Brevet FR2061516A1 — publié le 19710625

La présente invention concerne les échangeurs de chaleur en générai, et se rapporte plus particulièrement, bien que non exclusivement, à ceux d'entre eux qui nécessitent la mise en oeuvre d'un fluide coûteux ou dangereux dont il convient de réduire le volume au minimum. Les échangeurs visés dans la présente invention comportent de manière connue, la mise en circulation d'un fluide dans des tubes disposés à l'intérieur d'une chambre parcourue par l'autre fluide. Dans les dispositifs connus, cette chambre est formée d' une enveloppe cylindrique munie à une, ou à chacune de ses extrémités, d'un fond hémisphérique, elliptique ou analogue formant antichambre d'admission ou de sortie de l'un des deux fluides. Quand le fluide en question est celui qui circule dans le faisceau de tubes, il est prévu une plaque tubulaire entre l'antichambre et la chambre d'échangeur proprement dite, dans laquelle se situe le faisceau, auquel cas l'antichambre constitue en fait une bofte d'admission ou d'évacuation de ce fluide. La forme hémisphérique ou autre, généralement adaptée en bout de l'enveloppe, conduit à un volume important pour l'un des deux fluides en présence, volume qui n'a généralement pas d'influence sur la capacité de l'échangeur, étant donné que d'ordinaire, il n'y a pas de surfaces d'échange de chaleur dans les antichambres ou bottes d'admission et d'évacuation. Un tel volume grève les frais d'installation quand il s'agit d'un fluide cofteus tel que l'eau lourde, ou représente des risques supplémentaires, comme, par exemple, dans le cas du sodium. Pour éviter ces inconvénients, l'invention propose un échangeur de chaleur du type sus-visé, dont la chambre, comportant un faisceau de tubes entouré d'une enveloppe de révolution, se prolonge en direction axiale, à sa périphérie, pour former un espace annulaire servant à l'admission et/ou à la sortie d'un des deux fluides d'échange de chaleur. Selon les applications, l'espace annulaire ainsi réalisé communique, soit directement avec l'espace entourant les tubes, soit avec ceux-ci, par ltintermddiaire d'une plaque tubulaire. Dans les deux cas, cet espace annulaire formant, soit antichambre soit boîte d'admission ou d'évacuation, ne représente qu'une fraction du volume défini par le fond hémisphérique ou autre de type connu raccordé à l'enveloppe. Âvantageusement, l'espace annulaire est délimité par une sur face semi-torique, résultant de la division d'un tore par son plan équatorial, ce qui permet de réduire les contraintes dues aux pressions intérieures, et procure une sensible économie de matière première par rapport aux fonds hémisphériques ou autres. D'après un mode de réalisation de l'invention, la chambre d1 échangeur proprement dite est délimitée par deux enveloppes coa xiales cylindriques situées l'une dans l'autre et forme elle-m8me un espace annulaire dans lequel est situé le faisceau de tubes, ce qui a pour effet d'en éliminer l'espace mort central situé dans l'axe des chambres d'échangeur à enveloppe unique, et de diminuer encore la masse de fluide nécessaire, à capacité égale dt échange de chaleur. Les objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront par ailleurs de la description que l'on va en donner ci-après, portant sur divers modes de réalisation choisis à titre d'exemple et représentés aux dessins annexés. Sur ces dessins la figure 1 représente schématiquement en coupe axiale une partie d'échangeur de chaleur à antichambre annulaire la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1 la figure 3 représente schématiquement en coupe axiale une partie d'échangeur de chaleur avec botte annulaire dtaimission et d'évacuation, raccordée à un faisceau de tubes en U ; la figure 4 est une vue en coupe transversale suivant la ligne IV-IV de la figure 3 la figure 5 représente une variante en coupe axiale. Selon le mode de réalisation des figures 1,2, une chambre d' échangeur A est délimitée par une enveloppe de forme annulaire, composée de deux cylindres coaxiaux 1, 2 situés l'un dans l'autre, et de deux fonds obturants semi-toriques 3, 4. La chambre 1A renferme un faisceau de tubes 5 enroulés en hélice autour de l'axe du dispositif, et desservis par des collecteurs d'entrée et de sortie à plaque tubulaire 6 et 7. Le faisceau de tubes 5 est ainsi alimente en eau ordinaire à vaporiser, qui y circule de bas en haut, et est balayé de haut en bas par du sodium liquide caloporteur qui pénètre dans la chambre par l'admission 8 et s'en évacue par la sortie 9.Un puisard 10, formé au fond inférieur 4 de l' enveloppe sert de purge. Le dispositif ainsi décrit permet de réduire effectivement la masse de sodium en circulation, tout en autorisant le choix d' un grand diamètre extérieur d'échangeur et une répartition homogène des tubes de faisceau dans tout l'espace balayé par le fluide caloporteur. En outre, la forme torique des fonds S, 4 leur permet de mieux résister aux pressions internes, et procure une économie de matière première. Sur les figures 3 et 4, une enceinte 11, présentant dans son ensemble une forme cylindrique, est munie à sa base d'une plaque tubulaire 12 à laquelle se raccorde un faisceau de tubes en U 13, les deux branches de chaque tube étant situées de part et d'autre d'un plan axial vertical, dont la trace horizontale est désignée par 14. Une surface annulaire 15 de forme semi-torique est située sur la face inférieure de la plaque 12, et forme avec elle une boute collectrice divisée en deux parties égales par des cloisons 16 disposées dans le plan vertical 14. Les parties de gauche et de droite de cette botte sont munies respectivement d'une entrée 17 et d'une sortie 18 de fluide caloporteur, par exemple de l'eau lourde que l'on peut ainsi faire circuler à l'intérieur des tubes en U, dans le sens ascendant le long des branches situées à gauche du plan 14, et dans le sens descendant le long de celles situées à droite de ce plan. Ce fluide caloporteur sert à vaporiser de l'eau ordinaire fournie par l'admission 19 à l'espace délimité par une enveloppe 21 qui entoure le faisceau de tubes 13 et sert de doublage inté- rieur à l'enceinte Il ; l'espace annulaire entre l'enceinte 11 et l'enveloppe 21 sert au recyclage de l'eau dans la chambre d'échangeur. Sur la vue en plan de la plaque~tubulaire 12, on a indiqué, à gauche, les emplacements de tirants de support 20 et, à droite, les traces d'un réseau de distribution des branches descendantes du faisceau de tubes 13. On conçoit que la forme semi-torique du fond 15, adoptée au lieu de la forme hémisphérique connue, permet de réduire notablement la quantité d'eau lourde nécessaire aux échanges. Elle procure égalenent une économie de matière première, tant pour Iten veloppe 15 que pour la plaque tubulaire 12. Dans le mode de réalisation de la figure 5 qui constitue une variante de celui de la figure 3, le fond semi-torique 15 est remplacé par un fond composé d'un quart de tore 22 et d'une por tée plane 23 ; la boute collectrice est composée de deux compartiments annulaires 24, 25, situés à l'intérieur l'un de l'autre, et séparés par une cloison annulaire 26. Les entrée et sortie d' eau lourde 17, 18 desservent respectivement les compartiments 25 et 24. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, ceux-ci n'ayant-été donnés qu'à titre d'exemple. REVEEDICAlIONS 1-) Echangeur de chaleur comportant à l'intérieur d'une enveloppe de révolution une chambre renfermant un ensemble de sur faces d'échange de chaleur entre deux fluides, ladite chambre présentant, au moins à une de ses extrémités, un prolongement a xial localisé à sa périphérie, formant espace annulaire d'admis sion et/ou d'évacuation pour l'un des deux fluides. 2) Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, dans lequel l'espace annulaire forme une antichambre communiquant directement avec la chambre précitée. 3) Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, dans lequel l'ensemble précité est un faisceau de tubes qui communiquent avec l'espace annulaire par l'intermédiaire d'une plaque tubulaire, ledit espace formant boite tubulaire d'admission et/ou d'évacuation. 4) Echangeur de chaleur suivant la revendication 3, dans lequel la botte tubulaire est divisée par des cloisons radiales en un secteur d'admission et un secteur d'évacuation, desservant un faisceau de tubes en U. 5) Echangeur de chaleur suivant la revendication 3, dans lequel la boite tubulaire est divisée par une cloison annulaire en un compartiment d'admission et un compartiment d'évacuation, desservant un faisceau de tubes en U. 6) Echangeur de chaleur suivant une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la chambre est de forme annulaire délimitée par deux enveloppes cylindriques coaxiales, situées l une dans l'autre. 7) Echangeur de chaleur suivant une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'espace annulaire précité est délimité par une surface semi-toriques