Brevet FR2147060A1 — publié le 19730309

L'invention concerne un échangeur de chaleur dans lequel de la chaleur est transmise d'un premier circuit réfrigérant à un second. La nécessité de brancher deux ou plus de deux circuits réfrigérants différents en série entre une source de chaleur et un dissipateur de chaleur dans une usine, ou dans l'industrie chimique, répond la plupart du temps aux exigences de compatibilité et de sécurité. En particulier, dans les centrales nucléaires, ce n'est que dans des cas extremement rares que l'agent de refroidissement primaire traversant le coeur du réacteur peut alimenter directement une turbine en vue de la production d'énergie électrique. Les échangeurs de chaleur usuels sont constitués par un récipient dans lequel deux conduites d'agent de refroidissement s'interpénètrent intimement, tandis qu'une surface de séparation aussi grande que possible se dresse entre les deux conduites de refroidissement. Toutefois le danger d'une fuite permettant aux deux agents de refroidissement de se mélanger croit avec la dimension de cette surface de séparation. Etant donné que dans de nombreux cas, et notamment, dans les centrales nucléaires, ce risque ne peut etre toléré, on n'envisageait jusqu'à présent comme possibilité que d'insérer un circuit de refroidissement intermédiaire supplédentaire entre les circuits réfrigérants primaire et secondaire. Pour réduire la dépense supplémentaire en conduites tubulaires et en pompes d'agent de -refroidissement qui s'attache à cette solution, on a dé3a proposé antérieurement d'utiliser comme supports de chaleur intermédiaires, une série de tubes conducteurs de chaleur sans pompe, dans lesquels un milieu de refroidissement circule de façon naturelle entre une zone d'évaporation et une zone de condensation. Un tel échangeur de chaleur remplit certes les conditions de sécurité, mais les prix de revient de la fabrication d'une série de systèmes scellés hermétiquement les uns par rapport aux autres seraient élevés dans le cas où l'on envisagerait une exploitation à haute température. L'invention propose au contraire un échangeur de chaleur dans lequel le circuit de refroidissement intermédiaire, nécessaire pour des raisons de sécurité est réduit dans une mesure telle qu'il ne s'agit plus è proprement parler que d'un unique échangeur de chaleur entre l'agent de refroidissement primaire traversant la source de chaleur et 1 'agent de refroidissement secondaire traversant le circuit d'utilisation (la turbine). Dans cet esprit, l'échangeur de chaleur suivant l'invention est caractérisé par un premier faisceau de tubes en majeure partie plongé dans un agent actif liquide stagnant et appartenant au premier circuit de refroidissement et par un second faisceau de tubes en majeure partie disposé au-dessus du niveau de liquide de cet agent actif et qui fait partie du second circuit de refroidissement, tandis qu'on choisit un moyen actif tel qu'il suisse entre les deux faisceaux de tubes, à la température de fonctionnement de l'échangeur de chaleur, un cycle évaporationcondensation. Le circuit de refroidissement intermédiaire est donc simplement remplacé dans ce cas par un agent actif qui est évaporé par le circuit primaire et qui, en traversant le faisceau de tubes secondaire, se condense à nouveau!. Dans une première forme d'exécution de l'échangeur de chaleur selon l'invention, les deux faisceaux de tubes sont incorporés à un récipient commun. Ce récipient est genéralement de forme cylindrique et peut en service entre disposé verticalement, le premier faisceau de tubes remplissant essentiellement la partie inférieure du récipient jusqu'au niveau de liquide de l'agent actif, tandis que le second faisceau de tubes est disposé, dans une région marginale en forme d'anneau cylindrique, en majeure partie au-dessus du niveau de liquide. Dans une autre forme d'exécution de l'invention, le récipient cylindrique est sensiblement horizontal, tandis que des plaques déflectrices formant entonnoir sont prévues au-dessus du niveau de liquide, plaques qui concentrent le courant de vapeur ascendant dans la région de l'axe du cylindre et qui, en outre, dévient le condensat à partir de cette région vers les zones marginales. De plus, le second faisceau de tubes est de préférence subdivisé en deux paquets, qui remplissent l'espace situé au-dessus des tôles déflectrices, tandis que la région située audessus de l'axe des tubes et de l'orifice de l'entonnoir sert de compartiment à vapeur libre. Suivant une autre forme d'exécution de l'invention, particulièrement favorable du point de vue sécurité, les deux faisceaux de tubes sont logés dans des récipients séparés, les deux récipients étant reliés entre eux, au-dessus et au-dessous du niveau de liquide de l'agent actif, par l'intermédiaire d'au moins deux conduites tubulaires respectives contenant chacune une soupape. Le récipient qui contient le premier faisceau de tube est alors disposé plus bas que l'autre récipient, de sorte qu'il présente un niveau de liquide notablement plus élevé. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples préférés de réalisation de l'invention et en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure I est une vue en coupe schématique d'un échangeur de chaleur suivant l'invention constitué par deux récipients; - la figure 2 représente un échangeur de chaleur suivant l'invention, logé dans un unique récipient cylindrique disposé vertica lement; - la figure 3 représente un autre échangeur de chaleur suivant l'invention, logé dans un récipient cylindrique disposé horizontalement; - la figure 4 représente un schéma de branchement d'un échangeur de chaleur suivant l'invention comportant des faisceaux de tubes réchauffeurs et surchauffeurs; et - la figure 5 représente le branchement en cascade de deux échangeurs de chaleur suivant l'invention. L'échangeur de chaleur représenté sur la figure 1 comprend deux récipients 1 et 2, traversés par des faisceaux de tubes respectifs 3 et 4. Les deux récipient sont partiellement remplis d'un agent actif et sont reliés entre eux au-dessus du niveau de liquide 15 de cet agent actif par l'intermédiaire d'au moins une conduite de vapeur 5 de grande section droite ainsi qu'audessous dudit niveau de liquide par l'intermédiaire d'un conduite de circulation naturelle 6 et d'une conduite de reflux 7. Le récipient 1, qui contient le faisceau de tubes 3 du circuit primaire est disposé un peu plus bas que l'autre récipient qui contient le faisceau de tubes 4 du circuit secondaire, de sorte que le premier récipient est rempli de liquide dans une mesure notablement plus grande que le second. Les diverses conduites de liaison peuvent etre obturées par des soupapes à fermeture rapide (soupape à vapeur 8, soupapes à liquide 9 et 10. A la conduite de liaison la plus basse sont en outre raccordés, d'une part, un by-pass d'épuration comportant une pompe 11 et un système d'épura tion 12 et, d'autre part, une tubulure 13 d'admission de l'agent actif. Le choix de l'agent actif est basé sur les températures de fonctionnement désirées et sur la pression de saturation admissible à ces températures. Eventuellement, on peut, pour une pression de vapeur admissible de 1 millibar au moins, et de 20 bars au plus, utiliser du mercure comme agent actif entre 150 et 6000C. A des températures plus élevées, on peut envisager d'utiliser par exemple du césium, du potassium, du sodium, du lithium, du plomb ou enfin de l'argent (2000cl). Dès 8000C, on ne dispose plus d'aucune pompe pour assurer la circulation de l'agent actif. Un avantage particulier de l'échangeur de chaleur selon l'invention réside en ce qu'il offre la possibilité de transmettre de grandes quantités de chaleur à des températures encore plus élevées et à de basses pressions. Si l'on applique de la chaleur à l'agent actif par l'intermédiaire du premier faisceau de tubes 3, sa température s'élève et il commence à s'évaporer lorsque l'état de saturation est atteint en absortant la chaleur d'évaporation. La vapeur de l'agent actif s'écoule à travers la conduite de vapeur 5 dans le second récipient 2, dans lequel elle cède sa chaleur de condensation à une température constante au circuit de refroidissement secondaire qui peut entre, par exemple, un circuit de vapeur auquel est raccordée une turbine. Sous l'action de la pesanteur, les gouttes de liquide retournent dans l'évaporateur.Le fait de renoncer complètement à l'utilisation de pompes apporte un avantage économique, qu'il est facile d'évaluer si l'on sait ce que cotte une pompe à métal liquide, et si l'on tient compte du fait qu'une telle pompe est nécessaire pour chaque circuit lors de l'exploitation d'un réacteur de puissance. Comme la puissance est transmise au moyen de la vapeur, la puissance maximale transmissible est fonction de l'agent actif,du niveau de température et de pression de l'échangeur de chaleur et de la section de passage libre de la vapeur que l'agent actif évaporé doit traverser sur sa trajectoire sans atteindre la vitesse du son. Pour ce cas extreme, on peut calculer des courbes limites pour chaque milieu actif particulier. Pour des raisons de sécurité, les récipients sont reliés à des cuves de décharge non représentées par l'intermédiaire de disques éclatables 20. Il est en outre prévu une autre soupape 21, par l'intermédiaire de laquelle, en cas de besoin, un gaz protecteur peut etre refoulé dans les récipients. En outre, dans cette forme d'exécution de l'échangeur de chaleur suivant l'invention, on dispose de la possibilité d'insérer dans la conduite de reflux 7 des moyens d'amortissement hydrauliques 33 à travers lesquels le retour du condensat s'effectue. Ces moyens d'amortissement peuvent uniformiser des variations brusques des conditions de fonctionnement ou des vibrations. L'avantage particulier de l'échangeur de chaleur suivant l'invention constitué par deux récipients réside dans la possfbilité de pouvoir séparer rapidement les deux récipients l'un de l'autre en cas de défaillance. Un tel cas de défaillance se produit par exemple lorsque l'un des faisceaux de tubes 3 et 4 fuit. Toutefois, si ce risque peut être dvité par d'autres moyens, alors l'échangeur de chaleur suivant l'invention peut etre simplifié et peut être logé dans un unique récipient, coure représenté sur la figure 2.Le faisceau de tubes évaporateurs 23 du premier circuit de refroidissement est,dans cette variante, disposé dans la partie inférieure du récipient cylindrique 14 disposé verticalement audessous du niveau de liquide 15 de l'agent actif. il remplit cette partie dans sa quasi-totalité. En majeure partie au-dessus du niveau de liquide est disposé le faisceau de tubes condenseurs 24 du second circuit de refroidissement; et ceci uniquement dans une zone marginale annulaire du récipient, de sorte que la région centrale reste disponible comme compartiment à vapeur libre. Une troisième forme d'exécution de l'échangeur de chaleur suivant l'invention est représentée sur la figure 3, où l'on peut voir que l'unique récipient 17 est de forme cylindrique et disposé horizontalement. Dans cette variante, on obtient, avec une disposEtion compacte, une surface d'évaporation relativement grande. La vapeur est guidée par des plaques déflectrices 16 dans la région de l'axe du cylindre d'où elle peut s'élever jusqu'à la paroi supérieure du récipient. Au-dessus de ces plaques déflectrices sont disposés, chacun d'un côté de l'axe du cylindre, deux faisceaux de tubes partiels 18 et 19 da--cir-it de refroidissement secondaire. En négligeant les différences de pression statique dans ltéva- porateur et les pertes de charge dans le courant de vapeur, l'évaporation et la condensation se produisent à la meme température. La température d'utilisation de l'agent actif est en conséquence généralement inférieure à la température à laquelle l'agent de refroidissement primaire émerge de l'échangeur de chaleur. La température d'exploitation doit toutefois, compte tenu de la température du circuit secondaire, être aussi élevée que possible, par exemple afin d'assurer l'alimentation de la turbine en vapeur de la plus grande qualité possible. Pour maintenir aussi faible que possible la saute de température entre l'entrée de l'agent de refroidissement primaire et la sortie de l'agent de refroidissement secondaire hors de l'échangeur de chaleur, on peut compléter l'échangeur de chaleur suivant l'invention par un faisceau de tubes surchauffeurs que l'agent de refroidissement primaire traverse avant de passer dans le premier faisceau de tubes proprement dit, qui plonge dans l'agent actif. Ce faisceau de tubes 22 supplémentaire est disposé, comme représenté sur la figure 4, dans le compartiment à vapeur au-dessus du niveau de liquide 15 de l'agent actif. Toutefois, dans de nombreux cas, la densité de la vapeur et la chaleur spécifique des vapeurs de métal utilisées comme agent actif ne suffisent pas pour transmettre suffisamment de chaleur. On peut alors recourir au branchement en cascade de deux échangeurs de chaleur suivant l'invention, comme représenté sur la figure 5. Cette cascade comprend deux récipients 25 et 26, qui peuvent contenir des agents actifs identiques mais qui ne communiquent toutefois pas entre eux. Ces deux récipients contiennent des faisceaux de tubes évaporateurs 27 et 28 respectifs plongeant dans l'agent actif et des faisceaux de tubes condenseurs 29 et 30 respectifs, disposés dans le compartiment à vapeur.Les deux faisceaux de tubes évaporateurs 27 et 28 sont branchés en série dans le circuit de refroidissement primaire de telle manière qu'on obtienne des températures de fonctionnement différentes dans les deux récipients. De meme, les deux faisceaux de tubes condenseurs sont branchés en série et ceci de telle manière que l'agent de refroidissement secondaire traverse d'abord le faisceau de tubes 29 dans le récipient le plus froid 25 puis le faisceau de tubes disposé dans l'autre récipient. Comme le montrent les indications de température portées sur la figure et qui sont relatives à un exemple pratique d'un réacteur nucléaire refroidi au sodium, destiné à entraîner une turbine à vapeur, il est possible de cette manière d'obtenir, côté secondaire, un niveau de température notablement plus élevé qu'avec un unique échangeur de chaleur suivant l'invention. I1 va de soi que ce branchement en cascade n'est pas nécessairement limité à deux récipient et qu'on obtient au contraire un effet encore amélioré avec trois récipients En examinant à nouveau la figure 4, on va maintenant indiquer d'autres possibilités de réduction de la chute de température dans l'échan- geur de chaleur suivant l'invention. Sur cette figure est représenté un faisceau de tubes partiel 31 faisant partie du second faisceau de tubes traversé par le second circuit de refroidissement, plongeant dans l'agent actif liquide et disposé en amont du faisceau de tubes secondaire 32 proprement dit. Ce faisceau de tubes supplémentaire assure un réchauffement préalable efficace de l'agent de refroidissement secondaire. Si l'on dispose de vapeur de métal liquide surchauffée, il est alors avantageux de disposer le faisceau de tubes secondaire 32 par rapport au courant de vapeur,de telle manière que ses parties de tube les plus chaudes reçoivent la vapeur en premier lieu, comme indiqué sur la figure 4. L'échangeur de chaleur selon l'invention constitue un élément intermédiaire stabilisateur entre les circuits primaire et secondaire, élément gr ce auquel des variations de puissance se produisant côté primaire ne réagissent pas directement sur le côté secondaire et vice-versa. Le degré de couplage thermique est toutefois déterminé par le volume de liquide contenu dans ltéchangeur de chaleur. Une augmentation de puissance de courte durée se produisant brusquement côté primaire est compensée avec retard par une augmentation correspondante du taux d'évaporation de l'agent actif. Si la température de saturation n'augmente dans ce cas que dans une faible mesure, par contre, la pression croit dans une mesure plus importante et s'oppose à une nouvelle augmentation du taux d'évaporation. I1 en résulte que l'état de la vapeur côté secondaire reste pratiquement inchangé. Des considérations analogues sont valables pour une diminution de puissance de courte durée côté primaire ainsi que pour une augmentation ou une réduction momentanées de la charge côté secondaire. En ce qui concerne le choix des matériaux, on ne dispose généralement, pour des substances données circulant dans le circuit primaire et dans le circuit secondaire, et pour un agent actif donné, que de peu de latitude, car le matériau choisi doit résister à toutes ces substances. Par exemple, si l'échangeur de chaleur est interposé entre le circuit primaire de sodium d'un réacteur nucléaire et le circuit de vapeur de la turbine, avec du mercure comme agent actif, on peut utiliser comme matériaux des aciers (aciers ferritiques ou austénitiques). Lors d'essais de corrosion, il y a lieu de tenir compte tout particulièrement du mode de fonctionnement de l'échangeur de chaleur. C'est ainsi que des impuretés agressives de l'agent actif peuvent contribuer dans une très large mesure à la corrosion de l'évaporateur où une distillation permanente se produit et où subsistent des impuretés agressives d'une pression de vapeur plus faible. Ces conditions exigent une pureté maximale des substances utilisées. On peut également envisager de prévoir à des emplacements déterminés auxquels passe l'agent actif, des matériaux dégazeurs ou "getters", afin d'adsorber et de fixer les éléments favorisant la corrosion tels que par exemple l'oxygène. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispostifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif, sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, dans un cas pratique, compte tenu des exigences de sécurité, et des considérations relatives à la stabilité hydraulique ou au mécanisme d'ébullition de métaux liquides, la forme définitive de l'échangeur de chaleur suivant l'invention peut différer des formes d'exécution représentées. Cependant, en principe, l'échangeur de chaleur selon l'invention se distingue tnujours de l'échangeur de chaleur intermédiaire connu par la basse pression à une température relativement élevée, par l'absence de pompe qui, aux températures élevées, poseraient des problèmes difficiles à résoudre et dont on ne peut disposer que jusqu' 8000C environ, par des conditions pratiquement isothermes sur la surface d'échange de chaleur et par les bonnes propriétés d'auto-régulation du système. Grace à ces avantages, l'échangeur de chaleur suivant l'invention convient particulièrement bien dans une centrale nucléaire à refroidissement par un métal liquide, ou dans l'industrie chimique, chaque fois que de la chaleur doit être apportée à un processus chimique se déroulant dans le faisceau de tubes secondaire. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Echangeur de chaleur dans lequel de la chaleur est transmise d'un premier circuit de refroidissement à un second, caractérisé par un premier faisceau de tubes, en majeure partie plongé dans un agent actif liquide stagnant appartenant au premier circuit de refroidissement et par un second faisceau de tubes en majeure partie disposé au-dessus du niveau de liquide de cet agent actif et qui fait partie du second circuit de refroidissement, tandis qu'on choisit un agent actif tel qu'il subisse entre les deux faisceaux de tubes, à la température de fonctionnement de l'échangeur de chaleur, un cycle évaporation-condensation. 2 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faisceaux de tubes et l'agent actif sont disposés dans un récipient conrmn. 3 - Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le récipient est de forme générale cylindrique et, en service, est disposé verticalement et en ce que le premier faisceau de tubes remplit pratiquement toute la partie inférieure du récipient jusqu'au niveau de liquide, tandis que le second faisceau de tubes est disposé, dans une zone marginale cylindrique, en majeure partie au-dessus du niveau de liquide. 4 - Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le récipient est de forme généralement cylindrique et, en service, est disposé horizontalement et en ce qu'au-dessus du niveau de liquide sont disposées des plaques déflectrices qui concentrent le courant de vapeur ascendant et dévient le condensat vers les zones marginales. 5 - Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les plaques déflectrices forment essentiellement un entonnoir et ceci de telle manière que le courant de vapeur se concentre dans la région de l'axe du cylindre et que le condensat soit dévié à partir de cette région. 6 - Echangeur de chaleur selon la revendication 4 ou 5, carac térisé en ce que le second faisceau de tubes, divisé en deux paquets, remplit pratiquement l'espace situé au-dessus des tôles déflectrices, tandis que la région située au-dessus de l'axe de tubes et de l'orifice de l'entonnoir sert de compartiment à vapeur libre. 7 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des faisceaux de tubes est logé dans un récipient individuel et en ce que les deux récipients sont reliés entre eux, audessus et au-dessous du niveau de liquide de l'agent actif, par au moins deux conduites tubulaires respectives contenant chacune une soupape, le récipient contenant le premier faisceau de tubes étant disposé plus bas que l'autre récipient, de sorte qu'il présente un niveau de remplissage notablement plus élevé. 8 - Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins l'une des conduites tubulaires qui relient entre eux les deux récipients au-dessous du niveau de liquide, est équipée de moyens d'amortissement hydrauliques. 9 - Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'un paquet partiel du premier faisceau de tubes, s'étendant directement à l'extrémité chaude du premier circuit de refroidissement est disposé au-dessus du niveau de liquide. 10 - Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un paquet partiel du second faisceau de tubes s'étendant directement à l'extrémité froide du second circut de refroidissement, est disposé au-dessous du niveau de liquide. 11 - Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est interposé, dans une centrale nucléaire, entre le circuit de refroidissement nucléaire et le circuit générateur. 12 - Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour transmettre la chaleur d'une source à des processus chimiques qui se déroulent dans le faisceau de tubes secondaire.