FR3088418A1 - Collecteur de fluide a coques multiples pour echangeur de chaleur avec circulation entre les coques d'un fluide distinct de celui de collecte - Google Patents

Abstract

Collecteur de fluide à coques multiples pour échangeur de chaleur avec circulation entre les coques d’un fluide distinct de celui de collecte 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 imperméable au fluide du premier circuit, un orifice débouchant depuis l’extérieur du collecteur dans le volume libre et un orifice débouchant depuis le volume libre vers l’extérieur du collecteur, de sorte qu’un autre fluide que celui du premier circuit constitue un fluide de chauffage ou de refroidissement du collecteur. Figure pour l’abrégé : Fig. 5

Description

Description

Titre de l'invention : Collecteur de fluide à coques multiples pour échangeur de chaleur avec circulation entre les coques d’un fluide distinct de celui de collecte

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 Γutilisation 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 SFR (acronyme anglais de « Sodium Fast Reactor »), ou de façon générale dit LMBFR (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 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. Ce type d’échangeur présente des avantages importants par rapport 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.

[0013] La solution d’échangeur de chaleur entre du sodium liquide et de l’azote décrite dans le brevet LR3009862, dans lequel les modules d’échangeur sont agencés dans une enceinte gaz sous pression, permet cette fonctionnalité. Toutefois, dans un souci de gain de masse, une variante de module d’échangeur sans enceinte gaz, non décrite dans le brevet mentionné, a été conçue et est représentée en figure 1.

[0014] Tel que représenté en figure 1, le module d’échangeur 1 intègre deux circuits de fluide, l’un dédié à la circulation du sodium (Na) provenant d’un réacteur nucléaire RNR-Na, en tant que fluide primaire du module d’échangeur, et l’autre dédié à la circulation de l’azote (N2) en tant que fluide secondaire.

[0015] Une tuyauterie d’entrée de sodium 2 est agencée pour amener du sodium chaud dans l’entrée du circuit de sodium intégré dans le module d’échangeur 1. La tuyauterie d’entrée de sodium 2 communique en aval avec l’entrée du circuit de sodium intégré dans le module d’échangeur.

[0016] La tuyauterie de sortie de sodium 3 est agencée pour amener le sodium froid vers la sortie de l’échangeur et communique en amont avec la sortie du circuit de sodium intégré dans le module d’échangeur.

[0017] De plus, deux tuyauteries d’entrée d’azote 4 sont agencées pour amener de l’azote froid dans l’entrée du circuit d’azote intégré dans le module d’échangeur 1.

[0018] Deux tuyauteries de sortie d’azote 5 sont agencées pour amener l’azote chaud vers la sortie de l’échangeur.

[0019] Un collecteur de sodium 100 est agencé au niveau de la connexion entre la tuyauterie d’entrée ou de sortie du sodium 2, 3 d’une part, et l’entrée et la sortie des canaux de circulation du sodium du circuit d’échangeur du module d’autre part.

[0020] De même, des collecteurs d’azote 200 sont agencés au niveau de la connexion entre les tuyauteries d’entrée ou de sortie de l’azote 4, 5 d’une part, et l’entrée et la sortie des canaux de circulation de l’azote du circuit d’échangeur du module d’autre part.

[0021] Le rôle des collecteurs 100 consiste à créer un volume important juste en amont ou en aval des canaux de circulation de fluide.

[0022] 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 sodium en limitant l’effet de jet produit par l’admission du sodium en sortie de la tuyauterie d’admission.

[0023] Autrement dit, l’ajout d’un collecteur de sodium vise à atténuer l’inhomogénéité de la distribution de sodium en sortie de la tuyauterie d’admission.

[0024] De même, il est préférable d’insérer un collecteur de gaz 200 entre les tuyauteries d’entrée ou de sortie d’azote d’une part, et le module d’échangeur d’autre part.

[0025] 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, tel que celui mis en œuvre dans le module d’échangeur représenté en figure l.Le module d’échangeur de la figure 1 est prévu pour être mis en œuvre dans un échangeur de chaleur sans enceinte de gaz étanche.

[0026] Par conséquent, la pression extérieure au module d’échangeur est la pression ambiante, la pression intérieure du collecteur de gaz est élevée, typiquement aux alentours de 180 bars, et la pression dans le collecteur de sodium est négligeable.

[0027] La figure 2 est une vue de détail qui montre l’intérieur du module d’échangeur de la figure 1, comportant un collecteur de liquide 100 et un collecteur de gaz 200 selon l’état de l’art. Les canaux 103, 203 de chacun des deux circuits de fluide du module d’échangeur sont notamment apparents sur cette figure 2.

[0028] La figure 3 représente plus précisément un schéma de principe d’un collecteur de fluide 100, 200 tel que conçu habituellement par les gens du métier. Le collecteur 100, 200 est connecté à une tuyauterie 101, 201 d’entrée ou de sortie de fluide. Le collecteur est également relié à une embase 102, 202 du module d’échangeur, dotée d’entrées de canaux 103, 203 permettant le passage du fluide du collecteur aux canaux de circulation de fluide du module d’échangeur sur lequel est installé le collecteur.

[0029] Deux sens de circulation du fluide sont possibles dans un collecteur de fluide, comme représenté par les flèches noires et par les flèches blanches.

[0030] L’embase 102, 202 et la tuyauterie 101, 201 sont reliées par la paroi 104, 204 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.

[0031] Comme illustré en figure 1, un collecteur de fluide peut également être agencé en sortie d’un module d’échangeur de chaleur. Dans ce cas, le fluide circule depuis les canaux de circulation de fluide vers la tuyauterie de sortie.

[0032] Un collecteur 100, 200 est installé sur une embase 102, 202 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.

[0033] De même, un écart de température important entre l’intérieur et l’extérieur des parois du collecteur génère des contraintes d’origine thermique.

[0034] Or les inventeurs ont déterminé qu’un collecteur de fluide tel que représenté en figure 2 ou 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.

[0035] 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.

[0036] 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.

[0037] 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.

[0038] 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.

[0039] 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.

[0040] 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.

[0041] Autrement dit, à matériaux identiques, plus l’épaisseur du collecteur est grande, plus le gradient thermique sera important.

[0042] Par conséquent, 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.

[0043] De manière plus précise, les collecteurs de gaz du circuit tertiaire faisant circuler l’azote doivent être dimensionnés en tenant compte de situations dans lesquelles le débit d’azote chute rapidement. Dans ce cas de figure, le circuit tertiaire n’évacue plus d’énergie : la température au sein du module d’échangeur de chaleur s’homogénéise alors graduellement et atteint la température du sodium chaud, soit environ 530 °C.

[0044] Les inventeurs ont déterminé que, dans un tel cas de figure, la température du collecteur de sodium en sortie du module d’échangeur augmente d’environ 2 °C/s, passant de 345 °C à 530 °C en moins de 100 s. La température du collecteur 200 d’azote en sortie du module d’échangeur, qui n’est pas en contact avec le sodium, n’a pas le temps d’évoluer de manière significative dans cet intervalle de temps, en raison de son inertie thermique.

[0045] La figure 4 est un graphique montrant l’évolution sur une centaine de secondes de la température au sein des collecteurs d’azote et de sodium selon l’état de l’art. Dans cet exemple, la température du sodium augmente linéairement de 345 °C à 530 °C à une vitesse de 2 °C par seconde. Comme visible sur le graphique, la température dans le collecteur de sodium T_Na suit l’évolution de la température du sodium alors que la température au sein du collecteur d’azote T_N2 en sortie du module d’échangeur n’évolue pas de manière significative.

[0046] Ainsi cet écart de température entre le collecteur de gaz 200 et le module d’échangeur entraîne des dilatations différentielles, et donc des contraintes structurelles indésirables.

[0047] Un collecteur de gaz 200 prévu pour l’application visée par les inventeurs doit donc prendre en compte cette problématique de variation de température.

[0048] Les inventeurs ont étudié plusieurs géométries de collecteur 200 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.

[0049] 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.

[0050] Le brevet US 4291754A porte sur un échangeur de chaleur à plaques et à ailettes entre deux circuits de gaz et s’intéresse à la problématique de la gestion des contraintes d’origine thermique. 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 : le fluide circulant dans l’épaisseur du collecteur est le même que le fluide contenu dans le volume du collecteur, ce qui ne permet pas de répondre à la problématique de la présente invention.

[0051] 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, lorsque la température de l’embase du collecteur et celle du collecteur sont susceptibles de diverger de manière importante.

[0052] Le but de l’invention est de répondre au moins partiellement à ce besoin.

Exposé de l’invention [0053] 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.

[0054] 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 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.

[0055] 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.

[0056] 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.

[0057] 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.

[0058] 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.

[0059] Ainsi, comparativement à un collecteur de fluide selon l’état de l’art, tel que représenté en figure 2 ou 3, on s’affranchit des problèmes posés par les contraintes structurelles d’origine thermique.

[0060] 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.

[0061] De préférence, chaque coque du collecteur selon l’invention est de forme hémisphérique.

[0062] 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.

[0063] Ces géométries améliorent la résistance du collecteur aux contraintes structurelles.

[0064] Selon un mode de réalisation préféré, la pluralité de plots est solidaire de chacune de ses deux coques adjacentes.

[0065] Selon un mode de réalisation alternatif, la pluralité de plots est solidaire de l’une seulement de ses deux coques adjacentes.

[0066] L’invention concerne également sous un autre de ses aspects un module d’échangeur de chaleur entre un premier fluide et un deuxième fluide, comportant au moins un collecteur de fluide tel que décrit précédemment, dans lequel le premier fluide est le fluide circulant dans le premier circuit, et le deuxième fluide est le fluide de chauffage ou de refroidissement du collecteur de fluide et circule dans un deuxième circuit comprenant au moins un collecteur d’entrée et un collecteur de sortie.

[0067] De préférence, l’orifice d’admission ou de sortie du collecteur de fluide est relié au deuxième circuit en amont du collecteur d’entrée du deuxième fluide, et l’orifice de sortie ou d’admission du collecteur de fluide est relié au deuxième circuit par le collecteur d’entrée du deuxième fluide.

[0068] De manière alternative, l’orifice d’admission ou de sortie du collecteur de fluide est relié au deuxième circuit en aval du collecteur d’entrée du deuxième fluide, et l’orifice de sortie ou d’admission du collecteur de fluide est relié au deuxième circuit par le collecteur de sortie du deuxième fluide.

[0069] Ces deux modes de réalisation permettent d’imposer la circulation du fluide de chauffage ou de refroidissement au sein du volume libre du collecteur, grâce à une dérivation du fluide circulant dans le deuxième circuit du module d’échangeur.

[0070] L’invention concerne également un échangeur de chaleur comportant une pluralité de modules d’échangeur de chaleur tel que celui qui vient d’être décrit.

[0071] L’invention concerne également l’utilisation de l'échangeur de chaleur qui vient d’être décrit, le premier fluide, en tant que fluide secondaire étant un gaz ou un mélange de gaz et le deuxième fluide, en tant que fluide primaire, étant un métal liquide.

[0072] Selon un mode de réalisation avantageux, le premier fluide comprend principalement de l’azote et le deuxième fluide est du sodium liquide.

[0073] Le premier ou le deuxième fluide peu(ven)t provenir d'un réacteur nucléaire.

[0074] 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 [0075] [fig.l] La figure 1 représente en vue de perspective un échangeur de chaleur liquide/ gaz, destiné à être mis en œuvre au sein d’un échangeur de chaleur.

[0076] [fig.2] La figure 2 montre en vue de coupe partielle et en perspective un collecteur de fluide assemblé sur un module d’échangeur tel que celui de la figure 1.

[0077] [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.

[0078] [fig.4] La figure 4 est un graphique comparant l’évolution des températures au sein d’un collecteur de sodium et d’un collecteur d’azote selon l’état de l’art.

[0079] [fig.5] La figure 5 est une vue en coupe partielle et en perspective d’un mode de réa9 lisation d’un collecteur de fluide selon l’invention.

[0080] [fig.6] La figure 6 représente le champ de température à 97 secondes dans un mode de réalisation d’un collecteur de fluide selon l’invention.

[0081] [fig.7] La figure 7 illustre les contraintes thermiques équivalentes à 97 secondes dans le mode de réalisation de la figure 6.

[0082] [fig.8] La figure 8 est une vue détail en perspective d’une tranche de collecteur de fluide selon l’invention comportant trois coques.

[0083] [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 [0084] 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.

[0085] Par souci de clarté, les mêmes références désignent les mêmes éléments à la fois pour un collecteur de fluide selon l’état de l’art déjà décrit en référence aux figures 2 et 3, et pour un collecteur de fluide décrit en référence aux figures 5 à 9.

[0086] Les figures 1 à 4 ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont donc pas détaillées ci-après.

[0087] 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.

[0088] Ainsi, ils ont proposé le collecteur de fluide 200 illustré en figure 5.

[0089] Selon le mode de réalisation illustré en figures 5, un collecteur de fluide 200 selon l’invention est destiné à être relié à une tuyauterie 201, qui est une tuyauterie d’admission ou de sortie d’un module d’échangeur.

[0090] Le collecteur 200 est notamment, mais pas exclusivement, destiné à faire circuler un gaz tel que de l’azote.

[0091] Un ensemble 300 comportant un collecteur 200 d’azote et un collecteur 100 de sodium est représenté en figure 5.

[0092] Le collecteur 100 est destiné à être relié à la tuyauterie 101, qui est une tuyauterie d’entrée ou de sortie d’un module d’échangeur.

[0093] Le collecteur 200 est relié à un circuit de fluide par une tuyauterie 201 et à une embase 202. Des entrées 203 de canaux de circulation d’azote d’un module d’échangeur débouchent sur l’embase 202. Le collecteur 200 est, dans le mode de réalisation de la figure 5, un collecteur de sortie du module d’échangeur : le sens de circulation de l’azote est indiqué par les flèches blanches.

[0094] Le collecteur 200 est dans ce mode de réalisation constitué d’une structure à trois coques 205, 212, 206, mais le collecteur peut être constitué plus généralement d’au moins deux coques. Deux coques adjacentes 206, 212 ou 212, 205 sont séparées par une pluralité de plots 207. Les plots s’appuient sur l’une et l’autre des coques adjacentes et permettent de garantir le respect des exigences de tenue mécanique.

[0095] Deux coques adjacentes délimitent donc un volume libre intérieur à la paroi du collecteur. Ce volume libre définit un circuit de refroidissement ou de chauffage au sein duquel un fluide va pouvoir circuler pour homogénéiser la température de la paroi du collecteur.

[0096] Comme plus particulièrement visible en figure 9, les coques du collecteur ont dans ce mode de réalisation une géométrie dite bicylindre, présentant une base 217 droite de section rectangulaire au contact avec le module d’échangeur et une portion bombée 218 en prolongement de la base droite. D’autres géométries des coques sont possibles : elles peuvent notamment avoir une forme hémisphérique.

[0097] Aucun passage ne permet l’entrée de l’azote circulant dans le collecteur : les volumes libres compris entre les coques 205, 212, 206 sont imperméables à l’azote circulant dans le collecteur.

[0098] Un orifice d’admission ou de sortie 213 et un orifice de sortie ou d’admission 214 débouchent depuis l’extérieur du collecteur dans les volumes libres entre la coque externe 205 et la coque interne 212. Ces orifices 213,214 permettent respectivement l’entrée et la sortie, ou la sortie et l’entrée dans les volumes libres d’un fluide provenant d’un autre circuit de fluide que celui de l’azote. Il peut s’agir de l’autre circuit de fluide du module d’échangeur, c’est-à-dire celui du sodium liquide. Le sens de circulation du sodium est représenté en figure 5 par les flèches noires.

[0099] Dans l’exemple illustré en figure 5, le sodium liquide qui circule dans les volumes libres entre les coques 205, 212, 206 est prélevé en amont de l’entrée du module d’échangeur, avant de parvenir aux volumes libres par la tuyauterie 215. Le sodium liquide est évacué du collecteur 200 par la tuyauterie 216 qui traverse la paroi du collecteur de fluide 100 de son propre circuit en amont du module d’échangeur.

[0100] De manière alternative, le fluide qui circule entre les coques 205, 212, 206 peut être prélevé en aval de la sortie du module d’échangeur et évacué vers le collecteur de fluide de son propre circuit, en aval du module d’échangeur.

[0101] La circulation du sodium liquide dans les volumes libres définis entre coques du collecteur 200 permet donc de faire évoluer rapidement la température de ce dernier vers la température du sodium liquide.

[0102] Autrement dit, grâce au collecteur de fluide représenté en figure 5, on évite les contraintes structurelles issues d’un gradient thermique d’ampleur importante entre le collecteur 200 et le module d’échangeur.

[0103] Ainsi, selon le mode de réalisation de la figure 5, le fluide circulant dans le collecteur 200 et le fluide circulant dans le volume libre entre les coques sont issus de deux circuits indépendants. Selon l’application visée, les deux fluides peuvent être de composition différente, comme de l’azote et du sodium liquide, ou être de composition identique.

[0104] La figure 6 montre le champ de température dans un collecteur de fluide tel que décrit en référence à la figure 5, dans lequel le fluide circulant dans le collecteur est différent de celui circulant dans le volume libre entre les coques du collecteur.

[0105] Dans le mode de réalisation représenté, le collecteur comporte trois coques 205, 212, 206, à l’image du mode de réalisation illustré en figure 8.

[0106] Dans le cadre de cette simulation, un fluide tel que du sodium circule dans le volume libre entre les coques du collecteur. La température initiale du collecteur et du fluide circulant dans le volume libre est de 345 °C. La température du fluide augmente de 2°C/s jusqu’à atteindre un palier à 530 °C. On suppose que le sodium circule avec un débit idéal sur toutes les parois en contact avec le sodium.

[0107] Le champ de température représenté est atteint après un temps de 97 secondes.

[0108] L’effet de la circulation du fluide dans le volume libre entre les coques 205, 212, 206 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. En conséquence, le gradient de température entre l’embase du collecteur et le collecteur lui-même 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 entre le collecteur et son embase.

[0109] La figure 7 représente le champ des contraintes mécaniques d’origine thermique correspondant à la simulation de la figure 6. L’unité de l’échelle est le Pascal.

[0110] D’autres variantes et améliorations peuvent être prévues sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

[0111] Par exemple, un collecteur 200 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 205, 206, 212 séparées les unes des autres par des plots 207.

[0112] 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.

[0113] 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 DU FLUIDE COLLECTE ENTRE LES COQUES » au nom de la Demanderesse, déposée ce jour.

Claims (1)

1. Revendications [Revendication 1] Collecteur (200) de fluide d’échangeur de chaleur, notamment pour échangeur de chaleur de réacteur nucléaire, destiné à être agencé entre une tuyauterie (201) d’admission ou de sortie de fluide et un module d’échangeur munie d’une embase (202), le collecteur comprenant au moins deux coques (205, 206, 212) adjacentes, dont au moins une coque externe (205, 212) et au moins une coque interne (206) séparée de la coque externe par une pluralité de plots (207) qui délimitent ainsi un volume libre, la coque externe (205, 212) étant destinée à être assemblé par l’une de ses extrémités à l’embase (202) 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 (201); chaque volume libre étant imperméable au fluide du premier circuit ; un orifice d’admission ou de sortie (213) débouchant depuis l’extérieur du collecteur dans le volume libre et un orifice respectivement de sortie ou d’admission (214) débouchant depuis le volume libre vers l’extérieur du collecteur de sorte qu’un autre fluide que celui du premier circuit du module d’échangeur constitue un fluide de chauffage ou de refroidissement du collecteur. [Revendication 2] Collecteur (200) selon la revendication 1, chaque coque ayant une forme hémisphérique. [Revendication 3] Collecteur (200) selon la revendication 1, chaque coque étant constituée d’une base (217) de forme rectangulaire et d’une portion bombée (218) dans le prolongement de la base. [Revendication 4] Collecteur (200) selon l’une des revendications 1 à 3, la pluralité de plots étant solidaire de chacune de ses deux coques adjacentes. [Revendication 5] Collecteur (200) selon l’une des revendications 1 à 3, la pluralité de plots étant solidaire de l’une seulement de ses deux coques adjacentes. [Revendication 6] Module d’échangeur de chaleur (1) entre un premier et un deuxième fluide, comportant au moins un collecteur de fluide (200) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier fluide est le fluide circulant dans le premier circuit, et le deuxième fluide est le fluide de chauffage ou de refroidissement du collecteur de fluide (200) et circule dans un deuxième circuit comprenant au moins un collecteur d’entrée et un collecteur de sortie. [Revendication 7] Module selon la revendication précédente, dans lequel l’orifice d’admission ou de sortie (213) du collecteur de fluide (200) est relié au

   [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] [Revendication 13] deuxième circuit en amont du collecteur d’entrée du deuxième fluide, et l’orifice de sortie ou d’admission (214) du collecteur de fluide est relié au deuxième circuit par le collecteur d’entrée du deuxième fluide. Module selon la revendication 6, dans lequel l’orifice d’admission ou de sortie (213) du collecteur de fluide (200) est relié au deuxième circuit en aval du collecteur d’entrée du deuxième fluide, et l’orifice de sortie ou d’admission (214) du collecteur de fluide est relié au deuxième circuit par le collecteur de sortie du deuxième fluide.

   Echangeur de chaleur entre un premier et un deuxième fluide pour réacteur nucléaire de type RNR-Na, comprenant une pluralité de modules d’échangeur de chaleur (1) selon l’une des revendications 6 à 8.

   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.