Brevet FR2061513A1 — publié le 19710625

tes conditions thermo-dynamiques, hydrodynamiques, d'encombrement et de raccordement, qui sont les données de base de l'étude d'un échangeur, conduisent dans certains cas à réaliser un appareil constitué d'un nombre important de tubes droits, l'écoulement à 1' extérieur des tubes pouvant s'effectuer soit longitudinalement à ceux-ci, soit transversalement en disposant des chicanes. D'ordinaire les tubes droits sont collectés à l'aide de plaques tubulaires dont l'épaisseur est fonction du nombre de tubes à collecter, de la pression et de la température.On constate, que pour les échangeurs parcourus par des fluides dont les coefficients d'échanges sont très élevés (sodium par exemple) et devant fonctionner à des températures élevées (500 à 6000 par exemple), l'épaisseur des plaques tubulaires devient rapidement très importante (100 mm par exemple). Ces dispositions et l'épaisseur de ces plaques tubulaires présentent plusieurs inconvénients.En effet, les plaques tu,b-ulai- res épaisses représentent des masses métalliques importantes qu'il est souvent mal aisé de protéger efficacement contre les chocs thermiques.Par contre, les différences de débits, pratiquement inévitables, entre les différents tubes du faisceau tubulaire, conduisent à des différences de température not E gs entre ces tubes et peuvent engendrer, tant dans les tubes que/les plaques tubulaires, des contraintes dangereuses qu'il est mal aisé de maîtriser, et qui conduisent à une augmentation d'épaisseur de ces plaques. La nécessité de limiter cette épaisseur impose done une sévère limitation de la pression des circuits. La présente invention a pour objet d'éliminer ces inconvénients et propose, dans ce but, un échangeur de chaleur à faisceau de tubes droits parallèles aboutissant à, au rnoins, une paroi de collectage, caractérisé par le fait que ladite paroi est une surface de révolution non plane, lesdits tubes se raccordant à ladite paroi par des coudages terminaux. A épaisseur égale, la forme non plane de la surface de révolution augmente sa résistance aux pressions, et les coudages terminaux des tubes diminuent notablement les contraintes qu'ils imposent à la paroi tubulaire, ce qui permet d'utilissr des pressions de circuit plus élevées, avec des épaisseurs plus faibles pour les parois de collectage. Selon un mode de réalisation particulier, la paroi de collectage fait partie d'une enveloppe délimitant une chambre dans laquelle se situe le faisceau de tubes. Dans une application de ce mode de réalisation, l'enveloppe est immergée dans une cuve contenant le fluide mis en circulationdans le faisceau de tubes. Un avantage de cette disposition, par rapport à d'autres connues, à faisceau de tubes directement immergé dans cuve, est que les pièces d'entretoisement du faisceau, suscept de se détacher par accident, ne risquent pas de tomber dans ces ei, mais restent à l'intérieur de l'enveloppe. Un autre avantage de cette disposition est que le colectage - - tubes sur la paroi de l'enveloppe en rend les orifices immédiate ment accessibles et permet d'obturer facilement tout tube défet tueux. Convenablement, la paroi de collectage est une virole, cons-J = tuant par exemple une partie élargie d'une enveloppe cylindrique, ou un dôme formant le fond d'une telle enveloppe. Dans certaines applications, la paroi de collectage fait p@@@@@@ d'une boîte d'admission ou d'évacuation de fluide. Les objets, caractéristiques et avantages de l'invention resse-P tiront par ailleurs de la description que l'on va en donner ci-a- près, portant sur plusieurs modes de réalisation choisis à titre d'exemple et représentés aux dessins annexés. Sur ces dessins, dont les éléments équivalents portent les m^-;.^ numéros d'indice sur toutes les figures, le cas échéant avec le si- gne "prime" : la figure 1 représente un échangeur composé d'une enveloppe im- mergée dans un liquide et d'un faisceau de tubes intérieur à parois de collectage cylindriques la figure 2 représente une modification de cet échangeur, avec bottes d'admission et d'évacuation entourant les viroles de collec- tage la figure 3 représente une variante de la figure 1, à enveloppe immergée et parois de collectage en forme de dôme les figures 4 et 5 représentent deux modifications du mode r réalisation de la figure 3, avec boîtes d'admission et d'évacuatioi% et convenant aux installations à enveloppe non immergée Sur la figure 1, un faisceau de tubes d'échangeur, désigné par 1, est logé à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique 2 immergée par exemple dans du sodium, à l'intérieur d'une cuve, non représenteeO L'enveloppe 2 s'élargit vers ses deux extrémités haute et basse pour former respectivement deux viroles de collectage 3 et 4 Uj% quelles se raccordent les tubes 1 par des coudages terminaux 5. ::;T conduit montant 6, raccordé à la virole supérieure 3, prolonge l'enveloppe 2 vers le haut. Un conduit descendant 7 pénètre à l'intérieur de cette enveloppe, jusqu'au voisinage du fond 8 qui obture celle-ci à la partie inférieure. Une cloison horizontale 9, séparant le bain de sodium en deux parties haute et basse, est traversée par l'enveloppe 2, un joint d'étanchéité glissant 10 étant prévu sur le pourtour de celle-ci. Un dispositif de recyclage, non représenté, fait circuler le sodium de la partie supérieure du bain à la partie inférieure, à travers les tubes 1, et le renvoie à la partie supérieure après l'avoir fait traverser l'organe qu'il est chargé de refroidir (coeur de réacteur nucléaire par exemple) ou de réchauffer. Simultanément, un fluide secondaire, sodium ou autre, pénètre dans l'enveloppe 2 par le conduit descendant 7, et en ressort vers le haut par le conduit 6 après avoir balayé extérieurement le faisceau de tubes 1. Les viroles cylindriques 3, 4 sont bien adaptées, de par leur forme, à résister aux pressions différentielles entre les deux fluides en circulation. Elles sont donc notablement moins épaisses que des plaques tubulaires planes équivalentes, et moins sensibles de ce fait aux chocs tgermiques, lesquels sont particulièrement brutaux en cas d'arrêt d'une installation mettant en oeuvre des métaux liquides notamment. D'autre part, les coudages 5 des tubes 1 rendent ceux-ci plus souples et leur permettent d'absorber bien plus aisément que des tubes droits non coudés les différences de température et d'allon- gement dues à des anomalies de répartition de debits entre tubes ou de coefficients d'échange locaux. En outre, les embouchures des tubes 1 sont immédiatement accessibles, ce qui rend très facile l'obturation d'un tube, en cas de fuite. Comme autre avantage, les pièces d'entretolsement, non représenté tées, des tubes de faisceau, susceptibles de se détacher, ne risquent pas pour autant de tomber dans la cuve, et restent à ltinté- rieur de l'enveloppe, ce qui n'est pas le cas dans les dispositifs connus à immersion directe de tubes dans le liquide de la cuve Dans le dispositif de la figure 2, les viroles de collectage 39 4, sont entourées de botes d'admission et d'évacuation 11, 12. m7 échangeur peut ainsi être installé hors de la cuve et le faisceau de tubes 1 est alimenté par le conduit d'entrée 13, le fluide cir culant dans les tubes étant évacué par le conduit de sortie 14. La figure 3 vise un dispositif analoque à celui de la figure 1, avec, comme modifieation, le remplacement des viroles de collectage cylindrique 3, 4 par des dômes de collectage 3', 4', les coudages à angle droit 5 étant remplacés par des coudages 5' à angle obtus. La figure 4 montre l'adjonction de bottes de collectage 11', 12' aux dômes de collectage 3', 4' du dispositif de la figure 3, ce qui permet de situer l'échangeur hors de la cuve, et de l'adapter à une installation quelconque d'échange de chaleur entre deux fluides. La figure 5 porte sur une modification de l'échangeur de la figure 4, consistant à supprimer le conduit 7 d'apport de fluide pénétrant jusqu'au fond de l'enveloppe 1, et à placer dans'axe de celle-ci un noyau 16, de telle sorte que le fluide qui balaye 1' extérieur des tubes 1 pénètre par une entrée 6 à une extrémité de l'enveloppe 2 et en sort par l'extrémité opposée. 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. Plus particulièrement, et tout en restant dans le cadre de l'invention, les échangeurs représentés sur les figures 2, 4 et 5 peuvent éventuellement être adaptés au cas d'appareils baignant dans une cuve. Par exemple, en ce qui concerne la disposition représentée sur la figure 2, la circulation du fluide de la cuve à l'extérieur des tubes serait alors assurée par l'élimination des éléments 6 et 8 et remplacement de l'élément 7 par un noyau central semblable à l'élément 16 de la figure 5. La séparation des deux fluides de la cuve serait assurée par un dispositif similaire à celui représenté sur ligure 1 (éléments 9 et 10). REVENDICÂTIONS 1. Echangeur de chaleur à faisceau de tubes droits parallèles aboutissant à, au moins, une paroi de collectage, caractérisé par le fait que ladite paroi est une surface de révolution non plane, et que lesdits tubes s'y raccordent par des coudages terminaux. 2. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, dans lequel la paroi de collectage est une virole. 3. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1 dans lequel la paroi de collectage a la forme d'un damez 4. Echangeur de chaleur suivant une quelconque des revendica tions précédentes, dans lequel la paroi de collectage fait partie d'une enveloppe à l'intérieur de laquelle se situe le faisceau de tubes. 5. Echangeur de chaleur suivant la revendication 4, dans lequel l'enveloppe est cylindrique, la paroi de collectage formant un fond bombé ou un élargissement radial de ladite enveloppe. 6. Installation comprenant un échangeur de chaleur suivant la revendication 4 ou 5, dont l'enveloppe est immergée dans une cuve de liquide adapté à circuler dans les tubes du faisceau. 7. Echangeur de chaleur suivant une quelconque des revendications 1 à 5, comportant un+6oSte entourant la paroi de collectage et assurant l'admission de fluide aux tubes de faisceau, ou leur évacuation. 8. InstaIation comprenant un échangeur de chaleur suivant la revendication 7, avec faisceau de tubes alimenté par botte de collectage et immergé dans une cuve remplie de liquide adapté à balayer ledit faisceau sur les faces extérieures des tubes.