Brevet FR2564960A1 — publié le 19851129

Echangeur de chaleur pour le refroidissement d'un métal liquide par de l'air L'invention concerne un échangeur de chaleur pour le refroidisse- ment d'un métal liquide par de l'air, en particulier pour le refroidisse- ment de sodium liquide dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides. Dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides, le refroidisse- ment du coeur du réacteur est généralement assuré par du sodium liquide, ap- pelé sodium liquide primaire qui circule en contact avec le coeur du réac- teur. Ce sodium primaire est lui-même refroidi dans des échangeurs intermé- diaires par du sodium secondaire qui permet, pendant la marche normale du réacteur, de transporter la chaleur du réacteur vers les générateurs de va- peur, pour la production de vapeur à partir d'eau d'alimentation. Lorsqu'on désire arrêter le réacteur nucléaire, par exemple pour effectuer un rechargement en combustible nucléaire ou des réparations, on réduit la puissance du coeur et donc la chaleur dégagée par ce coeur, jus- qu'à un niveau proche de la valeur zéro. Cependant, la température du réac- teur et de ses structures est encore élevée et il est nécessaire de refroi- dir le coeur et ses structures jusqu'à une température voisine de la tempé- rature ambiante. Pour celà, on effectue un refroidissement du sodium primai- re, soit par l'intermédiaire du sodium secondaire, soit directement. Dans le cas d'une défaillance des circuits normaux de refroidisse- ment du réacteur, on doit disposer d'échangeurs de chaleur de secours pour pouvoir effe'tuer dans tous les cas le refroidissement du réacteur. De tels échangeurs de chaleur sont constitués par un conduit col- lecteur d'arrivée de sodium liquide chaud, un conduit collecteur de récupé- ration du métal liquide refroidi et un ensemble de tubes de circulation du métal liquide disposés dans une zone de circulation de l'air de refroidisse- ment qui vient en contact avec la surface externe des tubes. Généralement, les deux conduits collecteurs sont rectilignes et parallèles et les bran- ches des tubes reliées à ces collecteurs sont perpendiculaires au plan défi- ni par les axes des deux conduits collecteurs. Pendant te refroidissement du réacteur, cet ensemble de tubes constituant l'échangeur de chaleur est soumis à de très grandes différences de température. Lorsque l'échangeur de chaleur n'est pas en service, le so- dium liquide qu'il contient est maintenu en fusion par un chauffage électri- que annexe. La température du sodium liquide à l'intérieur des tubes de l'é- changeur de chaleur est alors voisine de 100 e. Lorsque l'échangeur de cha- leur est mis en service pour le refroidissement du sodium liquide primaire, la température du sodium liquide en circulation dans l'échangeur atteint et peut même dépasser 500 . Il en résulte des dilatations importantes et variables des tubes constituant l'échangeur de chaleur et il est nécessaire de prévoir un sup- portage de ces tubes qui n'entraîne pas de contraintes excessives. De façon plus générale, on utilise également de tels échangeurs de chaleur dans les circuits d'essai ou dans les circuits expérimentaux des réacteurs nucléaires, circuits qui peuvent connattre des conditions de fonc- tionnement très variables, en particulier en ce qui concerne les températu- res de fonctionnement. Le but de l'invention est donc de proposer un échangeur de cha- leur pour le refroidissement d'un métal liquide par de l'air comportant un conduit collecteur d'arrivée de métal liquide chaud et un conduit collec- teur de récupération du métal liquide refroidi, rectilignes et parallèles et disposés en vis-à-vis, ainsi qu'un ensemble de tubes de circulation du métal liquide en forme de U reliés chacun à l'un des collecteurs par l'une de ses branches et à l'autre collecteur par son autre branche, les branches de ces tubes étant sensiblement perpendiculaires au plan défini par les axes des collecteurs et l'ensemble de ces tubes étant placés dans une zone de circulation de l'air de refroidissement en contact avec leur surface ex- terne, cet échangeur de chaleur permettant d'absorber les dilatations et les déplacements de ces divers éléments, pendant le fonctionnement de l'é- changeur, sans création de contraintes excessives dans ces éléments. Dans ce but, sur chacun des conduits collecteurs, sont fixés deux ensembles de tourillons coaxiaux, saillants vers l'extérieur et perpendicu- laires au plan défini par les axes des collecteurs, chaque ensemble étant situé à une extrémité du collecteur, l'un de ces ensembles étant engagé dans des paliers fixes et l'autre dans des biellettes articulées autour d'un axe parallèle aux tourillons sur un support fixe pour permettre les dé- placements dus aux dilatations longitudinales des conduits collecteurs, les extrémités fixes et articulées de ces collecteurs étant placées en vis-à- vis, et l'une des branches de chacun des tubes en U est supportée à son extrémi- té opposée au collecteur correspondant par deux tiges cylindriques, montées sur un support fixe et sensiblement parallèles aux axes des collecteurs, en contact avec la branche du tube en deux points diamétralement opposés, les branches de deux tubes successifs sur le collecteur étant en appui de part 3 2564960 et d'autre d'un même galet ayant un axe perpendiculaire aux tiges de sup- port, assurant leur maintien dans la direction perpendiculaire à leurs axes. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décri- re à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un échangeur de chaleur suivant l'invention comportant des moyens de support permettant d'absorber ses dilatations sans contraintes excessi- ves. La figure 1 est une vue en coupe par un plan vertical suivant BB de la figure 2, de l'échangeur de chaleur. La figure 2 est une vue en élévation avec coupe partielle, sui- vant AA de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe, suivant CC de la figure 2. La figure 4 est une vue suivant DD de la figura 2. La figure 5 est une coupe partielle suivant E de la figure 1. La figure 6 est une vue suivant FF de la figure 5. La figure 7 est une vue analogue à la -ue de la figure 5 d'une va- riante de réalisation des moyens de support des branches des tubes d'un &- changeur de chaleur suivant l'invention. Sur les figures 1 et 2, on voit une structure fixe t constituée par des poutrelles soudées entre elles constituant le support de l'échan- geur de chaleur. Cette structure I porte une gaine 2 verticale è section carrée dont l'espace intérieur constitue une zone de circulation d'air de refroidissement. La structure 1 porte également, par l'intermédiaire de disposi- tifs de support qui seront décrits plus en détail, un conduit collecteur 4 d'arrivée de sodium liquide chaud et un collecteur 5 de récupération de so- dium liquide refroidi. Les conduits collecteurs 4 et 5 sont lorizontaux et parallèles, le collecteur 4 étant placé au-dessus et à la verticale du conduit collecteur 5. Les collecteurs 4 et 5 sont reliés par un ensemble de dix tubes 6 de circulation de métal liquide dont les branches 6a et 6b traversent la zone de refroidissement constituée par le volume intérieur de la gaine 2. Le sodium liquide à une température pouvant aller jusque 6000C pénètre dans le collecteur 4 par son extrémité 4a, ce collecteur 4 assurant la distribution de ce sodium chaud dans les dix tubes de refroidissement 6. Le sodium chaud est refroidi par l'air circulant dans la direction vertica- le a l'intérieur de la gaine 2, en contact avec la surface externe des tubes 6. Le sodium refroidi est récupéré par le collecteur 5 en communica- tion avec les branches 6b des tubes 6. Ce sodium refroidi sort du collec- teur 5 par son extrémité 5a. Les tubes 6 ont la forme de U dont les branches 6a et 6b sont mises en communication à l'une de leurs extrémités avec le collecteur 4 ou le collecteur 5 respectivement, ces branches rectilignes La et 6b des tubes en U étant sensiblement perpendiculaires au plan défini par les axes des collecteurs 4 et 5, c'est-à-dire à un plan vertical. Ces deux branches 6a et 6b sensiblement horizontales sont reliées par la partie cintrée 6c du tube qui se trouve en dehors de la zone de refroidissement. En se référant aux figures 1, 2 et 3, on va maintenant décrire les moyens de support des conduits collecteurs 4 et 5 à leurs extrémités voisines de l'entrée 4a ou de la sortie 5a du collecteur. Dans ses zones d'extrémité, chacun des collecteurs porte un ensem- ble de deux tourillons coaxiaux et horizontaux situés à la verticale les uns des autres. Les tourillons 10 portés par le collecteur 4 et les tourillons 11 portés par le collecteur 5 sont disposés en vis-à-vis dans la direction ver- ticale. Ces tourillons tels que lia représentés à la figure 3 sont soudés directement sur la surface externe du collecteur correspondant (collecteur sur la figure 3). On voit sur la figure 3 que le tourillon lia et le tourillon llb sont engagés dans des paliers 14 fixes de façon rigide par des pattes de fixation 15 sur le support 1 de l'échangeur de chaleur. De la même façon, les tourillons 10 du conduit collecteur supé- rieur 4 sont engagés dans des paliers fixes 16 solidaires de la partie supé- rieure du support fixe 1. Les paliers 15 sont fixés au-dessus de la partie inférieure du support 1 et les paliers 16 en-dessous de la partie supérieu- re de ce support 1. L'extrémité du collecteur 4 est donc suspendue sous le support 1 alors que l'extrémité du conduit collecteur 5 est supportée par la base du support fixe 1. Ces dispositifs de support des extrémités des conduits collec- teurs 4 et 5 situés dans la partie gauche de la figure 2 ne permettent qu'un mouvement de rotation des conduits 4 et 5 autour des axes horizontaux des tourillons 10 et 11, par rapport au support fixe 1. En se reportant aux figures 1, 2 et 4, on va maintenant décrire les dispositifs de support des autres extrémités des conduits collecteurs 4 et 5 situés dans la partie droite de la figure 2. Le conduit 5 porte, à son extrémité opposée à l'extrémité 5a, deux tourillons 13a et 13b coaxiaux et horizontaux qui sont soudés sur la surface extérieure du conduit 5. Ces tourillons 13a et 13b sont engagés dans les extrémités de deux biellettes 18 constituant des paliers pour les tourillons 13. Les biellettes 18 sont articulées sur le support 1, à leur extré- mité opposée à l'extrémité dans laquelle sont engagés les tourillons 13 so- lidaires du conduit collecteur 5. Pour celà, un axe 20 horizontal est rendu solidaire des extrémités inférieures des biellettes 18, cet axe 20 étant monté rotatif dans des paliers 21 et 22 portés par le support 1. De la meme façon, l'extrémité du collecteur 4 disposée en vis-à- vis de l'extrémité du collecteur 5 articulée sur le support porte des tou- rilions 12 horizontaux et coaxiaux engagés dans des biellettes 19 articu- lées à leur extrémité opposée à celle dans laquelle sont engagés les touril- lons 12 sur la partie supérieure du support 1. De cette façon, le conduit collecteur supérieur 4 est suspendu à la partie supérieure du support fixe 1 de façon articulée, cependant que l'extrémité correspondante du conduit collecteur 5 est montée de façon arti- culée sur la base du support fixe 1. Sur la figure 2, on a représenté les collecteurs de l'échangeur de chaleur dans la position qu'ils occupent lorsque les collecteurs sont à la température ambiante, avant la mise en service de l'échangeur de cha- leur. Lors de la mise en service de l'échangeur de chaleur, le sodium échauffe les collecteurs qui se dilatent dans leur direction longitudinale, si bien que leur extrémité articulée se déplace grace à la rotaiion des bielles 18 et 19 autour de leurs axes d'articulation sur le support 1 et à la rotation de l'autre extrémité de ces bielles sur les tourillons 13 et 12. Ce déplacement horizontal des extrémités des tubes 4 et 5 a lieu vers l'extézieur de l'échangeur de chaleur, c'est-à-dire vers la droite de la fi- gure 2. Pendant le fonctionnement de l'échangeur de chaleur, si la tempé- rature du sodium liquide varie, les extrémités articulées des conduits col- lecteurs 4 et 5 peuvent se déplacer soit dans un sens soit dans l'autre, suivant que les variations de température du sodium liquide correspondent à un échauffement ou à un refroidissement. D'autre part, les déplacements des conduits collecteurs 4 et 5 respectivement sont totalement indépendants. En se reportant aux figures 1, 5 et 6, on va maintenant décrire les dispositifs de support des branches supérieures 6a des tubes 6. Les tubes 6 sont supportés dans le bâti fixe 1 de l'échangeur de chaleur unique- ment par leurs branches supérieures 6a qui passent entre deux tiges cylin- driques 25 et 26 horizontales et montées rotatives dans le bâti fixe 1 de l'échangeur de chaleur à leurs extrémités, de part et d'autre de l'ensemble des dix tubes parallèles 6. La tige supérieure 25 et la tige inférieure 26 constituent des rouleaux horizontaux venant en contact avec les tubes 6 successifs de l'en- semble constituant les tubes de refroidissement de l'échangeur de chaleur en deux points diamétralement opposés et à la verticale l'un de l'autre. Entre deux tubes 6 successifs, les tiges 25 et 26 portent deux ba- gues 27 et 28 placées à la verticale l'une de l'autre et reliées par un axe vertical 30 portant un galet 31. Les bagues 27 et 28 sont montées folles par rapport aux tiges 25 et 26 respectivement et le galet 31 est monté fou sur l'axe 30. Cet axe 30 est fixé sur la bague 28 par une soudure 34. Le galet 31 a un diamètre tel qu'il est intercalé avec un très faible jeu entre les deux tubes 6 succes- sifs. Ce galet 31 assure ainsi le maintien et l'écartement des tubes 6 les uns par rapport aux autres, dans la direction horizontale. On voit que les tubes 6 sont ainsi maintenus à la fois horizonta- lement et verticalement de chaque côté. Les dispositifs de maintien permet- tent les déplacements consécutifs à la dilatation des tubes dans leur direc- tion longitudinale, puisque ces moyens de maintien sont constitués par des rouleaux ou des galets sur lesquels les tubes 6 peuvent se déplacer sans en- gendrer de contraintes notables à leur contact. Sur la figure 6, on voit que les bagues 27 et 28 disposées entre deux tubes 6 sont fixées sur le bâti fixe 1 par l'intermédiaire de vis 32 qui les maintiennent en position pour réaliser un entretoisement des tubes 6 disposés côte à côte dans la direction horizontale. Sur la figure 7, on a représenté un second mode de réalisation du dispositif de maintien des branches 6a des tubes de l'échangeur de chaleur. Les tiges cylindriques 25 et 26 constituant des rouleaux permettant le dé- placement des branches 6a des tubes 6 ont été remplacées par des tiges fixes 35 et 36 qui sont engagées à leurs extrémités dans le bâti fixe 1 de l'échangeur de chaleur. Les tiges 35 et 36 portent à leurs extrémités des tourillons 45 et 46 respectivement qui sont engagés dans des lumières 47 et 48 ménagées dans le bâti 1 pour maintenir ces tiges 35 et 36 tout en leur permettant de se dilater dans leur direction longitudinale. Les tourillons Z564960 et 46 sont maintenus dans les lumières 48 par un ensemble tel que 49 com- portant une rondelle et une goupille. Les tiges 33 et 36 peuventc être indifférem ent de section circu- laire ou carrée. Entre deux tubes 6 successifs, un galet 50 est monté fou sur un axe 51 solidaire des tiges 35 et 36. Le diamètre du galet 50 est tel qu'il existe un très léger jeu entre ce galet et les deux tubes entre lesquels il est intercalé. De la même façon, l'écartement entre les tiges 35 et 36 est un peu supérieur au diamètre des tubes 6, si bien que ceux-ci sont maintenus efficacement dans la direction verticale tout en ayant la possibilité de se déplacer horizontalement, lors de leur dilatation au contact du sodium li- quide chaud. Les contraintes de contact entre les tubes 6 et les tiges 35 et 36 restent faibles bien que les tiges 35 et 36 ne constitusent pas des rouleaux comme dans le mode de réalisation représenté aux figures 5 et 60 On voit donc que les principaux avantages de l'échangeur de cha- leur suivant l'invention sont de permettre des dilatations de tous ses élé- ments en contact avec le métal liquide chaud, sans créa-ion de contraintes importantes dans ces éléments. L'échangeur de chaleur suivant l'invention présente donc un intérêt tout particulier, lorsque 1_ temperature du métal liquide chaud est essentiellement variable pendant le fonctionnement de 'é- changeur de chaleur. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits; elle en comporte au contraire toutes les variantes. C'est ainsi que les tourillons fixdés aux extrémités des collec- teurs peuvent être fixés à ceux-ci par l'intermédiaire de colliers serrés ou soudés sur les collecteurs, au lieu d'être soudds directement sur la sur- face externe de ceux-ci. Les biellettes de support de l!ne des extrémités des collecteurs peuvent être fixées de façon articulén par tout moyen sur 1e bâti filxe de l'échangeur de chaleur. Les dispositifs de suppcrrt de l'auni des bra'ches des tubes de l'- changeur de chaleur peuvent être d'ou type di-férant de eu:L qui ont été dé- crits, les tiges de support des tubes pouvant z-r+ montes rotatives ou fixes dans le bâti et pouvant avoir une section Je forme qlelconque. De la même façon, les galets d'entretoisement des tubes pevent être montées par tout moyen, par 'lintermr.ddaire d'él ments rapportés cu dêirectemint sur ces tiges. Lorsqu'on utilise des tiges de maintien des tubes rotatives, ces tiges cylindriques peuvent être pleines ou creuses. On pourra ainsi utili- ser des tubes à la place de tiges pleines. Lorsqu'on utilise des tiges fixes en rotation, celles-ci peuvent être également creuses ou pleines et leur section peut être différente d'une section circulaire, par exemple de forme carrée. Enfin, l'échangeur de chaleur suivant l'invention peut être utili- sé non seulement pour le refroidissement du sodium liquide dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides mais encore, dans le cas du refroidissement de tout métal liquide par de l'air, métal liquide dont la température est éle- vée, par exemple supérieure à 300 et essentiellement variable pendant l'u- tilisation de l'échangeur de chaleur. REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur pour le refroidissement d'un métal liqui- de par de l'air comportant un conduit collecteur d'arrivée (4) de métal li- quide chaud et un conduit collecteur (5) de récupération du métal liquide refroidi rectilignes et parallèles et disposés en vis-à-vis, ainsi qu'un en- semble de tubes (6) de circulation du métal liquide en forme de U reliés chacun à l'un des collecteurs (4) par l'une de ses branches (6a) et à l'au- tre collecteur (5) par son autre branche (6b), les branches (6a) et (6b) de ces tubes étant sensiblement perpendiculaires au plan défini par les axes des collecteurs (4, 5) et l'ensemble de ces tubes (6) étant placés dans une zone (2) de circulation de l'air de refroidissement en contact avec leur surface externe, caractérisé par le fait que, sur chacun des conduits collecteurs (4, 5) sont fixés deux ensembles de deux tourillons (10, il - 12, 13) coaxiaux, saillants vers l'extérieur et perpendiculaires au plan défini par les axes des collecteurs (4, 5), chaque ensemble (10, 11 - 32, 13) étant situé à une extrémité du collecteur (4, 5), l'un de ces ensembles étant engagé dans des paliers fixes (15, 16) et l'autre dans des biellettes (18, 19) articulées autour d'un axe parallèle aux tourillons (10, 11 - 12, 13) sur un support fixe (1) pour permettre les déplacements dus aux dilatations longitudinales des conduits collecteurs (4, 5), les extrémités fixes et articulées de ces collecteurs (4, 5) étant placées en vis-à-vis, et que l'une des branches (6a) de chacun des tubes en U (6) est supportée à son extrémité opposée au collecteur correspondant (4, 5) par deux tiges (25, 26), (35, 36) montées sur un support fixe (1) et sensiblement parallè- les aux axes des collecteurs (4, 5), en contact avec la branche du tube en deux points diamétralement opposés, les branches (6a) de deux tubes succes- sifs sur le collecteur (4, 5) étant en appui de part et d'autre d'un même galet (31, 50) ayant un axe (30, 51) perpendiculaire aux tiges de support (25, 26 - 35, 36) assurant leur maintien dans la direction perpendiculaire à leurs axes. 2.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les tiges (25, 26) sont cylindriques et montées rotatives par leurs extrémités dans un support fixe (1), pour constituer des rouleaux d'appui des tubes (b). 3.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que des bagues (27, 28) sont montées folles sur les tige" (25, 26) entre deux tubes successifs (6) et que le galet (31) interca- lé entre les deux tubes (6) successifs est monté sur un axe (31) engagé à ses extrémités dans les bagues (27, 28). 4.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les tiges (35, 36) sont montées fixes en rota- tion dans le support (1) à leurs extrémités et comportent des moyens (45, 46, 49) coopérant avec des moyens (47, 48) du support fixe (1), à l'une au moins de leurs extrémités, pour permettre leur libre dilatation longitudina- le. 5.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que les tiges (35, 36) ont une section carrée plei- ne ou creuse. 6.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé par le fait que les tourillons (10, 11 - 12, 13) sont soudés di- rectement sur les collecteurs (4, 5) correspondants. 7.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé par le fait que Ies tourillons (10, 11 - 12, 13) sont solidai- res de colliers qui sort eux-mêmes rapportés et serrés ou encore soudés sur les collecteurs (4, 5). 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