Brevet FR2610096A1 — publié le 19880729

ECHANGEUR DE CHALEUR A METAL LIQUIDE COMPORTANT UN GROUPE DE TUBES La présente invention concerne un échangeur de chaleur utilisant comme fluide primaire ainsi que comme fluide se- condaire un liquide, de préférence du sodium liquide, et qui comporte un faisceau'de tubes constitué par un seul groupe de tubes en forme de U. Ces tubes sont immergés dans le fluide primaire, cependant que le fluide secondaire traverse lesdits tubes. Plus particulièrement, l'invention concerne un échangeur de chaleur appelé à retirer l'énergie résiduaire d'un réacteur nucléaire du type couramment désigné par le terme de "réacteur rapide". Les échangeurs de ce genre comportent, généralement, un groupe ou faisceau de tubes disposé entre deux récipients collecteurs. Les deux collecteurs et le groupe de tubes font partie d'un circuit hydraulique dans lequel s'écoule un fluide secon- daire, à savoir le fluide de refroidissement, qui est généra- - lement constitué par du sodium liquide. Ce groupe de tubes est immergé partiellement ou entière- ment dans le fluide primaire que l'on désire refroidir. Le fluide primaire précité s'écoule autour des tubes de l'échangeur de chaleur. La figure 1 montre un échangeur de chaleur de ce type, à titre d'exemple, qui sera d'ailleurs décrit de manière plus détaillée ci-dessous. La demande de brevet italien n 12 541A/82, décrit un autre échangeur de chaleur du type indiqué ci-dessus, qui apporte des perfectionnements à l'échangeur illustré sur la figure 1 ci-jointe. Une autre variante d'échangeur connu est décrite dans le brevet français n 2 519 462. Dans ces réalisations connues, on utilise généralement un faisceau de tubes composé d'une pluralité de groupes de tubes. Le faisceau de tubes immergé dans le fluide primaire est entouré par au moins une enveloppe, pourvue généralement d'un certain nombre d'ouvertures de façon telle que le sodium primaire puisse circuler autour des tubes constituant ce faisceau, suivant des trajets d'écoulement qui sont, en par- tie, perpendiculaires aux tubes de ce faisceau et partielle- ment parallèles à ces tubes. Dans ces échangeurs connus, les tubes des différents groupes constituant le faisceau de tubes ne peuvent pas pré- senter une température identique. Il s'ensuit que le sodium quittant les différents tubes ne présente pas, dans sa totalité, une même température et qu'il existe, par conséquent, un gradient de température r'adial du groupe ou faisceau de tubes du collecteur de sortie de l'échangeur de chaleur. Il convient de noter que, ainsi que le montre la figu- re 1, le collecteur de sortie est constitué, en fait, par une chambre annulaire formée par deux carters cylindriques verti- caux en plaques qui sont soumis à des températures différen- tes, étant donné la non uniformité de la distribution de température dans le sodium, en direction radiale. La plaque tubulaire supérieure peut être construite de toute manière connue convenable de manière à être constituée par deux parties annulaires concentriques séparées par un joint d'expansion qui présente également une forme annulaire; le fluide froid secondaire traverse la plaque circulaire intérieure, cependant que le fluide secondaire réchauffé par le fluide primaire traverse la plaque annulaire extérieure. Ainsi qu'il a été indiqué ci-dessus, le fluide secondai- re sortant des différents cercles de tubes présente des tempé- ratures différentes et par conséquent, dans ces conditions, la plaque tubulaire annulaire présente également un gradient de température radial. La présente invention a pour but d'éliminer cet inconvé- nient grâce à l'utilisation de tubes qui sont disposés selon un seul cercle et sont pratiquement identiques. Selon l'invention, la plaque tubulaire ne présente que deux cercles dont l'un est dirigé vers le bas, cependant que l'autre est dirigé vers le haut. Les extrémités supérieures des deux branches de chaque tube se situent, quant à la plaque annulaire extérieure, sur deux cercles d'orifices, cependant que sur la plaque circu- laire intérieure, ces extrémités sont disposées selon quatre cercles d'orifice. Chaque tube est disposé dans un plan sensiblement ra- dial, ce qui facilite l'assemblage des tubes. Afin d'absorber le différentiel de dilatation entre la branche dirigée vers le bas et la branche dirigée vers le haut, on prévoit des boucles qui se situent également sur un plan sensiblement radial. Pour atteindre le but précité, la présente invention vise plus particulièrement un échangeur de chaleur à liquide, dans lequel ledit liquide est un métal fondu, notamment du sodium, cet échangeur comportant un faisceau de tubes déve- loppé verticalement dont chaque tube est relié à une plaque tubulaire circulaire intérieure et à une plaque tubulaire annulaire extérieure coaxiale à ladite plaque tubulaire inté- rieure, cet échangeur étant remarquable en ce que les parties verticales des tubes du faisceau traversées par le sodium s'écoulant vers le bas sont disposées selon un cercle unique intérieur, cependant que les parties verticales des tubes traversées par le sodium s'écoulant vers le haut sont dispo- sées selon un cercle unique extérieur. Dans un mode de réalisation de la présente invention, les parties de tubes à écoulement ascendant et les parties de tubes à écoulement descendant dudit faisceau de tubes sont reliées respectivement entre elles par des boucles plates disposées dans des plans sensiblement radiaux. Selon un autre mode de réalisation, dans lequel les extrémités des parties de tubes à écoulement ascendant dudit faisceau sont reliées à des ouvertures correspondantes ména- gées dans la plaque tubulaire circulaire intérieure, les ouvertures prévues dans la plaque tubulaire annulaire exté- rieure sont disposées sur au moins une circonférence, cepen- dant que les ouvertures prévues sur la plaque tubulaire circu- laire intérieure sont disposées sur un nombre supérieur de la circonférence, de préférence sur deux fois plus de circonfé- rence concentrique, les ouvertures du cercle prévues sur une même plaque étant décalées circonférentiellement entre elles. Dans un mode particulier de réalisation de l'échangeur de chaleur selon la présente invention, les parties verticales de tubes sont pourvues de boucles de dilatation dirigées vers la face intérieure du faisceau et disposées dans des plans sensiblement radiaux, lesdites boucles étant convenablement décalées entre elles circonférentiellement et en hauteur, selon des intervalles constants prédéterminés. Selon une autre caractéristique de l'invention, les parties verticales à écoulement descendant et à écoulement ascendant des tubes individuels sont reliées aux différents cercles concentriques d'ouverture ménagés dans les plaques tubulaires, au moyen de segments de connexion inclinés qui sont disposés sur le même plan que les boucles de dilatation de leurs tubes associés respectifs. Une autre particularité de l'invention réside en ce que les tubes de la plaque sont fixés à l'aide de support et de pièces d'écartement disposés en cercle autour du faisceau de tubes, de façon telle que la section centrale du faisceau de tubes appelée à être traversée par le sodium primaire reste dégagée. L'invention sera décrite ci-après d'une manière plus détaillée à titre d'illustration, mais non de limitation, en référence aux figures annexées qui représentent plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquelles: - la figure 1 déjà mentionnée ci-dessus, montre un échan- geur de chaleur de type classique; - la figure 2 montre un échangeur de chaleur selon la présente invention, représenté sur une échelle très réduite de manière à faciliter la comparaison avec l'échangeur illustré par la figure 1; - la figure 3A montre la partie supérieure de l'échangeur représenté sur la figure 2, à plus grande échelle; - la figure 3B représente la partie inférieure de l'échan- geur de la figure 2, à plus grande échelle; - la figure 4A représente, à une échelle encore plus grande, la partie supérieure du faisceau de tubes; - la figure 4B représente la partie inférieure de ce même faisceau de tubes; - la figure 5 représente la plaque tubulaire sous la forme de plusieurs coupes transversales prises dans des plans A-A, B-B, C-C et D-D; - la figure 6 est une coupe partielle prise dans le plan VI-VI de la figure 3B. La figure 1 montre un échangeur de chaleur classique utilisé pour récupérer l'énergie résiduaire d'un réacteur nucléaire du type dit "rapide". Sur cette figure, la référence 10 désigne le fluide primaire contenu dans le réservoir du réacteur dont la réfé- rence 11 désigne la paroi de fond. Cette paroi de fond est traversée par un tube d'amenée de fluide secondaire 12 monté dans ladite paroi à l'aide de joints d'étanchéité connus en eux-mêmes; le fluide secondaire précité est également du sodium liquide. La conduite d'amenée 12 traverse la paroi de fond 11, une plaque tubulaire 13 supérieure et une plaque tubulaire 14 inférieure. Au-dessous de la plaque tubulaire inférieure 14 est disposé un collecteur 15 dans lequel s'écoule le fluide secondaire qui traverse la colonne 12 en descendant, ce fluide étant alors dévié par le collecteur 15 vers la plaque tubu- laire inférieure 14 qui est reliée aux extrémités inférieures d'un faisceau de tubes verticaux 16 (représenté schématique- ment sur la figure par deux traits mixtes). Les tubes du faisceau 16 traversent la plaque tubulaire supérieure 13 et le fluide secondaire réchauffé est amené par un collecteur annulaire 17 vers une conduite d'entrée 18. La plaque tubulaire 16, traversée par le fluide secon- daire, est entourée d'un enveloppe cylindrique 19 pourvue d'ouvertures convenables pour permettre le passage du fluide primaire qui circule entre les conduites ou tubes du fais- ceau 16 afin de réchauffer le fluide secondaire s'écoulant à l'intérieur de ces conduites ou tubes. Cet échangeur de cha- leur connu présente un inconvénient en ce que les différentes conduites ou tubes du faisceau de tubes n'absorbent pas la même quantité de chaleur à partir du fluide primaire, ce qui produit des gradients de température indésirables entre les différents tubes de ce faisceau et surtout dans la plaque tubulaire supérieure. Selon une variante connue, le collecteur inférieur 15 ainsi que l'unique conduite 12' de fluide secondaire descen- dant sont supprimés. La plaque tubulaire supérieure est alors divisée en deux plaques concentriques dont la partie de plaque extérieure est annulaire, cependant que deux extrémités d'un groupe de tubes en U, dans lesquels s'écoule le fluide secondaire y sont reliés. Même dans ce cas, les gradients de température détermi- nés par la différence d'absorption de chaleur par les diffé- rents tubes du faisceau ne sont pas éliminés étant donné que ces tubes sont disposés selon des cercles différents. De plus, cette solution entraîne des difficultés considérables du point de vue de la construction et, par conséquent, un coût élevé, puisque les tubes en U sont disposés selon une configuration tridimensionnelle, de sorte qu'ils présentent une élasticité suffisante pour qu'ils puissent compenser l'expansion diffé- rentielle respective des branches à écoulement descendant et des branches à écoulement ascendant. Afin de faire en sorte que chaque tube du faisceau absorbe la même quantité de chaleur provenant du fluide primaire, il est prévu selon la présente invention (voir la figure 2 et les figures suivantes), de disposer les tubes du faisceau selon un double cercle 116, les tubes du premier cercle étant les tubes à écoulement descendant, cependant que les tubes du deuxième cercle sont des tubes à écoulement ascendant. La plaque tubulaire supérieure 113 est constituée par deux plaques tubulaires concentriques; autrement dit, elles comportent une plaque circulaire intérieure 113' et une plaque annulaire extérieure 113". Les tubes du faisceau sont disposés côte-à-côté et comportent des boucles d'extrémité 31, 32, 33 et 34. Ces boucles sont disposées dans des plans sensiblement radiaux et s'étendent, deux par deux, concentriquement l'une par rapport à l'autre; elles sont légèrement décalées en direction circonférentielle, de sorte qu'elles puissent être disposées à l'intérieur de l'espace défini par le faisceau de tubes. D'autres boucles intermédiaires 41 et 42, 43 et 44, 51 et 52, et 53 et 54, sont disposées le long du faisceau de tubes 116. La fonction de ces boucles consiste à définir des joints de dilatation pour les tubes et à permettre à chaque tube individuel de passer aussi par la zone à l'intérieur du cercle défini par les tubes, zone dans laquelle le fluide s'écoule vers le bas. Les boucles de chaque tube sont décalées par rapport à celles du tube adjacent. La conduite étalonnée de fluide secondaire aboutit à un point situé audessus de la plaque tubulaire centrale 113', cependant que la conduite de sortie du fluide primaire 118 présente une configuration annulaire et est reliée à la plaque tubulaire annulaire extérieure 113", de manière à recueillir le fluide secondaire sortant des tubes du faisceau. Une enveloppe en t8le ou analogue de forme cylindrique représentée en 119, qui est pourvue de perçages ou ouvertures appropriés, entoure le faisceau de tubes 116 de manière à définir des trajets d'écoulement préférentiels pour le fluide primaire circulant entre les tubes du faisceau précité, et à assurer un support sismique de ce faisceau. Les figures 3A et 3B, qui doivent être considérées conjointement, représentent le mode de réalisation le plus simple de la présente invention. Il ressort de ces figures que les tubes constituant le faisceau de tubes annulaire et disposé suivant deux cercles sont reliés à la plaque tubulaire extérieure 213" qui présente un groupe d'ouvertures disposées selon un cercle. On a cons- taté que, puisque la plaque tubulaire intérieure 213" est plus petite que la plaque tubulaire extérieure, il n'était pas possible de relier les autres extrémités des tubes du faisceau à des ouvertures disposées selon un seul cercle. Ce problème est résolu en ce que les premiers tronçons respectifs des tubes du faisceau sont reliés en alternance à deux cercles d'ouverture 61 et 62 par l'intermédiaire d'une partie terminale inclinée 63, 64; de cette façon, il devient possible de prévoir des ouvertures de passage dans la plaque tubulaire circulaire intérieure 213', ces ouvertures étant séparées les unes des autres par des distances convenables. Il convient de rappeler que les boucles des tubes des faisceaux et les parties terminales 63 et 64 sont situées, pour chaque tube, dans un plan sensiblement radial. Les figures 4, 5 et 6 montrent un mode de réalisation qui permet de prévoir un nombre plus élevé de tubes. Dans ce deuxième mode de réalisation (qui correspond à celui déjà représenté sur la figure 2), la plaque tubulaire annulaire extérieure 313' présente deux rangées annulaires concentriques d'ouverture pour les extrémités des tronçons de tubes à écoulement ascendant; ces tubes à écoulement ascen- dants sont disposés, toutefois, selon un cercle unique. Dans cet exemple d'exécution, la plaque tubulaire circu- laire intérieure 313' comporte quatre cercles d'ouverture, les parties ou tronçons verticaux des tubes de ce faisceau dans lesquelles l'écoulement se produit vers le bas sont reliés à ces ouvertures par des tronçons inclinés 363 de faible lon- gueur. Par ailleurs, dans ce mode de réalisation, l'emplace- ment et le nombre des boucles ainsi que la position des parties inclinées supérieures des tubes de la plaque intéres- sée sont choisis de façon telle que l'échange de chaleur d'avec le fluide primaire corresponde, pour chaque tube, à une valeur moyenne identique. Ainsi que le montre la figure 5, chaque tube individuel est disposé selon un trajet plan sensiblement radial. La figure 6 montre des crochets 71, des pièces d'écartement circulaire 72 et des supports ondulés 73 pour les tubes du faisceau. Ces éléments sont formés de tôles d'acier et ils sont disposés à des intervalles radiaux prédéterminés. Ils servent à maintenir, dans la position voulue, les différents tubes du faisceau de tubes précité. Ces éléments de support et de positionnement sont dispo- sés autour des tubes du faisceau de façon telle qu'ils n'obs- truent pas l'écoulement du fluide primaire s'écoulant à l'in- térieur du faisceau de tubes. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais 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. 26 1 0096 REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur à liquide, dans lequel ledit liquide est un métal fondu, notamment du sodium, comportant un faisceau de tubes développés verticalement dont chaque tube est relié à une plaque tubulaire circulaire intérieure et à une plaque tubulaire annulaire extérieure coaxiale à ladite plaque tubulaire intérieure, caractérisé en ce que les parties verticales des tubes du faisceau (116) traversées par le sodium s'écoulant vers le bas sont disposées selon un cercle unique intérieur, cependant que les parties verticales des tubes traversées par le sodium s'écoulant vers le haut sont disposées selon un cercle unique extérieur. 2.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parties de tubes à écoulement ascen- dant et les parties de tubes à écoulement descendant dudit faisceau de tubes sont reliées respectivement entre elles par des boucles (31, 32, 33, 34) plates disposées dans des plans sensiblement radiaux. 3.- Echangeur de chaleur selon une des revendications 1 et 2, dans lequel les extrémités des parties de tubes à écou- lement ascendant dudit faisceau sont reliées à des ouvertures correspondantes ménagées dans la plaque tubulaire circulaire intérieure, caractérisé en ce que les ouvertures prévues dans la plaque tubulaire annulaire extérieure sont disposées sur au moins une circonférence, cependant que les ouvertures prévues sur la plaque tubulaire circulaire intérieure sont disposées sur un nombre supérieur de circonférences, de préférence sur deux fois plus de circonférences concentriques, les ouvertures du cercle prévu sur une même plaque étant décalées circonfé- rentiellement entre elles. 4.- Echangeur de chaleur selon une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que les parties verticales de tubes sont pourvues de boucles de dilatation dirigées vers la face intérieure du faisceau et disposées dans des plans sensiblement radiaux, lesdites boucles étant convenablement décalées entre elle circonférentiellement et en hauteur, selon des intervalles constantes prédéterminés. 5.- Echangeur de chaleur selon une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que les parties verticales à écoulement descendant et à écoulement ascendant des tubes individuels sont reliées aux différents cercles concentriques d'ouvertures ménagées dans les plaques tubulaires, au moyen de segments de connexion inclinés qui sont disposés sur le même plan que les boucles de dilatation de leurs tubes associés respectifs. 6.- Echangeur de chaleur selon une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que les tubes de la plaque sont fixés à l'aide de supports et de pièces d'écartement disposés en cercle autour du faisceau de tubes, de façon telle que la section centrale du faisceau de tubes appelée à être traversée par le sodium primaire reste dégagée.