Brevet FR2490332A1 — publié le 19820319

La présente invention concerne un échangeur de chaleur compor- tant plusieurs serpentins et au moins un groupe de plaques supports, les serpentins étant vissés dans des perçages des plaques supports, sensiblement radiales par rapport à un tube disposé au centre des serpentins (tube central), et reliées à ce dernier. Un tel échangeur de chaleur est décrit par le brevet suisse n0 454 931. Les plaques supports sont dans ce cas soudées directement sur le tube central, ce qui produit un système relativement rigide de support des serpentins. L'échangeur de chaleur connu a donné d'excel- lents résultats en service avec un caloporteur primaire à température modérée. Lorsqu'il est par contre utilisé à des températures très élevées, de 800 0C par exemple, des contraintes thermiques impor- tantes apparaissent dans les tubes parcoures par le caloporteur secon- daire, car les plaques supports non refroidies en service présentent une dilatation radiale plus grande que celle des serpentins refroidis par le caloporteur secondaire. Ces tubes sont alors refoulés vers l'extérieur par les plaques supports aux points d'appui sur lesquels ils subissent ainsi un cintrage supplémentaire, tandis qu'ils s'apla- tissent entre les points d'appui. Il apparaît en outre des différences de dilatation dans le sens axial des plaques supports et du tube cen- tral. L'invention vise à réduire notablement, d'une façon constructive simple, les différences précitées de dilatation thermique et les con- traintes thermiques résultantes d'un échangeur de chaleur du type mentionné. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, un manchon déformable élastiquement est prévu entre les plaques supports de chaque groupe et le tube central, qu'il entoure avec jeu, une de ses extrémités étant fixée sur le tube central et les plaques supports étant fixées sur son autre extrémité. Par suite de la présence du manchon selon l'invention, les pla- ques supports qui s'échauffent en service se déplacent élastiquement vers l'intérieur, une partie radiale centrale des tubes conservant sa courbure, une partie radiale extérieure se déformant dans le même sens, mais beaucoup moins que dans le cas de l'échangeur de chaleur connu, et une partie radiale intérieure des tubes se déformant même dans le sens opposé, de sorte que le rayon de courbure augmente aux points d'appui et diminue sur les tronçons de tube entre les points d'appui. Ces déformations des tubes sont beaucoup moins importantes que dans l'échangeur de chaleur connu. Le déplacement élastique vers l'inté- rieur -des plaques supports comprime le manchon radialement vers l'intérieur, dans la zone des points de fixation des plaques supports, et le bombe entre les points de fixation. La paroi du manchon étant mince, ses déformations n'entraînent aucune contrainte de flexion inadmissible. Les plaques supports n'étant en outre fixées que sur une extrémité du manchon, c'est-à-dire sur une faible longueur axiale, aucune différence de dilatation notable n'apparait dans le sens axial, de sorte qu'aucune contrainte additionnelle n'en résulte. Un autre avantage de l'échangeur de chaleur selon l'invention réside dans son assemblage facile. Selon une autre caractéristique de l'invention, la fixation de chaque manchon sur le tube central se situe à l'extérieur de la lon- gueur axiale du groupe correspondant de plaques supports. Il en résulte une grande longueur axiale des manchons, qui réduit leurs contraintes. Selon une autre caractéristique de l'invention, le tube central porte des saillies auxquelles correspondent sur les plaques supports des butées, qui présentent un jeu par rapport aux saillies pour absorber les dilatations thermiques en service normal. Cette forme de réalisation garantit la protection des plaques supports contre la chute en cas de rupture de la fixation entre le manchon et lesdites plaques. Une forme de réalisation particulièrement simple d'une telle protection est obtenue, selon une autre caractéristique de l'invention, quand les saillies affectées à un premier groupe de plaques supports sont fixées sur un manchon lui-même fixé sur un groupe de plaques supports voisin dudit premier groupe. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'axe des ser- pentins étant vertical, le bord inférieur de chaque plaque support supérieure prend appui radialement sur le bord smpérieur de la plaque support située en dessous. Les manielhL sont ainsi isolés pour l'essen- tiel des couples s'exerçant sur les plaques supports, ce qui réduit considérablement leur sollicitation ainsi que celle desdites plaques. Selon une autre caractéristique de l'invention, les surfaces par lesquelles les plaques supports superposées prennent appui radialement sont usinées pour tenir compte de la dilatation thermi- que des plaques supports et munies d'un revêtement qui réduit le frottement. Cette caractéristique interdit la transmissionpar les surfaces d'appui radiales des plaques supportsde forces de frottement élevées qui risqueraient de produire des sollicitations inadmissi- bles. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux comprises à l'aide de la description détaillée ci-dessous de deux exemples de réalisation et du dessin annexé sur lequel: la figure 1 est la coupe axiale d'un échangeur de chaleur selon l'in- vention; la figure 2 est la coupe axiale partielle, à plus grande échelled'une variante de l'échangeur de chaleur; et la figure 3 est la coupe suivant l'axe III-III de la figure 2. Une cavité cylindrique 1, garnie d'une fourrure en acier 2, est prévue selon la figure 1 pour l'échangeur de chaleur dans un cais- son de réacteur 3 en béton. Un anneau porteur 4, soudé avec étanchéité sur la fourrure 2, est encastré dans le béton à l'extrémité supérieure de la cavité 1. Sur l'anneau porteur 4 repose une plaque tubulaire 6 annulaire, qui comporte sur sa circonférence intérieure une douille porteuse 8 dirigée vers le haut. Un tube central 10 vertical, péné- trant vers le bas dans la cavité 1, est fixé sur cette douille por- teuse. La paroi du tube central 10 forme, à proximité de son extré- mité inférieure, un tronçon renforcé 12, qui forme ensuite un fond hémisphérique 11. Les extrémités inférieures 14 des tubes de l'échan- geur de chaleur sont soudées dans la partie renforcée 12 du tube central; elles forment d'abord un arc vers le haut, puis se raccor- dent aux serpentins 1Iquisont disposés suivant différents cylindres autour du tube central 10. Ce dernier contient une isolation thermi- que 27, qui s'étend vers le haut à partir du tronçon renforcé 12. Les serpentins 16, dont deux seulement sont représentés sur la figure 1, à savoir le plus éloigné et le plus rapproché du tube cen- tral, sont vissés dans des perçages 18, dont tous ne sont également pas représentés et qui se trouvent dans trois groupes 19, 20 et 21 de quatre plaques supports chacun. La hauteur de ces plaques supports, réparties sur la périphérie du tube central 10, croit de bas en haut en fonction des contraintes différentes. Chaque groupe de plaques supports est porté par un manchon 23, 24 ou 25 à paroi mince. L'ex- trémité inférieure de chaque manchon 23 à 25 est fixée, soudée par exemple sur le tube central 10. Au-dessus du groupe supérieur 21 de plaques supports, les serpen- tins 16 sont repliés vers le haut et dirigés vers des perçages de la plaque tubulaire 6, auxquels ils sont reliés avec étanchéité, par soudage de préférence. Le faisceau de tubes 16 s'étendant entre la plaque tubulaire 6 et le fond Il du tube central 10 est entouré par une enveloppe en tôle 30, qui diminue en cône vers le bas et s'évase en cône vers le haut. L'extrémité supérieure de l'enveloppe 30 est fixée sur la plaque tubulaire 6. La partie inférieure de l'évasement conique de l'enveloppe 30 comporte plusieurs fenêtres 33 équidis- tantes sur la périphérie. L'extrémité conique rentrante inférieure de l'enveloppe 30 est reliée à un coude 35 de section carrée, qui se prolonge par un raccord de transeiiofl carré-cercle 36. Le raccord de transition 36 est relié à un tube 38 de section circulaire, assurant 1 'alimentation en caloporteur primaire, provenant d'un réacteur nucléaire non représenté. Le tube d'alimentation 38 est logé dans un canal 40 -du caisson 3, un espace annulaire demeurant libre entre le tube 38 et le canal 40. Un distributeur 42 annulaire, ouvert dans le bas, est disposé sur la plaque tubulaire 6, à laquelle il est relié avec étanchéité auxgaz. Plusieurs tubes 43 alimentent ledit distributeur en calopor- teur secondaire froid. Le tube 38 alimente l'échangeur de chaleur selon figure 1 en caloporteur primaire, à savoir de l'hélium à 800 OC par exemple. Ce gaz à haute température balaye les serpentins 16, logés dans l'es- pace annulaire entre le tube central 10 et l'enveloppe 30, et se refroidit ainsi. Il s'écoule ensuite par les fenêtres 33 dans l'espace 249u332 annulaire 31 entre l'enveloppe 30 et la fourrure 2. Après avoir balayé l'espace annulaire 31, le gaz retourne au réacteur nucléaire par l'espace annulaire formé entre le tube d'alimentation 38 et le canal 40. Le caloporteur secondaire froid arrive par les tubes 43 dans le distributeur annulaire 42, puis circule dans les serpentins 16 en absorbant de la chaleur. Le caloporteur secondaire ainsi réchauffé s'accumule ensuite à la partie inférieure du tube central 10. Il cir- cule ensuite à température élevée dans le tube central, puis vers des utilisations non représentées, telles qu'une turbine à gaz à haute température, avec échangeurs de chaleur en aval, ou des utilisations de chaleur du processus. Le matériau utilisé se trouve sensiblement à la température ambiante pendant l'assemblage de l'échangeur de chaleur. En service, les serpentins 16 sont portés à une température moyenne, comprise entre celle du caloporteur primaire qui cède de la chaleur et celle du calo- porteur secondaire qui absorbe de la chaleur. Ils sont par suite nette- ment plus froids que les plaques supports, qui sont pratiquement portéesà la température du caloporteur primaire cédant de la chaleur. C'est pourquci dans l'échangeur de chaleur connu, les plaques supports se déplacent en service contre les tubes qui se déforment vers l'exté- rieur au niveau desdites plaques, ce qui produit un rayon de courbure plus faible au voisinage des plaques supports et un rayon de courbure plus grand entre ces plaques. Grâce à la fixation déformable élasti- quement des plaques supports 19 à 21 sur les manchons 23 à 25, les plaques supports ne se dilatent pas uniquement vers l'extérieur, en direction de l'enveloppe 30, mais aussi vers l'intérieur, en direc- tion du tube central 10. La fixation élastique des plaques supports réduit ainsi notablement la sollicitation des tubes 16 de l'échangeur de chaleur par des contraintes thermiques. Jrns la forme de réalisation selon figure 2, les manchons 23 à sont fixés sur le tube central 10 au moyen d'anneaux 50. Ces anneaux comportent des saillies 51 qui pénètrent avec jeu dans des évidements 52 des plaques supports 19 à 21, de sorte qu'en cas de rupture de la liaison entre les manchons et les plaques supports, 249v332 ces dernières demeurent suspendues par les saillies 51. On évite ainsi qu'une charge supplémentaire de plaques supports voisines ne provoque la rupture de leur appui, qui risquerait d'entraîner finalement la chute d'une partie du faisceau de tubes, voire du faisceau complet. Les évidements 52 servant de logement aux saillies 51 sont dimen- sionnés de façon à interdire toute avarie grave pendant les inter- valles entre révisions. Il est possible de visualiser un affaissement des plaques sup- ports résultant d'une rupture, par exemple à l'aide de règles graduées fixées sur les plaques supports et non représentées sur la figure. Les plaques supports 19 et 20 comportent sur leur bord supérieur, en direction du tube central, un biseau d'appui 60, dont la face inclinée interagit avec une face inclinée correspondante sur le bord inférieur de la plaque support 20 ou 21 située au-dessus. Ce biseau absorbe le couple produit par le poids des plaques supports et le poids des tubes sur les plaques supports, ce qui décharge les man- chons 23 à 25. L'angle a des biseaux d'appui 60 peut être positif, négatif ou nul selon les dilatations relatives des plaques supports. Il est choisi dans chaque cas de façon que les contraintes demeurent entre des limites admissibles aux points critiques, par exemple au voisinage de la fixation des plaques supports sur les manchons. Les faces incli- nées d'interaction peuvent en outre être munies d'un revêtement qui réduit le frottement. Afin d'augmenter l'élasticité des manchons 23 à 25,il est possible de réaliser à leur partie supérieure des évidements 62 entre les points de fixation des plaques supports,camne le montrent les figures 2 et 3. Une douille 64 est indiquée sur la figure 3. De telles douilles peuvent être disposées chacune entre deux anneaux 50, dans l'inters- tice formé par les bords 66 et 67 (figure 2) de plaques supports voisines axialement d'une part et la partie du manchon correspondant en regard de ces bords d'autre part. Les douilles 64 présentent chacune un évidement au voisinage du point de fixation 68 de la plaque support sur le manchon. Les douilles 64 interdisent un échap- pement du caloporteur primaire balayant les serpentins 16, des 249v3325 circuits du gaz vers l'espace annulaire 65 (figure 2) compris entre le cylindre intérieur de tubes et les manchons 23 à 25. Elles peu- vent être décalées radialement de part et d'autre des plaques sup- ports. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. 249u332 Revendications 1. Echangeur de chaleur comportant plusieurs serpentins et au moins un groupe de plaques supports, les serpentins étant vissés dans des perçages des plaques supports, sensiblement radiales par rapport à un tube disposé au centre des serpentins (tube central), et reliées à ce dernier, ledit échangeur de chaleur étant caractérisé en ce qu'un manchon déformable élastiquement est prévu entre les plaques supports de chaque groupe et le tube central, qu'il entoure avec jeu, une de ses extrémités étant fixée sur le tube central et les plaques supports étant fixées sur son autre extrémité. 2. Echangeur de chaleur selon revendication 1, comportant plusieurs groupes successifs de plaques supports en direction de l'axe des serpentins, et caractérisé en ce que la fixation de chaque manchon sur le tube central se situe à l'extérieur de la longueur axiale du groupe correspondant de plaques supports. 3. Echangeur de chaleur selon une des revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que le tube central porte des saillies auxquelles cor- respondent sur les plaques supports des butées, qui présentent un jeu par rapport aux saillies pour absorber les dilatations thermi- ques en service normal. 4. Echangeur de chaleur -selon revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les saillies affectées à un premier groupe de plaques sup- ports sont fixées sur un manchon, lui-même fixé sur un groupe de plaques supports voisin dudit premier groupe. 5. Echangeur de chaleur selon une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que, l'axe des serpentins étant vertical, le bord inférieur de chaque plaque support supérieure prend appui radia- lement sur le bord supérieur de la plaque support située en dessous. 6. Echangeur de chaleur selon revendication 5, caractérisé en ce que les surfaces par lesquelles les plaques supports superposées prennent appui radialement sont usinées pour tenir compte de la dila- tation thermique des plaques supports et munies d'un revêtement qui - réduit le frottement.