Brevet FR2458781A1 — publié le 19810102

La présente invention concerne un échangeur de chaleur à contre-courant entre un fluide primaire qui se refroidit à l'intérieur des tubes en forme générale de J renversé, ou en toute autre forme autodilatable, d'un faisceau tubulaire, et un fluide secondaire qui se réchauffe autour dudit faisceau tubulaire, qui s'étend entre une plaque tubulaire d'une zone centrale et une plaque tubulaire annulaire d'une zone périphérique. Elle se rapporte plus particulièrement à un générateur de vapeur par réchauffage et vaporisation, et éventuellement surchauffe, d'eau secondaire en échange de chaleur à contrecourant avec un fluide primaire. Un générateur de vapeur à circulation forcée de ce genre a déjà été proposé dans la demande de brevet français nO 2391 421, le fluide primaire étant introduit dans le haut d'une zone centrale et évacué sur le pourtour d'une zone périphérique, les longueurs respectives des tubes du faisceau dans ces deux zones étant voisines l'une de l'autre, de sorte que les plaques tubulaires sont toutes deux près de l'une des extrémités de l'échangeur, et à faible distance l'une de l'autre.Un tel échangeur présente toutefois l'inconvénient que le liquide secondaire, qui s'écoule d'abord dans la zone périphérique de l'échangeur du haut vers le bas, y subit déjà une vaporisation partielle, ce qui tend à la formation de bouchons de vapeur qui viennent pertuber l'échange de chaleur entre le fluide primaire circulant dans les tubes et le liquide secondaire circulant vers le bas autour de ceux-ci. Par ailleurs, la proximité des deux plaques tubulaires, qui sont aux températures extrêmes de l'échange de chaleur, peut engendrer des contraintes thermiques excessives. La présente invention a pour but de procurer un échangeur de chaleur à contre-courant dans lequel la circulation du fluide secondaire soit essentiellement naturelle, et dans lequel les contraintes thermiques résultant des différences de température entre le fluide primaire chaud et le fluide secondaire froid soient réparties sur sensiblement toute la longueur de l'échangeur. L'échangeur de chaleur selon l'invention est caractérisé en ce que ses plaques tubulaires d'admission et de sortie du premier fluide sont respectivement les plaques tubulaires annulaire et centrale, et en ce qu'elles sont disposées au voisinage des extrémités opposées de l'échangeur. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes - Les longueurs respectives du faisceau tubulaire dans la zone centrale et la zone périphérique sont telles que le fluide secondaire à l'état liquide soit réchauffé et complétement vaporisé dans la zone centrale, et que la vapeur formée soit surchauffée dans la zone annulaire. - Sa partie supérieure au-dessus de la plaque tubulaire annulaire est en forme de dôme comportant un passage annulaire entre une chemise en forme de cloche entourant la zone périphérique du faisceau tubulaire et la virole externe, et débouchant dans une chambre de vapeur surchauffée reliée à une tubulure d'évacuation au sommet de l'échangeur. - Ses tubes sont de diamètres différents dans sa zone centrale et sa zone périphérique, afin d'être mieux adaptés aux conditions d'échange de chaleur le long du parcours du fluide secondaire, notamment lorsque celui-ci est soumis à une vaporisation, la circulation de la vapeur étant favorisée par un diamètre plus important. Il est décrit ci-après à titre d'exemples et en référence aux figures du dessin annexé, des générateurs de vapeur selon l'invention par échange de chaleur entre de l'eau primaire sous pression issue d'un réacteur nucléaire, circulant dans un faisceau tubulaire de tubes en forme générale de J renversé, et de l'eau secondaire à réchauffer, vaporiser et surchauffer. La figure 1 représente un générateur de vapeur à évacuation de la vapeur secondaire au sommet de l'échangeur. La figure 2 représente une variante de la structure de la tête de l'échangeur à évacuation latérale de la vapeur-secondaire. Dans la figure 1, l'échangeur comprend, à l'intérieur d'une virole cylindrique 1, une zone centrale 2 et une zone annulaire 3 dans sa partie supérieure. L'eau primaire formant le fluide chaud est introduite par des tubulures Il débouchant dans une chambre d'admission torique 5 au-dessous de la plaque tubulaire annulaire 6. Il part de celle-ci les tubes d'échange de chaleur en forme de J renversé à l'intérieur desquels circule l'eau primaire, dont un seul 7 a été représenté pour plus de clarté du dessin. Le faisceau tubulaire est enserré dans la zone au-dessus de la plaque tubulaire 6 dans une cloison repliée en U 8.De la manière habituelle, des entretoises telles que 9 et 10 assurent le maintien du faisceau A l'extrémité inférieure de l'échangeur, les tubes débouchent dans une plaque tubulaire 11, au-dessus d'une chambre de recueil de l'eau refroidie 12, munie de tubulures 13 de raccordement à une tuyauterie de retour au réacteur nucléaire. L'échangeur est muni dans sa zone inférieure, un peu au-dessus de la plaque tubulaire 11, de tubulures 14 d'alimentation en eau secondaire. Celles-ci débouchent dans une chambre annulaire 15, séparée du faisceau tubulaire par une cloison cylindrique 16. A l'extrémité inférieure de celleci, une ouverture annulaire 17 permet l'accès de l'eau secondaire autour des tubes du faisceau. Dans la zone inférieure d'échange de chaleur où l'eau n'est pas encore réchauffée à sa température d'ébullition, des chicanes 18 imposent à l'eau secondaire un trajet sinueux favorisant son échange de chaleur avec liteau primaire circulant dans les tubes. Dans la partie supérieure de l'échangeur, les tubes sont séparés par une chemise de séparation en forme de cloche 19 d'une chambre de recueil de la vapeur surchauffée 20. Le bord inférieur 21 de la chemise 19 est à une certaine hauteur au-dessus de la plaque tubulaire 6, permettant ainsi à la vapeur secondaire formée dans la zone centrale 2 de l'échangeur et surchauffée dans sa zone périphérique 3 de s'échapper vers le haut le long de la paroi interne de la virole 1. La chambre de vapeur surchauffée 21 est surmontée d'une tubulure axiale 22 d'évacuation de la vapeur surchauffée à l'utilisation, par exemple vers des turbines de détente (non représentées). Dans la variante représentée en figure 2, les éléments de la tête de l'échangeur (virole 101, plaque tubulaire 106, chemise en forme de dôme 119 à bord inférieur 121, chambre de vapeur surchauffée 120) sont les mêmes, mais l'évacuation de la vapeur surchauffée a lieu par une tubulure latérale 122. Bien que les structures d'échangeur qui viennent d'être décrites en référence aux figures du dessin paraissent les formes de réalisation préférables de l'invention, on comprendra que diverses modifications peuvent leur être apportées sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, des dispositifs auxiliaires peuvent être prévus pour améliorer éventuellement le coefficient d'échange de chaleur à travers la paroi des tubes entre les fluides primaire et secondaire.Les fluides en échange de chaleur, aussi bi n primaire que secondaire, peuvent être différents. En particulier, le fluide primaire pourrait être de l'eau lourde, ou bien un métal alcalin fondu issu d'un réacteur nucléaire surrégénérateur, ou encore tout autre fluide caloporteur. Les tubes de l'échangeur peuvent avoir une autre forme autodilatable, par exemple celle faisant l'objet de la demande de brevet français nO 76 10 267 du 8 avril 1976 de la Demanderesse. REVENDICATIONS 1/ Echangeur de chaleur à contre-courant entre un fluide primaire qui se refroidit à l'intérieur des tubes (7) en forme générale de J renversé, ou en toute autre forme autodilatable, d'un faisceau tubulaire, et un fluide secondaire qui se réchauffe autour dudit faisceau tubulaire, à l'intérieur d'une virole externe qui s'étend entre une plaque tubulaire (11) d'une zone centrale (2) et une plaque tubulaire annulaire (6) d'une zone périphérique (3), caractérisé en ce que ses plaques tubulaires d'admission et de sortie du premier fluide sont respectivement les plaques tubulaires annulaire et centrale, et en ce qu'elles sont disposées au voisinage des extrémités opposées de l'échangeur. 2/ Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les longueurs respectives du faisceau tubulaire dans la zone centrale (2) et la zone périphérique (3) sont telles que le fluide secondaire à l'état liquide soit réchauffé et complétement vaporisé dans la zone centrale, et en ce que la vapeur formée soit surchauffée dans la zone annulaire. 3/ Echangeur de chaleur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que sa partie supérieure au-dessus de la plaque tubulaire annulaire est en forme de dôme comportant un passage annulaire entre une chemise en forme de cloche (19) entourant la zone périphérique du faisceau tubulaire et la virole externe (1), et débouchant dans une chambre de vapeur surchauffée (20) reliée à au moins une tubulure d'évacuation (22). 4/ Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tubulure d'évacuation de la vapeur surchauffée est au sommet de l'échan- geur (22, Fig 1). 5/ Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la ou les tubulures d'évacuation de la vapeur surchauffée sont des tubulures latérales (122, fig 2). 6/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ses tubes sont de diamètres différents dans sa zone centrale et sa zone périphérique. 7/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, en particulier pour générateur de vapeur, caractérisé en ce que sa plaque tubulaire centrale est disposée près de l'extrémité inférieure de la virole, et sa plaque tubulaire annulaire près de 1 'extrémité supérieure de la virole.