Brevet FR2182119A1 — publié le 19731207

1508^ 1 2182119 La présente invention est Relative à un échangeur de chaleur et concerne plus particulièrement des dispositions techniques destinées à diminuer le choc thermique subi par les plaques tubu-laires. 5 le transfert de chaleur d'un fluide à un autre est de prati que et de nécessités relativement courantes dans le domaine industriel. C'est sans doute dans l'industrie chimique et les centrales énergétiques que l'on utilise plus particulièrement les équipements destinés à-ce transfert de chaleur. 10 Dans une centrale nucléaire à eau sous pression, par exem ple, l'eau primaire de refroidissement absorbe la chaleur engendrée dans un réacteur nucléaire. Le liquide primaire de refroidissement ainsi chauffé est canalisé vers la calotte d'admission d'un échangeur de chaleur. A partir de cette calotte d'admission 15 ledit fluide s'écoule dans des tubes rassemblés en faisceau avant de sortir de 1'échangeur en passant par une calotte d'évacuation. Le liquide secondaire de refroidissement est envoyé vers le faisceau de tubes en passant par un orifice ou une buse d'admission. Généralement, cette buse est prévue près de la plaque qui fixe les 20 tubes du faisceau à la calotte d'évacuation. Compte-tenu du caractère massif des échangeurs de chaleur utilisés dans les centrales nucléaires, ces plaques tubulaires peuvent recevoir jusqu'à 15 000 tubes d'environ 12,5 mm de diamètre. Pour accueillir un assemblage de tubes d'une telle importan-25 ce, dans un échangeur de chaleur de taille raisonnable, on prévoit fréquemment des plaques tubulaires ayant une épaisseur d'environ 60 cm. De ce fait, les différences de température qui se manifestent dans ladite plaque tubulaire ont tendance à produire des 30 tensions thermiques. Ainsi, la différence de température qui existe entre le fluide secondaire froid venant de l'orifice d'admission de l'eau d'alimentation, d'un côté de la plaque tubulaire, et le fluide primaire plus chaud qui se trouve dans la calotte d'évacuation, de l'autre côté de la plaque tubulaire, peut pro-35 duire des forces persistantes et très puissantes du fait des propriétés de dilatation thermique au métal. Cet état de choses se trouve particulièrement aggravé pour des pièces épaisses. Toutefois, dans les plaques tubulaires, les tensions thermiques se concentrent généralement dans les premiers centimètres d'épaisseur 40 à partir du côté du fluide secondaire de la pièce. Coiapte-tenu à 73 15084 2 2182119 la fois de ces phénomènes calorifiques et de la conception et de la forme de réalisation d'un échangeur de chaleur, il est clair que si la différence de température et l'épaisseur de la plaque tubulaire sont suffisamment importantes, les forces d'origine 5 calorifique engendrées peuvent provoquer une rupture de la plaque ou d'une autre pièce de 1'échangeur de chaleur. le cycle thermique, au cours duquel les différences de température subies par la plaque tubulaire varient largement, complique encore ce problème. Ainsi, la plaque tubulaire peut subir 10 des dégâts provoqués par la fatigue du métal, même si l'on a résolu le problème fondamental qui consiste à empêcher les ruptures dues aux tensions thermiques. Il a été suggéré d'utiliser des "économiseurs" pour améliorer l'efficacité des échangeurs de chaleur. Toutefois, la présen-15 ce d'un économiseur tend à aggraver les effets du choc thermique pour la plaque tubulaire. Dans un échangeur de chaleur du type dont il est question ici, un économiseur peut être constitué par un réseau de chicanes fixé dans le faisceau de tubes, au voisinage de la buse d'admission de l'eau d'alimentation et dans un 20 sens généralement transversal à l'orientation longitudinale des tubes . Les plaques de chicane ou déflecteurs ne s'étendent pas sur toute la surface du faisceau mais sont en général des organes discontinus. En outre, ces plaques sont espacées les unes des autres dans un sens longitudinal de façon à former dans leur terri-25 toire un trajet en labyrinthe pour l'écoulement du fluide secondaire à travers le faisceau de tubes, les déflecteurs qui forment 1'économiseur contribuent de cette façon à empêcher le fluide secondaire de refroidissement provenant de l'orifice d'admission de l'eau d'alimentation d'entrer immédiatement en contact avec 30 la plaque tubulaire. 0e freinage de l'écoulement de l'eau d'alimentation laisse au fluide secondaire la latitude d'absorber une certaine quantité de chaleur, et par conséquent, de se réchauffer avant de balayer la plaque tubulaire. Ainsi,le choc thermique au niveau de la plaque tubulaire est atténué dans une certaine mesu-35 re» Toutefois, cette solution ne se révèle pas entièrement satisfaisante. Les conditions thermiques et hydrodynamiques régnant dans la zone de fluide secondaire de 1'échangeur de chaleur peuvent éventuellement se combiner pour créer des conditions de va-40 porisations instables. Ainsi, des oscillations de pression de va 73 15084 3 2182119 peur à la sortie du fluide secondaire constituent un aspect de ce phénomène d'instabilité. Il apparaît donc nécessaire de protéger les plaques tubulaires des échangeurs de chaleur contre les tensions thermiques ex-5 cessives tout en créant des conditions de vaporisation plus stables. La mise en oeuvre de l'invention permet de surmonter ces difficultés dans une large mesure. Ainsi et à titre d'exemple, la plaque de chicane ou déflecteur qui se trouve le plus rapproché 10 de la plaque tubulaire, du côté du fluide secondaire, est un organe continu non perforé. Toutefois, un espace libre est prévu entre les tubes du faisceau et la circonférence des trous conjugués par lesquels les tubes traversent ladite plaque de chicane. Cet espace engendre une fuite commandée du fluide d'alimentation 15 vers le "voLume de l'échangeur délimité par le côté, baigné par le fluide secondaire, de la plaque tubulaire et la face opposée de la plaque continue de 1'économiseur. L'eau d'alimentation relativement froide s'écoule le long des parties de tubes exposées à l'intérieur de ce volume et elle absorbe ainsi assez de chaleur 20 pour épargner tout choc thermique à la plaque tubulaire ou à l'enveloppe qui entoure 1'échangeur de chaleur. On peut, de préférence, laisser le fluide secondaire s'écouler du volume créé entre 1'économiseur et la plaque tubulaire. Si on laisse ce fluide sortir ainsi dudit volume, on peut le faire 25 retourner vers le faisceau de tubes, au-dessus de 1'économiseur. Le plan où ce fluide rejoint le courant principal de fluide secondaire est déterminé par les pressions relatives de la vapeur qui monte à travers le faisceau de tubes et de la vapeur engendrée à partir de la fuite de 1'économiseur. 30 Les principes de cette invention peuvent être mis en oeuvre dans un certain nombre de constructions différentes les unes des autres. Par exemple, on peut régler la vitesse à laquelle le fluide s'échappe du volume compris entre 1'économiseur et la plaque tubulaire en prévoyant un prolongement ou "jupe" à l'extrémité du 35 blindage qui entoure le faisceau de tubes. Cette jupe déborde de la plaque continue de 1'économiseur en direction de la plaque tubulaire de façon à enfermer la vapeur du fluide de fuite dans une poche. Des orifices ou des conduits destinés à assurer un écoulement déterminé à l'avance peuvent être prévus dans la jupe pour 40 entretenir une vitesse de fuite faible mais sûre à partir dudit 73 15084 4 2182119 volume. On peut également prévoir une canalisation d'évacuation pour faire communiquer avec l'extérieur, ou toute autre partie du dispositif de production d'énergie, le volume de fluide pris entre 5 1'économiseur et la plaque tubulaire. On a constaté aux essais que pour un dispositif conçu selon les caractéristiques de l'invention, la pression se révélait stable à la sortie du fluide secondaire, et ceci dans toute la gamme des conditions de charge. On a noté une légère instabilité 10 de la pression d'évacuation à environ 20 $ de la charge. Toutefois, à cette charge,les variations de pression se sont montrées espacées et non périodiques. Cette stabilité d'ordre général peut provenir de la résistance d'écoulement élevée se manifestant au niveau de la plaque de 1'économiseur qui- tend à "découpler" la 15 vapeur du volume créé au voisinage de la plaque tubulaire-de la vapeur montant dans le faisceau de tubes. Les essais ont également démontré, et ceci dans toutes les conditions d'observation, que le fluide se trouvant entre l'économiseur et la plaque tubulaire existait sous forme de vapeur 20 surchauffée, c'est-à-dire que la vapeur possédait plus qu'il ne fallait de chaleur pour rester sous la forme d'un gaz sec à la pression existant dans le volume créé entre 1'économiseur et la plaque tubulaire. les caractéristiques et avantages de l'invention ressorti-25 ront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple d'une forme de réalisation préférée, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement en coupe un échangeur de chaleur typique réalisé selon les principes de l'invention ; 30 la figure 2 est une vue agrandie en coupe d'une partie de 1'échangeur de chaleur de la figure 1 ; la figure 2A est une autre vue agrandie en coupe d'une partie de la structure représentée à la figure 2 ; la figure 3 est une vue schématique en coupe d'une partie 35 d'un échangeur de chaleur qui représente une autre réalisation de l'invention. Pour mieux comprendre l'invention, on se reportera à la figure 1 qui représente un échangeur de chaleur 10. Cet échangeur de chaleur est caractérisé par une calotte d'admission 11 du flui-40 de primaire de refroidissement et par une plaque, tubulaire 12 de 73 15084 s . 2182119 la calotte d'admission, ladite plaque recevant et maintenant les extrémités d'admission des tubes disposés longitudinalement qui constituent un faisceau 13 mais dont quelques uns seulement sont représentés à titre d'illustration. 5 A l'exception d'un espace libre 14 adjacent à la face 15 de la plaque tubulaire 12 de la calotte d'admission, face dite de fluide secondaire, le faisceau de tubes 13 est entouré d'un blindage 16. Ce blindage présente une collerette annulaire transversale 17. Le périmètre de la collerette 17 est fixé à la face in-10 térieure d'une enveloppe 20 de forme d'ensemble cylindrique pour maintenir le blindage 16 en position relative adéquate. L'enveloppe 20 entoure l'ensemble de 1'échangeur de chaleur et est soudée ou fixée de toute autre manière appropriée à la chambre de sortie de fluide primaire délimitée par la calotte 15 d'évacuation 21 et à la calotte d'admission 11. Une plaque tubulaire 22 de la calotte d'évacuation est disposée transversalement et constitue le moyen de fixation des extrémités d'évacuation des tubes du faisceau 13 à la structure de 1'échangeur de chaleur. Les buses d'arrivée 23 et 24 de l'eau d'alimentation assurent 20 l'entrée du fluide de refroidissement secondaire à travers l'enveloppe 20 et le blindage 16 jusqu'à la partie ou volume de l1 échangeur de chaleur qui est extérieure aux tubes du faisceau 13. Comme on peut le constater, les arrivées d'eau d'alimentation sont voisines de la plaque tubulaire 22 de la calotte d'évacua-25 tion. En outre, la collerette 17 du blindage 16 réduit le trajet d'écoulement de l'eau d'alimentation au volume qui est occupé par le faisceau de tubes 13, du fait que la collerette bloque la libre communicationîde fluide à travers le passage annulaire existant entre le blindage et la face intérieure de l'enceinte 20. 30 Un économiseur 25 reçoit l'eau d'alimentation relativement froide. L'économiseur est constitué par un réseau de plaques en chicane ou déflecteurs 26, 27, 30 et 31 qui sont séparés longitu--dinaleaent les uns des autres. Les déflecteurs 26, 27 et 30 se présentent chacun soit sous la for;.:e d'organes ou plaques discon-35 tinus, soit sous la forme d'organes ou plaques percés de trous. Ces trous ne sont pas respectivement alignés, et ceci a pour effet de créer aes voies de circulation en labyrinthe qui contraignent le fluide d'alimentation à parcourir la partie du faisceau de tubes réservée au fluide secondaire en suivant un trajet si-40 nueux. 73 15084 6 2182119 Conformément à une caractéristique de l'invention, le déflecteur 31, qui est le plus rapporché de la face supérieure ou côté 32, baigné par le fluide secondaire, de la plaque tubulaire 22, est un organe continu non percé d'ouvertures, contrairement 5 aux déflecteurs 26, 27 et 30. Ainsi que l'on peut le voir à plus grande échelle aux figures 2 et 2A, la plaque continue 31 est traversée par chacun des tubes du faisceau 13. Ces tubes passent à travers tui volume 33 qui est délimité par le déflecteur 31 et la face supérieure 32 de la plaque tubulaire 22. Les alésages 34 10 et 35 percés dans le déflecteur 31 ont un diamètre légèrement supérieur au diamètre extérieur des tubes correspondants qui passent à travers le déflecteur. En outre, les extrémités d'évacuation des tubes du faisceau 13 sont fixées à la plaque tubulaire 22. 15 les petits passages annulaires ainsi créés entre chaque tube du faisceau 13 et les bords des alésages correspondants du déflecteur 31 constituent autant de voies d'écoulement pour le fluide relativement froid qui se trouve ainsi entraîné le long et à l'extérieur des tubes jusque dans l'espace 33. En circulant le 20 long des surfaces des tubes, le fluide d'alimentation absorbe la chaleur du fluide primaire de refroidissement qui s'écoule dans chacun de ces tubes, la chaleur ainsi absorbée par l'eau d'alimentation en acrroît la température,-et diminue de ce fait la possibilité d'un choc thermique ou de tensions thermiques excessives 25 pour la plaque tubulaire 22 de la calotte d'évacuation. les expériences réalisées ont démontré que le fluide était en état de surchauffe à l'intérieur de l'espace 33. En conséquence, la pression de vapeur engendrée dans ledit espace tend à régler le volume du fluide qui balaye les tubes du faisceau 13. 30 Dans une réalisation préférée de l'invention, ce fluide est "pris" dans l'espace 33 et il crée une pression de vapeur qui a pour effet d'empêcher la poursuite de l'écoulement à travers le déflecteur 31 de 1'économiseur, à l'exception d'une certaine cir-culationiie retour vers 1'économiseur par les alésages 34 et 35 de 35 la plaque 31. Par ailleurs et de préférence, cette pression de vapeur dans le volume 33 est réglée par un robinet-vanne 36 qui interrompt au choix la communication de fluide qu'une canalisation de vidange 37 établit entre l'espace 33 et l'air libre ou une partie sous 40 basse pression du cycle vapeur. 73 15084 7 2182119 La figure 3 représente une autre réalisation de l'invention. L'économiseur 25' joue un rôle identique à celui que l'on a décrit en référence aux figures 1 et 2. Toutefois, le "blindage 40 qui entoure les tubes du faisceau 13 ne s'arrête pas à la hauteur 5 du déflecteur 31, mais il présente une jupe cylindrique 41 qui s'étend de la plaque 31 jusqu'au côté de fluide secondaire 32 de la plaque tubulaire 22, de façon à entourer entièrement l'espace 33'. Afin de régler la pression de vapeur dans ce dernier espace, 10 des orifices 42 et 43' sont prévus dans la jupe 41 pour régler les conditions d'écoulement à partir de cet espace 33' par un conduit de dérivation 44. Ce conduit de dérivation assure la liberté de communication pour le fluide sortant des orifices 42 et 43 et du côté de fluide secondaire du faisceau 13. 15 Naturellement, la pression de vapeur engendrée dans le volu me 33' telle qu'elle se manifeste à la sortie des orifices 42 et 43 doit être au moins quelque peu supérieure à celle existant dans le faisceau de tubes, à la hauteur d'une tuyère de rentrée 45. 20 II est clair que la vapeur issue du volume 33 peut aussi passer par une canalisation de purge ou être évacuée de toute autre manière appropriée, comme il a été dit pour les figures 1 et 2. De même, la vapeur créée dans le volume 33 (figure 2) peut être réintroduite dans le faisceau de tubes si cela est opportun. 25 Bien entendu, les dispositions décrites et représentées pourront faire l'objet de diverses variantes et modifications de détail, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. 73 15084 8 2182119 REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur constitué d'un faisceau de tubes disposés longitudinalement, d'une plaque tubulaire pour fixer ledit faisceau, d'un conduit d'admission de fluide ou eau d'alimenta-5 tion situé à une certaine distance de ladite plaque tubulaire, caractérisé par un économiseur situé à distance de la plaque tubulaire, ledit économiseur présentant plusieurs plaques espacées longitudinalement disposées transversalement au faisceau de tubes, l'une de ces plaques étant adjacente à ladite plaque tubu-10 laire et percée de plusieurs trous par lesquels les tubes du faisceau de tubes peuvent passer, la distance existant entre la plaque tubulaire et la plaque adjacente de 1'économiseur créant un espace entre elles, chacun des trous pratiqués dans ladite plaque de 1'économiseur engendrant avec leurs tubes respectifs 15 autant d'espaces libres qui permettent à l'eau ou fluide d'alimentation de s'écouler jusque dans ledit espace créé entre ladite plaque tubulaire et ladite plaque adjacente de 1'économiseur, en vue d'empêcher les tensions thermiques de se manisfester dans ladite plaque tubulaire. 20 2.Echangeur de chaleur selon la revendication 1, comprenant également des moyens pour évacuer l'eau d'alimentation de l'espace créé entre ladite plaque tubulaire et ladite plaque adjacente de 1'économiseur. 3.Echangeur de chaleur selon la revendication 1, comprenant 25 également une jupe entourant l'espace créé entre ladite plaque tubulaire et ladite plaque d'économiseur pour régler l'écoulement de fluide à partir de cet espace, ladite jupe présentant au moins un orifice pour assurer l'évacuation du fluide dudit espace. 4.Echangeur de chaleur selon la revendication 1, comprenant 30 aussi une canalisation destinée à renvoyer au faisceau de tubes le fluide issu de l'espace créé entre ladite plaque de 1'économiseur et ladite plaque tubulaire. 5.Echangeur de chaleur selon la revendication 2, dans lequel lesdits moyens d'évacuation comprennent aussi une vanne pour 35 évacuer sélectivement le fluide qui se trouve dans l'espace créé entre ladite plaque de 1'économiseur et ladite plaque tubulaire.