Brevet FR2085800A1 — publié le 19711231

La présente invention concerne des échangeurs de chaleur et plus spécialement un échangeur de chaleur du type dans lequel un faisceau de tubes est disposé dans une enveloppe, un fluide d'échange de chaleur passant dans l'enveloppe sur la surface externe 5 des tubes et un autre fluide de chaleur s'écoulant à l'intérieur des tubes. Ces échangeurs de chaleur sont généralement désignés comme étant du type à "tubes dans une calandre". Dans un échangeur de chaleur du type à "tubes dans une calandre", des tubes droits 10 sont disposés longitudinalement et parallèlement entre des plaques tubulaires situées aux extrémités de la calandre, les extrémités des tubes étant soudées pour être reliées à des ouvertures ménagées dans les plaques tubulaires. Dans un autre échangeur de chaleur du type à "tubes dans une 15 calandre", des tubes en forme d' "épingle à cheveux" sont disposés dans la calandre par rangées s'étendant à partir d'une seule plaque tubulaire située à une extrémité de la calandre, les extrémités des tubes étant soudées pour être reliées à des ouvertures ménagées dans la plaque tubulaire. 20 La présente invention concerne un problème qui peut se poser pendant l'utilisation d'un tel échangeur de chaleur comme générateur de vapeur d'eau, par exemple, dans un réacteur nucléaire utilisant un métal liquide tel que le sodium comme agent de refroidissement. Dans une telle application, le sodium chauffé passe 25 dans la calandre de 1'échangeur de chaleur et l'eau passe à l'intérieur des tubes pour engendrer de la vapeur par échange de chaleur avec le sodium chaud. S'il se produit une fuite dans l'un des tubes de 1'échangeur de chaleur, l'eau ou la vapeur d'eau à haute pression s'échappant par la fissure réagit avec le sodium pour 30 former un jet hautement érosif qui peut découper très rapidement un tube adjacent, en provoquant d'autres réactions et l'extension du dommage à un certain nombre de tubes situés au voisinage de la fuite initiale. Bien que l'on puisse prévoir des moyens pour détecter un tube défectueux de manière à pouvoir interrompre l'ad-mission de l'eau dans l'échangeur de chaleur, cela prend du temps et un endommageaient important de l'échangeur de chaleur peut encore se produire. coï* 71 11604 2085800 Selon l'invention, on prévoit dans un échangeur de chaleur du type à "tubes dans une calandre" un élément de couverture entre les tubes adjacents à des endroits où il peut se produire éventuellement une fuite dans les tubes, de façon que s'il se produit 5 une fuite dans l'un des tubes à- un tel endroit, avec formation d'un jet érosif à partir de la fissure par réaction du fluide d'échange de chaleur sortant par la fissure avec le fluide d'échange de chaleur entourant les tubes, le jet heurte ledit élément de couverture de manière à protéger les tubes situés près du 10 tube fissuré d'une attaque directe du jet. Les endroits où il peut se produire éventuellement des fuites dans les tubes d'uji échangeur de chaleur du type à "tubes dans une calandre" se situent près des soudures entre les extrémités des tubes et les plaques tubulaires et aux coudes des tubes en 15 forme d' "épingle à cheveux" où la paroi est amincie pendant le cintrage des tubes. Il est également courant de prévoir des grilles transversales de support dans la calandre d'un tel échangeur de chaleur qui supportent latéralement les tubes pour les empêcher de vibrer et pour maintenir également leur écartement, car sinon 20 l'écoulement du fluide d'échange de chaleur entre les tubes pourrait être entravé et des points chauds pourraient se développer si les tubes étaient déformés latéralement d'une manière suffisante pour s'approcher les uns des autres ou se toucher. Les points de frottement de ces grilles de support avec les tubes constituent 25 également des points de fuite éventuels dans les tubes. Les éléments de couverture des soudures entre les extrémités des tubes et une plaque tubulaire peuvent comporter une plaque de couverture ou des segments de plaque fixés à la face de la plaque tubulaire et présentant des trous laissant un jeu autour des tubes 30 et des soudures entre les extrémités de ces derniers et la plaque tubulaire. Les éléments de couverture des tubes aux endroits où ils sont en contact avec une grille transversale de support des tubes peuvent comporter une plaque de couverture ou des segments de plaque 35 analogues disposés de part et d'autre de la grille de support et présentant des trous entourant les tubes avec jeu près des points de contact entre les tubes et la grille de support. 71 11604 3 2085800 Les dispositifs de couverture destinés aux coudes des tubes peuvent comporter un mince manchon tubulaire s'ajustant avec jeu autour du coude de chacun des tubes. En variante, les éléments de couverture' des coudes des tubes 5 d'échangeur de chaleur du type en forme d* "épingle à cheveux" peuvent comporter une structure de couverture cellulaire en matière en feuille, le coude de chaque tube en "épingle à cheveux" de 1'échangeur de chaleur se trouvant dans une cellule de la structure de couverture. 10 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention res- sortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, des formes de réalisation de l'invention. Sur ces dessins : 15 La figure 1 est une coupe transversale d'une partie d'une plaque tubulaire et des tubes complémentaires d'un échangeur de chaleur du type à "tubes dans une calandre". La figure 2 représente un détail d'un certain nombre de tubes d'échange de chaleur et d'une grille transversale de support de ces 20 derniers dans un échangeur de chaleur du type à "tubes dans une calandre", la grille de support étant représentée en coupe transversale . La figure 3 représente un détail montrant un élément de couverture appliqué aux coudes d'une rangée de tubes d'échange de cha-25 leur du type en "épingle à cheveux". La figure 4 montre un détail représentant une variante de l'élément de couverture représenté sur la figure 3 ; et La figure 5 est une coupe transversale suivant la ligne V-V de la figure 4. 30 Dans la disposition de la figure 1, il est représenté une partie d'une plaque tubulaire 1 d'un échangeur de chaleur du type à "tubes dans une calandre". La plaque tubulaire 1 présente des ouvertures 2 et des tubes 3 d'échange de chaleur sont reliés à la plaque tubulaire 1 par des soudures 4 pour communiquer avec les 35 ouvertures 2. Une plaque de couverture 5 est ajustée contre la face inférieure de la plaque tubulaire 1. La plaque de couverture 5 présente des trous 6. qui s'ajustent autour des tubes 3 avec jeu. La plaque 5 peut être fixée d'une seule pièce à la face inférieure de la plaque tubulaire 1, ou elle peut être sous la forme d'un 71 11604 4 2085800 certain nombre de segments. En utilisant 1'échangeur de chaleur comme générateur de vapeur, par exemple en faisant passer du sodium chauffé dans la calandre de 1'échangeur de chaleur sur la surface externe des tubes 5 3 et en faisant passer de l'eau-à l'intérieur des tubes 3 pour engendrer de la vapeur d'eau par échange de chaleur avec le sodium chaud, il peut se produire une fuite dans l'une des soudures 4 reliant les extrémités des tubes 3 à la plaque tubulaire 1. L'eau ou la vapeur d'eau s'échappant à haute pression par la fissure réagit 10 avec le sodium pour former un jet érosif. En l'absence de la plaque de couverture 5, le jet heurterait un tube adjacent 3 et le percerait rapidement. Le percement du tube touché 3 se traduirait par la formation d'un autre jet érosif qui atteindrait encore un autre tube 3, et ainsi de suite, ce qui se traduirait par un en-15 dommagement important d'un certain nombre de tubes 3 dans la région du tube initialement défectueux. Toutefois, dans la disposition représentée sur la figure 1, s'il devait se produire une fuite dans l'une des soudures 4 reliant les tubes 3 à la plaque tubulaire 1, le jet érosif résultant atteindrait la plaque 5 et il fau-20 drait que la plaque 5 soit érodée avant que les tubes adjacents 3 soient attaqués. Cela donne suffisamment de temps pour détecter la fuite et interrompre 1'admission de l'eau dans 1'échangeur de chaleur avant que les autres tubes 3 situés dans la région de la fuite soient endommagés. Pour obtenir une protection maximale, la 25 plaque 5 peut être en un matériau résistant à la corrosion comme celui connu sous la marque déposée "Incoloy". La figure 2 représente une disposition dans laquelle les tubes 3 d'un échangeur de chaleur sont supportés par une grille transversale de support 7 à 1'encontre d'une vibration et d'un cintrage 30 dans le sens latéral. Les points de frottement entre les tubes 3 et la grille de support 7 sont des points où il peut se produire des fuites éventuelles. Des plaques de couverture 8, analogues à la plaque de couverture 5 de la disposition de la figure 1, sont ajustées des deux côtés de la plaque de support 7. Les plaques 8 35 présentent des trous 9, qu.i entourent les tubes 3 avec jeu. De nouveau, en utilisant 1'échangeur de chaleur comme générateur de vapeur, en faisant passer du sodium chauffé dans la calandre de 1'échangeur de chaleur, une fuite de l'un des tubes 3 au point de frottement avec la grille de support 7 peut se traduire par une 71 11604 5 2085800 réaction entre l'eau ou la vapeur d'eau à haute pression sortant par la fissure avec le sodium pour former un jet érosif dirigé vers un tube adjacent 3 de l'ensemble. Toutefois, le jet est arrêté par la plaque 8 qui est en regard de la fissure de manière à 5 empêcher que le tube adjacent 3 soit attaqué et par suite un endommageaient successif des autres tubes 3 situés dans la région du tube fissuré 3. La figure 3 représente deux tubes d'échange de chaleur 10 en forme d' "épingle à cheveux" faisant partie d'un faisceau de 10 tubes d'un échangeur de chaleur du type à "tubes dans une calandre". Un endroit où il peut se produire des fuites éventuelles dans de tels tubes 10 correspond aux coudes où la paroi du tube a subi un écrouissage ou un amincissement pendant l'opération de formage. En conséquence, un mince manchon de couverture externe 11 15 est ajusté autour du coude de chaque tube 10. Les manchons de couverture 11 entourent les coudes des tubes 10 avec jeu pour permettre l'accès d'un fluide d'échange de chaleur tel que le sodium entre les coudes des tubes 10 et la face interne des manchons 11. Chaque manchon 11 présente un trou inférieur de vidange 12. Les 20 manchons 11 peuvent être ajustés après le cintrage des tubes 10, en enroulant une mince matière en feuille autour des coudes des tubes 10 et en formant un joint à recouvrement dans lesdits manchons . S'il se produit une fuite dans le coude de l'un des tubes 25 10, avec formation d'un jet érosif de produits réactionnels à partir de la fissure, le manchon 11 entourant le tube 10 empêche le jet d'attaquer les tubes adjacents 10, qui sont eux-mêmes protégés par leurs propres manchons 11. Les figures 4 et 5 représentent une variante des manchons 30 de couverture 11 de la disposition de la figure 3. Dans la disposition représentée sur les figures 4 et 5, un organe de couverture 13 en forme de "boîte à oeufs" est réalisé en une matière en feuille mince pendant le montage des tubes 10 dans 1'échangeur de chaleur. Le coude de chacun des tubes 10 passe dans une cellule 14 35 de l'organe 13, de sorte que si un jet érosif s'échappe d'une fissure formée dans le coude d'un tube 10, les parois de la cellule particulière 14 entourant le coude du tube fissuré 10 l'empêchent d'atteindre les tubes adjacents 10. 71 11604 2085800 Dans la disposition des figures 4 et 5, l'organe de couverture 13 peut également remplir utilement la fonction de redresseur d'écoulement pour le sodium, lorsque la trajectoire d'écoulement du sodium correspond à celle indiquée par les flèches 15 sur la 5 figure 4, c'est-à-dire vers le bas le long d'une branche des tubes 10, autour des coudes de ces derniers et vers le haut le long de l'autre branche des tubes 10. Il se produirait normalement un écoulement transversal et un mélange du sodium aux coudes des tubes 10 et par suite une augmentation locale de la transmission de 10 chaleur qui se traduirait éventuellement par un assèchement des coudes des tubes 10. On présume que l'organe 13 maintient l'écoulement latéral du sodium le long de la branche descendante de chaque tube 10 lorsque le sodium passe autour du coude du tube 10, en empêchant un écoulement transversal et en évitant une augmentation 15 du coefficient thermique local à un niveau correspondant à un assèchement. Cette fonction de l'organe de couverture'13 peut être favorisée par des âmes horizontales dudit organe qui ont une forme curviligne. épousant les coudes des tubes 10. Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux formes de 20 réalisation décrites et représentées et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. 71 11604 7 2085800 RET/ENDICATIOUS 1. Echangeur de chaleur du type à "tubes dans une calandre", caractérisé en ce qu'il est prévu un élément de couverture entre les tubes adjacents aux endroits où il peut se produire des fui- 5 tes éventuelles dans les tubes, de façon que s'il se produit une fuite dans l'un des tubes à un tel endroit, avec formation d'un jet érosif à partir de la fissure par réaction du fluide d'échange de chaleur provenant de la fissure avec le fluide d'échange de chaleur entourant les tubes, le jet heurte l'élément de couver- 10 ture en protégeant ainsi de l'attaque directe du jet les tubes situés près du tube fissuré. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les endroits où il peut se produire des fuites éventuelles dans les tubes sont les soudures entre les extrémi- 15 tés des tubes et les plaques tubulaires, les éléments de couverture des soudures entre les extrémités des tubes et la plaque tubulaire correspondante comportant une plaque de couverture fixée à la face de la plaque tubulaire et présentant des trous entourant avec jeu les tubes et les soudures entre les extrémités des 20 tubes et la plaque tubulaire. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la plaque de couverture est en plusieurs parties ou segments. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caracté- 25 risé en ce que les points de fuites éventuelles des tubes correspondent aux points de contact entre les grilles transversales de support et les tubes, les éléments de couverture des tubes à leurs points de contact avec chaque grille transversale de support comportant une plaque de couverture placée de part et d'autre de la 30 grille transversale de support et présentant des trous entourant avec jeu les tubes près des points de contact entre la grille de support et les tubes. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les plaques de couverture sont en plusieurs parties 35 ou segments. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les endroits où peuvent se produire des fuites éventuelles dans les tubes correspondent aux coudes de ces derniers, les éléments de couverture des coudes de chaque tube comportant un 71 11604 8 2085800 manchon tubulaire s'ajustant avec jeu autour de chaque coude. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les endroits où peuvent se produire éventuellement des fuites dans les tubes correspondent aux coudes des tubes, les éléments de couverture des coudes correspondants d'un groupe de tubes comportant un organe cellulaire en matière en feuille, le coude de chaque tube du groupe passant dans une cellule de l'organe.