FR2878944A1 - Dispositif d'echange de chaleur entre un premier et un second fluides et procedes de realisation d'un module d'echange de chaleur - Google Patents

Abstract

Le dispositif comporte au moins un module (2) constitué de nappes (10) de conduits (4) adjacentes, chaque nappe (10) comprenant une pluralité de conduits (4) ayant un diamètre hydraulique inférieur à 5 mm, dont les axes sont répartis sensiblement suivant toute la surface d'une section transversale du module (2) et de moyens de distribution et de récupération du premier et du second fluides (5, 5', 6, 6') tels que dans les conduits (4) de deux nappes (10) successives disposées l'une à la suite de l'autre dans une direction longitudinale (9) du module (2) perpendiculaire à la section transversale, circulent, respectivement, l'un du premier et du second fluides dans l'ensemble des conduits d'une première nappe (10) et l'autre du premier et du second fluides dans l'ensemble des conduits de la seconde nappe (10) adjacente à la première.

Description

L'invention concerne un dispositif d'échange de chaleur entre un premier

et un second fluides qui peuvent être à haute température et/ou à haute pression.

Dans le domaine de la production d'énergie, et en particulier d'énergie 5 électrique, il peut être nécessaire de réaliser des échanges thermiques entre des fluides qui peuvent être à haute ou très haute température et à haute pression.

En particulier, on connaît des centrales nucléaires utilisées pour la production d'énergie et en particulier d'énergie électrique, qui comportent un ou plusieurs réacteurs à haute température dont le fluide caloporteur refroidissant les assemblages combustibles du coeur du réacteur nucléaire est constitué par un gaz léger et inerte tel que l'hélium. Le coeur du réacteur à très haute température produit un échauffement du fluide caloporteur jusqu'à une température supérieure à 850 C, cette température pouvant aller jus- qu'à 950 C dans le cas de certains réacteurs à haute température.

II peut être avantageux d'assurer l'échauffement d'un gaz intermédiaire à plus forte densité que l'hélium, par exemple un mélange d'hélium et d'azote, en prélevant de la chaleur transportée par le gaz caloporteur généralement constitué par de l'hélium techniquement pur.

En effet, l'utilisation d'un gaz à plus forte densité, par exemple pour assurer l'entraînement de turbines à gaz couplées à l'alternateur de la centrale permet d'obtenir des avantages importants en ce qui concerne le rendement énergétique et le coût de réalisation de la centrale de production d'électricité. Toutefois, une difficulté majeure de ce type d'exploitation d'un réacteur nucléaire à haute température est liée à la conception de dispositifs échangeurs de chaleur permettant d'assurer des échanges thermiques avec un très bon rendement entre des gaz à faible densité, à haute température et à haute pression, dans une installation industrielle de production d'énergie dans laquelle on met en oeuvre de très forts débits de gaz d'échange.

Les échangeurs à plaques constitués d'un empilement de tôles pré- sentant des nervures de formes complexes pour former entre elles des chi- canes sur le passage des gaz seraient susceptibles de fournir une solution, en adaptant la configuration de l'échangeur de chaleur aux caractéristiques des gaz sur lesquels on réalise un échange de chaleur. Toutefois, la conception et l'utilisation de tels échangeurs de chaleur avec des gaz à très haute température présentent des difficultés et surtout, ces échangeurs de chaleur sont tout à fait inadaptés pour assurer des échanges de chaleur en- tre des gaz à des pressions différentes, même si la différence de pression entre les gaz est faible, par exemple de quelques bars.

On connaît des échangeurs de chaleur qui comportent un premier et un second ensembles de tubes ou conduits tubulaires dans lesquels circulent respectivement le premier et le second fluides, de telle sorte qu'ils soient en contact thermique pour assurer les échanges de chaleur entre le premier et le second fluides.

Par exemple dans la demande de brevet WO-02/101312, on a décrit un échangeur de chaleur entre deux liquides à haute température comportant des couches de conduits tubulaires en contact thermique les uns avec les autres, soit directement par l'intermédiaire de leurs parois, soit par l'intermédiaire de couches de liant ayant une bonne conductibilité thermique. Un tel échangeur de chaleur est utilisé en particulier comme générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi par du sodium, du sodium à haute température assurant l'échauffement et la vaporisation d'eau pour produire de la vapeur. Dans un tel générateur de vapeur, il est impératif d'éviter tout risque de mise en contact de sodium chaud avec de l'eau ou de la vapeur, une telle mise en contact pouvant conduire à une explosion et à une destruction du générateur de vapeur. De ce fait, la distance entre des conduits véhiculant des fluides différents dans l'échangeur de chaleur est sensiblement plus grande que la distance entre les conduits véhiculant un même fluide.

Du fait de la nature des fluides entre lesquels on réalise un échange de chaleur, les conduits doivent avoir une section importante. L'enveloppe du générateur de vapeur renferme des conduits d'échange constituant quelques couches juxtaposées comportant chacune quelques conduits à grande section.

Un tel dispositif n'est pas approprié pour réaliser des échanges de chaleur entre des grands débits de gaz légers à haute température tels que les gaz utilisés dans des centrales nucléaires comportant des réacteurs nucléaires à haute température, comme décrit plus haut.

Un problème inhérent à la réalisation d'un échange de chaleur entre des fluides, en particulier gazeux, circulant avec un très grand débit volumique, ce qui est le cas des échanges thermiques entre un gaz primaire et un gaz secondaire dans une centrale nucléaire comportant un réacteur à haute température, est relatif à la réalisation d'un échangeur thermique compact permettant de traiter de très grands débits de gaz avec un très bon rende-ment thermique, c'est-à-dire un dispositif d'échange thermique présentant une très grande surface d'échange sous un volume réduit et susceptible de recevoir et de traiter de très grandes quantités de gaz.

Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif d'échange de chaleur entre un premier et un second fluides, comportant un premier et un second ensembles de conduits tubulaires dans lesquels circulent, respectivement, le premier et le second fluides, en contact thermique l'un avec l'autre, pouvant assurer un échange thermique efficace et à très bon rendement entre des fluides à faible densité tels que des gaz légers pouvant être à très haute température et à des pressions différentes, tout en présentant une bonne compacité et une très bonne résistance aux contraintes thermiques et mécaniques.

Dans ce but, le dispositif d'échange de chaleur suivant l'invention comporte au moins un module d'échange de chaleur constitué de nappes de conduits adjacentes, chaque nappe comprenant une pluralité de conduits ayant une section de passage de diamètre hydraulique inférieur à 5 mm, dont les axes sont répartis sensiblement suivant toute la surface d'une section transversale du module et de moyens de distribution et de récupération du premier et du second fluides tels que dans les conduits de deux nappes successives disposées l'une à la suite de l'autre dans une direction longitudinale du module perpendiculaire à la section transversale, circulent, respec- tivement, l'un du premier et du second fluides dans l'ensemble des conduits d'une première nappe et l'autre du premier et du second fluides dans les conduits d'une seconde nappe adjacente à la première.

Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif d'échange de chaleur peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - les conduits sont des tubes noyés dans un corps massif de support et d'échange thermique du module; - les tubes ont une section transversale ayant l'une des formes sui-vantes: circulaire, carrée, rectangulaire; les conduits sont constitués sous la forme de canaux ménagés à l'intérieur d'un corps massif d'échange thermique du module; - les conduits sont constitués par des tubes, de préférence à section carrée ou rectangulaire, soudés entre eux par l'intermédiaire de parties de leurs parois; - pour la réalisation d'échange de chaleur entre des fluides et de préférence des gaz à une température supérieure à 800 C, chaque module comporte l'un au moins d'un corps massif et d'ensembles de tubes, en un matériau métallique réfractaire tel qu'un alliage de nickel; - les moyens de distribution et de récupération du premier et du second fluides comportent des collecteurs de distribution et de récupération du premier et du second fluides, les conduits d'une nappe sur deux constituant le premier ensemble débouchant à leur première extrémité dans un premier collecteur de distribution du premier fluide et, à leur seconde extrémité, dans un second collecteur d'évacuation du premier fluide, les conduits du second ensemble de conduits disposés dans une nappe sur deux adjacente à au moins une nappe du premier ensemble de conduits débouchant, à l'une de leurs extrémités, dans un troisième collecteur de distribution du second fluide et, par leur seconde extrémité, dans un quatrième collecteur de récupération du second fluide; - les moyens de distribution et de récupération du premier fluide comportent des collecteurs, les conduits d'une nappe sur deux constituant le premier ensemble de conduits débouchant, à une première extrémité, dans au moins un premier collecteur de distribution de premier fluide et, à leur seconde extrémité, dans au moins un second collecteur d'évacuation du premier fluide et les conduits du second ensemble de conduits disposés dans une nappe sur deux adjacente à au moins une nappe du premier ensemble débouchant, par une première extrémité, sur une première face du module délimitant dans une enceinte contenant le module un espace d'alimentation en second fluide et, par une seconde extrémité, sur une seconde face du module délimitant dans l'enceinte un espace d'évacuation du second fluide; et - le dispositif d'échange de chaleur comporte une pluralité de modules disposés en parallèle ayant des moyens d'alimentation en premier et en second fluides reliés en parallèle à un premier et à un second moyens de fourniture, respectivement, de premier et de second fluides et des moyens de récupération de premier et de second fluides reliés, respectivement, à un premier et à un second moyens de récupération de premier et de second fluides.

L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un module d'un dispositif d'échange de chaleur tel que décrit ci-dessus caractérisé par le fait qu'on dispose des nappes successives de tubes, de manière adjacente, successivement dans une direction longitudinale, à l'intérieur de l'un d'un moule et d'un conteneur et qu'on remplit de métal le moule ou conteneur autour des nappes de tubes, pour réaliser un corps massif du module dans lequel sont noyés les tubes, par l'un des procédés suivants: remplissage du conteneur par une poudre métallique et compression isostatique à chaud de la poudre métallique dans le conteneur en contact avec les tubes, moulage d'un corps massif du module par coulée d'un métal fondu dans le moule autour des tubes et qu'on réalise des collecteurs en communication avec les conduits de l'un au moins du premier ensemble et du se- Gond ensemble, par perçage du corps massif du module.

L'invention a enfin pour objet un procédé de fabrication d'un module d'un dispositif d'échange de chaleur tel que décrit ci-dessus, caractérisé par le fait qu'on réalise un noyau reproduisant la forme et la disposition des pas-sages des conduits du module, qu'on place le noyau dans un conteneur ou moule, qu'on réalise un corps massif du module autour du noyau par l'un des procédés suivants: remplissage du conteneur renfermant le noyau par une poudre métallique et compression isostatique à chaud de la poudre métallique autour du noyau, à l'intérieur du conteneur, coulée d'un métal liquide dans un moule renfermant le noyau, élimination du noyau par attaque chimique sélective et réalisation de collecteurs dans lesquels débouchent les extrémités des conduits de l'un au moins des deux ensembles de conduits.

Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemples en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'un échangeur de chaleur suivant l'invention et plusieurs modes de réalisation d'un module d'un échangeur de chaleur suivant l'invention.

La figure 1 est une vue partielle en perspective d'un dispositif échangeur de chaleur suivant l'invention.

La figure 2 est une vue en perspective d'un module d'un échangeur de chaleur suivant l'invention.

La figure 3 est une vue schématique de dessus ou en section transversale d'un module, pendant une étape intermédiaire d'un procédé de fabrication dans un conteneur ou moule.

La figure 4 est une vue de dessus du module à l'issue de la fabrica- tion.

La figure 5 est une vue schématique, partielle et en coupe radiale d'un échangeur de chaleur selon une variante de l'invention.

Les figures 6A et 6B sont des vues schématiques en perspective illustrant deux possibilités de réalisation de modules de l'échangeur de chaleur la figure 5.

Sur la figure 1, on a représenté une partie d'un échangeur de chaleur suivant l'invention désigné de manière générale par le repère 1 comportant une enveloppe externe 3 de forme générale cylindrique et, à l'intérieur de l'enveloppe cylindrique 3, des modules d'échange de chaleur 2, deux modules adjacents 2a et 2b étant représentés à titre d'exemples sur la figure 1.

Un dispositif échangeur de chaleur suivant l'invention peut comporter de nombreux modules 2 placés en parallèle à l'intérieur de l'enveloppe externe 3 ou, éventuellement, plusieurs ensembles de modules reliés en série placés en parallèle à l'intérieur de l'enveloppe 3.

Les modules 2 sont de préférence réalisés sous la forme de blocs parallélépipédiques comportant un ensemble de conduits tubulaires 4 disposés par nappes dans le volume du module et des collecteurs de distribution et de récupération du premier et du second fluides intégrés au module. Chacun des modules 2 comporte un premier collecteur 5 d'arrivée du premier fluide dans le module, un second collecteur 5' de sortie du premier fluide, un troisième collecteur 6 d'arrivée du second fluide et un quatrième collecteur 6' de sortie du second fluide.

Chacun des collecteurs de chacun des modules ayant une fonction identique est relié à un conduit d'alimentation en premier ou en second fluides ou à un conduit d'évacuation du premier ou du second fluides.

Par exemple, le collecteur de distribution 5 du premier fluide des modules 2 est relié par une conduite de liaison 7' à une conduite générale 7 de distribution du premier fluide et les collecteurs 5' d'évacuation du premier fluide sont reliés par des conduites de liaison 8' à une conduite générale d'évacuation du premier fluide, les collecteurs de distribution et d'évacuation du second fluide 6, 6' étant eux-mêmes reliés, respectivement, à une conduite générale d'alimentation en second fluide et à une conduite géné- rale d'évacuation du second fluide (non représentées).

Les conduites générales telles que 7 et 8 peuvent présenter une forme torique, de manière à suivre le contour général de l'enveloppe 3 de l'échangeur de chaleur.

De préférence, les collecteurs 5 et 5' de distribution et d'évacuation du premier fluide sont disposés suivant une diagonale de la section transversale du module 2 correspondant et les collecteurs 6 et 6' de distribution et d'évacuation de second fluide, suivant une seconde diagonale de la section transversale des module 2.

Les modules 2 peuvent être fixés sur la surface intérieure de l'enveloppe 3 de l'échangeur de chaleur et maintenus l'un par rapport à l'autre par des tôles de liaison 3' solidaire des modules 2 à leur partie interne dirigée vers le centre de la cuve 3.

Dans le cas où l'on relie en parallèle, de la même manière que les modules 2a et 2b représentés sur la figure 2, des ensembles de modules placés en série, les modules 2 constituant les ensembles en série peuvent être disposés l'un au-dessus de l'autre suivant la direction axiale de l'enveloppe 3, de manière que leurs collecteurs correspondants placés l'un au-dessus de l'autre puissent être mis en série.

Par la suite, on appellera conduit tout tube ou canal disposé ou ménagé à l'intérieur d'un module et permettant de faire circuler l'un du premier ou du second fluides entre un premier et un second collecteurs. En particulier, les conduits peuvent présenter une section transversale circulaire, car-rée, rectangulaire ou toute autre section courbe ou polygonale adaptée à la réalisation de nappes de conduits à l'intérieur d'un module.

De manière générale, les conduits ménagés à l'intérieur des modules ont une faible section, le diamètre hydraulique de la section transversale du conduit étant au plus égal à 5 mm. On rappelle que le diamètre hydraulique vaut quatre fois la surface de la section de passage divisée par son périmètre.

Dans le cas d'une section transversale circulaire, cette grandeur est 15 égale au diamètre de la section circulaire.

Dans le cas de sections de passage des conduits de forme carrée, le côté des sections transversales peut aller jusqu'à 5 mm.

Sur la figure 2, on a représenté un module 2 du dispositif échangeur de chaleur suivant l'invention comportant un corps de forme parallélépipédique, un ensemble d'un très grand nombre de conduits 4 insérés dans le corps parallélépipédique et des collecteurs intégrés 5, 5' et 6, 6' pour la distribution et la récupération d'un premier et d'un second fluides dans les conduits 4.

Les collecteurs 5, 5' et 6, 6' sont réalisés sous la forme de canaux 25 rectilignes parallèles à la direction générale longitudinale 9 du module 2.

Dans l'exemple des figures 1 à 4, les collecteurs 5, 5', 6 et 6' ont des sections circulaires, ce qui permet de faciliter leur raccordement aux condui- tes générales 7 et 8 qui doivent résister à de fortes pressions. Toutefois, il peut également s'avérer avantageux d'utiliser des sections de collecteurs 5, 30 5', 6 et 6' de formes différentes, par exemple oblongues, rectangulaires, car- rées ou triangulaires... . De telles sections peuvent permettre d'augmenter le nombre de conduits 4 dans chaque nappe et donc d'augmenter la surface d'échange de chaleur à dimensions constantes de module 2.

Les conduits 4 sont disposés à l'intérieur du module, sous la forme de nappes 10 comportant chacune un grand nombre de conduits 4 répartis suivant pratiquement toute la section transversale du module 2 perpendiculaire à la direction longitudinale 9, entre les collecteurs 5, 5' et 6, 6'.

Chacun des conduits 4 d'une nappe 10 est relié, à l'une de ses extrémités, à un collecteur d'alimentation en fluide et, à sa seconde extrémité, au collecteur d'évacuation du même fluide.

Sur la figure 2, on a représenté les conduits 4 par des lignes correspondant à leur axe longitudinal. Les axes longitudinaux des conduits 4 d'une même nappe 10 sont placés approximativement dans un plan transversal du module 2 perpendiculaire à la direction longitudinale 9. Toutefois, il n'est pas essentiel que les axes des conduits d'une même nappe soient placés dans un plan transversal, les axes des conduits pouvant être disposés suivant un plan légèrement incliné par rapport aux plans transversaux ou sur une sur- face courbe proche d'un plan transversal. On désignera par plan ou surface de la nappe 10 de conduits le plan ou la surface renfermant les axes des conduits 4. Les conduits 4 ne sont généralement pas rectilignes mais de préférence courbes, en particulier dans les parties de la nappe 10 éloignées de la ligne joignant les axes des collecteurs auxquels sont reliés les conduits de la nappe, qui est une diagonale dans la section rectangulaire du module, dans le cas d'un module 2 de forme parallélépipédique. Ainsi, la nappe de conduits occupe la plus grande surface de la section transversale du module entre les collecteurs 5, 5' et 6, 6'.

Comme indiqué plus haut, les conduits 4 présentent une section de passage de fluide de faible dimension, ces conduits pouvant avoir une section de passage de diamètre hydraulique inférieur à 5 mm et de préférence supérieur à 1 mm.

Les nappes de conduits 10 sont disposées l'une à la suite de l'autre dans la direction longitudinale du module, avec une distance très faible entre les plans ou surfaces des nappes, de manière que la distance entre les conduits 4 de deux nappes successives soient très faibles.

Les conduits 4 des nappes de conduits 10 disposées l'une à la suite de l'autre dans la direction longitudinale 9 sont reliés aux collecteurs intégrés dans les modules, de manière telle qu'à l'intérieur des conduits 4 d'une même nappe circule uniquement l'un du premier et du second fluides entre lesquels on réalise un échange de chaleur. De plus, dans les conduits 4 de deux nappes 10 successives dans la direction longitudinale 9 circulent des fluides différents, c'est-à-dire le premier fluide dans l'une des nappes et le second fluide dans la nappe adjacente.

Les conduits 4 des nappes 10 successives dans la direction longitudinale sont donc reliés alternativement aux collecteurs de distribution et d'évacuation du premier fluide 5, 5' et aux collecteurs de distribution et de récupération du second fluide 6, 6'.

De préférence, le module 2 comporte un corps massif 2a en un matériau bon conducteur de la chaleur dans lequel les conduits 4 des nappes 10 successives sont insérés.

On va décrire ci-dessous deux modes de réalisation différents d'un module d'échange de chaleur 2 suivant l'invention comportant des conduits disposés par nappes et insérés dans un corps massif en un matériau métallique.

Selon un premier mode de réalisation, les conduits 4 sont réalisés sous la forme de tubes, de préférence à section circulaire, noyés dans un matériau métallique de support et d'échange thermique destiné à constituer le corps 2a du module d'échange de chaleur.

Comme il est visible sur la figure 3, dans une première étape, on dis-pose, à l'intérieur d'un conteneur 11 délimitant un espace ayant la forme et la dimension du module 2 à réaliser, des nappes successives de tubes 12, 12' destinées à constituer des nappes de conduits du module échangeur de chaleur. Les nappes de tubes 12, 12' peuvent être réalisées à partir d'un seul tube de grande longueur plié en zigzag pour obtenir un nombre suffisant de longueur de tubes entre deux zones du conteneur 11 situées dans deux parties d'angle en diagonale. Chacune des nappes de tubes peut être également réalisée à partir de plusieurs longueurs de tubes, les extrémités des longueurs de tubes devant se situer dans les zones d'angles.

Les nappes de tubes peuvent être disposées de manière à reposer directement les unes sur les autres sous la forme d'un empilement, ou par l'intermédiaire de pièces intercalaires, pour maintenir une certaine distance entre les nappes de tubes.

Après avoir réalisé l'empilement complet des nappes, sensiblement sur toute la hauteur du conteneur 11 (c'est-à-dire dans la direction longitudi- nale 9 d'un module), on remplit l'espace intérieur du conteneur 11, autour des nappes de tubes par du matériau métallique de maintien et de liaison qui peut être soit à l'état fondu (réalisation par moulage), soit, de préférence, sous forme d'une poudre métallique qui est ensuite compactée dans le conteneur 11 par compression isostatique à chaud (CIC), de manière à ré- aliser un bloc métallique dans lequel les tubes des nappes 12, 12' superposées ont été noyées.

Dans ces deux cas, on peut obturer les extrémités des tubes pour éviter que le matériau métallique de maintien et de liaison ne pénètre à l'intérieur des tubes.

Les nappes successives 12, 12' sont réalisées de manière que les extrémités des longueurs de tubes et les parties cintrées de retour des tubes pliés en zigzag se trouvent dans des zones d'angles du conteneur 11 et de la pièce métallique massive. Dans une nappe sur deux, les parties d'extrémité des longueurs de tube et les parties cintrées se trouvent dans des zones d'angles situées suivant une première diagonale de la section rectangulaire du module et dans les nappes adjacentes 12', dans les parties d'angles si-tuées au voisinage des extrémités de la seconde diagonale de la section rectangulaire du module.

Après réalisation de la pièce massive renfermant les nappes de tu- bes, on réalise les collecteurs 5, 5' et 6, 6' par perçage dans la direction longitudinale 9 du module dans les zones d'angles, de manière à recouper l'en-semble des parties d'extrémité des longueurs de tubes et l'ensemble des parties cintrées, les tubes 12 de chacune des nappes constituant les conduits 4 du module échangeur de chaleur 2 disposé suivant les nappes 10 et débouchant dans les collecteurs 5, 5' ou 6, 6'.

Les collecteurs 5, 5', 6, 6' peuvent être percés suivant toute la hauteur du module dans la direction longitudinale 9. Les modules peuvent ensuite être placés en série par empilement l'un sur l'autre avec une jonction étan- che entre les modules successifs, les ensembles de modules en série pouvant être eux-mêmes reliés en parallèle à des moyens de distribution et de récupération de fluides, comme décrit en regard de la figure 1. Les collecteurs du module disposés à la base de l'empilement doivent être fermés à leur partie d'extrémité pour assurer la distribution d'un fluide dans l'ensemble des modules. De même, dans le cas où l'échangeur de chaleur est constitué uniquement de modules placés en parallèle, les parties d'extrémité des col-lecteurs de chacun des modules doivent être également fermées de manière étanche. On peut également réaliser les collecteurs sous la forme de perça- ges borgnes aboutissant dans une partie de fond du module ne comportant pas de nappes de tubes.

On observera qu'il n'est pas indispensable d'utiliser des pièces intercalaires entre les nappes de tubes avant introduction du matériau métallique de maintien et de liaison. En effet, même dans l'hypothèse où ce matériau métallique aurait, du fait des conditions de fabrication, une épaisseur très faible ou nulle entre certains tubes, une épaisseur minimale de métal (au moins égale à deux épaisseurs de tube) séparerait toujours les deux fluides.

De plus, même si la soudure du matériau métallique de maintien et de liaison, à l'issue du procédé de réalisation, n'était pas totalement homogène et ne mettait pas totalement en contact l'ensemble des tubes avec ce matériau métallique, la qualité de l'échange thermique ne serait que faiblement altérée, étant donné le foisonnement réalisé par les nappes de tubes.

Dans le cas où le matériau métallique de maintien et de liaison est introduit à l'état fondu, il peut être utile d'éviter une montée en température des tubes jusqu'au voisinage de la température de liquéfaction de leur matériau constitutif. Pour cela, on peut les refroidir en créant, par exemple, une circulation de gaz inerte à température contrôlée dans les tubes. Cela favorise également le gel du matériau métallique de maintien et de liaison au contact des tubes.

A cette fin, les extrémités des tubes ne sont pas obturées et sont pro-longées le long des collecteurs, pour déboucher au-dessus du niveau du bain du matériau de maintien et de liaison, et pour être raccordées à un dis- positif de circulation de gaz inerte à température contrôlée (azote, argon, hélium ou autre).

Selon un second mode de réalisation, les conduits 4 sont réalisés sous la forme de canaux à l'intérieur du corps monobloc 2a du module.

Les canaux constituant les conduits 4 des nappes 10 du module d'échange de chaleur 2 peuvent être réalisés, lors d'un moulage ou de la réalisation par compression isostatique à chaud (CIC) du corps massif 2a du module 2 de l'échangeur de chaleur.

Pour cela, on place, dans un moule ou un conteneur 11, un noyau destiné à réserver les conduits 4 lors de la réalisation du corps massif. Le noyau peut comporter des nappes de fils métalliques disposés suivant

les axes des canaux 4 des nappes 10 à réaliser et ayant une section transversale analogue à la section transversale des passages des conduits 4 à réaliser. Les nappes de fils constituant le noyau peuvent être déposés l'une sur l'autre, en contact direct ou par l'intermédiaire de pièces d'écarte- ment qui peuvent être également constituées par des fils.

La disposition générale des fils dans les nappes et des nappes l'une par rapport à l'autre est analogue à la disposition des tubes du mode de réalisation précédent.

Après réalisation par moulage d'un métal fondu dans un moule 11 autour des fils constituant le noyau ou compression d'une poudre remplissant un conteneur 11 autour du noyau suivie par une compression isostatique à chaud, on réalise les collecteurs 5, 5', 6, 6' par perçage. On observera que le noyau doit être suffisamment déformable pour pouvoir absorber les déformations résultant de la compression isostatique à chaud.

Il est possible également de prévoir un noyau comportant à la fois les nappes de fils destinées à réaliser les canaux par noyautage et des cylindres métalliques sur lesquels sont soudés les fils à leurs extrémités destinés à constituer des noyaux de moulage des collecteurs.

Les fils peuvent être des fils fins ayant un diamètre de l'ordre d'un millimètre.

Après réalisation par moulage ou compression isostatique de la pièce autour du noyau, on élimine le noyau par attaque chimique sélective. Pour cela, le noyau est réalisé en un matériau pouvant être facilement dissout par attaque chimique sous l'effet d'une substance telle qu'un acide assurant la dissolution du noyau et n'attaquant pas le matériau du corps du module.

Par exemple, dans le cas d'un module en alliage réfractaire à base de nickel ou nickel-cobalt, le noyau peut être en acier doux, l'attaque chimique étant réalisée par un acide ou un mélange d'aciers dont le potentiel d'oxydoréduction est choisi pour dissoudre l'acier doux et en fonction de la composition de l'alliage réfractaire.

Il est possible d'envisager également la fabrication de modules d'échange de chaleur suivant l'invention qui ne comportent pas de corps en matériau de liaison et d'échange thermique, en particulier dans le cas où les conduits de circulation de fluides d'échange ont une section de passage de forme rectangulaire ou carrée. Dans ce cas, l'assemblage du module peut être réalisé en empilant l'une sur l'autre des nappes de tubes à section car- rée ou rectangulaire, puis en soumettant l'ensemble de l'empilement constituant le module à une compression isostatique à haute température assurant le soudage des nappes de tubes entre elles. Les échanges de chaleur sont alors effectués directement à travers les parois des tubes à section car-rée ou rectangulaire, dans leurs parties de liaison, d'une nappe aux nappes adjacentes.

Dans le cas où l'on soumet des tubes constituant les nappes du module à une compression isostatique à chaud (CIC), aussi bien dans le cas de tubes noyés dans un matériau de support et d'échange sous forme de poudre (premier mode de réalisation) que dans le cas de tubes soudés directement entre eux (troisième mode de réalisation), il peut être utile de mettre les tubes sous pression interne pour éviter leur écrasement. Pour cela, on peut relier les tubes soumis à la compression isostatique à une source de fluide à très haute pression (sensiblement égale à la pression exercée dans le procédé CIC), par exemple une réserve de gaz inerte ou un liquide sous pression pour le remplissage de chacun des tubes.

Toutefois, une telle mesure ne sera généralement pas nécessaire car les tubes seront suffisamment souples pour tolérer les déformations induites par la compression isostatique à chaud.

Dans le cas où l'échangeur de chaleur selon l'invention est destiné à réaliser des échanges entre des gaz à très haute température (par exemple entre de l'hélium caloporteur d'un réacteur HTR et un mélange d'hélium et d'azote), les tubes et/ou le matériau du corps massif des modules peuvent être réalisés en un alliage réfractaire tel qu'un alliage de nickel ou à base nickel-cobalt du type 617 ou Hastelloy.

En particulier, il est possible de fabriquer des tubes en alliage de nickel réfractaire ayant un diamètre intérieur de l'ordre de 1,6 mm et une épaisseur de paroi de 0,25 mm. De tels tubes réalisés par étirage sont générale- ment appelés tubes capillaires. Dans ce cas, le matériau du corps massif de support et d'échange thermique des modules peut être également un alliage réfractaire de nickel ou tout autre alliage compatible avec le matériau des tubes.

La dimension des modules de l'échangeur de chaleur comportant un corps massif obtenu par métallurgie des poudres est généralement limitée par la dimension des enceintes des fours de compression isostatique à chaud industriels. De tels fours ont généralement un diamètre maximal de 1,5 m et une longueur de l'ordre de 2 m. La dimension des modules, dans le sens longitudinal, est également limitée par les possibilités de perçages des collecteurs, compte tenu du diamètre de perçage. Le diamètre de perçage est défini par l'étendue dans les plans transversaux du module, de la zone du corps massif dans laquelle sont noyées les extrémités et les parties cintrées des longueurs de tubes constituant les nappes, qu'il est nécessaire d'usiner par perçage.

A l'heure actuelle, il est possible d'usiner par perçage des collecteurs, avec un diamètre de perçage d'environ 100 mm, sur une longueur de 1800 mm.

Compte tenu des différentes contraintes concernant la fabrication des modules, ceux-ci peuvent avoir une dimension, dans la direction longitudinale, de l'ordre de 1800 mm et une section transversale de l'ordre de 1200 mm x 600 mm. De tels modules peuvent compter des milliers de tubes ayant un diamètre hydraulique inférieur à 5 mm et de préférence supérieur à 1 mm.

A titre de variante, comme représenté sur la figure 5, la distribution et la récupération de l'un des fluides (par exemple le second fluide) peuvent être réalisées sans utiliser de collecteurs internes au module (tels que les collecteurs 6-6').

Pour cela, les conduits 4 des nappes 10 (une nappe sur deux) destinées à assurer la circulation du second fluide dans le module débouchent à leurs extrémités sur une première et sur une seconde faces du module 2, respectivement, comme il est visible sur les figures 5, 6A et 6B.

Les modules 2 sont disposés à l'intérieur d'une cuve 3, par exemple de forme générale cylindrique fermée à sa partie inférieure par un fond bombé, dans des dispositions alignées suivant la circonférence d'un espace annulaire ayant pour axe l'axe 13 de la cuve 3. Les faces des modules sur lesquelles débouchent les extrémités des conduits 4 sont dirigées respectivement vers l'intérieur, c'est-à-dire vers l'axe 13 de la cuve 3 et vers l'exté- rieur, c'est-à-dire vers la paroi cylindrique de la cuve 3. A l'intérieur de la cuve 3, sont prévues une plaque 14 de support des modules 2 et des conduits et viroles 15, 16 de canalisation du second fluide. Le second fluide est introduit dans la cuve 3 par une conduite centrale 15 disposée suivant la direction axiale 13 et reliée aux modules 2, de manière étanche au second fluide par une virole tronconique 15'. Le second fluide circule dans la direction axiale à l'intérieur de la conduite 15, dans le sens allant de haut en bas, comme représenté par la flèche 17, puis pénètre dans l'espace interne de la cuve délimité par les faces internes des modules 2 pour être distribué dans les conduits 4 débouchant sur la face interne des modules 2 (flèches 17').

Le premier fluide est distribué dans une nappe 10 sur deux du module disposée de manière adjacente à au moins une nappe destinée à recevoir le second fluide par une conduite générale 7 reliée à des collecteurs 5 traversant le module et communiquant avec une première extrémité des conduits 4 d'une nappe sur deux (comme décrit en regard de la figure 1).

Le premier fluide est récupéré par une conduite générale 8 reliée à des collecteurs 5' traversant le module et communiquant avec une seconde extrémité des conduits 4 d'une nappe sur deux. Le premier fluide circule dans les conduits 4 d'une nappe sur deux disposés successivement dans la direction longitudinale du module parallèle à l'axe 13. Le second fluide circule dans les conduits 4 d'une nappe 10 sur deux adjacente à au moins une nappe 10 de conduits 4 dans laquelle circule le premier fluide, entre la face interne et la face externe des modules 2, de manière qu'un échange de cha- leur soit réalisé entre le premier et le second fluides, à l'intérieur du module.

Le second fluide ressort du module à l'extrémité des conduits 4 débouchant sur la face externe des modules et pénètre dans un espace annulaire ménagé entre les faces externes des modules 2 et la surface interne de la paroi de la cuve (flèches 18). Le second fluide peut être récupéré dans la partie supérieure de l'espace annulaire délimité dans la cuve 3 par la virole 16 coaxiale à la cuve (flèche 18') et/ou dans le fond de la cuve (flèche 18") après passage dans des ouvertures traversant la plaque support 14.

Comme il est visible sur les figures 6A et 6B, la circulation du premier fluide dans le module et la configuration des conduits 4 de circulation du premier fluide peuvent être réalisées de deux manière différentes.

Comme représenté sur la figure 6A, chacun des conduits 4 d'une nappe 10 destinés à recevoir le premier fluide peut être relié à une première extrémité à l'un de deux collecteurs 5 de distribution de premier fluide reliés à la conduite générale 7 et, à une seconde extrémité, à l'un de deux collec- teurs 5' de récupération de premier fluide, de telle sorte que, pour chacun des conduits 4 de la nappe 10, le collecteur de distribution et le collecteur de récupération se trouvent sur un même côté du module, au voisinage d'une face radiale du module perpendiculaire à la face interne et à la face externe. Les conduits 4 ont un parcours tel, entre les collecteurs 5 et 5', que les conduits 4 de la nappe 10 (généralement courbes) s'étendent sensiblement suivant toute la section du module 2. Les nappes 10 successives destinées à recevoir le premier fluide sont réalisés de manière identique suivant toute la longueur du module.

Comme représenté sur la figure 6B, chacun des conduits 4 d'une nappe 10 destinés à recevoir le premier fluide peut être relié, à une première extrémité, à l'un de deux collecteurs 5 de distribution de premier fluide et, à une seconde extrémité, à l'un de deux collecteurs 5' de récupération de premier fluide, de telle sorte que, pour chacun des conduits 4 d'une première nappe 10 destinée à recevoir le premier fluide, le collecteur de distribution 5 et le collecteur de récupération 5' sont disposés aux extrémités d'une première diagonale de la section du module et que, pour chacun des conduits 4 d'une seconde nappe 10 destinée à recevoir le premier fluide, placée à la suite de la première nappe dans la direction longitudinale du module 2 et séparée de la première nappe par une nappe de conduits destinés à recevoir le second fluide, le collecteur de distribution 5 et le collecteur de récupération 5' sont disposés aux extrémités d'une seconde diagonale dans la section du module.

Dans ce cas, les nappes 10 destinées à recevoir le premier fluide sont de deux types alternés suivant la direction longitudinale du module.

Les modules 2 tels que représentés sur les figures 5, 6A et 6B à tubes traversants peuvent être obtenus par l'un des deux procédés décrits plus haut, en les adaptant pour réaliser les nappes de tubes traversants (une nappe sur deux).

En fonction des débits de fluide d'échange à traiter, il est possible d'associer un très grand nombre de modules élémentaires en les reliant en parallèle à des conduites d'alimentation et de récupération des fluides d'échange.

Il est également possible de constituer des ensembles de modules reliés en série qui sont eux-mêmes alimentés en parallèle pour constituer des échangeurs de chaleur ayant à la fois une grande capacité de traitement de fluide et de hautes performances d'échange.

Dans le cas de l'utilisation de l'échangeur de chaleur suivant l'invention, pour transférer de la chaleur d'un fluide primaire d'un réacteur HTR à un fluide secondaire à plus forte densité, le fluide secondaire peut être un gaz différent d'un mélange hélium-azote et par exemple de l'argon, un mélange xénon-hélium ou un mélange krypton-hélium.

Les modules de l'échangeur de chaleur peuvent être placés dans une enceinte, par exemple une cuve cylindrique dans laquelle les modules ou les ensembles de modules sont disposés suivant une ou plusieurs rangées annulaires, sur une ou plusieurs couches.

L'invention s'applique non seulement dans le cas d'échanges de chaleur entre des gaz à très haute température mais également dans d'autres types d'échange thermique entre des fluides de nature quelconque (liquide ou gaz) quelle que soit la température de ces gaz.

L'échangeur de chaleur suivant l'invention permet également de réali- ser des échanges de chaleur entre des gaz ayant des pressions différentes.

Le dispositif d'échange de chaleur suivant l'invention présente l'avantage d'être constitué de modules parfaitement compacts, les modules pouvant, de plus, présenter une forme adaptée à leur logement dans l'enceinte d'un échangeur de chaleur. Dans le cas où les conduits sont constitués par des tubes, les deux fluides sont séparés l'un de l'autre par la paroi des tubes constituant le premier ensemble de conduits destiné à recevoir le premier fluide et par la paroi des tubes du second ensemble de conduits destiné à recevoir le second fluide constituant une double barrière entre les fluides.

Dans le cas où les tubes sont noyés dans un matériau de remplissage, ce matériau de remplissage n'a pas à assurer de séparation entre les fluides et doit réaliser uniquement une fonction d'échange thermique et de support de tubes.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1.- Dispositif d'échange de chaleur entre un premier et un second fluides, comportant un premier et un second ensembles de conduits dans les-quels circulent, respectivement, le premier et le second fluides, en contact thermique l'un avec l'autre, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un module d'échange de chaleur (2) constitué de nappes (10) de conduits (4) adjacentes, chaque nappe comprenant une pluralité de conduits (4) ayant une section de passage de diamètre hydraulique inférieur à 5 mm dont les axes sont répartis sensiblement suivant toute la surface d'une section trans- versale du module (2) et de moyens de distribution et de récupération du premier et du second fluides, tels que, dans les conduits (4) de deux nappes (10) successives disposées l'une à la suite de l'autre dans une direction longitudinale (9) du module (2) perpendiculaire à la section transversale, circulent, respectivement, l'un du premier et du second fluides dans l'ensemble des conduits (4) d'une première nappe (10) et l'autre du premier et du second fluides dans l'ensemble des conduits (4) de la seconde nappe adjacente à la première.

2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les conduits (4) sont des tubes noyés dans un corps massif (2a) de support et d'échange thermique du module (2).

3.- Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que les tubes (4) ont une section transversale ayant l'une des formes suivantes: circulaire, carrée, rectangulaire.

4.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les conduits (4) sont constitués sous la forme de canaux ménagés à l'intérieur d'un corps massif (2a) d'échange thermique du module (2).

5.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les conduits (4) sont constitués par des tubes, de préférence à section carrée ou rectangulaire, soudés entre eux par l'intermédiaire de parties de leurs parois.

6.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, pour la réalisation d'échange de chaleur entre des fluides et de préférence des gaz à une température supérieure à 800 C, caractérisé par le fait que chaque module (2) comporte l'un au moins d'un corps massif (2a) et d'ensembles de tubes (4), en un matériau métallique réfractaire tel qu'un alliage de nickel.

7.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les moyens de distribution et de récupération du premier et du second fluides comportent des collecteurs (5, 5', 6, 6') de distribution et de récupération du premier et du second fluides, les conduits (4) d'une nappe (10) sur deux constituant le premier ensemble débouchant à leur première extrémité dans un premier collecteur (5) de distribution du pre- mier fluide et, à leur seconde extrémité, dans un second collecteur (5') d'évacuation du premier fluide, les conduits (4) du second ensemble de conduits disposés dans une nappe sur deux adjacente à au moins une nappe du premier ensemble de conduits (4) débouchant, à l'une de leurs extrémités, dans un troisième collecteur (6) de distribution du second fluide et, par leur seconde extrémité, dans un quatrième collecteur (6') de récupé- ration du second fluide.

8.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les moyens de distribution et de récupération du premier fluide comportent des collecteurs (5, 5'), les conduits (4) d'une nappe (10) sur deux constituant le premier ensemble de conduits (4) débouchant, à une première extrémité, dans au moins un premier collecteur (5) de distribution de premier fluide et, à leur seconde extrémité, dans au moins un second collecteur (5') d'évacuation du premier fluide et les conduits (4) du second ensemble de conduits (4) disposés dans une nappe (10) sur deux adjacente à au moins une nappe (10) du premier ensemble débouchant, par une première extrémité, sur une première face du module (2) délimitant dans une enceinte (3) contenant le module (2) un espace d'alimentation en second fluide et, par une seconde extrémité, sur une seconde face du module (2) délimitant dans l'enceinte (3) un espace d'évacuation du second fluide.

9.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité de modules (2) disposés en parallèle ayant des moyens d'alimentation (5, 6) en premier et en second fluides reliés en parallèle à un premier et à un second moyens (7) de fourni- ture, respectivement, de premier et de second fluides et des moyens de récupération (5', 6') de premier et de second fluides reliés, respectivement, à un premier et à un second moyens (8) de récupération de premier et de second fluides.

10.- Procédé de fabrication d'un module (2) d'un dispositif d'échange de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 et 6 à 9, caractérisé par le fait qu'on dispose des nappes successives (10) de tubes (4), de manière adjacente, successivement dans une direction longitudinale (9), à l'intérieur de l'un d'un moule et d'un conteneur (11) et qu'on remplit de métal le moule ou conteneur (11) autour des nappes (10) de tubes (4), pour réaliser un corps massif du module (2) dans lequel sont noyés les tubes (4), par l'un des procédés suivants: remplissage du conteneur par une poudre métallique et compression isostatique à chaud de la poudre métallique dans le conteneur en contact avec les tubes (4), moulage d'un corps massif (2a) du module (2) par coulée d'un métal fondu dans le moule autour des tubes (4) et qu'on réalise des collecteurs (5, 5', 6, 6') en communication avec les conduits (4) de l'un au moins du premier ensemble et du second ensemble, par perçage du corps massif (2a) du module (2).

11.- Procédé de fabrication d'un module (2) d'un dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 et 6 à 9, caractérisé par le fait qu'on réalise un noyau reproduisant la forme et la disposition des passages des conduits (4) du module (2), qu'on place le noyau dans un conteneur ou moule (11), qu'on réalise un corps massif (2a) du module (2) autour du noyau par l'un des procédés suivants: remplissage du conteneur renfermant le noyau par une poudre métallique et compression isostatique à chaud de la poudre métallique autour du noyau, à l'intérieur du conteneur (11), coulée d'un métal liquide dans un moule (11) renfermant le noyau, élimination du noyau par attaque chimique sélective et réalisation de collecteurs (5, 5', 6, 6') dans lesquels débouchent les extrémités des conduits (4) de l'un au moins des deux ensembles de conduits (4).