulaires 8 et 9 et un espace central 10 d'arrivée de fluide. Des fenêtres 11 ménagées dans la cloison intérieure 7, font communiquer l'espace 10 avec le compartiment 9. L'accès aux compartiments 8 et 9, aux fins d' inspection et d'entretien, est assuré par des ouvertures 12, 13 pratiquées dans le fond plat 3 et dans la cloison 6, et munies de couvercles étanches. Jne tubulure 14 formée dans la paroi 4 communique avec le compartiment 8. La paroi 4 et les cloisons 5, 7 de la boîte à eau délimi- tent dans la plaque tubulaire 2 deux zones annulaires ZE et ZI. Chacun des tubes Un du faisceau a une branche verticale extérieure BEn et une branche verticale intérieur Bin qui communiquent respectivement avec les compartiments 8, 9 de la boîte à eau, à travers les zcnes ZE, ZI de la plaque tubulaire 2. Des entrées 15 permettent de remplit ~'9enveloppe 1 d'eau ordinaire à vaporiser. La cloison 11 constitue une tubulure d'en- trée d'eau lourde qui sert de fluide de réfrigération d'un réacteur nucléaire. L'eau lourde chargée de chaleur arrive au eompartiment 9 de la boîte à eau, circule le long des branches intérieures et extérieures du faisceau de tubes, en transmettant sa chaleur à 'eau a vaporiser, tasse dans @e compartiment 8 et s'évacue par la tubulure 14 pour recyclage au coeur de réacteur. La forme aplatie e ia boite à eau 5 permet de réduire notablement le volume d'eau lourde nécessaire au fonctionnement de l'installation. En o\ire, a J oison 6 es tas un simple elé- ment de cloisonnement. Elle est dimensionnée de maniere à relier rigidement les éléments 2 et 3, et à les faire travailler ensemble à la manière des tables supérieure et inférieure d'une poutre composée. Ceci permet de réaliser la résistance voulue avec une plaque tubulaire considérablement moins épaisse que dans les dispositifs connus. La cloison 7, qui constitue en fait un prclongs ment de tubulure d'entrée 16, contribue à la résista@@e d@ @'en- semble de la même façon que la cloison 6. Cette forme avantageuse de boîte à eau implique l'existence d'un réseau de perforations réparties en nombre égal dans deux zones annulaires de la plaque tubulaire, et la vue en plan partielle de la figure 3 illustre le mode de détermination d'u@ tel réseau proposé par l'invention. D'après l'exemple de la figure 3, les perforations de la plaque tubulaire 2 se situent aux intersections de deux familles de courbes, à savoir : une famille de cercles concentriques C disposés en nombre égal dansles deux zones annulaires ZI, ZE, et une famille de développantes de cercle D, formées sur le plus petit de ces cercles, désigné par C1. Dans l'exemple représenté, il y a 51 cercles C1 ... C51 dans la zone intérieure ZI, et 51 cercles C52 .. C102 dans la zone extérieure E, Les points de départ des développantes D sur le cercla de base C1 sont espacés par des arcs de valeur constante R, et les intervalles entre cercles C sont déterminés en fonction des intervalles que l'on désire ménager entre perforation le long d'une développante. Un groupe G de tubes en U est composé de 51 tubes U1 à U51, dont on s'est borné à ne représenter qu'un tube sur cinq pour faciliter la lecture du dessin. Les tubes successifs du groupe G ont des empattements et hauteurs progressivement croissants. Leurs perforations extérieures CE débouchant dans le compartiment 8 de la boîte à eau se situent le long d'une même développante de cercle D, sur des cercles C52 ... C102 de rayons progressivement croissants, tandis que leurs perforations intérieures OI, débouchent dans le compartiment 9, se trouvent aux intersections de développantes successives D et des cercles C51 ... C1, de rayons progressivement décroissants, et se suivent le long d'une courbe qui a l'allure d'une développante de cercle à sens de progression inverse de celui des développantes D.Selon une variante, an peut d'ailleurs déterminer les perforations OI par intersection des cercles C1 ... C51 et de développantes de cercle géométriquement exactes, réparties à des espacements angulaires P sur le cercle Cl, et de sens opposé aux développantes D. Les tubes en U du groupe G se situent dans des plans verticaux mutuellement obliques et d'orientation moyenne radiale. Le tube Ul de plus faible rayon de cintrage présente une obliquité marquée par rapport à la trace de la cloison 6 qui départage les zones ZE, ZI, ce qui permet d'éviter les cintrages trop prononcés. Chaque arc de développante D situé dans la zone ZE peut servir de base à un groupe de tubes identique au groupe G, deux tels groupes adjacents étant mutuellement superposables par rota- tion relative égale au pas angulaire P. (Certains des tubes for- mant un groupe adjacent au groupe G sont représentés en pointillé sur la figure 3). La propriété de superposition par rotation de deux dévelop- pantes engendrées sur un mime cercle, combinée au fait qu'elles sont parallèles, c'est-à-dire équidistantes sur toute leur lon- gueur, permet donc de réaliser commodément, avec un petit nombre de formes, un réseau très dense de tubes en U uniformément répar- tis dans un espace annulaire. Sur la figure 1, le faisceau tubulaire est contenu entre une virole 17 et un tube central 18 le centre, du générateur étant dépourvu de tubes. Ure virole intermédiaire 19, moins haute, repose sur la plaque 2 à l'aplomb de la cloison 13, et sépare les branches d'entrée des tubes de leurs branches de sortie L'espace entre la virole extérieure 17 et la virole intermédiaire 19 est doté d'un sytème de chicanes, composé de plaques annulaires horizontales étagées 20, munies de @uatre fenêtres 21 avec décalage de 90 entre plaques successives. Entre la virole 19 et la cheminée 18 se trouvent des plaques horizontales 22 étagées pourvues de six fenêtres 23 régulièrement espacées, un décalage de 900 étant réservé entre plaques successives. Au-dessus de la virole 19, se trouvent, dans l'es@a- ce entre la virole 17 et le tube 18, des chicanes constituées par des plaques horizontales tares 24 disposées avec un décalage de 30 entre plaques successives. Ces plaques ont six fenêtres 25 régulièrement espacées dans une zone annulaire intérieure et six fenêtres 26 réparties à intervalles égau@ dans une zone annulaire extérieure.Les régions médi@@@ @@s fe@@@res d'une zone sont dis- pesées radialement en vis-à-vis @@r rapport aux régions médianes des parties pleines de l'autre zone. Les chicanes 22, 24 sont solidarisées par des tubes verticaux 29 (figure 7) dans lesquels passent des tirants d'ancrage 30, fixés à la plaque tubulaire 2 et serrés en tête par écrous. La virole extérieure 17 et le tube central 18 ont à la base des ouvertures respectives 27, 28. L'eau froide à vaporiser arrive par les entrées 15 dans l' espace compris entre les viroles 17, 19, là où se trouvent les branches de sortie du faisceau de tubes en U et il se produit dans cet espace, qui fait fonction de préchauffeur d'eau, un échange de chaleur entre l'eau froide à vaporiser et l'eau lourde partiellement refroidie. L'eau monte ensuite dans l'espace entre les viroles 17, 19, la disposition des chicanes et des fenêtres ayant pour effet de lui donner aussi bien un mouvement ascendant sinusoïdal dit tangentiel entre les fenêtres d'une même zone annulaire, qu'un mouvement ascendant sinusoïdal dit radial, avec passage de l'eau des fenêtres d'une de ces zones et celles de l' autre. Le tube central 18 et la virole 17 délimitent à leur partie supérieur un espace de dégagement par lequel l'émulsion est conduite dans des séparateurs cyclone. Le tTbe central, muni des ouvertures 28, est utilisé comme retour d'eau principal, un retour d'eau de plus faible débit se faisant par ailleurs entre la vircle 17 et la paroi résistante 1 du corps, principalement en sur maintenir cette derniere à une température bien homogène, et égale à la température de saturation. Bien entendu, l'invention n'est nullement limités au mode de réalisation décrit et représenté, lequel n'a été donné qu'à titre d'exemple. C'est ainsi que les développantes de cercle de la zone ex- térieure ZE ne fait pas nécessairement partie de la même famille que celles de la zone ZI et qu'elles peuvent, par exemple, être formées sur un cercle de base de rayon convenable, par exemple le cercle C52, ou tout autre cercle plus petit. REVENDICATIONS i. Echangeur de chaleur à tubes an U associés à une plaque tubulaire à perforations réparties suivant deux zones annulaires concentriques comportan-t chacune le meme nombre de trous, caractérisé par e fait se le réseau de perforations de chaque zone est déterminé par les intersections de deUv familles de courbes, à savoir : une famille de cercles concentriques et une famille de développantes de cercle engendrées sur un cercle de rayon au plus égal à celui du plus petit cercle de ladite zone. 2. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, carat térisé par le fait que le sens de progression des développantes de cercle est le même dans les deux zones. 3. Echangeur de chaleur suivant la revendication i ou 2, caractérisé par le fait que les développantes d-e cercle sont égales en nombre dans les deux zones. 4. Echangeur de chaleur suivant la revendication 3, carac- térisé par le fait qu'une seule et même famille de développantes de cercle détermine le réseau de perforations dans les deux zones. 5. Echangeur de chaleur suivant une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait que les points de départ des développantes de cercle d'une famille sont uniformé- ment répartis sur leur cercle de base. 6. Echangeur de chaleur suivant une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que les perforations se suivent à intervalles sensiblement égaux le long des développantes. 7. Echangeur de chaleur suivant la revendication 3 ou une quelconaue des revendicat. ors oui en dépende, caractérisé par le fait oua Tas tubes ru faisceau sont répartis en groupes identiques, les tubes successifs d'un groupe étant à cheval sur les deux zones annulaires et communiquant, dans l'une de celles-ci, avec des perforations qui se suivent sur des cercles de rayons progressivement croissants, et dans l'autre, avec des perforations qui se suivent sur des cercles de rayons progressivement décroissants. 8. Echangeur de chaleur suivant la revendication 7, carac- terisé par le fait que la direction moyenne des plans dans lesquels se situent les tubes du groupe précite est sensiblement ra diale. 9. Echangeur de chaleur suivant une quelconque des revendi@@@ cations précédentes, caractérisé par le fait que les branehes droites des tubes en U, disposées verticalement dans une enveloppe, s'y trouvent confinées dans deux compartiments annulaires par trois viroles cylindriques concentriques dont une virole extérieure qui sépare le faisceau de l'enveloppe, une virole @uter- médiaire qui sépare les branches montantes des tubes en -;T a leurs branches descendantes, et une virole intérieure munie d'ouvertu- res à sa partie inférieure et constituant cheminée de recircula- tion du fluide contenu dans l'enveloppa. 10. Echangeur de chaleur suivant la revendication 9, carac- térisé par le fait que la virole extérisure, munie d'ouvertures à sa partie inférieure, forme avec l'enveloppe une cheminée annu- laire assurant une recirculation secondaire du fluide précité. 11. Echangeur de chaleur suivant la revendication ou 10, caractérisé par le fait que le fluide précité est introduit dans le compartiment annulaire extérieur. 12. Echangeur de chaleur suivant une quelconque des revendi- cations 9 à 11, caractérisé par le fait qu'au moins un des compar- timents annulaires est pourvu de chicanas de déviation du précité. 13. Echangeur de chaleur suivant une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé par le fait que les vircles extérieure et intérieure, dépassant en hauteur la virole intermédiai- re, forment au-dessus de celle-ci un compartiment annulaire garni de chicanes horizontales pourvues de fenêtres reparties suivant deux zones annulaires concentriques, les régions médianes des fenêtres d'une zone étant radialement située vis-à-vis des régions médianes des parties pleines de l'autre zone. 14. Echangeur de chaleur suivant une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il fonctionne en generateur de vapeur et comporta un dispositif de séparation de vapeur situé au-dessus du faisceau. 15. Echangeur de chaleur suivant une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le faisceau de tubes en U est alimenté car une boîte à eau délimitée par une paroi plane narallele à la plaque tubulaire et raccordée à elle par un rebord périphérique, la plaque et la paroi étant rigidement reliées par une cloison de compartimentage de la botte à eau, si tee au droit de la @ l@gne de démarcation es deux zones annulai- res précitées de la plaque tubulaire. 16. Ecnangeur de chaleur suivant la revendication 15, Ca- ractérisé par le fait qu'un conduit d'alimentation de la boîte à eau pénètre à l'intérieur de celle-ci et forme élémént rigide de liaison entre la plaque tubulaire et la par@i précitée.