Brevet FR2527324A1 — publié le 19831125

ECHANGEUR DE CHALEUR A TUBES VERTICAUX ENTRE DES FLUIDES CALOPORTEURS CONSTITUES PAR UN METAL LIQUIDE ET DE L'AIR La présente invention s'applique à un échangeur de chaleur à tubes verticaux dans lequel le fluide primaire est un métal liquide, en particulier du sodium et le fluide secondaire de l'air. Dans les installations nucléaires comportant un réacteur rapide refroidi au sodium liquide, il est nécessaire de pouvoir évacuer la puissance thermique de désintégration des éléments combustibles vers le fluide primaire. A cette fin, on prévoit un échangeur de chaleur à ubes horizontaux parcouru par le métal liquide et traversé verticalement, par un courant d'air. Selon un mode de réalisation connu de ce type, les tubes de l'échangeur sont en forme de U à bras horizontaux disposés à travers un conduit vertical communicant soit en haut soit en bas avec l'atmosphère. Ce conduit vertical fonctionne comme une cheminée à tirage naturel. Les inconvénients du dispositif connu sont liés à la nécessité de prévoir un chapeau pour empêcher que la pluie n'entre en contact avec les tubes contenant le metal liquide. En outre, chaque tube en U horizontal doit être monté sur un support et dans les zones de contact avec le support se produisent des usures considérables à cause des dilatations. Un autre inconvénient de l'échangeur connu est lié au fait que l'un des bras du tube en U horizontal est en contact avec le flux de gaz froid avant l'autre, ce qui provoque des dilatations différentielles. De plus, la mise en route de l'échangeur doit être graduelle afin d'éviter que le métal liquide ne se solidifie dans les tubes et bloque ainsi l'échangeur de chaleur. L'un des buts de la présente invention est de pallier ces inconvénients A cet effet, selon la présente invention, l'échangeur de chaleur est constitué par de tubes verticaux connectés à leurs deux extrémités à deux collecteurs superposés. L'échangeur de chaleur peut être installé dans un conduit horizontal communiquant avec la cheminée, éliminant ainsi la nécessité de prévoir un chapeau. L'invention vise également à éliminer les frottements qui se produisent lorsque les tubes sont sous charge sur les supports de l'échangeur de type connu du fait que les tubes verticaux selon l'invention sont soutenus par un collecteur supérieur et à leur tour soutiennent un collecteur inférieur. La realisation suivant l'invention ne nécessite pas de supports intermédiaires, seuls sont disposés des moyens transversaux de maintien afin de réduire les fléchissements latéraux des tubes dus aux vibrations accidentelles ou d'origine sismique. Les tubes verticaux suivant l'invention sont conformés de façon a occuper de façon sensiblement égales, les différentes rangees de tubes parallèles disposés sur des plans perpendiculaires au flux d'air. De cette façon, la dilatation différentielle due au gradient de tem,pErature induit dans les rangées successives, est réduite. D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexe où - la figure 1 est une coupe verticale de l'échangeur selon l'invention et de sa structure de support, cette coupe étant perpendiculaire aux plans dans lesquels sont disposes les rangées de tubes; - la figure 2 est une coupe verticale analogue à celle de la figure l mais a plus grande échelle et limitée au seul échangeur de chaleur sans sa structure de support associée; - la figure 3 est une vue frontale de l'échangeur suivant le plan III-III de la figure 2;; - la figure 4 est une coupe horizontale partielle du faisceau des tubes de l'échangeur suivant le plan IV-IV de la figure 2 - la figure 5 est une vue frontale partielle avec arrachements d'une variante du collecteur supérieur surmonté d'un vase d'expansion; On désigne par le repère 10 la structure de support de l'échanaeur dans son ensemble, réalisée par exemple en fer, en béton arme ou similaire. Cette structure de support doit soutenir le collecteur supérieur 20 d'un échangeur de chaleur 30 à tubes verticaux 21 qui sont suspendus à ce collecteur 20 et supportent un collecteur inférieur 22. L'échangeur de chaleur 30 est inséré dans un conduit horizontal 11 relié latéralement à l'atmosphère au moyen d'une ouverture 12 dont la section frontale est sensiblement égale à celle de l'échangeur 30. Cette ouverture 12 est pourvue de déflecteurs fixes 13 inclinés vers le haut d'un angle d'environ 450 afin de favoriser les mouvements de convection de l'air froid à l'intérieur du conduit 11 dans lequel est logé l'échangeur 30 qui présente une température plus élevée; ces deflecteurs servent également à proteger les échangeurs contre les intempéries. Le conduit 11 debouche dans une cheminee verticale 14 représentée partiellement, et dépourvue de chapeau. A ce propos, on doit noter que sur le fond de la cheminee 14 est disposé un conduit 15 pour la collecte des eaux pluviales et de la neige. Le fond de la cheminée 14 est incliné vers ce conduit de charge 15 et il n'est pas nécessaire de prévoir un chapeau en haut de la cheminée puisque l'échangeur 30 ne se trouve pas dans l'axe de la cheminée. A l'intérieur du conduit horizontal 11, en amont et en aval de l'échangeur30, sont disposés deux séries de déflecteurs 18 et 19, orientables autour d'axes horizontaux pour passer d'une position ouverte (traits continus) à une position fermée (traits alternés). Quand l'échangeur est hors service, les déflecteurs:18 et 19 sont en position fermée tandis que lorsque l'échangeur est en service, les deflecteurs 19 sont d'abord inclinés en position ouverte, puis dans une deuxième temps les déflecteurs 18 sont à leur tour amenés en position ouverte. En se reférant aux figures 2, 3 et 4, on voit que l'échangeur 30 est surmonté d'un collecteur 20 à la surface inférieure duquel sont connectés les tubes verticaux 21. Dans l'exemple de realisation représenté, les tubes 21 sont disposés en trois rangées 121, 221 et 321, mais un nombre différent de rangées est réalisable selon les besoins. Les tubes 21 sont maintenus transversalement par des guides ou supports de maintien 23 et 24 qui empêchent les déplacements des tubes selon une direction perpendiculaire au plan des rangées respectives de tubes. Le contact avec les guides 23 et 24 est sporadique et ne provoque donc aucune usure à la jonction entre les guides et les tubes. Les tubes 21 sont munis d'ailettes sauf au niveau des supports transversaux 23 et 24. L'ancrage de l'échangeur 30 à la structure de support 10 est realisé de façon que - les déplacements de la section A-A du collecteur supérieur soient empêchés dans les trois directions (x, y, z), - soient empêchés les déplacements de la section transversale termi nale B-B du collecteur supérieur selon les directions x et z tandis que le déplacement dans la directionyestpossible afin de permettre les dilatations thermiques axiales du collecteur, - la section transversale C-C du collecteur inférieur puisse de déplacer seulement verticalement, selon la direction de l'axe z, - la section transversale D-D du collecteur inférieur puisse de déplacer selon les directions des axes y et z, - soient empêchés les rotations des collecteurs autour de leurs axes longitudinaux respectifs. Les supports transversaux de maintien 23 et 24 des tubes peuvent être opportunément encastrés à une extrémité 123 et 124; tandis qu'ils peuvent être opportunément disposes de façon coulissante parallèlement à l'axe y aux extrémités 223 et 224. Selon l'invention, le collecteur supérieur 20 est dimensionné pour faire fonction de vase d'expansion, a cette fin, sa partie supérieure contient un coussion d'argon. Un vase d'expansion complémentaire 50 peut éventuellement être ajouté pour ne pas trop augmenter les dimensions du collecteur supérieur et améliorer sa tenue mecanique en cas d'apparition d'une transitoire thermique du fluide primaire.En outre, selon l'invention et selon le mode de réalisation le plus simple, à l'intérieur du collecteur supérieur est dispose un distributeur de fluide liquide primaire constitué par un tube situe dans la partie du collecteur 20 qui contient le fluide liquide, qui est alimenté par le fluide liquide en 40 et doté, sur sa longueur, d'orifices 41 convenablement calibres et espacés de façon à assurer un débit de fluide liquide constant à chacune des sections transversales du collecteur supérieur 20. Il est connu que pour les collecteurs alimentes par un fluide primaire à une extrémité de leur corps cylindrique, il existe d'inévitables gradients thermiques indésirables le long de l'axe du collecteur d'alimentation en fluide-primaire par suite des différences d2 température que les tubes situées aux extrémités du collecteur subissent,en particulier en cas de transitoire thermique du fluide primaire. La présence du distributeur tubulaire 42 doté d'orifices calibrés 41 elimine, selon la présente invention, ce problssme. Selon une autre caractéristique de la presente invention, les trois rangées de tubes 121, 221, 321 ne sont pas coplanaires et déterminent 3 plans paralleles P1, P2, P3 auxquels appartiennent les axes des trois rangees de tubes 121, 221 et 321. Lorsqu'elles sortent du collecteur supérieur 20 au niveau du support de maintien transversal 23, les trois rangees de tubes echangent leurs positions respectives dans les 3 plans P1, P2, P3 et un échange ultérieur de position est réalisé au niveau du deuxième support transversal 24 à double paroi. De cette façon, les tubes de la rangee 121 occupent le plan P1 sur un tiers de leur longueur, puis le tiers suivant, occupent le plan P2 et pour le dernier tiers, le plan P3. La même disposition est adoptée.our les autres rangees de tubes. Puisque chacune des rangées de tubes est disposée sur la même longueur du plan amont par rapport à l'arrivée de l'air froid, on obtient de cette façon une élimination totale des dilatations différentielles des trois rangees de tubes. On peut évaluer cas par cas l'intérêt de réaliser une correction totale ou seulement partielle de la dilatation thermique différentielle des différentes rangées de tubes. Les supports transversaux de maintien 23 et 24 sont realises de préference avec le même matériau que celui des collecteurs 20 et 22. Ces supports peuvent etre revêtus de matériaux calorifuges sur leurs parties externes afin de leur: assurer une temperature la plus proche possible de celle des tubes qu'ils doivent maintenir. La solution exposee présente des avantages tant en ce qui concerne le fonctionnement que le coût de réalisation du circuit d'évacuation de la chaleur dégagée. Ainsi en ce qui concerne le fonctionnement du circuit du fluide primaire, l'amorçage de la circulation naturelle du fluide primaire est presque instantané après l'ouverture des deflecteurs 19, 18 (respectivement en aval et en amont des échangeurs). Cet avantage permet de reduire la puissance nominale nécessaire au circuit. De plus, la transition thermique du fluide primaire pendant l'amorçage de la circulation naturelle est moins sévère que dans le cas d'un échangeur a tubes horizontaux et le risque de solidification du metal est réduit. En ce qui concerne les composants - l'espace nécessaire aux structures des supports pour l'installation des composants est reduit; - la cheminée ne nécessite pas de chapeau; - le flux d'air en présence de vent est plus stable à la suite de l'élimination du chapeau; - le système de support de la cheinee est plus facile a réaliser et la tenue de la cheminée en cas de seisme est améliorée du fait de l'élimination du chapeau; - le vase d'expansion du fluide primaire peut être supprime ou relié au collecteur supérieur de l'échangeur; - le circuit de fluide primaire (par exemple du sodium) est plus court, du fait de l'élimination du vase d'expansion et la perte de charge du circuit est reduite;; - le caisson de support de l'échangeur peut être éliminé > car ce composant est alors suspendu aux infractutures par son collecteur supérieur, - les supports des tubes sont élimines et remplacés par des guides pour éliminer les vibrations et améliorer la tenue en cas de séisme Le problème de l'usure des tubes à haute température par frottement sur le support est résolu. Le mouvement de coulissement existe toujours mais il n'y a plus de contraintes importantes transmises entre les tubes et le système de guides; le poids des tubes est supporté complètment par le collecteur supérieur et les contraintes thermiques dues aux dilatations différentielles entre les tubes et le système de guides le long de l'axe y, peuvent être reduites car le système est pratiquement isotherme avec les tubes. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentes; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte pour cela de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur à tubes verticaux dans lequel le fluide primaire est un métal liquide et le fluide secondaire un gaz tel que de l'air, d'un type particullérement adapté pour évacuer la puissance thermique du fluide primaire par circulation naturelle,caractérisé en ce qu'il comporte un collecteur supérieur horizontal (20) d'alimentation en fluide primaire monté sur un support à la partie haute de l'échangeur et de la surface Inférieure duquel partent et sont soutenus des rangées de tubes verticaux (21) disposées selon des plans parallèles pour amener le fluide primaire à un collecteur secondaire inférieur (22) parallèle au collecteur supérieur (20), en ce que les rangées de tubes disposées selon des plans parallèles sont insérées transversalement dans un conduit horizontal (11) qui est relié d'un côté à une ouverture (12) d'entrée du fluide secondaire et de l'autre côté à la base d'une cheminée (14) , et en ce que le collecteur secondaire (22) est supporté par les tubes verticaux (21) de l'échangeur. 2.- Echangeur de chaleur à tubes verticaux selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une rangée de tubes verticaux (21) disposée selon un plan transversal audit conduit horizontal (11). 3.- Echangeur de chaleur à tubes verticaux selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'extrémité d'alimentation du collecteur supérieur (20) est supportée de façon à empêcher les déplacements de sa section transversale selon trois directions orthogonales dont la première correspond à l'axe de ce collecteur (20). 4.- Echangeur de chaleur à tubes verticaux selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'extrémité terminale du collecteur supérieur (20) est supporté de façon à.permettre les déplacements uniquement selon l'axe longitudinal du collecteur, tandis que les déplacements selon les autres directions orthogonales à l'axe longitudinal du collecteur (20) sont empêchés. 5.- Echangeur de chaleur a tubes verticaux selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'extrémité du collecteur inférieur (22) qui se trouve en-dessous de l'extrémité d'alimentation du collecteur supérieur (20) est supportée de façon à permettre les déplacements uniquement selon la direction verticale tandis que les déplacements selon la direction parallèle à l'axe du collecteur (20) et selon la direction perpendiculaire aux rangées de tube (21) sont empêchés. 6.- Echangeur de chaleur à tubes verticaux selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'extrémité du collecteur inférieur (22),opposée à l'extrémité d'alimentation du collecteur supérieur (20) est supportée de façon que des déplacements soient permis selon l'axe longitudinal du collecteur (20) et selon la direction verticale. 7.- Echangeur de chaleur à tubes verticaux selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les deux collecteurs (20 et 22) sont supportés de telle façon qu'une rotation autour de leurs axes longitudinaux soit empêchée. 8.- Echangeur de chaleur à tubes verticaux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lorsque les tubes de l'échangeur (30) sont disposés en plusieurs rangées parallèles verticales perpendiculaires à l'axe du conduit horizontal (11) dans lequel est logé l'échangeur (30), les différentes rangees de tubes (21) sont disposées de façon a appartenir, en tronçons successifs, à des plans parallèles diffé rents en échangeant alternativement la position des différentes rangées de tubes (21). 9.- Echangeur de chaleur à tubes verticaux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de maintien transversal des différentes rangées de tubes (21) constitués par une traverse (23, 24) à double paroi disposée de chaque côté des tubes (21) de façon à empêcher les fléchissements de ces tubes dans une direction perpendiculaire au plan des différentes rangées. 10.- Echangeur de chaleur à tubes verticaux selon la revendication 9, caractérisé en ce que les tubes (21) sont munis d'ailettes sauf au niveau des moyens de maintien transversal (23, 24). 11,- Echangeur de chaleur à tubes verticaux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'interception du fluide secondaire, constitués de préférence par les séries de déflecteurs tournants (19, 20) disposés respectivement en amont et en aval de l'échangeur de chaleur (30). 12.- Echanteur de chaleur à tubes verticaux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide primaire chaud est amené à l'intérieur du collecteur supérieur (20) par un conduit d'alimenstation (40 )qui s'étend sur toute la longueur du collecteur (20) et qui est muni de trous calibres (41) disposés de telle façon que le débit de fluide dans chaque section transversale du collecteur supérieur (20) soit sensiblement constant.