Brevet FR2705769A1 — publié le 19941202

échangeur de chaleur pour fluide contaminé. La présente invention concerne les échangeurs de chaleur, et notamment ceux dont l'un des fluides est à une température inférieure à 3000C et qui répond aux exigences de ce que l'on appelle en génie nucléaire la défense en profondeur, c'est-à-dire que - le degré d'étanchéité de l'appareil neuf est estimé avec des contrôles suffisamment fins qui permettent de donner une valeur par excès d'une éventuelle fuite liée à un défaut d'origine - le fonctionnement de l'appareil n'induit aucun endommagement des zones sensibles de l'appareil, grâce à une conception et des choix constructifs ayant éliminé les causes d'un éventuel endommagement - enfin, des mesures complémentaires sont prises, soit en terme de surveillance, soit par des dispositions technologiques particulières, afin de limiter les conséquences d'un hypothétique défaut. Un tel échangeur peut être utilisé sur le circuit de refroidissement de l'enceinte d'une centrale nucléaire lors d'un accident majeur, sans qu'un circuit intermédiaire ne soit rendu nécessaire afin de limiter la pollution de l'environnement par le fluide contaminé. A partir de l'expérience, on peut définir six causes de fuite d'un échangeur tubulaire: - fuite due au fait de porosités des tubes, liée à une corrosion par piqûre ou corrosion caverneuse: - fuite due à une usure mécanique du tube du fait de vibrations dont les conséquences apparaissent soit au niveau du support d'une plaque entretoise, soit si la vibration est de grande amplitude, au milieu d'une portée par frottement d'un tube sur son voisin; - fuite due a une usure provoquée par l'impact et le frottement d'un objet migrant, - fuite due à une fissuration longitudinale, en général liée à la progression de défaut préexisttant; - fuite due à une fissuration circonférentielle pouvant provoquer une rupture guillotine du tube. L'invention a pour objet un échangeur de chaleur entre un fluide chaud et sous pression et un fluide froid comportant un faisceau de tubes droits pour le passage du fluide froid qui est monté entre des plaques tubulaires dans une calandre terminée par deux têtes, dans lesquelles débouchent les entrées et sorties des deux fluides, le fluide chaud passant entre les tubes, caractérisé en ce que l'intervalle entre les tubes est exempt de chicane, en ce que les tubes sont soudés et sertis sur toute l'épaisseur des plaques tubulaires et en ce que la tête par laquelle le fluide froid entre dans l'échangeur est montée flottante dans la calandre et est reliée à la bride d'entrée du fluide froid par un soufflet. Grâce à l'écoulement longitudinal dû à l'absence de chicane, on prévient toute vibration de l'échangeur. Pour que le cordon de soudure, à la liaison des tubes aux plaques tubulaires, ne se fatigue pas, les tubes sont sertis et soudés sur toute ltépaisseur de la plaque. Grâce à la tête montée flottante dans la calandre, on élimine une cause de tension. Les efforts résiduels, dus à la pression du fluide, se traduisent maintenant par une compression qui s'oppose à toute rupture des tubes. En effet, la surface de la plaque tubulaire sur laquelle s'excerce la pression du fluide extérieur est inférieur à la surface du fond de la tête flottante. Enfin, le soufflet permet de s'accommoder des différences de dilatation. Toutes ces mesures concourent à obtenir un échangeur de chaleur dans lequel les fuites sont pratiquement exclues, qu'elles soient provoquées par des vibrations ou des fissurations longitudinales et transversales ou par un défaut de liaison des tubes et de la plaque tubulaire. L'invention permet donc de maîtriser les fuites comme suit: Les porosités On choisit, pour les tubes, un matériau adapté aux risques de corrosion spécifiques aux fluides en présence. On choisit, par exeple, le titane si l'un des fluides est de l'eau saumâtre. Par ailleurs, le niveau de pression est choisi afin qu'il n'existe aucun risque d'ébullition conduisant à une éventuelle concentration d'un produit corrosif dans l'appareil. Fuites à la liaison tube-plaque tubulaire Elles sont causées par la fatigue du cordon de soudure sur des appareils soumis à des transitoires thermiques importants et nombreux. Afin d'éliminer la fatigue du cordon de soudure, les tubes sont sertis sur toute l'épaisseur de la plaque. Fuites du fait d'une vibration Les vibrations du fait de l'écoulement sont induites par l'écoulement externe des tubes lorsqui'l est transversal au tube. Les excitations liées à un écoulement axial sont, toutes choses égales par ailleurs, de plusieurs ordres de grandeurs inférieures. De fait, aucun cas d'usure au niveau des supports découlant d'une excitation par un écoulement longitudinal n'est rapporté dans la littérature et nous n'avons, par ailleurs, pas connaissance qu'un tel endommagement se soit déjà produit. Un écoulement longitudinal permet donc de garantir l'absence de risque vibratoire d'un tel échangeur. La seule excitation résiduelle est due à l'écoulement transversal au niveau des fenêtres d'entrée et de sortie. On vérifie qu'il existe un rapport 10 entre la vitesse de l'écoulement et la vitesse critique au sens de Condors Obiets migrants Ils sont arrêtés normalement par les filtres disposés sur chacun des circuits. Fissurations lonvitudinales et transversales Deux mécanismes différents sont à prendre en compte: d'une part l'amorçage, d'autre part la propagation. L'amorçage est dû, soit à un mécanisme de corrosion, soit à un niveau de contrainte alterné très élevé: - le matériau est choisi pour éviter tout mécanisme de corrosion quel qu'il soit, - du fait du faible niveau de contrainte (tubes en compression), les amorçages d'origine mécanique sont à exclure. Afin d'éviter les mécanismes de propagation qui pourraient concerner une amorce préexistante, le tube est en compression dans toutes les situations. Vis-à-vis d'une fissuration longitudinale, la compression est obtenue du fait que le fluide chaud et en pression se situe à I'extérieur des tubes. Pour éviter la propagation d'une fissuration circonférentielle, il faut un tube en compression axiale. Cela nécessite que les tubes sont des tubes droits. De plus, on élimine les causes de tension. Le fluide extérieur au tube étant le fluide chaud, qui impose sa température à la calandre de l'appareil, un dispositif doit donc éliminer les efforts dus aux dilatations différentielles. La tension due à l'effet de fond sur les tubes est supprimée en adoptant une conception avec boîte noyée. Les efforts résiduels dus à la pression se traduisent donc par une compression. La dernière cause de tension est due à une hétérogénéité entre les températuress moyennes des parois, liées à un comportement thermique différent des tubes. Le principe d'un échangeur en écoulement axial élimine cette cause, l'évolution de température étant la même pour tous les tubes. Des dispositions sont prises afin d'éliminer la présence d'écoulement préférentiel par exemple à la périphérie du faisceau. La figure unique du dessin annexé illustre l'invention. L'échangeur de chaleur représenté comporte une calandre 1 comportant un faisceau de tubes 2 droits pour le passage du fluide froid. Ce faisceau de tubes 2, qui n'est représenté que partiellement, est monté entre des plaques tubulaires 3. Les tubes 2 sont sondés et sertis sur toute l'épaisseur des plaques tubulaires 3. La calandre 1 est terminée par une tête 4. Une tête 5 est montée flottante dans la calandre 1. Il est prévu, sur la calandre, une bride d'entrée 6 du fluide chaud et une bride de sortie 7 du fluide chaud, ainsi qu'une bride d'entrée 8 du fluide froid qui sort par une bride de sortie 9. La tête 5 est reliée à la bride d'entrée 8 par un soufflet 10. Le fluide chaud passe entre les tubes 2, tandis que le fluide froid passe dans ceux-ci. L'intervalle entre les tubes 2 est exempt de chicane. REVENDICATION Echangeur de chaleur entre un fluide chaud et sous pression et un fluide froid, comportant un faisceau de tubes (2) droits pour le passage du fluide froid, qui est monté entre des plaques tubulaires (3) dans une calandre (1) terminée par deux têtes (4, 5) dans lesquelles débouchent les entrées et sorties (6, 7, 8, 9) des deux fluides, le fluide chaud passant entre les tubes, caractérisé en ce que l'intervalle entre les tubes (2) est exempt de chicane, les tubes (2) sont soudés et sertis sur toute l'épaisseur des plaques tubulaires (3) et la tête (5), par laquelle le fluide froid entre dans l'échangeur, est montée flottante dans la calandre (1) et est reliée à la bride d'entrée (8) du fluide froid par un soufflet (10).