Brevet FR2527323A1 — publié le 19831125

ECHANGEUR DE CHALEUR A PLAQUES TUBULAIRES DE DIMENSIONS REDUITES POUR FOETAUX LIQUIDES La présente invention s'applique à un échangeur de chaleur à plaques tubulaires de dimensions réduites pour métaux liquides. Elle concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire pour le circuit d'évacuation de la puissance résiduelle d'un réacteur rapide ou surrégénérateur. Un échangeur de chaleur connu de ce type est représenté à la figure 1 du dessin. Un tel échangeur indiqué, dans son ensemble, par le repère 20 est du type à faisceau de tubes verticaux. Ce faisceau traverse de façon étanche, par un passage 12, le couvercle 11 d'une cuve 10 remplie de sodium liquide primaire 13 à refroidir; le sodium liquide monte jusqu'au niveau 14 au-dessus duquel est menagé un coussin d'argon 15. Ces échangeurs de chaleur comportent un conduit descendant 21 pour le sodium refroidi secondaire; ce conduit descendant 21 est formé d'une double paroi 22, 23, remplie d'argon. Le rôle de la double paroi annulaire contenant l'argon est d'éviter qu'entre les deux faces du tube à simple paroi ne s'établisse une différence de température correspondant à la différence de température entre le- sodium primaire et le sodium secondaire qui rentrent dans l'échangeur. Le conduit 23 comporte deux plaques tubulaires respectivement supérieure 24 et inférieure 25 reliées par des tubes 26 représentés schématiquement et de façon partielle par des traits et points alternés.Sous la plaque tubulaire inférieure 25 est disposé un collecteur 27 qui permet au sodium secondaire sortant de l'extrémité inférieure du conduit descendant 21 de remonter dans les tubes échangeurs 26 jusqu'à la plaque tubulaire supérieure 24 au-del de laquelle se trouve une virole externe 28 qui conduit le fluide secondaire réchauffé par le fluide primaire jusqu' un conduit de sortie 29. La partie inférieure des tubes 26 est entourée d'une deuxième virole 30 qui, comme la virole 28, est essentiellement constituée d'une partie cylindrique. La virole 30 est suspendue à la plaque tubulaire supérieure 24 par des bras verticaux 31 et se termine au-dessus de la plaque tubulaire inférieure 25 de façon à créer, entre le bord inférieur de la virole 30 et la plaque tubulaire inférieure 25, un passage annulaire qui permet la sortie du fluide primaire selon la direction des fleches F1;.le fluide primaire étant entré par le haut dans la virole 30, selon la direction indiquée par les flèches F2, cède de la chaleur au fluide secondaire qui remonte par les tubes 26. Cet échangeur de chaleur, du type connu, présente les inconvénients suivants: a) la distance qui sépare les différents tubes du faisceau 26 est définie de façon à permettre de disposer d'une grande quantite de fluide pri maire chaud qui s'écoule dans l'espace annulaire delimité entre les parois cylindriques 23 et 30 et rempli partiellement par les tubes 2S. Une bonne circulation du fluide primaire à l'intérieur de cet espace annulaire implique que les tubes droits 26 soient suffisamment éloi- gnés les uns des autres et les plaques tubulaires 24 et 25 doivent présenter les mêmes dimensions que le faisceau tubulaire en diamètre et une epaisseur correspondante, ce qui augmente leur poids et leur coût. En outre, si l'on veut donner aux tubes 26 la forme d'une lyre, en vue de faciliter leur dilatation, on doit placer l'évasement des tubes en-dessous de la surface cylindrique à laquelle appartient chaque tube 26. Cette disposition conduit à un renchérissement consi- dérable de la construction de ces tubes; De plus, les tubes disposés sur des'zones cylindriques de differents diametres devront être di mensionnés différemment, ce qui augmente leur coût de construction puisqu'il faut prévoir autant de formes qu'il existe de zones cylin driques sur lesquelles les tubes 26 sont disposés. b) Un autre inconvénient de la solution connue représentée à la figure 1 réside dans le fait que le fluide primaire qui sort à la base de la virole 30 possede des composantes de vitesse radiale non négligeables, comme indique par les flèches F1. Ceci implique la présence, sous le collecteur 27, de fluide primaire qui n'entre pas en contact avec les tubes 26. Le sodium primaire chaud entraîné en mouvensnt continu (par les pompes de recyclage) dans la cuve 10 peut venir en contact direct avec la surface externe du collecteur 27 (ou des eventuels ecrans thermiques) provoquant des gradients de température radiaux et périphériques sur ce dernier. L'un des buts de la presente invention est de pallier ces incon vénients. A cet effet, selon la présente invention, les plaques tubulaires supérieure et inférieure presentent un diamètre réduit, ce qui permet de rapprocher les tubes 26 au niveau des plaques et de les espacer au niveau de leurs tronçons intermediaires, de façon à permettre de disposer d'un plus grand volume de fluide primaire circulant autour de ces tubes. Les anses ou parties inclinées des tubes qui sont indispensables pour obtenir un faisceau tubulaire de section variable sont réalisées dans un même plan et le plan "de disposition" de chaque tube forme, selon l'invention, avec les plans radiaux correspondants passant par l'axe de l'échangeur, un angle variable croissant avec le diamètre de la zone cylindrique sur laquelle sont disposes les tronçons rectilignes de chaque tube. Selon l'invention, la virole qui entoure le faisceau des tubes s'élargit à sa partie basse jusqu'à envelopper aussi le collecteur inférieur de façon à faciliter un reflux vertical du fluide primaire lorsqu'il sort du faisceau tubulaire. Le collecteur inferieur est, de cette façon, protégé du contact direct du fluide primaire qui n'est pas encore passé entre les tubes du faisceau, de l'échangeur. Toujours dans le but de reduire le gradient thermique dans la partie inférieure de l'échangeur, le collecteur est protégé par au moins un ecran thermique. D'autres buts, caracteristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description, faite à titre non limistatif et en regard du dessin annexé où: - la figure 1 est une section verticale d'un échangeur de chaleur de type connu; - la figure 2 est une section analogue à celle de la figure 1, d'un échangeur de chaleur perfectionné selon l'invention; - la figure 3 est une section analogue à celle de la figure 2 et à plus grande echelle d'une partie de l'échangeur selon l'invention; - la figure 4 est une section transversale partielle à grande échelle selon le plan IV-IV de la figure 3; - la figure 5 est une partie à plus grande echelle de la section de la figure 2 correspondant à la zone délimitée par le cadre en tirets repéré par la flèche V;; - la figure 6 est une partie à plus grande échelle de la figure 2 correspondant à la zone délimitée par le cadre repéré par la flèche VI. Selon l'invention, en se référant en particulier aux figures 2 a 6, on voit que tous les tubes 126 du faisceau tubulaire présentent la même longueur et la forme générale d'une lyre, c'est-a-dire comportent aux extrémités 41 et 42 deux tronçons verticaux de hauteurs respectives 111 et 115, deux tronçons intermediaires inclinés sur des hauteurs respectives 112 eut 114 et un tronçon intermédiaire de grande longueur indiquée par le repère 45. Chacun des tubes 125 se situe dans un même plan et, selon l'invention, tous ces tubes présentent sensiblement la même longueur et la même forme. Pour pouvoir les assembler dans le même faisceau sans interférence, ils sont disposés comme représenté sur la figure 4. Dans cette figure, sont indiqués par i-1, i, i+1, les zones cylindriques sur lesquelles sont distribuées trois rangées contiguës de tubes au niveau de deux plaques tubulaires 124 et 125. Les sections des tubes disposes dans les rangées i-1, i, i+1 sont indiquées par les repères 41 ou 42. Par les repères j-l, j, j+l, on indique les zones cylindriques sur lesquelles sont disposees trois rangées contiguës de tubes au niveau de la partie du tronçon central de plus grand diamètre du faisceau de tubes. Les sections des tubes disposés dans ces dernières rangées sont indiquées par les repères 45 des tubes 126.Sur la figure 4, on voit en projection horizontale les tronçons inclinés 43 et 44 des tubes qui présentent tous, en projection, des longueurs B égales. Pour éviter que les différentes boucles des tubes 126 n'interfèrent entre-elles, l'angle A que fait le plan contenant les troncons des tubes 43, 44, 45, représente sur la figure 4 par le repère A i-l se refe- rantâla zone cylindrique i-l avec le plan radial passant par le centre de l'échangeur et les axes des tronçons des tubes verticaux 41, 42, augmente avec le diamètre des zones cylindriques i-1, i et i+1.Ceci a pour conséquence que la distance entre les cylindres j-i, j et j+1 est plus grande que la distance entre les zones cylindriques i-1, i et i+1. La longueur des tubes au niveau du tronçon central 45 peut être aussi grande que l'on veut de façon à garantir la présence d'une quantité suffisante de fluide primaire qui parcourt les tubes 126 Ce mode de réalisation permet d'utiliser un seul mode de pliage des tubes. Selon l'invention, la virole 130 est dotée à sa partie inférieure d'une partie tronconique 51 qui s'élargit vers le bas et se termine, de préférence, par une partie cylindrique élargie 52. il est ainsi possible d'envelopper, avec la virole 130, le corps du collecteur inférieur 127 en obligeant le fluide primaire, lorsqu'il sort de la virole 130, à longer la surface latérale et donc à se diriger vers le bas avec des composantes de vitesse radiales négligeables. La seule forme de la partie inférieure de la virole permet une réduction de l'échange thermique entre le collecteur inférieur 127 et le fluide primaire qui n'a pas encore a traverser le faisceau 126 et présente donc une température supérieure par rapport au fluide primaire qui sort vers le bas de la virole 130 après avoir cédé une partie de sa chaleur au faisceau 126.Ceci a, pour conséquence, une réduction très considérable du gradient thermique de la partie inférieure de l'échangeur. Une réduction ultérieure dudit gradient thermique est réalisée par l'installation autour de la surface inférieure et latérale du collecteur 127 d'au moins un écran 53 adjacent au collecteur 127. Entre l'écran 53 et le collecteur 127 est constitué un interstice ou intervalle de faible dimension rempli de fluide primaire dont les mouvements sont relativement lents et la température intermédiaire entre celle du fluide secondaire qui sort du tube descendant 121 et la température du fluide primaire qui se trouve en-dessous du collecteur 127. Cet effet peut être accru si, au lieu d'un écran unique 53 comme indiqué sur la figure 3, on adopte plusieurs écrans 53 et 54 comme représenté dans la figure 5. La virole 130 est soutenue en haut par des bras 131 et en bas par des bras 55 et elle soutient l'écran extérieur 54. Cet écran 54 peut supporter à son tour, par des bracelets ou intercalaires non représentés sur les figures, l'écran interne 53. La réduction du diamètre de la plaque tubulaire supérieure 124 permet de réduire le diamètre de l'enveloppe externe 128 du conduit de remontée du fluide secondaire. il en résulte donc qu'à égalité de diamètre du passage 121 par rapport aux solutions connues, on dispose ici d'un espace plus important pour loger les protections biologiques et les ecrans thermiques pour le couvercle du réacteur. Par rapport aux solutions connues, l'échangeur selon l'invention présente les avantages suivants: - la présence de parties inclinées ou pliées sur les tubes permet de compenser les dilatations différentielles entre les tubes des diffé rentes couronnes ou zones circonférenclelles et entre les tubes et la paroi externe du conduit descendant 121. La possibilité d'avoir des tubes d'échange de formes identiques facilite la construction des tubes et en réduit le coût d'obtention. - la réduction du diamètre de la plaque inférieure diminue l'effet de fond dû à la pression. A égalité de pression, on peut réduire l'épais seur des plaques. Une plaque d'épaisseur inférieure et avec un espa cement réduit entre les tubes résiste mieux aux transitoires thermi ques. Une plus grande densité de tubes au niveau de la plaque tubu laire diminue le gradient thermique, entre la partie inférieure de la paroi externe du tube descendant 121 de l'échangeur et la plaque infé rieure, ce qui est particulièrement important pour la liaison entre la paroi externe du conduit descendant et la plaque tubulaire, en régime de fonctionnement très déséquilibré (quantité de sodium secon- daire tres réduite) comme dans le cas d'amorçage de la circulation naturelle. La sortie de sodium primaire au niveau du fond de l'échangeur protège ce dernier du sodium primaire chaud du collecteur et protege le fond de l'échangeur des dissymétries circonfèrencielles de température dues aux forces d'inertie du sodium chaud du collecteur à l'extérieur de l'é- changeur, qui peuvent contrarier les forces dues la différence de densité du sodium primaire plus froid à la sortie de l'échangeur. La sortie verticale du sodium primaire dans un échangeur a plaque tubulaire de faible dimension est réalisable sans augmenter le diamètre du trou de passage 121 au niveau du couvercle 111 du réacteur. L'espace disponible pour l'installation de la protection biologique et des écrans thermiques pour le couvercle du reacteur à l'extérieur du collecteur chaud peut conduire à une réduction du diamètre du trou de passage au niveau dudit couvercle. Bien entendu l'invention ntest pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s' écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur entre deux fluides dont l'un est constitué, p.e, par un métal fondu, notamment du sodium, du type qui prévoit une conduite descendante pour le fluide secondaire froid isolé par une couche intermédiaire d'argon, deux plaques tubulaires entre lesquelles sont disposés les tubes du faisceau destiné à être parcouru par le fluide secondaire ascendant pendant sa phase de réchauffement, une virole qui entoure le faisceau tubulaire et est ouverte à ses partieshaute et basse pour permettre l'entrée et la sortie du liquide primaire descendant qui s'écoule entre les tubes du faisceau tubulaire immergés dans ledit fluide primaire, caractérisé en ce que les tubes (126) du faisceau présentent tous la même longueur et la même forme et comportent deux tronçons extrêmes verticaux (41, 42) et, de préférence coaxiaux, deux tronçons intermédiaires (43, 44) inclines vers l'extérieur et un tronçon central vertical (45), ces cinq tronçons de tubes étant disposes sensiblement dans un même plan, et en ce que l'angle (A) forme par le plan de "disposition",de chaque tube forme avec le plan radial de l'échangeur passant par les tronçons extrêmes de chaque tube un angle variable avec le diamètre de la zone cylindrique (i, i-l, i+1) sur laquelle les tronçons extrêmes de chaque tube sont disposés. 2.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit angle (A) augmente avec le diamètre de la zone cylindrique (i-l, i, i+1 > sur laquelle sont disposés les tronçons extrêmes (41) de chaque tube. 3.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la virole (130) qui entoure le faisceau tubulaire s'étend en-dessous du collecteur de renvoi (127) du fluide secondaire à l'extrémité inférieure du conduit déscendant (121) du fluide primaire et à l'extérieur des tubes ascendants (44, 45) du faisceau et est munie d'une partie inférieure (51) qui s'élargit vers le bas. 4.- Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la virole (130) est munie à sa partie inférieure d'une partie tronconique (51) qui s'él-argit vers l'extérieur puis d'une partie cylindrique (52) afin de réduire au minimum la composante radiale de la vitesse du fluide primaire qui s'échappe de ladite virole (130). 5.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface latérale inférieure du collecteur inférieur (127) de l'échangeur est munie d'au moins un écran (53, 54) qui entoure cette partie de la surface du collecteur inférieur (127). 6.- Echangeur de chaleur selon une ou plusieurs revendications précédentes, caractérise en ce que l'extrémité inferieure (51, 52) de la virole (130) est reliée à l'écran (53, 54) du collecteur inférieur (127) afin de limiter les vibrations éventuelles en cas de secousse sismique.