Brevet FR2571536A1 — publié le 19860411

Echangeur de chaleur pour le refroidissement d'un métal liquide par de l'air L'invention concerne un échangeur de chaleur pour le refroidissement d'un métal liquide par de l'air. Dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidis par un métal liquide tel que le sodium, il est nécessaire de prévoir un dispositif de refroidissement de ce métal liquide constituant le fluide primaire du réacteur pour évacuer la puissance résiduelle du coeur du réacteur après son arrêt. En effet, les assemblages combustibles acquièrent une certaine activité sous l'effet des réactions nucléaires pendant le fonctionnement du réacteur et, après arrêt de ce réacteur, il reste une puissance résiduelle dans le coeur qui doit être évacuée pour éviter un échauffement inacceptable. Le dispositif de refroidissement du réacteur après arrêt doit pouvoir fonctionner en toutes circonstances et en particulier même dans le cas d'une panne de l'alimentation électrique du réacteur nucléaire. Le dispositif de refroidissement comporte généralement un échangeur de chaleur sodiumsodium plongeant dans la cuve du réacteur renfermant le coeur, remplie de sodium liquide primaire. Le sodium secondaire de l'échangeur sodium-sodium est lui-même refroidi dans un échangeur de chaleur sodium-air disposé à l'extérieur de la cuve du réacteur nucléaire. On pourrait également envisager un refroidissement direct du sodium primaire dans un échangeur de chaleur sodium-air. Un tel échangeur sodium-air peut être constitué par des tubes reliés à l'une de leurs extrémités à un collecteur d'arrivée de sodium liquide chaud et à leur autre extrémité à un collecteur d'évacuation de sodium refroidi. Ces tubes sont disposés dans une zone parcourue par un courant d'air de refroidissement en circulation naturelle ou forcée. On a proposé, en particulier dans le brevet 84-09378, d'assembler des tubes placés verticalement pour constituer un ou plusieurs panneaux qui sont ensuite disposés dans une zone de circulation d'air de refroidissement à la base d'une cheminée permettant éventuellement d'assurer la circulation de l'air sans utilisation d'élément motorisé tel qu'un ventilateur. Des ventelles de réglage du débit de l'air en circulation sont associées au panneau qui constitue ainsi un élément modulaire qui peut être associé à d'autres éléments identiques lors de son montage sur le site du réacteur nucléaire. Cependant, le réglage du débit de l'air de refroidissement dans chacun des panneaux tubulaires de l'échangeur peut présenter certaines difficultés et la conception du système de commande des ventelles associées aux panneaux pose certains problèmes techniques difficiles à résoudre. De plus, il est souhaitable de construire l'ensemble de l'échangeur en usine et de ne réaliser sur le site que les raccordements des collecteurs aux conduites d'arrivée et de récupération du sodium liquide. L'échangeur doit avoir dans ce cas une structure unitaire et compacte permettant de faciliter son montage sur le bâtiment du réacteur. Le but de l'invention est donc de proposer un échangeur de chaleur pour le refroidissement d'un métal liquide par de l'air, comportant un ensemble de tubes verticaux disposés dans une zone balayée par un courant d'air de refroidissement et reliés à leur extrémité supérieure à un collecteur d'arrivée et de distribution de métal liquide chaud et à leur extrémité inférieure à un collecteur de récupération de métal liquide refroidi, cet échangeur de chaleur devant avoir une grande capacité de refroidissement et une structure unitaire et compacte et devant permettre d'effectuer de façon simple le réglage du débit d'air de refroidissement au contact de sa partie d'échange. Dans ce but - les tubes sont disposés suivant au moins une rangée dans laquelle les axes des tubes sont disposés suivant des génératrices régulièrement espacées d'une surface cylindrique à axe vertical, - les collecteurs sont toriques et ont pour axe de révolution l'axe de la surface cylindrique sur laquelle sont disposés les axes des tubes, - la portion d'espace de forme cylindrique limitée par la rangée de tubes est fermée à sa partie supérieure par un déflecteur d'air et mise en communication à sa partie inférieure, en-dessous des tubes, avec un conduit vertical d'arrivée d'air de refroidissement, - et l'ensemble des tubes est entouré sur toute sa hauteur par une enveloppe dont le volume interne est en communication à sa partie supérieure avec un conduit vertical d'évacuation de l'air de refroidissement ayant circulé au contact des tubes entre la portion d'espace située à l'intérieur de la rangée de tubes et le volume interne de l'enveloppe, à l'extérieur de la rangée de tubes. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'un échangeur de chaleur placé dans un circuit recevant du sodium liquide secondaire échauffé par le sodium liquide primaire de refroidissement d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides. La figure 1 est une vue en coupe par un plan vertical de symétrie de l'ensemble de l'échangeur de chaleur. La figure 2 est une vue agrandie du détail Ade la figure 1. La figure 2a est une vue suivant C de la figure 2. La figure 3 est une vue agrandie du détail de la figure 1. La figure 3a est une vue suivant D de lafigure 3. Sur la figure 1, on voit le local 1 de l'échangeur de chaleur reposant sur la structure 2 du bâtiment du réacteur nucléaire à neutrons rapides. Le local 1 comporte une ouverture d'entrée d'air à sa partie inférieure et une plateforme support 3 au-dessus de cette ouverture. L'échangeur de chaleur comporte de bas en haut un conduit d'arrivée d'air à axe vertical 5, une partie d'échange thermique 6 et un conduit d'évacuation d'air 8 coaxial au conduit d'entrée 5. Autour de la partie centrale d'échange thermique 6 est disposée une enveloppe 10 maintenue par une structure de support 11 reposant sur la plateforme 3. L'enveloppe 10 est reliée au conduit d'évacuation 8 à sa partie supérieure pour la mise en communication du volume intérieur de l'enve- loppe 10 et de ce conduit 8. On va maintenant décrire en se référant a l'ensemble des figures, la partie centrale d'échange 6 qui comporte un collecteur torique supérieur 12, un collecteur torique inférieur 14 et un ensemble de tubes verticaux 15 disposés suivant trois rangées lisa, 15b et 15c, comme il est visible sur la figure 2a. Dans chacune des rangées, les tubes verticaux 15 sont disposés de façon que leurs axes constituent des génératrices régulièrement espacées d'une surface cylindrique ayant pour axe l'axe vertical ZZ' de l'échangeur de chaleur. Les tubes 15 de deux rangées successives sont décalés circonférentiellement suivant une disposition en quinconce. A leurs extrémités, les tubes 15 sont reliés aux collecteurs 12 ou 14 de façon à mettre en communication le volume interne de ces deux collecteurs à section méridienne rectangulaire. Le collecteur supérieur 12 reçoit du sodium liquide chaud venant d'un échangeur sodium-sodium plongeant dans la cuve du réacteur nucléaire à neutrons rapides par une conduite 17 traversant l'enveloppe 10. Le-collecteur inférieur 14 est relié à une conduite 18 d'évacuation du sodium liquide ayant circulé dans les tubes 15 dont la surface externe constitue la sur face d'échange thermique de l'échangeur. Le collecteur supérieur 12 distribue de façon sensiblement homogène le sodium liquide chaud dans les tubes 15. Le sodium liquide chaud circule ensuite par thermo-gravité ou par circulation forcée dans ces tubes dans lesquels il se refroidit, les surfaces externes des tubes étant balayées par un courant d'air 20 circulant depuis la portion d'espace disposée a l'intérieur des rangées de tubes jusqu'à la zone du volume intérieur de l'enveloppe 10 située à l'extérieur des rangées de tubes. Le sodium refroidi est ensuite récupéré par le collecteur 14. Le collecteur inférieur 14 repose sur une plaque support 22 qui est fixée à l'intérieur du local 1 par des tirants obliques 24 fixés sur les murs du local 1 et par des dispositifs anti-sismiques 25 comportant des éléments autobloquants 26. Le conduit d'entrée renferme des ventelles 28 de réglage du débit d'air de refroidissement entrant dans le conduit 5 en communication avec le volume intérieur de la partie d'échange 6 de l'échangeur de chaleur. Au moins une canne chauffante 29 à alimentation électrique permet de préchauffer l'échangeur afin de le mettre en sodium sans risque de gel lors du remplissage du circuit. Les tubes 15 comportent des ailettes sur leur surface externe, pour augmenter la surface d'échange thermique. Ces tubes peuvent être lisses à simple ou double paroi ; dans ce dernier cas, lorsque le sodium est le sodium primaire, on augmente la sécurité du dispositif. La portion d'espace de forme cylindrique disposée à l'intérieur des rangées de tubes 15 est fermée à sa partie supérieure par un déflecteur 30 permettant de dévier les courants d'air de refroidissement 20 vers l'extérieur. L'enveloppe externe 10 est constituée de deux viroles tronconiques d'axe ZZ', la virole inférieure 10a étant évasée vers le haut et la virole supérieure lOb évasée vers le bas. Ces deux viroles se raccordent au voisinage de la partie supérieure des tubes 15. Dans cette zone, le collecteur supérieur 12 qui peut se déplacer sous l'effet de la dilatation des tubes est guidé axialement par rapport aux parois du local 1, par l'intermédiaire de tirants 31 et éventuellement de dispositifs autobloquants 32. Audessus du collecteur 12 est également fixé à l'intérieur de 1'enveloppe 10 un déflecteur conique 33 d'axe ZZ'. La partie supérieure de la virole tronconique lOb se raccorde au conduit supérieur d'évacuation d'air 8 à l'entrée duquel sont disposées des ventelles de réglage de débit 35. Sur les figures 3 et 3a, on voit plus en détail la fixation de l'extrémité des tirants 24 sur la plaque annulaire de support 22. Les ti rants 24 comportent chacun une chape 24a à leur extrémité engagée dans un embrèvement 34 de la plaque 22 dans lequel débouche des deux côtés un trou d'axe permettant l'engagement d'un axe 36 dans la chape 24a pour l'assemblage articulé du tirant 24 et de la plaque de support annulaire 22. Le fonctionnement de l'échangeur de chaleur décrit en se référant aux figures est le suivant : du sodium liquide chaud venant de la partie secondaire d'un échangeur sodium-sodium plongeant dans la cuve du réacteur nucléaire est distribué par le collecteur 12 dans les tubes 15 puis récupéré après circulation dans les tubes 15 par le collecteur 14 et le conduit de récupération 18 pour être recyclé dans la partie secondaire de l'échangeur sodium-sodium permettant le refroidissement du sodium primaire remplissant la cuve du réacteur. Un courant d'air 20 entre dans le local 1 par son ouverture inférieure, pénètre dans le conduit d'entrée 5 puis dans la portion d'espace à l'intérieur des rangées de tubes 15 où ce courant d'air de refroidissement 20 est dirigé vers l'extérieur par le déflecteur 30. Le courant d'air de refroidissement traverse les rangées de tubes sur toute leur longueur et permet le refroidissement du sodium liquide circulant dans ces tubes. L'air de refroidissement arrive ensuite dans la partie du volume interne de l'enve- loppe 10 située à l'extérieur des rangées de tubes puis se dirige vers le haut pour pénétrer dans le conduit de sortie 8. La circulation de l'air est assurée par convection naturelle et grâce au tirage dans le conduit de sortie vertical 8. On peut également utiliser un ventilateur placé par exemple dans le conduit d'entrée 5 pour favoriser la circulation d'air de refroidissement dans l'échangeur de chaleur. Dans le cas d'un échangeur de chaleur d'une puissance thermique de 27MM utilisé pour le refroidissement d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides à l'arrêt, la partie d'échange thermique 6 comporte quatre cent vingt tubes verticaux d'un diamètre intérieur de 0,05 mètre comportant des ailettes de refroidissement externes et disposés sur trois rangées coaxiales dans une disposition en forme de tambour ou de cage d'écureuil. Le diamètre moyen de ce tambour identique au diamètre du conduit d'entrée 5 est de l'ordre de cinq mètres pour un diamètre du conduit de sortie 8 de l'or- dre de six mètres. Les principaux avantages de l'échangeur de chaleur suivant l'invention sont qu'il présente une grande surface d'échange et une structure simple, compacte et unitaire. L'échangeur de chaleur est fabriqué, assemblé et contrôlé en usine et amené dans son ensemble sur le site où il est introduit dans le local qui lui est réservé. On effectue alors le raccordement par soudage des conduits d'arrivée et d'évacuation de sodium à des conduits correspondants maintenus en attente et reliés au circuit secondaire de l'échangeur sodium-sodium. D'autre part, la perte de charge sur le circuit d'air est très faible grâce à la disposition des tubes en cage d'écureuil, si bien qu'il est possible d'assurer la circulation de l'air en convection naturelle.Les ventelles de réglage d'air sont de forme simple et peuvent être commandées en synchronisme très facilement pour le réglage de la totalité du débit d'air. L'échangeur de chaleur suivant l'invention subit également des contraintes thermiques ou mécaniques en service modérées dans ses différentes parties, à cause de sa symétrie et du fait qu'il est relié au batiment du réacteur nucléaire par des dispositifs de fixation situés à l'extérieur de l'enveloppe de l'échangeur de chaleur, c'est-à-dire dans une zone à une température modérée et non soumise à des courants de convection. L'échangeur de chaleur suivant l'invention peut également être facilement protégé contre les sollicitations accompagnant un séisme. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi que les collecteurs toriques peuvent avoir une section méridienne non seulement de forme rectangulaire mais encore carrée, circulaire ou élliptique. Le nombre de rangées de tubes d'échange peut être supérieur ou inférieur à trois ; deux rangées au moins sont souhaitables lorsqu'on désire obtenir une surface d'échange et un parcours de l'air de refroidissement donnant des conditions d'échange adéquates. On peut concevoir également des échangeurs comportant un nombre de rangées de tubes bien supérieur, par exemple cinq rangées. L'enveloppe de la partie d'échange peut avoir d'autres formes que la forme bitronconique qui a été décrite On peut par exemple imaginer une enveloppe constituée par des parties planes assemblées suivant des troncs de pyramide. De même, les déflecteurs d'air à l'intérieur de l'enveloppe peuvent avoir des formes différentes des formes coniques qui ont été décrites. Les ventelles peuvent être constituées par tout ensemble d'ailettes ou papillons montés en série sur des axes communs ou sur des axes indépendants. Leurs moyens de commande peuvent être communs à l'ensemble des ventelles ou au contraire associés à une partie seulement de celles-ci. Enfin, l'échangeur de chaleur suivant l'invention peut s'appliquer non seulement au refroidissement du sodium liquide secondaire d'un échangeur sodium-sodium de refroidissement d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides mais encore au refroidissement de sodium liquide primaire sans passer par l'intermédiaire de sodium liquide secondaire ou encore au refroidissement de tout fluide, sels fondus ou métal et alliage liquides à bas point de fusion utilisé dans un dispositif d'échange thermique. REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur pour le refroidissement d'un métal liquide par de l'air comportant un ensemble de tubes verticaux (15) disposés dans une zone balayée par un courant d'air de refroidissement et reliés à leur extrémité supérieure à un collecteur (12) d'arrivée et de distribution de métal liquide chaud et à leur extrémité inférieure à un collecteur (14) de récupération de métal liquide refroidi, caractérisé par le fait - que les tubes (15) sont disposés suivant au moins une rangée (15a, 15b, 15c) dans laquelle les axes des tubes (15) sont disposés suivant des génératrices régulièrement espacées d'une surface cylindrique à axe vertical, - que les collecteurs (12, 14) sont toriques et ont pour axe de révolution l'axe de la surface cylindrique sur laquelle sont disposés les axes des tubes (15), - que la portion d'espace de forme cylindrique limitée par la rangée de tubes (15a, 15b, 15c) est fermée à sa partie supérieure par un déflecteur d'air (30) et mise en communication à sa partie inférieure en-dessous des tubes (15) avec un conduit vertical d'arrivée d'air de refroidissement (5), - et que l'ensemble des tubes (15) est entouré sur toute sa hauteur par une enveloppe (10) dont le volume interne est en communication å sa partie supérieure avec un conduit vertical (â) d'évacuation de l'air de refroidissement ayant circulé au contact des tubes (15) entre la portion d'espace située à l'intérieur de la rangée de tubes (1Sa, 15b, 15c) et le volume interne de l'enveloppe (10) à l'extérieur de la rangée de tubes. 2.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes (15) sont disposés suivant au moins deux rangées (15a, 15b, 15c) dont les surfaces cylindriques contenant les axes des tubes (15) sont coaxiales. 3.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le collecteur inférieur (14) repose sur une plaque support (22) elle-même fixée par l'intermédiaire de dispositifs (14, 25) sur les parois d'un local (l) renfermant l'échangeur de chaleur. 4.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que les dispositifs de fixation (14, 25) sont des tirants de suspension dont une partie au moins est associée à des dispositifs autobloquants anti-séismes (26). 5.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le collecteur supérieur (12) est guidé axialement par rapport aux parois d'un local (1) dans lequel est disposé l'échangeur de chaleur par l'intermédiaire de tirants (31) associés à des dispositifs anti-sismiques et autobloquants (32). 6.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les collecteurs toriques ont une section méridienne d'une forme géométrique appartenant au groupe : section rectangulaire, carrée, circulaire, elliptique. 7.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'enveloppe (10) entourant les tubes (15) a une forme bitronconique et un axe de révolution vertical. 8.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications l et 2, caractérisé par le fait que des ventelles de réglage (28, 35) du débit d'air de refroidissement sont disposées dans l'un au moins des deux conduits (5, 8) d'arrivée et d'évacuation de l'air de refroidissement. 9.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconques des revendications l et 2, caractérisé par le fait qu'un ventilateur est disposé dans le conduit (5) d'arrivée d'air de refroidissement. 10.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les tubes (15) sont d'un type appartenant au groupe : tube lisse à simple paroi, tube lisse à double paroi, tube à ailettes.