Brevet FR2566108A1 — publié le 19851220

Echangeur de chaleur pour le refroidissement d'un métal liquide par de l'air, constitué par des panneaux de tubes identiques L'invention concerne un échangeur de chaleur pour le refroidissement d'un métal liquide par de l'air, constitué par des panneaux de tubes identiques. Dans les réacteurs nucléaires, les assemblages combustibles acquièrent une certaine activité, sous l'effet des réactions nucléaires, pendant le fonctionnement du réacteur. Même après arrêt du réacteur, il reste une puissance résiduelle dans le coeur qui doit être évacuée pour Éviter des incidents graves ou même des accidents dus d une élévation inacceptable de la température du fluide de refroidissement du coeur. Si cet échauffe- ment persiste et si le fluide de refroidissement devient inopérant ou insuffisant, on peut même aboutir à une fusion du coeur. Il est donc ndeessaire de prévoir un dispositif de refroidissement du fluide primaire du réacteur qui fonctionne en toute circonstance et en particulier, même dans le cas d'une panne de l'alimentation électrique du réacteur nucléaire. Dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides, l'agent de refroidissement du coeur est généralement du sodium liquide dont le refroidissement après arrêt du réacteur est assuré par un échangeur de chaleur dans lequel circule le sodium et dont l'agent de refroidissement est de l'air. Le sodium liquide circule dans des tubes disposés dans une zone balayée par l'air de refroidissement dont la circulation est assurée par convection naturelle ou grâce à des moyens assurant une circulation forcée, de très faible puissance et alimentés éventuellement par une source d'énergie auxiliaire. La convection naturelle permet d'être indépendant de toute source électrique mais il faut que la perte de charge de l'air dans la zone de refroidissement soit la plus faible possible si l'on ne veut pas augmenter exagérément la hauteur de tirage de la cheminée.Un échangeur de chaleur sodiumair d'un type couramment utilisé pour le refroidissement du fluide primaire des réacteurs nucléaires à neutrons rapides comporte un ensemble de tubes de circulation du sodium liquide pliés en épingle horizontale et reliés chacun & un collecteur horizontal d'arrivée de sodium chaud et à un autre collecteur horizontal de récupération du sodium refroidi, le plan des tubes en épingle étant perpendiculaire au plan des collecteurs, La plus grande partie des tubes en épingle est disposée à l'intérieur d'une gaine verticale de circulation d'air de refroidissement prolongée par une cheminée assurant la circulation en convection naturelle. Un tel échangeur a cependant l'inconvénient de nécessiter l'utilisation de moyens de support complexes des collecteurs et des tubes en épingle tenant compte des dilatations différentielles entre ceux-ci et la gaine. D'autre part, l'encombrement de la gaine -de circulation d'air, en particulier dans la direction verticale, est très important. On connaît également un échangeur de chaleur assurant le refroidissement d'un métal liquide par de l'air, décrit dans le brevet français nO 2.527.324, qui est constitué par un panneau de tubes reliés chacun, par leurs extrémités, à des collecteurs d'arrivée et d'évacuation du métal liquide, respectivement. Les collecteurs sont disposés horizontalement et l'un à la verticale de l'autre, les tubes de circulation du métal liquide entre les collecteurs étant disposés verticalement. Le panneau vertical ainsi constitué est plus facile à supporter dans la gaine parallèlépipèdi que horizontale mais pour obtenir la même surface d'échange que dans le cas des tubes en épingle on est conduit à utiliser des tubes de grande longueur sensibles aux vibrations. Pour parer à cet inconvénient on a proposé, par ailleurs, d'utiliser deux panneaux verticaux de demi-longueur mais qui nécessitent deux gaines horizontales superposées, très encombrantes avec un coude et un té de raccordement à la cheminée verticale, ce qui est compliqué. Le raccordement des quatre collecteurs de sodium est également plus compliqué. La structure est dissymétrique, il faut un dispositif de réglage assurant l'égalité du débit dans les deux veines fluides. Le but de l'invention est donc de proposer un échangeur de chaleur pour le refroidissement d'un métal liquide par de l'air constitué par des panneaux de tubes identiques comportant chacun deux collecteurs horizontaux placés à la verticale l'un de l'autre et un ensemble de tubes de refroidissement verticaux reliés chacun au collecteur supérieur recevant le métal liquide chaud à l'une de ses extrémités et au collecteur inférieur recevant le métal liquide refroidi à son autre extrémité et disposés dans une gaine parallèlépipèdique ouverte sur deux de ses faces opposées et parallèles aux tubes et munie de moyens de réglage du débit dé l'air de refroidissement en circulation dans ladite gaine, en contact avec la surface extérieure des tubes entre l'une des faces ouvertes de la gaine ou face d'entrée et l'autre face ouverte de la ga-ine ou face de sortie, cet échangeur de chaleur ayant un encombrement réduit en hauteur pour une puissance donnée, une structure simple, une grande section de passage de l'air de refroidissement donc une perte de charge faible et des moyens de supportage par le haut des collecteurs et des tubes simples et non susceptibles d'engendrer des contraintes dans ces tubes. Dans ce but, les panneaux de tubes sont disposés les uns à côté des aux autres et assemblés de façon que leurs faces de sortie constituent une surface prismatique dont la hauteur est verticale et dont l'espace intérieur communique avec une cheminée d'axe vertical, et chacun des panneaux est suspendu à une structure fixe, grâce à des moyens de fixation articulés, par l'intermédiaire de son collecteur supérieur uniquement. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'un échangeur de chaleur suivant l'invention, utilisable pour le refroidissement du sodium liquide d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides. La figure 1 est une vue en coupe par un plan vertical, suivant AA de la figure 1, d'un échangeur de chaleur suivant l'invention. La figure 2 est une vue en coupe par un plan horizontal suivant BB de la figure 1, du même échangeur de chaleur. Sur les figures 1 et 2, on voit les parois du local 1 dans lequel est disposé l'échangeur de chaleur qui est une structure fixe solidaire du bâtiment du réacteur et disposée au-dessus de la cuve principale de ce réacteur nucléaire. Ce local a une base rectangulaire d'une dimension suffisante pour recevoir l'échangeur de chaleur sodium-air et une hauteur suffisante pour qu'on puisse y loger la cheminée 6 assurant la circulation en convection naturelle de l'air de refroidissement. Trois des quatre parois latérales du local 1 comportent des ouvertures de grande dimension, respectivement 2, 3 et 4, constituant des baies de passage de l'air de refroidissement de l'extérieur vers l'intérieur du local 1. Un plancher intermediai- re 7 constitue la structure fixe d'accrochage de l'échangeur de chaleur d l'intérieur du local 1. En particulier, la cheminée 6 est fixée à sa périphérie sur la structure 7. La partie de l'échangeur de chaleur dans laquelle circule le sodium liquide est constituée par six panneaux de tubes 8 identiques et de forme parallèlépipèdique, disposés suivant les faces d'un prisme dont la hauteur est verticale et confondue avec l'axe ZZ' de la cheminée 6. Chacun des panneaux de tubes 8 comporte un conduit collecteur supérieur 9, un conduit collecteur inférieur 10 horizontaux entre lesquels sont disposés des tubes 12 verticaux suivant trois rangées espacées dans la direction transversale et une gaine parallèlépipèdique 13 portant des ventelles 14 assurant le réglage du débit de l'air de refroidissement dans le panneau de tubes. Les panneaux 8 sont suspendus au plancher 7 par l'intermédiaire de leur conduit collecteur supérieur 9 uniquement, grâce à des biellettes 15 articulées sur le conduit collecteur 9 à l'une de leurs extrémités et sur le plancher 7 à leur autre extrémité. Les tubes verticaux 12 sont fixés par soudage sur le collecteur supérieur 9 à l'une de leurs extrémités et sur le collecteur inférieur 10 à leur autre extrémité et débouchent à l'intérieur de ces collecteurs. La gaine 13 de forme parallèlépipèdique est constituée par quatre tôles rectangulaires assemblées entre elles, deux tôles verticales 16 encadrant l'ensemble des tubs du panneau et deux tôles 17 assemblées aux tôles 16, horizontales, traversées par les tubes 12 et fixées sur ces tubes. On voit donc que l'ensemble d'un panneau tubulaire 8 est suspendu à la structure fixe 7 par des éléments-articulés et par l'intermédiaire du collecteur supérieur 9 uniquement. Les tôles 16 et 17 du cadre constituant la gaine 13 limitent deux faces ouvertes 18a et 18b verticales, la face 18b étant appelée face d'entrée et la face 18a face de sortie du panneau de tubes 8. Les six panneaux 8a, 8b, ... 8e,8f sont assemblés entre eux par l'intermédiaire des côtés intérieurs des plaques de tôles 16 et par l'intermédiaire d'une structure 20 de liaison à la cheminée 6, de façon que leurs faces de sortie de l'air 18a constituent un prisme d'axe verticale ZZ' à base hexagonale. Les ventelles 14 des panneaux de tubes 8 sont fixées sur des axes horizontaux montés rotatifs dans les gaines 13, suivant deux jeux 14a et 14b disposés de part et d'autre des tubes 12, à l'amont et à l'aval de ces tubes respectivement. Les collecteurs supérieurs 9 et les collecteurs inférieurs 10 sont reliés les uns à la suite des autres, suivant un contour hexagonal, de façon àWconstituer deux portions de conduits tels que 21 et 23 représentés sur la figure 2. Le conduit 21 est constitué par les collecteurs inférieurs 10a, 10b et l0c et le conduit 23 par les collecteurs 10d, 10e et 10f des panneaux 8a à 8f, respectivement. Les~conduits 21 et 23 sont reliés entre eux et à un conduit 5 à l'une de leurs extrémités. Les autres extrémités de ces conduits sont fermées et séparées par un espacé libre. Le conduit 25 permet l'évacuation du sodium liquide refroidi récupéré par les collecteurs inférieurs 10.De la même façon, les collecteurs supérieurs 9 d'arrivée du sodium liquide chaud constituent deux demi-conduits, suivant un contour polygonal, reliés entre eux et à un conduit 27 à leur point de jonction. Les autres extrémités de ces deux demi-conduits sont fermées et séparées par un espace libre. Le conduit 27 permet l'alimentation en sodium liquide chaud à refroidir des collecteurs supérieurs 9. Les conduits 25 et 27 peuvent être disposés à la verticale l'un de l'autre ou diamétralement opposés par rapport à la cheminée et au contour polygonal interne de l'échangeur de chaleur. La partie inférieure des gaines 13 est reliée le long de sa base hexagonale à une structure en tôle de forme pyramidale 28. Cette structure 28 permet d'améliorer le guidage de l'air vers la cheminée 6. La structure 20 de raccord des panneaux à la cheminée a également la forme d'une pyramide à base hexagonale dont le contour supérieur est défini par l'intersection avec le cylindre limitant la cheminée 6. Un ventilateur 30 dont la pale est disposée à la base de la cheminée 6 est monté à l'intérieur de la structure 28 qui supporte la motorisation 31 de ce ventilateur. Un dispositif 32 permet la commande de l'ensemble des ventelles 14 assurant le réglage du débit de l'air dans les panneaux 8. Un bac de récupération 34 disposé sous l'échangeur de chaleur permet de rassembler les fuites de sodium éventuelles des collecteurs 9 et 10 et des tubes 12. Le fonctionnement du dispositif pour le refroidissement du sodium liquide d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides à l'arrêt peut être décrit de la façon suivante Le sodium liquide chaud venant de la cuve principale du réacteur à l'arrêt est amené par la conduite 27 dans l'ensemble des conduits collecteurs supérieurs 9 des panneaux de tubes 8. Ce sodium liquide chaud traverse la zone ventilée à l'intérieur des gaines 13 par les tubes 12. Enfin, le sodium liquide refroidi est récupéré par les conduits collecteurs 21 et 23 et le conduit de départ 25. La ventilation de la zone intérieure des panneaux de tubes 8 est assurée par appel d'air à la base de la cheminée 6, dans l'espace compris à l'intérieur de la surface prismatique définie par les faces de sortie 18a des panneaux de tubes, entre les surfaces pyramidales 20 et 28. Cet appel d'air peut être éventuellement accru par le ventilateur 30. Cependant, l'action de ce ventilateur n'est pas indispensable si bien que le refroidisse ment peut être assuré en l'absence de toute alimentation électrique du dispositif d'échange de chaleur. Le ventilateur 30 consomme une puissance très faible et peut être lui-même alimenté par une source annexe de courant électrique, par exemple un groupe électrogène ou un ensemble d'accumulateurs. L'air de refroidissement traverse les gaines 13 entre leurs faces d'entrée 18b et leurs faces de sortie 18a, le débit d'air étant réglé par les ventelles 14 qui sont placées dans une position d'ouverture déterminée par le dispositif 32. Dans le cas d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides d'une puissance de 1.500 MW électriques, on peut utiliser un échangeur de chaleur sodium-air tel que représenté sur les figures 1 et 2 dont les caractéristiques dimensionnelles sont les suivantes : longueur des collecteurs 2,70 mètres, hauteur des tubes 3,50 mètres. Les tubes 12 sont des tubes de refroidissement & ailettes disposés suivant trois rangées en quinconce sur chacun des collecteurs, chacune des rangées comportant dix-neuf tubes. Ces tubes comportent deux cent quatre-vingt quatre ailettes radiales par mètre linéaire et ont un diamètre de 65 mm. On voit que les principaux avantages du dispositif suivant l'invention sont de permettre de disposer d'une grande surface de refroidissement tout en limitant l'encombrement du dispositif du fait de la disposition polygonale. ta perte de charge de l'air de refroidissement traversant les panneaux est faible puisque ceux-ci ne comportent que trois rangées de tubes. De plus, le dispositif de refroidissement est suspendu de façon articulée uniquement par les collecteurs supérieurs, si bien que l'ensemble est libre de se dilater vers le bas sans contrainte dans les tubes ou dans les collecteurs. En particulier, les collecteurs supérieurs et inférieurs sont joints uniquement par les tubes verticaux des panneaux. La liaison articulée des collecteurs supérieurs sur le support fixe permet de même une dilatation radiale de ces collecteurs bien que ceux-ci restent centrés sur la cheminée. Enfin, le dispositif est composé de sous-ensembles qui peuvent être fabriqués indépendamment les uns des autres et facilement assemblés à l'intérieur du local réservé à l'échangeur. Ces ensembles comportent, dans le cas d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides d'une puissance de 1.500 MW électriques, comme décrit précédemment, six panneaux de dimensions extérieures hors tout inférieures à trois mètres sur quatre mètres. La cheminée occupant la partie centrale du local 1 réservé pour l'échangeur de chaleur a alors un diamètre voisin de 4,50 mètres. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit ; elle en comporte au contraire toutes les variantes. C'est ainsi que la surface prismatique formée par les faces de sortie des panneaux de tubes peut avoir une section de forme quelconque, par exemple triangulaire, carree, pentagonale ou octogonale. On préfèrera cependant les formes hexagonale ou octogonale, c'est-à-dire associant huit ou six panneaux comme les plus aptes à concilier les impératifs de perte de charge et de simplicité de construction des collecteurs sans coudes intermé- diaires. Les parois permettant le raccord entre l'espace intérieur de la surface prismatique et la partie inférieure de la cheminée peuvent avoir des formes quelconques, pyramidale ou partiellement tronconique, en fonction de la section de la surface prismatique. Le nombre et la section des tubes et des collecteurs sont définis en fonction de la puissance thermique demandée à l'échangeur de chaleur. Les conduits collecteurs supérieurs et inférieurs peuvent être reliés en un seul ensemble comportant deux branches dont les extrémités sont espacées pour permettre les dilatations des collecteurs ou en plusieurs sous-ensembles alimentés séparément par plusieurs conduits d'amenée ou d'évacuation du métal liquide. On pourrait même, bien que cela compliquerait la construction de l'échangeur de chaleur, envisager des moyeas d' alimentation indépendants de chacun des conduits collecteurs de chacun des panneaux conçus sous forme de conduits totalement indépendants. Enfin, l'invention s'applique non seulement dans le cas du refroidissement de sodium liquide ou d'un autre métal constituant le fluide de refroidissement primaire d'un réacteur nucléaire 9 neutrons rapides mais également dans le cas du refroidissement de tout métal liquide utilisé comme fluide primaire ou secondaire dans une centrale nucléaire å neutrons rapides et même dans le cas du refroidissement de tout métal liquide utilisé comme caloporteur. REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur pour le refroidissement d'un métal liquide par de l'air, constitué par des panneaux de tubes (8) identiques comportant chacun deux collecteurs horizontaux (9, 10) placés à la verticale l'un de l'autre et un ensemble de tubes de refroidissement verticaux (12) reliés chacun au collecteur supérieur (9) recevant le métal liquide chaud à l'une de ses extrémités et au collecteur inférieur (10) recevant le métal liquide refroidi à son autre extrémité et disposés dans une gaine parallèlépipèdique (13) ouverte sur deux de ses faces opposées (18a, 18b-) et parallèles aux tubes (12) et munie de moyens de réglage (14) du débit de l'air de refroidissement en circulation dans ladite gaine en contact avec la surface extérieure des tubes (12) entre l'une des faces ouvertes (18b) de la gaine (13) ou face d'entrée et l'autre face ouverte (18a) de la gaine (13) ou face de sortie, caractérisé par le fait que les panneaux de tubes (8) sont disposés les uns à côté des autres et assemblés de façon que leurs faces de sortie (18a) constituent une surface prismatique dont la hauteur est verticale et dont l'espace intérieur communique avec une cheminée (6) d'axe vertical, et que chacun des panneaux (8) est suspendu à une structure fixe (7) gracie - à des moyens de fixation articulés (15) par l'intermédiaire de son collecteur supérieur (9) uniquement. 2.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les collecteurs supérieurs (9) d'une part et les collecteurs inférieurs (10) d'autre part sont reliés entre eux, suivant un contour polygonal, pour constituer deux conduit continus (21, 23) fermés chacun à l'une- de leurs extrémités entre lesquelles est ménagé un espacement pour la dilatation des conduits et reliés entre eux et à un conduit d'alimentation ou d'évacuation (25, 27) à leur autre extrémité. 3.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les gaines (13) sont reliées entre elles directement par l'intermédiaire de l'une de leurs arêtes verticales et par l'intermédiaire dlune pièce (20) de jonction entre les panneaux de tubes (8) et la cheminée (6). 4.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que les gaines (13) sont reliées à leur partie supérieure par la pièce de jonction (20) à la cheminée (6) et à leur partie inférieure par une structure (28) limitant, à sa partie inférieure, l'espace intérieur de la surface prismatique en communication avec la cheminée (6). 5.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé par le fait que la surface prismatique constituée par les faces de sortie (18a) des panneaux (8) est à base hexagonale. 6.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé par le fait que la surface prismatique constituée par les faces de sortie (18a) des panneaux (8) est à base octogonale. 7.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 2 å 6, caractérise par le fait que le conduit (25) d'arrivée du métal liquide et le conduit (27) d'évacuation de ce métal liquide refroidi sont disposés a la verticale l'un de l'autre. 8.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé par le fait que le conduit (27) d'arrivée du métal liquide chaud et le conduit (25) d'evacuation du métal liquide refroidi sont disposés de façon diamétralement opposée par rapport à la section de la cheminée (6). 9.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les dispositifs (14) de réglage du débit de l'air de refroidissement sont liés entre eux et commandés par un dispositif unique (32). 10.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'un ventilateur (30) est disposé à la base de la cheminée (6) dans sa partie en communication avec l'espace intérieur de la surface prismatique constituée par les faces de sortie (18a) des panneaux (8).