FR3054879A1

FR3054879A1 - Module d'echangeur de chaleur a plaques dont les canaux integrent en entree une zone de repartition uniforme de debit et une zone de bifurcations de fluide

Info

Publication number: FR3054879A1
Application number: FR1657543A
Authority: FR
Inventors: Lionel Cachon; Xavier Jeanningros; Chiara Galati; Alexandre Molla
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2016-08-03
Filing date: 2016-08-03
Publication date: 2018-02-09
Anticipated expiration: 2036-08-03
Also published as: FR3054879B1; US11340028B2; KR20190026808A; CN109642779B; WO2018024765A1; US20210285734A1; EP3494352A1; CN109642779A; JP2019523383A

Abstract

L'invention concerne un module d'échangeur de chaleur d'axe longitudinal (X) comprenant un empilement de plaques (1, 2) définissant au moins deux circuits de fluide, au moins une partie des plaques comprenant chacune des canaux de circulation de fluide délimités chacun au moins en partie par une rainure. Selon l'invention, on réalise une communication des canaux entre eux au sein d'une même plaque et entre toutes les plaques d'un même circuit, dans une zone d'alimentation ou de pré-collecteur, avec une succession de regroupement de canaux deux à deux sous la forme de bifurcations.

Description

Titulaire(s) : COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES Etablissement public.

Demande(s) d’extension

Mandataire(s) : CABINET NONY.

MODULE D'ECHANGEUR DE CHALEUR A PLAQUES DONT LES CANAUX INTEGRENT EN ENTREE UNE ZONE DE REPARTITION UNIFORME DE DEBIT ET UNE ZONE DE BIFURCATIONS DE FLUIDE.

FR 3 054 879 - A1 _ L'invention concerne un module d'échangeur de chaleur d'axe longitudinal (X) comprenant un empilement de plaques (1, 2) définissant au moins deux circuits de fluide, au moins une partie des plaques comprenant chacune des canaux de circulation de fluide délimités chacun au moins en partie par une rainure.

Selon l'invention, on réalise une communication des canaux entre eux au sein d'une même plaque et entre toutes les plaques d'un même circuit, dans une zone d'alimentation ou de pré-collecteur, avec une succession de regroupement de canaux deux à deux sous la forme de bifurcations.

Z1 x

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MODULE D’ECHANGEUR DE CHALEUR A PLAQUES DONT LES CANAUX INTEGRENT EN ENTREE UNE ZONE DE REPARTITION UNIFORME DE DEBIT ET UNE ZONE DE BIFURCATIONS DE FLUIDE

Domaine technique

La présente invention concerne un module d’échangeur de chaleur à empilement de plaques métalliques, intégrant au moins deux circuits de fluides.

L’invention a trait plus particulièrement à la réalisation d’un nouveau type de module d’échangeur de chaleur pour améliorer Tuniformité de la distribution des différents canaux de circulation interne de fluides, tout en assurant à la fois une bonne efficacité thermique et un chargement thermomécanique satisfaisant, et ce sans nuire à la compacité du module.

Les échangeurs de chaleur connus comprennent soit au moins deux circuits à canaux de circulation interne de fluide. Dans les échangeurs à un seul circuit, les échanges thermiques se réalisent entre le circuit et un fluide environnant dans lequel il baigne. Dans les échangeurs à au moins deux circuits de fluide, les échanges thermiques se réalisent entre les deux circuits de fluide.

Il est connu des réacteurs chimiques qui mettent en œuvre un procédé en continu selon lequel on injecte simultanément une quantité faible de co-réactants, à l’entrée d’un premier circuit de fluide, de préférence équipé d’un mélangeur, et on récupère le produit chimique obtenu en sortie dudit premier circuit. Parmi ces réacteurs chimiques connus, certains comprennent un deuxième circuit de fluide, appelé usuellement utilité, et dont la fonction est de contrôler thermiquement la réaction chimique, soit en apportant la chaleur nécessaire à la réaction, soit au contraire en évacuant la chaleur dégagée par celle-ci. De tels réacteurs chimiques à deux circuits de fluide avec utilité sont usuellement appelés échangeurs-réacteurs.

La présente invention concerne aussi bien la réalisation de modules d’échangeurs de chaleur à fonction uniquement d’échanges thermiques et intégrant deux circuits de fluide que la réalisation d’échangeurs-réacteurs. Aussi, par «module d’échangeur de chaleur à au moins deux circuits de fluide », il faut comprendre dans le cadre de l’invention, aussi bien un module d’échangeur de chaleur à fonction uniquement d’échanges thermiques qu’un échangeur-réacteur.

L’utilisation principale d’un module d’échangeur entre deux fluides selon l’invention est son utilisation avec un gaz comme un des deux fluides. Il peut s’agir avantageusement de métal liquide et de gaz, par exemple du sodium liquide et d’azote.

L’application principale visée par un module d’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.

Un module d’échangeur de chaleur selon l’invention peut aussi être mis en œuvre dans toute autre application nécessitant un échange entre deux fluides, tels qu’un liquide et un gaz, de préférence lorsqu’il est nécessaire d’avoir un échangeur compact et de grande puissance thermique.

Par « fluide primaire », on entend dans le cadre de l’invention, le sens usuel en thermique, à savoir le fluide chaud qui 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 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.

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.

Dans ce domaine des échangeurs compacts à plaques, de nombreuses formes élémentaires définissant des motifs d’échanges thermiques ont été développées.

On peut citer en premier lieu les échangeurs à plaques intégrant des ailettes, dans lesquels un motif d’échange thermique est défini par une structure délimitée par des ailettes, les structures étant rapportées entre deux plaques métalliques et pouvant avoir des géométries très variées. Le motif d’échange peut être différent entre un des deux circuits de fluides de l’échangeur et l’autre. L’assemblage entre plaques métalliques se fait usuellement par brasage, ou par soudage-diffusion.

Il est également connu des échangeurs à plaques à ondulations ou corruguées. Les ondulations sont créées par emboutissage d’une plaque séparant les deux circuits de fluides. De ce fait, le motif d’échange est identique pour chacun des deux circuits de fluides. L’écoulement de fluides généré par ce type de motif d’échanges est tridimensionnel et, de ce fait, est très performant. L’assemblage entre plaques se fait soit par liaison boulonnée soit par leur soudage périphérique (soudage classique, ou par soudage-diffusion).

Il est enfin connu des échangeurs à plaques à rainures usinées, l’usinage étant mécanique ou réalisé par voie électrochimique. Les canaux définis par les usinages sont de section millimétrique et sont le plus souvent continus et selon un profil régulier en zigzag. L’assemblage des plaques se fait par soudage-diffusion permettant une soudure sur tous les points de contacts entre deux plaques adjacentes. Ce type d’échangeur à plaques à rainures usinées est donc intrinsèquement très résistant à la pression.

Certains inventeurs de la présente invention ont conçu un échangeur à modules à empilement de plaques pour l’échange de chaleur entre un gaz et un métal liquide dans le cadre de la réalisation d’un réacteur nucléaire de la famille des réacteurs dits de quatrième génération, c’est-à-dire dans une configuration d’échange thermique entre un excellent caloporteur, le métal liquide, typiquement le sodium liquide (Na) et un fluide aux propriétés de transport thermique bien moindre, le gaz, typiquement l’azote (N2).

La demande de brevet WO2015/028923 Al décrit et revendique ainsi un échangeur de chaleur dans lequel les modules échangeur de chaleur sont agencés à l’intérieur de et fixés rigidement à une enceinte pressurisée par la pression du gaz, typiquement à environ 180 bar, par l’intermédiaire d’une structure de support et de maintien tandis que la tuyauterie de distribution du métal liquide n’est pas fixée à cette structure support.

Dans cette conception, l’enceinte étanche a un rôle de collecteur du circuit de gaz et le dimensionnement des modules échangeurs de chaleur est piloté en premier lieu par le gaz, car c’est le moins bon caloporteur des deux fluides.

Alors que la taille du motif d’échange des canaux de circulation du gaz est strictement dictée par des contraintes de performance thermo-hydraulique, la taille des canaux de circulation du métal liquide doit prendre en considération les risques de bouchage liés à la circulation du métal liquide, ce qui limite la section minimale des canaux de circulation de ce dernier. En tenant compte également des différences de caractéristiques physiques, plus particulièrement de densité, entre un gaz et un métal liquide, un module échangeur résultant présente des pertes de charge dans les canaux de circulation du métal liquide qui sont très faibles, typiquement de l’ordre de 40 mbar.

Par ailleurs, dans un souci de compacité, chaque module échangeur a une puissance thermique unitaire de l’ordre de 12 MWth, ce qui implique, avec les règles de dimensionnement, un très grand nombre de canaux de circulation de fluides, typiquement égal à environ 5000 pour un module.

Une autre contrainte à considérer provient du fait que chaque module est agencé à l’intérieur d’une enceinte pressurisée par le gaz. En fonctionnement, les structures alimentant et récupérant le métal liquide, constituées des collecteurs et de la tuyauterie de distribution, peuvent être soumises à des efforts de compression à haute température qui sans précaution particulière pourraient conduire à un endommagement par flambage sous fluage. Aussi, d’un point de vue thermomécanique, ces structures doivent être conçues les plus compactes possibles.

En résumé, la configuration des modules échangeurs de chaleur à l’intérieur de l’enceinte pressurisée par le gaz, selon la demande WO2015/028923 Al précitée, implique un très grand nombre de canaux par module avec une grande compacité.

Or, les inventeurs de la présente invention ont analysé que cette configuration peut induire une distribution du métal liquide non uniforme dans les canaux au sein de chaque module échangeur, ce qui peut être préjudiciable d’une part à l’efficacité thermique globale de l’échangeur et d’autre part à la tenue thermomécanique des structures de l’échangeur.

Ainsi, les inventeurs ont été confrontés à la nécessité de concevoir un module échangeur à plaques qui permette d’assurer une distribution homogène en métal liquide des canaux de circulation au sein du module.

Bien que les conditions hydrauliques d’un module échangeur selon la configuration précitée sont peu rencontrées dans l’état de l’art, notamment du fait d’un ratio entre le nombre de Reynolds Re très élevé à l’entrée et celui relativement faible dans les canaux, les inventeurs ont fait l’inventaire de différentes solutions existantes permettant de rendre plus homogène (uniforme) la circulation d’un fluide au sein d’un échangeur.

Une des solutions connues consiste à augmenter la taille des collecteurs de métal liquide, afin de réduire le champ de vitesse dans ce dernier et ainsi la pression dynamique, en comparaison de la perte de charge au sein des canaux du module. Cette solution ne peut être retenue car comme évoqué ci-dessus, les structures alimentant et récupérant le métal liquide, doivent être le plus compact possible et donc le collecteur le plus petit possible.

Il est connu également de placer une grille à l’intérieur du collecteur. Cette grille permet de briser le jet d’écoulement de métal liquide avant son entrée dans le module. Cette solution est pertinente sur le plan hydraulique, car elle pourrait permettre de résoudre le problème de mauvaise distribution entre plaques et au sein d’une même plaque avec un coût très faible en pertes de charge, avec typiquement une valeur de 3% de dispersion résiduelle et une variation de pression inférieure à 150 mbar.

L’inconvénient majeur de cette solution avec grille rapportée à l’intérieur du collecteur, est l’ajout d’une inertie thermique préjudiciable, en régime de fonctionnement avec transitoire thermique. En outre, en raison du composant supplémentaire constitué par la grille, rapporté à l’intérieur du collecteur, celui-ci a une taille qui reste grande et donc qui nécessite de fortes épaisseurs de paroi.

Enfin, il est connu de conformer les canaux avec des bifurcations dans la zone d’entrée du métal liquide, qui est en quelque sorte un pré-collecteur. Cela permet avant tout de réduire le nombre de canaux à distribuer avec le fluide au niveau du collecteur. On a représenté aux figures 1 à 3 des exemples de bifurcation à partir d’un seul canal 10 réalisé dans une plaque métallique, qui conduisent respectivement à un nombre de seize canaux 10.1 à 10.16 ou de cinq canaux 10.1 à 10.2 pour la zone d’échange. On précise que la configuration de la figure 2 se distingue de celle de la figure 1 en ce que les canaux sont reliés entre eux dans la partie centrale d’échange.

Cette solution est d’autant plus efficace que la perte de charge des canaux est élevée typiquement correspondant à une valeur de 10% de dispersion résiduelle et une variation de pression de 500 mbar, ou à une valeur de 13% de dispersion résiduelle et une variation de pression de 350 mbar.

Or, compte tenu du très grand nombre de canaux de circulation de fluides à alimenter par module, une solution avec un seul canal par module en entrée ne peut être retenue. En effet, pour garder des pertes de charge admissibles dans un module, seule une réduction d’un facteur 4 du nombre de canaux débouchant dans le collecteur peut convenir.

Autrement dit, les inventeurs ont conclu également que l’emploi de bifurcations comme selon l’état de l’art ne peut être retenu dans le cadre de la configuration explicitée ci-dessus, car cela ne permet pas de réduire de moins de 10% une mauvaise distribution du métal liquide dans chaque module.

Certes, un certain nombre de travaux traite de la géométrie de la bifurcation optimale pour que cette dernière n’induise pas de mauvaise distribution.

Ainsi, la demande de brevet WO2015/092199 divulgue un réacteur catalytique compact à au moins trois plaques, les canaux des plaques présentant au moins une zone de canaux droits de taille millimétrique, qui est une zone d’échange de chaleur et au moins une zone de distribution du fluide en amont et/ou en aval de la zone d’échange, avec une discontinuité des parois (nervures) qui séparent les canaux le long de la zone de distribution, et une augmentation de la largeur des parois le long de la zone de distribution.

Le brevet US4665975 divulgue un échangeur de chaleur à empilement de plaques assemblées par soudage diffusion, les canaux de chaque plaque étant configurés avec trois zones dont une zone de collecteur, une zone de pré-collecteur, et une zone de distribution/d’échange, les canaux communiquant entre eux, transversalement à l’axe longitudinal des plaques, à l’interface entre la zone de pré-collecteur et la zone d’échange, ce qui permet un rééquilibrage de pression.

Si la solution décrite dans la demande WO2015/092199A1 améliore à priori la distribution du fluide dans les canaux au sein d’une même plaque dans bon nombre de configurations hydrauliques, la solution selon le brevet US4665975 peut poser certains problèmes en raison d’un déséquilibre de géométrie (longueur et coudes) des canaux constituant la zone de pré-collecteur, ce qui génère des recirculations non souhaitées de fluide.

Par ailleurs et surtout, aucune de ces solutions ne permet de résoudre le problème d’une distribution non homogène entre les plaques de l’empilement des échangeurs.

Il existe donc un besoin d’améliorer encore les modules d’échangeurs de chaleur compacts à empilement de plaques, intégrant aux moins deux circuits de fluides, en particulier ceux destinés à un échange de chaleur entre gaz et un métal liquide, notamment en vue de rendre plus homogène la distribution des fluides au sein des modules, c’est-à-dire à la fois au sein d’une plaque donnée et entre les plaques de l’empilement, et ce en nuisant pas à la compacité des modules.

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 module d’échangeur de chaleur d’axe longitudinal (X) comprenant un empilement de plaques définissant au moins deux circuits de fluide, au moins une partie des plaques comprenant chacune des canaux de circulation de fluide délimités chacun au moins en partie par une rainure, les canaux d’au moins l’un des deux circuits, dit premier circuit, présentant:

- une zone d’alimentation du fluide depuis l’extérieur de l’empilement, dans laquelle les canaux sont parallèles entre eux et s’étendent selon un axe (X’) sécant avec l’axe longitudinal (X) et dans laquelle deux canaux adjacents communiquent entre eux par au moins une ouverture débouchante pratiquée dans la nervure de séparation de leur rainure respective;

- une zone dite de bifurcation, dans laquelle chaque canal est divisé en au moins deux canaux droits, parallèles entre eux et qui s’étendent parallèlement à l'axe longitudinal (X) en étant séparés entre eux par une nervure;

- une zone dite de raccordement entre la zone d’alimentation et la zone de bifurcation, la zone dans laquelle chaque canal présente un profil droit qui s’étend selon l’axe sécant (X’) et un profil incurvé continu avec le profil droit pour raccorder le canal avec un canal droit de la zone de bifurcation;

- une zone d’échange continue avec la zone de bifurcation dans laquelle les canaux droits, parallèles et séparés entre eux par les nervures s’étendent parallèlement à l'axe longitudinal (X).

Dans le module selon l’invention, les canaux de chaque plaque du premier circuit communiquent avec ceux des autres plaques du premier circuit dans leur zone d’alimentation respective, par l’intermédiaire d’ouvertures traversant l’empilement mais qui ne communiquent pas avec les canaux du deuxième circuit.

Autrement dit, l’invention consiste essentiellement à combiner judicieusement une communication des canaux entre eux au sein d’une même plaque et entre toutes les plaques d’un même circuit, dans une zone d’alimentation ou de pré-collecteur, avec une succession de regroupement de canaux deux à deux sous la forme de bifurcations.

La communication entre canaux joue le rôle d’une grille brise-jet qui est intégrée dans chaque plaque et entre les plaques, ce qui permet un rééquilibrage naturel des débits entre tous les canaux d’un même fluide et donc garantit une distribution homogène.

La succession de regroupement de canaux permet de réduire le nombre de canaux à alimenter par le collecteur à l’extérieur de l’empilement et par-là d’augmenter la perte de charge induite et également de réduire la taille du collecteur.

Ainsi, grâce à l’invention, il est possible de distribuer de façon homogène tous les canaux de circulation d’un circuit de fluides au sein d’un module, même dans une situation hydraulique critique dans laquelle le collecteur est de faible dimensions, la vitesse d’alimentation est élevée, et une faible perte de charge des canaux.

Les principaux avantages de l’invention sont de pouvoir traiter le problème d’une mauvaise distribution d’un des fluides au sein d’un module d’échangeur sans ajout de dispositif non intégré par modifications de la perte de charges (zone de bifurcations) et avec une grille intégrée permettant la communication entre canaux d’une même plaque et entre plaques, en permettant au module de rester très compact et en diminuant la taille du collecteur d’entrée.

L’invention permet également de réduire le nombre de canaux à alimenter, ce qui permet de réduire la taille du collecteur, et d’améliorer le dimensionnement thermomécani que.

Les inventeurs ont réalisés des calculs préliminaires en mécanique des fluides numérique (MFN) (en anglais « Computational Fluid Dynamics » (CFD). Ces calculs montré que l’invention permet d’améliorer l’homogénéité de distribution de sodium liquide au sein d’un module d’échangeur de chaleur, en conditions réelles d’utilisation dans le cadre d’un échangeur Na/Gaz d’un réacteur nucléaire de quatrième génération.

Selon une variante de réalisation, le profil incurvé de chaque canal du premier circuit comprend deux courbes pour relier le profil droit de la zone de raccordement au canal droit de la zone de bifurcation.

Selon un mode de réalisation avantageux, chaque canal droit est divisé en quatre canaux dans la zone de bifurcation.

Selon un autre mode de réalisation avantageux, l’angle entre l’axe sécant (X’) et l’axe longitudinal (X) du module est compris entre 0 et 45°.

Pour la réalisation du module, une alternative avantageuse peut consister à intercaler une plaque du premier circuit entre deux plaques du deuxième de circuit au moins dans la partie centrale de l’empilement.

Les canaux du premier circuit peuvent avoir une section ovoïde, circulaire, rectangulaire ou carrée.

Le matériau métallique constitutif des plaques du module échangeur selon l’invention est choisi en fonction des conditions de son utilisation requis, à savoir la pression des fluides, les températures et natures des fluides circulant à travers le module.

Il peut s’agir par exemple d’aluminium, de cuivre, de nickel, de titane ou d’alliages de ces éléments ainsi que d’un acier, notamment un acier allié ou un acier inoxydable ou encore d’un métal réfractaire choisi parmi les alliages de niobium, de molybdène, de tantale ou de tungstène.

L’invention a également pour objet un procédé de réalisation d’un module d’échangeur de chaleur décrit précédemment :

usinage de rainures dans des premières plaques métallique afin de constituer les canaux du premier circuit configurées avec les zones d’alimentation, de raccordement, de bifurcation et d’échange ;

usinage de rainures dans des deuxièmes plaques métalliques afin de constituer les canaux du deuxième circuit;

empilement alterné des premières plaques et des deuxièmes plaques, de sorte à avoir les ouvertures traversantes qui permettent la communication entre canaux des plaques du premier circuit mais pas avec ceux des plaques du deuxième circuit assemblage des première et deuxième plaques métalliques entre elles, soit par compression isostatique à chaud (CIC), soit par un procédé appelé communément soudage-diffusion uniaxial à chaud, de sorte à obtenir un soudage par diffusion entre elles, soit par brasage.

ίο

L’invention concerne également un échangeur de chaleur comprenant une enceinte étanche, destinée à être pressurisée par un fluide circulant dans le deuxième circuit et une pluralité de modules d’échangeur de chaleur tels que celui décrit précédemment, s’étendant chacun parallèlement à l'axe central de l’enceinte et agencés chacun à l’intérieur de l’enceinte.

L’invention a également pour objet l’utilisation de l'échangeur de chaleur décrit ci-dessus, le fluide du premier circuit, en tant que fluide secondaire étant un gaz ou un mélange de gaz et le fluide deuxième du deuxième circuit, en tant que fluide primaire, étant un métal liquide.

Le premier fluide peut comprendre 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 a enfin pour objet 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 comprenant une pluralité de modules d’échangeur décrits ci-dessus.

Description détaillée

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

- la figure 1 est une vue schématique en perspective d’une plaque de module d’échangeur de chaleur à plaques selon un exemple de l’état de l’art, avec un seul canal en entrée et en sortie et des bifurcations avant la zone d’échange;

- la figure 2 est une vue schématique en perspective d’une plaque de module d’échangeur de chaleur à plaques selon un autre exemple de l’état de l’art avec un seul canal en entrée et en sortie et des bifurcations avant la zone d’échange;

- la figure 3 est une vue schématique en perspective d’une plaque de module d’échangeur de chaleur à plaques selon encore un autre exemple de l’état de l’art avec un seul canal en entrée et en sortie et des bifurcations avant la zone d’échange;

- la figure 4 est une vue de dessus d’une plaque de module d’échangeur de chaleur à plaques selon une première variante de l’invention avec une zone d’alimentation à pluralité de canaux en entrée formant une grille d’alimentation et une zone avec des bifurcations avant la zone d’échange;

- la figure 5 est une vue de dessus d’une plaque de module d’échangeur de chaleur à plaques selon une deuxième variante de l’invention avec une zone d’alimentation à pluralité de canaux en entrée formant une grille et une zone avec des bifurcations avant la zone d’échange;

- la figure 6 est une vue de détail en perspective montrant l’empilement de plaques d’un module selon l’invention, au niveau de la zone d’alimentation avec une grille selon une première variante;

- la figure 7 est une vue de détail en perspective montrant l’empilement de plaques d’un module selon l’invention, au niveau de la zone d’alimentation avec une grille selon une deuxième variante;

- la figure 8 est une vue de détail conforme à la deuxième variante de la figure 7, la figure 8 montrant un exemple de dimensions;

- la figure 9 est une vue de détail d’une partie de zone de bifurcation selon l’invention, la figure 9 montrant un exemple de dimensions.

Par souci de clarté, les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références numériques selon l’état de l’art et selon l’invention.

On précise que dans l’ensemble de la demande, les termes « entrée », « sortie », « amont », « aval » sont à comprendre en relation avec le sens de la circulation du fluide considéré au sein d’un module d’échange de chaleur selon l’invention.

Les figures 1 à 3 relatives à l’état de l’art ont déjà été commentées en préambule. Elles ne le seront donc pas ci-après.

En figures 4 à 7, on a représenté une plaque 1 d’un des deux circuits de fluide, dit premier circuit, d’un module d’échangeur de chaleur selon l’invention, qui s’étend selon un axe longitudinal X. Ce premier circuit est destiné à faire circuler de préférence un métal liquide, tel que du sodium liquide.

Cette plaque 1 est rainurée avec des canaux 10, 11, 12, 13 avec des zones Zl, Z2, Z3, Z4 réalisées et conformées différemment.

Dans la zone d’alimentation Zl du fluide depuis l’extérieur de l’empilement, les canaux 10 sont parallèles entre eux et s’étendent selon un axe X’ sécant avec l’axe longitudinal X et deux canaux adjacents 10 communiquent entre eux par au moins une ouverture débouchante 16 pratiquée dans la nervure 15 de séparation de leur rainure respective.

Comme visible en figure 6, des ouvertures traversantes 17 sont réalisées au sein de chaque canal 10 pour permettre la communication entre toutes les plaques 1 du premier circuit à travers l’empilement. Pour ce faire, d’autres ouvertures traversantes non représentées sont également réalisées au travers des plaques 2 du deuxième circuit. Ces autres ouvertures traversantes ne permettent pas la communication entre les canaux du premier circuit avec ceux du deuxième circuit.

Ainsi, les canaux 10 avec les ouvertures entre canaux 16 et les ouvertures 17 traversant les plaques 1 forment chacune d’entre elles une grille de communication entre canaux d’une même plaque 1 et entre plaques 1.

Dans la continuité de la zone d’alimentation Z1, les canaux sont prolongés dans une zone de raccordement Z2. Dans cette zone Z2, chaque canal présente un profil droit 11 qui s’étend selon l’axe sécant X’ et un profil incurvé 12 continu avec le profil droit pour raccorder le canal 11 avec un canal droit d’une zone de bifurcation Z3 dans la continuité, en aval de la zone de raccordement Z2.

La figure 5 est une variante de la figure 4 dans laquelle les profils incurvés sont de moindre longueur afin d’avoir l’ensemble des canaux 13 dans la zone de bifurcation alignés transversalement à l’axe longitudinal X.

Comme on peut le voir sur les figures 4 et 5, la zone de raccordement Z2 présente une surface relativement importante, ce qui permet d’assurer une séparation physique suffisante entre la zone d’alimentation ZI et la zone de bifurcation Z3 en aval. Cette séparation physique permet de ménager un espace suffisant dans les plaques 2 du deuxième circuit de sorte à ce qu’aucune communication entre les canaux du premier circuit ne soit faite avec ceux du deuxième circuit.

Dans la zone de bifurcation Z3, chaque canal 13 est divisé en quatre canaux 13.1, 13.2, 13.3, 13.4 droits, parallèles entre eux et qui s’étendent parallèlement à l'axe longitudinal X en étant séparés entre eux par une nervure.

Enfin, dans la continuité de la zone de bifurcation Z3, la zone d’échange thermique Z4 intègre les canaux 13.1, 13.2, 13.3, 13.4 droits, parallèles et séparés entre eux par les nervures s’étendent parallèlement à l'axe longitudinal X.

On a représenté en figure 7, une variante de réalisation de la zone d’alimentation Zl, dans laquelle les portions de nervure 18 qui séparent les ouvertures 16 entre canaux 10 sont toutes identiques et alignés, ainsi que les ouvertures traversantes 17.

On a représenté en figure 8, un exemple de dimensionnement de la plaque 1 dans la zone d’alimentation Zl selon la variante de la figure 7.

A titre indicatif, les valeurs chiffrées sont les suivantes: Rl=l,5mm, el=42,5mm, e2=32,5mm, e3 = 3mm, e4= 7mm.

De manière analogue, la figure 9 montre un exemple de dimensionnement de d’un canal 13 à quatre bifurcations 13.1 à 13.4, à partir du profil incurvé 12 de la zone de raccordement Z2.

A titre indicatif, les valeurs chiffrées sont les suivantes: R2=20mm, R3=26mm, e5=25mm, e6 = 5,2mm, e7= 25mm, e8 = 5,2mm, e9= 25mm et el0= 6mm.

Pour réaliser un module d’échangeur selon l’invention qui vient d’être décrit, on procède de la manière suivante.

On usine dans des plaques métalliques 1 de formes rectangulaires, identiques entre elles, respectivement des rainures avec les zones d’alimentation Zl, de raccordement Z2, de bifurcation Z3 et d’échange Z4 comme détaillé ci-avant. Puis on usine les plaques 1 dans les zones Zl de sorte à avoir les ouvertures débouchantes 16 entre canaux 10 et les ouvertures 17 traversant chaque plaque 1.

On usine dans des plaques métalliques 2 de formes et dimensions identiques aux plaques 1, des rainures 20 définissant les canaux du deuxième circuit.

On réalise un empilement alterné des plaques 1 du premier circuit avec les plaques 2 du deuxième circuit de sorte à avoir les ouvertures traversantes 17 qui permettent la communication entre canaux des plaques 1 du premier circuit mais pas avec ceux des plaques du deuxième circuit.

On assemble alors les plaques métalliques 1, 2 entre elles, soit par compression isostatique à chaud (CIC), soit par un procédé de soudage-diffusion uniaxial à chaud de sorte à obtenir un soudage par diffusion entre elles.

Des calculs comparatifs CFD ont été réalisés par les inventeurs, afin de vérifier les meilleures performances de distribution de fluides au sein du premier circuit du module selon l’invention.

Les calculs ont été faits avec comme hypothèse une circulation de sodium liquide à une température de 545°C en entrée du premier circuit.

On précise ici qu’un canal selon les exemples comparatifs 1 et 2 présente les mêmes dimensions, i.e. largeur, longueur et hauteur qu’un canal selon l’exemple 3 selon l’invention.

L’ensemble des calculs comparatifs sont résumés dans le tableau ci-dessous.

L’exemple comparatif 1 se rapporte à un module selon l’état de l’art, dans lequel les canaux de la Z4 du circuit Na sont droits et débouchent tous dans le collecteur.

L’exemple comparatif 2 se rapporte avec un module comprenant des canaux dans les plaques 1 uniquement entre l’entrée du fluide et la zone d’échange Z4, une zone Z3 avec les bifurcations comme représentées en figures 4 et 5 et dimensionnées comme celles de l’invention en figure 9.

L’exemple 3 est conforme à l’invention, avec un module comprenant des canaux dans les plaques 1 avec toutes les zones ZI à Z4, la zone ZI étant dimensionnée comme en figure 8 et la zone Z3 avec les bifurcations dimensionnées comme celles de l’invention en figure 9.

Dans tous les exemples, les autres formes et dimensions des plaques 1 et 2 sont identiques entre tous les exemples.

Dans le tableau, on a en outre indiqué un cas idéal d’échange entre le sodium liquide à qui sort de l’échangeur à 345°C et l’azote qui rentre à 310°C.

TABLEAU

	Pertes de charge totales ΔΡ (Pa)	Dispersion des débits par canal (%)	Température du sodium liquide en sortie de module (°C)	Efficacité thermique (ε)
minimale	moyenne	maximale
Cas idéal		0	345	345	345	0,93
Exemple 1	6000	25	315	349	438	0,91
Exemple 2	50000	8	330	343	384	0,92
Exemple 3 (selon l’invention)	60000	<2	-345	345	-345	0,93

De ce tableau, on constate que grâce à l’invention, la dispersion des débits par canal est bien moindre, les pertes de charges bien plus élevées mais acceptables, avec une efficacité thermique égale au cas idéal.

En outre comparativement à l’exemple 2, on s’aperçoit que les zones ZI avec ouvertures débouchantes 16 et celles traversant entre plaques 1 permettent de diminuer d’un facteur 4 la dispersion des débits.

On peut donc en conclure que l’invention permet d’améliorer la distribution de sodium liquide

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

Ainsi par exemple, dans un module d’échangeur entre un métal liquide, tel que du sodium liquide, et un gaz, tel que l’azote, on peut envisager avantageusement le circuit de gaz avec des canaux droits et un circuit de métal liquide avec les canaux présentant les différentes zones Zl, Z2, Z3, Z4, et de préférence de plus grandes sections que celles des canaux du circuit de gaz.

Il va de soi qu’un échangeur métal liquide/gaz est un exemple d’application, et on peut très bien envisager avoir les même zones Zl à Z4 selon l’invention, pour les deux circuits de fluides au sein d’un même échangeur.

De manière préférée, le deuxième circuit étant plutôt dédié à la circulation de gaz, il ne faut pas introduire trop de perte de charges, et donc il est préférable de ne pas réaliser de zone de bifurcations pour les plaques de ce deuxième circuit. En revanche, il est avantageux d’intégrer une grille brise-jet dans chaque plaque du deuxième circuit, afin de parfaire la distribution.

Il va de soi que le nombre d’étages, c’est-à-dire de plaques pour le premier circuit et/ou pour le deuxième circuit est à adapter suivant les conditions de fonctionnement et on peut ainsi tout-à-fait envisager un nombre différent que celui des modes de réalisation illustrés.

Claims

REVENDICATIONS

1. Module d’échangeur de chaleur d’axe longitudinal (X) comprenant un empilement de plaques (1, 2) définissant au moins deux circuits de fluide, au moins une partie des plaques comprenant chacune des canaux de circulation de fluide délimités chacun au moins en partie par une rainure, les canaux (10, 11, 12, 13) d’au moins l’un des deux circuits, dit premier circuit, présentant :

- une zone d’alimentation (Zl) du fluide depuis l’extérieur de l’empilement, dans laquelle les canaux (10) sont parallèles entre eux et s’étendent selon un axe (X’) sécant avec l’axe longitudinal (X) et dans laquelle deux canaux adjacents communiquent entre eux par au moins une ouverture débouchante (16) pratiquée dans la nervure (15) de séparation de leur rainure respective;

- une zone dite de bifurcation (Z3), dans laquelle chaque canal (13) est divisé en au moins deux canaux (13.1, 13.2, 13.3, 13.4) droits, parallèles entre eux et qui s’étendent parallèlement à l'axe longitudinal (X) en étant séparés entre eux par une nervure (15);

- une zone dite de raccordement (Z2) entre la zone d’alimentation et la zone de bifurcation, la zone dans laquelle chaque canal présente un profil droit (11) qui s’étend selon l’axe sécant (X’) et un profil incurvé (12) continu avec le profil droit pour raccorder le canal avec un canal droit de la zone de bifurcation ;

- une zone d’échange (Z4) continue avec la zone de bifurcation dans laquelle les canaux (13.1, 13.2, 13.3, 13.4) droits, parallèles et séparés entre eux par les nervures s’étendent parallèlement à l'axe longitudinal (X) ;

module dans lequel les canaux (10) de chaque plaque du premier circuit communiquent avec ceux des autres plaques du premier circuit dans leur zone d’alimentation respective (Zl), par l’intermédiaire d’ouvertures (17) traversant l’empilement mais qui ne communiquent pas avec les canaux du deuxième circuit.
2. Module d’échangeur de chaleur selon la revendication 1, le profil incurvé de chaque canal du premier circuit comprenant deux courbes pour relier le profil droit de la zone de raccordement au canal droit de la zone de bifurcation.
3. Module d’échangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, chaque canal droit (13) étant divisé en quatre canaux (13.1, 13.2, 13.3, 13.4) dans la zone de bifurcation (Z3).
4. Module d’échangeur de chaleur selon l’une des revendications précédentes, l’angle entre l’axe sécant (X’) et l’axe longitudinal (X) du module étant compris entre 0 et 45°.
5. Module d’échangeur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une plaque du premier circuit est intercalée entre deux plaques du deuxième de circuit au moins dans la partie centrale de l’empilement.
6. Module d’échangeur selon l’une des revendications précédentes, les canaux du premier circuit ayant une section ovoïde, circulaire, rectangulaire ou carrée.
7. Procédé de réalisation d’un module d’échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant les étapes suivantes :

- usinage de rainures dans des premières plaques métallique (1) afin de constituer les canaux (10, 11, 12, 13) du premier circuit configurées avec les zones d’alimentation, de raccordement, de bifurcation et d’échange ;

- usinage de rainures dans des deuxièmes plaques métalliques (2) afin de constituer les canaux (20) du deuxième circuit;

- empilement alterné des premières plaques et des deuxièmes plaques, de sorte à avoir les ouvertures traversantes (17) qui permettent la communication entre canaux des plaques du premier circuit mais pas avec ceux des plaques du deuxième circuit ;

assemblage des premières et deuxièmes plaques métalliques entre elles, soit par compression isostatique à chaud (CIC), soit par un procédé dit de soudage-diffusion uniaxial à chaud de sorte à obtenir un soudage par diffusion entre elles, soit par brasage.
8. Echangeur de chaleur, comprenant une enceinte étanche , destinée à être pressurisée par un fluide circulant dans le deuxième circuit, et une pluralité de modules d’échangeur de chaleur selon les revendications 1 à 6, s’étendant chacun parallèlement à l'axe central de l’enceinte et agencés chacun à l’intérieur de l’enceinte.
9. Utilisation de l'échangeur de chaleur selon la revendication 8, le fluide du premier circuit, en tant que fluide primaire étant un métal liquide et le fluide du deuxième circuit, en tant que fluide secondaire, étant un gaz ou un mélange de gaz.
10. Utilisation de l'échangeur selon la revendication 9, le fluide du deuxième circuit comprenant principalement de l’azote et le fluide du premier circuit étant du sodium liquide.
11. Utilisation selon la revendication 9 ou 10, le fluide du premier ou du deuxième circuit provenant d'un réacteur nucléaire.

12. 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

5 échangeur de chaleur comprenant une pluralité de modules d’échangeur selon l’une des revendications 1 à 6.

1/4

10.2

10.4

10.5

3/4

4/4 or

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