FR3088417A1

FR3088417A1 - Collecteur de fluide a coques multiples pour echangeur de chaleur avec circulation du fluide collecte entre les coques

Info

Publication number: FR3088417A1
Application number: FR1860346A
Authority: FR
Inventors: Xavier Jeanningros; Christophe Garnier; Lionel Cachon; Sebastien Vincent; Xavier Mognot
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: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2020-05-15
Anticipated expiration: 2038-11-09
Also published as: FR3088417B1

Abstract

Collecteur de fluide à coques multiples pour échangeur de chaleur avec circulation du fluide collecté entre les coques La présente invention concerne un collecteur de fluide d’échangeur de chaleur, notamment pour échangeur de chaleur de réacteur nucléaire, faisant partie d’un premier circuit de l’échangeur de chaleur et comprenant au moins deux coques adjacentes séparées par une pluralité de plots qui délimitent un volume libre, chaque volume libre étant débouchant par une de ses extrémités sur un premier passage et par l’autre de ses extrémités sur un deuxième passage, de sorte que le fluide du premier circuit de l’échangeur constitue un fluide de refroidissement ou de chauffage du collecteur. Figure pour l’abrégé : Fig. 5

Description

Titre de l'invention : Collecteur de fluide à coques multiples pour échangeur de chaleur avec circulation du fluide collecté entre les coques

Domaine technique [0001] La présente invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur entre deux fluides.

[0002] L’invention a trait plus particulièrement à la réalisation d’un nouveau type de collecteur de fluide pour un échangeur de chaleur, notamment dans le cadre d’un réacteur nucléaire refroidi avec du métal liquide.

[0003] L’invention concerne également un échangeur de chaleur entre deux fluides, intégrant un tel collecteur de fluide.

[0004] L’utilisation principale du collecteur de fluide selon l’invention concerne un échangeur de chaleur entre deux fluides intégrant ce collecteur et l’utilisation de cet échangeur avec du métal liquide et du gaz, le gaz étant sous une pression pouvant être de l’ordre de 180 bars. Il peut s’agir avantageusement de sodium liquide et d’azote, respectivement.

[0005] L’application principale visée par l’échangeur selon l’invention est l’échange de chaleur entre un métal liquide, tel que du 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 SLR (acronyme anglais de « Sodium Fast Reactor »), ou de façon générale dit LMBLR (acronyme anglais de « Liquid Metal Breeder Fast Reactor »).

[0006] Bien que décrite en relation avec cette application principale, un collecteur de fluide et un échangeur de chaleur selon l’invention peuvent aussi être mis en œuvre dans toute autre application nécessitant un échange entre deux fluides, tels qu’un liquide et un gaz, ou deux liquides ou encore deux gaz, en particulier lorsque des variations de température rapides et/ ou de grande amplitude sont en jeu.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

Technique antérieure [0010] Il est connu que le sodium réagit violemment avec l’eau. Dans le but d’éliminer tout risque de réaction violente de cette nature dans le cadre de la conception d’un réacteur de type RNR-Na, utilisant le sodium liquide en tant que fluide primaire, il est préférable que la boucle tertiaire fasse circuler en tant que fluide secondaire un gaz, tel que l’azote, plutôt que de l’eau.

[0011] Il est alors nécessaire, pour cette application, de prévoir un échangeur de chaleur sodium - gaz pour le transfert de chaleur entre le circuit secondaire et le circuit tertiaire.

[0012] Classiquement, dans le cas d’un générateur à vapeur, on utilise un échangeur à tubes et calandre. Or, dans le cas du cycle gaz, ce type d’échangeur est inadapté en raison des faibles capacités d’échange thermique du gaz. Afin de compenser cela, une surface d’échange accrue est requise. L’utilisation d’un échangeur compact à plaque permet d’obtenir ce résultat. Une solution d’échangeur de chaleur entre du sodium liquide et de l’azote est décrite dans le brevet LR3009862. L’échangeur de chaleur selon ce brevet est reproduit en figure 1 dans sa configuration verticale de fonctionnement.

[0013] Dans cette figure, 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. Bien que seuls quatre modules d’échangeur soient visibles sur la vue de la figure 1, le mode de réalisation illustré comporte huit modules 3.1 à 3.8 au total.

[0014] Ces derniers sont des modules d’échangeur compacts à plaque : ces échangeurs 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.

[0015] 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.

[0016] L’enceinte étanche 2 comporte à l’une 2a de ses extrémités longitudinales, une entrée 10 et une sortie 11 de l’azote.

[0017] A l’autre 2b des extrémités longitudinales de l’enceinte 2 sont prévues une entrée 12 et une sortie 13 du sodium liquide.

[0018] Chaque module d’échangeur intègre deux circuits de fluide dont un dédié à la cir culation 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.

[0019] La pluralité 3 de modules d’échangeur 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.

[0020] 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.

[0021] Cette chambre 5 communique avec chaque entrée non représentée du circuit de l’azote intégré dans un des modules d’échangeur.

[0022] 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. Ce collecteur chaud 6 est ainsi commun aux modules mais chacun d’entre eux alimente indépendamment ce collecteur par la sortie 30.

[0023] Ce collecteur central 6 communique donc en amont avec chaque sortie 30 du circuit de l’azote intégré dans l’un de la pluralité des modules d’échangeur 3. En aval, ce collecteur central communique avec la sortie 11 de l’azote de l’enceinte 2, i.e. à travers le couvercle 20.

[0024] Un collecteur annulaire 7 est agencé de manière coaxiale autour du collecteur central 6 et des modules d’échangeur 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.

[0025] 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.

[0026] 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. 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 345 °C.

[0027] 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.

[0028] Une pluralité de tuyauteries d'entrée 82, 84 est agencée pour amener le sodium chaud dans chacune des entrées du circuit de sodium intégré dans un des modules d’échangeur 3.1 à 3.8.

[0029] Ainsi, chaque tuyauterie d’entrée communique en amont avec l'entrée 12 du sodium de Γenceinte 2, et en aval avec chaque entrée du circuit de sodium intégré dans un des modules d’échangeur.

[0030] Une pluralité de tuyauteries de sortie 91, 93, 98 est agencée pour amener le sodium froid vers la sortie 13 de l’échangeur.

[0031] Ainsi, chaque tuyauterie de sortie 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 Γ enceinte 2 à travers le fond 21.

[0032] La connexion entre les tuyauteries d’entrée et les modules d’échangeurs 3.1 à 3.8 se fait sans intermédiaire dans le mode de réalisation de la figure 1.

[0033] Or il est préférable d’insérer un collecteur de sodium au niveau de la connexion entre la tuyauterie d’admission ou de sortie d’une part, et l’entrée ou la sortie des canaux de circulation de fluide des modules d’autre part.

[0034] En effet, la présence d’un volume important juste en amont de l’entrée des canaux de circulation de fluide contribue à distribuer de manière homogène le sodium dans l’ensemble des canaux de circulation de fluide en limitant l’effet de jet produit par l’admission du sodium en sortie de la tuyauterie d’admission.

[0035] Autrement dit, l’ajout d’un collecteur de sodium vise à atténuer l’inhomogénéité de la distribution de fluide en sortie de la tuyauterie d’admission.

[0036] Le volume de tranquillisation de l’écoulement situé entre la tuyauterie d’admission ou de sortie et l’entrée des canaux de circulation de fluide doit être aussi conséquent que possible pour assurer une bonne qualité de distribution du fluide entre les différents canaux. Ce besoin est particulièrement important pour un échangeur compact à plaques, comme mis en œuvre dans l’échangeur représenté en figure 1.

[0037] La figure 2 représente un échangeur de chaleur de conception similaire à celui de la figure 1, mais intégrant des collecteurs de fluide 100 situés chacun entre une tuyauterie d’entrée 81, 82, 83, 84 et un module d’échangeur 3.1, 3.2, 3.3, 3.4. Les collecteurs 100 peuvent par exemple être encastrés dans un module d’échangeur de chaleur.

[0038] D’autres modes de réalisation sont également possibles en ce qui concerne les modules d’échangeur 3.

[0039] La figure 3 représente plus précisément un schéma de principe d’un collecteur de fluide 100 selon l’état de l’art. Le collecteur 100 est connecté à une tuyauterie 101 d’entrée ou de sortie de fluide. Le collecteur est également relié à une embase 102 du module d’échangeur, dotée d’entrées de canaux 103 permettant le passage du fluide du collecteur aux canaux de circulation de fluide du module d’échangeur sur lequel est installé le collecteur.

[0040] Deux sens de circulation du fluide sont possibles dans un collecteur de fluide, comme représenté par les flèches noires et par les flèches blanches.

[0041] L’embase 102 et la tuyauterie 101 sont reliées par la paroi 104 du collecteur, qui est de forme hémisphérique dans le mode de réalisation représenté en figure 3. Une forme hémisphérique, ou du moins une forme bombée vers l’extérieur, permet d’optimiser le volume du collecteur : cela favorise la tranquillisation de l’écoulement de fluide après l’arrivée du fluide par la tuyauterie d’entrée, et donc aussi une distribution homogène du fluide dans les différents canaux du module d’échangeur.

[0042] Un collecteur 100 est installé sur une embase 102 d’un module d’échangeur. Par conséquent, un écart de température entre les parois du collecteur et l’embase se traduit par des dilatations thermiques différentielles, et donc par des contraintes additionnelles sur la structure du collecteur.

[0043] De même, un écart de température important entre l’intérieur et l’extérieur des parois du collecteur génère des contraintes d’origine thermique.

[0044] Or les inventeurs ont déterminé qu’un collecteur de fluide tel que représenté en figure 3 n’est pas adapté aux contraintes auxquelles il serait confronté dans le cadre d’un prototype de réacteur RNR-Na étudié par les inventeurs.

[0045] En effet, dans ce prototype, le gaz du circuit tertiaire circule sous une forte pression nominale de fonctionnement, typiquement de l’ordre de 180 bars. Ce gaz circule au sein de l’enceinte étanche de l’échangeur de chaleur. Ainsi, l’échangeur de chaleur est conçu de sorte que l’ensemble du circuit secondaire situé au sein de l’enceinte étanche est soumis à cette forte pression.

[0046] La pression au sein du circuit secondaire est quant à elle négligeable par rapport à la pression du circuit tertiaire : cela signifie donc que l’ensemble du circuit secondaire localisé au sein de l’enceinte étanche doit pouvoir résister à un différentiel de pression important.

[0047] En particulier, les collecteurs de fluide doivent assurer la tenue mécanique à la différence de pression, tout en étant capables de supporter des variations de température qui peuvent être rapides et de grande amplitude.

[0048] Ainsi, dans le cadre du prototype de réacteur nucléaire RNR-Na étudié par les inventeurs, les collecteurs 100 du circuit secondaire faisant circuler le sodium liquide subissent typiquement, en fonctionnement transitoire, des variations de température de 2 °C/s sur des plages de 185 °C allant de 345 °C à 530 °C, ou inversement de 530 °C à 345 °C. En effet, la température du sodium liquide en sortie du cœur du réacteur est de 530 °C. La température de l’azote froid pénétrant dans l’échangeur est de l’ordre de 310 °C.

[0049] L’épaisseur d’un collecteur de fluide est déterminée en fonction de la pression intérieure ou extérieure (selon les écoulements en jeu dans le circuit concerné) qu’il doit supporter. De plus, à pression constante, l’épaisseur des parois du collecteur doit augmenter avec le volume du collecteur.

[0050] Or, en fonction de l’épaisseur du collecteur mais aussi de sa conductivité thermique et de sa capacité massique, ce dernier peut être soumis à un fort différentiel de température entre sa paroi interne et sa paroi externe. Cet écart de température donne lieu à des dilatations différentielles et ainsi à des contraintes mécaniques.

[0051] Autrement dit, à matériaux identiques, plus l’épaisseur du collecteur est grande, plus le gradient thermique sera important.

[0052] La figure 4 est un graphique illustrant l’effet d’une variation de la température du fluide circulant dans un collecteur de fluide tel que celui représenté en figure 3. Le graphique représente l’évolution de la température de la paroi interne du collecteur, de température T_int, et celle de la paroi externe, de température T_ext. Dans cet exemple, la température du fluide augmente linéairement de 345 °C à 530 °C à une vitesse de 0,5 °C par seconde. La température interne T_int du collecteur suit l’évolution de la température du fluide. Il apparaît clairement que la température externe T_ext subit un échauffement significativement retardé. Le différentiel de température T_int - T_ext atteint par conséquent des valeurs élevées.

[0053] En conséquence, les parois du collecteur doivent être dimensionnées en fonction de la pression nominale de fonctionnement, mais elles doivent également être capables de supporter les contraintes d’origine thermique.

[0054] De manière plus précise, un collecteur 100 de sodium prévu pour l’application visée par les inventeurs doit être dimensionné pour une pression nominale de 180 bar et une température nominale de 530 °C et doit pouvoir supporter des variations de température de l’ordre de 185 °C à 2 °C/s.

[0055] Ce collecteur doit également pouvoir être utilisé aussi bien dans le circuit de liquide que dans le circuit de gaz, en entrée ou en sortie du module d’échangeur.

[0056] Les inventeurs ont étudié plusieurs géométries de collecteur 100 afin de remplir les exigences en termes de tenue mécanique et de contraintes thermiques, mais aucune de ces géométries n’a permis de respecter l’ensemble des contraintes de fonctionnement.

[0057] Les inventeurs ont également pensé à modifier localement les gradients de température au sein du collecteur en utilisant une protection thermique sur la paroi intérieure du collecteur. Cette solution n’a cependant pas donné satisfaction en raison du gradient de température excessif apparaissant entre les parois du collecteur et son embase, ce qui entraîne des contraintes générées par dilatation inacceptables.

[0058] Le brevet US 4291754A porte sur un échangeur de chaleur à plaques et à ailettes entre deux circuits de gaz. Les collecteurs de cet échangeur sont chauffés ou refroidis par l’un des fluides circulant dans l’échangeur pendant le fonctionnement en régime transitoire, dans le but de contrôler la déformation structurelle des collecteurs d’origine thermique et les contraintes résultantes. Ce brevet s’intéresse donc à la problématique de la gestion des contraintes d’origine thermique. La solution divulguée n’est cependant pas adaptée à la problématique de l’invention, car le circuit de refroidissement ou de chauffage des collecteurs fait partie intégrante du faisceau de canaux d’échange thermique. Par conséquent, les caractéristiques de l’écoulement de fluide (i.e. nombre de Reynolds, nombre de Nusselt) dans l’épaisseur du collecteur sont dépendantes des caractéristiques de l’écoulement de fluide dans les canaux de circulation de fluide, ce que l’on cherche à éviter. De plus, la distribution des canaux de circulation de fluide dépend du dimensionnement du circuit de refroidissement ou de chauffage.

[0059] Il existe donc un besoin pour améliorer les collecteurs de fluide existants, notamment pour obtenir des collecteurs susceptibles de supporter des contraintes concomitantes importantes en termes de pression intérieure ou extérieure et de variation de température, et pouvant fonctionner indifféremment en phase liquide ou gazeuse.

[0060] Le but de l’invention est de répondre au moins partiellement à ce besoin.

Exposé de l’invention [0061] Pour ce faire, l’invention a pour objet selon un des aspects, un collecteur de fluide d’échangeur de chaleur, notamment pour échangeur de chaleur de réacteur nucléaire, destiné à être agencé entre une tuyauterie d’admission ou de sortie de fluide et un module d’échangeur muni d’une embase.

[0062] Selon l’invention, le collecteur comprend au moins deux coques adjacentes, dont au moins une coque externe et au moins une coque interne séparée de la coque externe par une pluralité de plots qui délimitent ainsi un volume libre, la coque externe étant destinée à être assemblé par l’une de ses extrémités à l’embase du module pour délimiter un des circuits de fluide, dit premier circuit, de ce dernier et par l’autre de ses extrémités à la tuyauterie d’admission ou de sortie; chaque volume libre étant débouchant par une de ses extrémités sur un premier passage destiné lui-même à déboucher dans la tuyauterie d’admission ou de sortie et par l’autre de ses extrémités sur un deuxième passage destiné lui-même à déboucher sur l’embase du module d’échangeur de sorte que le fluide du premier circuit du module d’échangeur constitue un fluide de chauffage ou de refroidissement du collecteur.

[0063] 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.

[0064] 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.

[0065] Autrement dit, l’invention consiste tout d’abord essentiellement à définir une structure de collecteur de fluide qui permette à la fois de résister à une forte différence de pression et de limiter les gradients thermiques, lorsque le fluide circulant dans le collecteur subit une variation rapide et/ou de grande amplitude de sa température, ou lorsque le module d’échangeur subit une variation rapide et/ou de grande amplitude de sa température.

[0066] Ce résultat est obtenu par la structure à coques multiples du collecteur qui permet une circulation du fluide entre deux coques adjacentes, ce qui atténue le gradient de température. La présence de plots entre deux coques adjacentes permet de s’assurer que l’ensemble des coques participe à la bonne tenue mécanique du collecteur, tout en laissant un volume libre disponible pour la circulation du fluide.

[0067] Ainsi, comparativement à un collecteur de fluide selon l’état de l’art, tel que représenté en figure 3, on s’affranchit des problèmes posés par les contraintes structurelles d’origine thermique.

[0068] En résumé, grâce à l’invention, on obtient un collecteur de fluide résistant aux variations de température rapides et/ou de grande amplitude, adapté pour être utilisé avec un fluide en phase liquide ou gazeuse dans les deux sens de circulation du fluide et pouvant supporter une forte pression intérieure ou extérieure. Un tel collecteur est particulièrement avantageux dans le cadre d’une utilisation dans un échangeur de chaleur entre du sodium liquide et un gaz.

[0069] De préférence, chaque coque du collecteur selon l’invention est de forme hémisphérique.

[0070] De manière alternative, chaque coque du collecteur selon l’invention est constituée d’une base de forme rectangulaire et d’une portion bombée dans le prolongement de la base.

[0071] Ces géométries améliorent la résistance du collecteur aux contraintes structurelles.

[0072] Avantageusement, l’au moins une coque interne est configurée de manière à ce qu’en position assemblée du collecteur sur le module d’échangeur, un jeu non nul entre l’au moins une coque interne et l’embase s’étende tout du long de la circonférence de l’au moins une coque interne, formant le deuxième passage.

[0073] Alternativement, l’au moins une coque interne est configurée de manière à ce qu’en position montée du collecteur sur le module d’échangeur, l’au moins une coque interne définisse avec l’embase une pluralité d’orifices répartis le long de la circonférence de la coque, formant le deuxième passage.

[0074] Selon un mode de réalisation préféré, la pluralité de plots est solidaire de chacune de ses deux coques adjacentes.

[0075] Selon un mode de réalisation alternatif, la pluralité de plots est solidaire de l’une seulement de ses deux coques adjacentes.

[0076] De préférence, le diamètre de l’ouverture de la coque externe destinée à permettre la circulation d’un fluide entre la tuyauterie d’entrée ou de sortie et le collecteur est supérieur au diamètre de l’ouverture de l’au moins une coque interne destinée à permettre la circulation d’un fluide entre la tuyauterie d’entrée ou de sortie et le collecteur.

[0077] Cette caractéristique avantageuse permet d’imposer la circulation du fluide qui détermine la température des parois du collecteur par un diaphragme constitué par les ouvertures des coques interne et externe et qui force le débit du fluide dans le volume libre entre les coques.

[0078] L’invention concerne également sous un autre de ses aspects, un échangeur de chaleur comportant une pluralité de modules d’échangeur de chaleur qui comprennent chacun un ou plusieurs collecteurs de fluide tel que celui qui vient d’être décrit.

[0079] L’invention concerne également I’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.

[0080] Selon un mode de réalisation avantageux, le premier fluide comprend principalement de l’azote et le deuxième fluide est du sodium liquide.

[0081] Le premier ou le deuxième fluide peu(ven)t provenir d'un réacteur nucléaire.

[0082] 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.

Brève description des dessins [0083] [fig.l] La figure 1 est une vue écorchée en perspective d’un échangeur de chaleur selon l’état de l’art.

[0084] [fig.2] La figure 2 est une vue en perspective et en écorché d’un échangeur de chaleur comportant des collecteurs de fluide en amont des modules d’échangeur.

[0085] [fig.3] La figure 3 est une vue schématique en coupe partielle et en perspective d’un collecteur de fluide selon l’état de l’art.

[0086] [fig-4] La figure 4 est un graphique comparant l’évolution des températures des parois intérieure et extérieure d’un collecteur de fluide selon l’état de l’art.

[0087] [fig.5] La figure 5 représente en vue de coupe longitudinale un exemple de collecteur de fluide selon l’invention.

[0088] [fig.6] La figure 6 est une vue en coupe partielle et en perspective d’un collecteur de fluide selon l’invention.

[0089] [fig.7] La figure 7 est le résultat d’une simulation du champ de température à 97 secondes dans un premier mode de réalisation d’un collecteur de fluide selon l’invention.

[0090] [fig-8] La figure 8 est une vue détail en perspective d’une tranche de collecteur de fluide selon l’invention comportant trois coques.

[0091] [fig-9] La figure 9 est une vue en coupe partielle et en perspective d’une géométrie alternative d’un collecteur de fluide selon l’invention.

Description détaillée [0092] 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 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.

[0093] 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.

[0094] 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 à la figure 1 et pour un échangeur de chaleur 2 décrit en référence à la figure 2, ainsi que pour un collecteur de fluide selon l’état de l’art déjà décrit en référence à la figure 3, et pour un collecteur de fluide décrit en référence aux figures 5 à 9.

[0095] Les figures 1 à 4 ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont donc pas détaillées ci-après.

[0096] Les inventeurs ont cherché à concevoir un collecteur de fluide garantissant à la fois une bonne distribution du fluide dans les canaux de circulation d’un module d’échangeur de chaleur et le respect des contraintes inhérentes aux conditions de fonctionnement strictes liées à l’application principale visée.

[0097] Ainsi, ils ont proposé les collecteurs de fluide 100 illustrés en figures 5 à 9.

[0098] Selon le mode de réalisation illustré en figure 5, un collecteur de fluide 100 selon l’invention est destiné à être relié à une tuyauterie 101, qui est une tuyauterie d’admission ou de sortie d’un module d’échangeur.

[0099] Le collecteur 100 tel qu’illustré est notamment mais pas exclusivement destiné à faire partie d’un circuit de circulation de sodium liquide agencé entre une tuyauterie de circulation du sodium d’une part et l’entrée ou la sortie d’un module d’échangeur d’autre part. Bien que le collecteur 100 soit par la suite décrit comme un collecteur de sodium liquide, il peut aussi bien être utilisé dans un circuit de circulation d’un autre fluide, que ce fluide soit en phase liquide ou en phase gazeuse.

[0100] Le collecteur 100 comprend une coque externe 105 et une coque interne 106, toutes deux de forme généralement hémisphérique dans ce mode de réalisation. D’autres géométries des coques sont possibles. Ainsi, comme représenté en figure 9, les coques du collecteur peuvent également avoir une géométrie dite bicylindre, présentant une base 116 droite de section rectangulaire au contact avec le module d’échangeur et une portion bombée 117 en prolongement de la base droite.

[0101] Chaque coque 105, 106 comporte à l’une de ses extrémités une ouverture 110, 111 en regard de la tuyauterie 101, permettant ainsi l’entrée ou la sortie du sodium liquide, selon le sens de circulation de ce dernier.

[0102] En configuration assemblée, le collecteur 100 est assemblé par sa coque externe 105 à l’embase 102 du module d’échangeur. Les entrées des canaux de circulation de sodium 103 au sein du module débouchent sur l’embase 102. Les deux coques 105, 106 sont distantes l’une de l’autre par une pluralité de plots 107, qui s’appuient sur l’une et l’autre des coques.

[0103] Le jeu entre les deux coques 105, 106 définit par les plots 107 délimite donc un volume libre intérieur à la paroi du collecteur. Ce volume libre définit un circuit de refroidissement ou de chauffage au sein duquel le sodium va pouvoir circuler pour homogénéiser la température de la paroi du collecteur.

[0104] Le sodium liquide peut pénétrer dans ce circuit ou en sortir depuis le passage débouchant 108 délimité entre les bords 113, 114 des ouvertures 110, 111 des coques, jusqu’au passage débouchant 109. Tel que mieux illustré en figure 6, le passage débouchant 109 est délimité entre la base de la coque interne 106 d’une part et l’embase 102 d’autre part. Le passage 109 peut être constitué d’une pluralité d’orifices débouchant, comme dans le mode de réalisation illustré. A titre de variante non représentée, il est également envisageable de prévoir un mode de réalisation dans lequel un jeu existe entre la base de la coque interne 106 et l’embase 102. Ce jeu forme alors un orifice unique qui s’étend le long de l’ensemble de la circonférence de la base de la coque interne, qui remplace donc la pluralité d’orifices.

[0105] Ainsi, grâce à l’invention, le même fluide qui circule dans l’un des circuits de de fluide du module d’échangeur peut également circuler à la périphérie, à l’intérieur de la paroi du collecteur dans le volume libre défini entre les coques interne 106 et externe. Cette circulation périphérique permet d’homogénéiser rapidement la température du collecteur.

[0106] Les plots 107 de séparation des coques permettent de garantir le respect des exigences de tenue mécanique. Ainsi, ces plots 107 permettent à la fois de définir un espace de circulation du sodium et de participer à la résistance mécanique du collecteur.

[0107] Dans le mode de réalisation représenté en figures 5 et 6, les plots 107 sont solidaires à la fois de la coque interne 106 et de la coque externe 105, les deux coques étant en outre solidaires de l’embase. Cependant, en fonction des contraintes de montage, de soudure ou encore de chargement mécanique, il est également envisageable que les plots ne soient solidaires que d’une seule des deux coques et/ou que la coque interne ne soit pas solidaire de l’embase.

[0108] Le volume intérieur à la coque interne 106 forme une chambre d’admission de grand volume et de forme généralement hémisphérique, dans laquelle l’écoulement de sodium sortant de la tuyauterie 101 peut se tranquilliser. En effet, l’effet de jet créé par l’admission du fluide via la tuyauterie 101 est atténué grâce à la présence de cette chambre d’admission. De cette manière, le sodium liquide peut être distribué de façon homogène dans les différentes entrées des canaux 103 de circulation de fluide au sein du module d’échangeur.

[0109] Le caractère homogène de la distribution du fluide dans les différents canaux est particulièrement important lorsqu’un module d’échangeur à plaques est utilisé, comme c’est le cas dans l’application principale visée par les inventeurs. Grâce à l’invention, ce caractère homogène est assuré. De plus, l’invention permet de découpler les caractéristiques de l’écoulement de fluide entre les deux coques (i.e. nombres de Reynolds et de Nusselt) de celles de l’écoulement de fluide dans les canaux 103 de circulation de fluide.

[0110] Lorsque la température du fluide varie rapidement, par exemple à une vitesse de 2 °C/s comme dans le cadre du régime transitoire de l’application principale visée, l’ampleur du gradient de température entre les faces interne et externe du collecteur est limitée par rapport au cas d’un collecteur à simple paroi, du fait de la circulation du fluide dans l’espace entre les deux coques. Cela limite fortement les contraintes engendrées par voie thermique.

[0111] Le collecteur 100 tel que décrit peut servir de collecteur d’entrée, dans lequel le sodium arrive par la tuyauterie 101 et sort par les canaux de circulation de sodium 103 de l’embase. Ce sens de circulation est représenté en figure 5 par les flèches noires.

[0112] La circulation du sodium liquide dans le sens inverse est également possible, auquel cas le sodium entre dans le collecteur par les canaux 103 de l’embase et sort par la tuyauterie 101. De façon analogue, le sodium entre alors dans le circuit de refroidissement ou de chauffage entre les coques 105, 106 par le passage 109 et en ressort par le passage 108.

[0113] Dans le mode de réalisation illustré en figures 5 et 6, l’ouverture 111 de la coque interne 106 est de diamètre inférieur à l’ouverture 110 de la coque externe 105. Cela permet de forcer ou de contrôler la circulation du sodium liquide dans l’espace libre entre les deux coques, et ce quel que soit le sens de l’écoulement du sodium, en entrée ou en sortie des canaux de circulation de sodium du module d’échangeur de chaleur.

[0114] En effet, lorsque le sodium circule de la tuyauterie 101 vers les canaux 103 de cir13 culation de sodium, la section d’admission du fluide au sein des coques 105, 106 est réduite du fait du diamètre plus faible de la coque interne. Cette réduction de section force l’entrée du sodium du passage 108 vers le volume libre entre les deux coques. [0115] Inversement, lorsque le sodium circule des canaux de circulation de fluide vers la tuyauterie 101, l’agrandissement soudain du diamètre de la section de passage juste après l’ouverture 11 de la coque interne 106 crée une dépression qui permet l’aspiration du sodium au niveau des orifices 109 à la base de la coque interne.

[0116] De manière avantageuse, ces effets sur la circulation du fluide ne sont pas limités au cas du sodium liquide : ils sont en effet obtenus que le fluide soit en phase liquide ou en phase gazeuse.

[0117] La figure 7 montre le résultat d’une simulation de l’évolution du champ de température dans un collecteur de fluide tel que décrit en référence aux figures 5 et 6, dans lequel le fluide circulant dans le collecteur est le même fluide que celui circulant dans le volume libre entre la coque externe 105 et la coque interne 106.

[0118] Dans le cadre de cette simulation, un fluide tel que du sodium liquide circule au sein du collecteur. La température initiale du fluide et du collecteur est de 345 °C. La température du fluide augmente de 2 °C/s jusqu’à atteindre un palier de 530 °C. On suppose que le sodium circule avec un débit idéal sur toutes les parois en contact avec le sodium.

[0119] Le champ de température représenté est atteint après un temps de 97 secondes. [0120] L’effet de la circulation du fluide dans le volume libre entre les coques interne 106 et externe 105 du collecteur apparaît ici clairement. La température du collecteur au contact avec le fluide dans le volume libre atteint en effet une température proche de celle du fluide.

[0121] Par conséquent, le gradient de température entre l’intérieur du collecteur et l’extérieur du collecteur selon l’invention est fortement limité par rapport à un collecteur de fluide selon l’état de l’art. Ceci permet de limiter les contraintes d’origine thermique.

[0122] D’autres variantes et améliorations peuvent être prévues sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

[0123] Par exemple, un collecteur 100 selon l’invention peut comporter deux ou plusieurs coques, en fonction notamment des contraintes thermiques et mécaniques de l’application visée. La figure 8 illustre une portion d’une paroi d’un collecteur de fluide selon l’invention : la paroi est ici constituée de trois coques 105, 106, 112 séparées les unes des autres par des plots 107.

[0124] De plus, il est envisageable d’assembler sur un même module d’échangeur les collecteurs 100, dans lesquels le fluide circulant à travers le collecteur est le même que celui circulant entre les coques du collecteur, et les collecteurs 200, dans lesquels le fluide circulant à travers le collecteur est issu d’un circuit de fluide différent de celui du fluide circulant entre les coques du collecteur. Les collecteurs 100 sont alors par exemple des collecteurs de sodium liquide et les collecteurs 200 des collecteurs d’azote.

[0125] Un tel module est décrit et revendiqué dans la demande de brevet intitulée « COLLECTEUR DE FLUIDE A COQUES MULTIPLES POUR ECHANGEUR DE CHALEUR AVEC CIRCULATION ENTRE LES COQUES D’UN FLUIDE DISTINCT DE CELUI DE COLLECTE » au nom de la Demanderesse, déposée ce jour.

Claims

[Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7]

Revendications

Collecteur (100) de fluide d’échangeur de chaleur, notamment pour échangeur de chaleur de réacteur nucléaire, destiné à être agencé entre une tuyauterie (101) d’admission ou de sortie de fluide et un module d’échangeur muni d’une embase (102), le collecteur comprenant au moins deux coques (105, 106, 112) adjacentes, dont au moins une coque externe (105) et au moins une coque interne (106, 112) séparée de la coque externe par une pluralité de plots (107) qui délimitent ainsi un volume libre, la coque externe (105) étant destinée à être assemblée par l’une de ses extrémités à l’embase (102) du module pour délimiter un des circuits de fluide, dit premier circuit, de ce dernier et par l’autre de ses extrémités à la tuyauterie d’admission ou de sortie (101); chaque volume libre étant débouchant par une de ses extrémités sur un premier passage (108) destiné lui-même à déboucher dans la tuyauterie d’admission ou de sortie et par l’autre de ses extrémités sur un deuxième passage (109) destiné lui-même à déboucher sur l’embase du module d’échangeur de sorte que le fluide du premier circuit du module d’échangeur constitue un fluide de chauffage ou de refroidissement du collecteur.

Collecteur (100) selon la revendication 1, chaque coque ayant une forme hémisphérique.

Collecteur (100) selon la revendication 1, chaque coque étant constituée d’une base (116) de forme rectangulaire et d’une portion bombée (117) dans le prolongement de la base.

Collecteur (100) selon l’une des revendications 1 à 3, l’au moins une coque interne étant configurée de manière à ce qu’en position assemblée du collecteur sur le module d’échangeur, un jeu non nul entre l’au moins une coque interne et l’embase s’étende tout du long de la circonférence de l’au moins une coque interne, formant le deuxième passage (109). Collecteur (100) selon l’une des revendications 1 à 3, l’au moins une coque interne étant configurée, de manière à ce qu’en position montée du collecteur sur le module d’échangeur, l’au moins une coque interne définisse avec l’embase une pluralité d’orifices répartis le long de la circonférence de la coque, formant le deuxième passage (109).

Collecteur (100) selon l’une des revendications précédentes, la pluralité de plots étant solidaire de chacune de ses deux coques adjacentes. Collecteur (100) selon l’une des revendications 1 à 5, la pluralité de [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] [Revendication 13] plots étant solidaire de l’une seulement de ses deux coques adjacentes. Collecteur (100) selon l’une des revendications précédentes, le diamètre de l’ouverture (110) de la coque externe, destinée à permettre la circulation d’un fluide entre la tuyauterie d’entrée ou de sortie et le collecteur, étant supérieur au diamètre de l’ouverture (111) de l’au moins une coque interne destinée à permettre la circulation d’un fluide entre la tuyauterie d’entrée ou de sortie et le collecteur.

Echangeur de chaleur (1) entre un premier et un deuxième fluide pour réacteur nucléaire de type RNR-Na, comprenant une pluralité de modules d’échangeur de chaleur (3.1 à 3.4), chaque module d’échangeur de chaleur comportant au moins un collecteur de fluide (100) selon l’une des revendications précédentes.

Utilisation d’un échangeur de chaleur selon la revendication précédente, 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.

Utilisation selon la revendication 10, le premier fluide comprenant principalement de l’azote et le deuxième fluide étant du sodium liquide. Utilisation selon la revendication 10 ou 11, le premier ou le deuxième fluide provenant d'un réacteur nucléaire.

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 la revendication 9.