EP0041452B1 - Dispositif de réduction des contraintes thermiques sur un échangeur de chaleur - Google Patents
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- EP0041452B1 EP0041452B1 EP81400863A EP81400863A EP0041452B1 EP 0041452 B1 EP0041452 B1 EP 0041452B1 EP 81400863 A EP81400863 A EP 81400863A EP 81400863 A EP81400863 A EP 81400863A EP 0041452 B1 EP0041452 B1 EP 0041452B1
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- F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
- F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
- F28D1/0206—Heat exchangers immersed in a large body of liquid
- F28D1/0213—Heat exchangers immersed in a large body of liquid for heating or cooling a liquid in a tank
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- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
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- F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
- F28F2265/26—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for allowing differential expansion between elements
Definitions
- the present invention relates to a device for reducing thermal stresses on a heat exchanger between two circuits of liquid alkali metal circulating against the current, comprising an annular cylindrical tubular bundle surrounding an axial conduit for introducing the liquid alkali metal to be heated, and extended by an annular duct for evacuating the heated liquid alkali metal.
- the object of the present invention is to reduce these stresses to a level which is sufficiently low to no longer present a danger for the holding of the exchanger.
- the device according to the invention is characterized in that it comprises means for radially homogenizing the temperature of the alkali metal, comprising conduits taking a part of the relatively warmer alkali metal around the periphery of its flow and bringing it into the zone of its flow closer to the axis.
- the Applicant has in fact found that the thermal stresses observed were due to a temperature heterogeneity of the heated liquid alkali metal, generally leaving the tubular plate terminating the exchange tubular bundle, the temperature of this alkali metal increasing radially from the zone 1 closest to the conduit for introducing the alkali metal to be heated to the outermost area.
- Such a phenomenon negligible with the more common heat exchange fluids such as water or water vapor, becomes much more important with liquid alkali metals, and only the device of the invention allows remediate.
- the exchanger is immersed in a bath 1 of primary sodium heated up in contact with the fast neutron nuclear reactor, below the protective slab 2.
- a vertical axial duct 3 is used for the introduction of the secondary sodium to reheat.
- This conduit opens into a lower chamber 5 below the annular tubular bundle 6, starting from a tubular plate 7. At the other end, the bundle opens onto the tubular plate 8. Openings 9 inlet and 10 outlet allow the circulation of primary sodium around the tubes and against the flow of secondary sodium.
- the reheated secondary sodium is evacuated via the vertical annular duct 11 around the casing 4 towards the outlet pipe 12.
- the temperature homogenization device consisting of a series of inclined tubes 14, regularly distributed angularly (for example 12 tubes at 30 ° from each other) starting from the periphery of the conduit 11 in the vicinity of the tubular plate 8 and opening near the envelope 4 in an envelope 15 coaxial with the envelope 4, and keeping the hotter sodium coming from the periphery in contact with the envelope 4 of colder sodium on a certain height.
- the sodium thus cooled returns to the annular conduit 11 via outlet pipes 17.
- the relatively cold sodium coming from the tubes of the tube bundle closest to the conduit for introducing cold secondary sodium is separated from the envelope 4 by the wall 16 .
- FIG. 3 represents the expansion bellows intended to absorb the residual thermal stresses which could remain between the shell 18 of the evacuation duct of the heated secondary sodium and the casing 4.
- the bellows 19 is welded at the end by means of a circular segment 20 at 21 to the double envelope 4. It is integral at its upper end with a crown 22 welded at the head of the ferrule 18, above the evacuation pipe 12.
- conduits taking off around the periphery of the hotter liquid alkali metal to bring it in the vicinity of the conduit for introducing the alkali metal to be heated could be replaced by conduits taking alkali metal in the vicinity of this conduit and bringing it back to the periphery, completed by a cylindrical envelope keeping the alkali metal cooler in the vicinity of the outer shell over a certain height.
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Description
- La présente invention concerne un dispositif de réduction des contraintes thermiques sur un échangeur de chaleur entre deux circuits de métal alcalin liquide circulant à contre-courant, comprenant un faisceau tubulaire cylindrique annulaire entourant un conduit axial d'introduction du métal alcalin liquide à réchauffer, et prolongé par un conduit annulaire d'évacuation du métal alcalin liquide réchauffé.
- On a constaté sur des échangeurs de chaleur de ce genre, utilisés en particulier dans des centrales de production d'énergie électrique à partir de réacteurs nucléaires à neutrons rapides, l'apparition de fortes contraintes à la liaison entre la virole externe et la virole interne du conduit d'évacuation du métal alcalin liquide de l'échangeur. De telles contraintes peuvent introduire des déformations, des fissures et même des ruptures dans la zone de liaison précitée.
- La présente invention a pour but de réduire ces contraintes à un niveau suffisamment faible pour ne plus présenter de danger pour la tenue de l'échangeur.
- Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour homogénéiser radialement la température du métal alcalin, comprenant des conduits prélevant une partie du métal alcalin relativement plus chaud sur le pourtour de son écoulement et l'amenant dans la zone de son écoulement plus proche de l'axe.
- La demanderesse a en effet constaté que les contraintes thermiques observées étaient dues à une hétérogénéité de température du métal alcalin liquide réchauffé, sortant généralement de la plaque tubulaire terminant le faisceau tubulaire d'échange, la température de ce métal alcalin croissant radialement de la zone la plus proche du conduit d'introduction du métal alcalin à réchauffer à la zone la plus externe. Un tel phénomène, négligeable avec les fluides d'échange de chaleur plus courants tels que l'eau ou la vapeur d'eau, prend beaucoup plus d'importance avec les métaux alcalins liquides, et seul le dispositif de l'invention permet d'y remédier.
- Ce dispositif répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes :
- - Les moyens pour homogénéiser radialement la température du métal alcalin liquide comprennent en outre au débouché desdits conduits une enveloppe assurant un écoulement du métal alcalin provenant de ces conduits au voisinage du conduit axial d'introduction du métal alcalin à réchauffer sur une certaine longueur.
- - Il comprend en outre des moyens pour écarter de la zone la plus proche de l'axe au moins une partie du métal alcalin relativement plus froid.
- - Il comprend en outre un soufflet de dilatation sur l'extrémité d'une virole entourant le conduit d'introduction du métal alcalin à réchauffer la plus éloignée de l'extrémité de sortie du faisceau tubulaire cylindrique. - Ledit soufflet est raccordé à la virole par une soudure en bout.
- Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, un dispositif selon l'invention appliqué à un échangeur de chaleur entre sodium primaire issu d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, et sodium secondaire destiné à être envoyé en échange de chaleur avec de l'eau d'une centrale de production d'énergie électrique.
- La figure 1 représente la structure générale de l'échangeur.
- La figure 2 représente le dispositif d'homogénéisation de la température du sodium secondaire réchauffé.
- La figure 3 représente le soufflet de dilatation destiné à absorber les contraintes thermiques résiduelles.
- Dans la figure 1, l'échangeur est plongé dans un bain 1 de sodium primaire réchauffé au contact du réacteur nucléaire à neutrons rapides, au-dessous de la dalle de protection 2. Un conduit axial vertical 3 sert à l'introduction du sodium secondaire à réchauffer. Ce conduit débouche dans une chambre inférieure 5 au-dessous du faisceau tubulaire annulaire 6, partant d'une plaque tubulaire 7. A l'autre extrémité, le faisceau débouche sur la plaque tubulaire 8. Des ouvertures 9 d'entrée et 10 de sortie permettent la circulation du sodium primaire autour des tubes et en contre-courant du sodium secondaire. Le sodium secondaire réchauffé est évacué par le conduit annulaire vertical 11 autour de l'enveloppe 4 vers la tubulure de sortie 12.
- Dans la figure 2, on voit le dispositif d'homogénéisation de la température, constitué par une série de tubes inclinés 14, régulièrement répartis angulairement (par exemple 12 tubes à 30° l'un de l'autre) partant du pourtour du conduit 11 au voisinage de la plaque tubulaire 8 et débouchant à proximité de l'enveloppe 4 dans une enveloppe 15 coaxiale à l'enveloppe 4, et maintenant le sodium plus chaud provenant de la périphérie au contact de l'enveloppe 4 de sodium plus froid sur une certaine hauteur. Le sodium ainsi refroidi revient dans le conduit annulaire 11 par des tuyaux de sortie 17. Le sodium relativement froid provenant des tubes du faisceau tubulaire les plus proches du conduit d'introduction de sodium secondaire froid est écarté de l'enveloppe 4 par la paroi 16.
- La figure 3 représente le soufflet de dilatation destiné à absorber les contraintes thermiques résiduelles qui pourraient subsister entre la virole 18 du conduit d'évacuation du sodium secondaire réchauffé et l'enveloppe 4. Le soufflet 19 est soudé en bout par l'intermédiaire d'un segment circulaire 20 en 21 à la double enveloppe 4. Il est solidaire à son extrémité supérieure d'une couronne 22 soudée en tête de la virole 18, au-dessus de la tubulure d'évacuation 12. Un autre soufflet, non représenté, assure l'étanchéité de l'espace annulaire entre le conduit 3 et l'enveloppe 4.
- Les conduits prélevant sur le pourtour du métal alcalin liquide plus chaud pour le ramener au voisinage du conduit d'introduction du métal alcalin à réchauffer pourraient être remplacés par des conduits prélevant du métal alcalin au voisinage de ce conduit et le ramenant sur la périphérie, complétés par une enveloppe cylindrique maintenant le métal alcalin plus froid au voisinage de la virole externe sur une certaine hauteur.
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