Brevet FR2080838A1 — publié le 19711126

La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur à plaques adapté à un fonctionnement sous pression élevée, supérieure à 50 bars. Les échangeurs à plaques sont constitués par un empilement de feuillets d'échange alternativement traversés par un fluide chauffant et un fluide chauffé.Chaque feuillet d'échange est constitué de deux plaques, généralement planes et parallèles, de séparation avec les feuillets adjacents, entre lesquelles est interposée une t81e qui prend alternativement appui sur une plaque et sur l'autre (tale qui sera par la suite dénommée tôle ondulée"). L'ensemble des feuillets constituant la partie active de ltéchangeur est assemblé par un procédé de solidarisation définitive, en général par brasage mais quelquefois par collage ou soudure. Les échangeurs de chaleur à plaques sont très utilisés pour réaliser des échanges thermiques entre des fluides sous faible pression. Ils présentent en effet dans ces cas de nombreux avantages : en particulier, ils permettent de fractionner la circulation de chacun des fluides dans un grand nombre de conduits de faible rayon hydraulique. On arrive ainsi à des échangeurs d'encombrement faible pour des puissances transférées élevées. Si les échangeurs de chaleur à plaques se prêtent très bien à l'échange thermique entre fluides à basse pression, on rencontre des difficultés dès que l'un des fluides est à une pression non négligeable : c'est par exemple le cas des échangeurs de chaleur à plaques destinés aux turbines à gaz : les gaz de combustion, à une pression peu supérieure à la pression atmosphérique, doivent réchauffer de l'air comprimé à plusieurs bars. Il est alors nécessaire que les jonctions au niveau de l'entrée et de la sortie de gaz sous pression soient étanches, en particulier vers l'atmosphère. La société demanderesse a résolu le problème de la jonction entre ltéchangeur et l'ensemble du circuit haute pression grace à des dispositions qui ont fait l'objet des brevets français nO 1 516 735 du 22 Janvier 1966 et 1 541 655 du 9 Février 1967. Mais ces dispositions, si elles permettent d'augmenter le domaine d'utilisation des échangeurs à plaques tout en leur gardant leur caractère de compacité, ne résolvent pas un problème qui apparat lorsqu'on atteint des pressions élevées (supérieures à 50 bars) pour le fluide à plus haute pression.En effet, ces solutions antérieures conduisent à admettre dans un feuillet sur deux de l'échangeur un fluide à haute pression par rapport à l'atmosphère qui baigne la partie active. Dans ces conditions, les jonctions entre les plaques constitutives des feuillets sont soumises à des efforts de traction. Or, ces jonctions sont assurées par des moyens mal adaptés pour les supporter (brasures, soudures ou collage). En particulier les brasures et soudures tiennent mal en fluage en traction à température élevée. Même si l'on prévoit des moyens supplémentaires destinés à éviter une rupture, la mauvase adaptation de ces moyens au travail en traction peut provoquer des fuites ayant des conséquences graves. La présente invention vise à fournir in échangeur de chaleur à plaques répondant mieux que ceux antérieurement proposés aux exigences de la pratique pour un fonctionnement avec des fluides dont l'un au moins est sous une pression supérieure à 50 bars. Dans ce but l'inven.tion propose un échangeur de chaleur à plaques comprenant une partie active constituée par un empilement de feuillets en plaques brasée-s ou soudées et parcourus les uns par un fluide à haute pression, les autres par un fluide à pression plus faible, caractérisé en ce que ladite partie active est disposée dans une cuve occupée par le fluide à haute pression et porte des cheminées de répartition du fluide à basse pression dans les feuillets correspondants, reliées de façon étanche à une entrée et une sortie de fluide à basse pression dont est munie la cuve, la cuve portant également des conduites d'entrée et de sortie du fluide à haute pression reliées de façon sensiblement étanche aux feuillets -haute pression de la partie active. Dans un mode de mise en oeuvre préféré, bien que non exclusif,de l'invention, la partie active se présente sous forme d'un parallélépipède vertical prolongé par des cheminées d'entrée et de sortie du fluide ç basse pression, la cheminée placée à la partie inférieure transmettant le poids de la partie active à la cuve tandis que la cheminée placée à la partie supérieure présente une liaison étanche coulissante avec la con duite correspondante de la cuve. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit diun échangeur constituant un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif .La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels - la fig. 1 montre l'échangeur schématiquement, en coupe suivant un plan vertical passant par son axe ; - la fig. 2 est une vue de dessous de la cheminée supérieure de la partie active - la fig.3 est une vue de détail de la partie entourée par le cercle III indiqué en traits mixtes sur la fig. 1. L'échangeur de chaleur représenté en fig. 1 est destiné au réchauffage d'un gaz à haute pression (par exemple anhydride carbonique à une pression de llordre de 150 bars) par un gaz à pression plus faible (par exemple hélium à une pression de l'ordre de 35 bars). Cet échangeur comporte une partie active A placée dans une cuve B et des éléments de jonction qui seront successivement décrits. La partie active A est constituée par un empilement de feuillets et affecte une forme générale prismatique droite à section carrée. Les feuillets basse pression sont prévus pour que le gaz circule verticalement d'une extrémité à l'autre de la partie active et sont donc encadrés latéralement par des parois tout le long de l'échangeur. Les feuillets haute pression au contraire comportent des tôles ondulées placées de façon à guider le gaz suivant une circulation verticale sur la majeure partie de la longueur de la partie active et une circulation croisée dans les parties terminales de façon à permettre entrée et la sortie du gaz à haute pression aux extrémités opposées de deux faces latérales placées face à face. Ces feuillets sont donc délimités suivant leur grande dimension par des parois qui ne laissent subsister qu'une ouverture d'entrée et une ouverture de sortie dans deux parois latérales et à des extrémités opposées. Il faut remarquer que l'effilement de la partie active représentée est suffisant pour que la zone à courants croisés ( à rendement médiocre) ne représente qu'unie fraction faible de la hauteur totale. Or, cet effilement est par ailleurs rendu nécessaire pour les puissances élevées par la limitation qulim- posent les fours de brasage aux dimensions transversales. La cuve B se compose d'une paroi latérale 10 cylindrique à laquelle est fixée, par soudage par exemple, un dôme inférieur 12 muni d'un siÈge 14 sur lequel vient reposer la partie active, comme on le verra plus loin. Le siège 14 est prévu autour d'une conduite verticale 15 d'entrée du gaz à basse pression. A sa partie supérieure la paroi cylindrique 10 présente une bride 16 de raccordement avec un dôme amovible 20. A ce dôme est fixez une conduite 15 de sortie du gaz à basse pression. Il comporte également un embout interne 22, coaxial au siège prévu sur le dôme inférieur. Le dôme amovible est par exemple fixé à la paroi cylindrique par goujons 24 et écrous 26. La paroi latérale de la cuve comporte également une conduite 28 d'arrivée et une conduite 30 de départ de gaz à haute pression. Les ouvertures 32 et 34 des parois délimitant les feuillets haute pression viennent se placer face à ces conduites lorsque la partie active est en place. Les jonctions entre la partie active A et les conduites 15 et 18 de gaz à basse pression doivent évidemment être étanches de façon à éviter les fuites. Dans ce but la partie active est munie d'une cheminée inférieure 36 munie dlentretoises, présentant une partie 38 à section carrée de taxation à la partie active et une partie de raccordement de forme générale tronconique. La partie de raccordement comporte un rebord plat 40 muni d'une nervure circulaire 42 qui vient écraser le joint encastré dans une gorge prévue à cet effet dans le siège 14 ménagé sur le dôme inférieur. Un diffuseur 44 placé dans la cheminée 36 assure la répartition du gaz à basse pression qui arrive par la conduite dans l'ensemble des feuillets basse pression. De même l'extrémité supérieure de la partie active A porte une cheminée 46 (fig. 1 et 2).Cette cheminée, munie de manilles de manutention 48, présente une forme générale similaire à celle de la cheminée inférieure 36 et comporte également un diffuseur divergent 49, mais elle se termine par un prolongement cylindrique 50 muni d'un joint torique d'étanchéité qui s'engage à frottement doux dans l'embout interne 22 du dôme supérieur 20. La cheminée représentée en fig. 2 est munie d'entretoises de renforcement 51. L'ensemble de la partie active A se trouve ainsi supporté et centré dans la cuve. De plus, on voit que le diamètre de l'alésage dans lequel coulisse le prolongement cylindrique 50 est inférieur au diamètre dela nervure 42 d'étanchéité : dans ces conditions la poussée axiale exercée par la haute pression qui règne dans la cuve B appuie la partie actif A sur le joint encastré dans le siège 14. Entre la conduite d'entrée 28 et la conduite de sortie 30 du gaz à haute pression d'une part, les feuillets haute pression diantre part, sont placés des diffuseurs de répartition, présentant une disposition similaire à celle des diffuseurs de gaz à basse pression. Mais ces diffuseurs 52 se terminent à proximité immédiate des parois des feuillets et laissent donc subsister des fuites vers ltespace compris entre la partie active A et la cuve B. Pour éviter un court-circuit des feuillets haute pression par cet espace annulaire entre les conduites d'entrée et de sortie, il est prévu une obturation souple de manière à autoriser les dilatations et contractions longitudinales de la partie active A. Cette étanchéité (fig. 3) est assurée par un ensemble qui comprend une plaque 54 fixée de façon étanche à la paroi latérale de la partie active A, par exemple par soudage ou brasage, d'un rebord 56 fixé à la cuve B au meme niveau, et une membrane 58 métallique ou en élastomère fixée par des moyens démontables et étanches à la plaque et au rebord.Ces moyens sont constitués par exemple par des boulons qui appliquent des couvrejoints 60 sur les bords de la membrane. On voit que lléchangeur suivant l'invention pallie entièrement les problèmes posés dans les dispositifs antérieurs parla présence d'un gaz à haute pression. En effet , les jonctions des feuillets haute pression ne travaillent pas, puisque la pression qui règne dans les feuillets est égale à celle qui s'exerce dans l'enceinte où ils se trouvent placés et les jonctions n'ont plus qu'un rôle de pont thermique. Quant aux feuillets basse pression,ils sont soumis à une pression différentielle qui applique les plaques contre la tôle ondulée et met les jonctions (brasures en général) en compression, ce qui non seulement conduit à des contraintes que ces jonctions sont aptes à supports ter, mais encore tend à éviter les fuites. Quant aux contrain tes de cisaillement, elles restent toujours faibles. Dans le mode particulier de réalisation qui vient d'être décrit, l'ensemble de la partie active A pèse sur le joint encastré; cette action s'ajoute à celle de la pression pour s'opposer aux fuites et, de plus, évite des battements lors de la mise sous haute pression au démarrage de l'installa- tion. Par ailleurs, l'échangeur de chaleur, suivant l'inven- tion, se prête facilement à une disposition qui permet le rem placement rapide de la partie active. Dans le cas du mode de réalisation représenté sur les figures, on enlève le dôme supé rieur 20 et le tronçon de conduite 18 dont il est solidaire. Pour faciliter la manutention du dôme 20, celui-ci est muni d'oreilles 62 de fixation de crochets. Une fois le dôme enlevé, on démonte les boulons de fixation de la membrane 58 et on sou lève la partie active en utilisant les manilles de manutention 48. Entre autres applications des échangeurs suivant 11 invention, on peut notamment citer la récupération de chaleur du réfrigérant primaire dans le circuit haute pression, haute température des réacteurs à refroidissement par gaz et notamment des réacteurs couramment dénommés HT6R (high tempera ture gas-cooled reactor).Dans ce cas, la cuve peut être consti tuée par le caisson même du réacteur : la disposition obtenue est alors celle à échangeur de chaleur intégré. L'invention est évidemment susceptible de nombreuses variantes de mise en oeuvre : en particulier, la partie active peut utiliser une circulation à courants croisés à plusieurs passes ou, plus généralement, toute disposition assurant la séparation des fluides aux extrémités. Les cheminées peuvent présenter des formes très diverses ainsi que les diffuseurs quelles contiennent et qui ne sont d'ailleurs pas indispensa bles. La membrane d'étanchéité 58 peut être remplacée par un remplissage, par exemple en matériau calorifuge, constituant une sorte de joint labyrinthe dans ltespace annulaire. Il va sans dire que ces variantes , ainsi plus généralement que les variantes de tout ou partie des disposi tions décrites restant dans le domaine des équivalences mécani ques, sont couvertes par le présent brevet. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à plaques comprenant une cuve présentant une paroi latérale cylindrique à axe vertical et une partie active constituée par un empilement de feuillets en plaques brasées ou soudées et parcourus les uns par un premier fluide qui occupe la cuve et les autres par un second fluide, ladite partie active reposant de façon étanche sur le fond de la cuve autour d'une entrée (ou d'une sortie) du second fluide dans les feuillets correspondant et présentant une partie supérieure qui coulisse dans la sortie (ou l'entrée) du second fluide, caractérisé en ce que le premier fluide est à la pression la plus haute, en ce que ladite cuve comporte un dôme supérieur enlevable muni de moyens de raccordement au circuit du second fluide et dans lequel coulisse de façon étanche ladite partie supérieure c- -n c que la partie active repose simplement sur le fond et présente une section droite qui s'inscrit dans celle de ltouverture de la cuve fermée par le d8me de façon que la partie active soit extractitle verticalement après enlèvement du dôme supérieur. 2. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la partie active se présente sojs forme d'un parallélépipède vertical prolongé par des cheminées d'entrée et de sortie du fluide à basse pression, la cheminée placée à la partie inférieure transmettant le poids de la partie active à la cuve tandis que la cheminée placée à la partie supérieure présente une liaison étanche coulissante avec la conduite correspondante de la cuve. 3. Echangeur de chaleur suivant revendication 2, caractérisé en ce que les conduites d'entrée et de sortie de fluide haute pression traversent la paroi latérale de la cuve et se prolongent par des diftuseurs qui se terminent a proximité de la paroi latérale de la partie active aux extrémités de celle-ci, face à des ouvertures des feuillets correspondants. 4. Echangeur de chaleur suivant revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la cuve comprend une paroi latérale cylindrique d'axe vertical fermée par deux dômes munis l'un de la conduite d'entrée et l'autre de la conduite de sortie de fluide osasse pression. 5. Echangeur de chaleur suivant revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par des moyens déformables reliant la partie active de l'échangeur à la paroi de la cuve pour éviter le passage du fluide haute pression de l'entrée vers la sortie en court-circuitant la partie active. 6. Echangeur de chaleur suivant revendication 5, caractérisé en ce que les moyens flexibles comprennent une membrane fixée d'une part à la paroi de la cuve et d'autre part à une plaque portée par la partie active par des organes démontables, tels que des boulons. 7. Echangeur de chaleur suivant revendication 1 ou 2, caractérisé.en ce que la cuve est constituée par le caisson de résistance à la pression d'un réacteur nucléaire dont le fluide à haute pression constitue le réfrigérant. 8. Application de l'échangeur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, à la récupération de chaleur du réfrigérant primaire d'un réacteur nucléaire.