Brevet FR2079232A1 — publié le 19711112

03SS0 -1- 2079232 Dans la réalisation de réacteurs nucléaires surgénérateurs à métal liquide, il est nécessaire de prévoir des appareils d'échange de chaleur efficaces et sûrs pour transférer de la chaleur du métal liquide primaire servant au refroidissement 5 du réacteur à un métal liquide secondaire approprié. Un type de métal liquide convenant à cette application est le sodium fondu. Parmi les difficultés que comportent la conception et la réalisation d'appareils appropriés d'échange de chaleur, il y 10 a celles qui sont liées aux fortes densités de chaleur et aux gradients thermiques élevés qui apparaissent dans différentes régions de l'échangeur de chaleur et aux vibrations engendrées par les métaux liquides à forte densité en écoulement. Les changements de direction du liquide en écoulement entraînent 15 fréquemment des variations de vitesse, ce qui fait que la structure de l'échangeur de chaleur est soumise à des tensions de nature critique. L'invention surmonte les difficultés mentionnées en prévoyant un échangeur de chaleur destiné à l'application décrite 20 dans lequel un métal liquide en écoulement est maintenu à une vitesse constante dans des régions où 1'on trouvait antérieurement que cela était très difficile à réaliser, et dans lequel on tient compte des différences de dilatation thermique entre les tubes et l'enveloppe extérieure qui supporte les plaques 25 de tubes, de façon plus efficace qu'antérieurement. Ainsi l'un des buts principaux de l'invention est de fournir un échangeur de chaleur perfectionné présentant de meilleures caractéristiques de dilatation thermique différentielle et des conditions améliorées d'écoulement du liquide. 30 D'autres buts et avantages de l'invention apparaîtront ci- après dans la description d'un mode d'exécution préférentiel de l'invention. Sur les dessins : - la figure 1 est une élévation en coupe d'un mode d'exécu-35 tion préférentiel de l'invention ; - la figure 2 est un plan d'un quadrant d'un faisceau de tubes. On considérera maintenant la figure 1 ; un échangeur 10 est 71 03550 -2- 2079232 formé d'une enveloppe extérieure 12 de.forme généralement cylindrique présentant un fond incurvé 14 muni.d'une sortie primaire 16, un col 18 die diamètre un peu réduit qui se dirige vers le haut en partant d'une bride 19 et une enveloppe inté-5 rieure 20 concentrique à l'enveloppe 12. Dans l'enveloppe 20 pénètre de haut en "bas un tube cylindrique ou tuyau central 22 ouvert au sommet pour jouer le rôle de l'entrée de liquide secondaire et se terminant par un ensemble directeur d'écoulement qui touche presque la plaque de tu-10 tes 24 de l'enveloppe 20. L'espacement entre l'extrémité inférieure de l'ensemble 22a et le fond de l'enveloppe 20 est assez grand pour tenir compte de la dilatation thermique de l'ensemble 22a. Des guides (non représentés) peuvent servir à maintenir le tuyau 22 en direction verticale. 15 L'enveloppe intérieure 20 est fermée dans le bas par une plaque inférieure incurvée de tubes 24 et en haut par une plaque supérieure incurvée annulaire de tubes 26, ces plaques de tubes étant décrites plus précisément ci-après. La bride annulaire 19 supporte l'enveloppe 20 et forme un espacement annu-20 laire au-dessus de la plaque de tubes 26 comme on l'a représenté. L'enveloppe extérieure 12 est munie d'une entrée primaire $2 qui s'ouvre dans 1'espacement situé au-dessus de la plaque supérieure de tubes 26 tandis qu'une sortie secondaire 34 25 s'ouvre dans le col 18 et communique avec l'espacement annulaire entourant le tuyau 22. Dans l'espacement annulaire entre le tuyau 22 et l'enveloppe 20 se trouve un faisceau de tubes 36 indiqué par un contour en trait mixte et qui, comme le montre la figure 2, 30 est formé de tubes dirigés verticalement 38, disposés en rangées circulaires uniformément espacées radialement. Toutefois, le pas circonférentiel des tubes 38 diminue à mesure que le rayon augmente dans un but indiqué plus loin. Le faisceau annulaire de tubes 36 se termine à l'extré-35 mité supérieure par une plaque supérieure de tubes 26 et à l'extrémité inférieure par une plaque inférieure de tufees 24. Ainsi, le liquide primaire qui entre par l'entrée primaire 32 remplit l'espacement situé au-dessus de la plaque de tubes 26, entre dans les tubes 38 à travers la plaque de tubes 26, des- 71 03550 -3- 2079232 cend à travers le faisceau 36 et sort de la plaque de tubes 24 pour arriver dans la cavité située en dessous de l'enveloppe intérieure 20 et quitte l'échangeur de chaleur 10 par la sortie primaire 16. Des flèches à une seule pointe indiquent cet 5 écoulement. L'ensemble directeur d'écoulement 22a situé à l'extrémité inférieure du tuyau 22 comprend plusieurs guides d'écoulement 42 dont la fonction sera décrite plus loin. Le faisceau de tubes 36 est supporté par plusieurs déflecteurs en chicane, 44, 10 en forme de toroïde. Chacun de ceux-ci porte sur toute la largeur du faisceau de tubes 36 de sorte que chaque tube est supporté à son intersection avec le déflecteur. Les déflecteurs 44 peuvent être formés d'anneaux festonnés soudés mécaniquement entre eux. Une boucle de dilatation, connue dans la technique, 15 est prévue dans la région désignée par la double flèche A, un support 46 étant situé au milieu de la boucle de dilatation. Du métal liquide secondaire entre dans l'échangeur de chaleur 10 par l'ouverture supérieure du tuyau central 22, s'écoule vers le bas à travers celui-ci et à 1'extrémité de sortie du 20 tuyau 22, s'étale dans l'espacement annulaire qui entoure le tuyau 22. Des aubes 42 dirigent régulièrement le métal liquide vers l'espacement annulaire extérieur sans causer de turbulence ni d'autres conditions locales défavorables d'écoulement. Le métal liquide remplit l'espacement annulaire et s'écoule vers 25 l'intérieur et vers l'extérieur, guidé par les déflecteurs 44, à travers les espacements entre les tubes 38, à mesure que le fluide se meut vers le haut comme l'indiquent les flèches à double pointe, quittant l'échangeur de chaleur par la sortie secondaire 34. 30 L'utilisation de plaques de tubes incurvées au lieu des plaques planes usuelles réduit l'épaisseur du métal de sorte que la construction est plus économique et que les tensions thermiques sont réduites au minimum. La structure de déflecteurs en toroïde dans laquelle les supports des tubes se trou-35 vent à leur intersection avec les déflecteurs réduit les risques de vibration nuisible des tubes et cause un écoulement transversal coarplet du sodium sur le faisceau de tubes en vue d'une plus grande efficacité thermique. 71 03550 2079232 La disposition particulière des tubes 38 en ce qui concerne l'espacement circonférentiel variable pour un rayon différent du faisceau de tubes mais un espacement radial uniforme entre les rangées maintient une vitesse constante d'écoulement 5 transversal entre les déflecteurs 44 et par suite un déséquilibre thermique minimal entre les tubes. D'autre part, une vitesse d'écoulement uniforme permet de prévoir la vibration des tubes qu'il faut prévenir. On voit donc que l'invention fournit un échangeur de cha-10 leur perfectionné à l'état liquide qui est particulièrement utile dans le cadre d'un système de réacteur surgénérateur à refroidissement par métal liquide. 71 03550 -5- 2079232 EEVENDICATIONS --»e 1.- Echangeur de chaleur à métal liquide caractérisé par le fait qu'il comprend : (a) des enveloppes formant un passage central entouré d'un passage annulaire et communiquant à une 5 extrémité avec celui-ci de manière à former un double passage pour xin premier métal liquide, (b) un faisceau de tubes disposé en anneau qui comporte de multiples tubes passant à travers le passage annulaire de manière à permettre un passage unique d'un deuxième métal liquide et (c) des déflecteurs servant à 10 supporter les tubes et à diriger le premier métal liquide en un mouvement à contre-courant à mesure que le premier métal liquide parcourt la longueur du passage annulaire. 2.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le faisceau de tubes présente, aux entrées du pas- 15 sage annulaire, des plaques incurvées de tubes qui supportent et bouchent les extrémités des tubes. 3.- Echangeur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que des aubes sont prévues à la sortie du passage central pour diriger le premier métal liquide vers l'entrée du 20 passage annulaire afin d'assurer des conditions régulières d'écoulement. 4.- Echangeur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les passages sont disposés verticalement et que le deuxième métal liquide est le métal liquide primaire qui ef- 25 fectue un seul passage de haut en bas à travers les plaques de tubes. 5.- Echangeur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le deuxième métal liquide est le métal secondaire qui descend à travers le passage central, arrive vers l'extérieur 30 dans le passage annulaire puis monte à travers ce dernier, les déflecteurs dirigeant radialement vers l'intérieur et vers 11 extérieur le long des tuyaux le métal en écoulement ascendant, au cours de l'écoulement.