Brevet FR2128197A1 — publié le 19721020

La présente invention concerne les dispositifs espaceurs tels que ceux qui sont utilisés pour maintenir les uns par rapport aux autres-les différents tubes d'un faisceau tubulaire, notamment dans les échangeurs de chaleur de type tubulaire. Parmi les applications possibles de tels dispositifs, l'invention concerne plus particulièrement, sans pour autant qu'elle soit limitative, celle où le faisceau tubulaire est celui d'un échangeur de chaleur destiné à un échange entre deux fluides dont le contact accidentel conduirait à une réaction violente. Tel est le cas en particulier des échangeurs entre eau et sodium liquide constituant les générateurs de vapeur des centrales associées à des réacteurs nucléaires à neutrons rapides. On sait que les impératifs de sécurité ont parfois conduit dans ce cas à utiliser des échangeurs à double paroi, avec ou sans fluide intermédiaire. Mais ces solutions ont l'inconvénient d'être compliquées, peu efficaces et conteuses. Aussi leur préfère-t-on maintenant les dispositions à simples parois, plus économiques, sous réserve toutefois d'exercer un contrôle sévère de la qualité des tubes et des soudures effectuées lors de la constructiondeséchangeurs. On cherche en effet à éviter toute fuite en fonctionnement, non seulement à cause des dégâts que pourrait provoquer une réaction entre le sodium et l'eau, mais également du fait.qu'une immobilisation de l'échangeur pour réparation serait extremement coûteuse dans une centrale nucléaire. La présente invention vise essentiellement à satisfaire mieux que les réalisations antérieures à ces diffé rents impératifs. Elle vise en particulier à la conception de dispositifs espaceurs utilisables comme entretoise pour maintenir les tubes du faisceau d'un échangeur et facilit-ant le centrale des soudures au cours de la construction de cet échangeur en améliorant également la sécurité en fonctionnement. L'invention propose dans ce but un dispositif espaceur pour faisceau tubulaire qui,selon un premier mode de réalisation,est constitué par assemblage de deux séries de tôles disposées parallèlement à deux directions, chacune des tôles de chaque série présentant périodiquement des découpes embouties pour offrir des points d'appui écartés de- l'axe de la tôle à deux tubes adjacents dudit faisceau symétriquement par rapport à ladite telle, et périodiquement entre lesdites découpes, des fentes s'étendant sur une fraction de la largeur de la tale pour permettre l'assemblage avec les tôles de l'autre série par engagement de celles-a au droit de fentes analogues. De tels dispositifs espaceurs sont avantageusement utilisés pour constituer des entretoises maintenant par endroits les différents tubes du faisceau d'un échangeur tubulaire. Elles sont alors constituées par assemblage au fur et à mesure de la construction de l'échangeur et, plus précisément, du soudage des extrémités des tubes sur une plaque tubulaire. Selon un second mode de réalisation, un dispositif espaceur suivant l'invention comporte une paroi propre à diviser longitudinalement un tel faisceau par moitiés et portant à chacune de ses extrémités un plat perpendiculaire à ladite plaque définissant avec celle-ci quatre secteurs selon une section transversale dudit faisceau dont deux secteurs opposés sont fermés par des plaques percées d'orifices pour le passage des tubes du faisceau tandis que les deux autres sont ouverts, les secteurs fermés à une extrémité de la versa. paroi faisant face aux secteurs ouverts à l'autre extrémité et vice/ De tels dispositifs sont avantageusement disposés dans le faisceau tubulaire d'un échangeur de chaleur pour assurer un brassage du fluide circulant dans le faisceau à l'extérieur des tubes, et notamment du sodium liquide ou d'un autre métal alcalin liquide dans le cas d'un générateur de vapeur associé à un réacteur nucléaire à neutrons rapides. Le brassage permet d'éviter une stratification de ce fluide et les contraintes thermiques ou autres inconvénients qui pourraient en résulter. Des dispositifs espaceurs selon les deux modes de réalisation préférés ci-dessus définis sont avantageusement utilisés concurramment dans un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire selon l'invention. De préférence un tel échangeur, destiné notamment à un échange entre deux fluides dont le contact provoquerait une réaction violente tels que l'eau et le sodium liquide, est formé par plusieurs modules comportant chacun un faisceau tubulaire disposé longitudinalement dans une enveloppe tubulaire pour la circulation d'un fluide d'échange externe, présentant la forme d'un U avec deux branches rectilignes réunies par un coude de raccordement à l'une de leurs extrémités et fermées à l'autre extrémité par une plaque tubulaire pour l'entrée ou la sortie d'un fluide d'échange interne circulant dans les tubes du faisceau,ltenveloppe comportant, au voisinage de ladite autre extrémité, des piquages de raccordement à des collecteurs de fluide externe communs aux différents modules. L'invention est illustrée ci-après par la description d'un mode de mise en oeuvre particulier. Naturellement cette description ne saurait avoir aucun caractère limitatif. Elle se réfère aux figures 1 à 4 jointes dans lesquelles La figure 1 illustre schématiquement un module d'échangeur de chaleur selon l'invention dans la réalisation décrite. La figure 2 constitue une coupe transversale d'un tel module montrant un dispositif espaceur formant entretoise. La figure 3 est un détail de l'assemblage des tôles embouties dans une telle entretoise. La figure 4 montre un dispositif espaceur assurant le brassage du fluide -d'échange externe. L'échangeur de chaleur décrit est destiné à constituer un générateur de vapeur chauffé par du sodium liquide dans une centrale associée à un réacteur nucléaire à neutrons rapides. I1 est constitué de différents modules identiques à celui de la figure 1, chacun constitué par un faisceau de tubes 1 à l'intérieur d'une enveloppe tubulaire Z limitant la circulation du fluide externe, c'est-à-dire du sodium liquide. En fonctionnement le fluide interne circulant dans les tubes du faisceau 1 est de l'eau qui subit successivement un réchauffage, une vaporisation et une surchauffe de vapeur. Comme le montre la figure 1, l'enveloppe 2, dans laquelle les tubes du faisceau 1 sont disposés longitudinalement, présente la forme d'un U, avec deux branches rectilignes, horizontales en fonctionnement et dans un même plan vertical, réunies par un coude de raccordement 3 à une de leurs extrémités, à droite sur la figure 1. Ce coude permet d'absorber les dilatations différentielles entre les tubes et l'enveloppe. A l'autre extrémité, à gauche sur la figure, les branches horizontales de l'enveloppe 2 sont fermées par des plaques tubulaires 4 et 5 assurant respectivement ltentrée de l'eau dans le faisceau tubulaire et la sortie de la vapeur. Au-delà de ces plaques tubulaires, des tubulures 6 et 7 assurent respectivement le raccordement du module à un collecteur d'eau et à un collecteur de vapeur,tous deux communs aux différents modules de ltéchangeur. Au voisinage de cette même extrémité du module, à gauche sur la figure, l'enveloppe 2 comporte des piquages 9 et 10 pour son raccordement à des collecteurs de sodium froid ou chaud, également communs aux différents modules de I'échangeur. En fonctionnement, le sodium chaud venant du réacteur nucléaire, entre dans l'enveloppe par le piquage 10 et en sort par le piquage 9,de manière à assurer un échange de chaleur méthodique, le fluide interne, eau-vapeur, circulant au contraire de la tubulure 6 vers la tubulure 7. Le module représenté comporte sur la branche supérieure de l'enveloppe 2 un piquage supplémentaire 12, au niveau d'une boîte de mélange 13. Cette disposition permet d'associer à chaque module un resurchauffeur non représenté,en parallèle sur la circulation de sodium avec la zone surchauffeur du module. Le flux de sodium provenant du resurchauffeur est alors introduit par la tubulure 12 et mélangé avec le flux du surchauffeur pour circuler ensuite dans les zones évaporateur et économiseur. Les plaques tubulaires terminant le faisceau 1 sont accessibles par l'intermédiaire de trous d'homme 14, ce qui permet d'isoler éventuellement un ou plusieurs tubes en cas de défaillance. Des disques de rupture 15 sont destinés en cas de fuites d'eau à limiter la surpression produite par la réaction sodium-eau et à évacuer les produits de cette réaction. Les différents tubes du faisceau 1 sont maintenus de place en place par des dispositifs espaceurs constituant des entretoises 16. Une telle entretoise est visible sur la coupe de la figure 2 et illustrée par le détail de la figure 3. Chaque entretoise est constituée par assemblage de deux séries de tôles 20 disposées parallèlement à deux directions perpendiculaires et passant entre les nappes de tubes du faisceau, ceux-ci étant disposéssalonunréseau à pas carré. Chacune de ces tôles présente périodiquement, à des intervalles égaux au pas du réseau, des découpes embouties pour former des bossages à trois pans comme montré sur la figure 3. La tôle est découpée en largeur pour former des bossages 22 et 23 symétriquement écartés de son axe,de manière à offrir des points d'appui à deux tubes adjacents du faisceau, comme le montre la figure 2. Entre les découpes ainsi formées, chaque tôle comporte périodiquement des fentes 21 (figure 3) sur la moitié de sa largeur. Ces fentes permettent de réaliser un ensemble rigide par assemblage des différentes toles de chaque série avec celles de l'autre série, en engageant les tôles l'une dans l'autre au droit de ces fentes. La conception de cette entretoise, permet de construire le faisceau tubulaire par nappeshorizontales,les tôles horizontales de l'entretoise étant successivement mises en place après chaque nappe de tubes et assemblées sur les tôles verticales. Au cours de cette construction, les soudures de liaison entre les tubes et les plaques tubulaires sont réalisées nappe par nappe et le contrôle de toutes les soudures d'une nappe est effectué avant de passer à la suivante. La figure 2 montre par ailleurs une virole cylindri- que 24 qui entoure le faisceau tubulaire à l'intérieur de lten- veloppe 2. Cette virole,relativement mince, assure la protection du faisceau tubulaire et une rigidité suffisante pour permettre d'enfiler la virole de l'enveloppe 2 autour du faisceau en position horizontale après réalisation de ce dernier. Enfin, des dispositifs espaceurs d'un autre type sont disposés de place en place sur le faisceau tubulaire entre les entretoises décrites ci-dessus. Ces dispositifs 17 ont pour but principal d'assurer un brassage du sodium. Ils sont constitués chacun comme le montre la figure 4. Une paroi plane 25, rectangulaire, se dispose longitudinalement dans le faisceau en le divisant par moitié. A chacune de ses extrémités, cette paroi porte un plat 26-27 disposé en croix perpendiculairement à elle. Chaque plat définit avec la plaque quatre secteurs d'angle droit selon une section transversale du faisceau. Deux secteurs opposés sont fermés par des plaques transversales 28 percées d'orifices 29 pour le passage des tubes du faisceau. Les deux autres secteurs sont au contraire ouverts à la circulation du sodium. Les secteurs fermés sur une section à une extrémité du dispositif, font face à des secteurs ouverts à ltautre extrémité et vice versa. La paroi 25 étant normalement verticale dans le faisceau, le sodium arrivant au niveau du dispositif de brassage dans la section inférieure de l'enveloppe, est dirigé par ce dispositif vers le haut, alors que le sodium qui se trouve dans la section supérieure est dirigé vers le bas, comme le montre la flèche 30. Ce dispositif permet ainsi d'obtenir un brassage régulier du sodium et d'éviter les inconvénients que provoquerait une stratification de ce fluide tels que contraintes thermiques dans ltenveloppe,mauvaise répartition du débit d'eau-vapeur, apparition d'un gradient de température dans la plaque tubulaire. Conformément à la description qui précède, la conception de l'échangeur selon l'invention et des dispositifs espaceurs utilisés, permet d'assurer une accessibilité maximale aux endroits réputés les plus délicats de réalisation et les plus susceptibles de-donner lieu à des fuites. Elle facilite un contrôle rigoureux pendant la phase de construction. Elle permet en outre d'améliorer la sécurité en fonctionnement, grâce notamment au brassage du sodium, et facilite la réalisation d'un échangeur compact par assemblage de modules identiques, les différents piquages étant prévus à une même extrémité des modules. Naturellement l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation particulier décrit ci-dessus à titre d'exemple. REVENDICATIONS 1.- Dispositif espaceur pour faisceau tubulaire, caractérisé en ce qu'il est constitué par assemblage de deux séries de tôles disposées parallèlement à deux directions,chacune des tôles de chaque série présentant périodiquement des découpes embouties pour offrir des points d'appui écartés de l'axe de la tôle à deux tubes adjacents dudit faisceau se disposant symétriquement par rapport à ladite tôle, et périodiquement entre lesdites découpes, des fentes s'étendant sur une fraction de la largeur de la tôle pour permettre l'assemòlage avec les tôles de l'autre série par engagement de celles-ci au droit des fentes analogues. 2.- Dispositif espaceur, selon-la revendication 1 pour faisceau tubulaire à pas carré, caractérisé en ce que lesdites deux directions sont perpendiculaires. 3. Dispositif espaceur pour faisceau tubulaire, caractérisé en ce qu'il comporte une paroi propre à diviser longitudinalement un tel faisceau par moitiés et portant à chacune de ses extrémités un plat perpendiculaire à ladite plaque définissant avec celle-ci quatre secteurs selon une section transversale dudit faisceau, dont deux secteurs opposés sont fermés par des plaques percées d'orifices pour le passage deS tubes de faisceau tandis que les deux autres sont ouverts, les secteurs fermés à une extrémité de la paroi faisant face aux secteurs ouverts à l'autre extrémité et vice versa. 4.- Echangeur de chaleur à faisceau tubulaire faisant application de dispositifs espaceurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 3. 5.- Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est fermé par plusieurs modules comportant chacun un faisceau tubulaire disposé longitudinalement dans une enveloppe tubulaire pour la circulation d'un fluide d'échange externe, présentant la forme d'un U avec deux branches rectilignes réunies par un coude de raccordement à l'une de leurs extrémités et fermées à l'autre extrémité par une plaque tubulaire pour l'entrée ou la sortie d'un fluide d'échange interne circulant dans les tubes du faisceau, ltenveloppe comportant, au voisinage de ladite autre extrémité, des piquages de raccordement à des collecteurs de fluide externe communs aux différents modules.