Brevet FR2351472A1 — publié le 19771209

Ltinvention se rapporte à un circuit de transfert de chaleur destiné aux réacteurs-nucléaires fonctionnant à tem pérature élevée et refroidis au gaz, le gaz primaire provenant du réacteur abandonnant sa chaleur dans ce circuit à un gaz de travail. Ce dernier est utilisé, exemple, pour la commande de machines thermiques ou pour l'apport de chaleur à un processus chimique, ce processus pouvant se dérouler lui-meme dans ce gaz. Dans les deux cas, 11 effet du processus recherché est fonction de la température : il est d'autant plus fort que la température du gaz de travail est élevée. Bes températures élevées au gaz de travail ont cependant pour hypothèse une température encore plus élevée d'au moins une partie- de la structure de transfert de chaleur qui sépare ce gaz de travail du gaz primaire. Les matériaux de cette structure doivent de plus supporter les efforts duas aux pressions, forces et tensions thermiques. L'invention a pour objet un circuit de transfert de chaleur autorisant une température très élevée au gaz de travail et évitant au matériau de la structure de transfert de chaleur le risque de fluage exagéré et/ou de rupture. De plus, ce circuit satisfait aux critères marginaux dtune centrale à réacteur nucléaire. Le circuit de transfert de chaleur selon l'inven- tion est caractérisé par la combinaison des particularités sui vantes - le gaz primaire chaud passe d'abord autour de tubes séparateurs fourreaux disposés en un faisceau, puis il circule dans plusieurs échangeurs de chaleur à contre-courant montés en parallèle ; - le gaz de travail passe d'abord dans I téchazigeur de chaleur à contre-courant, puis,- en courants parallèles de dérivation, dans les espaces annulaires séparant les tubes sépara- teurs fourreaux et des tubes embattes coaxialement dans ces derniers et. finalement, a' l'intérieur de ces tubes emboîtés ;; - les tubes séparateurs fourreaux sont disposés coaxia liement à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique balayée longitu- dinalement par le gaz primaire ; et - les échangeurs de chaleur à contre-courant sont disposés parallèlement à l'axe du faisceau des tubes séparateurs fourreaux dans un espace annulaire qui entoure ladite enveloppe. le circuit de transfert de chaleur selon l'invention non seulement apporte la solution au problème posé, mais a de plus les avantages qu'il peut etre facilement assemblé sur le chantier à l'aide dtun nombre relativement petit de soudures et au moyen degrands éléments se fabriquant en atelier et bien transportables et qu'il permet d'utiliser des parois de faible épaisseur et de réduire les accumulations de matière en particulier dans les zones exposées aux températures très élevées. Des parois de faible épaisseur signifient une faible consommation de matériaux coûteux; les faibles accumulations de matière signifient de faibles tensions thermiques et donc autorient des variations rapides de température. T l invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est une coupe verticale schématique d'un circuit de transfert de chaleur logé dans une cuve sous pression de béton. Une cuve 1 de béton sous pression, au centre de laquelle est montéun coeur de réacteur nucléaire non représenté,- comporte sur sa périphérie plusieurs cavité 2 d'axe vertical, pratiquemen symétriques de révolution et dont une seule est représenide sur le dessin. Une isolation 3 découverte d'une ttle garnit la surface de la cavité ?. La partie supérieure de la ca vitd eyitnirique 2 présente un épaulement double. Une grille porteuse 5 et la bride d'une coupole 6 reposent sur l'épaulement inférieur 4.Un couvercle 11 .de béton armé repose sur ltépaule- ment supérieur 10 sur lequel des arganes non représentés le fixent. Un canal horizontal 15 fait communiquer la cavité cylindrique 2 avec la chambre mentionnée et non représentée du coeur du réactueur Une enveloppe cylindrique 21 suspendue à la grille porteuse 5 par plusieurs plaquettes étroites 20 se prolonge à l'ex extrémité inférieure en un cylindre court 23 de section elliptique et disposé obliquement dans un plan 22, ce cylindre étant relié par un raccord pratiquement conique 24 à un conduit 25 tarrivée du gaz primaire. Un canal annulaire 26 sépare le conduit 25 et la paroi du canal 15.Un mélangeur statique 27 disposé dans I'espace délimité par le cylindre elliptique court 23 consiste par exemple en barres de graphite se croisant et disposées sous un angle de 450 par rapport à la direction de circulation du gaz. T'enveloppe cylindrique 21, le cylindre court 23, le raccord 24 et le conduit 25 darrivée du gaz primaire sont en tales métalliques résistant aux températures nlevées et re velues intérieurement d'une isolation thermique de manière quelles soient essentiellement à la température du gaz circu lant sur leur surface extérieure. La grille porteuse 5 comporte-au centre une ouverture circulaire et, autour de cette dernière, à la périphérie, une rangée dXouvertures circulaire plus petites. Un faisceau de tubes séparateurs fourreaux 31 aboutit à un plateau d'assemblage 30 qui comporte une bride et qui est logé dans cette ouverture centrale. Ces tubes séparateurs sont fermé à l'extrémité inférieure par une calotte 32. Des tubes 33 embottés coaxiale-. ment dans les tubes 31 sont suspendus à l'extrémité supérieure à une plaque d'assemblage 34 et débouchent à leur extrémité inférieure ouverte au voisinage de la calotte correspondante 32. Cette plaque d'assemblage 34 se prolonge vers le haut en deux tubulures coniques 35 et 36 prolongées elles-m & es par un conduit 37 de sortie du gaz de travail. les tubulures 35 et 36 ainsi que le conduit 37 qui forment un collecteur 38 sont en tôle résistant aux températures élevées et aussi garnies d'une isolation thermique, par exemple de céramique. Un plateau d'assemblage 40 comportant une bride et auquel sont suspendus des éléments creux, dans le cas particulier des tubes 41 disposés dans une zone annulaire entourant un tube central 42,est monté dans chacune des ouvertures périphériques de la grille porteuse 5. L'extrémité~inférieure des tubes 41 et celle des tubes centraux 42 débouchent dans un plateau d'assemblage 44 dont la surface inférieure est enveloppée par une calotte 45 qui délimite une chambre de répartition 46. lie plateaux d'assemblage 40 forment avec les tubes 41 et les chambres de répartition 46 un échangeur de chaleur à contre-courant 47 logé dans une chambre annulaire 48 délimitée intérieurement par l'enveloppe 21. Des tubes 50 inclinés tangentiellement sur les tubes 42 raccordent ces derniers à une chambre annulaire conique 51 comprise entre le ctne 36 et un ctne 52 et se prolongeant à l'extrémité supérieure en un canal cylindrique annulaire 53 compris entre le conduit 37 de sortie du gaz de travail et un conduit 54. Un manchon 56 disposé entre le couvercle 11 de béton et le conduit 54 est relié hermétiquement à ce dernier au-dessus du couvercle et, au-dessous de ce dernier, il est relié de manière hermétique à la coupole 6. Un tube ondulé 58 relie hermétiquement le couvercle 11 au manchon 56. Des gaines 60 suspendues aux tubes 41 entourent chaque faisceau de ces tubes des échangeurs de chaleur à contrecourant 47 disposés à la périphérie de l'assemblage. L'extrémité supérieure de ces gaines 60 est au même niveau que celle de l'enveloppe cylindrique 2t et leur extrémité inférieure se trouve aussi à distance au-dessus des chambres de répartition 46 en laissant subsister un passage 61. Une chemise cylindrique 70 soudée à la surface inférieure de la grillevporteuse 5, à l'extérieur d'une ouverture de montage des plateaux d'assemblage 40, comporte à la partie inférieure une embouchure latérale 71 formant un collet dans lequel passe le raccord 24, un fond bombé 72 comportant une ouverture axiale 73 étant solidaire de 1 t extrémité inférieure de cette chemise. lie rotor 74 d'une soufflante commandée par un moteur 75 à axe vertical est disposé dans cette ouverture 73.Une cloison cylindrique 80 disposée dans ltespace annulaire séparant la chemise 70 et l'isolation 3 de manière à former deux interstices 78 et 79 de refroidissement laisse subsister un passage 81 sur son bord supérieur,tandis que son bord inférieur est soudé hermétiquement sur le fond de la cavité cylindrique 2 ainsi que sur le cOté extérieur du collet 71. Des cloisons 82 fixées à l'enveloppe 21 et à la chemise 70 ferment la partie de la chambre annulaire 48 comprise entre cette enveloppe 21 et la gaine 60. En service, le gaz primaire chaud arrivant par le conduit 25 et le raccord 24 passe dans le mélangeur statique 27, dans lequel sa température est égalisée, puis passe le long et autour des tubes séparateurs fourreaux 31 auxquels il abandonne de la chaleur. Ce gaz primaire parvient ensuite par les intervalles séparant les plaquettes 20 dans les espaces séparant les tubes 41. Il balaie ceux-ci pour ressortir à l'extrémité inférieure des gaines 60 et, après avoir passé autour des chambres de répartition 46, il parvient à la soufflante 74.Cette der nière refoule~le gaz primaire refroidi dans lXinter-stice annulaire compris entre la chemise 70 et la cloison 80 et dans lequel il remonte Jusque sur le bord supérieur de cette derniers. te là il redescend dans l'interstice compris entre la cloison 80 et ltisolation-3 vers le fond de la cavité cylindrique 2 d'où il retourne vers la chambre du coeur du réacteur dans le canal annulaire 26 compris entre ltarrivée 25 et le canal 15. le gaz de travail arrive par l'espace annulaire 53 et l'espace annulaire conique 51 et passe par les tubes de rac cord 50 montés élastiquement pour pénétrer dats les tubes centraux 42, puis passer des chambres de répartition 46 dans les tubes 41 dans lesquels il subit le réchauffage à contre-courant, ce gaz passant ensuite dans l'espace hémisphérique situé sous la coupole 6.De cet espace, le gaz de travail passe dans les interstices annulaires compris entre les tubes séparateurs fourreaux 31-et les tubes 33 emboftés dans ces derniers,il parvient à l'extrémité fermée de ces tubes 31. où il est porté à sa température maximale, puis il retourne en sens inverse par 1Z inté- rieur des tubes emboftés 33, dont la surface intérieure est re velue d'une isolation, dans le conduit de sortie 37 qui le dirige vers les machines utilisatrices, par exemple sur un groupe à turbine à gaz, ou dans une installation chimique. La disposition adoptée est telle que les températures les plus élevées produisent leurs effets sur les surfaces de transfert de chaleur des calottes 32 et de la partie inférieure des tubes séparateurs fourreaux 31. Ces éléments ne subissent pratiquement aucune tension en service normal, de sorte que le gaz de travail peut atteindre sans aucun inconvénient des températures extrêmes élevées. La température du gaz primaire chaud est déjà suf- fisamment descendue à l'entrée dans les échangeurs de chaleur 47 à contre-courant pour que les températures qu'atteignent les pièces métalliques restent admissibles même sous les tensions permanentes considérables que ces dernières doivent normalement supporter; Des entretoises peuvent étre montées sur les tubes embottés 33, de préférence à une distance de la plaque d'assemblage 34 qui correspond approximativement à deux tiers de leur longueur, de manière qu'ils soient centrés-dans les tubes 31. Il va de soi que l'exemple de réalisation décrit et représenté peut subir dsterses modifications sans sortir do cadre de l'invention -et qu'il doit être considéré uniquêmen;t comme un sachems, car les tubes séparateurs fourreaux S1 débou-~ chant dans le mFme plateau d'assemblage 30 peuvent ne pas titre par exemple tau nombre d'environ sept, mais par exemple de cent. REVENDICATIONS 1. Circuit de transfert dc chaleur destiné aux réacteurs nucléaires fonctionnant à température élevée et refroidis par un gaz, le gaz primaire très chaud, provenant du réacteur, abandonnant sa chaleur dans ce circuit à un gaz de travail, ledit circuit étant caractérisé par la combinaison des particularités suivantes : le gaz primaire chaud balaie doabord extérieurement des tubes séparateurs fourreaux disposés en un faiscea.u, puis il circule dans plusieurs échangeurs de chaleur à contre-courant montés en parallèle, tandis que le gaz de travail passe d'abord dans ces échangeurs de chaleur à contre-courant,puis il circule en courants parallèles de dérivation dans des interstices annulaires compris entre lesdits tubes séparateurs fourreaux et des tubes embottés coaxialement dans ces derniers pour ensuite passer à l'intérieur de ces tubes embottés, lesdits tubes séparateurs fourreaux étant disposés coaxialement à l'intérieur dlune enveloppe cylindrique balayée longitudinalement par le gaz primaire et lesdits échangeurs de chaleur à contre-courant étant disposés parallèlement à l'axe dudit faisceau des tubes séparateurs fourreaux dans une chambre annulaire qui entoure ladite enveloppe. 2. Circuit de transfert de. chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes séparateurs fourreaux aboutissent dans au moins un plateau d'assemblage, chacun desdits échangeurs de chaleur à contre-courant aboutit aussi dans un plateau d'assemblage et tous ces plateaux d'assemblage sont fixés de manière hermétique sur une grille porteuse commune. 3. Circuit de transfert de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'unie coupole chevauche la grille porteuse et les tubes embottés dans les tubes séparateurs fourreaux débouchent dans au moins un collecteur disposé à ltinté- rieur de cette coupole. 4. Circuit de transfert de chaleur selon lrune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les échangeurs de chaleur à contre-courant sont formés d'éléments creux allongés dans lesquels passe le gaz de travail et qui sont logés dans une gaine ouverte aux deux extrémités et ie reste de la chambre annulaire situé à ltextorieur de cette gaine est fermé par une barrière interdisant au gaz primaire de la longer. 5. Circuit de transfert de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite chambre annulaire est entourée d'au moins un interstice de refroidissement dans lequel circule le gaz froid de travail ou le gaz primaire refroidi. 6. Circuit de transfert de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un mélangeur statique est disposé dans le canal d'arrivée du gaz primaire chaud. 7. Circuit de transfert de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'extrémité de la chambre annulaire tournée à ltopposé de la grille porteuse est reliée à ltentrée d'une soufflante destinée à faire circuler le gaz primaire refroidi. 8. Circuit de transfert de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la sortie de la soufflante est reliée audit interstice de refroidissement. 9. Circuit de transfert de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit interstice de refroidissement est entouré par un second interstice de refroidissement dont l'extrémité tournée vers la grille porteuse communique avec ce premier interstice et celle qui est tournée à l'opposé de cette grille communique avec un canal annulaire qui entoure le canal d'arrivée du gaz primaire chaud. 10. Circuit de transfert de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'ut conduit annulaire dans lequel passe le gaz froid de travail entoure un conduit partant d'un collecteur du gaz de travail chaud et enveloppe au moins aussi partiellement ce collecteur et des conduits de dérivation partant de ce conduit annulaire mènent aux différents échangeurs de chaleur à contre-courant. 11. Circuit de transfert de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits conduits de dérivation traversent le plateau d'assemblage des échangeurs de chaleur à contre-courant et se prolongent parallèlement audits éléments creux jusqu'à l'extrémité inférieure de ces derniers pour se raccorder en cet emplacement avec ces éléments creux à-des chambres de répartition. 12. Circuit de transfert de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'au moins l'un d'eux est logé dans l'écran qui renferme le réacteur nucléaire.