Brevet FR2830930A1 — publié le 20030418

et du tuyau de sortie d'eau de refroidissement. L' invention concerne un échangeur de chaleur pouvant être utilisé efficacement pour un échange de chaleur d'un système métal liquide-eau mis en _uvre, par exemple, dans un réacteur refroidi par métal liquide dans lequel on ne permet pas à un milieu chauffant à haute température et à un milieu chanffant à basse température à entrer en contact l'un avec l'autre, et plus particulièrement un échangeur de chaleur conçu pour effectuer un échange de chaleur par l'intermédiaire d'un milieu chauffant intermédiaire, chimiquement inactif vis-à-vis à la fois du milieu chauffant à haute température et du milieu chauffant à basse température. Dans un réacteur refroidi par métal liquide utilisant, par exemple, du sodium liquide en tant que fluide de refroidissement, un échange de chaleur est effectué entre un circuit de sodium dans lequel du sodium à haute température est en circulation et un circuit de vapeur d'eau. Dans un tel échangeur de chaleur, lorsque le sodium et l'eau entrent en contact l'un avec l'autre par suite d'une détérioration d'un tube de l'échangeur de chaleur, le sodium et l'eau réagissent l'un avec l'autre violemment et dangereusement au point de provoquer une catastrophe. En tant que moyen pour empêcher le sodium et l'eau d'entrer immédiatement en contact l'un avec l'autre même en cas de détérioration d'un tube de l'échangeur de chaleur, le brevet japonais mis à l' Inspection Publique sous le numéro 53-131394A/1978 propose, par exemple, un procédé pour réaliser un échange de chaleur par l'intermédiaire d'une substance stable qui ne réagit ni avec le sodium ni avec l'eau. Dans un échangeur de chaleur proposé concrètement dans la technique antérieure décrite ci-dessus, un tube d'échangeur de chaleur est moulé sous la forme d'une structure tubulaire double ayant un tube extérieur et un tube intérieur, et on fait passer de l'eau (milieu chauffant à basse température) dans le tube intérieur et du sodium (milieu à haute température) dans un espace situé sur le côté extérieur d'une circonférence extérieure du tube extérieur. Une partie annulaire entre le tube intérieur et le tube extérieur est remplie d'une substance s stable (milieu chauffant intermédiaire) ne réagissant ni avec l'eau ni avec le sodium, par exemple du mercure, par l'intermédiaire de laquelle un échange de chaleur est effectué. Conformément à l'échangeur de chaleur de l'art antérieur décrit ci-dessus, celui-ci a pour effet, grâce à la présence du milieu chauffant intermédiaire, d'empêcher le sodium et l'eau d'entrer en contact immédiat l'un avec l'autre même lorsque l'un du tube extérieur et du tube intérieur du tube d'échangeur de chaleur formé de façon double est endommagé. Cependant, étant donné qu'un espace entre le tube intérieur et le tube extérieur dans la structure tobulaire double est relativement étroit, il existe un risque important de détérioration simultance du tube intérieur et du tube extérieur. En outre, étant donné que la quantité de milieu chauffant intermédiaire circulant dans l'espace annulaire est faible, la possibilité d'une détérioration de la structure tubulaire double, entraînant une mise en contact du sodium et de l'eau l'un avec l'autre, ne peut pas nécessairement être éliminée de façon suffisante. De plus, étant donné que tous les tubes de l'échangeur de chaleur sont formés de structures tubulaires doubles, la construction d'échangeur de chaleur devient compliquée et le coût de fabrication devient élevé. De plus, lorsqu'un certain tube de l'échangeur de chaleur de construction double est endommagé, il est nécessaire d' examiner tous les tubes de l'échangeur de chaleur, un par un, afin d' identifier le tube endommagé, ce qui s ' oppose à toute détection rapide d'un tube endommagé de l'échangeur de 3s chaleur. L' invention a donc pour objet de proposer un échangeur de chaleur ayant un milieu chauffant intermédiaire, capable de réduire le risque d'entrer en contact direct du sodium et de l'eau davantage que l'échangeur de chaleur de l'art antérieur décrit ci-dessus dans lequel un tube extérieur et un tube intérieur sont formés en une structure tubulaire double avec un espace entre le tube extérieur et le tube intérieur rempli d'un milieu chanffant intermédiaire, ayant une structure tubulaire simple d'échangeur de chaleur et non la structure tubulaire double, et permettant une réduction du coût de fabrication. Un autre objet de l 'invention est de proposer un échangeur de chaleur ayant un milieu chauffant intermédiaire, pouvant détecter et identifier de facon simple et rapide un tube extérieur ou un tube intérieur endommagé. L'échangeur de chaleur ayant un milieu chanffant intermédiaire selon la présente invention comprend de multiples tubes intérieurs disposés dans une enveloppe d'un échangeur de chaleur. Un milieu chanffant à basse température s'écoule dans ces tubes intérieurs et un milieu chanffant à haute température s'écoule dans l'enveloppe. Les tubes intérieurs sont divisés en plusieurs groupes ayant chacun plusieurs tubes intérieurs. Les tubes intérieurs constituant un groupe sont disposés dans un tube extérieur, et un milieu chauffant intermédiaire chimiquement inactif vis-à-vis à la fois du milieu chauffant à haute température et du milieu chauffant à basse température et ayant d'excellentes performances de transmission de la chaleur, est amené à passer dans chaque tube extérieur. Conformément à l'échangeur de chaleur selon l' invention ayant une telle structure, de multiples tubes intérieurs sont divisés en groupes afin que chaque groupe ait, par exemple, 3 ou 4 tubes intérieurs, et un groupe ayant 3 ou 4 tubes intérieurs est logé simplement dans un tube extérieur. Par conséquent, la structure de cet échangeur de chaleur est simple et il permet une réduction du coût de fabrication en comparaison avec l'échangeur de chaleur de la technique antérieure ayant une structure tuLulaire double dans laquelle un tube extérieur et un tube intérieur sont appariés l'un à l'autre. Etant donné que 3 ou 4 tubes intérieurs environ sont disposés dans un tube extérieur, il est inutile qu'un espace entre le tube extérieur et les tubes intérieurs soit formé de façon à être aussi étroit qu'entre le tube extérieur et le tube intérieur de la structure tubulaire double de l'art antérieur. En outre, l'intérieur du tube extérieur peut être rempli d'une grande quantité de milieu chauffant intermédiaire. Par conséquent, la possibilité d'entrée en contact du milieu chauffant à haute température (par exemple du sodium) et du milieu chauffant à basse température (par exemple de l'eau) peut être réduite à un niveau extrêmement bas même lorsqu'un tube intérieur quelconque ou le tube extérieur se trouve endommagé. En outre, étant donné que le milieu chauffant intermédiaire ayant d'excellentes performances de transmission de la chaleur est non seulement conditionné, mais également mis constamment en circulation dans un état fluidisé à l'intérieur du tube extérieur, les performances de transmission de chaleur par le milieu chauffant intermédiaire, du milieu chauffant à haute température vers le milieu chauffant à basse température, ne sont pratiquement pas dégradées. Lorsque l'un quelconque d'un tube intérieur ou du tube extérieur se trouve endommagé, qui amène le milieu chauffant à basse température situé dans le tube intérieur à fuir dans le tube extérieur, ou le milieu chanffant à haute température situé à l'extérieur du tube extérieur à fuir vers l'intérieur du tube extérieur, il est nécessaire que la détérioration soit détectée rapidement pour identifier ainsi le tube endommagé. Pour satisfaire à cette exigence, des détecteurs de fuite capables de détecter dans chaque tube extérieur le milieu chauffant à haute température ou le milieu chauffant à basse température pénétrant par fuite dans le milieu chauffant intermédiaire s'écoulant à l'extérieur du tube extérieur sont prévus dans une forme appréciée de réalisation de l'invention. Par exemple, lorsque la fuite du milieu chauffant à basse température dans le milieu chanffant intermédiaire s'écoulant à l'extérieur d'un tube extérieur spécifique est détectée, il est possible de se rendre compte, grâce à la présence de ces détecteurs de fuite, que l'un des tubes du groupe de tubes intérieurs dans ce tube extérieur est endommagé. Par conséquent, la détection et l' identification d'un tube endommagé peuvent être effectuées rapidement en comparaison avec celles effectuces dans le cas o de multiples tubes intérieurs sont examinés un par un. Dans une forme plus appréciée de réal i sat ion de l 'invention, un tube de séparation est disposé sur le côté intérieur d'une ciraonférence intérieure de chaque tube extérieur afin qu'un espace soit maintenu entre le tube de séparation et le tube extérieur par le positionnement d'entretoises entre ces tubes pour que le milieu chauffant intermédiaire puisse s'écouler également dans l'espace. Ainsi, même lorsque le tube extérieur se trouve endommagé, le danger d'apparition d'un contact direct du milieu chanffant à haute température avec les circonférences extérieures des tubes intérieurs peut être davantage réduit grâce au tube de séparation disposé sur le côté intérieur du tube extérieur. Cette structure sert en tant que structure souhaitable pour empêcher de facon fiable, en particulier dans un échangeur de chaleur d'un système sodium-eau, un risque d'entrer en contact l'un avec l'autre du milieu chanffant à haute température et de l'eau, pouvant entraîner une catastrophe. 3s L' invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une forme de réalisation de l'échangeur de chaleur selon l' invention; la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne A-A de la figure 1; la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une forme de réalisation de l'échangeur de chaleur pourvue de détecteurs de fuite selon l' invention; et la figure 4 est une vue en coupe traneversale montrant un tube extérieur qui est pourvu d'un tube de séparation sur le côté intérieur de sa circonférence intérieure, et qui est utilisé pour l'échangeur de chaleur selon l' invention. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale montrant une forme de réalisation de l'échangeur de chaleur selon l 'invention, et la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne A-A de la figure 1. Comme on le comprend d'après la figure 2, de multiples tubes intérieurs sont disposés dans une enveloppe 1 d'un échangeur de chaleur 10, et ces tubes intérieurs 2 sont divisés en groupes de manière que chaque groupe comporte plusieurs tubes intérieurs 2 (trois dans la forme de réalisation illustrée), les trois tubes intérieurs 2 constituant un groupe étant logés dans un tube extérieur 3. Un milieu chauffant X à haute température (par exemple du sodium liquide) s'écoule entre les tubes extérieurs 3, 3 dans l'enveloppe 1 de l'échangeur de chaleur, et un milieu chauffant Y à basse température (par exemple de l'eau) s'écoule dans chaque tube intérieur 2, un milieu chauffant intermédiaire Z s'écoulant entre les tubes intérieurs 2,2 dans chaque tube extérieur 3. Le nombre des groupes en lesquels les tubes intérieurs sont divisés est déterminé en fonction d'une capacité visée de l'échangeur de chaleur. La vue en coupe longitudinale de la figure 1 est dessinée sous une forme simplifiée de manière à permettre une compréhension aisée de la forme de réalisation, cette figure montrant des vues en coupe longitudinale uniquement du tube intérieur 2a et du tube extérieur 3a, du tube intérieur 2b et du tube extérieur 3b et du tube intérieur 2c et du tube extérieur 3c. Comme on le comprend d'après la figure 1, les tubes intérieurs 2 et les tubes extérieurs 3 sont disposés entre des plaques tuLulaires supérieure et inférieure 4, 4 de l'échangeur de chaleur 10. Le milieu chauffant X à haute température entre dans l'enveloppe depuis une entrée 5 pour le même milieu chauffant, situce à une partie inférieure de l'enveloppe 1, s'écoule d'une partie inférieure à une partie supérieure de la portion de l'intérieur de l'enveloppe 1 située entre les tubes extérieurs 3,3 et s'écoule vers l'extérieur par une sortie 6 pour le même milieu chauffant à une partie supérieure de l'enveloppe 1. Par ailleurs, le milieu chauffant Y à basse température entre dans l'enveloppe à partir d'une entrée 7 pour le même milieu chauffant, à une partie inférieure de l'échangeur de chaleur 10, s'élève à l'intérieur de chaque tube intérieur 2, et s'écoule vers l'extérieur par une sortie 8 pour le même milieu chauffant à une partie supérieure de l'échangeur de chaleur 10. Le milieu chauffant intermédiaire Z afflue dans chaque tube extérieur 3 dans un état de ramification en passant par un conduit de branchement supérieur 11 pourvu d'une pompe 9, descend entre les tubes intérieurs 2,2 dans chaque tube extérieur 3, et s'écoule vers l'extérieur de l'échangeur de chaleur en passant par un conduit inférieur 12 de confluence. Conformément à l'échangeur de chaleur ayant une telle structure, le milieu chauffant X à haute température s'écoulant à l'extérieur des tubes extérieurs 3 et le milieu chauffant Y à basse température s'écoulant à l'intérieur des tubes intérieurs 2 sont soumis à un échange de chaleur par l'intermédiaire du milieu chauffant intermédiaire Z s'écoulant à l'intérieur du tube extérieur 3. Un métal liquide chimiquement inactif par rapport à la fois au milieu chauffant X à haute température et au milieu chauffant Y à basse température, et ayant des performances élevoes de transmission de la chaleur, peut être avantageusement utilisé en tant que milieu chauffant intermédiaire Z. Lorsque le milieu chauffant X à haute température et le milieu chauffant Y à basse température sont, respectivement, du sodium et de l'eau, par exemple, du plomb liquide ou du bismuth liquide et analogues peuvent être utilisés en tant que milieu chanffant intermédiaire Z. Etant donné qu'on choisit un milieu chauffant intermédiaire Z ayant des performances élevées de transmission de la chaleur et que ce milieu chauffant est mis en circulation dans un état fluidisé dans les tubes extérieurs 3, la chaleur peut être transmise efficacement du milieu chauffant X à haute température au milieu chauffant Y à basse température en passant par le milieu chauffant intermédiaire Z. La figure 3 montre une forme de réalisation pourvue de détecteurs de fuite conçus pour détecter la fuite du milieu chauffant se produisant à la suite d'une détérioration des tubes intérieurs 2 ou des tubes extérieurs 3, et les mêmes références numériques sont affectées aux pièces identiques à celles montrées sur la figure 1, en sorte que leur description ne sera pas reprise. Dans la forme de réalisation montrce sur la figure 3, les détecteurs de fuite 13a à 13c sont situés dans des passages d'écoulement pour le milieu chauffant intermédiaire Z s'écoulant en sortie des tubes extérieurs 3a à 3c, et surveillent constamment le milieu chauffant Y à basse température ou le milieu chauffant X à haute température pénétrant par fuite dans le milieu chauffant intermédiaire Z. En supposant que l'un des trois tubes intérieurs 2 logés dans un tube extérieur 3a est endommagé, ce qui amène le milieu chauffant Y à basse température s'écoulant dans le tube intérieur 2 à pénétrer par fuite dans le milieu chauffant intermédiaire Z. le milieu chanffant Y à basse température fuyant du tube intérieur 2 est diffusé uniquement dans le milieu chauffant intermédiaire Z dans un tube extérieur 3a. L'étendue de la diffusion du milieu chauffant Y à basse température peut donc être réduite, et la fuite de ce milieu chauffant Y est détectée par le détecteur 13a, l' apparition de la détérioration sur le groupe de tubes intérieurs 2 dans le tube extérieur 3a étant ainsi mise en évidence immédiatement. Il est également possible d'effectuer des opérations de détection de fuite à des intervalles de temps prédéterminés en introduisant le milieu chanffant intermédiaire Z. qui s'écoule en sortie des tubes extérieurs 3a à 3c, dans un détecteur de fuite 13 par un procédé du type aiguillage comprenant une action de man_uvre d'une vanne ou analogue, sans prévoir les détecteurs de fuite 13a à 13c correspondant aux tubes extérieurs 3a à 3c. La figure 4 montre une forme de réalisation particulièrement souhaitable dans un cas o l'entrée en contact du milieu chauffant X à haute température et du milieu chauffant Y à basse température, lun avec l'autre, doit être évité à un degré élevé, par exemple dans le cas o du sodium liquide et de l'eau sont utilisés en tant que milieu chauffant X à haute température et milieu chauffant Y à basse température, respectivement. Dans la forme de réalisation montrée sur la figure 4, un tube de séparation 14 dont le diamètre est inférieur à celui du tube extérieur 3 est disposé sur le côté intérieur d'une circonférence intérieure du tube extérieur 3, et des entretoises 15 sont positionnées entre le tube extérieur 3 et le tube de séparation 14 afin qu'un espace d'une largeur prédéterminée soit maintenu entre ces deux tubes, espace dans lequel on fait passer le milieu chauffant intermédiaire Z. Conformément à une structure dans laquelle un tel tube 14 de séparation est disposé sur le côté intérieur de la circonférence intérieure du tube extérieur 3, la possibilité de l'entrée en contact l'un avec l'autre du milieu chauffant X à haute température s'écoulant sur le côté extérieur du tube extérieur 3 et du milieu chauffant Y à basse température s'écoulant à l'intérieur des tubes intérieurs 2 peut être réduite à un niveau extrêmement bas s même si le tube extérieur 3 devait être endommagé, car le milieu chanffant intermédiaire Z est présent de facon fiable entre le tube de séparation 14 et les tubes intérieurs 2. Bien que la description ci-dessus soit donnée en utilisant du sodium et de l'eau comme exemples du milieu chauffant à haute température et du milieu chauffant à basse température, respectivement, l'échangeur de chaleur selon l' invention peut être utilisé non seulement en tant qu'échangeur de chaleur d'un système à sodium et eau, mais plus largement, aussi, en tant qu'échangeur de chaleur d'un système d'un milieu chanffant à haute température et d'un milieu chauffant à basse température qui ne sont pas autorisés à entrer en contact l'un avec l'autre. Conformément à l' invention que l'on comprendra d'après la description ci-dessus, on utilise une structure formoe en divisant de multiples tubes intérieurs en groupes de manière que chaque groupe comporte plusieurs tubes intérieurs, et en disposant les tubes intérieurs, qui constituent un groupe, dans un tube extérieur. Ceci permet de simplifier la construction de la présente invention, et de réduire le coût de fabrication en comparaison avec la construct ion dans laquel le un tube extérieur et un tube intérieur sont associés l'un à l'autre de facon à former une paire pour constituer une structure tubulaire double. De plus, lorsqu'il est inutile qu'un espace entre le tube extérieur et les tubes intérieurs soit formé en étant aussi étroit qu'entre le tube extérieur et le tube intérieur d'une structure tubulaire double, on peut faire circuler dans le tube extérieur une grande quantité du milieu chauffant intermédiaire. Par conséquent, si le tube intérieur ou le tube extérieur devait être endommagé, la possibilité d'entrée en contact du milieu chauffant à haute température (par exemple du sodium) s'écoulant à l'extérieur du tube extérieur et du milieu chanffant à basse température (par exemple de l'eau) pourrait être s réduite à un niveau extrêmement bas. En outre, étant donné que le milieu chauffant intermédiaire ayant d'excellentes performances de transmission de la chaleur est non seulement conditionné, mais également mis en circulation dans un état fluidisé à l'intérieur du tube extérieur, la chaleur peut être transmise du milieu à haute température au milieu à basse température avec un rendement élevé en passant par le milieu chanffant intermédiaire. En outre, en utilisant des détecteurs de fuite pouvant détecter pour chaque tube extérieur le milieu chauffant à haute température ou le milieu chauffant à basse température pénétrant par fuite dans le milieu chanffant intermédiaire s'écoulant à l'extérieur des tubes extérieurs, on peut se rendre compte d'une détérioration d'un tube extérieur spécifique ou de l'un des tubes intérieurs situés dans le tube extérieur, ce qui permet d'effectuer l'opération de détection et d' identification du tube endommagé de façon simple et rapide en comparaison avec l'opération de détection et d' identification d'un tube endommagé similaire effectuée séparément pour chacun des multiples tubes intérieurs. De plus, en disposant le tube de séparation sur le côté intérieur de la ciraonférence intérieure de chaque tube extérieur, on peut réduire davantage le danger d'apparition d'un contact direct entre le milieu chauffant à haute température et le milieu chauffant à basse température grâce au tube de séparation, même si le tube extérieur devait être endommagé. En particulier, dans un échangeur de chaleur d'un système à sodium et eau, on peut 3s éviter plus efficacement le danger de l' apparition d'un contact de ces deux types de milieux chauffants qui peut être à l'origine d'une catastrophe. Il va de sol que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'échangeur de chaleur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. RVENDICAI1ONS 1. Echangeur de chaleur ayanL u milieu chauffanL inLermAdiaire, caractArisA en ce que de multiples tubes intArieurs (2) sont dispoGAs dans une enveloppe (1) de l'Achangeur de chaleur (10), un milieu chauffant () Lasse temprature G 'Acoule dans les tubes intArieurs et un milieu chanffat () haute temp6rature G 'coule dans 1'enveloppe, les Lubes int@rieurs sont diViss en plusieors groupes de mani@re que chaque groupe comporte plusieurs Lubes intArieurs, les tubes intdieurs constituant un groupe {LanL dispos4s dans un Lube exL6rieur, eL un milieu chauffant inLermdiaire (Z), chimiquement inactif vis--vis la foiG du milieu chauffant haute LempraLure eL du milieu chauffanL basse LempArature et ayant d'excellentes performances de tranGmiGGion de la chaleur, est amend asser dans chaque Lube exL6rieur. 2. Échange de chaleur selon la revendicaLion 1, caracLris en ce qu'il coporLe des dtecLeurs de fuiLe (13a 13c) pouvanL d6LecLer, pour chacun des Lubes exLdrieurs, le milieu chauffanL hauLe Lemp@raLure ou le milieu chauffanL basGe Lemp6raLure pasGanL par fuiLe dans le milieu chauffanL inLermdiaire s'AcoulanL de ces Lubes exL6rieurs. 3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendicaLions 1 eL 2, caract6ris en ce gu'un Lube (14} de sparaLion est dispos sur le cat intrieur d'une circonfrence inL@rieure de chaque Lube extrieur afi qu'un eGace soiL maintenu enLre le Lube de sparaLion et le tube ext4rieur par la mise en place d'entretoises (15) entre eux pour que le milieu chauffant intermdiaire puiGGe G 1 couler