FR2581443A1 - Echangeur de chaleur a faisceau de tubes droits dont le maintien transversal est assure par des grilles entretoises et ses applications - Google Patents

Abstract

L'ECHANGEUR COMPORTE UN FAISCEAU 2 DE TUBES 3, UNE ENVELOPPE 1 ET UN ENSEMBLE DE GRILLES ENTRETOISES 18. LES GRILLES ENTRETOISES COMPORTENT UN PREMIER ENSEMBLE D'OUVERTURES POUR LE PASSAGE DES TUBES 3 DU FAISCEAU 2 MAINTENUS PAR LES GRILLES ET UN SECOND ENSEMBLE D'OUVERTURES POUR LE PASSAGE DU FLUIDE D'ECHANGE CIRCULANT A L'EXTERIEUR DES TUBES 3. LES OUVERTURES SONT DISPOSEES DE FACON TELLE QUE L'EPAISSEUR DES PAROIS DE LA GRILLE METALLIQUE ENTRE LES OUVERTURES SOIT SENSIBLEMENT CONSTANTE. L'INVENTION S'APPLIQUE, EN PARTICULIER, AUX GENERATEURS DE VAPEUR DES REACTEURS NUCLEAIRES A NEUTRONS RAPIDES REFROIDIS PAR DU SODIUM LIQUIDE.

Description

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L'invention concerne un échangeur de chaleur à faisceau de tubes droits à pas circulaire dont le

maintien transversal est assuré par des grilles entre-

toises. Des échangeurs de chaleur à faisceau de tu-

bes droits sont très souvent utilisés comme généra-

teurs de vapeur dans les réacteurs nucléaires en par-

ticulier ceux refroidis par du métal liquide. Le flui-

de de refroidissement du réacteur permet l'échauffe-

ment et la vaporisation d'eau d'alimentation qui peut être mise en circulation à l'intérieur des tubes ou, au contraire, en contact avec la surface externe de ces tubes. Le fluide de refroidissement du réacteur circule soit à l'extérieur des tubes, à l'intérieur de l'enveloppe du générateur de vapeur renfermant le

faisceau, soit à l'intérieur des tubes, respective-

ment.

Dans le cas d'installations de grande puis-

sance, la taille des générateurs de vapeur peut être

considérable et en particulier, dans le cas de généra-

teur de vapeur à tubes droits, la longueur des tubes et de l'enveloppe renfermant le faisceau ainsi que le nombre de tubes peuvent être très grands. On doit donc utiliser des grilles entretoises fixées à l'intérieur de l'enveloppe du générateur de vapeur, espacées les unes des autres suivant la longueur des tubes, pour assurer le maintien transversal et l'entretoisement des tubes du faisceau. De telles grilles entretoises doivent permettre non seulement le maintien des tubes

contre les sollicitations des fluides d'échange circu-

lant à leur contact à grande vitesse mais encore le passage du fluide d'échange circulant à l'extérieur

des tubes dans la direction longitudinale du généra-

teur de vapeur. La perte de charge dans ce fluide d'é-

change doit être la plus réduite possible et il est donc nécessaire de prévoir une section de passage de ce fluide importante par rapport à la section droite

totale du générateur de vapeur.

Pour tenter de concilier ces impératifs, on utilise très souvent des grilles entretoises réalisées par assemblage de bandes. de tiges ou de profilés de formes diverses. De tels dispositifs sont complexes, difficiles à mettre en place et leur réalisation i partir de nombreux éléments différents ne permet pas

d'obtenir une très bonne fiabilité.

On a donc proposé d'utiliser des plaques planes métalliques percées d'ouvertures, comme grilles entretoises. Les ouvertures traversant la plaque sont disposées suivant un réseau régulier correspondant i la disposition des tubes dans les plans de section droite du générateur de vapeur. Pour permettre à la fois le maintien des tubes et le passage du fluide d'échange à l'extérieur de ces tubes, on a proposé

dans le brevet français 2.150.826, de réaliser les ou-

vertures dans les plaques entretoises sous forme tri-

lobée, de façon à prévoir trois portées d'appui du tube en saillie vers l'intérieur de l'ouverture et trois sections de passage du fluide à l'extérieur du tube, entre les parties en saillie. Cette disposition

a pu être utilisée pour des faisceaux de tubes cons-

tituant des réseaux i pas carré, triangulaire ou hexa-

gonal, dans les sections droites du générateur de va-

peur. En revanche, cette disposition n'est pas utili-

sable dans le cas d'autres types de réseau, par exem-

ple dans le cas des réseaux i pas circulaire, c'est-i-

dire constitués par des rangées circulaires, coaxiales et équidisantes de tubes, à l'intérieur desquelles les

tubes sont espacés d'une longueur d'arc constante.

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Dans ce cas, en effet, il est nécessaire de faire va-

rier la forme des ouvertures d'une rangée à une autre pour maintenir sensiblement constante l'épaisseur des parois ménagées dans le métal de la plaque, entre deux ouvertures voisines. Il est en effet nécessaire que ces parois séparant les ouvertures aient une épaisseur sensiblement constante, pour que la grille entretoise ait une bonne résistance aux chocs thermiques. Il en

résulte donc des difficultés de conception et d'usi-

nage qui ne peuvent être résolues, ou qui ne peuvent

l'être qu'en acceptant des coûts de construction pro-

hibitifs, le nombre de passages de tubes à prévoir dans chacune des grilles entretoises étant très élevé, par exemple de l'ordre de plusieurs milliers. D'autre part, si on tente de résoudre le problème en gardant des ouvertures dont le contour extérieur est régulier, on devra, pour maintenir une épaisseur constante des parois entre les ouvertures, prévoir des sections de passage du fluide autour des tubes non uniformes, ce

qui introduit des déséquilibres thermiques préjudicia-

bles à un bon fonctionnement du générateur de vapeur.

Le but de l'invention est donc de proposer un échangeur de chaleur à faisceau de tubes droits et

à pas circulaire dont le maintien transversal est as-

suré par des grilles entretoises, comportant une enve-

loppe renfermant les tubes à l'intérieur desquels cir-

cule un premier fluide d'échange, un second fluide d'échange circulant dans l'enveloppe, à l'extérieur des tubes, et un ensemble de grilles entretoises de maintien transversal des tubes, fixées à l'intérieur de l'enveloppe, espacées les unes des autres suivant la longueur des tubes et constituées par des plaques

planes métalliques traversées par un ensemble d'ouver-

tures disposées suivant un réseau régulier à pas cir-

culaire correspondant à la disposition des tubes dans les plans de section droite du faisceau, cet échangeur de chaleur fonctionnant dans de très bonnes conditions thermiques et utilisant des grilles entretoises dont la conception et l'usinage sont relativement simples

et la résistance aux chocs thermiques satisfaisante.

Dans ce but, chacune des grilles entretoises comporte en outre un second ensemble d'ouvertures pour le passage du second fluide d'échange. intercalées entre les ouvertures du premier ensemble, de façon que

l'épaisseur des parois de séparation entre les ouver-

tures voisines ménagées dans le métal de la plaque

soit sensiblement constante.

Dans un mode de réalisation préférentiel, les ouvertures constituant le premier ensemble ont une

forme circulaire et un diamètre très légèrement supé-

rieur au diamètre extérieur des tubes.

Afin de bien faire comprendre -l'invention, on va maintenant décrire, en se référant aux figures jointes en annexe, plusieurs modes de réalisation d'un échangeur de chaleur suivant l'invention et de ses plaques entretoises, cet échangeur de chaleur étant utilisé comme générateur de vapeur dans un réacteur

nucléaire à neutrons rapides.

La Fig. 1 est-une vue en coupe par un plan vertical de symétrie, du générateur de vapeur à tubes droits. La Fig. 2 est une vue de dessus fragmentaire

d'une grille entretoise du générateur de vapeur repré-

senté sur la Fig. 1.

La Fig. 3 est une vue de dessus fragmentaire

d'une grille entretoise du générateur de vapeur, sui-

vant une première variante.

La Fig. 4 est une vue de dessus fragmentaire

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de la partie périphérique d'une grille entretoise sui-

vant une seconde variante.

La Fig. 5 est une vue en coupe suivant AA de la Fig. 4 montrant un moyen de support de la grille entretoise.

Sur la Fig. 1, on voit un générateur de va-

peur comportant une enveloppe externe 1 renfermant un faisceau de tubes droits 2. Chacun des tubes 3 du faisceau est fixé à l'une de ses extrémités dans une plaque tubulaire inférieure 4 et à son autre extrémité dans une plaque tubulaire supérieure 5. L'enveloppe 1 comporte un corps central cylindrique constituant l'enveloppe du faisceau 2 et deux parties d'extrémité

6 et 7 à plus grand diamètre sur lesquelles sont fi-

xées les plaques tubulaires 4 et 5, respectivement.

La plaque tubulaire inférieure 4 est en com-

munication par sa face externe avec un collecteur d'eau 10 recevant l'eau d'alimentation du générateur de vapeur par une tubulure 11. Le collecteur 10 permet de distribuer l'eau d'alimentation dans les tubes 3 du faisceau 2, cette eau d'alimentation constituant le

premier fluide d'échange du générateur de vapeur.

La partie supérieure 7 de l'enveloppe 1 re-

çoit, par une tubulure d'entrée 12, du sodium liquide

chaud, qui circule ensuite de haut en bas dans l'enve-

loppe de faisceau 1, en contact avec la surface exté-

rieure des tubes 3 et qui constitue le second fluide d'échange. L'eau d'alimentation circulant dans les tubes 3 est ainsi échauffée puis vaporisée, la vapeur formée étant récupérée par un collecteur de vapeur 14 puis évacuée par une tubulure 15. Le sodium liquide refroidi, après sa circulation au contact des tubes du faisceau, ressort de l'enveloppe 1 par une tubulure 13

prévue dans la partie 6 de cette enveloppe.

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Les tubes 3 du faisceau 2 sont maintenus et entretoises par des grilles entretoises 18 fixées i

l'intérieur du corps central de l'enveloppe. Ces gril-

les entretoises 18 permettent à la fois le maintien des tubes dans les directions transversales et le pas-

sage du sodium, à l'extérieur des tubes, dans la di-

rection verticale, suivant les flèches 19.

Sur la Fig. 2, on voit une partie d'une grille entretoise 18 comportant un premier ensemble

d'ouvertures 20 de forme circulaire et un second en-

semble d'ouvertures 21 de forme trilobée dissymétri-

que. Les ouvertures 20 ont des diamètres très légèrement supérieurs aux diamètres des tubes 3 et sont disposées suivant des rangées successives 20a, b, 20c circulaires, équidistantes et coaxiales. Dans chacune des rangées, les ouvertures 20 successives ont

des espacements identiques en distance d'arc. Les tu-

bes 3 du faisceau sont engagés dans les ouvertures 20 et parfaitement maintenus à l'intérieur de celles-ci, le jeu entre le tube 3 et l'ouverture 20 étant très faible. Dans le cas d'un générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides dont les grilles entretoises 18 ont un diamètre d'environ 1,2 m et un espacement de 0,6 m dans la direction longitudinale des tubes du faisceau 2 qui ont un diamètre de 15. 10 m, le pas du réseau circulaire des tubes est de

35.10-3 m et le jeu entre les tubes 3 et les ouvertu-

res 20, de 0,2 à 0,5.10- 3 m, suivant les tolérances.

Les ouvertures 21 sont intercalées entre les ouvertures 20 le long des rangées successives de tubes

et entre ces rangées de façon que les parois 23 ména-

gées entre deux ouvertures voisines, que ces deux ou-

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vertures soient deux ouvertures 21 ou une ouverture 20 et une ouverture 21, aient une épaisseur pratiquement constante. Ces parois sont ménagées dans le métal de la plaque destinée à constituer la grille entretoise 18, au moment de l'usinage des ouvertures 20 et 21. Cet usinage est réalisé par perçage et par brochage de

la plaque métallique.

Pour obtenir une épaisseur pratiquement constante des parois 23, les ouvertures 21 présentent

un contour trilobé comportant trois portions circulai-

res 24 et trois prolongements 25 dont l'un a une di-

rection radiale et les deux autres des directions cir-

conférentielles par rapport à la grille entretoise 18

et aux rangées de tubes 20. Les ouvertures 21 asso-

ciées à une même rangée de tubes 20 ipar exemple l'en-

semble des ouvertures 21a associées à la rangée 20a)

ont des formes et des dimensions identiques; ces for-

mes et dimensions peuvent éventuellement être modi-

fiées de rangée en rangée, ou d'un groupe de rangées à un autre groupe de rangées, en allant de l'intérieur vers l'extérieur de la grilleentretoise. On a donc la

possibilité, au moment de l'usinage de la grille en-

tretoise. d'effectuer des opérations répétitives ran-

gée par rangée. De plus, les ouvertures 21 ont chacu-

ne, pour axe de symétrie, un rayon de la grille entre-

toise 18.

Les plaques utilisées pour réaliser les grilles entretoises peuvent être en acier ferritique renfermant 2,25 Z de chrome et 1 Z de molybdène ou en acier à 5 Z ou à 9 Z de chrome et à 1 Z de molybdène

ou encore en acier austénitique de la nuance 316L.

Après usinage des ouvertures 20 permettant le passage des tubes, on peut réaliser sur la surface

de ces ouvertures, dans l'épaisseur de la grille en-

tretoise, c'est-à-dire sur la surface des parois 23, un traitement superficiel tel qu'un chromage au tampon ou une aluminisation. Un tel traitement superficiel permet de limiter l'usure des tubes et l'attaque de ces tubes par fretting corrosion, pendant le fonction-

nement du générateur de vapeur.

Lorsque le générateur de vapeur est en fonc-

tionnement, le sodium liquide circule suivant la di-

rection verticale, à l'extérieur des tubes, dans l'en-

veloppe 1 et traverse les plaques entretoises par les ouvertures 21 presque exclusivement, le jeu entre les

tubes 3 et les ouvertures 20 étant très faible. La ré-

partition du flux de sodium dans les sections droites

du générateur de vapeur est ainsi parfaitement homogè-

ne, ce qui procure d'excellentes conditions thermiques

de fonctionnement.

De plus, l'épaisseur faible et sensiblement constante des parois 23 entourant les ouvertures 20 et 21 évite l'apparition de gradients thermiques au niveau des grilles entretoises et réduit les risques

de détériorations par chocs thermiques.

Sur la Fig. 3, on voit une variante de réa-

lisation des ouvertures 20 et 21, les ouvertures 20

étant réalisées sous forme trilobée et comportant cha-

cune trois surfaces d'appui cylindriques 26 pour le

maintien transversal du tube 3 correspondant. Ces ou-

vertures trilobées 20 comportent un seul axe de symé-

trie qui est de direction radiale par rapport à la plaque 18. L'un des prolongements de l'ouverture 20

est de direction radiale et les deux autres de direc-

tion sensiblement circonférentielle, par rapport à la

rangée d'ouvertures 20 correspondante.

Les ouvertures 21 sont de forme oblongues et

ont également comme axe de symétrie une direction ra-

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diale de la plaque 18. Ces ouvertures 21 sont interca-

lées entre les prolongements trilobés des ouvertures

pour obtenir une épaisseur des parois 23 sensible-

ment constante. Cette condition peut être obtenue avec des ouvertures 20 qui sont toutes identiques entre elles et des ouvertures 21 constituant le deuxième ensemble d'ouvertures, variables d'une rangée à une autre. Dans le mode de réalisation représenté à la

Fig. 3, le sodium liquide dans le générateur en fonc-

tionnement passe à la fois par les prolongements tri-

lobés des ouvertures 20 et par les ouvertures 21. Dans ce cas également, la répartition du flux de sodium est

extrêmement homogène dans les sections droites du gé-

nérateur de vapeur. L'usinage de la grille entretoise représentée à la Fig. 3 peut être réalisé par perçage

et brochage.

Sur la Fig. 4. on voit un second mode de ré-

alisation d'une grille entretoise 18 fixée à l'inté-

rieur de l'enveloppe 1. Les ouvertures 20 du premier ensemble permettant le passage des tubes 3 ont toutes une forme circulaire et un diamètre très légèrement

supérieur au diamètre extérieur des tubes 3. Les ou-

vertures 21 ont la forme de parallélogrammes à angles arrondis ou aplatis. La forme et les dimensions de ces

parallèlogrammes sont légèrement modifiées d'une ran-

g&e i une autre et très fortement modifiées au voisi-

nage de la périphérie de la grille entretoise, o les

ouvertures 30 se substituant aux ouvertures 21 corres-

pondent approximativement à la moitié de la section des ouvertures 21. De même, la forme et la répartition

des ouvertures 21 sont profondément modifiées au voi-

sinage de l'axe XX de la grille entretoise 18 suivant lequel est placé un ensemble de supports 32 de la

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grille entretoise 18 qui-sera décrit dans la suite du texte. La forme et la répartition des ouvertures 20 et 21 permettent d'obtenir une épaisseur des parois 23 de séparation des ouvertures pratiquement constante. Cette épaisseur de paroi correspond à l'épaisseur de

métal entre deux ouvertures voisines, dans une direc-

tion contenue dans le plan de la grille entretoise 18.

Une grille entretoise telle que représentée sur la Fig. 4 peut être obtenue par moulage ou par

usinage électrochimique d'une plaque d'acier.

En plus des ouvertures 20 et 21, la grille entretoise 18 représentée i la Fig. 4 comporte des encoches telles que 33 suivant la direction X'X. Une encoche 33 est ménagée sur la grille entretoise 18. i

chacune de ses extrémités, suivant la direction radia-

le X'X et également à chacune de ses extrémités, sui-

vant la direction radiale perpendiculaire i X'X. Comme

il est visible sur les Fig. 4 et 5. chacun des dispo-

sitifs de support 32 de la plaque 18 comporte un élé-

ment de support 34 soudé en 35 sur la surface inté-

rieure de l'enveloppe 1, par l'intermédiaire de sa

partie inférieure et engagé, par sa partie supérieure.

à l'intérieur de l'encoche 33 correspondante de la

grille 18. La partie supérieure de l'élément de sup-

port 34 est encochée de façon i ménager des bords d'appui pour la grille entretoise 18 engagée avec jeu

dans l'élément 34 par sa partie 33. La grille entre-

toise 18 est ainsi maintenue dans les directions ver-

ticales par rapport i l'enveloppe 1 mais reste libre

de se dilater dans la direction radiale.

Les principaux avantages de l'échangeur de chaleur suivant l'invention sont donc un très bon

fonctionnement sur le plan thermique. grice i une ré-

1 1 partition homogène du fluide d'échange circulant à l'extérieur des tubes, une disposition précise et un

maintien efficace des tubes du faisceau, une très bon-

ne résistance aux chocs thermiques des grilles entre-

toises et une conception et un usinage facilités de

ces grilles entretoises.

L'invention ne se limite pas aux modes de

réalisation qui ont été décrits.

C'est ainsi qu'on peut imaginer des ouvertu-

res de formes différentes de celles qui ont été décri-

tes, par exemple des ouvertures de forme polygonale à

angles arrondis pour constituer le second ensemble.

Les ouvertures du premier ensemble peuvent être utili-

sées seulement pour le maintien des tubes ou à la fois pour le maintien des tubes et le passage du second fluide d'échange. Dans tous les cas on recherchera des formes complémentaires des ouvertures appartenant à l'un et à l'autre des deux ensembles pour obtenir une épaisseur de paroi séparant ces ouvertures la plus

constante possible.

On peut également imaginer un moyen de fixa-

tion des grilles entretoises dans l'enveloppe de l'é-

changeur de chaleur d'un type différent de celui qui a

été décrit.

Enfin, l'échangeur de chaleur suivant l'in-

vention peut être non seulement utilisé comme généra-

teur de vapeur dans un réacteur nucléaire mais encore pour tout échange de chaleur entre deux fluides dans

des industries telles que l'industrie chimique.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1.- Echangeur de chaleur à faisceau de tubes

droits et à pas circulaire dont le maintien transver-

sal est assuré par des grilles entretoises, comportant une enveloppe (1) renfermant les tubes (3) à l'inté- rieur desquels circule un premier fluide d'échange, un second fluide d'échange circulant dans l'enveloppe (1) à l'extérieur des tubes (3) et un ensemble de grilles entretoises (18) de maintien transversal des tubes (3) fixées à l'intérieur de l'enveloppe (1) espacées les unes des autres suivant la longueur des tubes (3) et

constituées par des plaques planes métalliques traver-

sées par un ensemble d'ouvertures (20) disposées sui-

vant un réseau régulier à pas circulaire correspondant

à la disposition des tubes (3) dans les plans de sec-

tion droite du faisceau (2). caractérisé par le fait que chacune des grilles entretoises (18) comporte en outre un second ensemble d'ouvertures (21) pour le passage du second fluide d'échange, intercalées entre les ouvertures (20) du premier ensemble, de façon que l'épaisseur des parois (23) de séparation entre les ouvertures voisines (20, 21) ménagées dans le métal de

la plaque soit sensiblement constante.

2.- Echangeur de chaleur suivant la revendi-

cation 1. caractérisé par le fait que les ouvertures (20) du premier ensemble sont de forme circulaire et ont un diamètre très légèrement supérieur au diamètre

extérieur des tubes (3).

3.- Echangeur de chaleur suivant l'une quel-

conque des revendications 1 et 2. caractérisé par le

fait que les tubes (3) sont disposés dans les sections

droites du faisceau (2), suivant un réseau à pas cir-

culaire constant.

4.- Echangeur de chaleur suivant la revendi-

cation 3, caractérisé par le fait que les ouvertures (20) du premier ensemble ont des sections trilobées à un seul axe de symétrie suivant une direction radiale de la plaque (18).

5.- Echangeur de chaleur suivant la revendi-

cation 3, caractérisé par le fait que les ouvertures (21) du deuxième ensemble ont une section trilobée à un seul axe de symétrie suivant une direction radiale

de la plaque (18).

6.- Echangeur de chaleur suivant l'une quel-

conque des revendications 1 et 2, caractérisé par le

fait que les ouvertures (21) de la seconde série ont

une section de forme générale en parallélogramme.

7.- Echangeur de chaleur suivant l'une quel-

conque des revendications 1 et 2, caractérisé par le

fait que les ouvertures (21) de la seconde série ont

des sections de forme polygonale à sommets arrondis.

8.- Echangeur de chaleur suivant l'une quel-

conque des revendications 1 à 7, caractérisé par le

fait que chacune des grilles entretoises (18) est sup-

portée par un ensemble d'éléments de support (32) dis-

posés de façon équidisante à sa périphérie et compor-

tant un élément de support (34) soudé par sa partie inférieure sur la surface intérieure de l'enveloppe (1) et engagé, par sa partie supérieure encochée, dans une encoche (33) prévue dans la grille (18), l'encoche de l'élément de support (34) ménageant des surfaces d'appui de la grille (18) en la laissant se déplacer librement dans la direction radiale sous l'effet de la dilatation.

9.- Echangeur de chaleur suivant l'une quel-

conque des revendications 1 à 8. constituant un géné-

rateur de vapeur dont l'eau d'alimentation circule à l'intérieur des tubes (3) du faisceau (2) et dont le

second fluide d'échange est du sodium liquide.

10.- Echangeur de chaleur suivant la reven-

dication 1, caractérisé par le fait que les grilles

entretoises sont obtenues par usinage d'une plaque mé-

tallique.

11.- Echangeur de chaleur suivant la reven-

dication 1, caractérisé par le fait que les grilles-

entretoises sont obtenues par moulage.