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Echangeur de chaleur à métal liquide, avec un rang de tubes
La présente invention concerne un échangeur de chaleur faisant usage, comme fluide primaire et comme fluide secondaire, d'un liquide, de préférence du sodium liquide, et qui possède un faisceau de tubes formé par un rang unique de tubes en forme d'U. Ces tubes sont immergés dans le fluide primaire, tandis que le fluide secondaire s'écoule à travers eux.
Plus particulierement, l'invention concerne un échangeur de chaleur pour le retrait de la puissance résiduelle d'un réacteur nucléaire du type dit''ra- pide''.
Ces échangeurs consistent généralement en un faisceau de tubes s'étendant entre deux collecteurs.
Les deux collecteurs et le faisceau de tubes font partie d'un circuit hydraulique dans lequel s'e- coule un fluide secondaire, l'agent de refroidissement consistant généralement en sodium liquide.
Le faisceau de tubes est immerge en partie ou complètement dans le fluide primaire a refroidir.
Ce fluide primaire circule autour des tubes de 116changeur.
Un échangeur connu de ce genre est représenté par exemple à la figure 1 décrite en détail dans la suite du présent mémoire.
Un autre échangeur connu, du type precedent,
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est représenté dans la demande de brevet italien n 12541A/82 qui constitue un perfectionnement a l'échangeur représenté bt la figure 1.
Une autre variante connue est décrite dans le brevet français nO 2. 519. 462.
Ces solutions connues envisagent de façon gene- rale un faisceau de tubes consistant en plusieurs rangs de tubes.
Le faisceau da tubes immergé dans le fluide primaire est entouré d'au moins une coque équipée d'ouver- tures plus ou moins grandes, en sorte que le sodium primaire circule autour des tubes du faisceau de tubes suivant des parcours qui s'retendent en partie perpendiculairement aux tubes du faisceau et en partie parallè- lement à ceux-ci.
Dans ces types connus d'échangeurs, les tubes des divers cercles du faisceau de tubes ne peuvent manifestement pas avoir tous la même température.
I1 s'ensuit donc que le sodium secondaire quittant les divers tubes n'a pas toujours la même température et que, par conséquent, il y a un gradient thermique radial dans la plaque porte-tubes du collecteur de sortie de l'échangeur de chaleur.
On observera que, comme montré à la figure 1, le collecteur de sortie consiste en fait en une chambre annulaire formée de deux boltes de töle cylindriques verticales qui viennent à se trouver elles-memes & des températures différenties en raison de l'absence d'uniformité radiale dans la température du sodium. La plaque porte-tubes supérieure peut être faite, de facon connue, en deux parties annulaires concentriques, séparées par un joint de dilatation, également de forme annulaire. Le fluide secondaire froid passe & travers la plaque circulaire intérieure, tandis que le fluide secondaire chauffe par le fluide primaire passe à tra-
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vers la plaque annulaire exterieure.
Comme décrit ci-dessus, le fluide secondaire quittant les divers cercles de tubes a des temperatures différenties et, par conséquent, dans ce cas aussi, la plaque porte-tubes annulaire présente un gradient thermique radial.
Le but de l'invention est de remédier à cet inconvenient en utilisant des tubes qui, en étant arranges en un cercle unique, ont tous un comportement thermique pratiquement identique.
Suivant l'invention, la plaque porte-tubes nta que deux cercles annulaires, l'un venant vers le bas et l'autre vers le haut.
Les extrémités superieures des deux branches de chaque tube se terminent, sur la plaque annulaire extérieure, dans deux cercles de tubes, tandis que sur la plaque circulaire intérieure, elles se terminent en quatre cercles de trous.
Chaque tube se trouve sur un plan sensiblement radial, ce qui fait qu'ils sont relativement simples AL assembler.
Pour absorber la difference de dilatation entre la branche descendante et la branche montante, on a prévu des boucles qui se développent également sur un plan sensiblement radial.
Les caractéristiques principales de l'invention sont résumées et décrites schématiquement dans les revendications. Leurs but et avantages sont également illustres dans la description qui va suivre, couvrant des formes de réalisation choisies & titre d'exemples seulement, en se référant particulièrement aux dessins joints au présent mémoire sur lesquels : - la figure 1, comme déjà mentionne, montre un échangeur de chaleur du type traditionnel ; - la figure 2 montre l'échangeur de chaleur
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suivant l'invention, ä tres petite échelle, pour permettre une comparaison avec celui représenté a la figure 1 ; - la figure 3/A montre la partie superieure de la figure 2, à plus grande échelle ;
- la figure 3/B montre la partie inferieure de la figure 2, à plus grande échelle ; - la figure 4/A montre la partie superieure du faisceau de tubes, à une échelle encore plus grande ; - la figure 4/B montre la partie inférieure du
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meme faisceau de tubes ; - la figure 5 montre ensemble des coupes partielles de la plaque porte-tubes suivant les plans A-A, B-B, C-C et D-D ; - la figure 6 est une coupe partielle suivant les plans VI-VI de la figure 3/B.
La figure 1 est une représentation d'un type connu d s échangeur de chaleur, utilisé pour disposer de la puissance résiduelle d'un réacteur nucléaire rapide.
Sur cette figure, 10 désigne le fluide primaire contenu dans la cuve du réacteur dont le plancher est visible en 11. Ce plancher est traversé, avec étanchéité assurée par des joints d'un type connu, par un tube 12 d'alimentation en fluide secondaire, ce fluide secondaire étant également du sodium liquide.
Le tube d'alimentation 12 traverse le plancher 11, une plaque porte-tubes supérieure 13, puis une plaque porte-tubes inférieure 14.
En dessous de la plaque porte-tubes inférieure 14 se trouve un collecteur 15 dans lequel le fluide secondaire qui s'écoule de la colonne 12 est dévié vers la plaque porte-tubes intérieure 14 à laquelle sont reliées les extrémités inférieures d'un faisceau de tubes verticaux 16, représenté schématiquement sur la figure
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par une paire de lignes en traits mixtes.
Les tubes du faisceau 16 traversent la plaque porte-tubes superieure 13 et le fluide secondaire chauffé est transporté par un collecteur 17 de forme annulaire vers un tube d'entrée 18.
Le faisceau de tubes 16 dans lesquels s'écoule le fluide secondaire est entoure d'une enveloppe de töle cylindrique 19, pourvue d'ouvertures convenables pour permettre le passage du fluide primaire circulant entre les tuyaux du faisceau de tubes 16 pour chauffer le fluide secondaire contenu dans ceux-ci.
Un inconvenient de ce type connu d'échangeur est le fait que les divers tubes du faisceau de tubes n'absorbent pas, a partir du fluide primaire, la meme quantité de chaleur, de sorte que des gradients thermiques non désirés se présentent entre les divers tubes du faisceau et surtout dans la plaque porte-tubes su- prieure.
Suivant une variante connue, le collecteur intérieur 15 est supprime en même temps que le seul tube de descente 12'du fluide secondaire.
A leur place, la plaque porte-tubes superieure est divisée en deux plaques concentriques dont la plaque exterieure a une forme annulaire, plaques auxquelles les deux extrémités d'une série de tubes en forme d'U, a travers lesquels s'écoule le fluide secondaire, sont reliées.
Même dans ce cas, les gradients thermiques düs a l'absorption de chaleur différente par les divers tubes du faisceau, ne sont pas éliminés puisque les tubes sont arrangés en cercles diffdrents.
En outre, cette solution entrain des difficultés de construction considérables et donc des coûts élevés, puisque ces tubes on forme d'U suivent chacun un parcours tridimensionnel pour leur donner une elas-
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ticité suffisante pour absorber la difference de dila- tation entre les branches d'écoulement vers le bas et les branches d'écoulement vers le haut.
Suivant l'invention (voir figure 2 et les figures suivantes), pour assurer que chaque tube du faisceau absorbe la meme quantité de chaleur A partir du fluide primaire, les tubes du faisceau de tubes sont arrangés en un double cercle annulaire 116 dans le premier duquel sont situées les parties a ecoulement vers le bas et dans le second duquel sont situées les parties où l'écroulement se fait par le haut.
La plaque porte-tubes superieure 113 consiste en deux plaques porte-tubes concentriques, c t est-à- dire en une plaque circulaire intérieure 113'et en une plaque circulaire exterieure 113''.
Les tubes du faisceau sont arrangés les uns a coté des autres et sont pourvus de boucles d'extrémité 31, 32, 33 et 34.
Ces boucles sont situées sur des plans sensiblement radiaux et, deux à deux, elles sont développées concentriquement l'une à l'intérieur de l'autre, légèrement décalées dans une direction circonférentielle, en sorte qu'elles trouvent place dans la région inte- rieure du faisceau.
En outre, des boucles intermédiaires 41-42 et 43-44, 51-52 et 53-54 sont arrangées sur la hauteur du faisceau de tubes 116.
Leur but est de créer des joints de dilatation pour les tubes et de permettre à chaque tube individuel de passer à travers la région & l'intérieur du cercle des tubes aussi, la. où le fluide primaire s'écoule vers le bas. Ces boucles sont décalées d'un tuyau au suivant. Le tuyau d'alimentation en fluide secondaire va vers un point au-dessus de la plaque porte-tubes centrale 113', tandis que le tuyau de sortie 118 du fluide
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primaire a une forme. annulaire et est relie h la plaque porte-tubes annulaire extérieure 11311 pour recueillir le fluide secondaire qui quitte les tubes du faisceau.
Une enveloppe 119 de toile, cylindrique, convenablement perforée, entoure le faisceau de tubes 116, son but étant de créer des trajets préférentiels assignés au fluide primaire circulant entre les tubes du faisceau de tubes, et de procurer un support sismique pour le faisceau.
La forme la plus simple de réalisation de l'invention est représentée aux figures 3/A et 3/B que l'on examinera ensemble.
On peut voir là que les tubes du faisceau de tubes annulaire, arrangés en un double cercle annulaire, sont reliés à la plaque porte-tubes extérieure 213''qui est équipée d'un simple ensemble de trous arrangés en un cercle.
Il était evident que, puisque la plaque portetubes intérieure 213' était plus petite que la plaque extérieure, il n'aurait pas été possible de relier les autres extrémités des tubes formant le faisceau A un cercle unique de trous.
Pour vaincre cette difficulté, la première longueur de chaque tube du faisceau est reliée alternativement a un double cercle de trous 61-62 par une partie d'extrémité inclinée 63-64. De cette façon, il est possible de pratiquer des trous de passage dans la plaque porte-tubes circulaire interieure 213'a des distances convenables les uns des autres.
A nouveau, on se rappellera que les boucles dans les tubes des faisceaux et les parties d'extre- mité 63 et 64 se trouvent, pour chaque tube, sur un plan sensiblement radial.
Une solution de construction permettant d'ins-
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taller un plus grand nombre de tubes est celle repré- sentée en detail aux figures 4,5 et 6.
Suivant cette seconde forme de réalisation (qui correspond a celle déjà représentée a la figure 2), la plaque porte-tubes annulaire extérieure 313" a deux cercles annulaires concentriques de trous pour les extrémités des parties d'écoulement vers le haut des tuyaux. Ces tubes d'écoulement vers le haut sont cependant arrangés en un cercle circulaire unique.
Dans ce cas, sur la plaque porte-tubes circulaire intdrieure 313', il y a quatre cercles de trous.
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Les parties verticales d'écou1ement vers le bas des tubes du faisceau sont reliées a ces trous par de pe- tites branches inclinées 363.
Dans ce cas aussi, les positions et le nombre des boucles, ainsi que la position des parties incll- nées supérieures des tubes de la plaque sont arranges de telle façon que l'echange de chaleur avec le fluide primaire est en moyenne le même pour chaque tube.
A la figure 5, il est possible de voir que chaque tube unique suit un parcours plat placé sensiblement radialement.
La figure 6 montre des crochets 71, des espaceurs circulaires 72 et des supports ondulés 73 pour les tubes du faisceau.
Ces elements sont faits d'acier pour titles et sont arrangés a des intervalles radiaux préétablis.
Leur but est de maintenir les divers tubes du faisceau en une position correcte.
Ces éléments de support et de positionnement sont arrangés autour des tubes du faisceau de façon à ne pas s'opposer l'ecoulement du fluide primaire circulant a l'interieur du faisceau de tubes.
Bien que pour des raisons de description, l' invention ait été basée sur la description précédente
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et représentée à titre d'exemple seulement, en se référant particulièrement aux dessins joints au présent mémoire, bien des changements et variations peuvent être apportés à la réalisation de l'invention.
Ces changements et variations sont toutefois supposés se baser sur les revendications qui font suite.
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Liquid metal heat exchanger, with one row of tubes
The present invention relates to a heat exchanger making use, as primary fluid and as secondary fluid, of a liquid, preferably liquid sodium, and which has a bundle of tubes formed by a single row of U-shaped tubes. These tubes are immersed in the primary fluid, while the secondary fluid flows through them.
More particularly, the invention relates to a heat exchanger for removing the residual power from a nuclear reactor of the so-called “fast” type.
These exchangers generally consist of a bundle of tubes extending between two collectors.
The two collectors and the tube bundle are part of a hydraulic circuit in which a secondary fluid flows, the coolant generally consisting of liquid sodium.
The bundle of tubes is partially or completely immersed in the primary fluid to be cooled.
This primary fluid circulates around the exchanger tubes.
A known exchanger of this kind is shown for example in FIG. 1 described in detail in the remainder of this specification.
Another known exchanger, of the preceding type,
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is shown in Italian patent application No. 12541A / 82 which constitutes an improvement to the exchanger shown in FIG. 1.
Another known variant is described in French patent No. 2,519,462.
These known solutions generally envisage a bundle of tubes consisting of several rows of tubes.
The bundle of tubes immersed in the primary fluid is surrounded by at least one shell fitted with more or less large openings, so that the primary sodium circulates around the tubes of the bundle of tubes along paths which extend part perpendicular to the tubes of the bundle and partly parallel to them.
In these known types of exchangers, the tubes of the various circles of the tube bundle obviously cannot all have the same temperature.
It therefore follows that the secondary sodium leaving the various tubes does not always have the same temperature and that, consequently, there is a radial thermal gradient in the tube-holder plate of the outlet manifold of the heat exchanger. .
It will be observed that, as shown in FIG. 1, the outlet manifold consists in fact of an annular chamber formed by two vertical cylindrical sheet metal balls which come to find themselves & at different temperatures due to the absence of radial uniformity in sodium temperature. The upper tube-holder plate can be made, in known manner, into two concentric annular parts, separated by an expansion joint, also of annular shape. The cold secondary fluid passes through the inner circular plate, while the secondary fluid heats through the primary fluid passes through
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towards the outer annular plate.
As described above, the secondary fluid leaving the various tube circles at different temperatures and, therefore, in this case too, the annular tube carrier plate has a radial thermal gradient.
The object of the invention is to remedy this drawback by using tubes which, being arranged in a single circle, all have practically identical thermal behavior.
According to the invention, the tube-holder plate nta only two annular circles, one coming down and the other up.
The upper ends of the two branches of each tube end, on the outer annular plate, in two circles of tubes, while on the inner circular plate, they end in four circles of holes.
Each tube is on a substantially radial plane, which makes them relatively simple to assemble.
To absorb the difference in expansion between the descending branch and the rising branch, loops are provided which also develop on a substantially radial plane.
The main features of the invention are summarized and described schematically in the claims. Their purpose and advantages are also illustrated in the description which follows, covering selected embodiments & by way of examples only, with particular reference to the drawings attached to this memo in which: - Figure 1, as already mentioned, shows a traditional type heat exchanger; - Figure 2 shows the heat exchanger
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according to the invention, on a very small scale, to allow a comparison with that shown in Figure 1; - Figure 3 / A shows the upper part of Figure 2, on a larger scale;
- Figure 3 / B shows the lower part of Figure 2, on a larger scale; - Figure 4 / A shows the upper part of the tube bundle, on an even larger scale; - Figure 4 / B shows the lower part of the
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same bundle of tubes; - Figure 5 shows together partial sections of the tube holder plate along the planes A-A, B-B, C-C and D-D; - Figure 6 is a partial section along the planes VI-VI of Figure 3 / B.
Figure 1 is a representation of a known type of heat exchanger, used to dispose of the residual power of a fast nuclear reactor.
In this figure, 10 denotes the primary fluid contained in the reactor vessel, the floor of which is visible at 11. This floor is crossed, with sealing provided by seals of a known type, by a tube 12 for supplying secondary fluid , this secondary fluid also being liquid sodium.
The supply tube 12 passes through the floor 11, an upper tube-holder plate 13, then a lower tube-holder plate 14.
Below the lower tube-holder plate 14 is a manifold 15 in which the secondary fluid flowing from the column 12 is diverted to the inner tube-holder plate 14 to which are connected the lower ends of a bundle of vertical tubes 16, shown schematically in the figure
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by a pair of dashed lines.
The tubes of the bundle 16 pass through the upper tube-holder plate 13 and the heated secondary fluid is transported by a collector 17 of annular shape to an inlet tube 18.
The bundle of tubes 16 in which the secondary fluid flows is surrounded by a cylindrical sheet envelope 19, provided with suitable openings to allow the passage of the primary fluid circulating between the pipes of the bundle of tubes 16 to heat the secondary fluid contained in them.
A disadvantage of this known type of exchanger is the fact that the various tubes of the tube bundle do not absorb, from the primary fluid, the same amount of heat, so that unwanted thermal gradients occur between the various bundle tubes and especially in the upper tube holder plate.
According to a known variant, the internal collector 15 is eliminated at the same time as the single downpipe 12 ′ of the secondary fluid.
In their place, the upper tube-holder plate is divided into two concentric plates, the outer plate of which has an annular shape, plates to which the two ends of a series of U-shaped tubes, through which the fluid flows. secondary, are connected.
Even in this case, the thermal gradients due to the different heat absorption by the various tubes of the bundle, are not eliminated since the tubes are arranged in different circles.
In addition, this solution leads to considerable construction difficulties and therefore high costs, since these U-shaped tubes each follow a three-dimensional course to give them an elas-
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sufficient to absorb the difference in expansion between the downward flow branches and the upward flow branches.
According to the invention (see FIG. 2 and the following figures), to ensure that each tube of the bundle absorbs the same amount of heat From the primary fluid, the tubes of the bundle of tubes are arranged in a double annular circle 116 in the first from which the downward flowing parts are located and in the second of which the downward flowing parts are located.
The upper tube-holder plate 113 consists of two concentric tube-holder plates, that is to say an inner circular plate 113 ′ and an outer circular plate 113 ′.
The bundle tubes are arranged next to each other and are provided with end loops 31, 32, 33 and 34.
These loops are located on substantially radial planes and, two by two, they are developed concentrically one inside the other, slightly offset in a circumferential direction, so that they find their place in the interior region. beam.
In addition, intermediate loops 41-42 and 43-44, 51-52 and 53-54 are arranged on the height of the bundle of tubes 116.
Their purpose is to create expansion joints for the tubes and to allow each individual tube to pass through the region & inside the circle of the tubes as well. where the primary fluid flows down. These loops are shifted from one pipe to the next. The secondary fluid supply pipe goes to a point above the central tube-holder plate 113 ', while the fluid outlet pipe 118
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primary has a form. annular and is connected to the outer annular tube-holder plate 11311 to collect the secondary fluid which leaves the bundle tubes.
A casing 119 of canvas, cylindrical, suitably perforated, surrounds the tube bundle 116, its aim being to create preferential paths assigned to the primary fluid circulating between the tubes of the tube bundle, and to provide a seismic support for the bundle.
The simplest embodiment of the invention is shown in Figures 3 / A and 3 / B which will be examined together.
It can be seen there that the tubes of the annular tube bundle, arranged in a double annular circle, are connected to the outer tube-holder plate 213 '' which is equipped with a simple set of holes arranged in a circle.
It was obvious that, since the inner tube holder plate 213 'was smaller than the outer plate, it would not have been possible to connect the other ends of the tubes forming the bundle to a single circle of holes.
To overcome this difficulty, the first length of each tube of the bundle is connected alternately to a double circle of holes 61-62 by an inclined end portion 63-64. In this way, it is possible to make through holes in the inner circular tube-holder plate 213 ′ at suitable distances from each other.
Again, it will be remembered that the loops in the bundle tubes and the end portions 63 and 64 are, for each tube, on a substantially radial plane.
A construction solution allowing to
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installing a larger number of tubes is that shown in detail in Figures 4,5 and 6.
According to this second embodiment (which corresponds to that already shown in FIG. 2), the outer annular tube-holder plate 313 "has two concentric annular circles of holes for the ends of the upward flow parts of the pipes. Upward flow tubes are however arranged in a single circular circle.
In this case, on the inner circular tube holder plate 313 ', there are four circles of holes.
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The vertical downward flow parts of the bundle tubes are connected to these holes by small inclined branches 363.
In this case also, the positions and the number of loops, as well as the position of the upper inclined parts of the tubes of the plate are arranged in such a way that the heat exchange with the primary fluid is on average the same for each tube.
In FIG. 5, it is possible to see that each single tube follows a flat path placed substantially radially.
Figure 6 shows hooks 71, circular spacers 72 and corrugated supports 73 for the bundle tubes.
These elements are made of titles steel and are arranged at preset radial intervals.
Their purpose is to maintain the various tubes of the beam in a correct position.
These support and positioning elements are arranged around the tubes of the bundle so as not to obstruct the flow of the primary fluid circulating inside the bundle of tubes.
Although for reasons of description, the invention was based on the preceding description
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and shown by way of example only, with particular reference to the drawings attached to this specification, many changes and variations may be made to the embodiment of the invention.
These changes and variations are, however, assumed to be based on the following claims.