Brevet FR2070919A1 — publié le 19710917

La présente invention concerne des pièges froids à utiliser dans des circuits caloporteurs à métal liquide, le métal liquide, par exemple du sodium, circulant comme milieu d'échange de chaleur est sujet à la formation d'impuretés sous la forme 5 d'oxydes, d'hydrures, de composés métalliques et.de particules métalliques et de carbone » tes pièges froids sont parfois incorporés dans les circuits pour réduire la température du métal au-dessous de la température de saturation en impuretés de manière à précipiter des impuretés solubles telles que des oxydes. 10 les pièges peuvent comporter des éléments filtrants pour retenir les matières solides précipitées et les particules insolubles et peuvent également comporter un puisard pour recueillir un dépôt» Les pièges froids connus sont sujets à un colmatage précoce par suite de l'accumulation des précipités sur les surfaces plus 15 froides du piège et,même si l'on tient compte de ce phénomène, en utilisant des pièges de capacité plusieurs fois supérieure à celle qui serait normalement nécessaire, on ne peut pas s'attendre à une longue durée de service sans vérification. Les pièges froids comportent normalement un dispositif d'échange de chaleur 20 à récupération dans lequel l'écoulement du métal liquide est dirigé sur deux trajets opposés par un barrage formant une limite commune entre les deux trajets d'écoulement. Un dispositif externe de refroidissement est prévu pour refroidir le métal liquide passant sur le premier trajet de la température d'entrée à 25 une température inférieure à la température de saturation en impuretés du métal liquide de façon à précipiter principalement les impuretés solubles à partir du métal liquide passant par le premier trajet. A partir du premier trajet d'écoulement, le métal liquide passe le long du second trajet et est partiellement ré-30 chauffé par transmission de chaleur à partir du métal liquide passant par le premier trajet à travers le barrage formant la limite commune entre les deux trajets d'écoulement. Etant donné qu'il existe un gradient de température prononcé dans le sens longitudinal dans le métal liquide passant le long 35 dudit premier trajet, la précipitation des impuretés solides à partir du métal liquide est limitée à une région localisée vers l'extrémité du premier trajet où la température du métal liquide correspond ou est inférieure à la température de saturation en impuretés du métal liquide. L'un des modes de précipitation des 70 45685 2 2070919 impuretés consiste à les déposer sur les parois du passage défi-' nissant le premier trajet d'écoulement. Le dépôt des impuretés par ce mode opératoire dans la région localisée du trajet d'écoulement dans laquelle une précipitation peut se produire rapide-5 ment conduit à un colmatage du trajet d'écoulement par une accumulation localisée des impuretés. Selon la présente invention, un piège froid destiné à purifier un métal liquide comporte un dispositif destiné à diriger l'écoulement du métal liquide le long d'un premier trajet, puis 10 le long d'un second trajet, les premier et second trajets d'écoulement étant séparés par un barrage formant une limite commune entre les deux trajets d'écoulement, un dispositif externe de refroidissement étant disposé pour refroidir le métal liquide passant dans la dernière partie du premier trajet d'écoulement, le 15 barrage étant de nature calorifuge sur sa longueur séparant cette dernière partie du premier trajet et la première partie du second trajet d'écoulement, et le barrage étant conducteur de la chaleur sur sa longueur séparant la'première partie du premier trajet et la dernière partie du second trajet d'écoulement. 20 Une forme préférée de piège froid selon l'invention comporte un récipient, un conduit cylindrique disposé concentriquement dans le récipient de manière à former un espace annulaire entre le conduit et la paroi interne du récipient, un dispositif pour introduire un métal liquide dans une extrémité du récipient, un dispo-25 sitif pour diriger l'écoulement du métal liquide sur un premier trajet le long de l'espace annulaire défini entre le conduit et la paroi interne du récipient, puis sur un second trajet passant dans le conduit, une partie de ce dernier étant conductrice de la chaleur à partir de l'extrémité d'admission du métal liquide du 30 récipient, la longueur restante du conduit vers l'autre extrémité du récipient étant de nature calorifuge, et un dispositif étant prévu pour refroidir extérieurement le récipient au moins dans la région correspondant à la longueur du conduit qui est de nature calorifuge. 35 La longueur du conduit qui est de nature calorifuge peut être une construction à double paroi comportant des parois interne et externe définissant entre elles un espace mis sous vide ou rempli de gaz. 70 45685 3 2070919 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention res-sortiront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation de l'invention. 5 Sur ce dessin : La figure unique représente une coupe longitudinale semi-schématique d'un piège froid selon l'invention. . Le piège froid représenté sur le dessin comporte un récipient cylindrique 1 en acier inoxydable ayant des extrémités su-10 périeure et inférieure bombées 2 et 3« Les extrémités bombées supérieure et inférieure 2 et 3 du récipient 1 sont formées séparément du corps cylindrique principal 4 du récipient 1 et sont soudées audit corps. Un conduit cylindrique 5 en acier inoxydable est disposé 15 concentriquement dans l'extrémité supérieure du récipient 1, un passage annulaire 6 étant ménagé entre le conduit 5 et le récipient 1. L'extrémité supérieure du conduit 5 est fermée par une plaque d'extrémité soudée 7 comportant un tube de branchement 8, qui est relié à une conduite 9 de sortie du sodium, soudée à l'ex-20 trémité supérieure bombée 2 du récipient 1 à l'endroit où elle la traverse. Une chicane cylindrique 10 en acier .inoxydable, dont l'extrémité supérieure est fermée par une plaque d'extrémité soudée 11, est disposée dans le conduit 5. La chicane 10 est supportée 25 concentriquement dans le conduit 5 par des branches radiales 12 de façon à former un passage annulaire interne 13 entre la chicane 10 et le conduit 5. Une plaque d'extrémité annulaire 14 est soudée à l'extrémité inférieure du conduit 5. La plaque d'extrémité 14 présente une 30 bride cylindrique solidaire 15 à laquelle est suspendu un conduit cylindrique 16 concentriquement à l'intérieur de la partie inférieure du récipient 1. Le conduit 16 est à double paroi et comporte des parois cylindriques interne et externe 17 et 18. Les parois 17 et 18 35 sont en acier inoxydable et la paroi interne 17 a un diamètre externe inférieur au diamètre interne des parois externes 18 de manière à définir entre elles un espace annulaire 19. Des anneaux tubulaires 20 sont disposés par intervalle le long de l'espace 9 pour maintenir les parois 17 et 18 à distancé l'une de l'autre. A 70 45685 4 2070919 son extrémité inférieure, l'espace 19 est fermé hermétiquement par une bague cylindrique 21 s'ajustant entre les extrémités inférieures des parois 17 et 18 du conduit 16 et soudée auxdites extrémités. La bride cylindrique 15 de la plaque d'extrémité an-5 nulaire 14 du conduit 5 s'ajuste entre les extrémités supérieures des parois 17 et 18 du conduit 16 et est soudée auxdites extrémités. L'espace 19 formé entre les parois 17 et 18 du conduit 16 est mis sous vide ou est rempli d'un gaz tel que l'argon. Un passage annulaire inférieur 22 est formé entre le conduit 16 et 10 la paroi du récipient 1„ •Un panier filtrant 23 est ajusté à l'intérieur du conduit 16. Le panier 23 a une forme tronconique et comporte un bâti ajouré en acier inoxydable recouvert d'une fine toile métallique 24. Le panier 23 contient un garnissage, par exemple des anneaux 15 de Raschid 25o L'extrémité supérieure 2 du récipient 1 comporte une conduite 26 d'admission du sodium et l'extrémité inférieure 3 du récipient 1 comporte une conduite d'évacuation 27. L'extrémité inférieure du récipient 1 est entourée d'une chemise 28 comportant un conduit inférieur d'entrée 29 et un conduit radial de 20 sortie 30 à son extrémité supérieure. Une couche d'un calorifu-geage 31 recouvre la chemise 28 et le récipient 1 au-dessus de cette dernière. Des thermocouples 32 et 33 sont ajustés respectivement dans la conduite 9 de sortie du sodium et dans la conduite 26 d'entrée 25 du sodium de l'extrémité supérieure 2 du récipient 1. Un thermocouple 34 est orienté radialement à travers la paroi du récipient 1 dans la région de l'extrémité supérieure du conduit 16. Un autre thermocouple 35 est orienté radialement à travers la paroi du -récipient 1 dans la région de l'extrémité inférieure du conduit 16. 30 Pendant l'utilisation du piège froid décrit ci-dessus, le • sodium chaud, par exemple à 350°G, passe dans le récipient 1 par la conduite d'entrée 26 à l'extrémité supérieure du récipient 1. Le sodium chaud descend par le passage annulaire 6 qui est défini entre le conduit 5 et la partie supérieure du récipient 1. Le so-35 dium continue à descendre à partir du passage annulaire 6 dans le passage annulaire inférieur 22 délimité par le conduit 16 et la partie inférieure du récipient 1 « La disposition est telle que lorsque le sodium entre dans la région de l'extrémité supérieure du passage annulaire 22, sa température, qui est déterminée par le 70 45685 5 2070919 thermocouple 34, a été abaissée, par exemple à 170°C, ce qui est légèrement supérieur à la température de saturation en impurexés à laquelle les impuretés solides comme l'oxyde de sodium précipitent et se séparent de la phase sodium* 5 Un refroiiissement supplémentaire du sodium à mesure qu'il descend le loxig du passage annulaire inférieur 27 est effectué par circulation d'air forcée dans la chemise 28 entourant l'extrémité inférieure du récipient 1. L'air passe dans la chemise 28 par la conduite d'entrée inférieure 29 et est évacué par la 10 conduite de sortie radiale 30. La vitesse de circulation de l'air dans la chemise 28 est réglée de façon que lorsque le sodium atteint l'extrémité inférieure du passage annulaire 22, sa température soit ramenée par exemple à 150°C, ce qui est légèrement inférieur à la température de saturation en impuretés à laquelle 15 les impuretés précipitent et se séparent de la phase sodium. Ainsi, il n'existe qu'un faible gradient de température dans le sodium le long du passage 22. En conséquence, bien que la gamme de températures dans laquelle les impuretés solides précipitent et se séparent de la phase sodium soit limitée, le sodium est à une 20 température comprise dans cette gamme sur la majeure partie de la longueur du passage 22. Cette caractéristique du piège froid de l'invention offre deux avantages par rapport aux formes de réalisation antérieures. Dans les pièges froids antérieurs, le sodium est refroidi 25 uniformément de la température d'entrée à une température inférieure à la température de saturation à laquelle les impuretés solides précipitent et se séparent de la phase sodium. Ainsi, il existe un gradient de température plus important le long du trajet d'écoulement du sodium aux environs de l'endroit où la tempé-30 rature de sodium est ramenée à la température de saturation en impureté5.Etant donné que la précipitation des impuretés solides à partir du sodium ne se produit que dans une gamme limitée de températures inférieures à la température de saturation en impure té s,cela signifie que cette précipitation ne se produit que dans 35 une région localisée du trajet d'écoulement du sodium. La précipitation des impuretés solides à partir du sodium se produit, dans un sens, par dépôt du précipité sur les parois du passage dans lequel coule le sodium pendant qu'il est refroidi. Etant donné que dans les pièges froids antérieurs, la précipitation 70 45685 6 2070919 ne se produit que dans une région localisée du trajet d'écoulement, il se forme une accumulation localisée des précipités sur les parois du passage, ce qui conduit à un colmatage rapide du passage par les précipités déposés» 5 Dans la forme de réalisation d'un piège froid selon la pré sente invention, une certaine précipitation des impuretés solides à partir'du sodium est susceptible de se produire par dépôt sur les surfaces du passage 22, c'est-à-dire sur la paroi interne du récipient 1 et sur la paroi externe 18 du conduit 16. Etant donné 10 que le sodium est maintenu sur la majeure partie de la longueur du passage 22 à une température comprise dans la gamme dans laquelle il se produit une précipitation des impuretés solides, la précipitation par ce mécanisme s'étale sur la majeure .partie de la longueur du passage 22, ce qui réduit la tendance au colmata-15 ge du passage 22 par dépôt des impuretés solides sur sa surface. Selon un autre mécanisme, la précipitation des impuretés solides se produit par formation de petites particules dans la masse du sodium. Dans les pièges froids antérieurs, du fait que la précipitation ne se produit que dans une régior^iocalisée du trajet d'é-20 coulement du sodium, cela impose une limitation physique à la vitesse de précipitation des impuretés solides à partir du sodium par ce mécanisme. Dans le piège froid selon la présente invention, étant donné que la précipitation se produit sur la majeure partie de la longueur du .passage 22, la précipitation peut se produire 25 dans un plus grand volume de sodium par formation de particules solides dans la masse du sodium et, par conséquent, la vitesse de précipitation des impuretés peut être accrue par ce mécanisme. Les particules solides d'impuretés qui précipitent dans la masse du sodium se rassemblent principalement sous forme d'un dé-30 pôt dans l'extrémité inférieure 3 du récipient 1 et le débit du sodium dans le récipient 1 est limité pour que ce dépôt puisse se produire» La matière déposée est enlevée périodiquement de l'extrémité inférieure 3 du récipient 1 par la conduite de sortie 27. Le sodium monte à partir de l'extrémité inférieure du réci-35 pient 1 en passant à l'intérieur du conduit 16. Le panier filtrant 23 sépare par filtration toutes les particules précipitées qui sont entraînées à partir du fond du récipient 1 par lé sodium montant dans le conduit 16. Etant donné que le conduit 16 est à double paroi, il est de nature calorifuge et 70 45685 7 2070919 la température du sodium, en montant à l'intérieur du conduit 16, n'augmente que dans une faible mesure, par exemple de 150°C au fond du récipient à l'endroit où il entre dans le conduit à une température de 160°C à l'extrémité supérieure de ce dernier,où 5 le sodium entre dans l'extrémité inférieure du passage annulaire 13 qui est délimitée par la chicane 10 et le conduit 5. la chaleur est transmise à travers la paroi du conduit 5 du sodium chaud descendant dans le passage annulaire 6 au sodium froid montant dans le passage annulaire 13. Ainsi, le sodium est refroidi 10 en descendant dans le conduit 6,de sa température d'entrée, par exemple de 350°C,à la température nécessaire, par exemple de 170°C à l'endroit où il entre dans l'extrémité supérieure du passage inférieur 22. Finalement, le sodium montant dans le passage 13 sort du conduit 5 par la conduite 8 et la conduite de sortie 9 traver-15 sant l'extrémité supérieure 2 du récipient 1. En sortant par la conduite 9, le sodium est à une température de 330°C, par exemple. l'extrémité inférieure 3 du récipient 1 peut être sous une forme démontable de capacité choisie dans une gamme correspondant à la capacité du circuit* Une extrémité inférieure 3 de dimension 20 convenable est choisie de manière à assurer un débit réduit pour que les particules insolubles puissent précipiter, l'extrémité inférieure 3 du récipient 1 peut également comporter un dispositif magnétique pour attirer et retenir les matières solides sensibles à l'attraction magnétique. 25 Naturellement, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite et représentée et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. 70 45685 a 2070919 REVENDICATIONS 1. Piège froid destiné à purifier un métal liquide, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif pour diriger l'écoulement du métal liquide le long d'un premier trajet et pour le re-5 tour le long d'un second trajet, les premier et second trajets d'écoulement étant séparés par un barrage formant une limite commune entre les deux trajets d'écoulement, un dispositif externe de refroidissement étant prévu pour refroidir le métal liquide passant sur la dernière partie du premier trajet, le barrage étant de na-10 ture calorifuge, sur sa longueur séparant cette dernière partie du premier trajet et la première partie du second trajet et le barrage étant conducteur de la chaleur sur sa longueur séparant- la première partie du premier trajet et la dernière partie du second trajet. 15 2„ Piège froid, caractérisé en ce qu'il comporte un réci pient, un conduit cylindrique disposé concentriquement dans ledit récipient de manière à" définir un espace annulaire entre le conduit et la paroi interne du récipient, un dispositif pour introduire un métal fondu dans le récipient, un dispositif dirigeant 20 l'écoulement- du métal liquide sur un premier trajet le long de l'espace annulaire délimité par le conduit et la paroi interne du récipient, puis sur un second trajet passant dans le conduit, une partie de ce dernier à partir de l'extrémité d'entrée du métal dans le récipient étant conductrice de la chaleur, la longueur 25 restante du conduit vers l'autre extrémité du récipient étant de nature calorifuge, et un dispositif étant prévu pour refroidir extérieurement le récipient au moins dans la région correspondant à la longueur du conduit qui est de nature calorifuge. 3. Piège froid selon la revendication 2, caractérisé en ce 30 que la longueur du conduit qui est de nature calorifuge est d'une construction à double paroi comprenant des parois interne et externe définissant entre elles un espace mi s sous vide ou rempli d'un gaz.