Brevet FR2386798A1 — publié le 19781103

La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur pour hautes températures et hautes pressions. Plus précisément, l'invention concerne un échangeur de chaleur pour hautes températures et hautes pressions du type comportant a 11 intérieur d'une enceinte étanche une plu ralité de tubes autour desquels circule un fluide primaire et dans lesquels circule un fluide secondaire et au moins une plaque délimitant a l'une des extrémités de ladite enceinte une chambre de sortie dudit fluide secondaire. Plus précisément encore, l'invention concerne un échangeur du type précité permettant dleviter, lors des variations rapides de la température dudit fluide secondaire, l'établissement de gradients thermiques excessifs dans la paroi de ladite chambre. On rappelle que de tels gradients créent dans la paroi de ladite chambre, compte tenu de l'épaisseur importante de cette dernière pour des pressions élevées de fonctionnement, des contraintes dépassant la limite élastique du matériau constituant ladite chanibre et provoquant un fluage, principalement dans la zone de raccordement de ladite plaque à ladite enceinte. Par ailleurs, on sait que des variations importantes et rapides de la température du fluide secondaire d'un échangeur de chaleur interviennent notamment dans un aénérateur de vapeur associéà un réacteur nucléaire refroidi par un métal liquide lors des changements de régime de fonctionnement normaux ou accidentels de ce dernier. De ce fait l'échangeur de l'invention est plus particulièrement destiné à être utilisé dans le circuit de refroidissement d'un réacteur nucléaire refroidi par un métal liquide. L'échangeur de l'invention se caractérise en ce qu'il comporte, à l'intérieur d'une enceinte étanche, une pluralité de tubes autour desquels circule un fluide primaire et dans lesquels circule un fluide secondaire, au moins une plaque horizontale délimitant à l'une des extrémités de ladite enceinte une chambre de sorte dudit fluide secondaire et un écran métallique disposé à l'intérieur de ladite chambre de façon à délimiter avec la paroi interne de ladite chambre un espace d'isolation rempli d'une couche stagnante dudit-fluide secondaire et en communication avec la zone de ladite chambre interne audit écran. Ainsi, l'échangeur tel que caractérisé ci-dessus, tire avantageusement Profit de la présence, dans ladite chambre, dudit écran, ce dernier permettant de limiter de façon satisfaisante les gradients thermiques s'établissant dans la paroi de ladite chambre lors de variations rapides de la température du fluide secondaire. Selon une réalisation préférentielle de l'échangeur de l'invention, ladite chambre et ledit écran sont de forme hémisphérique, ladite chambre étant pourvue d'au moins une buse de sortie dudit fluide secondaire et ledit écran étant fixé sur ladite plaque et pourvu d'un orifice en vis-à-vis de ladite buse. Selon cette réalisation, ledit écran est avantageusement rigidifié en étant rendu solidaire d'une part, des bords inférieur et supérieur d'une virole cylindrique située à l'in térieur de l'hémisphère délimité par ledit écran et de révolution par rapport à l'axe dudit hémisphère et d'autre part, de goussets disposés dans des plans radiaux de l'hémisphère délimité par ledit écran, lesdits goussets étant de préférence rendus solidaires de ladite virole. Par ailleurs, selon l'invention ledit écran est de préférence fixé sur ladite plaque par l'intermédiaire d'une collerette annulaire percée d'orifices, ces orifices étant raccordés à des moyens de vidange dudit espace d'isolation. D'autre part, l'orifice dudit écran est de préférence rendu solidaire d'un baffle cylindrique prolongeant ledit écran à l'intérieur de ladite buse de sortie dudit fluide secondaire Selon une disposition particulière de l'Rnvention, ledit écran est de façon avantageuse constitué de deux parties distinctes inférieure et supérieure raccordées entre elles le long du bord supérieur de ladite virole, la partie supérieure étant de préférence réalisée à partir d'une pluralité de secteurs angulaires raccordés entre eux, ces secteurs ayant une largeur permettant leur introduction dans la chambre par un passage prévu dans cette dernièrecu par la buse de sortie du fluide secondaire. Selon cette disposition, les secteurs de la partie supérieure sont de préférence raccordés entre eux par l'intermédiaire desdits goussets. Selon une autre disposition de l'invention adaptée à un échangeur pourvu b'une chambre de sortie du fluide secondaire de grande taille, ledit écran est de-façon avantageuse constitué de deux parties distinctes inférieure et supérieure réalisées chacune à partir d'une pluralité de secteurs angulaires raccordés entre eux. D'autre part, selon l'invention, l'épaisseur dudit écran est de préférence comprise entre 1 et 10 mm et la largeur dudit espace d'isolation de préférence comprise entre 5 et 20 itm. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaltront plus clairement au regard de la description qui suit d'un exemple de réalisation.d'un générateur de vapeur qui, destiné à être-intégré dans le circuit de refroidissement d'un réacteur nucléaire refroidi par un métal liquide, comporte les dispositions nouvelles de l'invention, cet exemple étant donné à titre illustratif mais nullement limitatif. Cette description sera faite au regard des figures schématiques annexées 1 à4, sur lesquelles on a représenté - sur la figure 1, une vue en coupe verticale d'un générateur de vapeur selon l'invention, pour réacteur nucléaire refroidi par métal liquide - sur la figure 2, une vue partielle en coupe verticale de la partie supérieure du générateur de la figure 1, cette figure presentant les dispositions nouvelles de l'invention - surales figures 3 et 4, respectivement, en coupe horizontale et en coupe verticale, une vue de la partie supérieure du générateur.de la figure 1 présentant un mode de mon tage des dispositions nouvelles de l'invention. Au vu de la figure 1, on voit que le générateur de vapeur selon l'invention est inclus dans une enceinte étanche 2 qui, en combinaison avec deux plaques fixes horizontales 4H et 4B- reliées de façon étanche à la paroi latérale de l'en ceinte 2, de-limite un espace d'échange de chaleur 6 A l'intérieur de cet espace d'échange de chaleur 6 sont disposés verticalement des tubes 8 reliés par lieurs extrémités inférieure et supérieure auxdites plaques 4B et 4H au droit d'orifices 10 ménagés dans ces dernières et portant des lyres de dilatation 44. Les dits tubes 8 définissent une surface d'échange de chaleur entre un fluide primaire chaud constitué dans cet exemple de réalisation par le métal liquide du circuit de refroi- dissement d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, ce métal liquide ayant reçu des calories du métal provenant du coeur du réacteur et un fluide secondaire à évaporer constitué dans cet exemple par l'eau alimentant la turbine de l'installation On précise que le fluide primaire chaud est mis en circulation autour desdits tubes 8 entre son entrée 12 dans ladite enceinte 2 et sa sortie 14 de cette dernière et que le fluide secondaire est mis en circulation à l'intérieur de chacun des tubes 8 de leur extrémité inférieure vers leur extrémité supérieure On voit autre part, sur la figure 1 que ladite plaque horizontale 4H délimite dans la partie supérieure de ladite enceinte 2 me chambre 16 dite dans ce type de genera- teur boite à vapeur, cette boite à vapeur 16 étant pourvue à sa partie supérieure d'une buse 18 de sortie de la vapeur De la même façon la plaque horizontale inférieure 4B délimite à l'extrémité inférieure de ladite enceinte 2 une chambre 17 dite Boite à eau, cette boite à eau 17 étant pourvue d'une buse 19 d'entrée de l'eau. On peut noter que compte tenu des températures et pressions élevées de fonctionnement d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, la paroi 42 de ladite chambre 16, générale- ment de forme hémisphérique, présente une épaisseur Importante On peut également noter que les changements de régime de fonctionnement du réacteur associé au générateur de la figuré 1 (démarrage et arrêts) et les incidents de fonctionnement de ce dernier (arrêt intempestif du débit du métal liquide) engendrent dans ladite chambre 16 des variations rapides de la température du fluide entre la température de la vapeur en service normal (vapeur surchauffée) et celle de l'eau à une température inférieure ou égale à celle de la saturation. Aussi, selon la caractéristique essentielle de l'invention, un écran métallique mince 20 se présentant sous la forme d'une calotte- hémisphérique- est disposé à l'inte- rieur de ladite chambre 16 de façon à délimiter avec la face interne de la paroi 42 de cette dernière un espace d'isolation 22. On voit sur la figure 1 que ledit cran 20 de préférence réalisé -en acier austénitique est fixe par son bord inférieur sur ladite plaque 4H à proximité des orifices périphériques 10 de cette dernière et présente à sa partie supérieure un orifice 24 situé en vis-à-vis de ladite buse 18 de sortie de vapeur de ladite chambre 16. On note que ledit écran 20 se prolonge à l'intérieur de ladite buse 18 par un baffle cylindrique 26 rendu solidaire dudit écran 20 le long du bord libre de l'orifice 24 ménagé dans ce dernier. On peut noter que l'orifice 24 met en communication l'espace d'isolation 22 et la zone de ladite chambre interne audit écran 20, ce qui conduit à la formation d'une lame de fluide secondaire stagnante dans ledit espace 22. On remarque d'autre part au vu de la figure 1 que ledit écran est rigidifié d'une part, par une virole cylindrique 28 percée d'orifices 29 et dont les bords libres sont rendus solidaires dudit écran 20 et d'autre part, par des goussets 30 rendus solidaires de la partie supérieure dudit écran 20 et dè ladite virole 28 Le mode d'action dudit écran à l'intérieur de ladite chambre 16 est le suivant La lame de fluide stagnante entre la paroi de ladite chambre 16 et ledit écran 20 assure une protection thermique de ladite chambre 16 limitant, lors des changements de régime de fonctionnement du réacteur associé au générateur, les gradients thermiques s'établissant dans la paroi 42 de ladite chambre 16 Ainsi, comme on le verra ultérieurement la présence dudit écran 20 à l'intérieur de ladite chambre 16 permet de réduire de façon notable les intensités des contraintes s'établissant dans la paroi de cette dernière lors des changements de régime de fonctionnement du réacteur et par suite engendre une réduction notable du facteur d'usage pour dommage en fluage Sur la figure 2, on a représenté de façon plus précise la structure dudit écran 20 et son mode de fixation sur la plaque 4H. Ainsi, on voit sur la figure 2 que le bord inférieur dudit écran 20 est fixé sur ladite plaque 4H par i ' intermédiai- re d' une collerette annulaire 32, ledit écran pouvant être fixé sur ladite plaque par tous moyens connus tels que des goujons 34 ou par soudure On précise que ladite collerette annulaire 32 est percée d'orifices 36 en vue d'assurer la vidange dudit espace d'isolation 22. D'autre part, on voit sur la figure 2 que des goussets tels que 30 destinés à rigidifier ledit écran 20 s'étendent radialement depuis ce dernier et ladite virole 28 vers le centre de ladite chambre 16, l'écran et la virole 28 étant soudés ou fixés par tous moyens connus sur une portée 38 dudit gousset 30. On précise qu'un gousset 30 est rendu solidaire de ladite virole 28 entre deux orifices consécutifs 290 On peut noter au vu de la figure 2 que ledit écran 20 peut de façon avantageuse présenter une partie supérieure 20H réalisée à partir d'une pluralité de secteurs angulaires SK raccordés entre eux dans le plan d'un gousset 30 et une partie inférieure 20B, les parties 20H et 20B étant raccordés en étant fixées sur le bord supérieur de ladite virole 28 La partie inférieure 20B peut également être composée, pour une chambre 16 de dimensions importantes, d'une pluralité de secteurs angulaires SB;; Sur les figures 3 et 4, on a représenté schemati- quement un mode de montage dudit écran 20 dans le cas d'une chambre 16 de dimensions importantes à partir de 17 secteurs métalliques angulaires SB et de 17 secteurs métalliques angulaires SH constituant les secteurs Si, S1 à S17 de la figure 3, chacun desdits secteurs Si étant destiné à réaliser avec un gousset 30 et une portion de virole Vi une portion d'écran E i. On voit que le mode de montage de l'écran 20 sché matisé sur les figures 3 et 4 consiste à introduire dans ladite chambre 16 par un passage 40 prévu dans cette dernière et obturé par un bouchon 41 les secteurs SB et SH, les goussets 30 et les portions de viroles Vi et à réaliser progressivement le montage dudit écran 20 à partir des éléments précités en prenant soin d'une part, de monter le secteur S17 pourvu d'un passage 46 obturé par une porte 48- en vis-à-vis du passage 40, une fois l'ensemble des éléments précités nécessaires à la réalisation de l'écran 20 introduits dans la chambre 16 et d 1autre part, de monter le secteur S14 en dernier entre les deux secteurs S13 et S15, les secteurs S13, S14 et S15 présentant une configuration particulière appropriée. Dans le but de faire apparaître les avantages apportés par l'invention, on donne ci-après à titre illustratif pour deux générateurs de vapeur respectivement pourvu et dépourvu d'un écran 20 de protection de la paroi 42 de la chambre 16 de'sortie de vapeur réalisée en acier chromesco et d'une épaisseur d'environ 0,14m pour un diamètre de base de 1m, les valeurs : - des intensités des contraintes s'établissant sur les faces internes et externes de la paroi 42 de la chambre 16 dans la zone référencée Z de raccordement de la plaque 44 à la paroi 42 de la chambre 16, lors d'un arrêt du réacteur au bout d'un temps t = 2600 s. - du facteur d'usage tel que défini par le code CASE 1592-7 (appendix T) permettant d'évaluer le dommage en fluage engendré lors du fonctionnement du réacteur. Les valeurs des intensités des contraintes précitées sans écran et avec écran sont données dans les tableaux I et II TABLEAU I (sans écran) CATEGORIE Contraintes Contraintes Contraintes Intensité des CONTRAINTES radiales (# 1) longitudinales tangentielles contraintes (# 2) (# 3) #1-#2 #2-#3 #3-#3 Contraintes primaires (Pm) 0,14 1,98 0,52 - 1,84 1,46 0,38 Contraintes secondaires sur la face - 2,43 8,06 - 5,63 interne (Qi) Contraintes secondaires sur la face 14,82 5,88 -20,7 externe (Qe) Pm + Qi sur la face 16,27 20,54 11,02 - 4,27 9,52 - 5,25 interne Pm + Qe sur la face - 0,33 - 13,31 - 20,65 12,98 7,34 -20,32 externe TABLEAU II (avec écran) CATEGORIE Contraintes Contraintes Contraintes Intensité des CONTRAINTES radiales longitudinales tangentielles contraintes (# 1) (# 2) (# 3) #1-#2 #2-#3 #3-#3 Contraintes primaires 0,14 1,98 0,52 - 1,84 1,46 0,38 (Pm) Contraintes secondaires sur la face - 7,34 15,38 - 8,04 interne (Qi) Contraintes secondaires sur la face 10,32 5,27 -15,69 externe (Qe) Pm + Qi sur la face 6,57 15,75 1,09 - 9,18 16,84 - 7,66 interne Pm + Qe sur la face - 0,23 - 8,71 - 15,44 8,48 6,73 -15,21 externe On précise que les contraintes primaires sont dues à la pression et servent à dimensionner l'épaisseur de la paroi 42 de la chambre 16 et que les contraintes secondaires sont dues aux changements de régime de fonctionnement. Ainsi, les valeurs des intensités des contraintes maximum sont donc les suivantes - Avec écran 20 : 16,84 et - 15,21 hbar - Sans écran 20 : 9,52 et - 20,32 hbar On constate que sans écran, les valeurs des intensités des contraintes correspondent à un dépassement de la limite élastique égale environ à 18 hbar. Les valeurs du facteur d'usage pour dommage en fluage D déterminé selon les articles T1411, T1420 et T 1433 du code CASE précite par 1 t 11 équation dans laquelle k représente un changement de régime de fonctionnement, t le temps d'utilisation et TD le temps admissible d'utilisation, sont les suivantes - Avec écran D = 0,1 - sans écran D = 152 On constate que sans écran le dommage en fluage est inacceptable puisque le facteur d'usage est nettement supérieur à la valeur admissible égale à 1 donnee par le code CASE. REVEND-ICATTONS 1. Echangeur de chaleur du type comportant, à l'inte- rieur d'une enceinte étanche, une pluralité de tubes autour desquels circule un fluide primaire et dans lesquels circule un fluide secondaire et au moins une plaque horizontale délimitant à l'une des extrémités de ladite enceinte une chambre de sortie dudit fluide secondaire, caractérisé en ce qu'il comporte un écran métallique disposé à l'intérieur de ladite chambre de façon à délimiter avec la paroi interne de ladite chambre un espace d'isolation rempli d'une couche stagnante dudit fluide secondaire et en communication avec la zone de ladite chambre interne audit écran. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite chambre de sortie dudit fluide secondaire et ledit écran sont de forme hémisphérique, ladite chambre étant pourvue d'au moins une buse de sortie dudit fluide secondaire et ledit écran étant fixé sur ladite plaque et pourvu d'un orifice en vis-à-vis de ladite buse. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit écran est rendu solidaire des bords inférieur et supérieur d'une virole cylindrique située à l'intérieur de I'hémisphère délimité par ledit écran et de révolution par rapport à l'axe dudit hémisphère, 4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ledit écran est rendu solidaire de goussets disposés dans des plans radiaux de l'hémisphère délimité par ledit écran. 5ç-Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits goussets sont rendus solidaires de ladite virole. 6 Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisi- en ce que ledit écran est fixé sur ladite plaque par l'intermédiaire d'une collerette annulaire percée d'orifices, ces orifices étant raccordés à des moyens de vidange dudit espace. 7 Echangeur de chaleur selon 1 'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le bord libre de l'orifice dudit écran est rendu solidaire d'non baffle cylindrique prolongeant ledit écran à l'intérieur de ladite buse de sortie dudit fluide secondaire. 8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que ledit écran est constitué de deux parties distinctes inférieure et supérieure raccordées entre elles le long du bord supérieur de ladite virole. 9. Ediangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que ledit écran est constitué d'une pluralité de secteurs angulaires raccordés entre eux. 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la partie supérieure dudit écran est constituée d'une pluralité de secteurs angulaires raccordés entre eux. 11, Echangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits secteurs sont raccordés entre eux par l'intermédiaire desdits goussets. 12. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que chacune des parties inférieure et supE- rieure dudit écran est constituée d'une pluralité de secteurs angulaires raccordés entre euxo 13. Echangeur de chaleur selon la revendication 12, caractérisé en ce que les secteurs de la partie supérieure sont raccordés entre eux par l'intermédiaire desdits goussets 14. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'épaisseur dudit écran est comprise entre 1 et 10 mu. 15. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la largeur dudit espace est comprise entre 5 et 20 mu.