EP0165840A1

EP0165840A1 - Echangeur de chaleur pour le refroidissement d'un métal liquide par de l'air

Info

Publication number: EP0165840A1
Application number: EP85400948A
Authority: EP
Inventors: Claude Husson; Luis Fernandez
Original assignee: Novatome SA
Current assignee: FUSIONI;FRAMATOME
Priority date: 1984-05-25
Filing date: 1985-05-14
Publication date: 1985-12-27
Also published as: FR2564960B1; FR2564960A1; EP0165840B1; DE3560062D1

Abstract

L'échangeur comporte un collecteur (4) d'arrivée de métal liquide chaud et un collecteur (5) de récupération du métal liquide refroidi rectilignes et parallèles ainsi qu'un ensemble de tubes (6) de circulation du métal liquide placés dans une zone (2) de circulation de l'air de refroidissement. Sur chacun des collecteurs (4, 5) sont fixés deux ensembles de tourillons (12, 13) coaxiaux et saillants vers l'extérieur. L'un des ensembles de tourillons est engagé dans des paliers fixes et l'autre dans des biellettes (18, 19). L'une des branches (6a) des tubes U (6) est supportée par deux tiges (25, 26). Les collecteurs (4, 5) et les tubes (6) sont ainsi maintenus sans création de contraintes importantes lors de leur dilatation. Cette construction s'applique, en particulier, aux échangeurs de chaleur pour le refroidissement du sodium liquide primaire dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides.

Description

L'invention concerne un échangeur de chaleur pour le refroidissement d'un métal liquide par de l'air, en particulier pour le refroidissement de sodium liquide dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides.
Dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides, le refroidissement du coeur du réacteur est généralement assuré par du sodium liquide, appelé sodium liquide primaire qui circule en contact avec le coeur du réacteur. Ce sodium primaire est lui-même refroidi dans des échangeurs intermédiaires par du sodium secondaire qui permet, pendant la marche normale du réacteur, de transporter la chaleur du réacteur vers les générateurs de vapeur, pour la production de vapeur à partir d'eau d'alimentation.
Lorsqu'on désire arrêter le réacteur nucléaire, par exemple pour effectuer un rechargement en combustible nucléaire ou des réparations, on réduit la puissance du coeur et donc la chaleur dégagée par ce coeur, jusqu'à un niveau proche de la valeur zéro. Cependant, la température du réacteur et de ses structures est encore élevée et il est nécessaire de refroidir le coeur et ses structures jusqu'à une température voisine de la température ambiante. Pour celà, on effectue un refroidissement du sodium primaire, soit par l'intermédiaire du sodium secondaire, soit directement.
Dans le cas d'une défaillance des circuits normaux de refroidissement du réacteur, on doit disposer d'échangeurs de chaleur de secours pour pouvoir effectuer dans tous les cas le refroidissement du réacteur.
De tels échangeurs de chaleur sont constitués par un conduit collecteur d'arrivée de sodium liquide chaud, un conduit collecteur de récupération du métal liquide refroidi et un ensemble de tubes de circulation du métal liquide disposés dans une zone de circulation de l'air de refroidissement qui vient en contact avec la surface externe des tubes. Généralement, les deux conduits collecteurs sont rectilignes et parallèles et les branches des tubes reliées à ces collecteurs sont perpendiculaires au plan défini par les axes des deux conduits collecteurs.
Pendant le refroidissement du réacteur, cet ensemble de tubes constituant l'échangeur de chaleur est soumis à de très grandes différences de température. Lorsque l'échangeur de chaleur n'est pas en service, le sodium liquide qu'il contient est maintenu en fusion par un chauffage électrique annexe. La température du sodium liquide à l'intérieur des tubes de l'échangeur de chaleur est alors voisine de 100°. Lorsque l'échangeur de chaleur est mis en service pour le refroidissement du sodium liquide primaire, la température du sodium liquide en circulation dans l'échangeur atteint et peut même dépasser 500°.
Il en résulte des dilatations importantes et variables des tubes constituant l'échangeur de chaleur et il est nécessaire de prévoir un sup- portage de ces tubes qui n'entraîne pas de contraintes excessives.
De façon plus générale, on utilise également de tels échangeurs de chaleur dans les circuits d'essai ou dans les circuits expérimentaux des réacteurs nucléaires, circuits qui peuvent connaître des conditions de fonctionnement très variables, en particulier en ce qui concerne les températures de fonctionnement.
Le but de l'invention est donc de proposer un échangeur de chaleur pour le refroidissement d'un métal liquide par de l'air comportant un conduit collecteur d'arrivée de métal liquide chaud et un conduit collecteur de récupération du métal liquide refroidi, rectilignes et parallèles et disposés en vis-à-vis, ainsi qu'un ensemble de tubes de circulation du métal liquide en forme de U reliés chacun à l'un des collecteurs par l'une de ses branches et à l'autre collecteur par son autre branche, les branches de ces tubes étant sensiblement perpendiculaires au plan défini par les axes des collecteurs et l'ensemble de ces tubes étant placés dans une zone de circulation de l'air de refroidissement en contact avec leur surface externe, cet échangeur de chaleur permettant d'absorber les dilatations et les déplacements de ces divers éléments, pendant le fonctionnement de l'échangeur, sans création de contraintes excessives dans ces éléments.
Dans ce but, sur chacun des conduits collecteurs, sont fixés deux ensembles de tourillons coaxiaux, saillants vers l'extérieur et perpendicu_- laires au plan défini par les axes des collecteurs, chaque ensemble étant situé à une extrémité du collecteur, l'un de ces ensembles étant engagé dans des paliers fixes et l'autre dans des biellettes articulées autour d'un axe parallèle aux tourillons sur un support fixe pour permettre les déplacements dus aux dilatations longitudinales des conduits collecteurs, les extrémités fixes et articulées de ces collecteurs étant placées en vis-à-vis, et l'une des branches de chacun des tubes en U est supportée à son extrémité opposée au collecteur correspondant par deux tiges cylindriques, montées sur un support fixe et sensiblement parallèles aux axes des collecteurs, en contact avec la branche du tube en deux points diamétralement opposés, les branches de deux tubes successifs sur le collecteur étant en appui de part et d'autre d'un même galet ayant un axe perpendiculaire aux tiges de support, assurant leur maintien dans la direction perpendiculaire à leurs axes.
Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un échangeur de chaleur suivant l'invention comportant des moyens de support permettant d'absorber ses dilatations sans contraintes excessives.

La figure 1 est une vue en coupe par un plan vertical suivant BB de la figure 2, de l'échangeur de chaleur.
La figure 2 est une vue en élévation avec coupe partielle, suivant AA de la figure 1.
La figure 3 est une vue en coupe, suivant CC de la figure 2.
La figure 4 est une vue suivant DD de la figure 2.
La figure 5 est une coupe partielle suivant E de la figure 1.
La figure 6 est une vue suivant FF de la figure 5.
La figure 7 est une vue analogue à la vue de la.figure 5 d'une variante de réalisation des moyens de support des branches des tubes d'un échangeur de chaleur suivant l'invention.

Sur les figures 1 et 2, on voit une structure fixe 1 constituée par des poutrelles soudées entre elles constituant le support de l'échangeur de chaleur. Cette structure 1 porte une gaine 2 verticale à section carrée dont l'espace intérieur constitue une zone de circulation d'air de refroidissement.
La structure 1 porte également, par l'intermédiaire de dispositifs de support qui seront décrits plus en détail, un conduit collecteur 4 d'arrivée de sodium liquide chaud et un collecteur 5 de récupération de sodium liquide refroidi. Les conduits collecteurs 4 et 5 sont horizontaux et parallèles, le collecteur 4 étant placé au-dessus et à la verticale du conduit collecteur 5.
Les collecteurs 4 et 5 sont reliés par un ensemble de dix tubes 6 de circulation de métal liquide dont les branches 6a et 6b traversent la zone de refroidissement constituée par le volume intérieur de la gaine 2.
Le sodium liquide à une température pouvant aller jusqu'à 600°C pénètre dans le collecteur 4 par son extrémité 4a, ce collecteur 4 assurant la distribution de ce sodium chaud dans les dix tubes de refroidissement 6. Le sodium chaud est refroidi par l'air circulant dans la direction verticale à l'intérieur de la gaine 2, en contact avec la surface externe des tubes 6. Le sodium refroidi est récupéré par le collecteur 5 en communication avec les branches 6b des tubes 6. Ce sodium refroidi sort du collecteur 5 par son extrémité 5a.
Les tubes 6 ont la forme de U dont les branches 6a et 6b sont mises en communication à l'une de leurs extrémités avec le collecteur 4 ou le collecteur 5 respectivement, ces branches rectilignes 6a et 6b des tubes en U étant sensiblement perpendiculaires au plan défini par les axes des collecteurs 4 et 5, c'est-à-dire à un plan vertical. Ces deux branches 6a et 6b sensiblement horizontales sont reliées par la partie cintrée 6c du tube qui se trouve en dehors de la zone de refroidissement.
En se référant aux figures 1, 2 et 3, on va maintenant décrire les moyens de support des conduits collecteurs 4 et 5 à leurs extrémités voisines de l'entrée 4a ou de la sortie 5a du collecteur.
Dans ses zones d'extrémité, chacun des collecteurs porte un ensemble de deux tourillons coaxiaux et horizontaux situés à la verticale les uns des autres.
Les tourillons 10 portés par le collecteur 4 et les tourillons 11 portés par le collecteur 5 sont disposés en vis-à-vis dans la direction verticale. Ces tourillons tels que lIa représentés à la figure 3 sont soudés directement sur la surface- externe du collecteur correspondant (collecteur 5 sur la figure 3).
On voit sur la figure 3 que le tourillon lla et le tourillon Ilb sont engagés dans des paliers 14 fixés de façon rigide par des pattes de fixation 15 sur le support 1 de l'échangeur de chaleur.
De la même façon, les tourillons 10 du conduit collecteur supérieur 4 sont engagés dans des paliers fixes 16 solidaires de la partie supérieure du support fixe 1. Les paliers 15 sont fixés au-dessus de la partie inférieure du support 1 et les paliers 16 en-dessous de la partie supérieure de ce support 1. L'extrémité du collecteur 4 est donc suspendue sous le support 1 alors que l'extrémité du conduit collecteur 5 est supportée par la base du support fixe 1.
Ces dispositifs de support des extrémités des conduits collecteurs 4 et 5 situés dans la partie gauche de la figure 2 ne permettent qu'un mouvement de rotation des conduits 4 et 5 autour des axes horizontaux des tourillons 10 et 11, par rapport au support fixe 1.
En se reportant aux figures 1, 2 et 4, on va maintenant décrire les dispositifs de support des autres extrémités des conduits collecteurs 4 et 5 situés dans la partie droite de la figure 2.
Le conduit 5 porte, à son extrémité opposée à l'extrémité 5a, deux tourillons 13a et 13b coaxiaux et horizontaux qui sont soudés sur la surface extérieure du conduit 5. Ces tourillons 13a et 13b sont engagés dans les extrémités de deux biellettes 18 constituant des paliers pour les tourillons 13.
Les biellettes 18 sont articulées sur le support 1, à leur extrémité opposée à l'extrémité dans laquelle sont engagés les tourillons 13 solidaires du conduit collecteur 5. Pour celà, un axe 20 horizontal est rendu solidaire des extrémités inférieures des biellettes 18, cet axe 20 étant monté rotatif dans des paliers 21 et 22 portés par le support 1.
De la même façon, l'extrémité du collecteur 4 disposée en vis-à-vis de l'extrémité du collecteur 5 articulée sur le support porte des tourillons 12 horizontaux et coaxiaux engagés dans des biellettes 19 articulées à leur extrémité opposée à celle dans laquelle sont engagés les tourillons 12 sur la partie supérieure du support 1.
De cette façon, le conduit collecteur supérieur 4 est suspendu à la partie supérieure du support fixe 1 de façon articulée, cependant que l'extrémité correspondante du conduit collecteur 5 est montée de façon articulée sur la base du support fixe 1.
Sur la figure 2, on a représenté les collecteurs de l'échangeur de chaleur dans la position qu'ils occupent lorsque les collecteurs sont à la température ambiante, avant la mise en service de l'échangeur de chaleur.
Lors de la mise en service de l'échangeur de chaleur, le sodium échauffe les collecteurs qui se dilatent dans leur direction longitudinale, si bien que leur extrémité articulée se déplace grâce à la rotation des bielles 18 et 19 autour de leurs axes d'articulation sur le support 1 et à la rotation de l'autre extrémité de ces bielles sur les tourillons 13 et 12. Ce déplacement horizontal des extrémités des tubes 4 et 5 a lieu vers l'extérieur de l'échangeur de chaleur, c'est-à-dire vers la droite de la figure 2.
Pendant le fonctionnement de l'échangeur de chaleur, si la température du sodium liquide varie, les extrémités articulées des conduits collecteurs 4 et 5 peuvent se déplacer soit dans un sens soit dans l'autre, suivant que les variations de température du sodium liquide correspondent à un échauffement ou à un refroidissement. D'autre part, les déplacements des conduits collecteurs 4 et 5 respectivement sont totalement indépendants.
En se reportant aux figures 1, 5 et 6, on va maintenant décrire les dispositifs de support des branches supérieures 6a des tubes 6. Les tubes 6 sont supportés dans le bâti fixe 1 de l'échangeur de chaleur uniquement par leurs branches supérieures 6a qui passent entre deux tiges cylindriques 25 et 26 horizontales et montées rotatives dans le bâti fixe 1 de l'échangeur de chaleur à leurs extrémités, de part et d'autre de l'ensemble des dix tubes parallèles 6.
La tige supérieure 25 et la tige inférieure 26 constituent des rouleaux horizontaux venant en contact avec les tubes 6 successifs de l'ensemble constituant les tubes de refroidissement de l'échangeur de chaleur en deux points diamètralement opposés et à la verticale l'un de l'autre.
Entre deux tubes 6 successifs, les tiges 25 et 26 portent deux bagues 27 et 28 placées à la verticale l'une de l'autre et reliées par un axe vertical 30 portant un galet 31.
Les bagues 27 et 28 sont montées folles par rapport aux tiges 25 et 26 respectivement et le galet 31 est monté fou sur l'axe 30. Cet axe 3C est fixé sur la bague 28 par une soudure 34. Le galet 31 a un diamètre tel qu'il est intercalé avec un très faible jeu entre les deux tubes 6 successifs. Ce galet 31 assure ainsi le maintien et l'écartement des tubes 6 les uns par rapport aux autres, dans la direction horizontale.
On voit que les tubes 6 sont ainsi maintenus à la fois horizontalement et verticalement de chaque côté. Les dispositifs de maintien permettent les déplacements consécutifs à la dilatation des tubes dans leur direction longitudinale, puisque ces moyens de maintien sont constitués par des rouleaux ou des galets sur lesquels les tubes 6 peuvent se déplacer sans engendrer de contraintes notables à leur contact.
Sur la figure 6, on voit que les bagues 27 et 28 disposées entre deux tubes 6 sont fixées sur le bâti fixe 1 par l'intermédiaire de vis 32 qui les maintiennent en position pour réaliser un entretoisement des tubes 6 disposés côte à côte dans la direction horizontale.
Sur la figure 7, on a représenté un second mode de réalisation du dispositif de maintien des branches 6a des tubes de l'échangeur de chaleur. Les tiges cylindriques 25 et 26 constituant des rouleaux permettant le déplacement des branches 6a des tubes 6 ont été remplacées par des tiges fixes 35 et 36 qui sont engagées à leurs extrémités dans le bâti fixe 1 de l'échangeur de chaleur. Les tiges 35 et 36 portent à leurs extrémités des tourillons 45 et 46 respectivement qui sont engagés dans des lumières 47 et 48 ménagées dans le bâti 1 pour maintenir ces tiges 35 et 36 tout en leui permettant de se dilater dans leur direction longitudinale. Les tourillons 45 et 46 sont maintenus dans les lumières 48 par un ensemble tel que 49 comportant une rondelle et une goupille.
Les tiges 35 et 36 peuvent être indifféremment de section circulaire ou carrée.
Entre deux tubes 6 successifs, un galet 50 est monté fou sur un axe 51 solidaire des tiges 35 et 36. Le diamètre du galet 50 est tel qu'il existe un très léger jeu entre ce galet et les deux tubes entre lesquels il est intercalé.
De la même façon, l'écartement entre les tiges 35 et 36 est un peu supérieur au diamètre des tubes 6, si bien que ceux-ci sont maintenus efficacement dans la direction verticale tout en ayant la possibilité de se déplacer horizontalement, lors de leur dilatation au contact du sodium liquide chaud. Les contraintes de contact entre les tubes 6 et les tiges 35 et 36 restent faibles bien que les tiges 35 et 36 ne constituent pas des rouleaux comme dans le mode de réalisation représenté aux figures 5 et 6.
On voit donc que les principaux avantages de l'échangeur de chaleur suivant l'invention sont de permettre des dilatations de tous ses éléments en contact avec le métal liquide chaud, sans création de contraintes importantes dans ces éléments. L'échangeur de chaleur suivant l'invention présente donc un intérêt tout particulier, lorsque la température du métal liquide chaud est essentiellement variable pendant le fonctionnement de l'échangeur de chaleur.
L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits ; elle en comporte au contraire toutes les variantes.
C'est ainsi que les tourillons fixés aux extrémités des collecteurs peuvent être fixés à ceux-ci par l'intermédiaire de colliers serrés ou soudés sur les collecteurs, au lieu d'être soudés directement sur la surface externe de ceux-ci.
Les biellettes de support de l'une des extrémités des collecteurs peuvent être fixées de façon articulée par tout moyen sur le bâti fixe de l'échangeur de chaleur.
Les dispositifs de support de l'une des branches des tubes de l'échangeur de chaleur peuvent être d'un type différent de ceux qui ont été décrits, les tiges de support des tubes pouvant être montées rotatives ou fixes dans le bâti et pouvant avoir une section de forme quelconque. De la même façon, les galets d'entretoisement des tubes peuvent être montés par tout moyen, par l'intermédiaire d'éléments rapportés ou directement sur ces tiges.
Lorsqu'on utilise des tiges de maintien des tubes rotatives, ces tiges cylindriques peuvent être pleines ou creuses. On pourra ainsi utiliser des tubes à la place de tiges pleines. Lorsqu'on utilise des tiges fixes en rotation, celles-ci peuvent être également creuses ou pleines et leur section peut être différente d'une section circulaire, par exemple de forme carrée.
Enfin, l'échangeur de chaleur suivant l'invention peut être utilisé non seulement pour le refroidissement du sodium liquide dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides mais encore, dans le cas du refroidissement de tout métal liquide par de l'air, métal liquide dont la température est élevée, par exemple supérieure à 300° et essentiellement variable pendant l'utilisation de l'échangeur de chaleur.

Claims

1.- Echangeur de chaleur pour le refroidissement d'un métal liquide par de l'air comportant un conduit collecteur d'arrivée (4) de métal liquide chaud et un conduit collecteur (5) de récupération du métal liquide refroidi rectilignes et parallèles et disposés en vis-à-vis, ainsi qu'un ensemble de tubes (6) de circulation du métal liquide en forme de U reliés chacun à l'un des collecteurs (4) par l'une de ses branches (6a) et à l'autre collecteur (5) par son autre branche (6b), les branches (6a) et (6b) de ces tubes étant sensiblement perpendiculaires au plan défini par les axes des collecteurs (4, 5) et l'ensemble de ces tubes (6) étant placés dans une zone (2) de circulation de l'air de refroidissement en contact avec leur surface externe,
caractérisé par le fait que, sur chacun des conduits collecteurs (4, 5) sont fixés deux ensembles de deux tourillons (10, 11 - 12, 13) coaxiaux, saillants vers l'extérieur et perpendiculaires au plan défini par les axes des collecteurs (4, 5), chaque ensemble (10, 11 - 12, 13) étant situé à une extrémité du collecteur (4, 5), l'un de ces ensembles étant engagé dans des paliers fixes (15, 16) et l'autre dans des biellettes (18, 19) articulées autour d'un axe parallèle aux tourillons (10, 11 - 12, 13) sur un support fixe (1) pour permettre les déplacements dus aux dilatations longitudinales des conduits collecteurs (4, 5), les extrémités fixes et articulées de ces collecteurs (4, 5) étant placées en vis-à-vis,
et que l'une des branches (6a) de chacun des tubes en U (6) est supportée à son extrémité opposée au collecteur correspondant (4, 5) par deux tiges (25, 26), (35, 36) montées sur un support fixe (1) et sensiblement parallèles aux axes des collecteurs (4, 5), en contact avec la branche du tube en deux points diamétralement opposés, les branches (6a) de deux tubes successifs sur le collecteur (4, 5) étant en appui de part et d'autre d'un même galet (31, 50) ayant un axe (30, 51) perpendiculaire aux tiges de support (25, 26 - 35, 36) assurant leur maintien dans la direction perpendiculaire à leurs axes.

2.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 1,
caractérisé par le fait que les tiges (25, 26) sont cylindriques et montées rotatives par leurs extrémités dans un support fixe (1), pour constituer des rouleaux d'appui des tubes (6).

3.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1,
caractérisé par le fait que des bagues (27, 28) sont montées folles sur les tiges (25, 26) entre deux tubes successifs (6) et que le galet (31) intercalé entre les deux tubes (6) successifs est monté sur un axe (31) engagé à ses extrémités dans les bagues (27, 28).

4.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 1,
caractérisé par le fait que les tiges (35, 36) sont montées fixes en rotation dans le support (1) à leurs extrémités et comportent des moyens (45, 46, 49) coopérant avec des moyens (47, 48) du support fixe (1), à l'une au moins de leurs extrémités, pour permettre leur libre dilatation longitudinale.

5.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 4,
caractérisé par le fait que les tiges (35, 36) ont une section carrée pleine ou creuse.

6.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé par le fait que les tourillons (10, 11 - 12, 13) sont soudés directement sur les collecteurs (4, 5) correspondants.

7.- Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé par le fait que les tourillons (10, 11 - 12, 13) sont solidaires de colliers qui sont eux-mêmes rapportés et serrés ou encore soudés sur les collecteurs (4, 5).