EP0740767B1 - Echangeur de chaleur pour fluide contamine - Google Patents

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EP0740767B1
EP0740767B1 EP95902175A EP95902175A EP0740767B1 EP 0740767 B1 EP0740767 B1 EP 0740767B1 EP 95902175 A EP95902175 A EP 95902175A EP 95902175 A EP95902175 A EP 95902175A EP 0740767 B1 EP0740767 B1 EP 0740767B1
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EP
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heat exchanger
calender
connector
bellows
fluid
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0236—Header boxes; End plates floating elements
    • F28F9/0239—Header boxes; End plates floating elements floating header boxes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/1607—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with particular pattern of flow of the heat exchange media, e.g. change of flow direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0054—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for nuclear applications

Definitions

  • the present invention relates to devices heat exchange and especially those intended to cool a hot fluid that has been contaminated with substances radioactive and coming out of a reactor nuclear.
  • This type of device consists of a first heat exchanger, generally called heat exchanger intermediate heat, which performs a first exchange of heat, between the hot and contaminated fluid leaving the reactor and a first coolant, and a second heat exchanger which performs a second exchange of heat between the first coolant and a second coolant, the latter being discharged outside.
  • One of the main goals of the designers of nuclear power plants is to make the heat exchanger intermediate as mechanically resistant as possible constraints imposed on it, due to differences between deformations of circulation tubes coolant and those of the radiator grille the exchanger, traversed by the hot fluid.
  • a bellows and a wall are provided.
  • deformable (French patents N ° 712 359 and No. 1286722) in the intermediate heat exchanger, which have the function of absorbing the deformations mentioned above.
  • US-A patent No. 3850231 proposes a device having an intermediate heat exchanger in which are provided with two bellows which the hot fluid must cross before you can contaminate the fluid cooling and a means, housed in the defined closed space by the two bellows, the grille and the floating head, to detect leakage of hot fluid through the first bellows.
  • French patent FR-A-1286722 and US-A-3850231 actually improve the resistance to mechanical deformation due to expansion by introducing a bellows which collects these deformations.
  • sealing against hot contaminated fluid is reduced by the fact that the hot contaminated fluid is in direct contact with the bellows through which it can flee more easily.
  • the present invention relates to a device heat exchange which has characteristics of mechanical resistance to deformations due to the gradient of temperatures which are as good as those of the exchangers of the prior art and which, while comprising only one heat exchanger, has sealing characteristics significantly improved, so this exchange device heat, to a single heat exchanger, can be placed in backup circuits of a nuclear reactor for cool the contaminated hot fluid leaving the reactor enclosure by a fluid cooling, directly from the environment outdoor, including in nuclear power plants old ones lacking space to accommodate a device for two exchangers.
  • the heat exchanger designed according to the invention includes the features of claim 1.
  • the bellows is closer along the axis of the grille of the welded and crimped tubular plate grille as from the top of the floating head.
  • the heat exchanger is more waterproof and more mechanically resistant than those of the prior art, and in particular, that those according to FR-A-1286722 and US-A-3850231.
  • connection associated with the bellows is the same side of the grille as the fluid inlet fitting hot, in particular, on the same generator of the grille. It follows that the bellows is close to the as immediate as possible from the point of the contact zone hot fluid-tubular plate where the gradient of temperatures is maximum. By placing the bellows as close as possible from this point on the plate, we make sure even greater efficiency of the bellows to collect deformations.
  • the sealing and mechanical resistance of the heat exchanger according to the invention allow it to be used in a circuit rescue from an enclosure of a nuclear reactor which, in the in the event of an accident, cools the hot contaminated fluid leaving the enclosure by a cooling fluid directly pourable outside.
  • the heat exchanger shown has a grille 1 comprising a bundle of tubes 2 substantially rights for the passage of the coolant.
  • This bundle of tubes 2 which is only shown partially, is mounted between tubular plates 3.
  • the tubes 2 are welded and crimped over the entire thickness of the tubular plates 3.
  • the grille 1 is terminated by a head 4 in which an inlet connection 9 (of outlet) of the coolant.
  • a head 5 is mounted floating the radiator grille 1.
  • a radiator grille is provided inlet (outlet) connection for hot contaminated fluid.
  • a connection 8 for coolant outlet (inlet) is provided on the head 5 mounted floating. Connection 8 is partly consisting of a bellows 10.
  • Connection 8 along axis ZZ ', is closer to the tube plate 3 only from the top of the floating head 5.
  • bellows 10 collects more quickly the deformations taking place in the area of connection of the tube plate with the grille, area where the temperature gradient is maximum.
  • the angle formed in a plane normal to the axis ZZ 'between the projection of the axis XX 'on the plane and the projection of the axis YY' on this same plan sucks.
  • the bellows is thus also as close as possible to the area where the gradient of temperature is maximum, which allows it to collect deformations quickly.

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Description

La présente invention concerne les dispositifs d'échange de chaleur et notamment ceux destinés à refroidir un fluide chaud qui a été contaminé par des substances radioactives et qui sort de l'enceinte d'un réacteur nucléaire.
Dans les centrales nucléaires, on connaít des dispositifs de refroidissement de fluide chaud et contaminé qui utilisent un échangeur de chaleur intermédiaire.
Ce type de dispositifs est constitué d'un premier échangeur de chaleur, appelé généralement échangeur de chaleur intermédiaire, qui réalise un premier échange de chaleur, entre le fluide chaud et contaminé sortant du réacteur et un premier fluide de refroidissement, et un second échangeur de chaleur qui réalise un second échange de chaleur entre le premier fluide de refroidissement et un second fluide de refroidissement, ce dernier étant déversé à l'extérieur.
En utilisant ces dispositifs à échangeur de chaleur intermédiaire, on s'assure une double protection de l'environnement extérieur contre les fuites radioactives. En effet, pour qu'une contamination ait lieu, il faut que les substances radioactives passent au travers de deux parois de séparation d'échange de chaleur (une par échangeur).
Comme le fluide de refroidissement et le fluide chaud qui passent dans un échangeur de chaleur ont des températures différentes, celui-ci est souvent soumis à des gradients de température et à des phénomènes thermiques transitoires de grandes amplitudes pendant les périodes d'utilisation normale du réacteur nucléaire et encore plus grandes lorsque survient un accident.
L'un des buts principaux des concepteurs de centrales nucléaires est de rendre l'échangeur de chaleur intermédiaire aussi résistant mécaniquement que possible aux contraintes qui lui sont imposées, en raison de différences entre les déformations des tubes de circulation du fluide de refroidissement et celles de la calandre de l'échangeur, parcouru par le fluide chaud.
A cet effet, on a prévu un soufflet et une paroi déformable (brevets français N°712 359 et N°1286722) dans l'échangeur de chaleur intermédiaire, qui ont pour fonction d'encaisser les déformations mentionnées ci-dessus. De même le brevet US-A N°3850231 propose un dispositif ayant un échangeur de chaleur intermédiaire dans lequel sont prévus deux soufflets que le fluide chaud doit traverser avant de pouvoir contaminer le fluide de refroidissement et un moyen, logé dans l'espace clos défini par les deux soufflets, la calandre et la tête flottante, pour détecter la fuite du fluide chaud à travers le premier soufflet.
Le brevet français FR-A-1286722 et le brevet US-A-3850231 permettent effectivement d'améliorer la résistance aux déformations mécaniques dues à la dilatation en introduisant un soufflet qui encaisse ces déformations. Cependant, dans les échangeurs de chaleur selon ces deux brevets, l'étanchéité au fluide chaud contaminé est diminuée du fait que le fluide chaud contaminé est en contact direct avec le soufflet au travers duquel il peut fuir plus facilement.
Certes, selon le brevet US-A-3850231, le fluide chaud doit maintenant traverser deux soufflets, au lieu d'un selon le brevet anglais, avant de contaminer le fluide de refroidissement, mais cela n'empêche qu'en partie la possibilité de contamination du fluide froid. En effet, si le fluide chaud peut fuir à travers le premier soufflet, il en fera de même à travers le second dans un délai plus ou moins bref. Dans le cas d'un fonctionnement normal du réacteur, il faudra, dès détection de la première fuite, arrêter les opérations, entraínant des surcoûts importants, et dans le cas d'un accident de fonctionnement d'un réacteur, la contamination aura lieu dès que le fluide chaud aura traversé le second soufflet.
La faible étanchéité de ces échangeurs de chaleur intermédiaire de l'art antérieur ne permet pas de concevoir un dispositif d'échange de chaleur réacteur-extérieur qui ne soit formé que d'un seul échangeur de chaleur.
La présente invention vise un dispositif d'échange de chaleur qui a des caractéristiques de résistance mécanique aux déformations dues au gradient de température qui sont aussi bonnes que celles des échangeurs de l'art antérieur et qui, tout en ne comportant qu'un seul échangeur de chaleur, a des caractéristiques d'étanchéité nettement améliorées, de sorte que ce dispositif d'échange de chaleur, à un seul échangeur de chaleur, peut être placé dans des circuits de secours d'un réacteur nucléaire pour assurer le refroidissement du fluide chaud contaminé sortant de l'enceinte du réacteur par un fluide de refroidissement, directement issu de l'environnement extérieur, y compris dans les centrales nucléaires anciennes manquant de place pour loger un dispositif à deux échangeurs.
L'échangeur de chaleur conçu selon l'invention comprend les caractéristiques de la revendication 1.
Le contact soufflet-fluide chaud qui existait selon les brevets de l'art antérieur et qui constituait un point faible d'étanchéité aux substances radioactives est, dans l'échangeur de chaleur, selon l'invention, supprimé. Il lui a été substitué selon l'invention un contact fluide chaud-plaque sertie et soudée à la calandre nettement plus étanche aux substances radioactives. Cette étanchéité est due au fait que les extrémités des tubes sont soudées et serties à la plaque tubulaire sur toute l'épaisseur de celle-ci et que la plaque tubulaire elle-même est soudée et sertie sur toute la périphérie à la calandre.
Ces soudages pouvaient faire craindre que la plaque tubulaire soit très sensible aux contraintes thermiques qui auraient du porter atteinte à l'étanchéité.
Or, en prévoyant un soufflet pourtant éloigné de l'espace réservé au fluide chaud mais néanmoins suffisamment proche de la plaque tubulaire, on est parvenu à absorber suffisamment les contraintes thermiques pour que la plaque tubulaire soit protégée de leur effet néfaste, en sorte que le soufflet protège la plaque tubulaire des contraintes thermiques, tandis que la plaque tubulaire protège le soufflet du contact avec du fluide chaud.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le soufflet est plus proche selon l'axe de la calandre de la plaque tubulaire soudée et sertie à la calandre que du sommet de la tête flottante. Les déformations dues au gradient de températures étant les plus importantes au niveau du contact de la plaque tubulaire et de la calandre, le fait que le soufflet est au voisinage immédiat de la plaque tubulaire assure que le soufflet encaissera les déformations les plus importantes le plus rapidement possible. Ainsi, selon le mode de réalisation préféré de l'invention, l'échangeur de chaleur est plus étanche et plus résistant mécaniquement que ceux de l'art antérieur, et en particulier, que ceux selon les brevets FR-A-1286722 et US-A-3850231.
Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, le raccord associé au soufflet est du même côté de la calandre que le raccord d'entrée du fluide chaud, en particulier, sur la même génératrice de la calandre. Il s'ensuit que le soufflet est à proximité la plus immédiate possible du point de la zone de contact fluide chaud-plaque tubulaire où le gradient de températures est maximal. En plaçant le soufflet aussi près que possible de ce point de la plaque, on s'assure une efficacité encore plus grande du soufflet à encaisser les déformations.
Ainsi, les caractéristiques d'étanchéité et de résistance mécanique de l'échangeur de chaleur selon l'invention permettent de l'utiliser dans un circuit de secours d'une enceinte d'un réacteur nucléaire qui, dans le cas d'un accident, refroidit le fluide chaud contaminé sortant de l'enceinte par un fluide de refroidissement directement déversable à l'extérieur.
Dans le cas des dispositifs de l'art antérieur, cela n'est pas possible et ces dispositifs doivent être constitués d'au moins deux échangeurs de chaleur afin d'assurer une étanchéité convenable. L'échangeur de chaleur selon l'invention permet ainsi de diminuer les coûts de fabrication d'une centrale nucléaire ou de rénovation des centrales anciennes.
A la figure du dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple, est représenté un mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention.
L'échangeur de chaleur représenté comporte une calandre 1 comportant un faisceau de tubes 2 sensiblement droits pour le passage du fluide de refroidissement. Ce faisceau de tubes 2, qui n'est représenté que partiellement, est monté entre des plaques tubulaires 3. Les tubes 2 sont soudés et sertis sur toute l'épaisseur des plaques tubulaires 3. La calandre 1 est terminée par une tête 4 dans laquelle est prévu un raccord 9 d'entrée (de sortie) du fluide de refroidissement. Un tête 5 est montée flottante la calandre 1. Il est prévu sur la calandre un raccord d'entrée (de sortie) du fluide chaud contaminé. Un raccord 8 de sortie (d'entrée) du fluide refroidissement est prévu sur la tête 5 montée flottante. Le raccord 8 est constitué pour partie d'un soufflet 10.
On définit :
  • ZZ', l'axe principal de la calandre 1 cylindrique,
  • XX', l'axe du raccord 8 prévu dans la tête flottante,
  • YY', l'axe du raccord 7 prévu dans la calandre pour l'écoulement d'entrée (de sortie) du fluide chaud
Le raccord 8, selon l'axe ZZ', est plus près de la plaque tubulaire 3 que du sommet de la tête flottante 5.
Il s'ensuit que le soufflet 10 encaisse plus rapidement les déformations ayant lieu dans la zone de raccord de la plaque tubulaire avec la calandre, zone où le gradient de température est maximal.
Dans le mode de réalisation préféré, l'angle formé dans un plan normal à l'axe ZZ' entre la projection de l'axe XX' sur le plan et la projection de l'axe YY' sur ce même plan est nul. Le soufflet se trouve ainsi aussi proche que possible de la zone où le gradient de température est maximal, ce qui lui permet d'encaisser rapidement les déformations.

Claims (3)

  1. Echangeur de chaleur, destiné à échanger de manière indirecte de la chaleur entre un fluide chaud et contaminé à refroidir et un fluide de refroidissement, comprenant une calandre (1) cylindrique, définissant un récipient, terminée par une tête (4) dans laquelle est ménagée un raccord (9) d'entrée du fluide de refroidissement, une paire de plaques tubulaires (3) montées dans le récipient, l'une étant fixée rigidement à la calandre et l'autre définissant avec un capot de fermeture une tête flottante (5) dans laquelle débouche un raccord (8) de sortie pour le fluide de refroidissement, un faisceau de tubes (2) sensiblement parallèles dont les deux extrémités sont fixées aux plaques tubulaires, un raccord (7) d'entrée dans le récipient du fluide chaud contaminé, ménagé dans la calandre entre les plaques tubulaires, un raccord (6) de sortie du récipient du fluide chaud contaminé, ménagé dans la calandre entre les plaques tubulaires, le raccord (8) d'écoulement du fluide de refroidissement constitué au moins en partie d'un soufflet (10), caractérisé en ce que les tubes (2) formant le faisceau de tubes sont soudés et sertis sur toute l'épaisseur de la plaque tubulaire qui définit avec le capot de fermeture la tête flottante (5) et cette plaque tubulaire est également soudée et sertie à la calandre sur toute sa périphérie.
  2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le raccord (8) constitué au moins en partie d'un soufflet (10) est, selon l'axe de la calandre, plus près de la plaque tubulaire qui est soudée et sertie à la calandre que du sommet de la tête flottante.
  3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le raccord (8) et le raccord (7) sont sur une même génératrice du cylindre.
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