FR3051244A1 - Echangeur de chaleur a plaques, procede de fabrication et utilisation correspondante - Google Patents

Abstract

L'échangeur de chaleur (1) comprend au moins un sous-ensemble (5) comportant : - au moins une plaque centrale (7) dans laquelle sont ménagés une pluralité de passages secondaires (17) ; - au moins une plaque droite (13) et une plaque gauche (15) plaquées contre les grandes faces droite et gauche (9, 11) de la plaque contrôle (7) respectivement, dans lesquelles est ménagé au moins un passage primaire (23) s'enroulant autour des passages secondaires (17) et formant une pluralité de tours (37) répartis longitudinalement entre l'entrée primaire (25) et la sortie primaire (27).

Description

Echangeur de chaleur à plaques, procédé de fabrication et utilisation correspondante

Cette invention concerne en général les échangeurs de chaleur à plaques.

Plus précisément, l’invention concerne un échangeur à plaques destiné à la mise en contact thermique d’un fluide primaire ayant une chaleur spécifique et/ou une densité relativement plus élevée avec un fluide secondaire ayant une chaleur spécifique et/ou une densité relativement moins élevée.

Par exemple, le fluide primaire peut être de l’eau sous pression ou un métal liquide tel que du sodium. Le fluide secondaire peut être un gaz, par exemple de l’hélium ou de l’azote.

Dans un tel échangeur de chaleur, le débit de fluide primaire est peu élevé du fait que ce fluide primaire est un excellent caloporteur. Au contraire, le débit volumique de fluide secondaire doit être très élevé du fait que ce fluide est par nature un isolant thermique peu dense.

Par ailleurs, notamment dans le cas où le fluide primaire est un métal liquide tel que le sodium, les passages primaires dans lesquels circule le fluide primaire doivent avoir un diamètre hydraulique suffisant pour permettre une vidange gravitaire complète de l’échangeur de chaleur, et pour éviter le risque d’obstruction des passages primaires par des impuretés.

De ce fait, la vitesse de circulation du fluide primaire dans les passages primaires est relativement basse induisant une faible perte de charge. Il existe ainsi un risque que la répartition du flux de fluide primaire dans les passages primaires soit inhomogène, de telle sorte que des gradients thermiques importants se créent au sein de l’échangeur de chaleur. Ces gradients sont des sources potentielles d’endommagement des structures et par ailleurs altèrent l’efficacité et performances thermiques de celui-ci.

Dans ce contexte, l’invention vise à proposer un échangeur de chaleur dans lequel les gradients thermiques soient limités. A cette fin, l’invention porte sur un échangeur de chaleur à plaques et/ou une densité relativement plus élevée avec un fluide secondaire ayant une chaleur spécifique et/ou une densité relativement moins élevée, l’échangeur de chaleur comprenant au moins un sous-ensemble comportant : - au moins une plaque centrale dans laquelle sont ménagés une pluralité de passages secondaires pour le fluide secondaire depuis une entrée secondaire jusqu’à une sortie secondaire décalée longitudinalement par rapport à l’entrée secondaire, la ou les plaques centrales définissant des grandes faces droite et gauche opposées l’une à l’autre ; - au moins une plaque droite et une plaque gauche plaquées contre les grandes faces droite et gauche respectivement, dans lesquelles est ménagé au moins un passage primaire pour le fluide primaire depuis une entrée primaire jusqu’à une sortie primaire décalée longitudinalement par rapport à l’entrée primaire, le passage primaire s’enroulant autour des passages secondaires et formant une pluralité de tours répartis longitudinalement entre l’entrée primaire et la sortie primaire.

Du fait que chaque passage primaire s’enroule autour des passages secondaires, en formant une pluralité de tours répartis longitudinalement entre l’entrée primaire et la sortie primaire, il est possible de créer dans l’échangeur de chaleur des passages primaires de grande longueur. On entend par là que les passages primaires, du fait de leur forme générale hélicoïdale, ont chacun une longueur très supérieure à la longueur d’un passage secondaire. Il est ainsi possible de réduire le nombre de passages primaires, en organisant ceux-ci sous forme de plusieurs canaux élémentaires en parallèle en une nappe hélicoïdale, sans diminuer excessivement la surface d’échange thermique entre les fluides primaire et secondaire.

De ce fait, pour un débit massique primaire donné, la vitesse de circulation du fluide dans chaque passage primaire est beaucoup plus élevé(e).

Ceci est obtenu sans nécessairement réduire le diamètre hydraulique de chaque passage primaire.

Il en découle que le fluide primaire subit le long de chaque passage primaire une perte de charge beaucoup plus élevée.

Ceci est dû en partie à l’augmentation de la longueur du passage primaire, à la réduction de sa section de passage et à l’augmentation de la vitesse de circulation du fluide primaire dans le passage primaire.

La forme du passage primaire, qui s’enroule autour des passages secondaires en formant une pluralité de tours, contribue également à augmenter la perte de charge, du fait des changements de direction du fluide primaire qui tourne autour des passages secondaires.

Du fait de cette augmentation de perte de charge et du fait que le fluide primaire circule à plus grande vitesse dans les passages primaires, le risque de mauvaise distribution du fluide primaire dans les passages primaires est considérablement diminué.

Ceci est obtenu sans modifier la compacité de l’échangeur de chaleur. En effet, le paramètre dimensionnant est typiquement le faible coefficient d’échange thermique du côté du fluide secondaire, en l’occurrence un gaz pouvant être pressurisé mais restant à basse performance thermique. La compacité n’est ainsi pas impactée. L’échangeur de chaleur peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - chaque tour du passage primaire comprend des segments droit et gauche ménagés respectivement dans les plaques droite et gauche, raccordés fluidiquement l’un à l’autre par un trou central ménagé à travers la ou chaque plaque centrale ; - les segments droit et gauche forment chacun un angle compris entre 91 ° et 165° avec la direction longitudinale ; - les segments droit et gauche et les passages secondaires sont des canaux traversant toute l’épaisseur respectivement des plaques droite et gauche et de la ou chaque plaque centrale ; - au moins l’un des segments droits débouche dans l’entrée primaire ou la sortie primaire, et communique à travers la plaque centrale avec au moins deux segments gauches ; - deux tours successifs du passage primaire sont raccordés fluidiquement l’un à l’autre par un trou de raccordement ménagé à travers la ou chaque plaque centrale ; - le sous-ensemble comprend des plaques entretoises droite et gauche interposées respectivement entre la plaque droite et la face droite et entre la plaque gauche et face gauche, les plaques entretoises droite et gauche isolant fluidiquement le ou chaque passage primaire des passages secondaires ; - les segments droit et gauche d’un même tour sont raccordés fluidiquement l’un à l’autre par des trous intermédiaires ménagés à travers les plaques entretoises droite et gauche et communiquant fluidiquement avec le trou central correspondant ; - les passages secondaires sont parallèles les uns aux autres et s’étendent sensiblement longitudinalement ; et - le sous-ensemble comprend une pluralité de passages primaires parallèles les uns aux autres. - l’échangeur de chaleur comprend au moins un collecteur d’entrée primaire dans lequel débouche l’entrée primaire du ou de chaque passage primaire, et un collecteur de sortie primaire dans lequel débouche la sortie primaire du ou de chaque passage primaire, le collecteur d’entrée primaire et/ou le collecteur de sortie primaire étant délimités chacun par une paroi d’épaisseur inférieure à 40 mm.

Selon un second aspect, l’invention porte sur un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur ayant les caractéristiques ci-dessus, le procédé comprenant une étape d’obtention d’ébauches de plaques, une étape de découpe par laser des passages secondaires dans des ébauches de plaque pour obtenir la ou chaque plaque centrale (17), et une étape de découpe par laser du ou de chaque passage primaire (23) dans des ébauches de plaque pour obtenir les plaques droite et gauche (13, 15).

Selon un troisième aspect, l’invention porte sur l’utilisation d’un échangeur de chaleur ayant les caractéristiques ci-dessus pour mettre en contact thermique un fluide primaire comprenant essentiellement de l’eau sous pression ou un métal liquide tel que le sodium avec un fluide secondaire gazeux.

Selon un quatrième aspect, l’invention porte sur un réacteur nucléaire comportant une cuve, un cœur disposé dans la cuve, et au moins un échangeur de chaleur ayant les caractéristiques ci-dessus, disposé à l’intérieur de la cuve. D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue en perspective simplifiée d’un échangeur de chaleur conforme à l’invention ; - la figure 2 montre en partie gauche un sous-ensemble de l’échangeur de chaleur de la figure 1, et en partie droite le dessin des plaques constituant le sous-ensemble de la partie gauche ; - la figure 3 est une représentation schématique simplifiée de la circulation des fluides primaires et secondaires dans un sous-ensemble de l’échangeur de chaleur ; - la figure 4 est une représentation schématique simplifiée d’un réacteur nucléaire équipé de l’échangeur de chaleur de l’invention ; et - la figure 5 est une représentation schématique partielle des plaques d’un sous-ensemble pour une variante de réalisation de l’invention. L’échangeur de chaleur à plaques 1 représenté sur la figure 1 est destiné à mettre en contact thermiquement un fluide primaire ayant une chaleur spécifique et/ou une densité relativement plus élevée avec un fluide secondaire ayant une chaleur spécifique relativement et/ou une densité moins élevée.

Cet échangeur de chaleur 1 est spécialement destiné à être utilisé dans un réacteur nucléaire. Dans ce cas, le fluide primaire correspond typiquement au fluide circulant à l’intérieur du cœur du réacteur au contact des assemblages de combustibles nucléaires. Le fluide primaire cède une partie de son énergie calorifique au fluide secondaire dans l’échangeur de chaleur à plaques 1, le fluide secondaire étant prévu soit pour entraîner directement une turbine, soit pour céder à son tour son énergie calorifique à un fluide tertiaire.

En variante, l’échangeur de chaleur est utilisé avec d’autres fluides du réacteur nucléaire, ou dans un autre type d’installation industrielle. L’échangeur de chaleur 1 pourrait être utilisé pour mettre en contact thermique l’un avec l’autre des fluides primaire et secondaire ayant les mêmes pouvoirs caloporteurs ou même un fluide secondaire ayant une chaleur spécifique et/ou une densité supérieure à celle du fluide primaire, bien que l’échangeur de chaleur ne soit pas spécifiquement conçu pour cette utilisation.

Le fluide primaire comprend typiquement essentiellement un métal liquide tel que le sodium. Par exemple le fluide primaire comprend seulement du sodium. En variante, le fluide primaire comprend de l’eau, de l’huile, du NaK, des sels fondus, du plomb ou tout autre eutectique tel que le plomb-bismuth.

Le fluide secondaire est par exemple un gaz à faible densité comparativement au fluide primaire. Par exemple, le fluide secondaire comprend essentiellement de l’azote, ou comprend essentiellement de l’hélium, ou comprend un mélange d’hélium et d’azote, ou encore de l’air, de la vapeur d’eau, de l’argon, du méthane, du propane, du C02 ou un quelconque mélange de gaz dont la densité et le pouvoir calorifique équivalent différent de près ou de loin de celui du fluide primaire.

En variante, le fluide secondaire est un liquide, par exemple est de l’eau.

Comme visible sur la figure 1, l’échangeur de chaleur 1 comprend au moins un module d’échange de chaleur 3, et de préférence comprend plusieurs modules d’échange de chaleur 3.

Chaque module 3 comporte un empilement de plaques, distribuées de manière à former plusieurs sous-ensembles 5 identiques les uns aux autres. Un tel sous-ensemble 5 est représenté sur la partie gauche de la figure 2.

Comme visible sur cette figure, le sous-ensemble 5 comporte : - au moins une plaque centrale 7, la ou les plaques 7 définissant des grandes faces droite et gauche, 9, 11 opposées l’une à l’autre ; et -au moins une plaque droite 13 et une plaque gauche 15 plaquées contre les grandes faces droite et gauche, 9, 11 respectivement.

Comme visible sur la figure 2, une pluralité de passages secondaires 17 sont ménagés dans la ou chaque plaque centrale 7 pour le fluide secondaire, depuis une entrée secondaire 19 jusqu’à une sortie secondaire 21 décalée longitudinalement par rapport à l’entrée secondaire 19.

Au moins un passage primaire 23 pour le fluide primaire est ménagé dans les plaques droite et gauche 13, 15, depuis une entrée primaire 25 jusqu’à une sortie primaire 27 décalée longitudinalement par rapport à l’entrée primaire 25.

Typiquement, le sous-ensemble 5 comporte plusieurs passages primaires 23, sensiblement parallèles l’un à l’autre.

Typiquement, le sous-ensemble 5 comporte une unique plaque centrale 7.

En variante, le sous-ensemble 5 comporte plusieurs plaques centrales 7 superposées les unes aux autres, par exemple deux ou plus de deux plaques centrales. Dans ce cas, chaque passage secondaire 17 est ménagé dans une des plaques centrales, ou au contraire et définit conjointement par plusieurs plaques centrales.

Comme visible sur la figure 2, le sous-ensemble 5 comprend typiquement des plaques entretoises droite et gauche 29, 31 interposées respectivement entre la plaque droite 13 et la face droite 9, et entre la plaque gauche 15 et la face gauche 11.

Les plaques entretoises droite et gauche 29, 31 isolent fluidiquement le ou les passages primaires 23 des passages secondaires 17.

Comme visible sur les figures, les plaques ont sensiblement toutes les mêmes dimensions. Elles sont typiquement rectangulaires, le grand côté étant parallèle à la direction longitudinale.

La direction longitudinale est typiquement orientée sensiblement verticalement.

Avantageusement, les passages secondaires 17 sont parallèles les uns aux autres et s’étendent sensiblement longitudinalement.

Dans l’exemple représenté, chaque passage secondaire 17 s’étend longitudinalement sur toute la longueur de la plaque centrale 7. Il débouche au niveau d’un bord transversal inférieur 33 de la plaque centrale 7, et débouche également à son extrémité opposée au niveau du bord transversal supérieur 35 de la plaque centrale 7.

Dans ce cas, l’entrée 19 correspond à la zone du bord transversal inférieur 33 où débouchent les passages secondaires 17, la sortie 21 correspondant à la zone du bord transversal supérieur 35 où débouchent les passages 17.

Typiquement, les passages 17 sont rectilignes. En variante, ils comportent des changements périodiques de trajectoires cohérente entre elles, en forme de sinus ou en forme d’arc brisé ou de chevron, et dont l’amplitude peut être constante ou variable afin de favoriser la turbulence et augmenter ainsi le coefficient d’échange thermique.

Selon l’invention, le ou chaque passage primaire 23 s’enroule autour des passages secondaires 17 et forme une pluralité de tours 37 répartis longitudinalement entre l’entrée primaire 25 et la sortie primaire 27.

En d’autres termes, chaque passage primaire 23 a une forme générale hélicoïdale et forme des spires aplaties autour des passages secondaires 17.

Comme visible sur la figure 2, chaque tour 37 du passage primaire 23 comprend des segments droit et gauche 39, 41 ménagés respectivement dans les plaques droite et gauche 13, 15, raccordés fluidiquement l’un à l’autre par un trou central 43 ménagé à travers la ou chaque plaque centrale 7.

Par ailleurs, deux tours 37 successifs d’un même passage primaire 23 sont raccordés fluidiquement l’un à l’autre par un trou de raccordement 45 ménagé à travers la ou chaque plaque centrale 7.

Comme visible sur la figure 2, l’entrée primaire 25 correspond à la zone de bord dans laquelle débouchent les extrémités amont des passages primaires 23. Dans l’exemple représenté, cette zone de bord est située le long d’un bord longitudinal de la plaque droite 13. Cette zone de bord est située à une extrémité supérieure de la plaque droite 13.

De même, la sortie primaire 27 correspond à la zone de bord où débouchent les extrémités aval des passages primaires 23. Dans l’exemple représenté, cette zone de bord est située le long d’un bord longitudinal de la plaque gauche 15.

La sortie primaire 27 est située à une extrémité inférieure de la plaque gauche 15. Ainsi, le fluide primaire circule généralement du haut vers le bas du sous-ensemble 5, alors que le fluide secondaire circule du bas vers le haut. Les fluides primaires et secondaires circulent ainsi sensiblement à contre-courant.

Typiquement, les segments droit et gauche 39, 41 forment chacun un angle compris entre 91° et 165° avec la direction longitulinale, de préférence compris entre 115° et 155°, et valant par exemple 120° dans l’exenple représenté.

Les trous centraux 43 sont alignés longitudinalement le long d’un premier bord longitudinal 47 de la plaque 7. Inversement, les trous de raccordement 45 sont alignés longitudinalement le long du second bord longitudinal 49 de la plaque 7. Les bords 47 et 49 sont opposés l’un à l’autre.

Comme visible sur la figure 2, les segments droit et gauche 39, 41 faisant partie d’un même tour 37 sont raccordés fluidiquement l’un à l’autre par des trous intermédiaires 51 ménagés à travers les plaques entretoises droite et gauche 29, 31 et communiquant fluidiquement avec le trou central 43 correspondant.

Dans l’exemple représenté, les trous intermédiaires 51 sont placés en coïncidence avec le trou central 43.

De même, deux tours successifs 37 du passage primaire sont raccordés fluidiquement l’un à l’autre par des trous intermédiaires de raccordement 53 ménagés à travers les plaques entretoises droite et gauche 29, 31 et communiquant fluidiquement avec le trou intermédiaire 45 correspondant.

Les trous intermédiaires de raccordement 53, dans l’exemple représenté sur la figure 2, sont placés en coïncidence avec le trou de raccordement 45.

Les sections droites des trous intermédiaires 43,45, 51,53 peuvent être de formes diverses : carré, rectangulaire, circulaire, polygonale ou composite, ou mixte.

Les plaques entretoises droite et gauche 29, 31 présentent chacune des bords longitudinaux 55, 57, opposés l’un à l’autre. Les trous intermédiaires 51 sont alignés longitudinalement le long du bord longitudinal 55. Les trous intermédiaires de raccordement 53 sont alignés longitudinalement le long du bord longitudinal 57.

Les plaques droite et gauche 13, 15 présentent elles aussi des bords longitudinaux 59, 61 opposés l’un à l’autre.

Chaque segment droit 39 présente une première extrémité 63 placée en coïncidence avec le trou intermédiaire de raccordement 53 correspondant. L’extrémité 63 jouxte le bord longitudinal 61. Le segment droit 39 présente également une seconde extrémité 65 opposée à la première extrémité 63, et placée en coïncidence avec un trou intermédiaire 51. La seconde extrémité 65 jouxte le bord longitudinal 59. Typiquement, chaque segment droit 39 est rectiligne, et s’étend sur la plus grande partie de la largeur transversale de la plaque droite 13. A partir de la première extrémité 63, le segment 39 s’étend transversalement vers le bord longitudinal 59 et longitudinalement vers l’extrémité inférieure de la plaque droite 13.

Chaque segment gauche 41 présente une première extrémité 67 placée en coïncidence avec un trou intermédiaire 51 de la plaque entretoise gauche 31. L’extrémité 67 jouxte le bord longitudinal 59. Le tronçon gauche 41 présente également une seconde extrémité 69, placée en coïncidence avec un trou de raccordement intermédiaire 53 de la plaque entretoise gauche 31. La seconde extrémité 69 jouxte le bord longitudinal 61.

Typiquement, le segment gauche 41 est sensiblement rectiligne. A partir de la première extrémité 67, il s’étend transversalement vers le bord longitudinal 61 et longitudinalement vers l’extrémité inférieure de la plaque gauche 15.

Selon un aspect avantageux de l’invention, les segments droit et gauche 39, 41 sont des canaux qui traversent toute l’épaisseur respectivement des plaques droite et gauche 13, 15. En d’autres termes, ces segments sont débouchants au niveau des deux grandes faces de la plaque. De même, les passages secondaires 17 sont des canaux traversant toute l’épaisseur de la plaque centrale.

Ceci est rendu possible par la présence des plaques entretoises droite et gauche 29, 31, qui isolent les passages primaires et secondaires 23, 17 les uns des autres.

Dans une variante non préférée, les segments droit et gauche 39, 41 et les passages secondaires 17 sont des canaux creusés dans une grande face respectivement des plaques droite et gauche 13, 15 et de la plaque centrale 7. Ils ne traversent pas toute l’épaisseur des plaques.

Dans ce cas, il n’est pas nécessaire de prévoir les plaques entretoises droite et gauche 29, 31. Les plaques droite et gauche 13, 15 sont directement plaquées contre la plaque centrale 7.

Comme visible sur la figure 2, les plaques droite et gauche 13, 15, les plaques entretoises droite et gauche 29, 31 et la ou chaque plaque centrale 7 sont empilées les unes contre les autres. La plaque centrale 7 est placée au centre, les plaques entretoises droite et gauche 29, 31 étant directement plaquées contre les grandes faces droite et gauche 9, 11 de la plaque centrale. Les plaques droite et gauche 13, 15 sont directement plaquées contre les plaques entretoises droite et gauche 29, 31, d’un côté opposé à la plaque centrale 7.

Ainsi, les plaques droite et gauche 13, 15 sont plaquées contre les grandes faces droite et gauche 9, 11 par l’intermédiaire des plaques entretoises 29, 31.

Les plaques sont orientées de telle sorte que les bords longitudinaux 57 des plaques entretoises droite et gauche 29, 31 soient superposés au bord longitudinal 49 de la plaque centrale. De même, les bords longitudinaux 61 des plaques droite et gauche 13, 15 sont superposées aux bords longitudinaux 57 des plaques entretoises droite et gauche. Inversement, les bords longitudinaux 55 des plaques entretoises 29, 31 sont superposés au bord longitudinal 47 de la plaque centrale. Les bords longitudinaux 59 des plaques droite et gauche sont superposés aux bords longitudinaux 55 des plaques entretoises 29 et 31.

Les trous 43, 45, 51, 53 traversent la ou les plaques centrales 7 et les plaques entretoises droite et gauche 29, 31 sur toutes leurs épaisseurs respectives, et débouchent sur les grandes faces opposées desdites plaques.

Chaque module 3 comporte une pluralité de sous-ensembles 5, par exemple une vingtaine de sous-ensembles 5. Les sous-ensembles 5 sont séparés les uns des autres par des plaques de séparation 71, comme visible sur la figure 2. Les plaques de séparation 71 permettent d’isoler fluidiquement le ou les passages primaires des deux sous-ensembles l’un de l’autre.

Typiquement, les plaques de séparation 71 sont entièrement pleines.

Comme visible sur la figure 1, l’échangeur de chaleur 1 comprend pour chaque module 3 un collecteur d’entrée primaire 73 dans lequel débouchent les entrées primaires 25 de chaque passage primaire 23. Typiquement, le collecteur d’entrée primaire 73 est commun pour les différents sous-ensembles 5 du module 3.

De même, l’échangeur de chaleur 1 comprend pour chaque module 3 un collecteur de sortie primaire 75 dans lequel débouche la sortie 27 de chaque passage primaire 23. Typiquement le collecteur de sortie primaire 75 est commun pour les différents sous-ensembles 5 d’un même module 3.

Les collecteurs d’entrée primaire 73 des différents modules 3 sont raccordés fluidiquement à un conduit d’alimentation en fluide primaire 77, desservant typiquement tous les modules 3. Les collecteurs de sortie primaire 75 quant à eux sont raccordés fluidiquement à un conduit d’évacuation primaire 79, commun à tous les modules 3. L’échangeur de chaleur 1 comporte encore, pour chaque module 3, un collecteur d’entrée secondaire 81 dans lequel débouche l’entrée secondaire 19 des passages secondaires 17. Ce collecteur d’entrée secondaire 81 est commun à tous les sous-ensembles 5 d’un même module.

De plus, l’échangeur de chaleur 1 comprend pour chaque module 3 un collecteur de sortie secondaire 83, dans lequel débouche la sortie 21 secondaire des passages secondaires 17. Ce collecteur de sortie secondaire 83 est commun à tous les sous-ensembles 5 d’un même module 3.

Un conduit d’alimentation en fluide secondaire 85 est raccordé fluidiquement à chaque collecteur d’entrée secondaire 81. Le conduit 85 dessert tous les modules 3. De même, un conduit d’évacuation secondaire 87 est raccordé fluidiquement à chaque collecteur de sortie secondaire 83. Il est commun à tous les modules 3.

Chaque collecteur d’entrée primaire 73 et chaque collecteur de sortie primaire 75 est délimité par une paroi métallique rapportée sur le module 3. Dans l’exemple représenté, les collecteurs 73, 75 sont rapportés sur les faces des modules 3 correspondant aux tranches des plaques. Ils sont directement fixés aux plaques, comme illustré sur les figures 1 et 2, ou sont fixés à un conteneur étanche dans lequel est inséré l’empilement de plaques, comme décrit plus loin. Chaque collecteur d’entrée primaire 73 est situé à une extrémité supérieure de ladite face, et chaque collecteur de sortie primaire 75 est situé à une extrémité inférieure de ladite face.

De même, chaque collecteur d’entrée secondaire 81 et chaque collecteur de sortie secondaire 83 est délimité par une paroi métallique rapportée sur l’empilement de plaques. Dans l’exemple représenté, le collecteur d’entrée 81 est rapporté sur une face inférieure du module 3, définie par les bords transversaux inférieurs des différentes plaques. Le collecteur de sortie secondaire est rapporté sur une face supérieure du module 3, définie par les bords transversaux supérieurs des différentes plaques. A titre optionnel, les collecteurs d’entrée 81 et les conduits d’alimentation en fluide secondaire 85 sont remplacés par une enceinte sous pression dans lequel l’échangeur 1 serait disposé et confiné. L’enceinte est par exemple une cuve cylindrique dans laquelle circule librement le fluide secondaire, ce dernier pouvant librement s’engouffrer dans chaque entrée secondaire 19 des passages secondaires 17, jouant le rôle de collecteur d’entrée secondaire global.

Comme indiqué plus haut, chaque passage primaire 23 a une forme générale hélicoïdale aplatie autour des passages secondaires 17. Chaque passage primaire 23 présente donc une grande longueur hydraulique, au regard de la hauteur des différentes plaques, cette hauteur étant prise selon la direction longitudinale. De ce fait, il est possible de ne ménager qu’un petit nombre de passages primaires 23 dans chaque sous-ensemble 5. Le collecteur primaire d’entrée 73 et le collecteur de sortie primaire 75 sont donc de petite taille, puisqu’ils ne doivent couvrir qu’un petit nombre d’entrées primaires ou de sorties primaires. Ceci est particuliérement avantageux quand l’échangeur de chaleur est placé à l’intérieur de la cuve sous pression d’un réacteur nucléaire. En effet, les collecteurs primaires d’entrée et de sortie 73, 75 sont alors soumis à une pression importante. Du fait de leur petite taille, ils présentent une meilleure résistance à la pression.

Par exemple, ils ont chacun une forme de demi-cylindre.

En conséquence, il est possible de choisir pour les collecteurs primaires d’entrée et de sortie 73, 75 une paroi de faible épaisseur, suffisamment robuste mais compatible avec la recherche de réduction de la masse et avec la différence d’inertie thermique entre les collecteurs primaires d’entrée 73 ou de sortie 75 et le corps du module 3. Pour un écart de pression de 180 bars environ entre les fluides primaire et secondaire, l’épaisseur de la paroi est par exemple inférieure à 40 mm.

Pendant les régimes transitoires, quand la température du fluide primaire varie rapidement à la hausse ou à la baisse, il existe une différence de température entre l’intérieur de la cuve du réacteur et le fluide situé à l’intérieur des collecteurs primaires 73, 75. Du fait de la faible épaisseur de paroi des collecteurs primaires 73, 75, cette paroi présente une inertie thermique modérée. Le gradient de température entre l’intérieur et l’extérieur des collecteurs 73, 75 est donc réduit, et le gradient de température moyenne entre collecteurs 73 et le corps du module 3 est aussi réduit.

Ceci contribue à limiter les gradients thermiques au sein de l’échangeur de chaleur 1, augmentant ainsi sa robustesse vis-à-vis des sollicitations cycliques en fatigue et donc augmentant sa durée de vie.

La circulation des fluides primaire et secondaire dans un sous-ensemble 5 va maintenant être détaillée, en référence à la figure schématique 3.

Le fluide primaire est amené par le conduit d’alimentation primaire 77 dans les collecteurs d’entrée primaire 73. A partir du collecteur 73, il s’écoule dans le tronçon droit 39 du tour supérieur 37 des passages primaires 23. Arrivé à l’extrémité 65 du tronçon droit, il s’écoule successivement à travers la plaque entretoise droite 29, la plaque centrale 7 et la plaque entretoise gauche, via les trous intermédiaires 51 et les trous centraux 43. Le fluide primaire s’écoule ensuite à travers les tronçons gauches 41 ménagés dans la plaque gauche 15. Il s’écoule à partir de l’extrémité 67 jusqu’à l’extrémité 69. A partir de l’extrémité 69, il traverse de nouveau la plaque entretoise gauche 31 puis la plaque centrale 7, puis la plaque entretoise droite 29, à travers les trous intermédiaires de raccordement 53 et les trous de raccordement 45. Il attaque alors le tour suivant des passages primaires.

Le fluide primaire effectue ainsi plusieurs tours autour des passages secondaires et débouche par les sorties primaires 27 dans le collecteur de sortie primaire 75. Il est évacué par le conduit d’évacuation primaire 79. Ainsi, le fluide primaire circule hélicoïdalement, du haut vers le bas.

Le fluide secondaire est amené par le conduit d’alimentation secondaire 85 dans les collecteurs d’entrée secondaire 81. A partir de chaque collecteur 81, il s’écoule longitudinalement à travers les passages secondaires 17 jusqu’aux sorties secondaires 21. Il s’écoule sensiblement longitudinalement, en ligne droite, du bas vers le haut.

Le fluide secondaire est collecté dans le collecteur de sortie secondaire 83 et évacué par le conduit d’évacuation secondaire 87.

Un tel agencement présente de multiples avantages.

Comme décrit précédemment, le nombre de passages primaires 23 est réduit, et est significativement plus faible que le nombre de passages secondaires 17. La longueur hydraulique de chaque passage primaire 23 est élevée comparativement à la hauteur des plaques, prises suivant la direction longitudinale. Du fait du petit nombre de passages primaires, la vitesse de circulation du fluide primaire dans chaque passage est élevée.

Il en découle que la perte de charge pour le fluide primaire circulant le long de chaque passage primaire est relativement élevée. En effet, cette perte de charge augmente avec la longueur de chaque passage, et avec la vitesse du fluide circulant dans le passage.

Le fait que le fluide primaire change de direction au cours de sa circulation le long du passage primaire, typiquement organisé sous la forme d’une hélicoïde, contribue également à augmenter les pertes de charge.

Cette perte de charge élevée fait que les risques de mauvaise distribution du fluide primaire entre les différents passages primaires sont réduits.

Par ailleurs, le fluide primaire circulant dans un même passage primaire passe alternativement dans la plaque droite et dans la plaque gauche, et est donc en contact thermique alternativement avec les faces droite et gauche de la plaque centrale. Ceci est favorable pour les transferts thermiques entre le fluide primaire et le fluide secondaire. L’échange thermique entre le fluide primaire et le fluide secondaire s’effectue quasiment à contre-courant, ce qui là aussi est favorable pour les performances et l’efficacité thermique de l’échangeur de chaleur.

La perte de charge pour le fluide secondaire est minimum, du fait que le fluide secondaire circule de manière rectiligne. Dans le cas d’un réacteur nucléaire, le rendement global du cycle secondaire est fortement lié à la perte de charge du fluide secondaire. Cet aspect est donc particulièrement avantageux. L’invention permet pour le fluide secondaire d’avoir des passages secondaires ayant un faible diamètre hydraulique, par exemple de 2,5 mm. Ceci est favorable pour obtenir des coefficients d’échange thermique élevés entre le fluide primaire et le fluide secondaire, et donc une bonne performance thermique de l’échangeur de chaleur.

Au contraire, les passages primaires avantageusement présentent un diamètre hydraulique significatif, par exemple de l’ordre de 5 mm, en ayant une section droite de forme carrée, rectangulaire, trapézoïdale ou circulaire par exemple. Ceci est possible du fait qu’il n’est prévu qu’un faible nombre de passages primaires. En conséquence, il est possible, quand le fluide primaire est un métal liquide, de vidanger gravitairement les passages primaires et en minimisant les risques d’obstructions dans passages primaires par des impuretés telles que des oxydes de métaux liquides accidentellement formés dans le fluide primaire par exemple.

La compacité globale de l’échangeur de chaleur n’est pas affectée par la conception hélicoïdale du ou des passages primaires. En effet, le paramètre dimensionnant est le coefficient d’échange thermique côté secondaire, qui n’est pas affecté par l’agencement des passages primaires.

Le nombre de passages primaires dans chaque sous-ensemble est ajusté facilement en fonction des besoins, en modifiant l’angle formé par les segments droits et gauche avec la direction longitudinale.

Le procédé de fabrication de l’échangeur de chaleur ci-dessus va maintenant être décrit.

Le procédé de fabrication comprend une étape d’obtention d’ébauches de plaques, destinées à constituer la ou les plaques centrales 7, les plaques droite et gauche 13, 15, les plaques entretoises droite et gauche 29, 31 et les plaques de séparation 71.

Ces plaques sont par exemple en acier de nuance 316L, ou en toute autre nuance d’acier adaptée. En variante, elles sont dans un autre métal tel que l’aluminium, le titane ou dans un alliage de plusieurs métaux.

Le procédé comporte ensuite une étape de découpe par laser des passages secondaires 17 dans une ou plusieurs des ébauches, de manière à obtenir la ou chaque plaque centrale 7. Il comprend également une étape de découpe par laser du ou de chaque passage primaire 23 dans des ébauches de plaque, de manière à obtenir les plaques droite et gauche 13, 15.

Une telle découpe par laser permet de réaliser à grande vitesse les passages primaire et secondaire. Les plaques sont découpées sur toutes leurs épaisseurs, comme décrit ci-dessus. Ceci est particuliérement avantageux car l’échangeur de chaleur de l’invention comporte typiquement plusieurs milliers de plaques, les passages primaires et secondaires présentant ensemble une longueur de plusieurs milliers de kilomètres.

Typiquement, les trous 43, 45, 51 et 53 sont ménagés dans chaque plaque centrale et les plaques entretoises droite et gauche également par laser. Les sections droites de ces trous 43, 45, 51 et 53 pouvant être de formes diverses par exemple à section droite carrée, rectangulaire, cylindrique, hémicylindrique, polygonale ou composite. Les sections des trous pouvant être identiques ou différentes des sections droites des tronçons droits 39 ou 37.

Avantageusement, les plaques constituant un même module 3 sont ensuite assemblées les unes aux autres par compaction isostatique à chaud (CIC). Cette étape comporte les opérations suivantes : - décapage chimique des plaques et empilement des plaques, dans l’ordre adapté, pour constituer le module 3 ; - introduction de l’empilement de plaques dans un conteneur étanche, et mise sous vide du conteneur ; - introduction du conteneur étanche dans un four de CIC (compaction isostatique à chaud); - réalisation d’une première étape de compaction isostatique à chaud, à basse pression ; - évacuation du conteneur étanche hors du four, et ouverture des passages primaires et secondaires ; - introduction du conteneur dans le four de CIC, et seconde étape de compression isostatique à chaud, à haute pression ; - évacuation du conteneur hors du four, et usinage du module de manière à lui conférer par apprêtement sa forme définitive; - contrôle des soudures ; - soudage des collecteurs primaires d’entrée et de sortie, et des collecteurs secondaires d’entrée et de sortie sur le module.

Le conteneur étanche, à l’issue du procédé de fabrication, constitue l’enveloppe externe du module. Il est donc intimement soudé à l’empilement de plaques.

Chaque empilement de plaques comporte typiquement une centaine de plaques, c’est-à-dire une vingtaine de sous-ensembles 5.

La première étape de compression isostatique à chaud permet de bloquer les plaques en position les unes par rapport aux autres. Elle est effectuée à haute température (de l’ordre de 1000°C), et à basse pression (de l’ordre de 40 bars). Sa durée est d’environ quatre heures. L’utilisation d’une basse pression à l’intérieur du four permet d’éviter l’écrasement des cloisons séparant les passages secondaires les uns des autres ou séparant les passages primaires les uns des autres. L’ouverture des passages primaires et secondaires est réalisée en découpant le conteneur étanche au niveau des entrées et des sorties des passages primaires et secondaires. Ainsi, les passages primaires et secondaires, au cours de la seconde phase de compaction isostatique à chaud, sont à la même pression que l’intérieur du four. En d’autres termes, la pression à l’intérieur des passages primaires et secondaires et à l’extérieur des passages primaires et secondaires est la même. Ceci permet d’éviter l’écrasement des cloisons pendant la seconde phase de compaction isostatique à chaud, à haute pression.

Typiquement, le second cycle de compaction isostatique à chaud est effectué environ à 1050°C et à 1400 bars, et dure environ qtatre heures.

Le fait que les segments droite et gauche forme un angle significatif avec la direction longitudinale contribue à éviter l’écrasement des cloisons pendant les étapes de CIC.

Comme indiqué plus haut, l’invention vise aussi un réacteur nucléaire comprenant, corne illustré sur la figure 4 : - une cuve sous pression 88 dans laquelle est placé un cœur de réacteur nucléaire 89 ; - au moins un échangeur de chaleur 1 tel que décrit ci-dessus, placé à l’intérieur de la cuve 88.

Le cœur 89 comprend une pluralité d’assemblages de combustibles nucléaire. La cuve 87 est remplie par le fluide primaire sous pression. En fonctionnement normal du réacteur nucléaire, elle présente une pression supérieure à 4 bars dans le cas d’usage d’un caloporteur primaire du type métal liquide ou supérieure à 100 bars dans le cas d’usage d’un caloporteur primaire du type eau pressurisée par exemple.

Le fluide primaire circule à travers le cœur 89, et est échauffé au contact des assemblages de combustibles nucléaires. Il traverse ensuite les passages primaires de l’échangeur de chaleur 1 en cédant une partie de son énergie calorifique au fluide secondaire. Le fluide secondaire circule à travers les passages secondaires de l’échangeur de chaleur 1 et sort de la cuve 88, par exemple par le conduit d’évacuation secondaire 87. Typiquement, le fluide secondaire cède sa chaleur à un fluide tertiaire, revient dans l’échangeur de chaleur 1 par le conduit secondaire d’entrée 85. Le fluide tertiaire entraîne une turbine 91. En variante, le fluide secondaire entraîne directement la turbine 91. L’invention a été décrite pour un échangeur de chaleur dans lequel chaque sous-ensemble 5 comporte une seule plaque droite 13 et une seule plaque gauche 15. En variante, chaque sous-ensemble comporte plusieurs plaques droites empilées les unes contre les autres, définissant ensemble les segments droits 39. De même, chaque sous-ensemble 5 comporte plusieurs plaques gauches 15 empilées les unes contre les autres, définissant ensemble les segments gauches 41.

Une variante de réalisation de l’invention va maintenant être décrite, en référence à la figure 5. Seuls les points par lesquels cette variante de réalisation diffère de celle des figures 1 à 4 seront détaillés ci-dessous.

Les éléments identiques ou assurant les mêmes fonctions que dans la variante de réalisation des figures 1 à 4 seront désignés par les mêmes références.

Selon la variante de réalisation de la figure 5, au moins l’un des segments droits 39 débouche dans l’entrée primaire 25 et communique à travers la plaque centrale 7 avec au moins deux segments gauches 41.

Ainsi, ledit segment droit 39 distribue le fluide primaire depuis l’entrée primaire 25 dans deux segments gauches 41. Plus précisément, ledit segment droit 39 distribue le fluide primaire dans deux passages primaires 23.

En d’autres termes, le segment droit 39 le plus en amont est commun aux deux passages primaires 23.

Par exemple, chaque passage primaire 23 a son segment droit 39 le plus en amont commun avec un autre passage primaire. Ainsi, le nombre de segments droits 39 débouchant dans l’entrée primaire 25 est divisé par deux par rapport au nombre de passages primaires 23.

Ceci permet de mettre en place un petit collecteur d’entrée, qui soit robuste sous pression externe et qui a une épaisseur aussi faible que possible, ce qui minimise les différences d’inertie thermique dans la zone de raccord entre le collecteur et les plaques. Comme expliqué plus haut, ces différences d’inertie thermique sont la source de contraintes thermomécaniques en régime transitoire de démarrage ou d’arrêt du réacteur.

Comme le montre la figure 5, l’extrémité 93 du segment droit 39 jouxtant le bord longitudinal 59 est élargie longitudinalement. La plaque centrale 7 présente deux trous centraux 43 placés en coïncidence avec l’extrémité élargie 93 du segment droit 39.

Par exemple, les plaques entretoises droite et gauche 29 et 31 présentent deux trous 51 chacune, placés en coïncidence avec les deux trous 43 de la plaque centrale. Les segments gauches 41 ont des extrémités respectives placées en coïncidence chacune avec un des trous 43.

En variante, les deux trous 43 et/ou 51 sont communiquant et constituent un orifice unique.

En variante ou en complément, au moins l’un des segments gauches 41 débouche dans la sortie primaire 27 et communique à travers la plaque centrale 7 avec deux segments droits 39.

Ainsi, au moins deux passages primaires 23 présentent un segment gauche le plus en aval commun. Typiquement, chaque passage primaire 23 partage son segment gauche aval avec un autre passage primaire.

Ainsi, on diminue le nombre de segments gauches communiquant avec la sortie primaire. Il est ainsi possible de mettre en place un petit collecteur de sortie primaire, ce qui présente les mêmes avantages que décrits plus haut relativement à l’entrée primaire.

En variante, c’est un segment gauche 41 qui communique avec l’entrée primaire 25 et distribue le fluide primaire dans deux passages primaires 23.

De même, en variante, c’est un segment droit 39 qui communique avec la sortie primaire 27 et reçoit le fluide primaire provenant de deux passages primaires 23.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS

   1.- Echangeur de chaleur (1) à plaques, destiné à la mise en contact thermique d’un fluide primaire ayant une chaleur spécifique et/ou une densité relativement plus élevée avec un fluide secondaire ayant une chaleur spécifique et/ou une densité relativement moins élevée, l’échangeur de chaleur (1) comprenant au moins un sous-ensemble (5) comportant : - au moins une plaque centrale (7) dans laquelle sont ménagés une pluralité de passages secondaires (17) pour le fluide secondaire depuis une entrée secondaire (19) jusqu’à une sortie secondaire (21) décalée longitudinalement par rapport à l’entrée secondaire (19), la ou les plaques centrales (7) définissant des grandes faces droite et gauche (9, 11) opposées l’une à l’autre ; - au moins une plaque droite (13) et une plaque gauche (15) plaquées contre les grandes faces droite et gauche (9, 11) respectivement, dans lesquelles est ménagé au moins un passage primaire (23) pour le fluide primaire depuis une entrée primaire (25) jusqu’à une sortie primaire (27) décalée longitudinalement par rapport à l’entrée primaire (25), le passage primaire (23) s’enroulant autour des passages secondaires (17) et formant une pluralité de tours (37) répartis longitudinalement entre l’entrée primaire (25) et la sortie primaire (27).
2. 2 - Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque tour (37) du passage primaire (23) comprend des segments droit et gauche (39, 41) ménagés respectivement dans les plaques droite et gauche (13, 15), raccordés fluidiquement l’un à l’autre par un trou central (43) ménagé à travers la ou chaque plaque centrale (7).
3. 3. - Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les segments droit et gauche (39, 41) forment chacun un angle compris entre 91° et 165° avec la direction longitudinale.
4. 4. - Echangeur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les segments droit et gauche (39, 41) et les passages secondaires (17) sont des canaux traversant toute l’épaisseur respectivement des plaques droite et gauche (13, 15) et de la ou chaque plaque centrale (7).
5. 5. - Echangeur selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu’au moins l’un des segments droits (39) débouche dans l’entrée primaire (25) ou la sortie primaire (27), et communique à travers la plaque centrale (7) avec au moins deux segments gauches (41).
6. 6.- Echangeur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que deux tours (37) successifs du passage primaire sont raccordés fluidiquement l’un à l’autre par un trou de raccordement (45) ménagé à travers la ou chaque plaque centrale
7. 7.- Echangeur selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le sous-ensemble (5) comprend des plaques entretoises droite et gauche (29, 31) interposées respectivement entre la plaque droite (13) et la face droite (9) et entre la plaque gauche (15) et face gauche (11), les plaques entretoises droite et gauche (29, 31) isolant fluidiquement le ou chaque passage primaire (23) des passages secondaires (17).
8. 8 - Echangeur selon la revendication 7 combinée à la revendication 6, caractérisé en ce que les segments droit et gauche (39, 41) d’un même tour (37) sont raccordés fluidiquement l’un à l’autre par des trous intermédiaires (51) ménagés à travers les plaques entretoises droite et gauche (29, 31) et communiquant fluidiquement avec le trou central (43) correspondant.
9. 9. - Echangeur selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les passages secondaires (17) sont parallèles les uns aux autres et s’étendent sensiblement longitudinalement.
10. 10. - Echangeur selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le sous-ensemble (5) comprend une pluralité de passages primaires (23) parallèles les uns aux autres.
11. 11. - Echangeur selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l’échangeur de chaleur (1) comprend au moins un collecteur d’entrée primaire (73) dans lequel débouche l’entrée primaire (25) du ou de chaque passage primaire (23), et un collecteur de sortie primaire (75) dans lequel débouche la sortie primaire (27) du ou de chaque passage primaire (23), le collecteur d’entrée primaire (73) et/ou le collecteur de sortie primaire (75) étant délimités chacun par une paroi d’épaisseur inférieure à 40 mm.
12. 12. - Procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le procédé comprenant une étape d’obtention d’ébauches de plaques, une étape de découpe par laser des passages secondaires (17) dans des ébauches de plaque pour obtenir la ou chaque plaque centrale (17), et une étape de découpe par laser du ou de chaque passage primaire (23) dans des ébauches de plaque pour obtenir les plaques droite et gauche (13, 15).
13. 13. - Utilisation d’un échangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 pour mettre en contact thermique un fluide primaire comprenant essentiellement un métal liquide tel que le sodium ou de l’eau avec un fluide secondaire gazeux.