Brevet FR2460464A1 — publié le 19810123

1i 2460464 La présente invention concerne un échangeur de chaleur et un tube utilisé dans cet échangeur. Le type d'échangeur de chaleur auquel s'applique la Drésente invention comporte un boîtier présentant des ou- vertures Pour l'entrée et la sortie d'un premier fluide et un ou plusieurs tubes disposés à l'intérieur du bottier pour le transport de ce premier fluide à l'intérieur du boîtier depuis un volume situé au voisinage de l'ouverture d'entrée jusqu'à un volume situé au voisinage de l'ouverture de sortie, des ouvertures pour l'entrée et la sortie d'un second fluide, et des moyens pour transporter ce second fluide à travers le bottier et au moins partiellement autour du ou des tubes. Les échangeurs de chaleur de ce type sont bien connus et sont uti]isés dans de nombreux domaines. Un pro- blême soulevé par de tels échangeurs est le iisque de fuite dans l'un des tubes à travers lesquels circule le premier fluide. Dans ce cas, le premier fluide peut venir en contact avec le second fluide, ce qui peut être extrêmement peu souhaitable, notamment dans les cas o le dispositif fonc- tionne avec deux fluides qui réagissent violemment l'un avec l'autre. Un tel exemple d'échangeur de chaleur avec deux fluides réagissant violemment est un générateur de vnapeur d'un circuit de refroidissement d'un réacteur nucléaire refroidi avec du sodium liquide. Pour réduire le risque de fuite et les réactions pouvant en résulter, on utilise parfois des tubes à nlusieurs couches. De tels tubes sont constitués essentiellement Dar deux ou pl]usieurs tubes concentriques don+ l!s dimensions sont telles que des tubes adjacents sont juste en contact l'un avec l'autre. En dépit du fait que la surface extérieure d'un tube ou d'une couche interne est en contact direct avec la surface intérieure d'un tube ou d'une couche externe, la surface de contact entre deux couches adjacentes présente une résistance thermique relativement élevée, d'o il résulte aue le transfert de chaleur entre un fluide circul-nt à l'extérieur autour du tube à plusieurs couches et un fluide circulant à. travers le tube, n'est pas ontimal. La résistance thermique peut être réduite en brasant ensemble les couches du tube, mais ceci présente l'inconvénient de perdre la caracté- ristique de la séparation, à savoir l'arrêt des fuiteso 2 2460464 La présente invention a pour but un échangeur de chaleur et un tube utilisé dans cet échangeur, qui permettent d'éliminer, complètement ou tout au moins dans une large mesure, les inconvénients exposés ci-dessus. Selon l'invention, ce but est atteint avec un échangeur de chaleur dans lequel le ou les tubes sont constitués Dar deux ou plusieurs couches concen- triques contiguës, comportant deux couches contiguës entre lesquelles une ou plusieurs couches minces d'une matière rela- tivement molle sont placées sur la surface extérieure de la couche interne et sur la surface intérieure de la couche externe. Un tube constitué par deux ou plusieurs couches concentriques contiguës se caractérise donc selon l'invention par une ou plusieurs couches minces d'une matière relativement molle sur la surface extérieure de la couche interne et sur la surface intérieure de la couche externe de deux couches contiguës. De préférence, selon l'invention, la ou les couches de matière relativement molle sont constituées par une substance ayant une bonne conductibilité thermique. Parmi celles-ci, on peut citer un métal pur, Dar exemple du cuivre ou de l'alu- minium pur, ou une nâte, en fonction de la température de fonctionnement envisagée. Les couches ont de préférence une épaisseur moyenne de l'ordre de grandeur du profil de rugosité des surfaces respectives en contact. On a obtenu de bons résultats, Dar exemDle, avec une seule couche de 25 à 50 microns d'épaisseur, pour une rugosité de 5 microns des deux surfaces en contact. Selon l'invention, la surface de séparation entre chaque paire de couches contiguës d'un tube à plusieurs couches est remplie d'une couche molle, grâce à ouoi le contact métal- Moue entre les couches constituant le tube est amélioré. Il en résulte une réduction de la résistance thermique, tandis qu'on conserve les caractéristiques d'arrêt des fuites. On peut exnliouer comme suit l'amélioration de la conductibilité thermique. D'habitude, la chaleur est seulement transférée par les crêtes du Drofil de rugosité, o les couches du tube sont en contact l'une avec l'autre, et par le gaz habituellement retenu dans le volume intermédiaire entre les couches du tube, lequel gaz peut participer jusqu'à 95% au transfert de chaleur. Du fait que les creux du profil de rugosité sont remplis d'une matière relativement molle qui est un bon conducteur de la chaleur, la surface de contact entre les deux couches du tube, qui, sans le remplissage, n'atteindrait que quelques pour cent de la surface nominale, est considérablement accrue. Il en résulte une augmentation de la conductibilité thermique. L'invention va être décrite plus en détail en se reportant aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une réalisation de l'échangeur de chaleur selon l'invention; la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un tube double pour l'échangeur de chaleur représenté sur la figure 1; la figure 3 est une vue en coupe à grande échelle d'une portion de la surface de contact entre deux couches d'un tube non conforme àal'invention; et la figure 4 est une vue similaire à la figure 3, mais montrant une portion du tube selon la présente invention. La figure 1 montre une réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention. Il comporte un bottier 1, essen- tiellement constitué par un réservoir cylindrique fermé en haut et en bas par des couvercles 2 et 3 en forme de d8me. Une chemise intérieure 4 est disposée à l'intérieur du bottier 1. Un faisceau de tubes 5 est disposé à l'intérieur de la chemise 4. Chaoue tube 5 du faisceau s'étend entre une plaeue supé- rieure 6 et une planue inférieure 7. La plaque supérieure 6 et le couvercle 2 délimitent entre eux un collecteur 8. Dans le couvercle 2 se trouve une ouverture à laquelle est raccordé un conduit 9. Un autre collecteur 10 est délimité entre la nlaque inférieure 7 et le couvercle 3. Dans ce couvercle 3 se trouve également une ouverture, à laquelle est raccordé un conduit 11. En fonctionnement, un premier fluide est introduit dans le collecteur 8 par le conduit 9. Du collecteur 8, le fluide circule à travers les tubes 5 jusqu'au collecteur 10, d'o il est évacué Par le conduit 11. Deux ouvertures sont formées dans la Paroi latérale du bottier 1. Un conduit 12 est raccordé à la première ouverture et un conduit 13 à la. deuxième. En fonctionnement, un second fluide est amené par le conduit 12. Ce second fluide 4' circule à travers le bottier 1 autour des tubes 5 entre les -nlaaues 6 et 7 iusau'à la deuxième ouverture, d'o il est évacué par le conduit 13. Afin d'éviter que len"cond fluide circule d'une ouverture à l'autre à travers le volume compris entre le bottier 1 et la chemise intérieure 4, une séparation annulaire 14 est prévue dans ce volume. Le premier fluide passant à travers l'échangeur de chaleur est, par exemole un fluide froid, et le second fluide est, par exemple un fluide chaud. Le fluide chaud circule autour des tubes 5 nue traverse le fluide froid, et il aban- donne une partie de sa chaleur au fluide froid. Ainsi, le second fluide, relativement chaud, quitte l'échangeur de chaleur à une température inférieure à celle qu'il avait lorsau'il est entré. Inversement, lorsqu'il, quitte l'appareil, le fluide froid a une température supérieure à sa température d'entrées Dans les échangeurs de chaleur, on peut utiliser un premier fluide et un second fluide de natures extrêmement différentes. Pèr exemple, dans les échangeurs de chaleur montés dans le circuit de refroidissement d'un réacteur nucléaire refroidi au sodium, le fluide chaud est du sodium linuide et le fluide plus froid peut être de l'eau, qui sera transformée en vapeur Dar le fluide chaud. Dans un échangeur de ce type, il est extrêmement peu souhaitable nue le premier fluide (eau ou vapeur) puisse venir en contact avec le second fluide (sodium liquide). Pourtant, un tel contact pourrait avoir lieu si l'un des tubes 5 se mettait à fuir. Afin d'éviter autant que possible que, en cas de fuite de l'un des tubes 5, il y ait un contact indésirable entre le premier et le second fluides, les tubes 5 sont formés de tubes à plusieurs couches. La figure 2 montre une vue en coupe transversale d'un tel tube, sous ln forme d'un tube double. Comme on le voit sur la figure 2, le tube est constitué Dar une couche ou tube externe 15 et par une couche ou tube interne 16 disposé à l'intérieur du premier. Les couches 15 et 16 sont concentriques et contiguës l'une à l'autre. Le Drpmier fluide passe à travers l'intérieur 17 du tube 5. Comme il sera expli-ué ci-après, s'il n'était pris aucune mesure, le transfert de chaleur du fluidè-massant autour du tube auir fluide à l'intérieur 17 de ce tube ne serait oas très bon. Les couches 15 et 16 sont habituellement contiguës l'une à l'autre de facon très intime, et tout volume pouvant subsister entre les couches peut être de DInus remnli d'un gaz inerte, par exemple de l'hélium. La figure 3 est une vue en coupe transversale à grande échelle à travers les deux couches et 16 au voisinage de leurs faces de contact. Les couches ont une certaine rugosité de surface de sorte qu'elles ne sont en contact l'une avec l'autre que là o les crgtes du nrofil d'une couche touchent 1. couche contiguë. A l'exception des gaz aui peuvent y être présents, les vo]umesl entre les couches et 16 ne sont pas remplis. Dans ce cas. le transfert de chaleur s'effectue aux endroits de contact entre les couches 15 et 16, c'est-à-dire par l'intermédiaire des crêtes du profil de rugosité et par le gaz présent. La surface de contact des crêtes ne représente que qualques pour cent de lI surface no- minale totale. En pratique, le gaz prend en compte jusqu'à 95% du transfert de chaleur. Cette manière de transférer la chaleur est considérablement n]us mauvaise eue s'il y avait davantage de contact direct entre les couches 15 et 16. L'invention propose donc un transfert de chaleur amélioré entre les couches contiguës d'un tube à plusieurs couches du fait au'il est prévu une mince couche d'un métal mou ou d'une pâte conductrice de la chaleur sur les surfaces en regard de deux couches adjacentes. La figure 4 montre une vue en coupe transversale à grande échelle de deux couches et 16 ainsi traitées au voisinage de leurs faces de contact. Du fait de l'anDlication d'une mince couche 19 sur la couche ou tube interne 16, les creux du profil de rugosité sont remplis. Il en est de même pour le tube externe 15, à l'inté- rieur duauel est appliquée une mince couche 20. L'application d'une couche mince d'une matière relativement molle. bonne conductrice de la chaleur, améliore considérablement le transfert de chaleur entre les couches 15 et 16. En fait, comme la couche mince appliquée est en une matière molle, le profil de rugosité est anlani de sorte que la surface de contact est considérablement accrue. Comme on le voit sur la figure 4, on peut appliquer une couche mince d'une matière relativement molle ' la fois sur In surface extérieure de la couche interne du tube double et sur ln surface intérieure de la couche externe. Cependant, on peut disposer une seule couche mince entre les deux couches du tube, par exemxle une feuille de cuivre mou. Une telle feuille peut avoir un énaiRseur, par exemple égale à la distance moyenne des deux couches du tube. Comme la feuille est constituée en une matière relativement mince, lorsqu'elle est serrée entre les couches du tube, elle suit le profil de rugosité des couches du tube et remslit ainsi les creux du profil. Dans le cas de la figure 4, nui montre des couches minces sénarées sur les surfaces des couches du tube, une autre nossibilité serait, par exemple d'anpliquer des couches de pâte conductrice de la chaleur, par exemple au rouleau ou à la spatule. 7 2460464 REVENDICÀTIONS 1.- Echangeur de chaleur comportant un bottier présentant des ouvertures pour l'entrée et l1 sortie d'un Dremier fluide et un ou Plusieurs tubes disposés à l'intérieur du bottier pour transporter le premier fluide à travers le boltier depuis un volume situé au voisinage de l'ouverture d'entrée jusqu'à un volume situé au voisinage de l'ouverture de sortie, des ouvertures Dour l'entrée et la sortie d'un second fluide, et des moyens pour transporter le sècond fluide à travers le bottier et au moins partiellement autour du ou des tubes, caractérisé en ce que le ou les tubes sont constitués de deux ou nlusieurs couches concentriques contiguës, comportant deux couches contiguës entre lesquelles une couche mince ou des couches minces d'une matière relativement molle sont appliquées sur ln. surface extérieure de la couche interne et sur l1 surface intérieure de la couche externe. 2.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la. ou les couches de matibre relativement molle sont constituées par un bon conducteur de la chaleur. 3.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, ou la revendication 2, caractérisé en ce que l ou les couches de matière relativement molle sont constituées d'un métal pur ou d'une nàte. 4.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les couches ont une énaisseur moyenne de l'ordre de grandeur du profil de rugosité des surfaces respectivement en contacts 5.- Tube constitué par deux ou Plusieurs couches concen- triques contiguës, caractérisé Dar une ou plusieurs couches minces d'une matiire relativement molle appliauées sur la surface extérieure de la couche interne et sur ln surface intérieure de la couche externe de deux couches continues.