Brevet FR2426229A1 — publié le 19791214

La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur et plus particulierement un générateur de vapeur entre un fluide primaire chaud et un fluide secondaire à échauffer. Plus précisément. la présente invention concerne des échangeurs de chaleur générateurs de vapeur du type de ceux qui comportent deux plaques à tubes d'extrémité entre les quelles sont disposés des tubes, l'ensemble étant logé dans une enceinte et comprenant au-delà de chaque plaque à tubes des lotes à eau ou à vapeur reliées à des conduits d'entrée pt- de sortie. Dans la majorité des cas le fluide primaire c'està-dire le fluide chaud pénètre dans une boite à eau et circule à 3'intérieur des tubes pour ressortir par la deuxième boite s eau après avoir échangé ses calories avec le fluide secondaire qui entre froid à l'intérieur de l'enceinte d'échangeur de chaleur et en ressort à l'autre extrémité après s'être réchauffé. Par ailleurs, lorsque ces générateurs de vapeur sont associés par exemple à un réacteur nucléaire, le fluide primaire qui passe à l'intérieur des tubes a une pression beaucoup plus élevée que celle du fluide secondaire qui se trouve à l'extérieur des tubes.A titre d'exemple, on peut indiquer que dans le cas où le générateur de vapeur est associé à un réacteur du- type à eCJ Jus pression, la pression du fluide primaire est de- l'ordre de 150 bars. Afin de pouvoir résister à la pression, compte tenu de l'affaiblissement cause par les perçages corresponda.--t au passages des tubes, il est nécessaire de prévoir des plaques à tubes de très grande épaisseur. Les extrémités des tubes sont dudgeonnées dans les plaques 3 tubes supérieure et inférieure. a réalisation d'une tcll6 laqe à tubes ç Je pose des problèmes techni- ques importants et est d'un côut élevé.Par ailleurs, pour certaines conditions d'utilisation des générateurs de vapeur, la pression la plus élevée est située à l'extérieur des tubes, Dans ce cas, la solution classique ne conVient pas car la haute pression a tendance à apprimer le dudgeonnage des tubes et à les chasseur hors des orifices de la plaque à tubes dans lesquels ils sont dudgeonnés alors que Si la haute pression 5e trouve à l'intérieur des tubes elle a au contraire pour effet le maintien des tubes dans les orifices correspondants de la plaque à tubes La présente invention a précisément pour objet un échangeur de chaleur on generateur de vapeur dans lequel le fluide primaire chaud Chaute pression) circule à l'extérieur des tubes et le fluide secondaire à échauffer circule à l'intérieur de ces tubes. La structure de I'echQn-geur de chialeur, objet de l'invention, s' adapte particulièrement bien à ces conditions de pression. Cette invention concerne plus spécialement la liaison entre les tues. Ia plaque à tubes et le couvercle ou le fond de l'échangeur de chaleur.La liaison entre les extrémités des tubes d'échange et les plaques à tubes, souleve les deux problèmes suivants : d'une part, un problème d'étanchéité entre les tubes et les plaques à tubes et d'autre part, un problème de resistance mécanique de la plaque à tubes sous l'effet de la pression très élevée du fluide en contact, D'une maniere générale, on peut dire que l'une des caractéristiques de l'invention est de dissocier ces deux fonctions. L'étanchéité entre la plaque à tubes -Bt les tubes est réalisée grâce à la présence d'une plaque à tubes d'épaisseur réduite dans laquelle sont soudees les extrémités des tubes.La fonction de resistance à la pression du fluide primaire qui s'exerce sur les plaques à tubes est realisee de la fanon suivante : une plaque de serrage qui est traversée librement par les tubes maintient chaque plaque à tubes au contact, soit du couvercle, soit du fond, c'est- -dire en appui contre une structure ayant une épaisseur suffisante pour résister à la pression. Plus précisément, l'échangeur de chaleur entre un premier fluide à haute pression et un deuxième fluide à pression réduite par rapport à la premières, ledit échangeur com prenant une enveloppe externe consistant en une paroi latéra- le, un couvercle et un fond fixes de façon étanche sur ladite paroi latérale? ladite paroi latérale comportant au moins un conduit d'entrée dudit premier fluide et au moins un conduit de sortie dudit premier fluide? ledit couvercle et ledit fond etant munis de boites à eau ou à vapeur pour ledit deuxième fluide, une pluralite de tubes d'échange formant un faisceau à l'intérieur de ladite enveloppe externe se caractérise en ce qu'il comporte t uo premier ensemble mécanique solidaire dudit couvercle et un deuxième ensemble mécanique solidaire du dit fond, chaque ensemble mécanique consistant en une plaque à tubes dupais seur réduite munie d'une couronne plus épaisse et d'une pluralité d'orifices dans chacun desquels est soudée sur tou te épaisseur de ladite plaque, une des extrémités des dits tubes des moyens d'étanchéité entre ladite couronne et ledit cou vercle ou ledit fond - une plaque de serrage comportant une pluralité d'orifices traversés librement par lesdits tubes, la plaque à tubes étant maintenue par ladite plaque de serrage en appui contre ledit couvercle ou ledit fond, et - des moyens pour serrer et fixer ladite plaque de serrage sur ledit couvercle ou ledit fond, ledit couvercle ou ledit fond étant muni, au droit de l'extremité de chaque tube, de trous débouchant dans ladite boite à eau ou à vapeur ainsi que d'un logement à l'intérieur duquel ladite plaque à tubes vient en appui. De toute façn, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de realisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux figures indexées sur lesquelles on a représenté : - sur la figure 1, une vue d'ensemble en coupe verticale du générateur de vapeur selon l'invention ; sur la figure 2, une vue de détail montrant la liaison entre la plaque à tubes et l'extrémité des tubes ainsi que la plaque de serrage selon une première VaStante de réalisé sation da la-fixation de l'ensemble constit-ué par le couvercle, la plaque à tubes et la plaque de serrage. - sur la figure 3, une vue de la partie supérieure de lgéchangeur de chaleur montrant une deuxième variante de fixa tion de l'ensemble constitué par le couvercle, la plaque à tubes et la plaque de serrage. Sur la figure 1, on a représenté en coupe verticale un mode simplifie de réaltsation de l'échangeur de chaleur Celui-ci comprend une paroi cylindrique latérale 2 fermée à ses extrémités supérieure et inférieure par un couvercle 4 et un fond 6. Afin de constituer glo-halement une enveloppe fermée étanche le couvercle 4 et le fond 6 sont fixés sur Ia paroi latérale 2 parades systèmes de goujon et d'écrou 8 et 10. De plus, l'étancheité entre la paroi latérale 2 et le couvercle 4 ou le fond 6 est assurée par des joints, inter Posés entre ces différentes pieces, que l'on a symbolisés par la référence 12.Comme on l'a indiqué, dans le type d'échan- geur objet de l'invention, c'est le fluide secondaire qui traverse les tubes de l'échangeur. C'est pourquoi le fond 6 est muni d'une boite à eau 14 et d'un conduit d'introduction 14a alors que le couvercle 4 est muni d'une boîte à vapeur 16 et d'un conduit de sortie de vapeur 16a. En outre, la paroi latérale est munie d'au moins une tuyauterie d'introduction de l,e au primaire 16 disposée à la partie supérieure de la paroi latérale 2 et d'au moins une tuyauterie de sortie de-l'eau primaire 20 disposée à la partie inférieure de la paroi latérale 2, c'est à-dire à proximité du fond 6.Ainsi, les deux fluides circulent à contre-courant l'intérieur de l'enveloppe externe constituée par la paroi latéral-e 2, le couvercle 4 et le fond 6 on trouve le faisceau de tubes d'échange constitué par les tubes 22. Ceuxci sont fixés à leur extrémité supérieure dans un ensemble mécanique 24 constituant la plaque à tubes supérieure et à leur extrémité inférieure dans un ensemble mécanique inférieur 26 constituant la plaque à tubes inférieure. En fait, comme on l'a déjà expliqué, l'ensemble mécanique constituant la plaque à tubes qu'elle soit supérieure 24 ou inférieure 26 se décompose en deux parties, à savoir, une plaque à tubes proprement dite 28 et une plaque- de serrage 30.Cet ensemble assure7 d'une part, l'étanchéité entre les fluides primaire et secondaire et, d'autre part, la fixation des extrémités des tubes 22. Les liaisons entre les tubes 22 et les boites à eau 14 et à vapeur 16 sont assurees par des orifices 32 et -34 ménagés respectivement dans le couvercle 4 et le fond 6 et qui prolongent les différents tubes 22. Sur la figure 2, on a représenté plus en détail la liaison entre les tubes 22 et l'organe mécanique 24 constituant la plaque à tubes supérieure ainsi que la liaison entre cet organe mécanique et le couvercle 4. La plaque à tubes proprement dite 28 qui est de préférence réalisée dans un alliage connu sous le nom d'incoloy comporte une partie centrale 2Ba d'épaisseur réduite qui est percée d'alésages 28h permettant la pénétration de l'extrémité des tubes 22 ainsi que leur fixation. La plaque 28 comporte, entre les alésages 28b, des saillies 26f et une bride périphérique 28c d'épaisseur beaucoup plus importante qui, dans ce mode de réalisation présente un profil conique 28d sur se face tournée vers la plaque de serrage 30 et des gorges 28e sur sa face tournée vers le logement 33 ménagé dans le couvercle 4.Les extrémités supérieures des tubes 22 sont fixées à l'intérieur des orifices 28b de la plaque à tubes 28 par soudage 35 sur toute l'épaisseur de la plaque 28, ceci étant rendu possible par la faible épaisseur de ladite plaque. Ce soudage peut être réalisé sous atmosphère neutre au moyen d'une électrode de tungstène (procédé TIG) ou encore par bombardement électronique. Cette dernière solution semble préférable car elle permet de limiter la déformation de la plaque à tubes lors du soudage et de contrôler de façon plus aisée la profondeur de pénétration de la zone soudée dans l'épaisseur des tubes. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, le logement 33, ménagé dans le couvercle 4, est recouvert d'un revêtement d'acier inoxydable 37 sur lequel, lorsque l'ensemble est monté, la plaque à tubes 28 vient en appui. Pour assurer l'étanchéité entre le couvercle 4 et la bride périphérique 28c de la plaque à tubes 28, des joints annulai -- res 36 sont logés à l'intérieur des gorges 2axe. On comprend qu'on réalise ainsi une liaison parfaitement étanche entre le fluide secondaire circulant à l'intérieur des tubes 22 et le fluide primaire circulant à I'extérfeur desdits tubes. Cette étanchéité est assurée par les soudures 35 entre les tubes 22 et la plaque à tubes 28 et par les joints d'étant chérit8 36, La deuxième partie de l'organe mécanique supérieur 24 est constituée par la plaque de serrage 3Q. Cette plaque 30 comporte une partie centrale épaisse 3Qa qui est Punie d'alésages 3ah dont le diamètre-est très légèrement supérieur au diamètre extérieur des tubes 22. La disposition de ces orif ces 30b est rigoureusement conforme à celle des orifices 286 dans la plaque à tubes 25. Grâce à ce montage, les tubes 22 peuvent se déplace librement dans le sens axial tout en étant bloqués dans le sens transversal.La plaque de serrage 30 com porte une bride péripbérique 30c servant à la fixation sur le couvercle. Sur sa. face supérieure la partie centrale 30a de la plaque 30 comporte, entre les alésages 30b des saillies 30e et à sa périphérie, une partie conique 30d qui peut coopérer avec la partie conique 28d de la bride périphérique de Ia plaque à tubes 28. On comprend qu'ainsi on décompose en deux les deux fonctions que joue habituellement la plaque à tubes, La plaque à tubes proprement dite 28 du dispositif décrit assure l'étanchéité entre les fluides primaire et secondaire. La plaque à tubes 28 étant constamment en appui sur le couvercle 4, l'effet de la pression primaire est encaissé directement par le- couvercle 4; dont l'épaisseur est importante, par un portage métal sur métal. La plaque de serrage 30 est appliquée sur la plaque à tubes 28 par lrintermédiaire d'une couronne de goujons 38 munis d'organes de serrage 39. Son relue est de maintenir l'effort de serrage du joint lors de I'application d'un choc vertical descendant du par exemple à un séisme.En outre, la plaque 30 permet d'éviter les efforts d'encastrement qui pourraient s'exercer en l'absence de cette plaque, sur les extrémités soudées des tubes en cas de déplacements latéraux de ces tubes. Cette plaque 3Q peut être réalisée en deux parties pour des raisons de commodité de montage, Les goujons sont à la péri phérie de la plaque de serrage et sont accessibles une fois le couvercle démonté, A titre d'exemple de réalisation, les dispositions selon l'invention ont été mises en oeuvre dans un générateur de vapeur ayant un diametre interne de 2m et une hauteur de 0,40m avec-une puissance de 6QNW-, Ce générateur de vapeur était associé à un réacteur nucléaire à eau sous pression. L'eau primaire circulant à l'intérieur des tubes avait une pression de 150 bars. L'eau secondaire entrait dans le gén8- rateur sous une pression de 5Q bars et la vapeur produite sortait sous 40 hars. Les épaisseurs des différents organes étaient les suivantes - plaque à tubes â mm dans sa partie centrale et 60 mm dans sa partie périphérique, - plaque de serrage = 100 mm. - Couvercle = 250 mm. - fond = 200mm. A titre de comparaison, l'épaisseur d'une plaque à tubes classique selon l'art antérieur serait dans ces conditions d'utilisation de l'ordre de 500mm. Dans une deuxième variante de réalisation représentée sur la figure 3, les goujons munis de leurs organes de serrage 39 traversent à la fois la bride périphérique 30c de la plaque 30, et la bride périphérique 28c de la plaque à tubes 28. En outre, dans cette variante, on remplace par des parties planes les parties coniques 30d et 28d coopérant pour assurer le serrage de la plaque à tubes 28 sur le couvercle 4. Cet effort de serrage est réalisé par appui de la surface supérieure plane 30s de la plaque 30 sur la surface inférieure plane 28s de la plaque à tubes 28. Il est superflu de décrire l'ensemble mécanique 26 constituant la plaque à tubes inférieure, car cet ensemble 26 est bien entendu identique à l'ensemble mécanique 24 décrit ci-dessus en détail, en référence aux figures 2 et 3. La disposition d'ensemble conforme à l'invention permet l'obturation des tubes en cas de rupture de la soudure tube plaque à tubes et permet ainsi de condamner les tubes défectueux. Elle permet également de diminuer de façon intéressante l'épaisseur du couvercle tou du fond) parce que celui-ci est moins affaibli par les traversées, le volume total de la partie du couvercle tau du fond) qui est percée étant moindre car les trous sont de plus petit diamètre que les trous réalisés dans la solution habituelle. Selon un mode de réali-sation préféré, on donne aux trous 32 et 34 un diamètre compris entre le diamètre extérieur et le diamètre infétieur des tubes 22. Cela permet, dans le cas de la ruptu re d'une soudure, de bloquer le tube correspondant et de ne prendre en compte qu'une brèche réduite, la fuite primaire restant très limitée. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur entre un premier fluide à haute pression et un deuxième fluide à pression réduite par rapport à la première, ledit échangeur comprenant une enve loppe externe consistant en une paroi latérale, nn couvercle et un fond fixés de façon étanche sur ladite paroi latérale, ladite paroi latérale comportant au moins un conduit d'entrée dudit premier fluide et au moins un conduit de sortie dudit premier fluide, ledit couvercle et ledit fond étant munis de boites à eau ou à vapeur pour ledit deuxième fluide, une pluralité de tubes d'échange formant un faisceau à l'intérieur de ladite enveloppe externe, caractérisé en ce qu'il comporte - un premier ensemble mécanique solidaire dudit couvercle et un deuxième ensemble mécanique solidaire dudit fond, chaque ensemble mécanique consistant en une plaque à tubes d'épais seur réduite munie d'une couronne plus épaisse et d'une pluralité d'orifices dans chacun desquels est soudée sur toute l'épaisseur de ladite plaque, une des extrémités des dits tubes - des moyens d'étanchéité entre ladite couronne et ledit cou vercle ou ledit fond - une plaque de serrage comportant une pluralité d'orifices traversés librement par lesdits tubes, la plaque à tubes étant maintenue par ladite plaque de serrage en appui contre ledit couvercle ou ledit fond, et - des moyens pour serrer et fixer ladite plaque de serrage sur ledit couvercle ou ledit fond, ledit couvercle ou ledit fond étant muni, au droit de l'extrémité de chaque tube, de trous débouchant dans ladite boîte à eau ou à vapeur ainsi que d'un logement à l'intérieur duquel ladite plaque à tubes vient en appui. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre des dits trous dudit fond ettou dudit couvercle est compris entre le diamètre extérieur et le diamètre intérieur des dits tubes. 3. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite couronne comporte sur sa face tournée vers la plaque de serrage une portée conique et en ce que ladite plaque de serrage comporte également une portée conique apte à coopérer avec la partie conique de ladite couronne,