Brevet FR2595459A1 — publié le 19870911

Echangeur thermique à lame de gaz La présente invention concerne les échangeurs thermiques à lame de gaz, c'est-à-dire du type dans lequel un fluide chaud est refroidi à'aide d'un fluide dont la température est nettement inférieure à celle du fluide chaud, les deux fluides étant séparés par une lame de gaz. Dans certains echangeurs thermiques, le fluide chaud à refroidir circule par exemple, dans un premier circuit dont la paroi externe est en contact direct avec le fluide de refroidissement circulant dans un deuxième circuit. Dans des applications dans lesquelles le fluide chaud est radioactif, ce dernier passe directement dans le fluide de refroidissement et le pollue dès que la paroi externe présente une fuite. Une fuite est d'ailleurs parfois difficile à détecter rapidement dans la mesure où les deux fluides, chaud et de refroidissement, sont à des pressions voisines. Afin de pallier cet inconvénient, certains échangeurs thermiques comportent une lame de gaz qui sépare le premier circuit du deuxième, le gaz circulant dans un troisième circuit et étant en contact avec la paroi externe du premier circuit. Par cet arrangement, une fuite au travers de la paroi externe entraine une baisse de pression à l'intérieur du premier circuit qui est facilement détectée. En outre, le fluide chaud ne peut pas passer dans le deuxième circuit car il reste dans le troisirae circuit. On obtient ainsi une détection rapide de la fuite et une protection du liquide de refroidissement. Les échangeurs thermiques à lame de gaz sont connus mais sont difficiles à réaliser pour différentes raisons. En premier lieu, l'épaisseur de la lame de gaz, et donc de la distance séparant les parois en regard des premier et deuxième circuits, est très critique pour obtenir le gradient thermique souhaité. Il est donc nécessaire d'avoir une construction soignée pour respecter les tolérances. En deuxième lieu, comme ces différents circuits sont constitués à l'aide de tubes concentriques, il est nécessaire d'effectuer des soudures à leurs extrémités pour obtenir des circuits fermés et étanches l'un par rapport aux autres. Or ces soudures doivent être de très grande qualité, notamment en environnement nucléaire, que l'on utilise de l'eau pressurisée ou du sodium liquide dans le premier circuit. Cette qualité ne peut être obtenue que par des montages particuliers qui permettent le contrôle desdites soudures et il en résulte donc un coût élevé de l'échangeur thermique. Le but de la présente invention est donc de réaliser un échangeur thermique du type à lame de gaz dont les caractéristiques de construction réduisent au minimum le nombre de soudures. L'objet de la présente invention est un échangeur thermique à lame de gaz qui comprend une série d'éléments identiques disposés dans une enceinte dans laquelle circule de manière connue un fluide de refroidissement. Chaque élément est constitué de trois tubes concentriques dont les extrémités situées dans l'enceinte du fluide de refroidissement sont ouvertes en ce qui concerne le tube interne et fermées en ce qui concerne les deux autres tubes tandis que les extrémités de chaque tube d'un même type situées à l'extérieur de l'enceinte s'ouvrent sur une chambre de distribution adaptée à ce type de tube et au fluide qui y est présent. La chambre de distribution dans laquelle s'ouvrent les tubes internes reçoit le fluide à refroidir tandis que la chambre de distribution dans laquelle s'ouvrent les tubes médians reçoit le fluide refroidi. Enfin,la chambre de distribution dans laquelle s'ouvrent les tubes externes reçoit le gaz qui remplit l'espace entre les tubes médians et les tubes externes. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation faite en relation avec les dessins ci-joints dans lesquels - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un échangeur thermique à lame de gaz selon la présente invention; - la figure 2 est une vue en coupe agrandie des extrémités des tubes concentriques d'un élément de refroidissement tel que celui portant la référence 42 sur la figure 1. L'échangeur thermique à lame de gaz selon la présente invention comprend, comme le montre le coupe longitudinale de la figure 1, une enceinte fermée 10, par exemple de section circulaire, qui comporte une entrée 12 et une sortie 11 pour le fluide de refroidissement, par exemple de l'eau à une température de 200C environ. Cette enceinte comporte également une tubulure 13 qui la connecte à une soupape de sécurité, non représentée sur la figure 1, ainsi queux conduit de vidange 14. Cette enceinte 10 est fermée à une extrémité, celle du côté de la sortie 11, par une capsule soudée 15 et à l'autre extrémité par une première plaque tubulaire 16 qui constitue une partie de la paroi d'une première chambre de distribution 17 et qui comporte un rebord circulaire 18 . L'autre partie de ladite paroi est constituée par une deuxième plaque tubulaire 19 qui comporte deux rebords circulaires 20 et 21, le rebord circulaire 20 étant soudé en rebord ciculaire 18 de manière à constituer la première chambre de distribution 17. Cette première chambre 17 communique avec l'extérieur par deux conduits, l'un 23 pour permettre la connexion à une pompe à vide et l'autre 24 pour l'injection d'un gaz approprié dans ladite chambre. Le rebord circulaire 21 constitue l'amorce d'une deuxième chambre de distribution 22 dont les parois sont constituées par un manchon circulaire 25 et une troisième plaque tubulaire 26 comportant des rebords circulaires 27 et 28. Les bords du manchon 25 sont soudés aux rebords circulaires 21 et 27. La chambre 22, dite chambre de sortie, communique avec l'extérieur par un conduit 29 qui constitue l'orifice de sortie du fluide refroidi après passage dans l'échangeur thermique. Le rebord circulaire 28 de la plaque tubulaire 26 constitue l'amorce d'une troisième chambre de distribution 30 qui est fermée par une capsule 31 munie d'une ouverture 32 par laquelle le fluide à refroidir est introduit dans ladite chambre d'entrée. Les bords 33 de la capsule 31 sont soudés au rebord circulaire 28 de la plaque tubulaire 26. L'échangeur repose sur deux pieds 34 et 35, l'un 34 fixé au niveau des chambres de distribution et l'autre 35 non fixé à l'enceinte 10 de manière à éviter les contraintes dues à la dilatation de l'échangeur. Chacune des plaques tubulaires 16, 19 et 26 est percée de trous 36, 37 et 38 respectivement de manière à permettre la mise en place d'éléments de refroidiseement 42, chaque élément comportant trois tubes concentriques 39, 40 et 41 définissant un espace annulaire centrale 46 (tube 39) et deux espaces annulaires périphériques 47 et 48. Le tube interne 39, de plus petit diamètre, a une extrémité qui, s'emmanche à force dans un trou 38 de la plaque tubulaire 26 de la chambre d'entrée 30. Le tube médian 40, d'un diamètre plus grand, enveloppe le tube 39 sur une grande partie de sa longueur et a une extrémité qui s'emmanche à force dans un trou 37 de la plaque tubulaire 19 de la chambre de sortie 22.Enfin, le tube externe 41, d'un diamètre encore plus grand, enveloppe le tube médian 40 sur une grande partie de sa longueur et a une extrémité qui s'emmanche à force dans un trou 36 de la plaque tubulaire 16. Les autres extrémités des tubes concentriques 39, 40 et 41 sont situées dans l'enceinte 10, à proximité de la sortie 11, et sont arrangées comme le montre la figure 2 qui est une vue en coupe agrandie. C'est ainsi que le tube externe 41 est fermé par une capsule soudée 43 et que le tube 40 est fermé par une capsule soudée 44. Par contre, le tube interne 39 n'est pas fermé et reste ouvert. Par cet arrangement des extrémités des tubes concentriques, le fluide à refroidir, par exemple de l'eau pressurisée à 3500 C, est injectée dans la troisième chambre de distribution 30 ou chambre d'entrée par l'intermédiaire de l'ouverture 32, pénètre dans le tube interne 39 (espace annulaire 46) au niveau de la plaque tubulaire 26, y circule jusqu'à son extrémité, est refoulée par la capsule 44 dans l'espace annulaire 47 entre le tube interne 39 et le tube médian 40, sort de cet espace annulaire dans la deuxième chambre de distribution 22 ou chambre de sortie au niveau de la deuxième plaque tubulaire 19 et, enfin, quitte l'échangeur par la sortie 29 à une température de 300"C environ. L'espace annulaire 48 entre le tube médian 40 et le tube externe 41 est rempli d'un gaz, par exemple de l'hydrogène, de l'hélium ou de l'azote, et communique avec la première chambre de distribution 19 au niveau de la première plaque tubulaire 16. Ce gaz est introduit dans la première chambre de distribution 17 par le conduit d'injection 24 après pompage des gaz par l'intermédiaire du conduit 23. Le fluide de refroidissement, par exemple de l'eau froide, est introduit dans l'enceinte 10 par l'entrée 12 située à proximité de la plaque tubulaire 16, circule autour des éléments de refroidissement 42 et en sort par la sortie 11 située à l'extrémité desdits éléments. Les éléments de refroidissement 42 sont maintenus en place dans l'enceinte 10 par l'intermédiaire de tous moyens connus et notamment des der.z plaques trouées 45. Ces demi-plaques ainsi que des chicanes, également connus, forcent le liquide de refroidissement à accomplir un trajet sinueux autour des éléments de refroidissement. Les tubes 39, 40 et 41 d'un élément 42 sont maintenus écartés les uns des autres par divers moyens connus tels que des points de soudure pour les tubes 39 et 40 et un fil disposé en hélice pour les tubes 40 et 41. L'échangeur thermique qui vient d'être décrit en sélection avec les figures 1 et 2 présente les avantages suivants - grâce à la lame de gaz contenue dans l'espace annulaire entre les tubes 40 et 41, l'eau pressurisée ne peut passer dans l'eau de refroidissement; - en outre, le gradient thermique dans cette lame de gaz étant important, il en résulte. qu'il est faible dans les tubes qui sont alors soumis à des contraintes faibles ; - les tubes étant libres à l'une de leur extrémité, les dilatations peuvent s'opérer sans entrainer de contraintes sévères - les soudures des capsules aux extrémités des tubes et celles des chambres de distribution sont faciles d'accès et aisées à contrôleur. A titre indicatif, les différents éléments qui viennent d'être décrits, notamment les tubes concentriques sont en acier inoxydable. Les diamètres intérieurs et extérieurs desdits tubes sont 13/15 millimètes pour les tubes internes, 17,08/21,3 millimètres pour les tubes médians et 21,9/26,3 millimètres pour les tubes externes tandis que leurs longueurs varient de six à sept mètres. La longueur hors tout des chambres de distribution est d'un mètre environ tandis que leur diamètre est de 400 millimètres environ. L'enceinte 10 a un diamètre de 250 millimètres environ et permet d'accomoder une trentaine d'éléments de refroidissement 42. REVENDICATION Echangeur thermique à lame de gaz qui comprend une série d'éléments identiques (42) disposés dans une enceinte (10) dans laquelle circule un fluide de refroidissement, caractérisé en ce que chaque élément (42) est constitué de trois tubes concentriques (39, 40, 41) dont les extrémités situées dans l'enceinte (10) sont ouvertes en ce qui concerne le tube interne (39) et fermées en ce qui concerne les tubes médian (40) et externe (41) tandis que les extrémités opposées de chaque type de tube s'ouvrent sur une chambre de distribution (17, 22 et 30) de manière à le faire communiquer avec l'un des espaces annulaires (46, 47, 48) définis par les tubes concentriques (39, 40, 41), caractérisé en ce que le fluide à refroidir circule de la chambre de distribution d'entrée (30) à la chambre de distribution de sortie (22) par l'intermédiaire de l'espace annulaire (46) central du tube interne (39) et de l'espace annulaire (47), en ce que la lame de gaz est constituée par l'espace annulaire (48) qui communique avec la chambre de distribution (17).