Brevet FR2351373A1 — publié le 19771209

L'invention se rapporte à un élément de transfert de chaleur aux températures élevées, en particulier pour réacteurs nucléaires fonctionnant à température élevée et refroidis au gaz. Un gaz primaire, de préférence de l'hélium, est porté à des températures d'environ 10000G dans les réacteurs nucléaires fonctionnant à ces températures. L'énergie calorifique de ce gaz est utilisable pour la commande de machines motrices thermiques ou pour l'exécution de processus chimiques. Dans les deux cas, il peut être judicieux ou nécessaire de transférer la chaleur à un fluide secondaire qui est de préférence aussi un gaS. Ce transfert s'effectue dans un échangeur de chaleur dont les surfaces de chauffe atteignent des températures exceptionnellement élevées et subissent de fortes dilatations thermiques. Les pie' ces de ces échangeurs de chaleur ont de plus à supporter des comptessions et des forces qui produisent des efforts supplémentaires dans leur matériau. L'invention a pour objet-un échangeur de chaleur convenant à des températures très élevées et satisfaisant de plus aux critères marginaux d'une centrale nucléaire. Selon une particularité essentielle de l'invention, un distributeur est disposé à une extremité d'un tube porteur vertical qui est isolé thermiquement à ;L'extérieur et dans, le quei passe le fluide de travail devant être chauffé,-un faisceau de tubes courbés en hélices est raccordé à ce distributeur, ces tubes portés par une charpente fixée au tube porteur étant disposés sur plusieurs surfaces cylindriques de révolution qui entourent concentriquement ce tube porteur et aboutissant dans un collecteur qui entoure ce dernier et une enveloppe cylindrique de révolution associée à des organes empêchant la circulation de passer autour d'elle en service entoure ledit faisceau de tubes. Ce mode d'exécution a l'avantage complémentaire notable entre réalisable de manière simple en modules individuels pouvant ventre facilement amenés sur le chantier pour y etre assemblés. Il a de plus les avantages d'assurer un bon transfert de chaleur, d'utiliser peu de matériaux et de présenter ces matériaux de manière régulièrement répartie qui permettent des variations rapides de température. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'un élément de transfert de chaleur selon l'invention ; et les figures 2 et 3 sont des coupes verticales partielles à échelle agrandie illustrant deux variantes de réalisation de garnitures pouvant être montées entre deux éléments voi- sins de transfert de chaleur et entre de tels éléments et la paroi voisine. Un tube porteur central et vertical 1 du mode de réalisation de la figure 1 supporte un distributeur sphérique 2 auquel sont raccordés des tubes 4 courbés en hélices et formant un faisceau 3 . Ces tubes 4 passent dans leur partie courbée en hélice dans des trous 5 de quatre plaques porteuses 6 fixées par des joints 7 de soudure à la partie supérieure du tube porteur 1. Les tubes 4 débouchent à l'extrémité inférieure dans un collecteur sphérique 10 qui entoure l'extrémité inférieure du tube porteur 1 et qui est soudé à celui-ci le long d1un joint annulaire 11. L'extrémité inférieure du tube porteur 1 se prolonge en un ctne 12 fermé par un disque 13.Trois tuyaux 14 d'embranchement raccordés au cene 12 débouchent dans un cbne 15 de tole dont le bord extérieur est soudé le long diun joint circulaire 16 sur le collecteur 10. Un tuyau extérieur de jonction 20 est raccordé au collecteur 10 au. niveau de ce joint circulaire et ut tuyau intérieur 2t de jonction est raccordé au bord interne du ctne 15 tes tuyaux 14 d'embranchement raccordent ainsi l'espace annulaire 24 compris entre les deux tuyaux 20 et 21 de jonction å l'intérieur du tube porteur 1 et les espaces séparant les tuyaux i4 font communiquer lîntérietir du collecteur 10 et l'intérieur du tuyau dé jonction 21. Le tube extérieur 20 de jonction comporte un rétreint à sa partie supérieure. L'espace annulaire 24 forme au-dessus de ce rétreint un distributeur annulaire 25 aboutissant asx tuyaux 14 d'embranchement. Ce tuyau extérieur 20 comporte au niveau de ce distributeur 25 un talon 28 formant une bride dans laquelle ce tuyau lui-meme et donc aussi l'ensemble de l'élément de transfert de chaleur prennent appui sur un plateau supérieur 30 qui fait partie avec une tubulure 31 et un plateau inférieur 32 d'une dalle double de terrassement d'une fosse 35 ménagée dans une cuve de béton sous pression d'un réacteur nucléaire.La tubulure 31 se prolonge vers le bas par une gaine de protection 36 présen- tant une partie 37en soufflet sous laquelle elle est reliée de manière hermétique et non représentée au tuyau extérieur 20 de jonction. Les plaques porteuses 6 sont fixées par des joints de soudure 7 au tube porteur 1, comme mentionné plus haut. Leur extrémité inférieure prend appui par un talon 40 contre ce tube 1. Les plaques porteuses comportent une échancrure 41 entre les joints de soudure 7 et les talons 40. Une enveloppe 43 ayant la meme longueur que la partie courbée en hélice des tubes correspondants est fixée sur la partie supérieure 42 des plaques porteuses. t'enveloppe 43 prend appui à sa partie inférieure sur des talons 44. tes plaques porteuses 6 sont légèrement en retrait entre leur partie 42 et leur talon 44. L'enveloppe 43 est entourée à l'extrémité supérieure d'un feuillard 50 coudé de manière à former en plan un hexagone et qu'un couvre-joint 51 formant une bride relie hermétiquement au bord supérieur de l'enveloppe 43. Ce feuillard 50 forme avec le couvre-joint 51 un tablier radial pouvant céder élastiquement. te distributeur 2, le tube porteur I et le collecteur 10 ainsi qu'un court tronçon du tuyau 20 sont revetus d'une couche 60 de céramique isolante. te plateau supérieur 30 supporte une couche isolante 61. te fluide de travail devant etre chauffé arrive en service, de la manière indiquée par une flèche 65, dans l'espace annulaire 24 compris entre les deux tuyaux 20 et 2i de jonction, il passe dans le distributeur 25 et les tuyaux d'embranchement 14 et le tube porteur 1 le dirige dans le distributeur 2. Ainsi, les pièces qui constituent l'essentiel des éléments porteurs de l'échangeur de chaleur, c'est-à-dire le tuyau 20 de jonction, le cbne 15, les tuyaux d'embranchement 14, le c8ne 12, le tube porteur 1 et le distributeur 2, sont efficacement refroidies. La partie inférieure du tube porteur 1, les tuyaux d'embranchement 14, les cernes 12 et 15, le disque 13 et le tuyau intérieur 21 de jonction peuvent porter sur la surface tournée à l'opposé de celle.qui est balayée par le fluide de travail une couche médiane supplémentaire d'isolation non représentée qui améliore leur refroidissement. te fluide devant etre chauffé passe ensuite par les tubes 4 dans lesquels il subit l'échauffement, puis il parvient dans le collecteur 10 dont il ressort entre les tuyaux d'embranchement 14 et que le tuyau intérieur 21 de jonction dirige-vers le circuit d'utilisation, comme indiqué par la flèche 66. t'hélium chauffé dans le réacteur et formant le gaz primaire arrive comme indiqué par une flèche 67 entre le plateau supérieur 30 et le bord inférieur de l'enveloppe 43 par l'espace annulaire compris entre cette dernière et le tube porteur 1. L'hélium abandonne sa chaleur dans cet espace annulaire au fluide de travail qui circule dans les tubes 4. il quitte l'enveloppe 43 à l'extrémité supérieure de cette-dernière après avoir été refroidi , puis il se dirige comme indiqué par une flèche 68 sur une soufflante non représentée et finalement il retourne dans le réacteur nucléaire. L'hélium refroidi peut accessoirement etre dirigé dans l'espace compris entre les plateaux supérieur et inférieur 30 et 32 afin de réduire le rayonnement de chaleur contre la structure de béton 35. tes tabliers de garniture 50 et 51 fixés à l'enveloppe 43 peuvent etre remplacés de la manière représentée sur les figures 2 et 3 par des surépaisseurs 70 et 71 ayant en plan une forme carrée ou hexagonale. Dans le mode de réalisation de la figure 2, une garniture élastique 75 formée d'une mince telle à ressort résistant à la chaleur peut être placée entre les surépaisseurs 70 et 70' d'éléments voisins de transfert de chaleur disposés par exemple en étant décalés les uns par rapport aux autres, la précontrainte qui tend à écarter cette garniture compensant la différence de pression du gaz primaire s'exerÇant au niveau desdites surépais seurs. La figure 3 illustre une garniture analogue 7S sur laquelle s1 exerce la pression différentielle du gaz primaire qui contribue à liélargir en l'empechant d'etre éjectée de l'interstice dans lequel elle est montée. tes talons 40 et 44 d'appui des plaques porteuses 6 et de centrage de l'enveloppe 43 ne doivent pas nécessairement etre situés à l'extrémité inférieure de ces plaques, comme montré sur la figure 6. il peut bien au contraire etre judicieux de les placer plus haut, c'est-à-dire à un endroit auquel la température est plus basse. il est bien entendu que la représentation du dessin est uniquement schématique. il peut oestre préférable de réduire le diamètre du distribiiteur 2 et du collecteur 10 et de répartir les raccords des tuyaux sur la totalité de la surface sphérique sur laquelle n'existent pas d'autres raccords. Au lieu entre soudées sur les plaques porteuses 6, les enveloppes 43 peuvent en être indépendantes et être montées de manière à être fixes dans espace afin de permettre de légers décalages dus aux allongements thermiques dans la direction de l'axe entre ces plaques 6 et les enveloppes 43. il va de soi que ltélément de transfert de chaleur décrit et représenté peut subir diverses autres modifications sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, un joint formé d'un feuillard ayant en profil la forme d'un 2 ou d'un 8 ouvert à la partie inférieure peut être monté entre les rebords épaissis des enveloppes des éléments voisins de transfert de chaleur. REVEND ICWP IONS 1. Elément de transfert de chaleur destiné notamment à un réacteur nucléaire fonctionnant à température élevée et refroidi au gaz, caractérisé en ce qu'il comprend un distributeur monté à une extrémité d'un tube porteur vertical qui est isolé thermiquement à l'extérieur et dans lequel passe le fluide de travail devant être chauffé, des tubes courbés en hélices et formant un faisceau sont raccordés à ce distributeur et ces tubes qui sont portés par une charpente fixée au tube porteur étant disposés sur plusieurs surfaces cylindriques de révolution qui entourent concentriquement ce tube porteur et débouchant dans un collecteur qui entoure ce dernier et une enveloppe cylindrique de révolution et associée à des organes empechant en service la circulation de passer autour d'elle étant disposée autour dudit faisceau de tubes. 2. Elément de transfert de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enveloppe est fixée sur ladite charpente. 3. Elément de transfert de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l' enveloppe comporte à l'extrémité, de préférence du cEté le plus froid en service, un rebord formant une bride constituant une garniture hermétique ayant en plan un contour hexagonal. 4. Elément de transfert de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la charpente de support du faisceau de tubes consiste en plusieurs plaques perforées fixées au tube porteur et disposées radialement et parallèlement à l'axe dudit élément de transfert, les tubes du faisceau passant dans les trous de ces plaques. 5. Elément de transfert de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que plusieurs tuyaux d'embranchement raccordent le tube porteur, au niveau dudit collecteur, à un espace annulaire formé de deux tuyaux de jonction qui sont coaxiaux à ce tube porteur, le tuyau intérieur de jonction constituant un raccord au collecteur. 6. Elément de transfert de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le distri buteur et, le cas échéant ou en variante, le collecteur est sphée rique. 7. Elément de transfert de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit rebord formant garniture hermétique est constitué en tablier. 8. Elément de transfert de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rebord formant garniture hermétique est constitué d'une surépaisseur extérieure en surface de tronçon de pyramide dont la pointe est située du cEté le plus chaud et des joints capables de céder élastiquement sont logés entre les rebords formant garnitures d'éléments voisins de transfert de chaleur. 9. Elément de transfert de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les joints sont constitués de feuillards ayant un profil en 10. Elément de transfert de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les joints sont constitués de feuillards ayant en profil la forme d'un 8 ouvert à la partie inférieure.