FR3099564A1 - Module d’échangeur de chaleur à deux circuits de fluides, notamment échangeur de chaleur de réacteur nucléaire - Google Patents

Abstract

Module d’échangeur de chaleur à deux circuits de fluides, notamment échangeur de chaleur de réacteur nucléaire Module (1) d’échangeur de chaleur à au moins deux circuit de fluides, notamment échangeur de chaleur de réacteur nucléaire, comprenant un empilement de plaques métalliques (60, 61) assemblées entre elles en définissant les canaux (600) d’un premier circuit de fluide (Na), la paroi périphérique (61, 63) de l’empilement délimitant le volume intérieur d’un collecteur d’un deuxième circuit de fluide (N2), au moins un canal (601) délimité par chaque plaque rainurée du premier circuit de fluide étant dévié par rapport aux autres canaux, en étant réalisé en partie dans la paroi périphérique de l’empilement de sorte que le fluide du premier circuit est destiné à constituer un fluide de chauffage ou de refroidissement du collecteur à la périphérie de ce dernier. Figure pour l’abrégé : Fig. 8

Description

Module d’échangeur de chaleur à deux circuits de fluides, notamment échangeur de chaleur de réacteur nucléaire

La présente invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur entre deux fluides.

L’invention a trait plus particulièrement à la réalisation d’un nouveau type de collecteur de fluide pour un échangeur de chaleur, notamment dans le cadre d’un réacteur nucléaire refroidi avec du métal liquide.

L’invention concerne également un échangeur de chaleur entre deux fluides, intégrant un tel collecteur de fluide.

L’utilisation principale du collecteur de fluide selon l’invention concerne un échangeur de chaleur entre deux fluides intégrant ce collecteur et l’utilisation de cet échangeur avec du métal liquide et du gaz, le gaz étant sous une pression pouvant être de l’ordre de 180 bars. Il peut s’agir avantageusement de sodium liquide et d’azote, respectivement.

L’application principale visée par l’échangeur selon l’invention est l’échange de chaleur entre un métal liquide, tel que du sodium liquide, de la boucle secondaire et de l’azote en tant que gaz de la boucle tertiaire d’un réacteur à neutrons rapides refroidi avec le métal liquide, tel que le sodium liquide dit RNR-Na ou SFR (acronyme anglais de «Sodium Fast Reactor»), ou de façon générale dit LMBFR (acronyme anglais de «Liquid Metal Breeder Fast Reactor»).

Bien que décrite en relation avec cette application principale, un collecteur de fluide et un échangeur de chaleur selon l’invention peuvent aussi être mis en œuvre dans toute autre application nécessitant un échange entre deux fluides, tels qu’un liquide et un gaz, ou deux liquides ou encore deux gaz, en particulier lorsque des variations de température rapides et/ ou de grande amplitude sont en jeu.

Par « fluide primaire », on entend dans le cadre de l’invention, le sens usuel en thermique, à savoir le fluide chaud qui transfert sa chaleur au fluide secondaire qui est le fluide froid.

A contrario, par « fluide secondaire », on entend dans le cadre de l’invention le sens usuel en thermique, à savoir le fluide froid auquel est transféré la chaleur du fluide primaire.

Dans l’application principale, le fluide primaire est le sodium qui circule dans la boucle dite secondaire du cycle de conversion thermique d’un réacteur RNR-Na, tandis que le fluide secondaire est l’azote qui circule dans la boucle tertiaire dudit cycle.

Il est connu que le sodium réagit violemment avec l’eau. Dans le but d’éliminer tout risque de réaction violente de cette nature dans le cadre de la conception d’un réacteur de type RNR-Na, utilisant le sodium liquide en tant que fluide primaire, il est préférable que la boucle tertiaire fasse circuler en tant que fluide secondaire un gaz, tel que l’azote, plutôt que de l’eau.

Il est alors nécessaire, pour cette application, de prévoir un échangeur de chaleur sodium – gaz pour le transfert de chaleur entre le circuit secondaire et le circuit tertiaire.

Classiquement, dans le cas d’un générateur vapeur, on utilise un échangeur à tubes et calandre. Or, dans le cas du cycle gaz, ce type d’échangeur est inadapté en raison des faibles capacités d’échange thermique du gaz. Afin de compenser cela, une surface d’échange accrue est requise. L’utilisation d’un échangeur compact à plaques permet d’obtenir ce résultat. Ce type d’échangeur présente des avantages importants par rapport aux échangeurs de chaleur dits à tubes et calandre existants, en particulier leurs performances thermiques et leur compacité grâce à un rapport de la surface sur le volume d’échanges thermiques favorablement élevé. Les échangeurs compacts à plaques sont utilisés dans de nombreux domaines industriels.

La solution d’échangeur de chaleur entre du sodium liquide et de l’azote décrite dans le brevet FR3009862, dans lequel les modules d’échangeur sont agencés dans une enceinte gaz sous pression, permet cette fonctionnalité. Toutefois, dans un souci de gain de masse, une variante de module d’échangeur sans enceinte gaz, non décrite dans le brevet mentionné, a été conçue et est représentée en figure 1.

Tel que représenté en figure 1, le module d’échangeur 1 intègre deux circuits de fluide, l’un dédié à la circulation du sodium (Na) provenant d’un réacteur nucléaire RNR-Na, en tant que fluide primaire du module d’échangeur, et l’autre dédié à la circulation de l’azote (N2) en tant que fluide secondaire.

Une tuyauterie d’entrée de sodium 2 est agencée pour amener du sodium chaud dans l’entrée du circuit de sodium intégré dans le module d’échangeur 1.

La tuyauterie d’entrée de sodium 2 communique en aval avec l’entrée du circuit de sodium intégré dans le module d’échangeur.

La tuyauterie de sortie de sodium 3 est agencée pour assurer la circulation du sodium froid vers la sortie de l’échangeur et communique en amont avec la sortie du circuit de sodium intégré dans le module d’échangeur.

De plus, deux tuyauteries d’entrée d’azote 4 sont agencées pour amener de l’azote froid dans l’entrée du circuit d’azote intégré dans le module d’échangeur 1.

Deux tuyauteries de sortie d’azote 5 sont agencées pour assurer la circulation de l’azote chaud vers la sortie de l’échangeur.

Un collecteur de sodium 100 est agencé au niveau de la connexion entre la tuyauterie d’entrée ou de sortie du sodium 2, 3 d’une part, et l’entrée et la sortie des canaux de circulation du sodium du circuit d’échangeur du module d’autre part.

De même, des collecteurs d’azote 200 sont agencés au niveau de la connexion entre les tuyauteries d’entrée ou de sortie de l’azote 4, 5 d’une part, et l’entrée et la sortie des canaux de circulation de l’azote du circuit d’échangeur du module d’autre part.

Le rôle des collecteurs 100 consiste à créer un volume important juste en amont ou en aval des canaux de circulation de fluide.

En effet, la présence d’un volume important juste en amont de l’entrée des canaux de circulation de fluide contribue à distribuer de manière homogène le sodium dans l’ensemble des canaux de circulation de sodium en limitant l’effet de jet produit par l’admission du sodium en sortie de la tuyauterie d’admission.

Autrement dit, l’ajout d’un collecteur de sodium vise à atténuer l’inhomogénéité de la distribution de sodium en sortie de la tuyauterie d’admission.

De même, il est préférable d’insérer un collecteur de gaz 200 entre les tuyauteries d’entrée ou de sortie d’azote d’une part, et le module d’échangeur d’autre part.

Le volume de tranquillisation de l’écoulement situé entre la tuyauterie d’admission ou de sortie et l’entrée des canaux de circulation de fluide doit être aussi conséquent que possible pour assurer une bonne qualité de distribution du fluide entre les différents canaux. Ce besoin est particulièrement important pour un échangeur compact à plaques, tel que celui mis en œuvre dans le module d’échangeur représenté en figure 1. Le module d’échangeur de la figure 1 est prévu pour être mis en œuvre dans un échangeur de chaleur sans enceinte de gaz étanche.

Par conséquent, la pression extérieure au module d’échangeur est la pression ambiante, la pression intérieure du collecteur de gaz est élevée, typiquement aux alentours de 180 bars dans le cadre de cette application, et la pression dans le collecteur de sodium est négligeable.

La figure 2 est une vue de détail qui montre l’intérieur du module d’échangeur de la figure 1, comportant un collecteur de liquide 100 et un collecteur de gaz 200 selon l’état de l’art. Les canaux 103, 203 de chacun des deux circuits de fluide du module d’échangeur sont notamment apparents sur cette figure 2.

La figure 3 représente plus précisément un schéma de principe d’un collecteur de fluide 100, 200 tel que conçu habituellement par les gens du métier. Le collecteur 100, 200 est connecté à une tuyauterie 101, 201 d’entrée ou de sortie de fluide. Le collecteur est également relié à une embase 102, 202 du module d’échangeur, dotée d’entrées de canaux 103, 203 permettant le passage du fluide du collecteur aux canaux de circulation de fluide du module d’échangeur sur lequel est installé le collecteur.

Deux sens de circulation du fluide sont possibles dans un collecteur de fluide, comme représenté par les flèches noires et par les flèches blanches.

L’embase 102, 202 et la tuyauterie 101, 201 sont reliées par la paroi 104, 204 du collecteur, qui est de forme hémisphérique dans le mode de réalisation représenté en figure 3. Une forme hémisphérique, ou du moins une forme bombée vers l’extérieur, permet d’optimiser le volume du collecteur : cela favorise la tranquillisation de l’écoulement de fluide après l’arrivée du fluide par la tuyauterie d’entrée, et donc aussi une distribution homogène du fluide dans les différents canaux du module d’échangeur.

Comme illustré en figure 1, un collecteur de fluide peut également être agencé en sortie d’un module d’échangeur de chaleur. Dans ce cas, le fluide circule depuis les canaux de circulation de fluide vers la tuyauterie de sortie.

Un collecteur 100, 200 est installé sur une embase 102, 202 d’un module d’échangeur. Par conséquent, un écart de température entre les parois du collecteur et l’embase se traduit par des dilatations thermiques différentielles, et donc par des contraintes additionnelles sur la structure du collecteur.

De même, un écart de température important entre l’intérieur et l’extérieur des parois du collecteur génère des contraintes d’origine thermique.

Or, les inventeurs ont déterminé qu’un collecteur de fluide tel que représenté en figure 2 ou 3 n’est pas adapté aux contraintes auxquelles il serait confronté dans le cadre d’un prototype de réacteur RNR-Na étudié par les inventeurs.

En effet, dans ce prototype, le gaz du circuit tertiaire circule sous une forte pression nominale de fonctionnement, typiquement de l’ordre de 180 bars. Ce gaz circule au sein de de l’échangeur de chaleur. Ainsi, l’échangeur de chaleur est conçu de sorte que le circuit secondaire de l’échangeur est soumis à cette forte pression.

La pression au sein du circuit secondaire est quant à elle négligeable par rapport à la pression du circuit tertiaire : cela signifie donc que le circuit secondaire de l’échangeur doit pouvoir résister à un différentiel de pression important.

En particulier, les collecteurs de fluide doivent assurer la tenue mécanique à la différence de pression, tout en étant capables de supporter des variations de température qui peuvent être rapides et de grande amplitude.

Ainsi, dans le cadre du prototype de réacteur nucléaire RNR-Na étudié par les inventeurs, les collecteurs 100 du circuit secondaire faisant circuler le sodium liquide subissent typiquement, en fonctionnement transitoire, des variations de température de 2 °C/s sur des plages de 185 °C allant de 345 °C à 530 °C, ou inversement de 530 °C à 345 °C. En effet, la température du sodium liquide en sortie du cœur du réacteur est de 530 °C. La température de l’azote « froid » pénétrant dans l’échangeur est de l’ordre de 310 °C.

L’épaisseur d’un collecteur de fluide est déterminée en fonction de la pression intérieure ou extérieure (selon les écoulements en jeu dans le circuit concerné) qu’il doit supporter. De plus, à pression constante, l’épaisseur des parois du collecteur doit augmenter avec le volume du collecteur.

Or, en fonction de l’épaisseur du collecteur mais aussi de sa conductivité thermique et de sa capacité massique, ce dernier peut être soumis à un fort différentiel de température entre sa paroi interne et sa paroi externe. Cet écart de température donne lieu à des dilatations différentielles et ainsi à des contraintes mécaniques.

Autrement dit, à matériaux identiques, plus l’épaisseur du collecteur est grande, plus le gradient thermique sera important.

Par conséquent, les parois du collecteur doivent être dimensionnées en fonction de la pression nominale de fonctionnement, mais elles doivent également être capables de supporter les contraintes d’origine thermique.

De manière plus précise, lorsqu’il n’est pas prévu d’enceinte dédiée à la circulation du gaz, les collecteurs de gaz du circuit tertiaire faisant circuler l’azote sont soumis directement à une pression interne et doivent être dimensionnés en tenant compte de situations dans lesquelles le débit d’azote chute rapidement. Dans ce cas de figure, le circuit tertiaire n’évacue plus d’énergie : la température au sein du module d’échangeur de chaleur s’homogénéise alors graduellement et atteint la température du sodium chaud, soit environ 530 °C.

Les inventeurs ont déterminé que, dans un tel cas de figure, la température du collecteur de sodium en sortie du module d’échangeur augmente d’environ 2 °C/s, passant de 345 °C à 530 °C en moins de 100 s. La température du collecteur 200 d’azote en sortie du module d’échangeur, qui n’est pas en contact avec le sodium, n’a pas le temps d’évoluer de manière significative dans cet intervalle de temps, en raison de son inertie thermique.

La figure 4 est un graphique montrant l’évolution sur une centaine de secondes de la température au sein des collecteurs d’azote et de sodium selon l’état de l’art. Dans cet exemple, la température du sodium augmente linéairement de 345 °C à 530 °C à une vitesse de 2 °C par seconde. Comme visible sur le graphique, la température dans le collecteur de sodium T_Na suit l’évolution de la température du sodium alors que la température au sein du collecteur d’azote T_N2 en sortie du module d’échangeur n’évolue pas de manière significative.

Ainsi cet écart de température entre le collecteur de gaz 200 et le module d’échangeur entraîne des dilatations différentielles, et donc des contraintes structurelles indésirables.

Un collecteur de gaz 200 prévu pour l’application visée par les inventeurs doit donc prendre en compte cette problématique de variation de température.

Les inventeurs ont étudié plusieurs géométries de collecteur 200 afin de remplir les exigences en termes de tenue mécanique et de contraintes thermiques, mais aucune de ces géométries n’a permis de respecter l’ensemble des contraintes de fonctionnement.

Les inventeurs ont également pensé à modifier localement les gradients de température au sein du collecteur en utilisant une protection thermique sur la paroi intérieure du collecteur. Cette solution n’a cependant pas donné satisfaction en raison du gradient de température excessif apparaissant entre les parois du collecteur et son embase, ce qui entraîne des contraintes générées par dilatation inacceptables.

Le brevet US 4291754A porte sur un échangeur de chaleur à plaques et à ailettes entre deux circuits de gaz et s’intéresse à la problématique de la gestion des contraintes d’origine thermique. Les collecteurs de cet échangeur sont chauffés ou refroidis par l’un des fluides circulant dans l’échangeur pendant le fonctionnement en régime transitoire, dans le but de contrôler la déformation structurelle des collecteurs d’origine thermique et les contraintes résultantes : le fluide circulant dans l’épaisseur du collecteur est le même que le fluide contenu dans le volume du collecteur, ce qui ne permet pas de répondre à la problématique de la présente invention.

La demanderesse a déjà proposé un collecteur de fluide garantissant à la fois une bonne distribution du fluide dans les canaux de circulation d’un module d’échangeur de chaleur et le respect des contraintes inhérentes aux conditions de fonctionnement strictes liées à l’application principale visée.

Ce collecteur est décrit et revendiqué dans la demande de brevet déposée en France le 9 novembre 2018 sous le n° FR1860347.

Un tel collecteur 200 est illustré en figure 5 et est notamment, mais pas exclusivement, destiné à faire circuler un gaz tel que de l’azote.

Un ensemble 300 comportant un collecteur 200 d’azote et un collecteur 100 de sodium est également représenté en figure 5.

Le collecteur 100 est destiné à être relié à la tuyauterie 101, qui est une tuyauterie d’entrée ou de sortie d’un module d’échangeur.

Le collecteur 200 est relié à un circuit de fluide par une tuyauterie 201 et à une embase 202. Des entrées 203 de canaux de circulation d’azote d’un module d’échangeur débouchent sur l’embase 202. Le collecteur 200 est un collecteur de sortie du module d’échangeur : le sens de circulation de l’azote est indiqué par les flèches blanches.

Le collecteur 200 est constitué d’une structure à trois coques 205, 212, 206, mais le collecteur peut être constitué plus généralement d’au moins deux coques. Deux coques adjacentes 206, 212 ou 212, 205 sont séparées par une pluralité de plots 207. Les plots s’appuient sur l’une et l’autre des coques adjacentes et permettent de garantir le respect des exigences de tenue mécanique.

Deux coques adjacentes délimitent donc un volume libre intérieur à la paroi du collecteur. Ce volume libre définit un circuit de refroidissement ou de chauffage au sein duquel un fluide va pouvoir circuler pour homogénéiser la température de la paroi du collecteur.

Le sodium liquide qui circule dans les volumes libres entre les coques 205, 212, 206 est prélevé en amont de l’entrée du module d’échangeur, avant de parvenir aux volumes libres par la tuyauterie 215. Le sodium liquide est évacué du collecteur 200 par la tuyauterie 216 qui traverse la paroi du collecteur de fluide 100 de son propre circuit en amont du module d’échangeur.

La circulation du sodium liquide dans les volumes libres définis entre coques du collecteur 200 permet donc de faire évoluer rapidement la température de ce dernier vers la température du sodium liquide.

Ainsi, grâce au collecteur de fluide 200, on évite les contraintes structurelles issues d’un gradient thermique d’ampleur importante entre le collecteur 200 et le module d’échangeur. Par conséquent, cela permet de limiter l’inertie thermique du collecteur, de gaz dans le cas décrit, par circulation du fluide de l’autre circuit, de sodium dans le cas décrit. La pression s’exerce de manière similaire au niveau de la paroi interne du collecteur.

Il présente néanmoins quelques inconvénients que l’on peut énumérer comme suite. Tout d’abord, le collecteur est rapporté sur le module d’échangeur, c’est-à-dire qu’il est assemblé avec ce dernier une fois celui-ci réalisé de préférence par Compression Isostatique à Chaud (CIC). L’assemblage complet du module d’échangeur peut donc s’avérer long.

Ensuite, il est nécessaire de réaliser un circuit spécifique 215, 216 pour alimenter le collecteur concerné.

Il existe donc un besoin pour améliorer encore les collecteurs de fluide existants, notamment pour obtenir des collecteurs qui soient d’assemblage plus aisé avec un module d’échangeur sans nécessiter l’utilisation d’un circuit spécifique et qui soient susceptibles de supporter des contraintes concomitantes importantes en termes de pression intérieure ou extérieure et de variation de température, lorsque la température de l’embase du collecteur et celle du collecteur sont susceptibles de diverger de manière importante.

Le but de l’invention est de répondre au moins partiellement à ce besoin.

Pour ce faire, l’invention a pour objet un module d’échangeur de chaleur à au moins deux circuits de fluides, notamment échangeur de chaleur de réacteur nucléaire, comprenant un empilement de plaques métalliques assemblées entre elles en définissant les canaux d’un premier circuit de fluide, la paroi périphérique de l’empilement délimitant le volume intérieur d’un collecteur d’un deuxième circuit de fluide, au moins un canal délimité par chaque plaque rainurée du premier circuit de fluide étant dévié par rapport aux autres canaux, en étant réalisé en partie dans la paroi périphérique de l’empilement de sorte que le fluide du premier circuit est destiné à constituer un fluide de chauffage ou de refroidissement du collecteur à la périphérie de ce dernier.

Selon une configuration avantageuse, le volume du collecteur peut être un demi-cylindre. Ce volume en demi-cylindre est destiné à tenir à la pression et présente également une bonne compacité vis-à-vis de l’intégration sur le module.

Pour améliorer encore le chauffage ou le refroidissement du collecteur, le canal dévié peut lui-même être divisé en au moins deux canaux dans la paroi périphérique.

De préférence, le collecteur est agencé sur un côté latéral de l’empilement de plaques.

Selon un premier mode de réalisation avantageux, l’empilement peut être constitué de plaques métalliques rainurées assemblées entre elles soit par compression isostatique à chaud (CIC), soit par compression uniaxiale à chaud (CUC), de sorte à obtenir un soudage par diffusion entre les plaques métalliques, soit par brasage.

Selon un deuxième mode de réalisation, l’empilement est constitué de plaques métalliques embouties assemblées entre elles par brasage.

L’invention concerne également un échangeur de chaleur entre un premier et un deuxième fluide pour réacteur nucléaire de type RNR-Na, comprenant une pluralité de modules d’échangeur de chaleur tel que décrit précédemment.

L’invention a aussi pour objet l’utilisation de l’échangeur de chaleur, le premier fluide, en tant que fluide primaire, étant un métal liquide, et le deuxième fluide, en tant que fluide secondaire étant un gaz ou un mélange de gaz

Le premier fluide peut être du sodium liquide et le deuxième fluide comprend principalement de l’azote, de préférence est constitué à 100% d’azote.

Le premier peut provenir d'un réacteur nucléaire.

L’invention concerne enfin une installation nucléaire comprenant un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du métal liquide, notamment du sodium liquide dit RNR-Na ou SFR et un échangeur de chaleur décrit ci-dessus.

Ainsi, l’invention consiste essentiellement à intégrer dans un module d’échangeur de chaleur un collecteur d’un des fluides qui circule dans le module lequel est assemblé par un empilement de plaques métalliques assemblées entre elles par soudage-diffusion, la paroi périphérique du collecteur étant parcouru également par l’autre des fluides.

De préférence, les plaques métalliques mises en œuvre pour l’empilement et l’assemblage mutuel sont en acier inoxydable austénitique 316, et encore plus préférentiellement du 316L, qui a pour avantages d’être compatible avec le sodium, de présenter un retour d'expérience favorable pour une utilisation dans le milieu nucléaire, ainsi que d’être intégré dans un code de dimensionnement pour matériel nucléaire (intégrant ses caractéristiques thermomécaniques selon les spécifications matières).

Autrement dit, selon l’invention, on ménage une circulation d’un des fluides, typiquement le sodium, dans la paroi périphérique du collecteur de l’autre fluide, typiquement du gaz, par le biais de canaux dans l’épaisseur de la paroi.

Ces canaux permettent de réchauffer ou de refroidir la paroi du collecteur, limitant ainsi l’écart entre la température moyenne du collecteur et le reste du module.

La mise en œuvre de canaux dans l’épaisseur de la paroi du collecteur permet de conserver la tenue à la pression, car on peut prévoir suffisamment de matière et une rigidité suffisante.

Le nombre de canaux dans l’épaisseur de la paroi permet à la fois de modifier la température moyenne du collecteur et donc de limiter l’écart de température avec le reste module, et également de limiter les gradients thermiques dans l’épaisseur de la paroi.

Le collecteur est directement intégré dans la géométrie des plaques empilées et assemblées entre elles pour la réalisation des modules d’échangeur et ne nécessite donc pas d’usinage supplémentaire, contrairement aux solutions selon l’état de l’art.

Le dimensionnement du collecteur, de sa paroi périphérique et du ou des canaux qui le traversent repose sur la limitation de la déformation progressive et la tenue à la pression et à la fatigue selon les règles de l’application visée.

L’invention s’applique à tout échangeur de chaleur à au moins deux circuits de fluide, notamment qui est soumis à une forte pression de fluide et/ou à de fortes variations de température.

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d’exemples de mise en œuvre de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes.

est une vue en perspective d’un module d’échangeur de chaleur liquide/ gaz, destiné à être mis en œuvre au sein d’un échangeur de chaleur sans enceinte gaz.

est une vue de coupe partielle et en perspective un collecteur de fluide assemblé sur un module d’échangeur tel que celui de la figure 1.

est une vue schématique en coupe partielle et en perspective d’un collecteur de fluide selon l’état de l’art en perspective des pièces d’une enveloppe externe d’un collecteur selon la demande de brevet FR1860347.

est un graphique comparant l’évolution des températures au sein d’un collecteur de sodium et d’un collecteur d’azote selon l’état de l’art.

est une vue en coupe partielle et en perspective d’un collecteur de fluide selon la demande de brevet FR1860347.

est une vue en perspective d’un module d’échangeur de chaleur liquide/ gaz avec collecteurs selon l’invention.

est une vue en perspective d’un échangeur de chaleur selon la figure 6 et en écorché au niveau d’un collecteur selon l’invention.

est une vue de dessus d’une première plaque métallique rainurée de l’empilement formant l’échangeur avec collecteur intégré selon l’invention, les canaux de cette première plaque formant les canaux de circulation du liquide de l’échangeur.

est une vue est une vue de dessus d’une deuxième plaque métallique rainurée de l’empilement formant l’échangeur avec collecteur intégré selon l’invention, les canaux de cette deuxième plaque formant les canaux de circulation du gaz de l’échangeur.

est une représentation d’une modélisation numérique montrant le champ de température, en fin de transitoire, au niveau d’une portion de plaque à collecteur intégré à titre de référence, dans la paroi duquel aucun fluide ne circule.

est une courbe montrant l’évolution de la température en fin de transitoire, le long de la paroi du collecteur intégré selon la figure 10.

est une courbe montrant l’évolution de la température minimale et maximale du modèle numérique au cours du transitoire.

est une représentation montrant le chargement thermique imposé pour réaliser les simulations numériques selon la figure 10.

est une représentation d’une modélisation numérique montrant les contraintes élastiques (Pa) en fin de transitoire au niveau d’une portion de plaque à collecteur intégré selon la figure 10.

est une représentation d’une modélisation numérique montrant le champ de température (°C), en fin de transitoire, au niveau d’une portion de plaque à collecteur intégré selon l’invention, dans la paroi duquel le fluide circule.

est une courbe montrant l’évolution de la température minimale et maximale (°C) du modèle numérique au cours du transitoire, en paroi du collecteur intégré selon la figure 15.

une représentation d’une modélisation numérique montrant les contraintes élastiques (Pa) en fin de transitoire au niveau d’une portion de plaque à collecteur intégré selon la figure 15.

Description détaillée

Dans l’ensemble de la présente demande, les termes « entrée », « sortie », « aval » et « amont » sont à comprendre en référence au sens de circulation de l’un ou l’autre des deux fluides à travers l’échangeur de chaleur selon l’invention.

Par souci de clarté, les mêmes références désignent les mêmes éléments à la fois pour un collecteur de fluide selon l’état de l’art déjà décrit en référence aux figures 1 à 4, et pour un collecteur de fluide selon l’invention décrit en référence aux figures 5 à 9.

Les figures 1 à 5 ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont donc pas détaillées ci-après.

Les inventeurs ont cherché à concevoir un collecteur de fluide qui présente les mêmes avantages que celui décrit à la figure 5, à savoir garantir à la fois une bonne distribution du fluide dans les canaux de circulation d’un module d’échangeur de chaleur et le respect des contraintes inhérentes aux conditions de fonctionnement strictes liées à l’application principale visée, tout en supprimant ses inconvénients de temps d’assemblage avec le reste du module.

Ils ont ainsi pensé à réaliser un module 1 d’échangeur de chaleur comme montré en figure 6, et utilisé à titre d’exemple dans le cadre d’un échange sodium liquide(Na)/azote (N₂).

Comme visible, ce module 1 qui s’étend selon un axe central (X), intègre deux collecteurs 200 d’admission de l’azote sur les deux côtés latéraux en bas du module, ainsi que deux collecteurs 200 de sortie de l’azote sur les deux côtés latéraux en haut du module.

Le module 1 comprend également un collecteur 100 d’admission du sodium selon l’axe X du module sur le dessus de ce dernier et un collecteur 100 de sortie du sodium également selon l’axe X du module mais sur le dessous.

Ces deux collecteurs 100 sont rapportés comme usuellement sur le module 1.

A part ces deux éléments 100 rapportés, le module 1 est constitué d’un empilement de plaques métalliques rainurées assemblées entre elles par soudage-diffusion de préférence selon une technique de CIC.

Plus précisément, l’empilement est un empilement alterné de plaques 60 comme montrée en figure 8, et de plaques 62 comme montrée en figure 9.

Comme visible sur ces figures, selon l’invention, une partie de la hauteur d’un collecteur d’azote 200 (admission ou sortie) est intégrée directement dans une des plaques 60, 62, ce qui évite ainsi une soudure comme pour le collecteur 100. La hauteur totale du collecteur est donc la somme de toutes les parties de collecteur empilées et assemblés.

Plus précisément, une plaque 60 est usinée et comprend des rainures 600 qui vont délimiter avec une plaque 61 adjacente les canaux de circulation de sodium.

Selon l’invention, au moins un de ces canaux 601 est dévié ou bifurqué dans l’épaisseur de la paroi périphérique 62 du collecteur.

De préférence, comme montré en figure 8, le canal dévié/bifurqué 601 est lui-même divisé en deux canaux 602, 603 parallèles entre eux dans l’épaisseur de la paroi périphérique.

Une plaque 61 est également usinée et comprend des rainures 604 qui vont délimiter avec une plaque 60 adjacente les canaux de circulation d’azote de préférence à contre-courant de la circulation de sodium liquide. La paroi périphérique 63 du collecteur au niveau d’une telle plaque 61 est pleine et n’est donc pas traversée par une circulation de sodium.

Comme explicité par la suite, le canal 601 dévié, et les canaux 602 et 603 issus d’une division du canal 601, vont permettre de réchauffer ou refroidir le collecteur d’azote 200 puisque le sodium liquide va circuler à sa périphérie dans lesdits canaux.

Comme montré, la géométrie des canaux 601, 602, 603 est avantageusement identique à celle des canaux 600 dans le module, afin de simplifier les études et la fabrication. Toutefois, la géométrie de ces canaux 601, 602, 603 peut être adaptée en fonction des contraintes thermo-hydrauliques (performances d’échange thermique, contraintes hydrauliques).

La figure 8 montre une déviation ou bifurcation des canaux 600 en amont du collecteur, pour des contraintes d’intégration du circuit dans le module. Cette déviation/bifurcation ne modifie la section des plaques du côté de l’azote et au niveau de la paroi intérieure du collecteur qui elle est pleine.

Le nombre de canaux dans l’épaisseur et les épaisseurs de paroi périphériques les séparant sont à adapter en fonction des conditions requises pour la tenue à la pression et des contraintes thermiques maximales à respecter. Ainsi, le nombre de canaux permettra à la fois de limiter la dilatation différentielle du collecteur par rapport au module mais également de limiter les gradients thermiques dans l’épaisseur de la paroi (soit les deux sources de contraintes thermiques identifiées précédemment). Cette adaptabilité permet d’envisager toute valeur d’épaisseur de structure, y compris les fortes épaisseurs.

La rigidité est apportée par la densité de matière par rapport au volume de la paroi (soit par la géométrie des canaux et leur nombre, l’épaisseur totale de la paroi du collecteur et les épaisseurs de plaques).

Ainsi, la circulation du fluide dans la paroi permet de minimiser les gradients thermiques dans l’épaisseur et les dilatations différentielles du collecteur par rapport au module lors de régime de transitoire thermique.

Les canaux déviés/bifurqués 601, 602, 603 présentent une résistance hydraulique associée supérieure à celle des canaux 600 du module avec des risques de déséquilibre hydraulique (sous-alimentation) et thermique. Des solutions peuvent être envisagées pour résoudre cet écart si ce dernier est problématique : par exemple, on peut envisager une modification de la géométrie des canaux déviés/bifurqués 601, 602, 603, un réglage de la perte de charge des autres canaux 600, une réduction de la longueur hydraulique par rapport aux autres canaux 600.

L’intégration du collecteur gaz 200 dans l’empilement alterné de plaques 60,61 ne modifie pas ses performances hydrauliques, c’est-à-dire la distribution et sa résistance hydraulique) du collecteur d’azote 200 puisqu’on peut conserver une section de passage comme dans les collecteurs rapportés selon l’état de l’art. De même, les performances d’échange du module d’échangeur ne sont pas modifiées car seule une faible fraction de débit de sodium est déviée/bifurquée et l’échange thermique a toujours lieu dans le collecteur 200.

En fonctionnement normal, l’échange thermique des canaux déviés/bifurqués 601, 602, 603 est différent de celui des autres canaux 600, 604 du module (surface d’échange différente, vitesse de circulation du gaz éventuellement plus faible). Etant donné que ces canaux 601, 601, 603 sont intégrés au module, ils peuvent entrainer un déséquilibre thermique mais qui peut tout-à-fait être compensé aisément par le réglage des conditions d’échange thermo-hydraulique dans les canaux.

En ce qui concerne le dimensionnement, la paroi périphérique 61, 63 du collecteur 200 doit tout d’abord être dimensionnée sous chargement constant. Il s’agit de dimensionner le collecteur à la pression nominale de fonctionnement (épaisseur minimale nécessaire). Une fois la géométrie validée sous chargement constant, la seconde étape consiste à valider la tenue aux chargements thermiques identifiés précédemment selon les règles de l’art pour le dimensionnement des composants du réacteur.

Afin de minimiser l’épaisseur vis-à-vis de la tenue en pression tout en tenant compte des contraintes d’intégration sur le module et des contraintes hydrauliques, une section de passage en demi-cylindre, comme montré sur les figures 8 et 9 est préférée. Le diamètre est pris à la plus faible valeur possible de sorte qu’elle soit approximativement celle donnée par les canaux 604 débouchant du module dans le collecteur.

Avec cette géométrie, une épaisseur de paroi périphérique 61, 63 est déterminée.

A partir de cette dimension, le calcul du champ de température au niveau d’une portion de plaque 60’, en fin de transitoire montre que la température du collecteur d’azote 200 en sortie du module d’échangeur, qui n’est pas en contact avec le sodium, n’a pas le temps d’évoluer de manière significative dans l’intervalle de temps du transitoire, en raison de son inertie thermique et de sa géométrie. Cela est montré en figures 10, 11 et 12.

On précise que le calcul associé aux figures 10, 11 et 12 est un calcul de thermique transitoire simplifié où initialement seule une portion d’une plaque 60’ est modélisée, cette portion correspondant à la zone relativement froide du module (collecteurs en sortie de sodium et en entrée de gaz). Le collecteur de sodium 100 n’a quant à lui pas été modélisé.

Le chargement thermique correspond à une rampe de température de 1,9°C/s entre 345°C et 530°C (voir simulation en figure 13). Cette rampe montrée en figure 12 est appliquée de manière uniforme sur la portion de la plaque 60’ correspondant au module. Cette simplification est justifiée à la fois par un coefficient d’échange par convection au niveau des canaux de sodium 600 très largement supérieur à celui des canaux de gaz 604 et par des structures relativement fines au niveau du module donc d’inertie thermique faible. Ceci conduit à une température de structure du module pilotée par le sodium liquide.

A contrario, le débit d’azote étant très faible, on peut simplifier le chargement thermique au niveau du collecteur d’azote 200 en considérant l’hypothèse que les parois intérieure et périphérique 61, 63 de ce dernier sont adiabatiques. Ces simplifications conduisent également à ne pas modéliser explicitement les canaux de circulation de l’azote 604 et ceux 600 du sodium, car ils n’ont pas d’impact sur le champ de température.

Ainsi, l’écart de température entre le collecteur de gaz 200 et le reste de module d’échangeur entraîne des dilatations différentielles, et donc des contraintes structurelles indésirables.

Un calcul mécanique permet de corroborer cela. Ce calcul de type linéaire élastique est réalisé à partir du champ de température seul, c’est-à-dire sans prise en compte de la pression et sur la même géométrie de portion de plaque 60’ (contraintes dues aux dilatations différentielles seules). Les conditions aux limites prennent en compte des symétries au niveau de la plaque 60’ et un empilement infini de plaques.

La figure 14 donne les contraintes élastiques de la portion de plaque 60’ en fin de transitoire. Ces contraintes sont importantes dans la paroi périphérique 63 du collecteur, avec une flexion induite de cette paroi par la dilatation supérieure du reste du module par rapport à de cette dernière.

Les calculs expliqués ci-avant sont repris pour une portion de plaque 60 intégrant deux canaux 602, 603 dans la paroi périphérique 61 du collecteur 200. Ici encore, la géométrie est simplifiée : les canaux 600 du module ne sont pas représentés explicitement pour les mêmes raisons, seuls les deux canaux 602, 603 de la paroi périphérique 61 du collecteur sont modélisés.

Au niveau de ces canaux 602, 603, compte tenu du coefficient d’échange très élevé entre le sodium et la paroi périphérique 61, la température de la paroi est imposée à celle du sodium. Ainsi, une rampe de température de 345°C à 530°C à 1,9°C/s est imposée en paroi 61 des canaux 602, 603, comme pour le reste du module. Les parois intérieures et périphériques du collecteur restent adiabatiques.

Les résultats du calcul sont donnés sur les figures 15 à 17 et ils montrent un écart nettement réduit entre la paroi périphérique 61 du collecteur et le reste du le module

Le graphique de la figure 16 montre un écart de l’ordre de 59°C entre la température maximale, ce qui correspond à la température imposée soit celle au niveau de la paroi périphérique 61 des canaux 602, 603 et du reste du module, et la température minimale qui est le résultat de l’inertie thermique de la structure. Cet écart se stabilise en fin de transitoire. Cet écart est observé au niveau de la paroi périphérique 61 du collecteur entre la température minimale et les canaux 602, 603, il correspond donc au gradient dans la paroi.

On rappelle que cet écart n’était pas stabilisé en fin de transitoire dans la configuration initiale avec la portion de plaque 60’.

L’écart de température entre le reste du module et la paroi périphérique 61 du collecteur peut être obtenu en comparant la température du reste du module et la température moyenne d’une section de la paroi 61. Cet écart est alors de 37°C. A titre de comparaison, il était de 185°C dans le cas de la configuration initiale (portion de plaque 60’).

Un calcul de mécanique en modèle linéaire élastique est réalisé à partir du champ de température précédent. Les résultats sont donnés dans la figure 17. Ils peuvent être comparés à ceux obtenus à partir du modèle sans canaux dans la paroi du collecteur (portion de plaque 60’).

Le niveau maximal de contrainte élastique (contrainte thermique) passe de 922 MPa à 447 MPa, avec un champ de température correspondant à celui atteint en fin de transitoire. Cette diminution met en évidence l’impact de la solution selon l’invention à savoir la bifurcation de canaux 602, 603 dans l’épaisseur de la paroi périphérique 61, 63 du collecteur d’azote 200. Les contraintes dans cette paroi peuvent également être réduites en augmentant le nombre de canaux.

Dans les calculs précédents, les canaux 602, 603 sont positionnés de manière à optimiser globalement les gradients dans l’épaisseur de la paroi 61, avec une distance entre les canaux 602, 603 parallèles qui est égale à deux fois celle du bord de la paroi 61 au canal le plus proche.

D’autres variantes et améliorations peuvent être apportées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Claims (11)

1. Module (1) d’échangeur de chaleur à au moins deux circuit de fluides, notamment échangeur de chaleur de réacteur nucléaire, comprenant un empilement de plaques métalliques (60, 61) assemblées entre elles en définissant les canaux (600) d’un premier circuit de fluide (Na), la paroi périphérique (61, 63) de l’empilement délimitant le volume intérieur d’un collecteur d’un deuxième circuit de fluide (N₂), au moins un canal (601) délimité par chaque plaque rainurée du premier circuit de fluide étant dévié par rapport aux autres canaux, en étant réalisé en partie dans la paroi périphérique de l’empilement de sorte que le fluide du premier circuit est destiné à constituer un fluide de chauffage ou de refroidissement du collecteur à la périphérie de ce dernier.
2. Module d’échangeur de chaleur selon la revendication 1, le volume du collecteur étant un demi-cylindre.
3. Module d’échangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, le canal dévié (601) étant lui-même divisé en au moins deux canaux (602, 603) dans la paroi périphérique.
4. Module d’échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 3, le collecteur étant agencé sur un côté latéral de l’empilement de plaques.
5. Module d’échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 4, l’empilement étant constitué de plaques métalliques rainurées assemblées entre elles soit par compression isostatique à chaud (CIC), soit par compression uniaxiale à chaud (CUC) de sorte à obtenir un soudage par diffusion entre les plaques métalliques, soit par brasage.
6. Module d’échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 4, l’empilement étant constitué de plaques métalliques embouties assemblées entre elles par brasage.
7. Echangeur de chaleur entre un premier et un deuxième fluide pour réacteur nucléaire de type RNR-Na, comprenant une pluralité de modules d’échangeur de chaleur (1) selon l’une des revendications 1 à 6.
8. Utilisation d’un échangeur de chaleur selon la revendication précédente, le premier fluide, en tant que fluide primaire, étant un métal liquide, et le deuxième fluide, en tant que fluide secondaire étant un gaz ou un mélange de gaz.
9. Utilisation selon la revendication 8, le premier fluide étant du sodium liquide et le deuxième fluide comprenant principalement de l’azote.
10. Utilisation selon la revendication 8 ou 9, le premier fluide provenant d'un réacteur nucléaire.
11. Installation nucléaire comprenant un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du métal liquide, notamment du sodium liquide dit RNR-Na ou SFR et un échangeur de chaleur selon la revendication 10.