EP0056746A1 - Dispositif d'échange de chaleur à faisceau de tubes avec lyres de dilatation soustraites aux vibrations - Google Patents

Dispositif d'échange de chaleur à faisceau de tubes avec lyres de dilatation soustraites aux vibrations Download PDF

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EP0056746A1
EP0056746A1 EP82400017A EP82400017A EP0056746A1 EP 0056746 A1 EP0056746 A1 EP 0056746A1 EP 82400017 A EP82400017 A EP 82400017A EP 82400017 A EP82400017 A EP 82400017A EP 0056746 A1 EP0056746 A1 EP 0056746A1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • Y10S165/00—Heat exchange
    • Y10S165/051—Heat exchange having expansion and contraction relieving or absorbing means
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    • Y10S165/063—Cylindrical heat exchanger fixed to fixed end supports
    • Y10S165/065—Bent cylindrical heat exchanger

Definitions

  • the present invention relates to a tube bundle device arranged between two tube plates and provided with expansion lyres, for heat exchange between a fluid circulating inside the tubes and a liquid circulating around the tubes.
  • the expansion lyres of such devices can be driven in vibration for certain flow rates of the fluid circulating around the tubes, in particular when the latter is a liquid alkali metal. If the excitation frequency due to the flow of the fluid approaches the resonance frequency of the expansion lyres, vibrations may occur which are sufficient to seriously damage the tubes.
  • the object of the present invention is to remedy the above drawbacks, and to provide a device which does not have a special zone reserved for expansion lyres and which does not participate in the heat exchange. It also aims to ensure the operation of the expansion lyres with a more favorable working rate, outside the hottest part of the exchanger, and consequently to use tubes of smaller thickness.
  • a heat exchange device comprising an external shell closed at its ends by two tube plates, a bundle of tubes fitted with expansion lyres, these tubes being connected to the tube plates to lead into the inlet and outlet manifolds of a fluid circulating inside the tubes and inlet pipes and outlet of a liquid circulating in said ferrule and around the tubes, characterized in that the expansion lyres are arranged in contact with the liquid in the coldest zone of the exchanger and in that means are provided for deflecting at least part of the liquid flow at the expansion lyres so that the liquid cannot cause the latter to vibrate.
  • the means for deflecting at least part of the liquid flow rate include an inner jacket to the outer shell and in which the lyres are placed. expansion and at least one orifice formed in said shell upstream of the expansion lyres to divert at least part of the flow of liquid between the inner jacket and the outer shell.
  • the steam generator has an outer shroud 1, with a vertical axis, closed at its lower and upper ends by tube plates 2,2 ′ to which the tubes such as 3 of a bundle of tubes arranged inside of the shell 1.
  • These tubes open respectively, at the lower part of the steam generator, into an inlet manifold 4 for the water of the secondary circuit of the generator and at its upper part, into an outlet manifold 4 'of the water spray.
  • the water to be vaporized therefore circulates from bottom to top inside the tubes 3 between the collectors 4 and 4 '.
  • the liquid metal (generally sodium) circulating in the primary circuit of the generator moves against the current with respect to the water in the primary circuit, that is to say from top to bottom, inside the shell. 1 and around the tubes 3 between an inlet pipe 5 'and an outlet pipe 5.
  • the tubes 3 are generally rectilinear and each define a vertical axis X. However, they each have, near their lower end connected to the tube plate 2, a dilatation lyre shown at 11 in its cold position and 12 in its hot position.
  • the expansion lyres are thus in the coldest area of the exchanger, that is to say in contact with the liquid sodium, cooled in contact with the water to be vaporized.
  • the expansion lyres are balanced, that is to say that the length of their branches and their position relative to the axes X of the tubes are such that the lyres exert in operation no bending reaction on the teats. 13A for joining the tubes with the tube plate 2.
  • the expansion lyres 11 are arranged inside a thin jacket 6 which defines with the external ferrule 1 an annular passage through which is deflected at least part of the flow rate of the liquid sodium circulating between the ferrules inlet 5 'and outlet 5.
  • the thin jacket 6 comprises above the expansion lyres 11 an annular orifice 8 through which at least part of the liquid sodium descending into the shell 1 is deflected in the annular passage formed between this ferrule and the jacket 6.
  • the shell 6 extends below the expansion lyres by a perforated shell 7 welded to the shell and by which the part of the liquid sodium descending inside the shell 6 comes out in the annular passage to be discharged through the tubing 5 with the part of the sodium which has been deflected in this passage through the orifice 8.
  • This perforated ferrule 7 ensures the desired distribution of the flow of liquid sodium between the internal and external zones of the jacket 6 More specifically, the passage section of the holes of the perforated shell 7 defines a sufficiently large pressure drop, relative to the passage section around the jacket 6, so that the flow of hot liquid sodium inside of the shirt is low enough not to risk causing vibrations of the lyres, expansion.
  • the perforated ferrule 7 is fixed to a circular crown 9, itself connected to the tube plate 2 by bolts 10.
  • FIG. 3 represents a variant of the steam generator of FIG. 2 in which the expansion lyres such as 13 are symmetrical with respect to the general axis X of the corresponding tube (the position of the hot lyre is represented at 14).
  • This has the advantage of reducing the transverse size of the lyres and therefore the diameter of the ferrule 6.
  • the length of the lyres is increased and they exert in operation a certain bending force on the corresponding teats of the junction of the tube with the tube plate (not shown).
  • Figure 4 is a sectional view along the axis IV-IV of Figure 2 and Figure 5 a detail view V of Figure 4. These figures show the staggered distribution of the tubes such as 13, 14, 15, 16, and the bars such as 17, 18 , 19 slid between the rows of tubes to increase safety vis-à-vis their vibrations.
  • FIG. 6 a variant of FIG. 2 according to which the area internal to the shell 6 containing the expansion lyres 11 contains liquid sodium in the static state and not in circulation.
  • the perforated shell 7 is eliminated and the shell 6 is connected directly to the tube plate 2.
  • the arrows illustrate in FIG. 6 the entire flow of liquid sodium s' made from the outside of the shell 6, through the orifices 8.
  • the members for distributing the flow between the internal and external zones relative to the envelope may be other than a grid with calibrated holes. They can also be arranged upstream of the internal envelope, and no longer downstream of the latter.
  • the invention applies to tube bundle heat exchangers with expansion lyres, in particular for a steam generator with a primary fluid consisting of a liquid alkali metal.

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Abstract

Dispositif à faisceaux de tubes (3, 4) disposés entre deux plaques tubulaires et munis de lyres de dilatation pour échange de chaleur entre un fluide circulant à l'intérieur des tubes et un liquide circulant autour des tubes. Les lyres de dilatation (11) sont disposées au contact du liquide dans la zone la plus froide de l'échangeur, et le dispositif comporte des moyens pour assurer que le liquide ne puisse entraîner en vibration les lyres de dilatation. Application aux échangeurs de chaleur pour générateurs de vapeur à fluide primaire constitué par du sodium liquide.

Description

  • La présente invention concerne un dispositif à faisceau de tubes disposés entre deux plaques à tubes et munis de lyres de dilatation, pour échange de chaleur entre un fluide circulant à l'intérieur des tubes et un liquide circulant autour des tubes.
  • Les lyres de dilatation de tels dispositifs peuvent être entraînées en vibration pour certaines vitesses d'écoulement du fluide circulant autour des tubes, notamment lorsque celui-ci est un métal alcalin liquide. Si la fréquence d'excitation due à l'écoulement du fluide se rapproche de la fréquence de résonance des lyres de dilatation, il peut se produire des vibrations suffisantes pour endommager gravement les tubes..
  • On a déjà proposé pour éviter ces phénomènes de disposer les lyres de dilatation dans une zone où elles ne sont pas au contact du fluide en écoulement, par exemple, lorsque ce dernier est un métal alcalin liquide, dans une zone remplie d'un gaz rare surmontant le bain de ce métal, au voisinage de la plaque tubulaire de l'extrémité chaude de l'échangeur.
  • Ceci nécessite toutefois un allongement du faisceau des tubes, souvent déjà très long, la longueur des lyres de dilatation n'intervenant pas dans l'échange de chaleur. Par ailleurs, les lyres de dilatation sont dans la partie la plus chaude de l'échangeur, où le taux de travail admissible est le plus faible.
  • La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients ci-dessus, et de procurer un dispositif ne comportant pas de zone spéciale réservée aux lyres de dilatation et ne participant pas à l'échange de chaleur. Elle a encore pour but d'assurer le fonctionnement des lyres de dilatation avec un taux de travail plus favorable, hors de la partie la plus chaude de l'échangeur, et par suite d'employer des tubes d'épaisseur plus faible.
  • A cet effet et conformément à l'invention, il est proposé un dispositif d'échange de chaleur comprenant une virole externe fermée à ses extrémités par deux plaques à tubes, un faisceau de tubes munis de lyres de dilatation, ces tubes étant raccordés aux plaques à tubes pour déboucher dans des collecteurs d'entrée et de sortie d'un fluide circulant à l'intérieur des tubes et des tubulures d'entrée et de sortie d'un liquide circulant dans ladite virole et autour des tubes, caractérisé en ce que les lyres de dilatation sont disposées au contact du liquide dans la zone la plus froide de l'échangeur et en ce que des moyens sont prévus pour dévier au moins une partie du débit de liquide au niveau des lyres de dilatation afin que le liquide ne puisse entraîner ces dernières en vibration.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens pour dévier au moins une partie du débit de liquide comprennent une chemise interne à la virole externe et dans laquelle sont placées les lyres. de dilatation et au moins un orifice ménagé dans ladite virole en amont des lyres de dilatation pour dévier au moins une partie du débit de liquide entre la chemise interne et la virole externe.
  • Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes :
    • - les lyres de dilatation sont au contact du liquide en écoulement, lesdits moyens comprenant en outre au moins un second orifice ménagé dans ladite virole en aval des lyres de dilatation, l'un au moins des orifices comprenant des moyens de répartition du débit entre l'intérieur et l'extérieur de la chemise, tels que le métal passe au contact des lyres de dilatation à une vitesse suffisamment faible pour ne pouvoir les entraîner en vibration.
    • - Les lyres de dilatation sont au-contact d'un bain de liquide statique, ladite chemise étant obturée en aval des lyres de dilatation de telle sorte que tout le métal est dévié entre la chemise interne et la virole externe.
    • - Les lyres de dilatation sont équilibrées par rapport à l'axe général des tubes de façon à n'exercer aucune contrainte de flexion sur leur liaison avec les plaques à tubes.
    • - Les lyres de dilatation sont symétriques par rapport à l'axe des tubes.
    • - Des barres de stabilisation sont disposées entre les lyres dans des plans parallèles aux plans de celles-ci.
  • On décrira maintenant, à titre d'exemples non limitatifs, deux variantes de réalisation du dispositif selon l'invention, en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
    • - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un générateur de vapeur réalisé conformément à l'invention ;
    • - la figure 2 est une vue en coupe à plus grande échelle montrant la partie inférieure du générateur de vapeur de la figure 1 et illustrant une première variante de réalisation selon laquelle les lignes de dilatation des tubes sont au contact du liquide en écoulement ;
    • - la figure 3 est une vue schématique comparable à la figure 2 montrant une variante de réalisation dans laquelle les lyres de dilatation des tubes sont symétriques ;
    • - la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 2 ;
    • - la figure 5 est une vue à plus grande échelle du détail V de la figure. 4 ; et
    • - .la figure 6 est une vue de la partie inférieure du générateur de vapeur comparable à la figure 2, montrant une variante de réalisation de l'invention selon laquelle les lyres de dilatation des tubes sont au contact d'un bain de liquide statique.
  • On voit sur la figure 1 que le générateur de vapeur comporte une virole externe 1, à axe vertical, fermée à ses extrémités inférieure et supérieure par des plaques à tubes 2,2' auxquelles se raccordent les tubes tels que 3 d'un faisceau de tubes disposé à l'intérieur de la virole 1.Ces tubes débouchent respectivement, à la partie inférieure du générateur de vapeur, dans un collecteur d'entrée 4 de l'eau du circuit secondaire du générateur et à sa partie supérieure, dans un collecteur de sortie 4' de l'eau vaporisée. L'eau à vaporiser circule donc de bas en haut à l'intérieur des tubes 3 entre les collecteurs 4 et 4'.
  • Le métal liquide (généralement du sodium) circulant dans le circuit primaire du générateur se déplace à contre-courant par rapport à l'eau du circuit primaire, c'est-à-dire de haut en bas, à l'intérieur de la virole 1 et autour des tubes 3 entre une tubulure d'entrée 5' et une tubulure de sortie 5.
  • Comme l'illustre en particulier la figure 2, les tubes 3 sont généralement rectilignes et définissent chacun un axe vertical X. Toutefois, ils présentent chacun à proximité de leur extrémité inférieure raccordée à la plaque à tubes 2 une lyre de dilatation représentée en 11 dans sa position à froid et en 12 dans sa position à chaud. Les lyres de dilatation se trouvent ainsi dans la zone la plus froide de l'échangeur, c'est-à-dire au contact du sodium liquide, refoidi au contact de l'eau à vaporiser. De plus, les lyres de dilatation sont équilibrées, c'est-à-dire que la longueur de leurs branches et leur position par rapport aux axes X des tubes sont telles que les lyres n'exercent en fonctionnement aucune réaction de flexion sur les tétines 13A de jonction des tubes avec la plaque à tubes 2.
  • Conformément à l'invention, les lyres de dilatation 11 sont disposées à l'intérieur d'une chemise mince 6 qui définit avec la virole externe 1 un passage annulaire par lequel est déviée au moins une partie du débit du sodium liquide circulant entre les viroles d'entrée 5' et de sortie 5. A cet effet, la chemise mince 6 comporte au-dessus des lyres de dilatation 11 un orifice annulaire 8 par lequel au moins une partie du sodium liquide descendant dans la virole externe 1 est déviée dans le passage annulaire formé entre cette virole et la chemise 6.
  • Dans la variante de réalisation de la figure 2, la virole 6 se prolonge en dessous des lyres de dilatation par une virole perforée 7 soudée à la virole et par laquelle la partie du sodium liquide descendant à l'intérieur de la virole 6 ressort dans le passage annulaire pour être évacuée par la tubulure 5 avec la partie du sodium qui a été déviée dans ce passage par l'orifice 8. Cette virole perforée 7 assure la répartition voulue du débit de sodium liquide entre les zones interne et externe à la chemise 6. De façon plus précise, la section de passage des trous de la virole perforée 7 définit une perte de charge suffisamment grande, par rapport à la section de passage autour de la chemise 6, pour que le débit de sodium liquide chaud à l'intérieur de la chemise soit suffisamment faible pour ne pas risquer d'entraîner des vibrations des lyres, de dilatation.
  • Comme le montre la figure 2, la virole perforée 7 est fixée à une couronne circulaire 9, elle-même reliée à la plaque à tubes 2 par des boulons 10.
  • La figure 3 représente une variante du générateur de vapeur de la figure 2 dans laquelle les lyres de dilatation telles que 13 sont symétriques par rapport à l'axe général X du tube correspondant (la position de la lyre à chaud est représentée en 14). Ceci présente l'avantage d'une réduction de l'encombrement transversal des lyres et par suite du diamètre de la virole 6. En revanche, la longueur des lyres est augmentée et elles exercent en fonctionnement un certain effort de flexion sur les tétines correspondantes de la jonction du tube avec la plaque tubulaire (non représentée) .
  • La figure 4 est une vue en coupe selon l'axe IV-IV de la figure 2 et la figure 5 une vue de détail V de la figure 4. Ces figures permettent de voir la répartition en quinconce des tubes tels que 13, 14, 15, 16, et les barres telles que 17, 18, 19 glissées entre les rangées de tubes pour augmenter la sécurité vis-à-vis des vibrations de ceux-ci.
  • Enfin, on a représenté sur la figure 6 une variante de la figure 2 selon laquelle la zone interne à la virole 6 contenant les lyres de dilatation 11 contient du sodium liquide à l'état statique et non en circulation. A cet effet, la virole perforée 7 est supprimée et la virole 6 est raccordée directement à la plaque à tubes 2. Il en résulte, comme l'illustrent les flèches sur la figure 6, que l'ensemble du débit de sodium liquide s'effectue par l'extérieur de la virole 6, au travers des orifices 8.
  • Dans cette configuration, les lyres de dilatation participent toujours à l'échange thermique, mais ellessont au contact de sodium liquide pratiquement statique, de sorte que tout risque de vibration de ces lyres est éliminé.
  • Bien que les dispositifs qui ont été décrits en référence aux figures paraissent les formes de réalisation préférables de l'invention, on comprendra que diverses modifications peuvent leur être apportées sans sortir du cadre de l'invention, certains de leur organes pouvant être remplacés par d'autres qui joueraient un rôle technique analogue. En particulier, dans la variante de réalisation de la figure 2, les organes de répartition du débit entre les zones interne et externe par rapport à l'enveloppe peuvent être autres qu'une grille à trous calibrés. Ils peuvent aussi être disposés en amont de l'enveloppe interne, et non plus en aval de celle-ci.
  • L'invention s'applique aux échangeurs de chaleur à faisceaux de tubes avec lyres de dilatation, notamment pour générateur de vapeur à fluide primaire constitué par un métal alcalin liquide.

Claims (7)

1. Dispositif d'échange de chaleur comprenant une virole externe (1) fermée à ses extrémités par deux plaques à tubes (2,2'), un faisceau de tubes (3) munis de lyres de dilatation (11), ces tubes étant raccordés aux plaques à tubes (2,2') pour déboucher dans des collecteurs d'entrée et de sortie (4,41) d'un fluide circulant à l'intérieur des tubes et des tubulures d'entrée et de sortie (5'5) d'un liquide circulant dans ladite virole et autour des tubes, caractérisé en ce que les lyres de dilatation (11) sont disposées au contact du liquide dans la zone la plus froide de l'échangeur et en ce que des moyens (6, 7, 8) sont prévus pour dévier au moins une partie du débit de liquide au niveau des lyres de dilatation afin que le liquide ne puisse entraîner ces dernières en vibration.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent une chemise (6) interne à la virole externe (1) et dans laquelle sont placées les lyres de dilatation (11) et au moins un orifice (8) ménagé dans ladite virole en amont des lyres de dilatation pour dévier au moins une partie du débit de liquide entre la chemise interne et la virole externe.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les lyres de dilatation sont au contact du liquide en écoulement, lesdits moyens comprenant en outre au moins un second orifice (7) ménagé dans ladite virole en aval des lyres de dilatation, l'un au moins des orifices (7, 8) comprenant des moyens de répartition de débit entre l'intérieur et l'extérieur de la chemise, tels que le métal passe au contact des lyres de dilatation à une vitesse suffisamment faible pour ne pouvoir les entraîner en vibration.
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les lyres de dilatation sont au contact du liquide statique, ladite chemise (6) étant obturée en aval des lyres de dilatation, de telle sorte que tout le métal est dévié entre la chemise interne et la virole externe.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les lyres de dilatation (11) sont équilibrées par rapport à l'axe général des tubes de façon à n'exercer aucune contrainte de flexion sur leur liaison avec les plaques à tubes.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les lyres de dilatation (13) sont symétriques par rapport à l'axe (X) des tubes.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les barres de stabilisation (18, 19 figure 5) sont disposées entre les lyres dans des plans parallèles aux plans de celles-ci.
EP82400017A 1981-01-13 1982-01-07 Dispositif d'échange de chaleur à faisceau de tubes avec lyres de dilatation soustraites aux vibrations Expired EP0056746B2 (fr)

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FR8100455 1981-01-13
FR8100455A FR2497937B1 (fr) 1981-01-13 1981-01-13 Dispositif d'echange de chaleur a faisceau de tubes avec lyres de dilatation soustraites aux vibrations

Publications (3)

Publication Number Publication Date
EP0056746A1 true EP0056746A1 (fr) 1982-07-28
EP0056746B1 EP0056746B1 (fr) 1983-11-16
EP0056746B2 EP0056746B2 (fr) 1988-03-16

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EP82400017A Expired EP0056746B2 (fr) 1981-01-13 1982-01-07 Dispositif d'échange de chaleur à faisceau de tubes avec lyres de dilatation soustraites aux vibrations

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EP (1) EP0056746B2 (fr)
JP (1) JPS57136088A (fr)
DE (1) DE3260009D1 (fr)
ES (1) ES508651A0 (fr)
FR (1) FR2497937B1 (fr)

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