FR3009862A1 - Echangeur de chaleur entre deux fluides, utilisation de l'echangeur avec du metal liquide et du gaz, application a un reacteur nucleaire a neutrons rapides refroidi avec du metal liquide - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un échangeur de chaleur (1) entre un premier (N2) et un deuxième (Na) fluides. Selon l'invention, la structure de l'échangeur de chaleur permet d'amener et récupérer le fluide primaire, tel que le sodium, à une même extrémité longitudinale et à l'opposé de l'extrémité longitudinale par laquelle le fluide secondaire, tel que l'azote, est amené et récupéré. Cela permet d'avoir une séparation physique entre les trajets des deux fluides dans l'échangeur avec la possibilité d'avoir notamment un accès réglementé pour l'un des fluides, tel que le sodium et non réglementé pour l'autre des fluides, tel que l'azote.

Description

ECHANGEUR DE CHALEUR ENTRE DEUX FLUIDES, UTILISATION DE L'ECHANGEUR AVEC DU METAL LIQUIDE ET DU GAZ, APPLICATION A UN REACTEUR NUCLEAIRE A NEUTRONS RAPIDES REFROIDI AVEC DU METAL LIQUIDE Domaine technique La présente invention concerne les échangeurs de chaleur entre deux fluides. L'invention a trait plus particulièrement à la réalisation d'un nouveau type d'échangeur de chaleur compact et de grande puissance thermique. L'invention concerne ainsi un échangeur de chaleur intégrant un ou plusieurs modules d'échangeur de type à plaques dans une calandre en pression. L'utilisation principale de l'échangeur entre deux fluides selon l'invention est son utilisation avec du métal liquide et du gaz. Il peut s'agir avantageusement de sodium liquide et d'azote. L'application principale visée par l'échangeur selon l'invention est l'échange de chaleur entre un métal liquide, tel que sodium liquide, de la boucle secondaire et de l'azote en tant que gaz de la boucle tertiaire d'un réacteur à neutrons rapides refroidi avec le métal liquide, tel que le sodium liquide dit RNR-Na ou SFR (acronyme anglais de «Sodium Fast Reactor ») et qui fait partie de la famille des réacteurs dits de quatrième génération.

Bien que décrite en relation avec cette application principale, un échangeur de chaleur selon l'invention peut aussi être mis en oeuvre 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 transfert sa chaleur au fluide secondaire qui est le fluide froid. A contrario, par « fluide secondaire », on entend dans le cadre de l'invention, le sens usuel en thermique, à savoir le fluide froid auquel est transféré la chaleur du fluide primaire.

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

Etat de la technique Les échangeurs de chaleur, dits à plaques, existants présentent des avantages importants par rapports 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. 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 la calandre. Ces échangeurs à tubes et calandre présentent un volume important et sont donc de faible compacité. Il a déjà été décrit dans la littérature la réalisation d'échangeurs de chaleur comportant des modules d'échangeurs compacts à plaques agencés dans une calandre sous pression. On peut citer ici le brevet FR 2733823 qui divulgue la mise en calandre sous pression constituée d'une enceinte étanche, d'un faisceau de plaques à ondulations qui permet le fonctionnement desdites plaques à des pressions plus élevées que ne pourrait le permettre leur résistance mécanique intrinsèque. La mise en oeuvre d'un tel échangeur est très dépendante de la technologie de fabrication du faisceau de plaques ondulées et elle se limite à un seul faisceau de plaques, ce qui a pour inconvénient de limiter la puissance thermique unitaire de l'échangeur. Les échangeurs compacts à plaques ne sont pas mis en oeuvre actuellement dans le domaine nucléaire et aucun code de dimensionnement nucléaire ne les intègre. La société AREVA a cependant proposé, dans le cadre des études menées sur les réacteurs à gaz à hautes ou très températures, dits HTR ou VHTR (pour « High Temperature Reactor » ou « Very High Temperature Reactor » en anglais), une solution de conception en calandre d'une série de modules d'échangeurs à plaques en mettant en commun une partie des collecteurs d'alimentation et de distribution des fluides. Cette solution, par exemple décrite dans le brevet FR 2887618, est avantageuse dans la mesure où la puissance thermique unitaire de l'échangeur peut être augmentée en augmentant le nombre de modules d'échangeur en série. En revanche, l'orientation radiale des modules d'échangeurs et la disposition relative des collecteurs par rapport à l'enceinte étanche formant la calandre, d'une part limitent l'utilisation de l'échangeur à un échange entre gaz et gaz car, la vidange d'un liquide n'est pas possible et, d'autre part ne permettent pas d'avoir un échangeur réellement compact. Ainsi, le volume occupé par les structures (enceinte étanche, support...) et les collecteurs est très supérieur au volume intrinsèque des modules d'échangeur. Outre les problématiques de compacité d'échangeur et de puissance thermique unitaire élevée, les inventeurs de la présente invention ont été confrontés à la nécessité de trouver un échangeur de chaleur entre un métal liquide, tel que le sodium liquide, et un gaz, avec la nécessité de pouvoir effectuer une vidange gravitaire du circuit de métal liquide et donc une élimination des zones de rétention dans ce circuit. Dans le cadre de ses études pour un prototype de réacteur nucléaire à neutron rapides refroidis au sodium liquide, les inventeurs ont déjà proposé une solution de conception d'échangeur de chaleur entre du sodium liquide et un gaz qui met en oeuvre des modules d'échangeurs compacts à plaques. Cette solution est par exemple décrite dans la publication [1]. On a reproduit aux figures 1 à 1C, les vues de l'échangeur de chaleur telles que divulguées dans cette publication [1].

L'échangeur de chaleur 1 est destiné à transférer de la chaleur entre un premier fluide, qui est de l'azote (N2) (fluide froid) et un deuxième fluide qui est le sodium liquide (Na). On a indiqué également sur ces figures 1 à 1C, les températures et pressions caractéristiques respectivement de l'azote et du sodium telles qu'elles sont prévues à leur entrée et à leur sortie de l'échangeur 1. En particulier, la pression de 180 bars est celle de l'azote et donc, celle régnant à l'intérieur de l'enceinte étanche 2. L'échangeur de chaleur 1 d'axe central X comporte une enceinte étanche 2 dans laquelle est logée une pluralité 3 de modules d'échangeur 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, agencés à la verticale et parallèlement à l'axe X. Tel que mieux illustré en figure 1A, le nombre de modules d'échangeur identiques est égal à quatre.

L'enceinte étanche 2 est de forme générale essentiellement cylindrique et est constituée essentiellement d'un couvercle 20 assemblé avec un fond 21. Le couvercle 20 ne comporte pas d'ouverture. Ainsi, l'enceinte étanche 2 comporte à l'une 2a de ses extrémités longitudinales, à la fois une entrée 10 et une sortie 11 de l'azote et une entrée 12 et une sortie 13 du sodium liquide. Chaque module d'échangeur 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 intègre deux circuits de fluide dont un dédié à la circulation du sodium (Na) provenant d'un réacteur nucléaire RNR-Na, en tant que fluide primaire du module d'échangeur, et l'autre dédié à la circulation de l'azote (N2) en tant que fluide secondaire. La pluralité 3 de modules d'échangeur 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 est supportée par une structure support 4. Comme expliqué par la suite, la structure support 4 est fixée de manière flexible dans l'enceinte étanche 2. A cet effet, les modules d'échangeur 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 sont posés sur une plaque support ajourée 40 qui est suspendue dans l'enceinte 2 par l'intermédiaire de bras flexibles 40a, 40b, 40c (figure 1C). Une chambre 5 d'entrée de l'azote est ménagée axialement sur le dessus de l'enceinte 2, à son extrémité longitudinale supérieure 2b, entre les modules d'échangeur 3.1 à 3.4 et le couvercle 20 de l'enceinte 2.

Comme illustré en figure 1 à l'aide des flèches incurvées, cette chambre 5 communique avec chaque entrée non représentée du circuit de l'azote intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.4. A l'opposé de la chambre 5, un premier collecteur central 6 est agencé axialement autour de l'axe central (X). Ce premier collecteur central 6 a pour fonction de récupérer l'azote chaud auquel a été transférée la chaleur du sodium dans les modules d'échangeur 3.1 à 3.4. Ce collecteur central 6 communique donc en amont avec chaque sortie non représentée du circuit de l'azote intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.4. En aval, ce collecteur central 6 communique avec la sortie 11 de l'azote de l'enceinte 2.

Un collecteur annulaire 7 est agencé autour du collecteur central 6 et des modules d'échangeur 3.1 à 3.4 en formant un espace de guidage de l'azote. Ce collecteur annulaire 7 a pour fonction d'amener l'azote froid dans la chambre 5.

Plus précisément, ce collecteur annulaire 7 est constitué essentiellement d'un déflecteur de forme évasée 70 et d'une virole de forme cylindrique 71. Ainsi, l'espace de guidage de l'azote est délimité d'amont en aval, à l'extérieur par l'enceinte 2 et à l'intérieur, par le premier collecteur central 6 puis par le déflecteur 70 et la virole 71. Le collecteur annulaire 7 est agencé de manière coaxiale autour du premier collecteur central 6. Le collecteur annulaire 7 communique donc en amont avec l'entrée 10 de l'azote de l'enceinte 2 et en aval avec la chambre 5. Une pluralité 8 de tuyauteries d'entrée 81, 82, 83, 84 est agencée pour amener le sodium chaud dans chacune des entrées non représentées du circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.4. Ainsi, chaque tuyauterie d'entrée 81 à 84 communique en amont avec l'entrée 12 du sodium de l'enceinte 2, et en aval avec chaque entrée 31 à 34 du circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.4. Tel que mieux illustré en figure 1A, chaque entrée 31 à 34 est réalisée sur un côté latéral du dessous d'un module 3.1 à 3.4 : la pluralité 8 de tuyauteries d'entrée 81 à 84 est donc incurvée pour pouvoir déboucher sur ces entrées latérales 31 à 34. Une pluralité 9 de tuyauteries de sortie 91, 92, 93, 94 est agencée pour extraire le sodium froid de chacune des sorties du circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.4.

Ainsi, chaque tuyauterie de sortie 91 à 94 communique en amont avec une sortie du circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.4 et en aval avec la sortie 13 du sodium de l'enceinte 2. La sortie 13 du sodium froid s'effectue latéralement et vers le haut de l'enceinte 2. Tel que mieux illustré en figure 1A, chaque sortie de sodium est réalisée sur un côté latéral du dessus d'un module 3.1 à 3.4 : la pluralité 9 de tuyauteries de sortie 91 à 94 est donc incurvée pour pouvoir déboucher sur ces sorties latérales. Egalement, tel que mieux illustré en figure 1A, la pluralité 8 de tuyauteries d'entrée 81 à 84 communique avec un deuxième collecteur central 14 qui amène donc le sodium liquide chaud à travers l'entrée 12 de l'enceinte 2. Le premier collecteur central 6 est coaxial au deuxième collecteur central 14 et disposé entre le collecteur annulaire 7 et le deuxième collecteur central 14.

Le fonctionnement de l'échangeur de chaleur 1 qui vient d'être décrit va maintenant être brièvement expliqué en relation avec le trajet de l'azote et du sodium. L'azote froid arrive, à une température de l'ordre de 330°C et à une pression de l'ordre de 180 bar, par l'entrée 10 puis est amené par le collecteur annulaire 7 en haut de l'enceinte 2 et est redirigé jusqu'à la chambre d'entrée 5 par le couvercle 20, comme illustré par les flèches latérales montantes puis redescendantes en figure 1. L'azote circule alors à travers les modules d'échangeur de chaleur 3.1 à 3.4 dans lesquels la chaleur provenant du sodium chaud lui est transférée. L'azote devenu chaud, à une température de l'ordre de 515°C, ressort des modules 3.1 à 3.4 puis est extrait de l'enceinte par la sortie 11 par l'intermédiaire du premier collecteur central 6. Le sodium chaud, quant à lui, est amené, à une température de l'ordre de 530°C, par le deuxième collecteur central 14 à travers l'entrée 12 puis est distribué dans chaque module d'échangeur 3.1 à 3.4 par les tuyauteries d'entrée 81 à 84.

Le sodium chaud passe alors à travers les modules d'échangeur de chaleur 3.1 à 3.4 dans lesquels il transfert sa chaleur à l'azote. Le sodium devenu froid, à une température de l'ordre de 345°C, ressort des modules 3.1 à 3.4 puis est extrait de l'enceinte 2 par la sortie 13 par l'intermédiaire des tuyauteries de sortie 91 à 94.

L'échangeur de chaleur 1 qui vient d'être décrit présente comme avantages de pouvoir être d'une puissance thermique unitaire élevée et d'être compact. En outre, l'agencement des modules d'échangeurs 3.1 à 3.4, de la pluralité des tuyauteries d'entrée 8 et de sortie 9 ainsi que le deuxième collecteur central 14 permet une vidange gravitaire du sodium mais uniquement du sodium chaud. En effet, en ce qui concerne le sodium froid, compte tenu de la forme incurvée des tuyauteries de sortie, il est très probable qu'il y ait une rétention du sodium froid. En revanche, cet échangeur de chaleur présente comme inconvénient majeur que la distribution des fluides peut s'avérer délicate à garantir de manière industrielle compte tenu des niveaux de température requis pour le fonctionnement. Ainsi, en substance, il faut tout d'abord s'assurer de la parfaite étanchéité glissante entre le collecteur d'amenée 14 du sodium et le collecteur de sortie 6 de l'azote qui est coaxial, à l'aide d'un soufflet métallique 15. Par ailleurs, l'azote chaud qui sort des modules d'échangeur 3.1 à 3.4 est récupéré par le déflecteur 70, comme montré par les flèches incurvées vers le bas, qui vient donc solliciter thermiquement la structure support suspendue 4, 40 des modules d'échangeur 3.1 à 3.4. La partie support proprement dite 40 doit d'ailleurs réaliser l'étanchéité entre l'azote chaud présent dans la chambre 5 et l'azote froid récupéré en aval. Ainsi, il faut garantir à la fois la bonne tenue mécanique et thermique de la flexibilité des bras 40a à 40c et une bonne flexibilité au niveau des tuyauteries d'entrée 81 à 84 du sodium traversant le support 40 à l'aide de soufflets métalliques 16. Il existe donc un besoin d'améliorer encore les échangeurs de chaleur du type comportant des modules d'échangeurs compacts à plaques agencés dans une calandre sous pression, notamment en vue de leur conférer une puissance thermique unitaire élevée et une grande compacité, tout en leur garantissant une réalisation industrielle. Le but de l'invention est de répondre au moins partiellement à ce besoin. Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur entre un premier et un deuxième fluide, comprenant: - une enceinte étanche présentant un axe central et comprenant, à l'une de ses extrémités longitudinales, au moins une entrée et une sortie du premier fluide et, à l'autre de ses extrémités longitudinales, au moins une entrée et une sortie du deuxième fluide, l'enceinte étanche étant adaptée pour être mise sous pression, - au moins un module d'échangeur de chaleur intégrant un premier et deuxième circuits de fluide, s'étendant parallèlement à l'axe central et agencé à l'intérieur de l'enceinte, - une structure de support et de maintien du au moins un module d'échangeur, fixée de manière rigide à l'enceinte, - une chambre d'entrée ou de sortie du premier fluide, ménagée axialement entre le support et l'enceinte, et communiquant avec l'une de l'entrée et la sortie du premier circuit de fluide, - un premier collecteur central s'étendant autour de l'axe central, agencé axialement à l'opposé de la chambre et, communiquant d'une part avec l'une de l'entrée et de la sortie du premier fluide de l'enceinte et d'autre part avec l'autre de l'entrée et la sortie du premier circuit de fluide, - un collecteur annulaire agencé autour du premier collecteur central et du au moins un module d'échangeur jusqu'au moins le support en formant un espace de guidage du premier fluide et, communiquant d'une part avec l'autre de l'entrée et de la sortie du premier fluide de l'enceinte et d'autre part avec la chambre, - au moins une tuyauterie d'entrée communiquant d'une part avec l'entrée du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec l'entrée du deuxième circuit de fluide, - au moins une tuyauterie de sortie communiquant d'une part avec la sortie du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec la sortie du deuxième circuit de fluide, les tuyauteries n'étant pas supportées par la structure de support et de maintien.

Par « collecteur », on entend ici et dans le cadre de l'invention un dispositif permettant de distribuer ou de collecter un fluide, respectivement vers ou depuis une ou plusieurs voies. Par « tuyauterie », on entend ici et dans le cadre de l'invention, un conduit permettant de distribuer ou de collecter un fluide vers et depuis une seule voie.

Par « les tuyauteries n'étant pas supportées par la structure de support et de maintien », on entend ici et dans le cadre de l'invention que la structure support n'a pas pour fonction de servir d'appui aux tuyauteries et qu'elle ne reçoit pas d'effort mécanique ni contrainte thermique néfaste par les tuyauteries. Autrement dit, les tuyauteries sont agencées à distance de la structure support et de maintien. Autrement dit encore, les tuyauteries et la structure de support et de maintien sont entre elles découplées mécaniquement et thermiquement. Autrement dit, l'invention consiste tout d'abord essentiellement à définir une structure d'échangeur de chaleur qui permet d'amener et récupérer le fluide primaire, tel que le sodium, à une même extrémité longitudinale et à l'opposé de l'extrémité longitudinale par laquelle le fluide secondaire, tel que l'azote, est amené et récupéré. Cela permet d'avoir une séparation physique entre les trajets des deux fluides dans l'échangeur avec la possibilité d'avoir notamment un accès réglementé pour l'un des fluides, tel que le sodium et non réglementé pour l'autre des fluides, tel que l'azote. Ainsi, comparativement à l'échangeur de chaleur selon la publication [1], on s'affranchit de l'étanchéité glissante à garantir entre collecteur de récupération de l'azote chaud et collecteur d'amenée du sodium chaud.

En outre, l'invention consiste à fixer de manière rigide la structure support des modules d'échangeur à l'enceinte étanche et à amener le fluide le plus froid (fluide secondaire) du côté du support. Grâce à cela, la structure support est soumise aux relativement basses températures, et donc elle est moins contrainte thermiquement.

En configuration de fonctionnement à la verticale, l'échangeur de chaleur permet la vidange gravitaire du fluide primaire par le bas de l'enceinte étanche, à l'opposé du premier collecteur central par lequel le fluide secondaire, qui est disposé dans la partie haute de l'enceinte étanche, est extrait. Un autre avantage par rapport à l'échangeur de chaleur selon la publication [1], est qu'on s'affranchit de la flexibilité de la structure support des modules d'échangeur et des tuyauteries. En résumé, grâce à l'invention, on obtient un échangeur compact à puissance thermique unitaire élevée pour un échange métal liquide-gaz et dont la réalisation industrielle peut être garantie de manière aisée et fiable.

Selon un mode de réalisation avantageux, l'échangeur de chaleur comprend: - une pluralité de modules d'échangeur de chaleur, s'étendant chacun parallèlement à l'axe central (X) et agencés chacun à l'intérieur de l'enceinte externe, - une pluralité de tuyauteries d'entrée communiquant chacune d'une part avec l'entrée du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec l'entrée du deuxième circuit de fluide d'un des modules d'échangeur, - une pluralité de tuyauteries de sortie communiquant d'une part avec la sortie du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec la sortie du deuxième circuit de fluide. La puissance thermique unitaire d'un tel échangeur est élevée. De préférence, notamment pour des raisons de compacité et de distribution des fluides, la pluralité de tuyauteries d'entrée communique avec un deuxième collecteur central. De préférence, notamment pour des raisons de compacité et de distribution des fluides, la pluralité de tuyauteries de sortie communique avec un troisième collecteur central.

Selon un mode avantageux, le troisième collecteur central est agencé coaxialement autour du deuxième collecteur central.

Selon une variante avantageuse, l'entrée du premier et/ou du deuxième circuit de fluide de chaque module d'échangeur est agencée à une extrémité longitudinale de chaque module. Selon une variante avantageuse, la sortie du premier et/ou du deuxième circuit de fluide étant agencée à une extrémité longitudinale de chaque module. Avantageusement, l'entrée du premier circuit de fluide et la sortie du deuxième circuit de fluide de chaque module d'échangeur étant agencées à une même extrémité longitudinale et l'entrée du deuxième circuit de fluide et la sortie du premier circuit de fluide de chaque module d'échangeur étant agencées à une même extrémité longitudinale opposée. L'invention concerne également sous un autre de ses aspects, un procédé de fonctionnement de l'échangeur de chaleur qui vient d'être décrit, l'enceinte étanche étant agencée sensiblement à la verticale avec l'entrée et la sortie du premier fluide en haut et l'entrée et la sortie du deuxième fluide en bas.

L'invention concerne également l'utilisation de l'échangeur de chaleur qui vient d'être décrit, le premier fluide, en tant que fluide secondaire étant un gaz ou un mélange de gaz et le deuxième fluide, en tant que fluide primaire, étant un métal liquide. Selon un mode de réalisation avantageux, le premier fluide comprend principalement de l'azote et le deuxième fluide étant du sodium liquide.

Le premier ou le deuxième fluide peu(ven)t provenir d'un réacteur nucléaire. L'invention concerne enfin une installation nucléaire comprenant un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du métal liquide, notamment du sodium liquide dit RNR-Na ou SFR et un échangeur de chaleur décrit précédemment. Description détaillée D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d'exemples de mise en oeuvre de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale et en perspective d'un échangeur de chaleur selon l'état de l'art; - la figure 1 A est une vue en perspective et en écorché de l'échangeur de chaleur selon la figure 1; - les figures 1B et 1C sont des vues de détail de l'échangeur de chaleur selon la figure 1 ; - la figure 2 est une vue en perspective et en écorché d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; - la figure 2A est une vue en perspective et en écorché de la partie supérieure d'un échangeur de chaleur selon la figure 2 ; - la figure 2B est une vue en perspective et en écorché de la partie inférieure d'un échangeur de chaleur selon la figure 2 ; - la figure 3 est une vue en perspective de la pluralité de modules d'échangeur et d'une partie de la structure support de l'échangeur de chaleur selon la figure 2 ; - la figure 4 est une vue en perspective de la pluralité de modules d'échangeur et d'une partie supplémentaire de la structure support de l'échangeur de chaleur selon la figure 2 ; - la figure 5 est une vue en perspective de la pluralité de modules d'échangeur et d'une partie encore supplémentaire de la structure support de l'échangeur de chaleur selon la figure 2 ; - la figure 5A est une vue de détail de la figure 5 ; - la figure 6 reprend la figure 5 et illustre en outre en perspective le premier collecteur central de l'échangeur de chaleur selon l'invention ; - la figure 7 reprend la figure 6 et illustre en outre en perspective les tuyauteries d'entrée et de sortie d'un des fluides ainsi que leurs collecteurs centraux de l'échangeur de chaleur selon l'invention ; - la figure 8 est une vue isolée en perspective des tuyauteries d'entrée et de sortie d'un des fluides ainsi que de leurs collecteurs centraux montrés en figure 7 ; - la figure 8A reprend la figure 7 et illustre en outre en perspective l'agencement d'une partie du collecteur annulaire ainsi que l'agencement des tuyauteries d'entrée et de sortie et de leurs collecteurs centraux dans le fond de l'enceinte étanche de l'échangeur selon l'invention; - la figure 9 est une vue en perspective et en écorché de l'agencement relatif entre le couvercle de l'enceinte étanche et une autre partie du collecteur annulaire. Dans l'ensemble de la présente demande, les termes « vertical », « inférieur », « supérieur », « bas », « haut », « dessous » et « dessus » sont à comprendre par référence par rapport à un échangeur de chaleur selon l'invention avec son enceinte étanche telle qu'elle est en configuration verticale de fonctionnement. Ainsi, dans une configuration de fonctionnement, l'axe central X de l'enceinte étanche 2 est vertical et le couvercle 20 est en haut.

De même, dans l'ensemble de la présente demande, les termes « entrée », « sortie », « aval » et « amont » sont à comprendre en référence au sens de circulation de l'un ou l'autre des deux fluides à travers l'échangeur de chaleur selon l'invention. Par souci de clarté, les mêmes références désignent les mêmes éléments à la fois pour un échangeur de chaleur 1 selon l'état de l'art déjà décrit en référence aux figures 1 à 1C, et pour un échangeur de chaleur 1 selon l'invention décrit en référence aux figures 2 à 9. Les figures 1 à 1C de l'échangeur de chaleur 1 selon l'état de l'art, tel que divulgué dans la publication [1] ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont donc pas détaillées ci-après.

Les inventeurs de la présente invention ont cherché à conserver les avantages de l'échangeur de chaleur 1 selon cette publication [1], à savoir essentiellement une bonne compacité et une puissance thermique unitaire élevée, tout en s'affranchissant de son inconvénient majeur. Par-là, ils ont cherché à garantir de manière industrielle la distribution des fluides.

Ainsi, ils ont proposé l'échangeur de chaleur 1 illustré en figures 2 à 9, qui est destiné à transférer de la chaleur entre un premier fluide, qui est de l'azote (N2) (fluide froid) et un deuxième fluide qui est le sodium liquide (Na). L'échangeur de chaleur 1 est représenté dans sa configuration verticale de fonctionnement avec le couvercle 20 de l'enceinte étanche sur le dessus.

L'échangeur de chaleur 1 d'axe central X comporte une enceinte étanche 2 dans laquelle est logée une pluralité 3 de modules d'échangeur 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8 agencés à la verticale et parallèlement à l'axe X. Dans le mode de réalisation illustré aux figures 2 à 10, le nombre de modules d'échangeur identiques est égal à huit. L'enceinte étanche 2 est de forme générale essentiellement cylindrique et est constituée essentiellement d'un couvercle 20, d'un fond 21 et d'une enveloppe latérale 22 sous la forme d'une virole. Le couvercle 20 et la virole 22 sont assemblés entre eux au moyen d'un premier groupe de boulons 23. Le fond 21 et la virole 22 sont également assemblés entre eux au moyen d'un deuxième groupe de boulons 23. L'enceinte étanche 2 comporte à l'une 2a de ses extrémités longitudinales, une entrée 10 et une sortie 11 de l'azote A l'autre 2b des extrémités longitudinales de l'enceinte 2 sont prévues une entrée 12 et une sortie 13 du sodium liquide. Chaque module d'échangeur 3.1 à 3.8 intègre deux circuits de fluide dont un dédié à la circulation du sodium (Na) provenant d'un réacteur nucléaire RNR-Na, en tant que fluide primaire du module d'échangeur, et l'autre dédié à la circulation de l'azote (N2) en tant que fluide secondaire. La pluralité 3 de modules d'échangeur 3.1 à 3.8 est supportée par une structure support et de maintien 4. La structure support et de maintien 4 est ainsi fixée rigidement à l'enceinte externe 2. Une chambre 5 d'entrée de l'azote est ménagée axialement sur le dessous de l'enceinte 2, à son extrémité longitudinale inférieure 2b, entre la structure support 4 et le fond 21 de l'enceinte 2. Autrement dit, cette chambre 5 est l'espace disponible entre la structure support 4 et le fond 21 de l'enceinte 2. Cette chambre 5 communique avec chaque entrée non représentée du circuit de l'azote intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.8.

A l'opposé de la chambre 5, un premier collecteur central 6 est agencé axialement autour de l'axe central (X). Ce premier collecteur central 6 a pour fonction de récupérer l'azote chaud auquel a été transférée la chaleur du sodium dans les modules d'échangeur 3.1 à 3.8. Ce collecteur chaud 6 est ainsi commun aux modules 3.1 à 3.8 mais chacun d'entre eux alimente indépendamment ce collecteur par la sortie 30.

Ce collecteur central 6 communique donc en amont avec chaque sortie 30 du circuit de l'azote intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.4. En aval, ce collecteur central communique avec la sortie 11 de l'azote de l'enceinte 2, i.e. à travers le couvercle 20. Un collecteur annulaire 7 est agencé de manière coaxiale autour du collecteur central 6 et des modules d'échangeur 3.1 à 3.8 en formant un espace de guidage de l'azote. Ce collecteur annulaire 7 a pour fonction d'amener l'azote froid dans la chambre 5.

Plus précisément, ce collecteur annulaire 7 est constitué essentiellement d'un déflecteur de forme évasée 70 et d'une virole de forme cylindrique 71. Le collecteur annulaire 7 peut être constitué en une seule pièce réalisée par chaudronnerie. Un agencement relatif entre le déflecteur 70 et le couvercle 20 de l'enceinte est montré en figure 9. L'espace de guidage 72 de l'azote froid provenant de l'entrée 10 est délimité d'amont en aval, à l'extérieur par l'enceinte 2 et à l'intérieur, uniquement par le collecteur annulaire 7, c'est-à-dire par le déflecteur 70 et la virole 71. Ainsi, la fonction de la virole 71 est de guider l'azote froid le long de la paroi de l'enceinte étanche 2, afin de le distribuer par les extrémités inférieures des modules 3.1 à 3.8. Autrement dit, l'azote froid distribué dans l'espace annulaire 72 fixe la température de la paroi de l'enceinte étanche 2, typiquement à environ 330°C. Le collecteur annulaire 7 communique donc en amont avec l'entrée 10 de l'azote de l'enceinte 2 et en aval avec la chambre 5.

Une pluralité 8 de tuyauteries d'entrée 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88 est agencée pour amener le sodium chaud dans chacune des entrées 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 du circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.8. Ainsi, chaque tuyauterie d'entrée 81 à 88 communique en amont avec l'entrée 12 du sodium de l'enceinte 2, et en aval avec chaque entrée 31 à 38 du circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.8. Avantageusement, la pluralité 8 de tuyauteries d'entrée communique avec un deuxième collecteur central 14. Tel que mieux illustré en figure 2, chaque entrée 31 à 38 est réalisée sur le dessus d'un module 3.1 à 3.8 : la pluralité 8 de tuyauteries d'entrée 81 à 88 est donc incurvée pour pouvoir déboucher sur ces entrées longitudinales 31 à 38.

A titre de variante non représentée, on peut prévoir que chaque entrée 31 à 38 soit réalisée sur un côté longitudinal en partie haute d'un module 3.1 à 3.8.Une pluralité 9 de tuyauteries de sortie 91, 92, 93, 94, 95, 96, 7, 98 est agencée pour extraire le sodium froid de chacune des sorties du circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.8.

Ainsi, chaque tuyauterie de sortie 91 à 98 communique en amont avec une sortie du circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.8 et en aval avec la sortie 13 du sodium de l'enceinte 2. La sortie 13 du sodium froid s'effectue vers le bas de l'enceinte 2 à travers le fond 21. Avantageusement, la pluralité 9 de tuyauteries de sortie communique avec un troisième collecteur central 17. Un exemple de réalisation avantageux de la pluralité de tuyauteries d'entrée 8 et de sortie 9 et leur agencement relatif est montré en figure 7A : on voit clairement l'agencement coaxial du troisième collecteur central 17 autour du deuxième collecteur central 14. Comme mieux illustré en figure 3, la structure support et de maintien 4 comporte une plateforme support 40 qui est en appui contre un épaulement périphérique à l'intérieur du fond 21 de l'enceinte 2. Conformément à l'invention, aucune fonction d'étanchéité relative entre l'amenée de l'azote froid et la récupération de l'azote chaud n'est à réaliser pour la plateforme 40. Ainsi, comme il ressort mieux par la suite, aucune flexibilité par soufflet métallique entre les tuyauteries d'entrée 8 et de sortie 9 du sodium n'est à réaliser. La plateforme 40 peut ainsi être ajourée, notamment pour diminuer le poids.

Lorsqu'on souhaite dégager des accès aux surfaces inférieures des modules d'échangeur 3.1 à 3.8, on peut réaliser des ajours de grande dimension. Ainsi, à titre d'exemple, la plateforme 40 peut être un assemblage de poutres réalisé en mécano soudé. Les modules 3.1 à 3.8 sont posés sur la plateforme 40 et sont maintenus en position grâce à des cornières fixées sur la plateforme 40 (figure 3).

La structure de support et de maintien 4 comporte également des moyens 41 de maintien latéral des modules d'échangeur 3.1 à 3.8, également fixés sur la plateforme 40 (figure 4), A à titre d'exemple, les moyens de maintien latéral 41 peut être un assemblage de poutres réalisé en mécano soudé qui épouse la forme extérieure des modules. Il peut s'agir de deux groupes de poutres à 90° l'un de l'autre et divisant les modules 3.1 à 3.8 en quatre groupes égaux (figure 4). Une plaque d'étanchéité 42 est vissée sur la structure de maintien 41 (figure 5). Elle a pour fonction de réaliser l'étanchéité entre l'azote froid amené dans l'échangeur de chaleur et l'azote chaud sortant de chaque module d'échangeur 3.1 à 3.8 est récupéré par le premier collecteur central 6.

Le premier collecteur central 6 ou collecteur chaud d'azote est fixé directement sur la plaque d'étanchéité 42.

Un exemple de réalisation avantageux de réalisation du système d'étanchéité glissant entre collecteur central 6 et modules 3.1 à 3.8 est montré en figure 5A : une bride 43 est fixée sur la plaque d'étanchéité 42 au moyen de vis 44 et des joints à segments 45 entre la sortie 30 des modules et le collecteur 6 sont agencés. Des joints 46 sont également agencés entre bride 43 et plaque d'étanchéité 42. A titre de variante, on pourrait prévoir des soufflets métalliques. Le fonctionnement de l'échangeur de chaleur 1 qui vient d'être décrit va maintenant être brièvement expliqué en relation avec le trajet de l'azote et du sodium. L'azote froid arrive, à une température de l'ordre de 330°C et à une pression de l'ordre de 180 bar, par l'entrée 10 puis est amené par le collecteur annulaire 7 en bas de l'enceinte 2 jusqu'à la chambre d'entrée 5 au-dessus du fond 21, comme illustré par les flèches latérales en figure 2. L'azote circule alors à travers les modules d'échangeur de chaleur 3.1 à 3.8 dans lesquels la chaleur provenant du sodium chaud lui est transférée.

L'azote devenu chaud, à une température de l'ordre de 515°C, ressort des modules 3.1 à 3.8 puis est extrait de l'enceinte par la sortie 11 par l'intermédiaire du premier collecteur central 6. Le sodium chaud, quant à lui, est amené, à une température de l'ordre de 530°C, par le deuxième collecteur central 14 à travers l'entrée 12 puis est distribué dans chaque module d'échangeur 3.1 à 3.8 par les tuyauteries d'entrée 81 à 88, comme illustré par les flèches verticales montantes en figure 2. Le sodium alors à travers les modules d'échangeur de chaleur 3.1 à 3.8 dans lesquels il transfert sa chaleur à l'azote. Le sodium devenu froid, à une température de l'ordre de 345°C, ressort des modules 3.1 à 3.8 par leurs extrémités inférieures puis est extrait de l'enceinte 2 par la sortie 13 par l'intermédiaire des tuyauteries de sortie 91 à 98. Dans un échangeur de chaleur 1 selon l'invention, le gaz froid (N2 froid) circule du haut vers le bas et en contrecourant avec le sodium chaud. Ainsi, comme mieux illustré en figures 2A et 2B, le gaz froid (N2 froid) parvient à la chambre 5, entre en partie basse des modules 3.1 à 3.8 puis ressort chaud par les sorties 30 de modules pour alimenter le collecteur 6 et enfin sort de l'échangeur par la sortie 11. Comme illustré en figure 2A, dans l'échangeur de chaleur 1 selon l'invention, il n'y a pas de collecteur d'entrée de gaz par module : les canaux de gaz délimités entre le déflecteur 7 et l'enceinte 2 débouchent directement dans cette dernière, au niveau de la chambre 5. Ainsi, la chambre 5 définie par l'enceinte 2 joue le rôle de collecteur d'entrée de gaz. La circulation des fluides est compatible avec une circulation en convection naturelle. En pratique une convection forcée est prévue pour le fonctionnement nominal, autrement dit pour initier le mouvement du gaz et du sodium liquide au sein de l'échangeur 1. Ensuite, en cas d'incident (arrêt des pompes par exemple), la circulation peut se poursuivre par convection naturelle. En effet, le sodium se refroidissant a tendance à descendre naturellement et lorsqu'il se refroidit dans un module d'échangeur 3.1 à 3.8, son extraction est facilitée par la gravité. Ainsi, le sodium devenu froid est évacué en partie basse du dispositif ce qui améliore sa vidange gravitaire. Le gaz froid (N2) quant à lui descend le long de la paroi de l'enceinte étanche 2 et il remonte en même temps qu'il est réchauffé pour être extrait par le collecteur central 6.

La chaleur favorise sa progression vers le haut de l'échangeur 1. D'autres variantes et améliorations peuvent être prévues sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

REFERENCE CITEE [1]: "Innovative power conversion system for the French SFR prototype, ASTRID", L.Cachon and al. Proceeding of ICAPP'12, Chicago, USA, June 24-28, 2012, Paper 12300.5

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur (1) entre un premier (N2) et un deuxième (Na) fluides, comprenant: - une enceinte étanche (2) présentant un axe central (X) et comprenant, à l'une (2a) de ses extrémités longitudinales, au moins une entrée (10) et une sortie (11) du premier fluide et, à l'autre de ses extrémités longitudinales (2b), au moins une entrée (12) et une sortie (13) du deuxième fluide, l'enceinte étanche étant adaptée pour être mise sous pression, - au moins un module d'échangeur (3.1 à 3.8) de chaleur intégrant un premier et deuxième circuits de fluide, s'étendant parallèlement à l'axe central (X) et agencé à l'intérieur de l'enceinte, - une structure de support (4, 40) et de maintien du au moins un module d'échangeur, fixée de manière rigide à l'enceinte (2), - une chambre (5) d'entrée ou de sortie du premier fluide, ménagée axialement entre le support et l'enceinte, et communiquant avec l'une de l'entrée et la sortie (30) du premier circuit de fluide, - un premier collecteur central (6) s'étendant autour de l'axe central (X), agencé axialement à l'opposé de la chambre et, communiquant d'une part avec l'une de l'entrée (10) et de la sortie (11) du premier fluide de l'enceinte et d'autre part avec l'autre de l'entrée et la sortie (30) du premier circuit de fluide, - un collecteur annulaire (7) agencé autour du premier collecteur central (6) et du au moins un module d'échangeur jusqu'au moins le support (4, 40) en formant un espace de guidage (72) du premier fluide et, communiquant d'une part avec l'autre de l'entrée (10) et de la sortie (11) du premier fluide de l'enceinte et d'autre part avec la chambre (5), - au moins une tuyauterie d'entrée (8, 81 à 88) communiquant d'une part avec l'entrée (12) du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec l'entrée (31 à 38) du deuxième circuit de fluide, - au moins une tuyauterie de sortie (9, 91 à 98) communiquant d'une part avec la sortie (13) du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec la sortie du deuxième circuit de fluide, les tuyauteries (8, 81 à 88; 9, 91 à 98) n'étant pas supportées par la structure support et de maintien.
2. 2. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 1, comprenant : - une pluralité (3) de modules d'échangeur de chaleur (3.1 à
3. 3.8), s'étendant chacun parallèlement à l'axe central (X) et agencés chacun à l'intérieur de l'enceinte externe, - une pluralité (8) de tuyauteries d'entrée (81 à 88) communiquant chacune d'une part avec l'entrée (12) du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec l'entrée (31 à 38) du deuxième circuit de fluide d'un des modules d'échangeur, - une pluralité (9) de tuyauteries de sortie (91 à 98) communiquant d'une part avec la sortie (13) du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec la sortie du deuxième circuit de fluide, 3. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 2, la pluralité (8) de tuyauteries d'entrée communiquant avec un deuxième collecteur central (14).
4. 4. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 2 ou 3, la pluralité (9) de tuyauteries de sortie communiquant avec un troisième collecteur central (17).
5. 5. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 3 en combinaison avec la revendication 4, le troisième collecteur central (17) étant agencé coaxialement autour du deuxième collecteur central (14).
6. 6. Echangeur de chaleur (1) selon l'une des revendications précédentes, l'entrée du premier et/ou (31 à 38) du deuxième circuit de fluide de chaque module d'échangeur (3.1 à 3.8) étant agencée à une extrémité longitudinale de chaque module.
7. 7. Echangeur de chaleur (1) selon l'une des revendications précédentes, la sortie du premier (30) et/ou du deuxième circuit de fluide étant agencée à une extrémité longitudinale de chaque module.
8. 8. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 6 en combinaison avec la revendication 7, l'entrée du premier circuit de fluide et la sortie du deuxième circuit de fluide de chaque module d'échangeur étant agencées à une même extrémité longitudinale et l'entrée du deuxième circuit de fluide et la sortie du premier circuit de fluide de chaque module d'échangeur étant agencées à une même extrémité longitudinale opposée.
9. 9. Procédé de fonctionnement de l'échangeur de chaleur (1) selon l'une des revendications précédentes, l'enceinte étanche étant agencée sensiblement à la verticale avec l'entrée et la sortie du premier fluide en haut et l'entrée et la sortie du deuxième fluide en bas.
10. 10. Utilisation de l'échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, le premier fluide, en tant que fluide secondaire étant un gaz ou un mélange de gaz et le deuxième fluide, en tant que fluide primaire, étant un métal liquide.
11. 11. Utilisation de l'ensemble selon la revendication 10, le premier fluide comprenant principalement de l'azote et le deuxième fluide étant du sodium liquide.
12. 12. Utilisation selon la revendication 10 ou 11, le premier ou le deuxième fluide provenant d'un réacteur nucléaire.
13. 13. Installation nucléaire comprenant un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du métal liquide, notamment du sodium liquide dit RNR-Na ou SFR et un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8.