Brevet FR2128534A1 — publié le 19721020

-i- 2128534 La présente invention se rapporte aux appareils d'éehan-ge de chaleur destinés à transformer l'eau en vapeur, ou à chauffer la vapeur à une température plus élevée. Dans de nombreux pays, la demande en courant électrique 5 double approximativement tous les dix ans, Actuellement, les combustibles fossiles fournissent la majorité de l'énergie thermique destinée à la production du courant électrique nécessaire. On estime qu'au cours des trente prochaines années, plus de 50 % de ce courant électrique sera produit par l'énergie nucléaire. L'appro-10 visionnement en matière fissile est limité, de sorte que la production future de puissance nucléaire dépend du développement d'un réacteur générateur, à neutrons rapides, qui produise plus de matière fissile qu'il n'en consume. Une telle installation exige nécessairement des échangeurs de chaleur robustes, qui peuvent 15 être vérifiés et entretenus avec un minimum de temps d'arrêt. L'état actuel de la technique exige des échangeurs de chaleur conçus pour transférer la chaleur du sodium liquide a l'eau, de sorte que ces échangeurs doivent être pourvus de dispositions pour décharger les sous-produits de la réaction sodium-eau^- et limiter 20 le degré de dommage causé par ces réactions, ainsi que pour permettre un entretien rapide de toutes les parties ainsi endommagées. En général, un échangeur de chaleur destiné au transfert de la chaleur d'un fluide primaire à un fluide secondaire cons-tru* t selon la présente invention comprend un certain nombre de 25 faisceaux de tubes pourvus d'une tête de canal à chacune de leurs extrémités. Les tubes ont de préférence la forme d'un J, avec une branche longue et une branche courte réunies par une partie transversale coudée; un orifice de fluide secondaire dans chaque tête de chaque faisceau de tubes, disposé de manière que le fluide 30 secondaire s'écoule dans les tubes de chaque faisceau'? une enveloppe tubulaire distincte pour la branche longue du faisceau de tubes en J; un orifice de fluide primaire disposé dans chacune des surfaces ou enveloppe des longues branches; un récipient principal pourvu d'un orifice de fluide primaire, dans lequel sont 35 disposées les parties inférieures des faisceaux de tubes; et des enveloppes tubulaires entourant les longues branches des faisceaux de tubes et communiquant avec le récipient principal de telle F 72 07249 ~2~ 2128534 sorte que le fluide primaire s'écoule le long de la surface externe des tubes formant la longue branche du faisceau en J, à son passage entre l'orifice primaire de l'enveloppe des longues branches des faisceaux en J et le récipient. 5 L'invention ressortira mieux de la description qui va suivre d'une forme préférée de réalisation représentée, à titre d'exemple seulement aux dessins annexés, sur lesquels : La Figure 1 est une vue en élévation d'un échangeur de chaleur construit selon l'invention; 10 La Figure 2 est une vue en plan de 1'échangeur de cha leur; La Figure 3 est une coupe verticale agrandie de l'échan-geur de chaleur selon la ligne III-III de la Figure 2; et La Figure 4 est une coupe transversale agrandie suivant 15 la ligne IV-IV de la Figuré 3, et montrant un unique module. Les Figures 1 à 4 représentent un évaporateur ou échangeur de chaleur pour une installation de réacteur nucléaire générateur, à neutrons rapides, à métal liquide,(non représenté). L*échangeur de chaleur représenté 1 comprend un certain nombre 20 (trois dans le présent cas) de blocs 2 de faisceaux de tubes en forme de J. Un bloc modulaire type 2 de faisceau en Jj» comprend un faisceau 3 composé d'un certain nombre de tubes 4. Le faisceau 3 présente une longue branche 5, généralement verticale, qui eh 25 forme la majeure partie, une branche courte 7 généralement verticale, et un coude d'inversion, ou partie en arc-de-cercle 9, de base, réunissant les branches parallèles 5 et 7. Aux extrémités libres de chaque branche 5 et 7, se trouvent des têtes de canaux respectives 11 et 13. Les têtes 11 et 13 sont chacune pourvue de 30 plaques tubulaires 15 et 17 respectivement destinées à former les chambres 23 et 25 des têtes. Les têtes 11 et 13 sont pourvues en leur centre d'orifices ou ajutages 29 et 27, du.fluide secondaire, qui peut être soit de l'eau, soit de la vapeur, selon que l'échan-geur de chaleur est utilisé comme évaporateur, comme surchauffeur 35 ou comme réchauffeur. En raison de sa caractéristique d'écoulement, un échangeur de chaleur construit selon la présente invention, convient également bien à l'une ou l'autre de ces applica 72 07249 -3- 2128534 tions, les seuls changements nécessaires concernent la dimension des divers éléments, de manière à correspondre aux changements de régimes de transmission de chaleur, régimes de débit, températures et pressions, qui diffèrent considérablement pour les diffé-5 rents services que l'on vient de mentionner. La longue branche 5 est pourvue d'une enveloppe tubu-laire 30 s'étendant d'un endroit contigu à la tête 11 jusqu'à un endroit situé au-dessus du coude inférieur 9 des tubes. Un orifice ou ajutage 31 d'admission de fluide primaire, ou de sodium li-10 quide, est disposé à l'extrémité supérieure de l'enveloppe 30 con-tigue à la tête 11» Dans 1'échangeur de chaleur ou évaporateur représenté,l'enveloppe tubulaire 30 présente une superficie de coupe transversale agrandie à l'endroit de l'admission primaire 31, ainsi qu'indiqué en 33, afin d'assurer une surface annulaire 25 suffisante destinée à faciliter la conversion du fluide primaire admis. Quand 1'échangeur de chaleur 1 est destiné à fonctionner en surchauffeur, la partie agrandie 33 de l'enveloppe tubulaire 30 peut ne pas être nécessaire, car la tête 11 peut être beaucoup plus épaisse en raison des températures plus élevées dans le sur-20 chauffeur, et la surface annulaire peut donc être suffisante pour la cohversion du fluide primaire admis, sans pourvoir cet endroit d'une section transversale agrandie. Ainsi que le montre la Figure 3, un manchon ou blindage 35 est disposé dans l'enveloppe 30 de la branche longue 5 du faisceau 3 de tubes. Le manchon 35 25 s'étend depuis le dessous de la plaque tubulaire 15 au-dessus de l'orifice d'admission primaire 31 jusqu'à un endroit contigu au début du coude 9, et au-dessous de l'extrémité inférieure de l'enveloppe 30. L'extrémité inférieure de l'enveloppe tubulaire 30 et du manchon 35 est ouverte. 30 Une bague d'étanchéité 36 est disposée entre l'enveloppe tubulaire 30 et le manchon 35, au-dessous de l'ajutage d'admission de fluide primaire 31 et au-dessous de la surface agrandie 33 de l'enveloppe 30. La bague 36 d'étanchéité bloque pratiquement l'écoulement du fluide primaire en descendant dans l'espace annulaire 35 37 compris entre 1*enveloppe 30 et le manchon 35. Un certain nombre de supports anti-vibration 39 sont disposés entre l'enveloppe 30 et le manchon 35 afin de centrer ce dernier dans l'enveloppe 30 72 07249 -4 2128534 et de le maintenir à l'encontre des vibrations. Les tubes 4 sont maintenus a l'encontre des vibrations, et espacés, au moyen d'un certain nombre de supports, ou chicanes d'écoulement, 41, disposés a l'intérieur du manchon 35. Les chicanes 41 sont supportées par 5 des tringles 42 venant des plaques tubulaires 15 et 17. Un disque à rupture 43 est disposé dans l'enveloppe 30, de préférence, mais non essentiellement, entre la tête 11 et l'orifice 31 d'admission primaire. Ce disque à rupture est destiné à détendre la pression dans l'enveloppe 30 lors d'une réaction sodium-10 eau, afin d'éviter ainsi, ou tout au moins de réduire au minimum, le dommage causé au faisceau de tubes et a l'enveloppe lors de la production d'une telle réaction. Ainsi que représenté à la Figure 3, la branche courte 7 du faisceau 3 de tubes est pourvue d'une enveloppe tubulaire 45 15 partiellement sur sa longueur. Les extrémités inférieures des enveloppes 30 et 45 ainsi que l'extrémité inférieure du faisceau de tubes ou partie courbe 9 sont emboitées dans un récipient 47. Ce récipient 47 comprend une paroi tubulaire 49, une tête inférieure 51 et une tête supérieure plane 53. La tête 51 est pourvue d'un 20 orifice ou ajutage 55 de sortie de fluide, disposé en son centre. Le récipient 47 est supporté sur une jupe périphérique 57, qui forme la base de la totalité de l'appareil 1. La tête plane 53 est pourvue d'un certain nombre d'ouvertures oblongues 59 destinées à recevoir la partie inférieure 9 du 25 faisceau 3 et la partie inférieure des branches 5 et 7 du faisceau et des enveloppes 30 et 45. Des couvercles 61 permettent l'obturation des ouvertures 59 et entourent les enveloppes 30, 45, des branches 5 et 7, respectivement. Les couvercles 61 sont boulonnés et électriquement soudés de manière étanche à la tête plane 53 du 30 récipient 47 afin d'assurer une bonne étanchéité, et de manière à permettre le retrait rapide et facile des faisceaux 3 de tubes pour vérification, réparation et/ou remplacement. Le récipient 47 et les blocs modulaires 2 de faisceaux de tubes en J peuvent être expédiés séparément et installé sur place, ce qui élimine la néces-35 sité de manutention spéciale requise lorsque les échangeurs de chaleur sont expédiés d'une seule pièce. La tête plane 53 du récipient 47 est pourvue d'un disque 72 07249 -5- 2128534 à rupture 63 destiné a détendre la pression dans ce dernier en cas d'une réaction entre le sodium et l'eau. Les tubes 4 adjacents aux plaques tubulaires 15 et 17 sont protégés de la corrosion et des efforts thermiques au moyen d'une couche de gaz inerte 5 située, ainsi qu'indiqué en 65 et 66, au-dessous de chaque plaque tubulaire 15 et 17. Le gaz inerte protège également la tête plane 53 du récipient 47, ainsi qu'indiqué en 67, afin de maintenir le niveau du sodium liquide ou fluide primaire dans le récipient 47 au-dessous de l'extrémité inférieure ouverte de l'enveloppe 45 de 10 la branche courte 7. Des tôles perforées 69 sont disposées à l'ihtérieur du récipient 47, entre les coudes d'inversion 9, contre les faisceaux de tubes afin de diriger le fluide primaire dans la direction descendante, et d'empêcher une réaction entre le sodium et l'eau d'en-15 dommager les faisceaux contigus, en cas de défaut de fonctionnement d'un faisceau dans la zone non protégée par une enveloppe ou un manchon. Ainsi que le montre la Figure 3, les couvercles oblongs 61 sont disposés, par rapport aux enveloppes tubulaires .30 et 45 20 des faisceaux de tube et au récipient 47, de manière que les blocs modulaires 2 de faisceaux puissent être retirés du récipient en supprimant une soudure d'étanchéité 75 et en enlevant les boulons 77 qui fixent les couvercles aux têtes planes 53. Les faisceaux 3 de tubes sont disposés à l'intérieur des enveloppes 30 et 45 de 25 manière à en permettre le retrait facile au moment du démontage des modules en J du récipient 47. Les manchons 35 enveloppant les branches longues 5 des faisceaux sont pourvus d'un certain nombre de cordons longitudinaux de soudure 79, ainsi que le montre la Figure 4, permettant leur retrait des longues branches pour vérifi-30 cation des surfaces extérieures des tubes 4. Les blocs 2 de faisceaux de tubes et le récipient 47, ainsi qu'il a été dit plus haut, peuvent être utilisés comme évaporateur, comme surchauffeur ou comme réchauffeur de vapeur dans une centrale à turbo-générateur et réacteur nucléaire sur généra-35 teur à neutrons rapides. Un échangeur de chaleur comportant ces blocs modulaires de faisceaux peut avantageusement être fabriqué avec un nombre quelconque de blocs modulaires, de telle sorte que 72 07249 -6- 2128534 la longueur des tubes de chaque module puisse être limitée de 30 à 36 mètres, longueur qui peut être actuellement fournie par les fabricants de tubes sans dispositions spéciales et sans soudure entre tubes pour assurer la longueur requise. Les soudures des 5 tubes augmentent le risque de rupture par la réaction du sodium avec la matière constituant les tubes dans la région des soudures, et sont par suite indésirables. Les blocs modulaires de faisceaux de tubes en J assurent une facilité d'accès aux plaques tubulaires, lesquelles, étant 10 de plus petit diamètre, peuvent être plus minces et fabriquées avec des tolérances plus serrées en utilisant les procédés d'usinage actuellement connus. L'utilisation d'uh coud» à*inv«rsloîi % grand rayon permet l'inspection des tubes de chaque module à l'intérieur et à 15 l'extérieur, au moment de la fabrication du bloc et de son examen. La construction en J avec les coudes d'inversion à grand rayon, assure également une dilatation linéaire libre des tubes dans le récipient principal 47 sans imposer d'efforts excessifs aux coudes des tubes ou aux soudures des plaques tubulaires. 20 L'utilisation de plusieurs blocs modulaires de faisceaux de tubes en J, qui permettent leur retrait facile et rapide du récipient, rend économique l'utilisation d'un module de rechange de manière à permettre le démontage d'un module endommagé ou dont le fonctionnement est défectueux, et l'introduction a sa place du 25 module de rechange avec un minimum de temps d'arrêt de l'appareil. Bien quê les échangeurs de chaleur fabriqués selon la présente invention conviennent parfaitement au fonctionnement en surchauffeurs ou en réchauffeurs, leur fonctionnement est exceptionnellement bon comme générateurs de vapeur ou évaporateurs a 30 un seul passage, car leurs caractéristiques thermiques et hydrauliques assurent un écoulement très stable avec d'excellentes caractéristiques de transfert de chaleur. Dans le cas du fonctionnement en évaporateur, le fluide primaire, le sodium liquide, entre par l'orifice d'admission pri-35 maire 31 de l'extrémité supérieure de chaque enveloppe 30 de la longue branche 5 de chaque module 2 en J, et remonte dans l'espace annulaire 37 compris entre le manchon 35 et l'enveloppe 30, car la bague d'étanchéité 36 empêche pratiquement tout écoulement des- 72 07249 -7 2128534 candan-t. Le fluide primaire s'écoule à l'extrémité supérieure du manchon 35 et descend à l'intérieur de celui-ci en passant sur les surfaces extérieures des tubes 4 formant la longue branche 5 du faisceau 3 de tubes. Puis le fluide primaire s'évacue par l'ex-5 trémité inférieure ouverte du manchon, en passant dans les coudes d'inversion, et sort par l'orifice de sortie primaire 55 disposé au centre de la paroi inférieure 51 du récipient 47, ainsi que l'indiquent les flèches en traits pleins. Le fluide primaire, à son passage dans 1*échangeur de chaleur 1, transmet sa chaleur au 10 fluide secondaire, en se refroidissant et en devenant plus dense, ce qui en renforce la circulation naturelle dans 1*échangeur de chaleur. Le fluide secondaire, l'eau, entre par les orifices d'admission 29 situés au centre de la calotte périphérique 21 à 15 l'extrémité supérieure de la branche courte 7 de chaque faisceau 3 de tubes, et s'écoule en descendant dans les tubes 4 formant cette branche 7, puis passe dans les coudes d'inversion, ou parties courbes, 9 du faisceau 3 et commence à se vaporiser au début de sa remontée dans les tubes 4 formant la branche longue 5 du 20 faisceau 3. A mesure de sa remontée dans les tubes 4, le fluide secondaire change d'état en se transformant d'eau en vapeur, et à l'extrémité supérieure de la branche longue 5, la vapeur se trouve surchauffée. L'écoulement du fluide secondaire est indiqué par les flèches en pointillé. Les faisceaux modulaires de tubes 25 en J assurent donc la circulation naturelle du fluide secondaire s'écoulant dans les tubes, en contre-courant par rapport au fluide primaire pendant l'écoulement de ce dernier dans la branche longue 5 des modules. Le fluide secondaire peut alors passer dans un autre échangeur de chaleur (non représenté) comportant un ou plu-30 sieurs faisceaux de tubes en J, cet autre échangeur faisant fonction de surchauffeur. Dans un échangeur de chaleur 1 utilisé comme surchauffeur, la vapeur peut de préférence entrer dans les orifices de fluide secohdaire 29 de la branche courte des faisceaux et s'écouler dans les tubes jusqu'aux orifices 27 de fluide 35 secondaire de la branche longue des faisceaux, en recevant la chaleur du fluide primaire, le sodium liquide, s'écoulant à l'extérieur des tubes des faisceaux et dans le récipient 47 de manière 72 07249 —8— 2128534 identique à celle décrite en référence à 11évaporateur. Selon une technique bien connue, après sa sortie du surchauffeur, la vapeur passe dans une turbine à haute pression (non représentée) et peut s'écouler ensuite dans un réchauffeur, 5 très semblable au surchauffeur, avec un parcours d'écoulement de fluides primaire et secondaire similaire d'une façon générale à celui de ces fluides dans le surchauffeur0 En raison de ses caractéristiques hydrauliques et thermiques, l'échangeur de chaleur convient à l'utilisation comme 10 évaporateur, comme surchauffeur ou comme réchauffeur, constituant ainsi un échangeur de chaleur offrant toute sécurité pour un réacteur surgénérateur, à neutrons raoides, à métal liquide, dont la fabrication, l'expédition ainsi que le montage et l'entretien sur place sont économiques. 72 07249 2128S34 REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur destiné à transférer la chaleur d'un fluide primaire à un fluide secondaire comprenant au moins un faisceau de tubes pourvu d'une tête à chacune de ses extrémités 5 entre lesquelles se trouve une partie courbe, un orifice dans chaque tête du faisceau de tubes pour permettre la circulation du fluide secondaire dans les tubes de chaque faisceau, et des enveloppes tubulaires enfermant chaque faisceau, appareil caractérisé par le fait que chaque faisceau de tubes comporte deux branches 20 parallèles essentiellement verticales, de longueur sensiblement différente et une partie courbe disposée à leur extrémité inférieure traversant la paroi supérieure d'un récipient recevant le fluide primaire. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, carac-15 térisé par le fait qu'un orifice d'admission de fluide primaire est agencé à proximité de l'extrémité supérieure de la branche la plus longue, et qu'un orifice de sortie de fluide primaire est formé dans la paroi de ce récipient. 3. Echangeur de chaleur seloh les revendications 1 ou 20 2, caractérisé par le fait que les enveloppes tubulaires ont une collerette commune de support, permettant un montage amovible du faisceau de tubes sur la paroi supérieure de ce récipient, conti-gue à la tête située à l'extrémité de la branche longue, 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, 2 ou 25 3, caractérisé par le fait qu'un gaz inerte est disposé dans le récipient de façon à maintenir le niveau du fluide primaire au-dessous de sa paroi supérieure, l'enveloppe de la branche longue du faisceau de tubes se terminant dans le fluide primaire, et celle de la branche courte se terminant au-dessus du niveau de ce fluide. 30 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des re vendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'enveloppe tubulaire présente une surface de coupe transversale agrandie en regard de l'orifice d'admission du fluide primaire, un manchon étant disposé entre l'enveloppe et le faisceau de tubes, et une bague 35 d'étanchéité étant disoosée entre l'enveloppe et le manchon, ce dernier descendant dans le récipient et remontant au-delà de l'ouverture d'admission afin de former un déversoir annulaire» 72 07249 -10- 2128534 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le manchon descend jusqu'à la partie courbe du faisceau de tubes. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le manchon est pourvu de cordons longitudinaux de soudure disposés de manière à permettre, au moment du démontage du faisceau de tubes des enveloppes des branches, le retrait du manchon de ce faisceau»