EP4639062A1 - Module d'échangeur de chaleur à plaques à canaux dont ceux d'un circuit intègrent au moins une zone d'alimentation et de distribution de fluide formée par des plots et ceux de l'autre circuit sont délimités par la surface plane de plaque et des bords en surépaisseur - Google Patents

Module d'échangeur de chaleur à plaques à canaux dont ceux d'un circuit intègrent au moins une zone d'alimentation et de distribution de fluide formée par des plots et ceux de l'autre circuit sont délimités par la surface plane de plaque et des bords en surépaisseur

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EP4639062A1
EP4639062A1 EP23817739.8A EP23817739A EP4639062A1 EP 4639062 A1 EP4639062 A1 EP 4639062A1 EP 23817739 A EP23817739 A EP 23817739A EP 4639062 A1 EP4639062 A1 EP 4639062A1
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EP
European Patent Office
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fluid
plate
collector
circuit
channels
Prior art date
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Application number
EP23817739.8A
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German (de)
English (en)
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EP4639062B1 (fr
EP4639062C0 (fr
Inventor
Xavier JEANNINGROS
Lionel Cachon
Emmanuel Rigal
Sébastien Vincent
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Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
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    • F28F2275/06—Fastening; Joining by welding
    • F28F2275/067—Fastening; Joining by welding by laser welding

Definitions

  • Channel plate heat exchanger module of which those of one circuit integrate at least one fluid supply and distribution zone formed by pads and those of the other circuit are delimited by the flat plate surface and extra thickness edges.
  • the present invention relates to a heat exchanger module with a stack of metal plates, integrating at least two fluid circuits.
  • the invention relates more particularly to the production of a new type of heat exchanger module to reduce pressure losses without harming the uniformity of the distribution of the different internal fluid circulation channels, and while ensuring both good thermal efficiency and satisfactory thermomechanical loading.
  • heat exchangers comprise either a single or at least two circuits with internal fluid circulation channels.
  • single-circuit exchangers heat exchanges take place between the circuit and a surrounding fluid in which it is bathed.
  • exchangers with at least two fluid circuits heat exchanges take place between the two fluid circuits.
  • Chemical reactors which implement a continuous process according to which a small quantity of co-reactants is simultaneously injected at the inlet of a first fluid circuit, preferably equipped with a mixer, and we recover the chemical product obtained at the outlet of said first circuit.
  • some include a second fluid circuit, usually called utility, and whose function is to thermally control the chemical reaction, either by providing the heat necessary for the reaction, or on the contrary by evacuating the heat released by the reaction. -this.
  • Such chemical reactors with two fluid circuits with utility are usually called exchanger-reactors.
  • the present invention concerns both the production of heat exchanger modules with a sole thermal exchange function and integrating two fluid circuits as well as the production of exchangers-reactors. Also, by “heat exchanger module with at least two fluid circuits”, it is necessary to understand in the context of the invention, both a heat exchanger module with a function only of thermal exchanges and an exchanger -reactor.
  • the main use of an exchanger module between two fluids according to the invention is its use with water as one of the two fluids. H can advantageously be an exchange between liquid water and liquid water.
  • the main application targeted by an exchanger module according to the invention is the exchange of heat between liquid water of a primary circuit, and a secondary circuit of a pressurized water nuclear reactor (PWR) of small or medium power type or SMR in English (acronym for “Small Modular Reactor”), with heat-generating vocation.
  • PWR pressurized water nuclear reactor
  • heat-producing we mean here and in the context of the invention, a nuclear reactor whose power is mainly dedicated to the supply of heat.
  • the power of a heat-producing reactor can be 100% to provide heat. A small part of its power can still be used to provide electricity.
  • a heat exchanger module according to the invention can also be implemented in any other application requiring an exchange between two fluids, such as a liquid and a gas, preferably when it is necessary to have a compact exchanger. and high thermal power.
  • primary fluid we mean in the context of the invention, the usual meaning in thermal, namely the hot fluid which transfers its heat to the secondary fluid which is the cold fluid.
  • secondary fluid in the context of the invention, the usual meaning in thermal, namely the cold fluid to which the heat of the primary fluid is transferred.
  • the primary fluid is the liquid water of the primary circuit of a PWR reactor
  • the secondary fluid is the liquid water of the secondary circuit of said PWR reactor
  • Known tube exchangers are for example tube and shell exchangers, in which a bundle of straight or curved tubes in the shape of a U or in the shape of a helix is fixed on pierced plates and arranged inside an enclosure waterproof called grille.
  • these tube and shell exchangers one of the fluids circulates inside the tubes while the other fluid circulates inside the shell.
  • These tube and shell exchangers have a large volume and are therefore of low compactness.
  • Existing so-called plate heat exchangers have significant advantages over existing so-called tube heat exchangers, in particular their thermal performance and their compactness thanks to a ratio of the surface area to the volume of heat exchange favorably pupil.
  • Compact plate exchangers are used in many industrial fields. In this field of compact plate exchangers, numerous elementary shapes defining heat exchange patterns have been developed.
  • plate exchangers incorporating fins in which a heat exchange pattern is defined by a structure delimited by fins, the structures being attached between two metal plates and can have very varied geometries.
  • the exchange reason may be different between one of the two fluid circuits of the exchanger and the other.
  • the assembly between metal plates is usually done by brazing, or by diffusion welding.
  • Corrugated or corrugated plate exchangers are also known.
  • the undulations are created by stamping a plate separating the two fluid circuits.
  • the exchange pattern is identical for each of the two fluid circuits.
  • the flow of fluids generated by this type of exchange pattern is three-dimensional and, therefore, very efficient.
  • the assembly between plates is done either by bolted connection or by their peripheral welding (conventional welding, or by diffusion welding).
  • plate exchangers with machined grooves are known, the machining being mechanical or carried out electrochemically.
  • the channels defined by the machining are of millimeter section and are most often continuous and according to a regular zigzag profile.
  • the plates are assembled by diffusion welding, in particular by hot isostatic compression (CIC) allowing welding on all contact points between two adjacent plates. This type of machined groove plate exchanger is therefore intrinsically very resistant to pressure.
  • the heat exchangers between the primary and secondary circuits of a heat-producing PWR reactor are arranged on the periphery of the reactor vessel, these components being immersed in a basin of water as the secondary circuit fluid.
  • the circulation of water in the primary and secondary circuits is carried out by natural convection, without a pump.
  • the circulation of the primary fluid is obtained by thermosyphon and that of the secondary fluid is obtained by creating a thermocline within the water basin.
  • the inventors of the present application had to design the exchangers between primary and secondary circuits according to this architecture.
  • plate exchangers assembled by hot isostatic compression presented various advantages as exchangers between primary and secondary circuits of the aforementioned reactor, in particular due to the fact that compared to tube and shell exchangers, they are often more compact and less sensitive to vibrations.
  • the calculations carried out indicate that the pressure loss obtained in the secondary circuit is 2455 Pa, including 1055 Pa in the zone of grooved exchange channels and 1400 Pa in the inlet and outlet precollectors.
  • the invention relates to a heat exchanger module with at least two fluid circuits, of longitudinal axis comprising a stack of plates defining at least two fluid circuits, at least a part of the plates comprising each of the channels of fluid circulation, in which:
  • the first fluid • at least one zone for supplying and distributing the fluid, called the first fluid, from outside the stack, forming a pre-collector of the first fluid, in which the channels are delimited, for each plate, by studs solids distributed over the plate surface and open out at one of the longitudinal ends of the plate,
  • the second fluid • at least one zone for supplying and distributing the fluid, called the second fluid, from outside the stack, forming a pre-collector for the second fluid, in which the single channel is delimited, for each plate, by the flat central surface of the plate, a lateral edge with excess thickness relative to the flat surface of the plate and the two discontinuous longitudinal edges with the same excess thickness relative to the flat surface of the plate as the lateral edge,
  • the module comprises two pre-collectors of the first circuit, each arranged at one of the longitudinal ends of the stack, one of the two pre-collectors forming a fluid inlet pre-collector , the other forming a fluid outlet precollector.
  • the module comprises at least at one of the longitudinal ends of the stack, a fluid collector opening onto a lateral base of the stack onto which the channels of the pre-collector of the first circuit open but not those of the pre-collector of the second circuit.
  • the module advantageously comprises at one of the longitudinal ends, a fluid collector forming the inlet collector of the first circuit and at the other of the longitudinal ends, a fluid collector forming the outlet collector of the first circuit .
  • the module comprises on a lateral side of the stack, a fluid collector crossing the stack transversely to the axis (X) and opening onto the channels of the pre-collector of the second circuit but not on those of the first circuit.
  • the module advantageously comprises on each lateral side of the stack, a fluid collector forming the output collector of the second circuit.
  • the pads are uniformly distributed staggered on the plate surface of the pre-collector, in a triangular pattern.
  • the pads are uniformly distributed on the plate surface of the pre-collector in a rectangular or square pattern.
  • the pads are of generally cylindrical shape.
  • the channels of the exchange zone of the first circuit are straight, parallel to each other and extend parallel to the longitudinal axis (X).
  • the invention also relates, according to a first alternative, to a method of manufacturing an exchanger module which has just been described, comprising the following steps: al/ producing a plurality of at least two metal plates each including:
  • the first fluid • at least one supply and distribution zone of the first fluid, called the first fluid, forming a pre-collector of the first fluid, in which the channels are delimited by solid pads distributed over the plate surface and open to one longitudinal ends of the plate, • an exchange zone continuous with the pre-collector in which the channels are each delimited by a groove separated from each other by a rib;
  • the invention also relates, according to a second alternative, to a method of manufacturing an exchanger module which has just been described, comprising the following steps: a2Z production of a plurality of at least two metal plates comprising each:
  • the first fluid • at least one supply and distribution zone of the first fluid, called the first fluid, forming a pre-collector of the first fluid, in which the channels are delimited by solid pads distributed over the plate surface and open to one longitudinal ends of the plate,
  • the second fluid • at least one supply and distribution zone of the second fluid called the second fluid, forming a pre-collector of the second fluid, in which the single channel is delimited by the flat central surface of the plate,
  • the invention also relates to the use of the heat exchanger as described above, the fluid of the first circuit, as primary fluid, being liquid water and the fluid of the second circuit, as secondary fluid, being also liquid water.
  • the fluid from the first or second circuit can come from a nuclear reactor.
  • the invention also relates to a nuclear installation comprising a pressurized water nuclear reactor, in particular of the SMR type and comprising a plurality of exchanger modules such as that described above
  • the invention essentially consists of producing an exchanger module with stacked plates or produced by additive manufacturing, of which at least one of the pre-collectors of one of the fluid circuits, called the first circuit, is produced with pads distributed over the plate surface which delimits the channels in which the fluid circulates before reaching its heat exchange zone and the other of the fluid circuits, said second circuit is delimited only by the flat surface of a plate and the lateral edges and discontinuous longitudinal sections in excess of the flat surface.
  • the pads of the first circuit and the extra-thickness edges of the second circuit guarantee the pressure resistance of the plates while having low thermal inertia.
  • the pads make it possible to guarantee homogeneous distribution of the fluid by minimizing the addition of pressure losses, independently of the geometry of the channels in the heat exchange zone.
  • the geometric shapes and distributions of the pads can be modified as desired to control the distribution of the fluid depending on the intended application and its constraints, particularly temperature and pressure.
  • the pads make it possible to define the geometries of exchanger modules with an inlet and outlet of fluid on the same longitudinal face of the module to obtain a side-by-side arrangement of modules and minimize the lengths of piping between them.
  • FIG 1 is a perspective and partial cutaway view of an exchanger module according to the invention with its collectors, Figure 1 showing a main face of a plate whose channels and pads are dedicated to the circulation of liquid water as the primary fluid.
  • Figure 2 is a front view showing one of the main faces of a plate whose channels and pads are dedicated to the circulation of liquid water as a primary fluid.
  • FIG 3 is a front view showing the other of the main faces of the plate according to Figure 2, the flat surface of which is dedicated to the circulation of liquid water as a secondary fluid.
  • FIGs 4A, 4B are perspective views showing steps of a first method of manufacturing an exchanger module according to the invention.
  • FIG 5 is a perspective view of an exchanger module according to the invention manufactured according to a second manufacturing process.
  • Figure 6 is a perspective view of a longitudinal comb implemented on one of the longitudinal edges of an exchanger module during its manufacture according to the second process.
  • FIG 7 is a partial perspective view showing the implementation of the longitudinal comb according to Figure 6 within a stack in order to form an exchanger module according to the invention.
  • FIG 8 is a perspective view of a side comb implemented on one of the longitudinal edges of an exchanger module during its manufacture according to the second process.
  • Figure 9 is a partial perspective view showing the implementation of the side comb according to Figure 8 within a stack in order to form an exchanger module according to the invention.
  • FIG 10 is a perspective and partial cutaway view of an exchanger module according to the invention without its collectors, Figure 10 illustrating the circulation of the primary fluid within the module.
  • FIG 11 is a perspective and partial cutaway view of an exchanger module according to the invention without its collectors, Figure 11 illustrating the circulation of the secondary fluid within the module.
  • the exchanger module M is described as an exchanger module between liquid water as a primary circuit fluid (Fl) and also liquid water as a secondary circuit fluid (F2) of an SMR type PWR nuclear reactor.
  • FIG 1 there is therefore shown a heat exchanger module M according to the invention with two fluid circuits, which is implemented by way of example for an exchange between liquid water (Fl), in as primary fluid and liquid water (F2), as secondary fluid in which the module M can be immersed.
  • Fl liquid water
  • F2 liquid water
  • the module M consists of a stack of metal plates 1 assembled together first in layers by diffusion welding preferably using a CIC technique then by laser welding between them or by insertion of combs in the stack then by compression uniaxial hot, as detailed below.
  • Module M can also be produced by additive manufacturing. As visible in this figure 1, this module M which extends along a central axis (X), integrates two collectors 11, 12 respectively for inlet and outlet of the liquid water of the primary fluid (Fl), one being arranged on top of the module along the X axis and the other also being arranged along the X axis of the module but on the bottom. As detailed below, each of the collectors 11, 12 opens onto a side base of the stack of plates 1 onto which the channels of the fluid circuit Fl open but not those of the secondary fluid circuit F2.
  • the module M also includes two outlet collectors 22 for the fluid F2, arranged on either side of the inlet collector 11 for the fluid Fl at the top of the module.
  • the module M does not include fluid inlet collectors F2 as such, the latter entering directly into the secondary circuit inlet pre-collector from the bottom of the module, as detailed below.
  • the module M according to the exchanger comprises a plurality of plates 1 stacked together, one main face 10 of which delimits the circulation of the fluid Fl and the other main face 20 of which, opposite the main face 10, delimits the circulation of the fluid F2, the arrows symbolizing the circulation of each of the fluids in each plate concerned.
  • Figure 2 shows the main face 10 of a plate 1, dedicated to the circulation of FL
  • the main face 10 comprises two supply and distribution zones ZH each forming a fluid pre-collector, arranged on either side of a heat exchange zone ZE.
  • the channels 13 of a pre-collector ZH are delimited by solid cylindrical pads 14 distributed over the plate surface.
  • the solid cylindrical pads 14 are uniformly distributed staggered on the surface of the main face 10 at the pre-collector level. More precisely, this staggered distribution is made according to an identical triangular pattern over the entire surface of the main face 10 at the level of the pre-collector ZH. A distribution in a triangular pattern allows better filling of the volume of the pre-collector by the pads 14 and is preferred to ensure the pressure resistance of the exchanger module.
  • the channels 13 delimited by the solid cylindrical pads 14 open onto the channels 15 of the heat exchange zone ZE which is continuous with the pre-collector.
  • the channels 15 of the exchange zone are each delimited by a groove 15 separated from each other by a rib 16 and extend along the longitudinal axis (X). Preferably, as shown, they are straight, parallel to each other and extend parallel to the longitudinal axis (X) of module 1.
  • two adjacent plates 1 with cylindrical studs 14 whose height represents part of the height of a channel 13, are intended to be assembled together with their main faces 10 facing one of the the other to form a sheet 3, the total height of the fluid circulation channel being that cumulative of the pads 14 of the two plates 1 in continuity with one another.
  • the arrangement of the pads 14 makes it possible to guarantee the pressure resistance of the plates 1.
  • the pads 14 make it possible to guarantee a homogeneous distribution of the primary fluid Fl, i.e. liquid water, independently of the geometry of the channels 15 of their heat exchange zone ZE while presenting low thermal inertia and minimizing the addition of pressure losses.
  • the studs 14 are sized to guarantee pressure resistance.
  • the liquid water Fl is supplied from the tubular inlet collector 11 to be distributed from the inlet 100 of the channels 13 delimited by the pads 14.
  • the liquid water Fl circulates in the channels 13 around the pads 14 of the inlet pre-collector, to reach the channels 15 of the heat exchange zone ZE then circulates around the pads 14 of the pre-collector outlet to be evacuated through the outlet 101 of the channels 13 then recovered by the tubular outlet collector 12.
  • Figure 3 shows the main face 20 of a plate 1, dedicated to the circulation of F2.
  • the main face 20 is opposite the main face 10 of a plate 1.
  • the main face 20 comprises two supply and distribution zones ZH each forming a fluid pre-collector, arranged on either side of a heat exchange zone ZE.
  • This main face 20 is delimited by two lateral edges 24, 25 in excess of the flat surface 23 and by two discontinuous longitudinal edges 27, 28, that is to say not continuous between the two side edges 24, 25, and which have the same extra thickness as that of the side edges 24, 25.
  • the single channel 23 of a pre-collector Zu is delimited by the flat central surface 23 of the plate, an extra-thickness lateral edge 24 or 25 and the two longitudinal edges 27, 28.
  • the single channel 23 of the exchange zone ZE is, for its part, delimited by the flat central surface 23 and the two discontinuous longitudinal edges 27, 28.
  • the distance between the lateral edge 24 or 25 and one of the discontinuous longitudinal edges 27 or 28 in excess defines an inlet opening 200 or outlet 201 of the fluid F2.
  • the liquid water F2 is supplied from the inlet openings 200 which constitute a sort of inlet collector, then into the 'single channel 23 of flat surface.
  • the fluid F2 is then directed and guided by the longitudinal edges 27, 28 from the inlet pre-collector, to reach the single channel 23 of flat surface of the heat exchange zone ZE then is directed and guided by the lateral edge 25 of the outlet pre-collector to be evacuated through the outlet openings 201 then to be recovered by the two outlet collectors 22.
  • thermo-hydraulic dimensioning of an exchanger module 1 according to the invention by computational fluid mechanics (CFM) calculations (in English "Computational Fluid Dynamics” acronym CFD).
  • Table 2 below explains the geometries of exchange channels on the overall dimensions of an exchanger module M meeting the desired operating conditions for application to an SMR type PWR nuclear reactor, as indicated in Table 1 mentioned in the preamble. [Table 2]
  • an exchanger module M is intended to be immersed in a basin of water which constitutes part of the secondary fluid circuit.
  • the only pressure acting on the walls of the stack of the secondary fluid circuit corresponds to the isostatic pressure and the pressure losses.
  • an exchanger module M receives a secondary fluid with admission speeds, that is to say at the inlet openings 200, which are extremely low. This also validates the deletion of any pad in the precollector.
  • layers 3 each consisting of two plates 1 mirrored, that is to say in contact by their pads 14 of their main faces 10, then assembled by CIC.
  • the height of the inlet 100 and outlet 101 openings of the primary fluid Fl as well as that of the channels 13, 15 within the inlet and outlet pre-collectors and the exchange zone is determined by the height of the pads 14 and ribs (isthmus) 16.
  • the layers 3 are stacked on top of each other with two end plates 5 at the ends of the stack 4 defining the exchanger module M.
  • FIGS 10 and 11 illustrate the circulation of the primary fluids Fl and secondary F2 within the assembled stack of layers and end plates 5 of an exchanger module M according to the invention, without its collectors.
  • the heights of the discontinuous lateral and longitudinal edges of the main faces 20 of the plates 1 which delimit the circulation of the second fluid F2 can be adapted depending on the application according to the usual sizing rules, mechanical resistance to pressure, pressure losses and of fluid flow distribution.
  • the geometries of the pads and the periodicity of the pitch of the rectangular, square or triangular pattern of their distribution, are to be determined depending on the application according to the usual sizing rules, mechanical resistance to pressure, pressure losses and distribution of fluid flow in the channels. If in all the examples illustrated, all the main faces 10 of the plates 1 are made with pre-collectors with pads 14, we can consider making only those of a single fluid circuit, the other being able to include classic pre-collectors.
  • the channels of the heat exchange zone (ZE) are straight channels
  • the pre-collector according to the invention is independent of this geometry and we can therefore consider other geometries for the exchange channels (ZE), for example curved, zig-zag, double zig-zag channels, etc.
  • the depth of the exchange channels determines the height of the pads of the precollector according to the invention.
  • the inlet and outlet collectors 11, 12 respectively are tubular in shape and arranged along the longitudinal axis of the module.
  • Other arrangements of collecting tubes can also be considered.
  • inlet collectors as such are not provided for the secondary fluid, these being produced by the inlet openings 200 of the inlet precollector ZH, we can provide d add more, like the outlet collectors 22.
  • the collectors of the two circuits are likely to be sized under pressure (pressure difference between two circuits) or not.

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Abstract

Module d'échangeur de chaleur à plaques à canaux dont ceux d'un circuit intègrent au moins une zone d'alimentation et de distribution de fluide formée par des plots et ceux de l'autre circuit sont délimités par la surface plane de plaque et des bords en surépaisseur. L'invention consiste essentiellement à réaliser un module d'échangeur à plaques empilées ou réalisées par fabrication additive, dont au moins un des pré-collecteurs d'un des circuits de fluide, dit premier circuit, est réalisé avec des plots répartis sur la surface de plaque qui délimitent les canaux dans lesquels circule le fluide avant d'atteindre sa zone d'échange thermique et l'autre des circuits de fluide, dit deuxième circuit est délimité uniquement par la surface plane d'une plaque et des bords latéraux et longitudinaux discontinus en surépaisseur par rapport à la surface plane.

Description

Description
Titre : Module d’échangeur de chaleur à plaques à canaux dont ceux d’un circuit intègrent au moins une zone d’alimentation et de distribution de fluide formée par des plots et ceux de l’autre circuit sont délimités par la surface plane de plaque et des bords en surépaisseur.
Domaine technique
La présente invention concerne un module d’échangeur de chaleur à empilement de plaques métalliques, intégrant au moins deux circuits de fluides.
L’invention a trait plus particulièrement à la réalisation d’un nouveau type de module d’échangeur de chaleur pour diminuer les pertes de charges sans nuire à l’uniformité de la distribution des différents canaux de circulation interne de fluides, et tout en assurant à la fois une bonne efficacité thermique et un chargement thermomécanique satisfaisant.
Les échangeurs de chaleur connus comprennent soit un seul soit au moins deux circuits à canaux de circulation interne de fluide. Dans les échangeurs à un seul circuit, les échanges thermiques se réalisent entre le circuit et un fluide environnant dans lequel il baigne. Dans les échangeurs à au moins deux circuits de fluide, les échanges thermiques se réalisent entre les deux circuits de fluide.
Il est connu des réacteurs chimiques qui mettent en œuvre un procédé en continu selon lequel on injecte simultanément une quantité faible de co-réactants, à l’entrée d’un premier circuit de fluide, de préférence équipé d’un mélangeur, et on récupère le produit chimique obtenu en sortie dudit premier circuit. Parmi ces réacteurs chimiques connus, certains comprennent un deuxième circuit de fluide, appelé usuellement utilité, et dont la fonction est de contrôler thermiquement la réaction chimique, soit en apportant la chaleur nécessaire à la réaction, soit au contraire en évacuant la chaleur dégagée par celle-ci. De tels réacteurs chimiques à deux circuits de fluide avec utilité sont usuellement appelés échangeurs-réacteurs.
La présente invention concerne aussi bien la réalisation de modules d’échangeurs de chaleur à fonction uniquement d’échanges thermiques et intégrant deux circuits de fluide que la réalisation d’échangeurs -réacteurs. Aussi, par « module d’échangeur de chaleur à au moins deux circuits de fluide », il faut comprendre dans le cadre de l’invention, aussi bien un module d’échangeur de chaleur à fonction uniquement d’échanges thermiques qu’un échangeur-réacteur. L’utilisation principale d’un module d’échangeur entre deux fluides selon l’invention est son utilisation avec de l’eau comme un des deux fluides. H peut s’agir avantageusement d’un échange entre eau liquide et eau liquide.
L’application principale visée par un module d’échangeur selon l’invention est l’échange de chaleur entre de l’eau liquide d’un circuit primaire, et d’un circuit secondaire d’un réacteur nucléaire à eau pressurisée (REP) de type à petite ou moyenne puissance ou SMR en anglais (acronyme de « Small Modular Reactor »), à vocation calogène.
Par « à vocation calogène », on entend ici et dans le cadre de l’invention, un réacteur nucléaire dont la puissance est dédiée majoritairement à la fourniture de chaleur. La puissance d’un réacteur à vocation calogène peut être à 100% pour fournir de la chaleur. Une faible part de sa puissance peut tout de même servir à fournir de l’électricité.
Un module d’échangeur de chaleur selon l’invention peut aussi être mis en œuvre dans toute autre application nécessitant un échange entre deux fluides, tels qu’un liquide et un gaz, de préférence lorsqu’il est nécessaire d’avoir un échangeur compact et de grande puissance thermique.
Par « fluide primaire », on entend dans le cadre de l’invention, le sens usuel en thermique, à savoir le fluide chaud qui transfère 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 l’eau liquide du circuit primaire d’un réacteur REP, tandis que le fluide secondaire est l’eau liquide du circuit secondaire dudit réacteur REP.
Technique antérieure
Les échangeurs à tubes connus sont par exemple des échangeurs à tubes et calandre, dans lesquels un faisceau de tubes droits ou cintrés en forme de U ou en forme d’hélice est fixé sur des plaques percées et disposé à l’intérieur d’une enceinte étanche dénommée calandre. Dans ces échangeurs à tubes et calandre, l’un des fluides circule à l’intérieur des tubes tandis que l’autre fluide circule à l’intérieur de là calandre. Ces échangeurs à tubes et calandre présentent un volume important et sont donc de faible compacité. Les échangeurs de chaleur, dits à plaques, existants présentent des avantages importants par rapport aux échangeurs de chaleur, dits à tubes, 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. Dans ce domaine des échangeurs compacts à plaques, de nombreuses formes élémentaires définissant des motifs d’échanges thermiques ont été développées.
On peut citer en premier lieu les échangeurs à plaques intégrant des ailettes, dans lesquels un motif d’échange thermique est défini par une structure délimitée par des ailettes, les structures étant rapportées entre deux plaques métalliques et pouvant avoir des géométries très variées. Le motif d’échange peut être différent entre un des deux circuits de fluides de l’échangeur et l’autre. L’assemblage entre plaques métalliques se fait usuellement par brasage, ou par soudage-diffusion.
Il est également connu des échangeurs à plaques à ondulations ou corruguées. Les ondulations sont créées par emboutissage d’une plaque séparant les deux circuits de fluides. De ce fait, le motif d’échange est identique pour chacun des deux circuits de fluides.
L’écoulement de fluides généré par ce type de motif d’échanges est tridimensionnel et, de ce fait, est très performant. L’assemblage entre plaques se fait soit par liaison boulonnée soit par leur soudage périphérique (soudage classique, ou par soudage-diffusion).
Il est enfin connu des échangeurs à plaques à rainures usinées, l’usinage étant mécanique ou réalisé par voie électrochimique. Les canaux définis par les usinages sont de section millimétrique et sont le plus souvent continus et selon un profil régulier en zigzag. L’assemblage des plaques se fait par soudage-diffusion, notamment par compression isostatique à chaud (CIC) permettant une soudure sur tous les points de contacts entre deux plaques adjacentes. Ce type d’échangeur à plaques à rainures usinées est donc intrinsèquement très résistant à la pression.
La demande de brevet intitulée « Installation nucléaire comprenant au moins un réacteur nucléaire modulaire (SMR) et un puits de cuve délimitant une bassin d’eau dans lequel le bloc de réacteur SMR et les échangeurs entre circuits primaire et secondaire sont immergés.» et déposée le même jour que la présente demande propose une nouvelle architecture de réacteur nucléaire. Dans cette architecture, les échangeurs de chaleur entre les circuits primaire et secondaire d’un réacteur REP à vocation calogène sont agencés en périphérie de la cuve de réacteur, ces composants étant immergés dans un bassin d’eau en tant que fluide du circuit secondaire. La circulation de l’eau dans les circuits primaire et secondaire est réalisée par convection naturelle, sans pompe. La circulation du fluide primaire est obtenue par thermosiphon et celle du fluide secondaire est obtenue par la réalisation d’une thermocline au sein du bassin d’eau.
Les inventeurs de la présente demande ont dû concevoir les échangeurs entre circuits primaire et secondaire selon cette architecture.
En premier lieu, ils ont analysé que les circulations par convection naturelle de l’eau des circuits primaire et secondaire présentent le désavantage d’être relativement sensibles aux pertes de charge.
Or, le cahier des charges d’un échangeur immergé comme indiqué ci-avant, impose une perte de charge maximale de 2000 Pa pour la partie du circuit secondaire au sein de l’échangeur.
Les inventeurs ont considéré que les échangeurs à plaques assemblés par compression isostatique à chaud (CIC) présentaient divers avantages en tant qu’échangeurs entre circuits primaire et secondaire du réacteur précité, notamment du fait que comparés aux échangeurs tubes et calandre, ils sont souvent plus compacts et moins sensibles aux vibrations.
Plus particulièrement, ils ont analysé qu’un module d’échangeur tel que divulgué dans la demande de brevet EP4086556A1 était un bon candidat à une application en tant qu’échangeur entre circuits primaire et secondaire du réacteur précité. En effet, le module selon cette demande de brevet présente les avantages majeurs suivants :
- possibilité de fabrication par un procédé CIC ;
- maîtrise de la distribution de débit, à perte de charge imposée ;
- garantie de la tenue mécanique ;
- minimisation des inerties thermiques, pour le dimensionnement thermomécanique lors des régimes transitoires de fonctionnement du réacteur ;
- minimisation du nombre de collecteurs d’admission. Les inventeurs ont alors réalisé des calculs de pertes de charge d’un module selon cette demande de brevet EP4086556A1, à partir d’un outil de simulation numérique de mécanique des fluides numérique (MFN), (en anglais « Computational Fluid Dynamics » d’acronyme CFD), aux conditions de fonctionnement d’un réacteur à vocation calogène précité.
Le tableau 1 suivant synthétise ces conditions de fonctionnement pour une puissance thermique échangée par un module de 4,167 MW.
[Tableau 1]
Les calculs réalisés indiquent que la perte de charge obtenue au circuit secondaire est de 2455 Pa, dont 1055 Pa dans la zone de canaux d’échange rainurés et 1400 Pa dans les précollecteurs d’entrée et de sortie.
La perte de charge maximale de 2000 Pa imposé par le cahier des charges est donc largement dépassé.
Il existe donc un besoin pour améliorer encore les modules d’échangeur à plaques tels que celui selon la demande de brevet EP4086556A1, notamment afin de diminuer les pertes de charge au sein des modules, et plus particulièrement de leur circuit secondaire.
Le but de l’invention est de répondre à ce besoin. Exposé de l’invention
Pour ce faire, l’invention concerne un module d’échangeur de chaleur à au moins deux circuits de fluides, d’axe longitudinal comprenant un empilement de plaques définissant au moins deux circuits de fluide, au moins une partie des plaques comprenant chacune des canaux de circulation de fluide, dans lequel :
- les canaux de l’un des deux circuits, dit premier circuit, présentent:
• au moins une zone d’alimentation et de distribution du fluide, dit premier fluide, depuis l’extérieur de l’empilement, formant un pré-collecteur du premier fluide, dans laquelle les canaux sont délimités, pour chaque plaque, par des plots pleins répartis sur la surface de plaque et débouchent à l’une des extrémités longitudinales de la plaque,
• une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle les canaux sont délimités, pour chaque plaque, chacun par une rainure séparés entre eux par une nervure et s’étendent le long de l'axe longitudinal;
- les canaux de l’autre des deux circuits dit deuxième circuit présentent:
• au moins une zone d’alimentation et de distribution du fluide, dit deuxième fluide, depuis l’extérieur de l’empilement, formant un pré-collecteur du deuxième fluide, dans laquelle l’unique canal est délimité, pour chaque plaque, par la surface centrale plane de plaque, un bord latéral en surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral,
• une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle l’unique canal est délimité, pour chaque plaque, par la surface centrale plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral, la distance entre le bord latéral et l’un des bord longitudinaux discontinus en surépaisseur définissant une ouverture d’entrée ou de sortie du deuxième fluide dans l’empilement.
Selon un mode de réalisation avantageux, le module comprend deux pré-collecteurs du premier circuit, agencés chacun à l’une des extrémités longitudinales de l’empilement, l’un des deux pré-collecteurs formant un pré-collecteur d’entrée de fluide, l’autre formant un précollecteur de sortie du fluide.
Les plots du premier circuit sont avantageusement pleins. Selon un mode de réalisation avantageux, le module comprend au moins à l’une des extrémités longitudinales de l’empilement, un collecteur de fluide débouchant sur une embase latérale de l’empilement sur laquelle les canaux du pré-collecteur du premier circuit débouchent mais pas ceux du pré -collecteur du deuxième circuit.
Selon ce mode, le module comprend avantageusement à l’une des extrémités longitudinales, un collecteur de fluide formant le collecteur d’entrée du premier circuit et à l’autre des extrémités longitudinales, un collecteur de fluide formant le collecteur de sortie du premier circuit.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, le module comprend sur un côté latéral de l’empilement, un collecteur de fluide traversant l’empilement transversalement à l’axe (X) et débouchant sur les canaux du pré -collecteur du deuxième circuit mais pas sur ceux du premier circuit.
Selon ce mode, le module comprend avantageusement sur chaque côté latéral de l’empilement, un collecteur de fluide formant le collecteur de sortie du deuxième circuit.
Selon une alternative de configuration, les plots sont uniformément répartis en quinconce sur la surface de plaque du pré-collecteur, selon un motif triangulaire.
Selon une autre alternative, les plots sont uniformément répartis sur la surface de plaque du pré-collecteur selon un motif rectangulaire ou carré.
De préférence encore, les plots sont de forme générale cylindrique.
De préférence encore, les canaux de la zone d’échange du premier circuit sont droits, parallèles entre eux et s’étendent parallèlement à l'axe longitudinal (X).
L’invention a également pour objet, selon une première alternative, un procédé de fabrication d’un module d’échangeur qui vient d’être décrit, comprenant les étapes suivantes : al/ réalisation d’une pluralité d’au moins deux plaques métalliques comprenant chacune :
- sur l’une des deux faces principales :
• au moins une zone d’alimentation et de distribution du premier fluide, dit premier fluide, formant un pré-collecteur du premier fluide, dans laquelle les canaux sont délimités par des plots pleins répartis sur la surface de plaque et débouchent à l’une des extrémités longitudinales de plaque, • une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle les canaux sont délimités chacun par une rainure séparés entre eux par une nervure;
- sur l’autre des deux faces principales :
• au moins une zone d’alimentation et de distribution du deuxième fluide dit deuxième fluide, formant un pré-collecteur du deuxième fluide, dans laquelle l’unique canal est délimité par la surface centrale plane de plaque, un bord latéral en surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral,
• une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle l’unique canal est délimité par la surface centrale plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral, la distance entre le bord latéral et l’un des bords longitudinaux discontinus en surépaisseur définissant une ouverture d’entrée ou de sortie du deuxième fluide ; b 1/ mise en miroir avec alignement et contact par leurs faces principales de deux plaques comprenant les plots et nervures ; cl/ assemblage par compression isostatique à chaud (CIC) des deux plaques, de sorte à obtenir une nappe métallique ; d 1/ empilement de la pluralité de nappes assemblées par CIC selon l’étape c/ avec mises en place d’une plaque d’extrémité à chaque extrémité longitudinale de l’empilement ; el/ soudage, de préférence par laser, de la pluralité de nappes et plaques d’extrémité empilées de sorte à obtenir le module.
L’invention a également pour objet, selon une deuxième alternative, un procédé de fabrication d’un module d’échangeur qui vient d’être décrit, comprenant les étapes suivantes : a2Z réalisation d’une pluralité d’au moins deux plaques métalliques comprenant chacune :
- sur une des deux faces principales:
• au moins une zone d’alimentation et de distribution du premier fluide, dit premier fluide, formant un pré-collecteur du premier fluide, dans laquelle les canaux sont délimités par des plots pleins répartis sur la surface de plaque et débouchent à l’une des extrémités longitudinales de plaque,
• une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle les canaux sont délimités chacun par une rainure séparés entre eux par une nervure; sur l’autre des deux faces principales :
• au moins une zone d’alimentation et de distribution du deuxième fluide dit deuxième fluide, formant un pré-collecteur du deuxième fluide, dans laquelle l’unique canal est délimité par la surface centrale plane de plaque,
• une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle l’unique canal est délimité par la surface centrale plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral, la distance entre le bord latéral et l’un des bord longitudinaux discontinus en surépaisseur définissant une ouverture d’entrée ou de sortie du deuxième fluide ; b2/ mise en miroir avec alignement et contact par leurs faces principales de deux plaques comprenant les plots et nervures ; c2/ assemblage par compression isostatique à chaud (CIC) des deux plaques, de sorte à obtenir une nappe métallique ; d2/ empilement alterné de la pluralité de nappes assemblées par CIC selon l’étape c/ avec à chaque extrémité latérale, les dents d’un peigne métallique définissant un bord latéral en surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque et avec chaque extrémité longitudinale, les dents d’un peigne métallique définissant les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral; e/ assemblage par compression uni-axiale à chaud (CUC), de la pluralité de nappes, peignes et plaques d’extrémité empilées de sorte à obtenir le module.
On peut aussi envisager une réalisation d’un module d’échangeur par fabrication additive.
L’invention concerne également l’utilisation de l'échangeur de chaleur tel que décrit précédemment, le fluide du premier circuit, en tant que fluide primaire étant de l’eau liquide et le fluide du deuxième circuit, en tant que fluide secondaire, étant également de l’eau liquide.
Le fluide du premier ou du deuxième circuit peut provenir d'un réacteur nucléaire.
L’invention concerne également une installation nucléaire comprenant un réacteur nucléaire à eau pressurisée, notamment du type SMR et comprenant une pluralité de modules d’échangeur tels que celui décrit précédemment Ainsi, l’invention consiste essentiellement à réaliser un module d’échangeur à plaques empilées ou réalisées par fabrication additive, dont au moins un des pré-collecteurs d’un des circuits de fluide, dit premier circuit, est réalisé avec des plots répartis sur la surface de plaque qui délimitent les canaux dans lesquels circule le fluide avant d’atteindre sa zone d’échange thermique et l’autre des circuits de fluide, dit deuxième circuit est délimité uniquement par la surface plane d’une plaque et des bords latéraux et longitudinaux discontinus en surépaisseur par rapport à la surface plane.
Les plots du premier circuit et les bords en surépaisseur du deuxième circuit permettent de garantir la tenue sous pression des plaques tout en présentant une faible inertie thermique.
Les plots permettent de garantir une distribution homogène du fluide en minimisant l’ajout de pertes de charge et ce, indépendamment de la géométrie des canaux de la zone d’échange thermique.
Les formes géométriques et les répartitions des plots peuvent être modifiées à souhait pour maîtriser la distribution du fluide en fonction de l’application envisagée et de ses contraintes notamment de température et de pression.
On peut aussi faire varier la densité de plots dans le pré collecteur.
Grâce aux plots selon l’invention en lieu et places des bifurcations selon le brevet FR3054879B 1, on s’affranchit aussi des zones d’inertie thermique Z.I telles qu’illustrées en figure IB.
En outre, les plots permettent de définir des géométries de modules d’échangeurs avec une admission et une sortie de fluide sur une même face longitudinale de module pour obtenir un agencement de modules côte-à-côte et minimiser les longueurs de tuyauterie entre eux.
L’absence de plots et d’isthmes (nervures séparant des rainures formant des canaux) au circuit secondaire permet de diminuer fortement les pertes de charges du deuxième circuit. Cela rend le module d’échangeur compatible avec une application comme un réacteur nucléaire REP à vocation calogène, pour laquelle le module est immergé dans le fluide de son circuit secondaire.
De plus, le fait d’agencer les collecteurs d’entrée et de sortie aux extrémités longitudinales de l’empilement du module permet de réduire les pertes de charges du premier circuit. Toutes les applications nécessitant des échangeurs de chaleur ou générateur vapeur peuvent être envisagées avec des modules d’échangeur selon l’invention, parmi lesquelles on peut citer, tous les types de réacteurs nucléaires GEN 3, GEN 4, SMR (acronyme anglais pour « Small Medium Reactor), les réseaux de chaleur urbain, les électrolyseurs EHT, l’industrie du pétrole et gaz, l’industrie du solaire, l’industrie chimique...
D’autre avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes.
Brève description des dessins
[Fig 1] la figure 1 est une vue en perspective et en arraché partiel d’un module d’échangeur selon l’invention avec ses collecteurs, la figure 1 montrant une face principale d’une plaque dont les canaux et plots sont dédiés à la circulation d’eau liquide en tant que fluide primaire.
[Fig 2] la figure 2 est une vue de face montrant une des faces principales d’une plaque dont les canaux et plots sont dédiés à la circulation d’eau liquide en tant que fluide primaire.
[Fig 3] la figure 3 est une vue de face montrant l’autre des faces principales de la plaque selon la figure 2, dont la surface plane est dédiée à la circulation d’eau liquide en tant que fluide secondaire.
[Fig 4A] [Fig 4B] les figures 4A, 4B sont des vues en perspective montrant des étapes d’un premier procédé de fabrication d’un module d’échangeur selon l’invention.
[Fig 5] la figure 5 est une vue en perspective d’un module d’échangeur selon l’invention fabriqué selon un deuxième procédé de fabrication.
[Fig 6] la figure 6 est une vue en perspective d’un peigne longitudinal mis en œuvre sur l’un des bords longitudinaux d’un module d’échangeur lors de sa fabrication selon le deuxième procédé.
[Fig 7] la figure 7 est une vue en perspective partielle montrant la mise en œuvre du peigne longitudinal selon la figure 6 au sein d’un empilement afin de former un module d’échangeur selon l’invention.
[Fig 8] la figure 8 est une vue en perspective d’un peigne latéral mis en œuvre sur l’un des bords longitudinaux d’un module d’échangeur lors de sa fabrication selon le deuxième procédé. [Fig 9] la figure 9 est une vue en perspective partielle montrant la mise en œuvre du peigne latéral selon la figure 8 au sein d’un empilement afin de former un module d’échangeur selon l’invention.
[Fig 10] la figure 10 est une vue en perspective et en arraché partiel d’un module d’échangeur selon l’invention sans ses collecteurs, la figure 10 illustrant la circulation du fluide primaire au sein du module.
[Fig 11] la figure 11 est une vue en perspective et en arraché partiel d’un module d’échangeur selon l’invention sans ses collecteurs, la figure 11 illustrant la circulation du fluide secondaire au sein du module.
Description détaillée
Par souci de clarté, les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références numériques selon l’état de l’art et selon l’invention.
On précise que dans l’ensemble de la demande, les termes « entrée », « sortie », « amont », «aval » sont à comprendre en relation avec le sens de la circulation du fluide considéré au sein d’un module d’échange de chaleur selon l’invention.
Le module d’échangeur M est décrit en tant que module d’échangeur entre de l’eau liquide en tant que fluide d’un circuit primaire (Fl) et également de l’eau liquide en tant que fluide de circuit secondaire (F2) d’un réacteur nucléaire REP de type SMR.
En figure 1, on a donc représenté un module M d’échangeur de chaleur selon l’invention à deux circuits de fluides, qui est mis en œuvre à titre d’exemple pour un échange entre de l’eau liquide (Fl), en tant que fluide primaire et de l’eau liquide (F2), en tant que fluide secondaire dans lequel le module M peut être immergé.
Le module M est constitué d’un empilement de plaques métalliques 1 assemblées entre elles d’abord en nappes par soudage-diffusion de préférence selon une technique de CIC puis par soudage laser entre elles ou par insertion de peignes dans l’empilement puis par compression uniaxiale à chaud, comme détaillé par la suite. Le module M peut également être réalisé par fabrication additive. Comme visible sur cette figure 1, ce module M qui s’étend selon un axe central (X), intègre deux collecteurs 11, 12 respectivement d’entrée et de sortie de l’eau liquide du fluide primaire (Fl), l’un étant agencé sur le dessus du module selon l’axe X et l’autre étant agencé également selon l’axe X du module mais sur le dessous. Comme détaillé par la suite, chacun des collecteurs 11, 12 débouche sur une embase latérale de l’empilement de plaques 1 sur laquelle les canaux du circuit du fluide Fl débouchent mais pas ceux du circuit du fluide secondaire F2.
Le module M comprend également deux collecteurs 22 de sortie du fluide F2, agencés de part et d’autre du collecteur d’entrée 11 du fluide Fl en haut du module. Le module M ne comprend pas en tant que tels de collecteurs d’entrée du fluide F2, celui-ci rentrant directement dans le pré-collecteur d’entrée du circuit secondaire depuis le bas du module, comme détaillé par la suite.
Dans un tel module M, la circulation des fluides (Fl, F2) est donc à contre-courant.
Le module M selon l’échangeur comprend une pluralité de plaques 1 empilées entre elles, dont une face principale 10 délimite la circulation du fluide Fl et dont l’autre face principale 20, opposée à la face principale 10 délimite la circulation du fluide F2 , les flèches symbolisant la circulation de chacun des fluides dans chaque plaque concernée.
La figure 2 montre la face principale 10 d’une plaque 1, dédiée à la circulation de FL
La face principale 10 comprend deux zones d’alimentation et de distribution ZH formant chacune un pré-collecteur du fluide, agencées de part et d’autre d’une zone d’échange thermique ZE.
Les canaux 13 d’un pré-collecteur ZH sont délimités par des plots cylindriques pleins 14 répartis sur la surface de plaque. De préférence, les plots cylindriques pleins 14 sont uniformément répartis en quinconce sur la surface de la face principale 10 au niveau précollecteur. Plus précisément, cette répartition en quinconce est faite selon un motif triangulaire identique sur toute la surface de la face principale 10 au niveau du pré-collecteur ZH. Une répartition selon un motif triangulaire permet un meilleur remplissage du volume du pré-collecteur par les plots 14 et est privilégiée pour assurer la tenue en pression du module d’échangeur. Les canaux 13 délimités par les plots 14 cylindriques pleins débouchent sur les canaux 15 de la zone d’échange thermique ZEqui est continue avec le pré-collecteur. Comme montré, les canaux 15 de la zone d’échange sont délimités chacun par une rainure 15 séparés entre eux par une nervure 16 et s’étendent le long de l'axe longitudinal (X). De préférence, comme montré, ils sont droits, parallèles entre eux et s’étendent parallèlement à l'axe longitudinal (X) du module 1.
Comme détaillé ci-après, deux plaques 1 adjacentes avec des plots 14 cylindriques dont la hauteur représente une partie de la hauteur d’un canal 13, sont prévues d’être assemblées entre elles avec leurs faces principales 10 en regard l’une de l’autre pour former une nappe 3, la hauteur totale du canal de circulation de fluide étant celle cumulée des plots 14 des deux plaques 1 en continuité l’un de l’autre. Il en va de même pour les nervures 16. L’agencement des plots 14 permet de garantir la tenue sous pression des plaques 1. Les plots 14 permettent de garantir une distribution homogène du fluide primaire Fl, i.e. de l’eau liquide, indépendamment de la géométrie des canaux 15 de leur zone d’échange thermique ZE et ce tout en présentant une faible inertie thermique et en minimisant l’ajout de pertes de charge. En outre, comme déjà mentionné, les plots 14 sont dimensionnés pour garantir la tenue à la pression.
Avec une telle face principale 10 d’une plaque 1, comme cela est illustré en partie en figure 2, l’eau liquide Fl est alimentée depuis le collecteur tubulaire d’entrée 11 pour être distribuée depuis l’entrée 100 des canaux 13 délimité par les plots 14. L’eau liquide Fl circule dans les canaux 13 autour des plots 14 du pré-collecteur d’entrée, pour parvenir jusqu’aux canaux 15 de la zone d’échange thermique ZEpuis circule autour des plots 14 du pré-collecteur de sortie pour être évacuée par la sortie 101 des canaux 13 puis récupérée par le collecteur tubulaire de sortie 12.
La figure 3 montre la face principale 20 d’une plaque 1, dédiée à la circulation de F2.
La face principale 20 est opposé à la face principale 10 d’une plaque 1.
La face principale 20 comprend deux zones d’alimentation et de distribution ZH formant chacune un pré-collecteur du fluide, agencées de part et d’autre d’une zone d’échange thermique ZE.
Cette face principale 20 est délimitée par deux bords latéraux 24, 25 en surépaisseur par rapport à la surface plane 23 et par deux bords longitudinaux discontinus 27, 28, c’est-à-dire non continus entre les deux bords latéraux 24, 25, et qui présentent la même surépaisseur que celle des bords latéraux 24, 25.
L’unique canal 23 d’un pré-collecteur Zu est délimité par la surface centrale plane 23 de plaque, un bord latéral 24 ou 25 en surépaisseur et les deux bords longitudinaux 27, 28.
L’unique canal 23 de la zone d’échange ZE est, quant à lui, délimité par la surface centrale plane 23 et les deux bords longitudinaux discontinus 27, 28.
La distance entre le bord latéral 24 ou 25 et l’un des bord longitudinaux discontinus 27 ou 28 en surépaisseur définit une ouverture d’entrée 200 ou de sortie 201 du fluide F2.
Avec une telle face principale 20 d’une plaque 1, comme cela est illustré en partie en figure 3, l’eau liquide F2 est alimentée depuis les ouvertures d’entrée 200 qui constituent en quelque sorte un collecteur d’entrée, puis dans l’unique canal 23 de surface plane. Le fluide F2 est alors dirigé et guidé par les bords longitudinaux 27, 28 depuis le pré-collecteur d’entrée, pour parvenir jusqu’à l’unique canal 23 de surface plane de la zone d’échange thermique ZE puis est dirigé et guidé par le bord latéral 25 du pré-collecteur de sortie pour être évacué par les ouverture de sortie 201 puis être récupéré par les deux collecteurs de sortie 22.
Ainsi, selon l’invention, on s’affranchit de toutes nervures (isthmes) et de plots pour le circuit de fluide secondaire F2 et on agence les collecteurs d’entrée 11 et de sortie 12 du circuit de fluide primaire Fl sur les extrémités longitudinales de l’empilement.
Pour parvenir à cette conception, les inventeurs ont réalisé un dimensionnement thermo hydraulique d’un module d’échangeur 1 selon l’invention, par des calculs de mécanique des fluides numérique (MFN), (en anglais « Computational Fluid Dynamics » d’acronyme CFD).
Le tableau 2 ci-après explicite les géométries de canaux d’échange sur les dimensions globales d’un module d’échangeur M répondant aux conditions de fonctionnement désirées pour l’application à un réacteur nucléaire REP de type SMR, telles qu’indiquées dans le tableau 1 mentionné en préambule. [Tableau 2]
De ce tableau 2, il ressort qu’en supprimant toute nervure (isthme) pour le circuit du fluide secondaire F2, soit en gardant un seul canal de section égale à 500x2 mm2, la longueur d’échange est tout-à-fait acceptable.
Comme déjà indiqué, un module d’échangeur M selon l’invention est destiné à être immergé dans un bassin d’eau qui constitue une partie du circuit de fluide secondaire. Ainsi, la seule pression agissant sur les parois de l’empilement du circuit de fluide secondaire correspond à la pression isostatique et aux pertes de charge.
Du tableau 2, il ressort que les pertes de charge calculées à 1500 Pa sont négligeables pour le dimensionnement mécanique, ce qui valide bien le choix des inventeurs de supprimer toute nervure (isthme) pour le circuit de fluide secondaire F2.
En outre, du fait de son immersion, un module d’échangeur M reçoit un fluide secondaire avec des vitesses d’admission, c’est-à-dire aux ouvertures d’entrée 200, qui sont extrêmement faibles. Cela valide également la suppression de tout plot dans le précollecteur.
Enfin, le choix d’une face principale 10 à nervures (isthmes) 16 et plots 14 est fait pour conserver des marges dans le dimensionnement mécanique du module M, notamment dans les cas de fonctionnement nominal et en anticipation de cas de fonctionnement accidentels d’un réacteur nucléaire REP.
On décrit maintenant en référence aux figures 4A et 4B un procédé de fabrication d’un module d’échangeur M selon l’invention. fait de cette conception en quelque sorte dissymétrique entre les faces principales
10 et 20 d’une même plaque 1, un assemblage du module uniquement par empilement de plaques 1 que l’on souderait par soudage-diffusion par CIC est rendu impossible.
En effet, l’absence d’isthme (nervure) et de plot pour le circuit du fluide secondaire provoquerait l’affaissement des plaques durant l’application du cycle CIC.
Pour surmonter cette difficulté, on réalise des nappes 3 constituées chacune de deux plaques 1 mises en miroir, c’est-à-dire en contact par leurs plots 14 de leurs faces principales 10, puis assemblées par CIC. La hauteur des ouvertures d’entrée 100 et de sortie 101 du fluide primaire Fl ainsi que celle des canaux 13, 15 au sein des pré collecteurs d’entrée, de sortie et de la zone d’échange est déterminée par la hauteur des plots 14 et nervures (isthmes) 16.
On obtient ainsi des nappes 3 unitaires, telles que celle montrée à la figure 4A, avec les faces principales extérieures qui sont les faces principales 20 des deux plaques 1 initiales.
Les surépaisseurs des bords latéraux 24, 25 et longitudinaux 27, 28 qui sont intégrés initialement aux plaques 1 délimitent la hauteur des canaux 23 du fluide secondaire F2. Pour minimiser les pertes de charge singulières, on veille à ce que la hauteur H entre un bord latéral 24 ou 25 et un bord longitudinal 27 ou 28 soit inférieure ou égale à la largeur L/2 du canal 23 considérée dans la zone d’échange ZE, soit entre les deux bords longitudinaux 27, 28.
Les nappes 3 sont empilées les unes sur les autres avec deux plaques d’extrémité 5 aux extrémités de l’empilement 4 définissant le module d’échangeur M.
Puis, ces nappes 3 et plaques d’extrémités 5 sont soudées entre elles de préférence par un soudage laser (figure 4B).
Au lieu de réaliser des plaques 1 qui intègrent dès leur fabrication les surépaisseurs, on peut prévoir de réaliser des plaques 1 sans surépaisseur sur leur face principale 20 et de réaliser les surépaisseurs au moyen de peignes 6, 7 imbriqués dans l’empilement de nappes 3.
Une fois l’imbrication réalisée, l’assemblage entre les nappes 3 et les peignes 6, 7 est alors réalisé par compression uni-axiale (Soudage Diffusion Uni-axiale (SDU)) pour constituer le module d’échangeur M, comme montré à la figure 5.
La forme des peignes longitudinaux 6 et latéraux 7 ainsi que l’imbrication individuelle de leurs dents 60, 70 entre deux nappes adjacentes sont montrées aux figures 6 à 9.
Les figures 10 et 11 illustrent les circulations des fluides primaire Fl et secondaire F2 au sein de l’empilement assemblé de nappes et plaques d’extrémité 5 d’un module d’échangeur M selon l’invention, sans ses collecteurs.
D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.
Les hauteurs des bords latéraux et longitudinaux discontinus des faces principales 20 des plaques 1 qui délimitent la circulation du deuxième fluide F2 peuvent être adaptées en fonction de l’application selon les règles de dimensionnement usuelles, de tenue mécanique aux pressions, de pertes de charges et de la distribution de débit de fluide.
Les géométries des plots et la périodicité du pas du motif rectangulaire, carré ou triangulaire de leur répartition, sont à déterminer en fonction de l’application selon les règles de dimensionnement usuelles, de tenue mécanique aux pressions, de pertes de charges et de distribution de débit de fluide dans les canaux. Si dans l’ensemble des exemples illustrés, toutes les faces principales 10 des plaques 1 sont réalisées avec des pré-collecteurs à plots 14, on peut envisager de ne réaliser que celles d’un seul circuit de fluides, l’autre pouvant comprendre des pré-collecteurs classiques.
On peut envisager d’autres formes que des plots 14 cylindriques. Par exemple, on peut envisager des géométries elliptiques, en forme de gouttes d’eau...
Par ailleurs, si dans les exemples illustrés, les canaux de la zone d’échange thermique (ZE) sont des canaux droits, le pré-collecteur selon l’invention est indépendant de cette géométrie et on peut donc envisager d’autres géométries pour les canaux d’échange (ZE), par exemple des canaux de forme incurvée, en zig-zag, en double zig-zag... Quelle que soit la géométrie retenue, au final, la profondeur des canaux d’échange détermine la hauteur des plots du précollecteur selon l’invention.
Dans l’exemple illustré, les collecteurs 11, 12 respectivement d’entrée et de sortie, sont de forme tubulaire et agencés selon l’axe longitudinal du module. On peut aussi envisager d’autres agencements de tubes collecteurs.
Également, si dans l’exemple illustré, on ne prévoit pas de collecteurs d’entrée en tant que tels pour le fluide secondaire, ceux-ci étant réalisés par les ouvertures d’entrée 200 du précollecteur d’entrée ZH, on peut prévoir d’en rajouter, à l’instar des collecteurs de sortie 22.
De manière générale, les collecteurs des deux circuits sont susceptibles d’être dimensionnés sous pression (différence de pression entre deux circuits) ou pas.

Claims

Revendications
1. Module (M) d’échangeur de chaleur à au moins deux circuits de fluides, d’axe longitudinal (X) comprenant un empilement de plaques (1) définissant au moins deux circuits de fluide, au moins une partie des plaques comprenant chacune des canaux de circulation de fluide, dans lequel :
- les canaux de l’un des deux circuits, dit premier circuit, présentent:
• au moins une zone d’alimentation et de distribution (ZH) du premier fluide, dit premier fluide, depuis l’extérieur de l’empilement, formant un pré-collecteur du premier fluide, dans laquelle les canaux (13) sont délimités, pour chaque plaque, par des plots pleins (14) répartis sur la surface de plaque et débouchent à l’une des extrémités longitudinales de la plaque,
• une zone d’échange (ZE) continue avec le pré-collecteur dans laquelle les canaux sont délimités, pour chaque plaque, chacun par une rainure (15) séparés entre eux par une nervure (16) et s’étendent le long de l'axe longitudinal (X) ;
- les canaux de l’autre des deux circuits dit deuxième circuit présentent:
• au moins une zone d’alimentation et de distribution (ZH) du fluide, dit deuxième fluide, depuis l’extérieur de l’empilement, formant un pré-collecteur du deuxième fluide, dans laquelle l’unique canal est délimité, pour chaque plaque, par la surface centrale plane de plaque, un bord latéral en surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque (X) que le bord latéral,
• une zone d’échange (ZE) continue avec le pré-collecteur dans laquelle l’unique canal est délimité, pour chaque plaque, par la surface centrale plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque (X) que le bord latéral, la distance entre le bord latéral et l’un des bord longitudinaux discontinus en surépaisseur définissant une ouverture d’entrée ou de sortie du deuxième fluide dans l’empilement.
2. Module d’échangeur de chaleur selon la revendication 1, comprenant deux pré-collecteurs du premier circuit, agencés chacun à l’une des extrémités longitudinales de l’empilement, l’un des deux pré-collecteurs formant un pré-collecteur d’entrée du premier fluide, l’autre formant un pré-collecteur de sortie du premier fluide.
3. Module d’échangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, comprenant deux précollecteurs du deuxième circuit, agencés chacun à l’une des extrémités longitudinales de l’empilement, l’un des deux pré-collecteurs formant un pré-collecteur d’entrée de fluide, l’autre formant un pré-collecteur de sortie du fluide.
4. Module d’échangeur selon l’une des revendications précédentes, comprenant au moins à l’une des extrémités longitudinales de l’empilement, un collecteur de fluide (11, 12) débouchant sur une embase latérale de l’empilement sur laquelle les canaux du précollecteur du premier circuit débouchent mais pas ceux du pré- collecteur du deuxième circuit.
5. Module d’échangeur selon la revendication 4, comprenant à l’une des extrémités longitudinales, un collecteur de fluide formant le collecteur d’entrée (11) du premier circuit et à l’autre des extrémités longitudinales, un collecteur de fluide formant le collecteur de sortie (12) du premier circuit.
6. Module d’échangeur selon l’une des revendications précédentes, comprenant au moins sur un côté latéral de l’empilement, un collecteur de fluide (22) traversant l’empilement transversalement à l’axe (X) et débouchant sur les canaux du pré-collecteur du deuxième circuit mais pas sur ceux du premier circuit.
7. Module d’échangeur selon la revendication 6, comprenant sur chaque côté latéral de l’empilement, un collecteur de fluide formant le collecteur de sortie (22) du deuxième circuit.
8. Module d’échangeur selon l’une des revendications précédentes, les plots étant uniformément répartis en quinconce sur la surface de plaque du pré-collecteur selon un motif triangulaire.
9. Module d’échangeur selon l’une des revendications 1 à 7, les plots étant uniformément répartis sur la surface de plaque du pré-collecteur selon un motif rectangulaire ou carré.
10. Module d’échangeur selon l’une des revendications précédentes, les plots étant de forme générale cylindrique.
11. Module d’échangeur selon l’une des revendications précédentes les canaux (15) de la zone d’échange du premier circuit et du deuxième circuit étant droits, parallèles entre eux et qui s’étendent parallèlement à l'axe longitudinal (X).
12. Procédé de fabrication d’un module d’échangeur de chaleur selon l’une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes : al/ réalisation d’une pluralité d’au moins deux plaques métalliques comprenant chacune :
- sur l’une des deux faces principales :
• au moins une zone d’alimentation et de distribution du premier fluide, dit premier fluide, formant un pré -collecteur du premier fluide, dans laquelle les canaux sont délimités par des plots pleins répartis sur la surface de plaque et débouchent à l’une des extrémités longitudinales de plaque,
• une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle les canaux sont délimités chacun par une rainure séparés entre eux par une nervure;
- sur l’autre des deux faces principales:
• au moins une zone d’alimentation et de distribution du deuxième fluide dit deuxième fluide, formant un pré-collecteur du deuxième fluide, dans laquelle l’unique canal est délimité, par la surface centrale plane de plaque, un bord latéral en surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral,
• une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle l’unique canal est délimité par la surface centrale plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral, la distance entre le bord latéral et l’un des bords longitudinaux discontinus en surépaisseur définissant une ouverture d’entrée ou de sortie du deuxième fluide ; b 1/ mise en miroir avec alignement et contact par leurs faces principales de deux plaques comprenant les plots et nervures ; cl/ assemblage par compression isostatique à chaud (CIC) des deux plaques, de sorte à obtenir une nappe métallique ; dl/ empilement de la pluralité de nappes assemblées par CIC selon l’étape c/ avec mises en place d’une plaque d’extrémité à chaque extrémité longitudinale de l’empilement ; el/ soudage, de préférence par laser, de la pluralité de nappes et plaques d’extrémité empilées de sorte à obtenir le module.
13. Procédé de fabrication d’un module d’échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 11 , comprenant les étapes suivantes : a2/ réalisation d’une pluralité d’au moins deux plaques métalliques comprenant chacune :
- sur l’une des deux faces principales :
• au moins une zone d’alimentation et de distribution du premier fluide, dit premier fluide, formant un pré-collecteur du premier fluide, dans laquelle les canaux sont délimités par des plots pleins répartis sur la surface de plaque et débouchent à l’une des extrémités longitudinales de plaque,
• une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle les canaux sont délimités chacun par une rainure séparés entre eux par une nervure;
- sur l’autre des deux faces principale :
• au moins une zone d’alimentation et de distribution du deuxième fluide dit deuxième fluide, formant un pré-collecteur du deuxième fluide, dans laquelle l’unique canal est délimité par la surface centrale plane de plaque,
• une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle l’unique canal est délimité par la surface centrale plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral, la distance entre le bord latéral et l’un des bord longitudinaux discontinus en surépaisseur définissant une ouverture d’entrée ou de sortie du deuxième fluide ; b2/ mise en miroir avec alignement et contact par leurs faces principales de deux plaques comprenant les plots et nervures ; c2/ assemblage par compression isostatique à chaud (CIC) des deux plaques, de sorte à obtenir une nappe métallique ; d2/ empilement alterné de la pluralité de nappes assemblées par CIC selon l’étape c/ avec à chaque extrémité latérale, les dents d’un peigne métallique définissant un bord latéral en surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque et avec chaque extrémité longitudinale, les dents d’un peigne métallique définissant les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral; e/ assemblage par compression uni-axiale à chaud (CUC), de la pluralité de nappes, peignes et plaques d’extrémité empilées de sorte à obtenir le module.
14. Utilisation d’au moins un module d'échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 11, le fluide du premier circuit, en tant que fluide primaire étant de l’eau liquide et le fluide du deuxième circuit, en tant que fluide secondaire, étant également de l’eau liquide.
15. Utilisation selon la revendication 14, le fluide du premier ou du deuxième circuit provenant d’un réacteur nucléaire.
16. Installation nucléaire comprenant un réacteur nucléaire à eau pressurisée, de type SMR, comprenant une pluralité de modules d’échangeur selon l’une des revendications 1 à 11, immergés dans l’eau liquide en tant que fluide du circuit secondaire.
EP23817739.8A 2022-12-20 2023-12-04 Module d'échangeur de chaleur à plaques à canaux dont ceux d'un circuit intègrent au moins une zone d'alimentation et de distribution de fluide formée par des plots et ceux de l'autre circuit sont délimités par la surface plane de plaque et des bords en surépaisseur Active EP4639062B1 (fr)

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