BE1001020A3

BE1001020A3 - Echangeur de chaleur a metal liquide, avec un rang de tubes.

Info

Publication number: BE1001020A3
Application number: BE8800081A
Authority: BE
Inventors: Luciano Cinotti
Original assignee: Ansaldo Spa
Priority date: 1987-01-26
Filing date: 1988-01-25
Publication date: 1989-06-13
Also published as: GB8801654D0; JPS63247594A; FR2610096B1; GB2201505B; IT1208235B; GB2201505A; IT8712408A0; FR2610096A1; DE3802054A1

Abstract

L'échangeur, fonctionnant à l'aide de sodium liquide tant primaire que secondaire, comporte un faisceau de tubes développé verticalement, dans lequel les extrémités de chaque tube sont reliées à une plaque porte-tubes circulaire intérieure (113') et à une plaque porte-tubes extérieure (113'') en forme d'anneau, ces plaques étant coaxiales. Suivant l'invention, les branches verticales des tubes du faisceau (116) à travers lesquelles s'écoule le sodium, sont arrangées en deux cercles. Dans les tubes formant le cercle intérieur, le sodium s'écoule vers le bas, tandis qu'il s'écoule vers le haut dans les tubes du cercle extérieur.

Description


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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.

Claims

REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à métal liquide, dans lequel le métal liquide consiste en un métal fondu, particulièrement du sodium, du type comportant un faisceau de tubes développé verticalement, dans lequel les deux extrémités de chaque tube sont repliées à une plaque porte-tubes circulaire intérieure et à une plaque porte-tubes annulaire extérieure, coaxiales l'une avec l'autre, caractérisé en ce que les parties verticales des tubes du faisceau, A travers lesquelles s'écoule le sodium descendant, sont arrangées en un cercle intérieur unique et en ce que les parties verticales des tubes, par lesquelles s'écoule 1e sodium montant, sont arrangées en un cercle annulaire extérieur unique.
2. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les parties verticales à écoulement montant et a écoulement descendant, respectivement, des divers tubes du faisceau, sont reliées par des boucles plates qui se trouvent dans des plans sensiblement radiaux.
3. Echangeur de chaleur suivant les revendications 1 et 2, dans lequel les extrémités des parties verticales à écoulement montant des tubes du faisceau sont reliées & des trous correspondants dans la plaque porte-tubes annulaire extérieure, et où les extrémités des parties verticales à écoulement descendant des tubes sont reliées a des trous correspondants dans la plaque porte-tubes circulaire intérieure, caractérisé en ce que les trous dans la plaque porte-tubes annulaire extérieure sont arrangés sur une ou plusieurs circonférences, tandis que les trous dans la plaque porte-tubes circulaire intérieure sont arranges sur un nombre plus grand de circonférences concentriques et, de preference,

sur le double du nombre de circonferen- <Desc/Clms Page number 11> ces concentriques ; où les trous du cercle, appartenant à la même plaque, sont décalés circonferentiellement.
4. Echangeur de chaleur suivant une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parties verticales des tuyaux contiennent des boucles de dilatation faisant face vers la region intérieure du faisceau, situées dans des plans sensiblement radiaux, ces boucles de dilatation étant convenablement décalées circonférentiellement et en hauteur, à des intervalles préétablis constants.
5. Echangeur de chaleur suivant une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que les longueurs verticales à écoulement descendant et à écoulement montant, des tubes, sont reliées aux diffarents cercles concentriques de trous dans les plaques porte-tubes, par des longueurs de liaison inclinées, ces longueurs de liaison se trouvant sur le même plan que les boucles de dilatation de leurs tubes respectifs.
6. Echangeur de chaleur suivant une ou plusieurs EMI11.1 des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes de la plaque sont fixés en place- par des supports et des espaceurs arrangés en manière d'anneaux autour du faisceau de tubes, en sorte que la partie centrale du faisceau de tubes, At travers laquelle le sodium primaire s'écoulera, soit laissée libre.