FR2898404A1 - Ensemble d'echange de chaleur entre un premier et un second fluides. - Google Patents

Abstract

L'ensemble d'échange de chaleur (1) entre un premier et un second fluide, comprend :- une pluralité de modules d'échange de chaleur (12) entre les premier et second fluides répartis autour d'un axe central (X) et présentant des faces latérales (47) respectives en vis-à-vis ;- des collecteurs d'alimentation (14, 16) des modules (12) en fluides primaire et secondaire et des collecteurs d'évacuation (18, 20) de ces fluides.Au moins certains desdits collecteurs (14, 16) ou parties desdits collecteurs (18) s'étendent entre les modules (12), lesdits collecteurs (14, 16) ou parties de collecteurs (18) encadrant un même module (12) étant disposés de manière sensiblement symétrique par rapport au plan médian situé entre les deux faces latérales (47) dudit module (12) de façon que lesdits collecteurs (14, 16) ou parties de collecteurs (18) créent dans les faces latérales (47) du module (12) des contraintes thermiques sensiblement identiques.

Description

La présente invention concerne en général les échangeurs de chaleur,

notamment pour réacteurs nucléaires à haute température (HTR) ou très haute température (VHTR).

Plus précisément, l'invention concerne un ensemble d'échange de chaleur entre un premier et un second fluides, du type comprenant : - une cuve présentant un axe central ; - une pluralité de modules d'échange de chaleur entre les premier et second fluides répartis autour de l'axe central à l'intérieur de la cuve, et pré- sentant des faces latérales respectives en vis-à-vis ; - au moins un collecteur d'alimentation des modules en fluide primaire ; - au moins un collecteur d'alimentation des modules en fluide secondaire ; - au moins un collecteur de collecte et d'évacuation du fluide primaire sortant des modules ; et - au moins un collecteur de collecte et d'évacuation du fluide secondaire sortant des modules. On connaît par le document JP-2004-144422 un ensemble d'échange de chaleur du type précité, dans lequel les collecteurs d'alimentation et d'évacuation secondaires sont respectivement disposés à la périphérie et au centre de la cuve et dans lequel les collecteurs d'alimentation et d'évacuation primaires sont disposés entre les modules. Dans un tel ensemble, les liaisons entre les parois des collecteurs et les modules subissent des contraintes très élevées, qui pourraient entraîner une rupture prématurée de certaines liaisons. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un ensemble d'échange de chaleur dans lequel les contraintes thermomécaniques soient plus faibles.

A cette fin, l'invention porte sur un ensemble d'échange de chaleur du type précité, caractérisé en ce qu'au moins certains desdits collecteurs et/ou certaines parties desdits collecteurs s'étendent entre les modules disposés successivement autour de l'axe central, lesdits collecteurs ou parties de col- lecteurs encadrant un même module étant disposés de manière sensible-ment symétrique par rapport au plan médian situé entre les deux faces latérales dudit module de façon que lesdits collecteurs ou parties de collecteurs créent dans les faces latérales du module des contraintes thermiques sensi- blement identiques. L'ensemble peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'ensemble comprend un unique collecteur d'évacuation secondaire s'étendant le long de l'axe central de l'enceinte extérieure, le ou les collecteurs d'alimentation primaire étant disposés autour du collecteur d'évacuation secondaire, vers l'intérieur de l'enceinte extérieure par rapport aux col-lecteurs d'alimentation secondaire et d'évacuation primaire ; - les collecteurs d'alimentation primaire et d'évacuation secondaire desservant un même module communiquent avec une partie d'extrémité dudit module tournée vers l'intérieur de l'enceinte extérieure, et les collecteurs d'alimentation secondaire et d'évacuation primaire desservant ledit module communiquent avec une partie d'extrémité dudit module tournée vers l'extérieur de l'enceinte extérieure ; - les modules comprennent chacun un empilement de plaques entre lesquelles circulent alternativement les fluides primaire et secondaire ; - chaque module comprend plusieurs sous-modules distincts les uns des autres, chaque module étant desservi par au moins un collecteur d'alimentation secondaire comprenant des tronçons de tuyauterie accolés aux sous-modules, et des soufflets connectant les tronçons de tuyauterie les uns aux autres ; - chaque sous-module communique avec le collecteur d'évacuation secondaire par un piquage, les tronçons de tuyauterie du collecteur d'alimentation secondaire et le piquage présentant un diamètre hydraulique inférieur à 500 millimètres ; - l'axe central de l'enceinte extérieure est vertical, l'ensemble comprenant une virole de support des modules suspendue à l'enceinte exté- rieure, la virole de support et les modules étant libres de se dilater thermiquement vers le bas par rapport à l'enceinte extérieure ;; - les modules comprennent chacun un empilement continu de cellules d'échange de chaleur entre les fluides primaire et secondaire, susceptibles de se déformer les unes par rapport aux autres ; - l'ensemble comprend, entre chaque paire de modules disposés successivement autour de l'axe central, un collecteur de distribution secondaire délimité au moins partiellement par des panneaux rigidement fixés sur les faces latérales des modules ; - le collecteur d'évacuation secondaire est délimité au moins partiellement par les parties d'extrémité intérieures des modules d'échange de chaleur ; - les premier et second fluides sont des gaz, le premier gaz étant destiné à entrer dans l'enceinte extérieure à une température supérieure à 700 C, et le second gaz étant destiné à sortir de l'enceinte extérieure à une température supérieure à 700 C ; - le premier fluide comprend majoritairement de l'hélium, le second fluide comprenant majoritairement de l'hélium et/ou de l'azote ; et - les premier et second fluides sont les fluides primaire et secondaire d'un réacteur nucléaire à haute température ou à très haute température. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nulle-ment limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un ensemble d'échange de chaleur selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe central de l'ensemble de la figure 1, considéré suivant l'incidence des flèches Il de la figure 1 ; - la figure 3A est une vue en élévation de deux modules d'échange de chaleur de la figure 1 et de deux collecteurs d'alimentation secondaire des-servant ces modules ; - la figure 3B est une vue similaire à la figure 3A pour une variante de réalisation des collecteurs d'alimentation secondaires ; - la figure 4 est une vue en coupe axiale d'un ensemble d'échange de chaleur selon un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une vue en coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe central de l'ensemble de la figure 4, considéré selon l'incidence des flèches V de la figure 4 ; - la figure 6 est une vue en perspective de plaques du type de celles formant les modules d'échange de chaleur de l'ensemble de la figure 1 ; - la figure 7 est une vue en perspective d'un sous-module d'échange de chaleur de l'ensemble de la figure 1, formé à partir des plaques de la fi- gure 6 ; -la figure 8 est une vue en perspective du sous-module de la figure 7, monté sur sa virole de support, et sur lequel ont été rapportés le piquage de connexion sur le collecteur d'évacuation secondaire, et des tronçons de tuyauterie des collecteurs d'alimentation secondaire ; et - la figure 9 est une vue en coupe d'un module d'échange de chaleur de l'ensemble de la figure 4. L'ensemble 1 représenté sur les figures 1 et 2 est destiné à être utilisé dans un réacteur nucléaire à haute température ou à très haute température (HTRNHTR) , pour réaliser un échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide. Le premier fluide est le fluide primaire du réacteur nucléaire, et circule en boucle fermée dans celui-ci. II traverse le coeur du réacteur nucléaire (non représenté), puis traverse l'ensemble 1 et revient enfin à l'entrée du coeur. Le fluide primaire s'échauffe dans le coeur du réacteur, et sort de ce- lui-ci par exemple à une température d'environ 850 C. Il cède une partie de sa chaleur au fluide secondaire dans l'ensemble 1, et sort de celui-ci par exemple à une température de 400 C environ. Le fluide primaire est typiquement de l'hélium gazeux techniquement pur. Le second fluide est le fluide secondaire du réacteur nucléaire, et cir- cule en boucle fermée dans celui-ci. Il traverse l'ensemble 1, puis passe dans une turbine à gaz d'entraînement d'un générateur électrique et revient à l'entrée de l'ensemble 1. Le fluide secondaire entre dans l'ensemble 1 par exemple à une température de 350 C environ et en sort par exemple à 800 C environ. Le fluide secondaire est un gaz comprenant principalement de l'hélium et de l'azote. L'ensemble 1 comprend : - une enceinte extérieure 2 présentant un axe central X sensiblement vertical, pourvue d'une entrée 4 et d'une sortie 6 de fluide primaire, de qua- tre entrées 8 et de quatre sorties 10 de fluide secondaire ; - huit modules d'échange de chaleur 12 disposés dans l'enceinte 2, dans lesquels sont réalisés les échanges de chaleur entre les fluides primaire et secondaire ; - un collecteur annulaire 14 d'alimentation des modules 12 en fluide primaire ;

- des collecteurs 16 d'alimentation des modules 12 en fluide secondaire ; - un collecteur annulaire 18 de collecte et d'évacuation du fluide pri-maire sortant des modules 12 ; - un collecteur central 20 de collecte et d'évacuation du fluide secondaire sortant des modules 12 ; - une chambre d'entrée 22 distribuant le fluide secondaire dans les collecteurs 16, et une chambre de sortie 24 distribuant le fluide secondaire sortant du collecteur d'évacuation secondaire 20 aux sorties 10 ; - des équipements internes inférieurs 26 canalisant le fluide primaire entre les collecteurs 14 et 18, d'une part, et l'entrée 4 et la sortie 6 du fluide primaire, d'autre part ; et - un ventilateur 28 de circulation du fluide primaire fixé sur l'enceinte 2. L'enceinte 2 comprend une cuve 30 à l'intérieur de laquelle sont dis-posés les échangeurs 12 et les collecteurs 14, 16,18, 20, présentant vers le haut une ouverture 32, et un couvercle 34 amovible de fermeture étanche de l'ouverture 32 de la cuve 30. Les entrées 8 du fluide secondaire sont ménagées en haut de la cuve 30 et sont régulièrement réparties sur une même circonférence de celle-ci.

Les sorties du fluide secondaire 10 sont ménagées en haut de la cuve 30, légèrement en dessous des entrées 8, et sont régulièrement réparties sur une même circonférence de cette cuve. La cuve 30 comprend en partie basse un unique piquage par lequel sont réalisées l'entrée 4 et la sortie 6 du fluide primaire. L'entrée 4 et la sortie 6 sont coaxiales, comme le montre la figure 2, la sortie 6 entourant l'entrée 4. La cuve 30 est fermée vers le bas par un fond bombé qui présente une ouverture centrale, ronde, centrée sur l'axe X, dans laquelle est fixé le ventilateur 28. Comme on le voit sur la figure 2, les huit modules 12 sont disposés en cercle autour de l'axe X, et répartis régulièrement autour de celui-ci. Dans le premier mode de réalisation de l'invention, correspondant aux figures 1 à 3A/3B, les échangeurs 12 sont des échangeurs de chaleur de type à plaques, à structure rigide. Chaque module rigide 12 comprend trois sous-modules 36, identiques les uns aux autres. Les modules d'échange de chaleur sont, par exemple, du type PMHE (Plate Machined Heat Exchanger), auquel cas les sous-modules 36 sont formés comme représenté sur les figures 6 et 7.

Chaque sous-module 36 est formé à partir de plaques toutes identiques 38, superposées, et disposées alternativement en sens inverse, comme le montre la figure 6. Chaque plaque 38 porte sur une face supérieure 39 une pluralité de rainures 40 gravées, mutuellement parallèles, s'étendant dans un sens Ion- gitudinal. Ces rainures 40 débouchent, à une première extrémité, sur un bord transversal 42 de la plaque. Elles débouchent à des extrémités opposées au bord 42 dans une rainure transversale 44 de grande largeur s'étendant à travers toute la plaque. Cette rainure 44 est fermée le long du bord 46 transversal opposé au bord 42, et est ouverte à ses deux extrémités trans- versales opposées. Les plaques 38 d'un même sous-module sont superposées, les faces supérieures 39 tournées vers le haut, de telle sorte que les rainures 44 transversales soient disposées alternativement aux deux extrémités longitu- dinales opposées du sous-module 36. Elles sont soudées ou brasées les unes avec les autres. Les premier et second fluides circulent dans les rainures 40 et 44 des plaques 38, alternativement dans une plaque sur deux de l'empilement. Ain-si, comme le montre la figure 7, le premier fluide (flèches pleines) entre dans le sous-module 36 par les deux extrémités ouvertes des canaux 44 situés à une première extrémité longitudinale du sous-module 36. Il pénètre dans le sous-module 36 par les deux faces latérales 47 opposées de ce sous-module. Il parcourt ensuite les canaux 40, et sort du sous-module 36 par la face transversale 48 située à une extrémité longitudinale du sous-module 36 opposée à la première. Le fluide secondaire (flèches évidées sur la figure 7) pénètre dans le sous-module 36 par les extrémités ouvertes des canaux 44 situés à la seconde extrémité longitudinale du sous-module 36, et sort par la face trans- versale 50 située à la première extrémité longitudinale. Les fluides primaire et secondaire circulent à contre-courant l'un de l'autre à l'intérieur du sous-module 36. En variante, le module d'échange de chaleur 12 peut être du type PFHE (Plate Fin Heat Exchange). Dans ce cas, les canaux longitudinaux 40 ne sont pas gravés dans la face supérieure 39 de la plaque 38, mais sont constitués en soudant sur ladite face supérieure des ailettes mutuellement parallèles définissant entre elles les canaux 40. Comme on le voit sur la figure 1, les trois sous-modules 36 d'un même module d'échange de chaleur 12 sont superposés axialement à dis- tance les uns des autres. De manière à faciliter la maintenance des modules d'échange de chaleur 12, ceux-ci sont rassemblés dans un panier de support 52 extractible de la cuve 30 axialement par l'ouverture 32. Le panier 52 comprend une virole cylindrique supérieure 54 coaxiale à l'axe central X et définissant intérieurement la chambre d'entrée du fluide secondaire 22, une virole cylindrique inférieure 56 également coaxiale à l'axe central X, et une plaque 58 de séparation des viroles 54 et 56 sensiblement perpendiculaire à l'axe central X.

Le panier 52 est suspendu par l'intermédiaire de la plaque 58 à un épaulement 59 formé à l'intérieur de la cuve 30. La chambre de sortie 24 du fluide secondaire est située à l'intérieur de la chambre 22.

Le panier 52 comprend également une virole 60 de support des modules d'échange de chaleur 12, et une virole interne 62 définissant le collecteur d'évacuation du fluide secondaire 20. La virole cylindrique 60 est suspendue sous la plaque de séparation 58, et est coaxiale à l'axe central X. Les sous-modules 36 sont fixés par tous moyens adaptés dans des fenêtres 64 découpées dans la virole 60 (voir aussi figure 8). La face transversale 48 de sortie du fluide secondaire et les canaux 44 d'entrée du fluide primaire sont situés radialement à l'intérieur de la virole 60. La face transversale 50 de sortie du fluide primaire et les canaux 44 d'entrée du fluide secondaire sont situés radialement à l'extérieur de la virole 60. L'espace annulaire délimité entre la virole inférieure 56 et la virole de support 60 est fermé vers le haut par la plaque de séparation 58 et vers le bas par un système de soufflet métallique annulaire 66 compressible axialement.

La virole intérieure 62 est fermée vers le bas par un fond bombé 68. Vers le haut, elle traverse la plaque 58 et débouche dans la chambre de sortie 24 du fluide secondaire. L'espace annulaire s'étendant entre la virole de support 60 et la virole intérieure 62 forme le collecteur d'alimentation primaire 14. Il est fermé vers le haut par une plaque annulaire 70 s'étendant à distance en dessous de la plaque de séparation 58. Il communique, en partie basse, par un raccord étanche amovible 72 avec un tronçon de collecteur intermédiaire 74 coaxial à l'axe central X, communiquant lui-même radialement avec l'entrée de fluide primaire 4. Le raccord 72 permet à la virole 60 de se désaccoupler du tronçon de collecteur 74 quand le panier 52 est retiré de la cuve 30. La virole inférieure 56 porte des orifices 76 de circulation du fluide primaire ménagés à faible distance en dessous de la plaque 58. Les orifices 76 mettent en communication l'espace annulaire 78 situé entre les viroles 56 et 60, d'une part, avec l'espace annulaire 80 délimité entre la virole 56 et l'enveloppe extérieure 2, d'autre part. Ces deux espaces annulaires forment ensemble le collecteur d'évacuation primaire 18. L'espace annulaire 80 est fermé vers le haut de manière étanche par la liaison entre la plaque 58 et l'enveloppe extérieure 2. L'espace annulaire 80 est ouvert vers le bas. Les internes inférieurs 26 sont disposés de manière à former un chemin de pas-sage pour le fluide primaire depuis le bas de l'espace annulaire 80 jusqu'à l'entrée du circulateur 28 puis de la sortie du circulateur 28 jusqu'à la sortie de fluide primaire 6 (figure 1).

L'ensemble 1 comprend seize collecteurs d'alimentation secondaire 16, disposés dans l'espace annulaire 78 entre les viroles 56 et 60, s'étendant parallèlement à l'axe central X. Comme le montrent les figures 2 et 3A, chaque module d'échange de chaleur 12 est desservi par deux collecteurs d'alimentation secondaire 16, chaque collecteur 16 alimentant les trois sous- modules 36 superposés du module 12. Les deux collecteurs 16 desservant un même module 12 s'étendent le long des deux faces latérales opposées 47 des sous-modules 36. Comme le montre la figure 3, chaque collecteur 16 comprend trois tronçons de tuyauterie rigide 82, chacun accolé et rigidement fixé à une face latérale 47 d'un sous-module 36, reliées entre elles par des soufflets 84 compressibles axialement. Comme le montre la figure 8, les tronçons de tuyauterie 82 sont accolés à des zones des deux faces transversales 47 op-posées d'un même sous-module et communiquent avec les extrémités des canaux transversaux 44 d'entrée du fluide secondaire.

Comme le montrent les figures 2 et 3A, les deux collecteurs de distribution secondaire 16 disposés entre deux modules d'échange de chaleur 12 consécutifs comportent en partie supérieure des crosses 86 qui se rejoignent et communiquent par un tronçon 88 traversant la plaque de séparation 58 avec la chambre d'alimentation secondaire 22. Les crosses 86 sont re- liées aux tronçons de tuyauterie 82 les plus hauts chacun par un autre soufflet 84 compressible axialement. Les collecteurs 16 sont tous fermés à leur extrémité inférieure. Les soufflets supérieurs 84 peuvent être adaptés voire doublés pour absorber les déplacements dus à l'expansion thermique ra- diale. Les crosses 86 peuvent être supprimées. Dans ce cas, les soufflets supérieurs sont équipés de tubes 89 assurant la liaison avec le collecteur d'alimentation secondaire 22 au travers de laplaque 58 (figure 3B). Chaque sous-module 36 comporte une boîte 90 recouvrant entière- ment la face transversale 50 de sortie du fluide secondaire, la boîte 90 étant piquée sur le collecteur d'évacuation secondaire 20 par l'intermédiaire d'une tuyauterie de diamètre réduit 92. Enfin, les parties chaudes de l'ensemble 1, c'est-à-dire les parties dans lesquelles circule le fluide primaire avant son passage dans les modu- les d'échange de chaleur 12 et le fluide secondaire sortant des modules d'échange de chaleur 12, sont isolées dans parties froides de l'ensemble 1 par une couche de calorifuge 94. Comme la figure 1 le met bien en évidence, ces parties sont situées au centre de l'ensemble 1, le long de l'axe central X de l'enveloppe 2. Ainsi, le calorifuge 94 est disposé autour de l'en- trée de fluide primaire 4, du tronçon de collecteur intermédiaire 74, de la virole de support 60, de la plaque annulaire 70, de la chambre de sortie 24, et du tronçon du collecteur d'évacuation secondaire 20 s'étendant entre la plaque annulaire 70 et la chambre 24. La circulation des fluides primaires et secondaires dans l'ensemble 20 d'échange de chaleur 1 décrit ci-dessus va être détaillé dans les paragraphes ci-dessous, en référence à la figure 1. Le fluide primaire (flèches en traits interrompus de la figure 1) pénètre dans l'ensemble 1 par l'entrée 4, traverse le tronçon de collecteur intermédiaire 74 et remonte axialement le long du collecteur de distribution primaire 25 14, autour du collecteur d'évacuation secondaire 20. Comme le montrent les figures 1 et 8, il pénètre ensuite dans les sous-modules 36 par les extrémités ouvertes des canaux transversaux 44, traverse les sous-modules 36 en cédant sa chaleur au fluide secondaire, sort des sous-modules 36 par la face transversale 48, remonte axialement 30 dans l'espace annulaire 78, traverse les orifices 76 et passe dans l'espace annulaire 80, redescend axialement le long de l'espace annulaire 80, puis est canalisé par les internes inférieurs 26 jusqu'au circulateur 28 et refoulé jusqu'à la sortie primaire 6.

Le fluide secondaire entre dans l'ensemble 1 par les entrées 8, et est distribué par la chambre 22 dans les seize collecteurs d'alimentation secondaire 16. Il parcourt ces collecteurs 16 axialement vers le bas, pénètre dans les sous-modules 36 par les extrémités ouvertes des canaux transver- saux 44, traverse radialement les sous-modules 36 en subissant un échauffement sous l'effet de la chaleur cédée par le fluide primaire, de l'extérieur vers l'intérieur de l'ensemble 1, sort des sous-modules 36 par la face 50, traverse la boîte 90 et le piquage 92, débouche dans le collecteur secondaire d'évacuation 20, puis est canalisé par le collecteur d'évacuation secondaire 20 vers le haut le long de l'axe central jusqu'à la chambre de sortie 24, qui distribue le fluide secondaire dans les différentes sorties secondaires 10. L'ensemble d'échange de chaleur décrit ci-dessus présente de multiples avantages.

Les collecteurs ou parties de collecteurs encadrant un même module sont disposés de manière sensiblement symétriques par rapport au plan médian P des deux faces latérales du module, de façon que les contraintes thermiques créées dans les faces latérales du module soient sensiblement identiques. Les dilatations thermiques des deux faces latérales du module sont donc semblables. Les modules d'échange de chaleur ne subissent donc pas de gauchissement dans le sens circonférentiel. Ils restent au contraire sensiblement symétriques par rapport au plan médian de leurs fa-ces latérales. De ce fait, les contraintes thermomécaniques dans la virole de support des modules d'échange de chaleur sont réduites.

Dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures 1 à 3A/3B, les deux faces latérales du module sont parallèles et le plan médian P est le plan parallèle aux faces latérales, équidistant de ces deux faces, et passant par l'axe central X de l'enceinte. Plus généralement, le plan médian P est le plan s'étendant de ma- nière centrale entre les deux faces latérales du module. Par ailleurs, les contraintes générées par l'expansion thermique axiale des modules et de la virole de support sont minimisées par plusieurs dispositions constructives.

Le fait de séparer les modules 12 en plusieurs sous-modules 36 superposés axialement et séparés les uns des autres permet de minimiser les contraintes induites par l'expansion axiale des modules dans la virole de support. Par ailleurs, la virole de support 60 est suspendue à la plaque 58, et est libre de s'expanser thermiquement vers le bas. Cette liberté lui est conférée en particulier par le fait que l'espace annulaire 78 séparant la virole de support 60 de la virole inférieure 56 est fermée vers le bas par un soufflet 66 susceptible de se déformer axialement. Les sous-modules 36 sont susceptibles de débattre axialement parce que des soufflets 84 sont interposés entre les différents sous-modules 36 le long des collecteurs d'alimentation secondaires et que les sous-modules 36 sont liés aux collecteurs d'évacuation secondaires par des piquages de section réduite 92. Le fait de rassembler le collecteur d'évacuation secondaire et le col-lecteur d'alimentation primaire au centre de l'enveloppe extérieure est favo- rable en vue de maintenir les parois de l'enveloppe extérieure 2 à une température modérée. En effet, ces deux collecteurs canalisent des gaz qui sont à plus de 700 C, typiquement à plus de 800 C. Le collecteur d'évacuation primaire et le collecteur d'alimentation secondaire, qui sont placés en périphérie de l'enceinte extérieure 2, canalisent des gaz de température nette- ment plus basse, entre 400 et 500 , par exemple. L'utilisation d'un grand nombre de collecteurs d'alimentation secondaires, ici deux par modules, de forme tubulaire, permet, d'une part, de main-tenir la vitesse des gaz à un niveau suffisamment faible, de l'ordre de 34 m/s, et, d'autre part, d'utiliser des tuyauteries de diamètre hydraulique faible, par exemple inférieur à 500 mm pour chaque collecteur d'alimentation secondaire. Maintenir la vitesse de circulation des gaz à un niveau modéré est favorable pour le comportement thermohydraulique des modules d'échange de chaleur. Utiliser des collecteurs d'alimentation secondaires tubulaires de faible diamètre est favorable pour la tenue en pression de ces collecteurs, notamment en situation accidentelle en cas de rupture du circuit primaire ou du circuit secondaire, lorsque la différence de pression entre les circuits primaires et secondaires peut dépasser 5 MPa.

Avantageusement, les piquages 92 présentent eux aussi un diamètre hydraulique inférieur à 500 mm, pour la même raison. Par ailleurs, l'utilisation de tuyauteries de faible diamètre permet d'interposer des soufflets entre les tronçons des collecteurs rigidement fixés aux sous-modules 36. Un second mode de réalisation de l'invention est représenté sur les figures 4 et 5. Dans ce second mode de réalisation, les modules d'échange de chaleur sont des échangeurs à plaques du type décrit dans le brevet US- 5,983,992 et illustrés sur la figure 9. Cet échangeur comprend une pluralité de cellules d'échange de chaleur C empilées les unes sur les autres. Chaque cellule C comprend une plaque supérieure A dans une première extrémité de laquelle une entrée de fluide E est découpée et dans une extrémité opposée de laquelle une sortie de fluide S est découpée. La cellule C com- prend également une plaque inférieure B, disposée sensiblement parallèle-ment à la plaque supérieure A et dans laquelle des entrées et sorties E et S sont découpées, les entrées des plaques supérieure et inférieure étant alignées, de même que les sorties. Comme le montre la figure 9, les plaques A et B sont soudées par leurs bords périphériques. Les entrées et sorties E et S de la plaque supérieure A sont entourées par un bord en saillie par rapport à l'intérieur de la cellule C, c'est-à-dire en saillie d'un côté opposé à la plaque B. Symétriquement, les entrées et sorties E et S de la plaque inférieure B font saillie vers l'extérieur de la cellule, c'est-à-dire d'un côté opposé à la plaque supérieure A. Une feuille métallique ondulée F est disposée entre les plaques A et B et soudée à ces plaques. Elle forme un réseau d'ailettes à l'intérieur de la cellule C. Une deuxième feuille métallique ondulée F du même type est également soudée sur la face de la plaque A tournée vers l'extérieur de la cellule C. Une troisième feuille métallique ondulée F est soudée sur la face de la plaque B tournée vers l'extérieur de la cellule C.

Les cellules C sont empilées les unes sur les autres, et liées les unes aux autres par les bords en saillie de leurs entrées et sorties respectives. Les cellules sont disposées de sorte que les entrées et les sorties de toutes les cellules C soient alignées.

Le premier fluide entre dans les cellules C par les entrées E, circule dans les canaux délimités par les feuilles ondulées F disposées àl'intérieur de chaque cellule, et sort par les sorties S. Le second fluide circule dans l'espace délimité entre les cellules C.

Les modules d'échange de chaleur constitués de cette façon présentent la caractéristique que chaque cellule est susceptible de jouer par rapport aux cellules adjacentes et de se déformer, par exemple par compression, flexion ou extension. Les figures 4 et 5 représentent un ensemble d'échange de chaleur dont les modules sont des échangeurs à plaques souples du type représenté sur la figure 9. Seules les différences entre cet ensemble, conforme au second mode de réalisation de l'invention, et l'ensemble des figures 1 à 3A/3B, conforme au premier mode de réalisation de l'invention, seront décrites ci-dessous.

Les éléments identiques, ou jouant des rôles semblables, portent les mêmes références dans les deux modes de réalisation. Comme on le voit sur la figure 4, les modules d'échange de chaleur 12 ne sont pas divisés en plusieurs sous modules 36, mais au contraire sont monoblocs et sont formés par un empilement continu de cellules dans les- quelles circulent les premier et second fluides. Les modules d'échange de chaleur 12 présentent chacun une forme parallélépipédique. L'entrée des fluides primaire et secondaire dans le module 12 se fait respectivement par des zones radialement intérieure et extérieure des faces latérales 47 du module.

Par ailleurs, l'ensemble 1 ne comprend pas, comme dans le premier mode de réalisation, un collecteur d'alimentation unique des modules 12 en fluide primaire, de forme annulaire, entourant le collecteur d'évacuation secondaire, mais au contraire huit collecteurs d'alimentation primaire 14 séparés, s'étendant axialement entre les modules 12, et débouchant dans une chambre de distribution 95 située sous les modules 12. La chambre 95 communique avec le tronçon de collecteur intermédiaire 74. Chaque collecteur 14 dessert les deux modules d'échange de chaleur 12 qui l'encadrent. Chaque module est délimité radialement vers l'intérieur par une face trans- versale 50 de sortie du fluide secondaire, radialement vers l'extérieur par une face transversale 48 de sortie du fluide primaire, et latéralement par des faces 47 tournées vers les modules voisins. La structure 96 de support des modules 12 comprend, entre chaque paire de modules 12 disposée successivement autour de l'axe central X, deux panneaux en secteurs de cylindre 98 et 100 coaxiaux à l'axe central et s'étendant sur toute la hauteur axiale des modules 12. Ces panneaux sont soudés aux parois latérales 47 en vis-à-vis des deux modules 12 qui les en-cadrent. Les panneaux 100 s'étendent sensiblement radialement au niveau des faces transversales extérieures 48 des modules 12 par lesquelles sort le fluide primaire. Les panneaux 98 sont interposés radialement entre les panneaux 100 et les collecteurs d'alimentation primaires 14. L'ensemble formé par les modules 12 et les panneaux 98 et 100 est suspendu à la plaque de séparation 58 par une virole cylindrique 102.

Par ailleurs, l'espace annulaire 78 est fermé vers le bas par une plaque annulaire 104. L'ensemble 1 comprend huit collecteurs d'alimentation secondaires 16, disposés entre les modules 12, et délimités par les panneaux 98 et 100 et par les faces latérales 47 des modules 12. Chaque collecteur 16 dessert les modules 12 qui l'encadrent. Le fluide secondaire est distribué dans les collecteurs d'alimentation 16 à partir d'une chambre 106 formée par l'espace intérieur de la virole 102. Chaque collecteur d'alimentation primaire 14 présente, dans un plan perpendiculaire à l'axe central X de l'enceinte extérieure 2, une section sen- siblement ovale. Chaque collecteur 14 est délimité par deux panneaux concaves 108 et 110, de concavité se faisant face, s'étendant sur toute la hauteur axiale des modules 12. Les panneaux 108 et 110 sont soudés sur les faces latérales 47 des modules qui les encadrent. Le panneau 110 s'étend sensiblement au niveau des faces transversales intérieures 50 des modules 12. Un isolant thermique 94 remplit l'espace séparant le panneau concave 108 du panneau en secteur d'anneau 98.

16 Comme dans le premier mode de réalisation de l'invention, le collecteur d'évacuation secondaire 20 s'étend selon l'axe central de l'ensemble 1. Il est délimité circonférentiellement alternativement par les faces transversales intérieures 50 des modules 12 et par les panneaux concaves 110. Le gaz secondaire chaud sort donc directement du module 12 dans le collecteur d'évacuation secondaire 20. Le collecteur secondaire 20 est délimité vers le bas par un fond bombé 68 qui le sépare de la chambre de distribution primaire 95. Il se prolonge axialement vers le haut par une tuyauterie d'évacuation de fort diamètre 112 qui traverse la chambre de distribution secondaire 106 et la plaque de séparation 58. L'entrée 114 et la sortie 116 du fluide secondaire sont réalisées dans une virole cylindrique centrale 118 portée par le couvercle 34 de l'ensemble d'échange de chaleur. Cette virole 118 s'étend selon l'axe central X de l'en-semble 1. L'entrée 114 est piquée radialement sur la virole 118. La sortie secondaire 116 est coudée, et comporte une portion de tuyauterie axiale 120 s'étendant dans le prolongement de la virole 118, et une portion 122 s'étendant radialement par rapport à la portion axiale 120. La tuyauterie d'évacuation secondaire 112 relie la portion axiale 120 au collecteur d'évacuation secondaire 20.

La chambre de distribution secondaire 106 communique par l'intermédiaire d'orifices non représentés ménagés dans la plaque de séparation 58 avec l'espace intérieur du couvercle 34, qui communique lui-même avec l'entrée 114 de fluide secondaire. La circulation des fluides primaire et secondaire dans l'ensemble 1 va maintenant être décrite, en référence à la figure 4. Le fluide primaire (flèches en traits interrompus sur la figure 4) pénètre dans l'enceinte 2 par l'entrée 4, traverse le tronçon de collecteur intermédiaire 74 et pénètre dans la chambre de distribution 94, d'où il est distribué dans les huit collecteurs d'alimentation primaire 14. Il pénètre latéralement dans les modules 12, et ressort radialement par la face transversale extérieure 48 de celui-ci dans l'espace annulaire 78. Il remonte le long de l'espace annulaire 78 jusqu'aux orifices 76 puis descend le long de l'espace annulaire 80. Les équipements internes 26 le canalisent ensuite jusqu'à l'aspi-

17 ration du circulateur 28, puis du refoulement du circulateur 28 jusqu'à la sortie primaire 6. Le fluide secondaire pénètre dans l'ensemble 1 par l'entrée secondaire 114, traverse le couvercle 34 et la plaque de séparation 58, pénè- tre dans la chambre de distribution secondaire 106 d'où il est distribué dans les huit canaux d'alimentation secondaire 16. Il pénètre latéralement dans les modules 12, et sort des modules 12 par les faces transversales intérieures 50 des modules qui débouchent dans le collecteur d'évacuation secondaire 20. Il remonte ensuite le long de ce collecteur et de la tuyauterie d'évacuation 112 jusqu'à la sortie secondaire 116. Comme précédemment, du calorifuge 94 est disposé autour des parties les plus chaudes de l'ensemble 1, à savoir les parties dans lesquelles circule le fluide primaire avant son passage dans les modules d'échange de chaleur 12 et le fluide secondaire après sa sortie des modules d'échange de chaleur 12. Comme on le voit sur la figure 4, le calorifuge est disposé le long de l'entrée de fluide primaire 4, du tronçon de collecteur intermédiaire 74, de la chambre de distribution primaire 95, entre les panneaux 98 et 108, le long de la tuyauterie d'évacuation secondaire 112 et le long de la sortie secondaire 116.

Le second mode de réalisation de l'invention présente lui aussi de multiples avantages. Comme dans le premier mode de réalisation, les collecteurs encadrant un même module sont disposés de manière sensiblement symétrique par rapport au plan P médian des deux faces latérales dudit module passant par l'axe central X, de telle sorte que ces collecteurs créent sur les faces latérales du module des contraintes thermiques sensiblement identiques. Les modules ne présentent donc pas de gauchissement selon la direction circonférentielle de l'ensemble 1. Les panneaux 98, 100, 108 et 110 reliant deux modules successifs sont donc soumis à des contraintes thermoméca- niques minimes. Par ailleurs, le fait que les modules d'échange de chaleur 12 soient du type souple fait que ces modules subissent une dilatation thermique axiale beaucoup plus faible que dans le premier mode de réalisation. Les contrain-

18 tes imposées aux panneaux 98, 100, 108 et 110, du fait de la dilatation axiale des modules 12, sont donc modérées, de telle sorte qu'il n'est pas nécessaire de prévoir, pour fermer l'espace annulaire 78 en partie basse des modules 12, un soufflet du type du soufflet 66 du premier mode de réalisa- tion. Il n'est pas non plus nécessaire de prévoir une virole spécifique raccordée par des piquages aux modules 12, comme la virole 62, pour délimiter le collecteur d'évacuation secondaire 20. Ce collecteur peut être réalisé de manière beaucoup plus simple et économique par les faces transversales intérieures 50 des modules 12 et par les panneaux 110 délimitant partielle- ment les collecteurs de distribution primaire. L'ensemble 1, dans le second mode de réalisation, est particulière-ment compact, du fait que les modules d'échange de chaleur sont mono-blocs, du fait de la disposition des entrées et sorties secondaires 114 et 116, et du fait de la disposition des chambres de distribution 95 et 106.

Comme dans le premier mode de réalisation, les parties les plus chaudes de l'ensemble 1 sont situées le long de l'axe central, de telle sorte que l'enceinte extérieure 2 est maintenue à une température modérée. L'ensemble décrit ci-dessus peut présenter de multiples variantes. Il peut comprendre plus au moins de huit modules d'échange de cha- leur 12, par exemple quatre, six, dix ou douze, voire même plus. Dans le premier mode de réalisation de l'invention, chaque module 12 peut comprendre plus ou moins de trois sous-modules, par exemple deux, ou quatre, voire plus de quatre. Le nombre de collecteurs peut être différent de celui indiqué ci-dessus. Chaque module peut être desservi par un collecteur de chaque type (alimentation/évacuation, primaire/secondaire), par deux collecteurs, ou même plus de deux collecteurs. Un même collecteur peut être dédié à un module, ou desservir deux modules, ou desservir tous les modules. Les modules ne sont pas nécessairement parallélépipédique mais peuvent présenter toute forme géométrique adaptée (section en losange, en hexagone, ...). L'enceinte peut présenter plusieurs entrées et sorties de fluide primaire, coaxiales ou non coaxiales. Elle peut comporter plus ou moins de quatre entrées et quatre sorties de fluide secondaire, coaxiales ou non coaxiales. Le fluide primaire peut ne pas être de l'hélium techniquement pur mais être un mélange d'hélium et d'azote.

Le fluide secondaire peut être de l'hélium techniquement pur, ou un mélange d'hélium et d'azote (par exemple 20 % d'hélium 80 % d'azote ou 40 % d'hélium et 60 % d'azote).

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Ensemble d'échange de chaleur (1) entre un premier et un second fluide, comprenant : - une enceinte extérieure (2) présentant un axe central (X) ; 5 - une pluralité de modules d'échange de chaleur (12) entre les pre- mier et second fluides répartis autour de l'axe central (X) à l'intérieur de l'enceinte extérieure (2) et présentant des faces latérales (47) respectives en vis-à-vis ; - au moins un collecteur d'alimentation (14) des modules (12) en 10 fluide primaire ; - au moins un collecteur d'alimentation (16) des modules (12) en fluide secondaire ; - au moins un collecteur (18) de collecte et d'évacuation du fluide primaire sortant des modules (12) ; 15 - au moins un collecteur (20) de collecte et d'évacuation du fluide se- condaire sortant des modules (12), caractérisé en ce qu'au moins certains desdits collecteurs (14, 16) ou parties desdits collecteurs (18) s'étendent entre les modules (12) disposés successivement au tour de l'axe central (X), lesdits collecteurs (14, 16) ou parties 20 de collecteurs (18) encadrant un même module (12) étant disposés de manière sensiblement symétrique par rapport au plan médian situé entre les deux faces latérales (47) dudit module (12) de façon que lesdits collecteurs (14, 16) ou parties de collecteurs (18) créent dans les faces latérales (47) du module (12) des contraintes thermiques sensiblement identiques. 25

2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un unique collecteur d'évacuation secondaire (20) s'étendant le long de l'axe central (X) de l'enceinte extérieure (2), le ou les collecteurs d'alimentation primaire (14) étant disposés autour du collecteur d'évacuation secondaire (20), vers l'intérieur de l'enceinte extérieure (2) par rapport aux 30 collecteurs d'alimentation secondaire (16) et d'évacuation primaire (18).

3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les collecteurs d'alimentation primaire (14) et d'évacuation secondaire (20) des-servant un même module (12) communiquent avec une partie d'extrémité 21 dudit module (12) tournée vers l'intérieur de l'enceinte extérieure (2), et les collecteurs d'alimentation secondaire (16) et d'évacuation primaire (18) des-servant ledit module (12) communiquent avec une partie d'extrémité dudit module (12) tournée vers l'extérieur de l'enceinte extérieure (2).

4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les modules (12) comprennent chacun un empilement de plaques (38 ; A, B) entre lesquelles circulent alternativement les fluides primaire et secondaire.

5. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque module (12) comprend plusieurs sous-modules (36) distincts les uns des autres, chaque module (12) étant desservi par au moins un collecteur d'alimentation secondaire (16) comprenant des tronçons de tuyauterie (82) accolés aux sous-modules (34), et des soufflets (84) connectant les tronçons de tuyauterie (82) les uns aux autres.

6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque sous-module (36) communique avec le collecteur d'évacuation secondaire (20) par un piquage (92), les tronçons de tuyauterie (82) du collecteur d'alimentation secondaire (16) et le piquage (92) présentant un diamètre hydraulique inférieur à 500 millimètres.

7. Ensemble selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'axe central (X) de l'enceinte extérieure (2) est vertical, l'ensemble comprenant une virole (60) de support des modules (12) suspendue à l'enceinte extérieure (2), la virole de support (60) et les modules (12) étant libres de se dilater thermiquement vers le bas par rapport à l'enceinte extérieure (2).

8. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que les modules (12) comprennent chacun un empilement continu de cellules (C) d'échange de chaleur entre les fluides primaire et secondaire, susceptibles de se déformer les unes par rapport aux autres.

9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il corn- prend, entre chaque paire de modules (12) disposés successivement autour de l'axe central (X), un collecteur de distribution secondaire (16) délimité au moins partiellement par des panneaux (98, 100) rigidement fixés sur les fa-ces latérales (47) des modules (12). 22

10. Ensemble selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le collecteur d'évacuation secondaire (20) est délimité au moins partiellement par les parties d'extrémité intérieures des modules d'échange de chaleur (12).

11. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les premier et second fluides sont des gaz, le premier gaz étant destiné à entrer dans l'enceinte extérieure (2) à une température supérieure à 700 C, et le second gaz étant destiné à sortir de l'enceinte extérieure (2) à une température supérieure à 700 C.

12. Ensemble selon la revendication 11, caractérisé en ce que le premier fluide comprend majoritairement de l'hélium, le second fluide comprenant majoritairement de l'hélium et/ou de l'azote.

13. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les premier et second fluides sont les fluides primaire et secondaire d'un réacteur nucléaire à haute température ou à très haute température.