FR3099564A1

FR3099564A1 - Heat exchanger module with two fluid circuits, including nuclear reactor heat exchanger

Info

Publication number: FR3099564A1
Application number: FR1908591A
Authority: FR
Inventors: Christophe Garnier; Xavier Jeanningros; Lionel Cachon; Sébastien Vincent
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: 2019-07-29
Filing date: 2019-07-29
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2039-07-29
Also published as: FR3099564B1

Abstract

Module d’échangeur de chaleur à deux circuits de fluides, notamment échangeur de chaleur de réacteur nucléaire Module (1) d’échangeur de chaleur à au moins deux circuit de fluides, notamment échangeur de chaleur de réacteur nucléaire, comprenant un empilement de plaques métalliques (60, 61) assemblées entre elles en définissant les canaux (600) d’un premier circuit de fluide (Na), la paroi périphérique (61, 63) de l’empilement délimitant le volume intérieur d’un collecteur d’un deuxième circuit de fluide (N2), au moins un canal (601) délimité par chaque plaque rainurée du premier circuit de fluide étant dévié par rapport aux autres canaux, en étant réalisé en partie dans la paroi périphérique de l’empilement de sorte que le fluide du premier circuit est destiné à constituer un fluide de chauffage ou de refroidissement du collecteur à la périphérie de ce dernier. Figure pour l’abrégé : Fig. 8Heat exchanger module with two fluid circuits, in particular nuclear reactor heat exchanger Module (1) for heat exchanger with at least two fluid circuits, in particular nuclear reactor heat exchanger, comprising a stack of metal plates (60, 61) assembled together by defining the channels (600) of a first fluid circuit (Na), the peripheral wall (61, 63) of the stack delimiting the interior volume of a manifold of a second fluid circuit (N2), at least one channel (601) delimited by each grooved plate of the first fluid circuit being deviated from the other channels, being produced in part in the peripheral wall of the stack so that the fluid of the first circuit is intended to constitute a fluid for heating or cooling the collector at the periphery of the latter. Figure for the abstract: Fig. 8

Description

Heat exchanger module with two fluid circuits, in particular nuclear reactor heat exchanger

La présente invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur entre deux fluides.The present invention relates to the field of heat exchangers between two fluids.

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.The invention relates more particularly to the production of a new type of fluid collector for a heat exchanger, in particular in the context of a nuclear reactor cooled with liquid metal.

L’invention concerne également un échangeur de chaleur entre deux fluides, intégrant un tel collecteur de fluide.The invention also relates to a heat exchanger between two fluids, integrating such a fluid collector.

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.The main use of the fluid collector according to the invention relates to a heat exchanger between two fluids integrating this collector and the use of this exchanger with liquid metal and gas, the gas being under a pressure which can be of the order of 180 bar. It can advantageously be liquid sodium and nitrogen, respectively.

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»).The main application targeted by the exchanger according to the invention is the exchange of heat between a liquid metal, such as liquid sodium, from the secondary loop and nitrogen as gas from the tertiary loop of a fast neutron reactor cooled with liquid metal, such as liquid sodium called RNR-Na or SFR (acronym for “ Sodium Fast Reactor ”), or generally called LMBFR (acronym for “ Liquid Metal Breeder Fast Reactor ”) .

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.Although described in relation to this main application, a fluid collector and a heat exchanger according to the invention can also be implemented in any other application requiring an exchange between two fluids, such as a liquid and a gas, or two liquids or even two gases, in particular when rapid and/or large amplitude temperature variations are involved.

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.By "primary fluid", is meant in the context of the invention, the usual meaning in thermal, namely the hot fluid which transfers its heat to the secondary fluid which is the cold fluid.

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.On the other hand, by “secondary fluid”, is meant in the context of the invention the usual meaning in thermal engineering, namely the cold fluid to which the heat of the primary fluid is transferred.

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.In the main application, the primary fluid is sodium which circulates in the so-called secondary loop of the thermal conversion cycle of an FNR-Na reactor, while the secondary fluid is nitrogen which circulates in the tertiary loop of said cycle.

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.It is known that sodium reacts violently with water. In order to eliminate any risk of violent reaction of this nature within the framework of the design of a reactor of the FNR-Na type, using liquid sodium as the primary fluid, it is preferable that the tertiary loop circulates in as secondary fluid a gas, such as nitrogen, rather than water.

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.It is then necessary, for this application, to provide a sodium-gas heat exchanger for heat transfer between the secondary circuit and the tertiary circuit.

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 plaques permet d’obtenir ce résultat. Ce type d’échangeur présente des avantages importants par rapport aux échangeurs de chaleur dits à tubes et calandre 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.Conventionally, in the case of a steam generator, a shell and tube heat exchanger is used. However, in the case of the gas cycle, this type of exchanger is unsuitable because of the low heat exchange capacities of the gas. In order to compensate for this, an increased exchange surface is required. The use of a compact plate heat exchanger achieves this result. This type of exchanger has significant advantages over existing shell and tube heat exchangers, in particular their thermal performance and their compactness thanks to a favorably high ratio of surface area to heat exchange volume. Compact plate heat exchangers are used in many industrial fields.

La solution d’échangeur de chaleur entre du sodium liquide et de l’azote décrite dans le brevet FR3009862, 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.The heat exchanger solution between liquid sodium and nitrogen described in patent FR3009862, in which the exchanger modules are arranged in a pressurized gas enclosure, allows this functionality. However, for the sake of weight saving, a variant of an exchanger module without gas enclosure, not described in the mentioned patent, was designed and is shown in figure 1.

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.As represented in FIG. 1, the exchanger module 1 integrates two fluid circuits, one dedicated to the circulation of sodium (Na) coming from a FNR-Na nuclear reactor, as the primary fluid of the module of exchanger, and the other dedicated to the circulation of nitrogen (N2) as a secondary fluid.

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.A sodium inlet pipe 2 is arranged to bring hot sodium into the inlet of the sodium circuit integrated in the exchanger module 1.

La tuyauterie d’entrée de sodium 2 communique en aval avec l’entrée du circuit de sodium intégré dans le module d’échangeur.The sodium inlet pipe 2 communicates downstream with the inlet of the sodium circuit integrated in the exchanger module.

La tuyauterie de sortie de sodium 3 est agencée pour assurer la circulation du 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.The sodium outlet pipe 3 is arranged to ensure the circulation of cold sodium towards the outlet of the exchanger and communicates upstream with the outlet of the sodium circuit integrated in the exchanger module.

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.In addition, two nitrogen inlet pipes 4 are arranged to bring cold nitrogen into the inlet of the nitrogen circuit integrated in the exchanger module 1.

Deux tuyauteries de sortie d’azote 5 sont agencées pour assurer la circulation de l’azote chaud vers la sortie de l’échangeur.Two nitrogen outlet pipes 5 are arranged to ensure the circulation of hot nitrogen towards the outlet of the exchanger.

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.A sodium collector 100 is arranged at the connection between the sodium inlet or outlet piping 2, 3 on the one hand, and the inlet and outlet of the sodium circulation channels of the exchanger circuit of the module on the other hand.

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.Similarly, nitrogen collectors 200 are arranged at the connection between the nitrogen inlet or outlet pipes 4, 5 on the one hand, and the inlet and outlet of the circulation channels of the nitrogen from the module exchanger circuit on the other hand.

Le rôle des collecteurs 100 consiste à créer un volume important juste en amont ou en aval des canaux de circulation de fluide.The role of the collectors 100 consists in creating a large volume just upstream or downstream of the fluid circulation channels.

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.Indeed, the presence of a large volume just upstream of the inlet of the fluid circulation channels contributes to the homogeneous distribution of the sodium in all the sodium circulation channels by limiting the jet effect produced by the admission of sodium at the outlet of the admission piping.

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.In other words, the addition of a sodium collector aims to reduce the inhomogeneity of the sodium distribution at the outlet of the intake piping.

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.Similarly, it is preferable to insert a gas manifold 200 between the nitrogen inlet or outlet pipes on the one hand, and the exchanger module on the other.

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 1. 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.The flow stilling volume located between the inlet or outlet piping and the inlet of the fluid circulation channels must be as large as possible to ensure good quality fluid distribution between the various channels. This need is particularly important for a compact plate heat exchanger, such as that implemented in the exchanger module shown in Figure 1. The exchanger module of Figure 1 is intended to be implemented in a heat exchanger without gas-tight enclosure.

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 dans le cadre de cette application, et la pression dans le collecteur de sodium est négligeable.Consequently, the pressure outside the exchanger module is ambient pressure, the pressure inside the gas manifold is high, typically around 180 bars for this application, and the pressure in the sodium manifold is negligible.

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.Figure 2 is a detail view which shows the interior of the exchanger module of Figure 1, comprising a liquid collector 100 and a gas collector 200 according to the state of the art. The channels 103, 203 of each of the two fluid circuits of the exchanger module are particularly apparent in this figure 2.

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.Figure 3 more specifically shows a block diagram of a fluid manifold 100, 200 as usually designed by those skilled in the art. The manifold 100, 200 is connected to a fluid inlet or outlet pipe 101, 201. The collector is also connected to a base 102, 202 of the exchanger module, provided with channel inlets 103, 203 allowing the passage of fluid from the collector to the fluid circulation channels of the exchanger module on which the collector is installed. .

Deux sens de circulation du fluide sont possibles dans un collecteur de fluide, comme représenté par les flèches noires et par les flèches blanches.Two directions of fluid circulation are possible in a fluid manifold, as represented by the black arrows and by the white arrows.

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.The base 102, 202 and the pipe 101, 201 are connected by the wall 104, 204 of the manifold, which is hemispherical in shape in the embodiment shown in Figure 3. A hemispherical shape, or at least a curved shape towards the outside, makes it possible to optimize the volume of the collector: this favors the calming of the flow of fluid after the arrival of the fluid through the inlet piping, and therefore also a homogeneous distribution of the fluid in the different channels of the module. exchanger.

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.As illustrated in figure 1, a fluid collector can also be arranged at the outlet of a heat exchanger module. In this case, the fluid flows from the fluid circulation channels to the outlet piping.

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.A collector 100, 200 is installed on a base 102, 202 of an exchanger module. Consequently, a temperature difference between the walls of the collector and the base translates into differential thermal expansions, and therefore into additional stresses on the structure of the collector.

De même, un écart de température important entre l’intérieur et l’extérieur des parois du collecteur génère des contraintes d’origine thermique.Similarly, a significant temperature difference between the interior and exterior of the collector walls generates stresses of thermal origin.

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.However, the inventors have determined that a fluid collector such as represented in FIG. 2 or 3 is not suitable for the constraints with which it would be confronted within the framework of a prototype RNR-Na reactor studied by the inventors.

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 de l’échangeur de chaleur. Ainsi, l’échangeur de chaleur est conçu de sorte que le circuit secondaire de l’échangeur est soumis à cette forte pression.Indeed, in this prototype, the gas in the tertiary circuit circulates under a high nominal operating pressure, typically around 180 bars. This gas circulates within the heat exchanger. Thus, the heat exchanger is designed so that the secondary circuit of the exchanger is subjected to this high pressure.

La pression au sein du circuit secondaire est quant à elle négligeable par rapport à la pression du circuit tertiaire : cela signifie donc que le circuit secondaire de l’échangeur doit pouvoir résister à un différentiel de pression important.The pressure within the secondary circuit is negligible compared to the pressure of the tertiary circuit: this therefore means that the secondary circuit of the exchanger must be able to withstand a significant pressure differential.

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.In particular, the fluid collectors must ensure the mechanical resistance to the pressure difference, while being able to withstand temperature variations which can be rapid and of great amplitude.

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.Thus, in the context of the RNR-Na nuclear reactor prototype studied by the inventors, the collectors 100 of the secondary circuit circulating the liquid sodium typically undergo, in transient operation, temperature variations of 2° C./s over ranges of 185°C ranging from 345°C to 530°C, or vice versa from 530°C to 345°C. Indeed, the temperature of the liquid sodium at the reactor core outlet is 530°C. The temperature of the “cold” nitrogen entering the exchanger is around 310°C.

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.The thickness of a fluid manifold is determined according to the internal or external pressure (depending on the flows involved in the circuit concerned) that it must withstand. In addition, at constant pressure, the thickness of the collector walls should increase with the volume of the collector.

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.However, depending on the thickness of the collector but also on its thermal conductivity and its mass capacity, the latter can be subjected to a high temperature differential between its internal wall and its external wall. This temperature difference gives rise to differential expansions and thus to mechanical stresses.

Autrement dit, à matériaux identiques, plus l’épaisseur du collecteur est grande, plus le gradient thermique sera important.In other words, with identical materials, the greater the thickness of the collector, the greater the thermal gradient.

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.Therefore, the collector walls must be dimensioned according to the nominal operating pressure, but they must also be able to withstand the stresses of thermal origin.

De manière plus précise, lorsqu’il n’est pas prévu d’enceinte dédiée à la circulation du gaz, les collecteurs de gaz du circuit tertiaire faisant circuler l’azote sont soumis directement à une pression interne et 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.More specifically, when no enclosure dedicated to the circulation of gas is provided, the gas collectors of the tertiary circuit circulating the nitrogen are directly subjected to an internal pressure and must be sized taking into account the situations in which the nitrogen flow drops rapidly. In this case, the tertiary circuit no longer evacuates energy: the temperature within the heat exchanger module is then gradually homogenized and reaches the temperature of hot sodium, i.e. approximately 530°C.

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.The inventors have determined that, in such a case, the temperature of the sodium collector at the outlet of the exchanger module increases by approximately 2°C/s, going from 345°C to 530°C in less than 100 s . The temperature of the nitrogen collector 200 at the outlet of the exchanger module, which is not in contact with the sodium, does not have time to change significantly in this time interval, due to its inertia. thermal.

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.Figure 4 is a graph showing the evolution over a hundred seconds of the temperature within the nitrogen and sodium collectors according to the state of the art. In this example, the temperature of sodium increases linearly from 345°C to 530°C at a rate of 2°C per second. As visible on the graph, the temperature in the sodium collector T_Na follows the evolution of the sodium temperature, while the temperature in the nitrogen collector T_N2 at the outlet of the exchanger module does not change significantly.

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.Thus this temperature difference between the gas collector 200 and the exchanger module causes differential expansions, and therefore undesirable structural stresses.

Un collecteur de gaz 200 prévu pour l’application visée par les inventeurs doit donc prendre en compte cette problématique de variation de température.A gas collector 200 provided for the application targeted by the inventors must therefore take into account this problem of temperature variation.

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.The inventors studied several geometries of collector 200 in order to meet the requirements in terms of mechanical strength and thermal stresses, but none of these geometries made it possible to comply with all of the operating constraints.

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.The inventors have also thought of locally modifying the temperature gradients within the collector by using thermal protection on the inner wall of the collector. However, this solution was not satisfactory due to the excessive temperature gradient appearing between the walls of the collector and its base, which leads to unacceptable stresses generated by expansion.

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.US patent 4291754A relates to a plate and fin heat exchanger between two gas circuits and addresses the issue of managing stresses of thermal origin. The collectors of this exchanger are heated or cooled by one of the fluids circulating in the exchanger during transient operation, with the aim of controlling the structural deformation of the collectors of thermal origin and the resulting stresses: the fluid circulating in the thickness of the collector is the same as the fluid contained in the volume of the collector, which does not make it possible to respond to the problem of the present invention.

La demanderesse a déjà proposé 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.The applicant has already proposed a fluid manifold guaranteeing both good distribution of the fluid in the circulation channels of a heat exchanger module and compliance with the constraints inherent in the strict operating conditions linked to the main intended application. .

Ce collecteur est décrit et revendiqué dans la demande de brevet déposée en France le 9 novembre 2018 sous le n° FR1860347.This manifold is described and claimed in the patent application filed in France on November 9, 2018 under number FR1860347.

Un tel collecteur 200 est illustré en figure 5 et est notamment, mais pas exclusivement, destiné à faire circuler un gaz tel que de l’azote.Such a collector 200 is illustrated in FIG. 5 and is notably, but not exclusively, intended to circulate a gas such as nitrogen.

Un ensemble 300 comportant un collecteur 200 d’azote et un collecteur 100 de sodium est également représenté en figure 5.An assembly 300 comprising a nitrogen collector 200 and a sodium collector 100 is also represented in FIG. 5.

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.Collector 100 is intended to be connected to piping 101, which is an inlet or outlet piping of an exchanger module.

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 un collecteur de sortie du module d’échangeur : le sens de circulation de l’azote est indiqué par les flèches blanches.The collector 200 is connected to a fluid circuit by a pipe 201 and to a base 202. Nitrogen circulation channel inlets 203 of an exchanger module lead to the base 202. The collector 200 is a collector outlet of the exchanger module: the direction of nitrogen circulation is indicated by the white arrows.

Le collecteur 200 est 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.The collector 200 consists of a structure with three shells 205, 212, 206, but the collector can more generally consist of at least two shells. Two adjacent shells 206, 212 or 212, 205 are separated by a plurality of studs 207. The studs rest on one and the other of the adjacent shells and make it possible to guarantee compliance with the mechanical strength requirements.

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.Two adjacent shells therefore delimit a free volume inside the wall of the manifold. This free volume defines a cooling or heating circuit within which a fluid will be able to circulate in order to homogenize the temperature of the wall of the collector.

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.The liquid sodium which circulates in the free volumes between the shells 205, 212, 206 is withdrawn upstream of the inlet of the exchanger module, before reaching the free volumes by the piping 215. The liquid sodium is evacuated from the collector 200 by the pipe 216 which crosses the wall of the fluid collector 100 of its own circuit upstream of the exchanger module.

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.The circulation of the liquid sodium in the free volumes defined between the shells of the collector 200 therefore makes it possible to rapidly change the temperature of the latter towards the temperature of the liquid sodium.

Ainsi, grâce au collecteur de fluide 200, on évite les contraintes structurelles issues d’un gradient thermique d’ampleur importante entre le collecteur 200 et le module d’échangeur. Par conséquent, cela permet de limiter l’inertie thermique du collecteur, de gaz dans le cas décrit, par circulation du fluide de l’autre circuit, de sodium dans le cas décrit. La pression s’exerce de manière similaire au niveau de la paroi interne du collecteur.Thus, thanks to the fluid manifold 200, the structural constraints resulting from a significant thermal gradient between the manifold 200 and the exchanger module are avoided. Consequently, this makes it possible to limit the thermal inertia of the collector, of gas in the case described, by circulation of the fluid of the other circuit, of sodium in the case described. The pressure is exerted in a similar way at the level of the internal wall of the collector.

Il présente néanmoins quelques inconvénients que l’on peut énumérer comme suite. Tout d’abord, le collecteur est rapporté sur le module d’échangeur, c’est-à-dire qu’il est assemblé avec ce dernier une fois celui-ci réalisé de préférence par Compression Isostatique à Chaud (CIC). L’assemblage complet du module d’échangeur peut donc s’avérer long.However, it has some drawbacks which can be listed below. First of all, the collector is attached to the exchanger module, i.e. it is assembled with the latter once the latter has been preferably produced by Hot Isostatic Compression (CIC). The complete assembly of the exchanger module can therefore be long.

Ensuite, il est nécessaire de réaliser un circuit spécifique 215, 216 pour alimenter le collecteur concerné.Then, it is necessary to create a specific circuit 215, 216 to supply the collector concerned.

Il existe donc un besoin pour améliorer encore les collecteurs de fluide existants, notamment pour obtenir des collecteurs qui soient d’assemblage plus aisé avec un module d’échangeur sans nécessiter l’utilisation d’un circuit spécifique et qui soient 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.There is therefore a need to further improve the existing fluid manifolds, in particular to obtain manifolds which are easier to assemble with an exchanger module without requiring the use of a specific circuit and which are capable of withstanding stresses significant concomitants in terms of internal or external pressure and temperature variation, when the temperature of the manifold base and that of the manifold are likely to diverge significantly.

Le but de l’invention est de répondre au moins partiellement à ce besoin.The object of the invention is to at least partially meet this need.

Pour ce faire, l’invention a pour objet un module d’échangeur de chaleur à au moins deux circuits de fluides, notamment échangeur de chaleur de réacteur nucléaire, comprenant un empilement de plaques métalliques assemblées entre elles en définissant les canaux d’un premier circuit de fluide, la paroi périphérique de l’empilement délimitant le volume intérieur d’un collecteur d’un deuxième circuit de fluide, au moins un canal délimité par chaque plaque rainurée du premier circuit de fluide étant dévié par rapport aux autres canaux, en étant réalisé en partie dans la paroi périphérique de l’empilement de sorte que le fluide du premier circuit est destiné à constituer un fluide de chauffage ou de refroidissement du collecteur à la périphérie de ce dernier.To do this, the subject of the invention is a heat exchanger module with at least two fluid circuits, in particular nuclear reactor heat exchanger, comprising a stack of metal plates assembled together by defining the channels of a first fluid circuit, the peripheral wall of the stack delimiting the interior volume of a manifold of a second fluid circuit, at least one channel delimited by each grooved plate of the first fluid circuit being deviated with respect to the other channels, in being made partly in the peripheral wall of the stack so that the fluid of the first circuit is intended to constitute a fluid for heating or cooling the collector at the periphery of the latter.

Selon une configuration avantageuse, le volume du collecteur peut être un demi-cylindre. Ce volume en demi-cylindre est destiné à tenir à la pression et présente également une bonne compacité vis-à-vis de l’intégration sur le module.According to an advantageous configuration, the volume of the collector can be a half-cylinder. This volume in half-cylinder is intended to withstand the pressure and also presents a good compactness vis-à-vis the integration on the module.

Pour améliorer encore le chauffage ou le refroidissement du collecteur, le canal dévié peut lui-même être divisé en au moins deux canaux dans la paroi périphérique.To further improve the heating or cooling of the collector, the deviated channel may itself be divided into at least two channels in the peripheral wall.

De préférence, le collecteur est agencé sur un côté latéral de l’empilement de plaques.Preferably, the collector is arranged on a lateral side of the stack of plates.

Selon un premier mode de réalisation avantageux, l’empilement peut être constitué de plaques métalliques rainurées assemblées entre elles soit par compression isostatique à chaud (CIC), soit par compression uniaxiale à chaud (CUC), de sorte à obtenir un soudage par diffusion entre les plaques métalliques, soit par brasage.According to a first advantageous embodiment, the stack may consist of grooved metal plates assembled together either by hot isostatic compression (CIC), or by hot uniaxial compression (CUC), so as to obtain diffusion welding between metal plates, or by brazing.

Selon un deuxième mode de réalisation, l’empilement est constitué de plaques métalliques embouties assemblées entre elles par brasage.According to a second embodiment, the stack consists of stamped metal plates assembled together by brazing.

L’invention concerne également un échangeur 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 tel que décrit précédemment.The invention also relates to a heat exchanger between a first and a second fluid for a nuclear reactor of the RNR-Na type, comprising a plurality of heat exchanger modules as described previously.

L’invention a aussi pour objet l’utilisation de l’échangeur de chaleur, le premier fluide, en tant que fluide primaire, étant un métal liquide, et le deuxième fluide, en tant que fluide secondaire étant un gaz ou un mélange de gazThe invention also relates to the use of the heat exchanger, the first fluid, as primary fluid, being a liquid metal, and the second fluid, as secondary fluid being a gas or a mixture of gases.

Le premier fluide peut être du sodium liquide et le deuxième fluide comprend principalement de l’azote, de préférence est constitué à 100% d’azote.The first fluid can be liquid sodium and the second fluid mainly comprises nitrogen, preferably consists of 100% nitrogen.

Le premier peut provenir d'un réacteur nucléaire.The first can come from a nuclear reactor.

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 ci-dessus.The invention finally relates to a nuclear installation comprising a fast neutron nuclear reactor cooled with liquid metal, in particular liquid sodium called RNR-Na or SFR and a heat exchanger described above.

Ainsi, l’invention consiste essentiellement à intégrer dans un module d’échangeur de chaleur un collecteur d’un des fluides qui circule dans le module lequel est assemblé par un empilement de plaques métalliques assemblées entre elles par soudage-diffusion, la paroi périphérique du collecteur étant parcouru également par l’autre des fluides.Thus, the invention essentially consists in integrating into a heat exchanger module a collector for one of the fluids which circulates in the module, which is assembled by a stack of metal plates assembled together by diffusion-welding, the peripheral wall of the manifold also being traversed by the other of the fluids.

De préférence, les plaques métalliques mises en œuvre pour l’empilement et l’assemblage mutuel sont en acier inoxydable austénitique 316, et encore plus préférentiellement du 316L, qui a pour avantages d’être compatible avec le sodium, de présenter un retour d'expérience favorable pour une utilisation dans le milieu nucléaire, ainsi que d’être intégré dans un code de dimensionnement pour matériel nucléaire (intégrant ses caractéristiques thermomécaniques selon les spécifications matières).Preferably, the metal plates used for stacking and mutual assembly are made of 316 austenitic stainless steel, and even more preferably 316L, which has the advantages of being compatible with sodium, of presenting a return of favorable experience for use in the nuclear environment, as well as being integrated into a dimensioning code for nuclear equipment (integrating its thermomechanical characteristics according to the material specifications).

Autrement dit, selon l’invention, on ménage une circulation d’un des fluides, typiquement le sodium, dans la paroi périphérique du collecteur de l’autre fluide, typiquement du gaz, par le biais de canaux dans l’épaisseur de la paroi.In other words, according to the invention, a circulation of one of the fluids, typically sodium, is provided in the peripheral wall of the collector of the other fluid, typically gas, through channels in the thickness of the wall. .

Ces canaux permettent de réchauffer ou de refroidir la paroi du collecteur, limitant ainsi l’écart entre la température moyenne du collecteur et le reste du module.These channels make it possible to heat or cool the wall of the collector, thus limiting the difference between the average temperature of the collector and the rest of the module.

La mise en œuvre de canaux dans l’épaisseur de la paroi du collecteur permet de conserver la tenue à la pression, car on peut prévoir suffisamment de matière et une rigidité suffisante.The implementation of channels in the thickness of the wall of the collector makes it possible to preserve the behavior with the pressure, because one can envisage sufficient material and a sufficient rigidity.

Le nombre de canaux dans l’épaisseur de la paroi permet à la fois de modifier la température moyenne du collecteur et donc de limiter l’écart de température avec le reste module, et également de limiter les gradients thermiques dans l’épaisseur de la paroi.The number of channels in the thickness of the wall makes it possible both to modify the average temperature of the collector and therefore to limit the temperature difference with the rest of the module, and also to limit the thermal gradients in the thickness of the wall. .

Le collecteur est directement intégré dans la géométrie des plaques empilées et assemblées entre elles pour la réalisation des modules d’échangeur et ne nécessite donc pas d’usinage supplémentaire, contrairement aux solutions selon l’état de l’art.The collector is directly integrated into the geometry of the stacked plates and assembled together for the production of the exchanger modules and therefore does not require additional machining, unlike the solutions according to the state of the art.

Le dimensionnement du collecteur, de sa paroi périphérique et du ou des canaux qui le traversent repose sur la limitation de la déformation progressive et la tenue à la pression et à la fatigue selon les règles de l’application visée.The dimensioning of the manifold, its peripheral wall and the channel(s) passing through it is based on the limitation of progressive deformation and resistance to pressure and fatigue according to the rules of the intended application.

L’invention s’applique à tout échangeur de chaleur à au moins deux circuits de fluide, notamment qui est soumis à une forte pression de fluide et/ou à de fortes variations de température.The invention applies to any heat exchanger with at least two fluid circuits, in particular which is subjected to high fluid pressure and/or to high temperature variations.

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.Other advantages and characteristics of the invention will emerge better on reading the detailed description of examples of implementation of the invention given by way of illustration and not limitation with reference to the following figures.

est une vue en perspective d’un module d’échangeur de chaleur liquide/ gaz, destiné à être mis en œuvre au sein d’un échangeur de chaleur sans enceinte gaz. is a perspective view of a liquid/gas heat exchanger module, intended to be implemented within a heat exchanger without a gas enclosure.

est une vue de coupe partielle et en perspective un collecteur de fluide assemblé sur un module d’échangeur tel que celui de la figure 1. is a partial sectional view in perspective of a fluid manifold assembled on an exchanger module such as that of Figure 1.

est une vue schématique en coupe partielle et en perspective d’un collecteur de fluide selon l’état de l’art en perspective des pièces d’une enveloppe externe d’un collecteur selon la demande de brevet FR1860347. is a schematic view in partial section and in perspective of a fluid collector according to the state of the art in perspective of the parts of an outer casing of a collector according to the patent application FR1860347.

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. is a graph comparing the evolution of temperatures within a sodium collector and a nitrogen collector according to the state of the art.

est une vue en coupe partielle et en perspective d’un collecteur de fluide selon la demande de brevet FR1860347. is a partial sectional and perspective view of a fluid collector according to patent application FR1860347.

est une vue en perspective d’un module d’échangeur de chaleur liquide/ gaz avec collecteurs selon l’invention. is a perspective view of a liquid/gas heat exchanger module with collectors according to the invention.

est une vue en perspective d’un échangeur de chaleur selon la figure 6 et en écorché au niveau d’un collecteur selon l’invention. is a perspective view of a heat exchanger according to FIG. 6 and cutaway at the level of a collector according to the invention.

est une vue de dessus d’une première plaque métallique rainurée de l’empilement formant l’échangeur avec collecteur intégré selon l’invention, les canaux de cette première plaque formant les canaux de circulation du liquide de l’échangeur. is a top view of a first grooved metal plate of the stack forming the exchanger with integrated collector according to the invention, the channels of this first plate forming the channels for circulation of the liquid of the exchanger.

est une vue est une vue de dessus d’une deuxième plaque métallique rainurée de l’empilement formant l’échangeur avec collecteur intégré selon l’invention, les canaux de cette deuxième plaque formant les canaux de circulation du gaz de l’échangeur. is a view is a top view of a second grooved metal plate of the stack forming the exchanger with integrated collector according to the invention, the channels of this second plate forming the channels for the circulation of the gas of the exchanger.

est une représentation d’une modélisation numérique montrant le champ de température, en fin de transitoire, au niveau d’une portion de plaque à collecteur intégré à titre de référence, dans la paroi duquel aucun fluide ne circule. is a representation of a numerical model showing the temperature field, at the end of the transient, at the level of a plate portion with an integrated collector as a reference, in the wall of which no fluid circulates.

est une courbe montrant l’évolution de la température en fin de transitoire, le long de la paroi du collecteur intégré selon la figure 10. is a curve showing the evolution of the temperature at the end of the transient, along the wall of the integrated collector according to figure 10.

est une courbe montrant l’évolution de la température minimale et maximale du modèle numérique au cours du transitoire. is a curve showing the evolution of the minimum and maximum temperature of the numerical model during the transient.

est une représentation montrant le chargement thermique imposé pour réaliser les simulations numériques selon la figure 10. is a representation showing the thermal loading imposed to carry out the numerical simulations according to figure 10.

est une représentation d’une modélisation numérique montrant les contraintes élastiques (Pa) en fin de transitoire au niveau d’une portion de plaque à collecteur intégré selon la figure 10. is a representation of a numerical model showing the elastic stresses (Pa) at the end of the transient at the level of a portion of plate with integrated collector according to figure 10.

est une représentation d’une modélisation numérique montrant le champ de température (°C), en fin de transitoire, au niveau d’une portion de plaque à collecteur intégré selon l’invention, dans la paroi duquel le fluide circule. is a representation of a numerical model showing the temperature field (°C), at the end of the transient, at the level of a portion of plate with integrated collector according to the invention, in the wall of which the fluid circulates.

est une courbe montrant l’évolution de la température minimale et maximale (°C) du modèle numérique au cours du transitoire, en paroi du collecteur intégré selon la figure 15. is a curve showing the evolution of the minimum and maximum temperature (°C) of the numerical model during the transient, in the wall of the integrated collector according to figure 15.

une représentation d’une modélisation numérique montrant les contraintes élastiques (Pa) en fin de transitoire au niveau d’une portion de plaque à collecteur intégré selon la figure 15. a representation of a numerical model showing the elastic stresses (Pa) at the end of the transient at the level of a portion of plate with integrated collector according to figure 15.

Description détailléedetailed description

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.Throughout this application, the terms "inlet", "outlet", "downstream" and "upstream" are to be understood with reference to the direction of circulation of one or the other of the two fluids through the heat exchanger according to the invention.

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 1 à 4, et pour un collecteur de fluide selon l’invention décrit en référence aux figures 5 à 9.For the sake of clarity, the same references designate the same elements both for a fluid manifold according to the state of the art already described with reference to FIGS. 1 to 4, and for a fluid manifold according to the invention described in reference to figures 5 to 9.

Les figures 1 à 5 ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont donc pas détaillées ci-après.Figures 1 to 5 have already been commented on in the preamble. They are therefore not detailed below.

Les inventeurs ont cherché à concevoir un collecteur de fluide qui présente les mêmes avantages que celui décrit à la figure 5, à savoir garantir 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, tout en supprimant ses inconvénients de temps d’assemblage avec le reste du module.The inventors sought to design a fluid manifold which has the same advantages as that described in FIG. 5, namely guaranteeing both good distribution of the fluid in the circulation channels of a heat exchanger module and the compliance with the constraints inherent in the strict operating conditions linked to the main intended application, while eliminating its disadvantages of assembly time with the rest of the module.

Ils ont ainsi pensé à réaliser un module 1 d’échangeur de chaleur comme montré en figure 6, et utilisé à titre d’exemple dans le cadre d’un échange sodium liquide(Na)/azote (N₂).They thus thought of making a heat exchanger module 1 as shown in FIG. 6, and used by way of example in the context of a liquid sodium (Na)/nitrogen (N ₂ ) exchange.

Comme visible, ce module 1 qui s’étend selon un axe central (X), intègre deux collecteurs 200 d’admission de l’azote sur les deux côtés latéraux en bas du module, ainsi que deux collecteurs 200 de sortie de l’azote sur les deux côtés latéraux en haut du module.As visible, this module 1 which extends along a central axis (X), incorporates two nitrogen inlet manifolds 200 on the two lateral sides at the bottom of the module, as well as two nitrogen outlet manifolds 200 on the two lateral sides at the top of the module.

Le module 1 comprend également un collecteur 100 d’admission du sodium selon l’axe X du module sur le dessus de ce dernier et un collecteur 100 de sortie du sodium également selon l’axe X du module mais sur le dessous.Module 1 also includes a sodium inlet manifold 100 along the module's X axis on top of the latter and a sodium outlet manifold 100 also along the module's X axis but on the bottom.

Ces deux collecteurs 100 sont rapportés comme usuellement sur le module 1.These two collectors 100 are reported as usual on module 1.

A part ces deux éléments 100 rapportés, le module 1 est constitué d’un empilement de plaques métalliques rainurées assemblées entre elles par soudage-diffusion de préférence selon une technique de CIC.Apart from these two added elements 100, module 1 consists of a stack of grooved metal plates assembled together by diffusion-welding, preferably using a CIC technique.

Plus précisément, l’empilement est un empilement alterné de plaques 60 comme montrée en figure 8, et de plaques 62 comme montrée en figure 9.More precisely, the stack is an alternating stack of plates 60 as shown in figure 8, and of plates 62 as shown in figure 9.

Comme visible sur ces figures, selon l’invention, une partie de la hauteur d’un collecteur d’azote 200 (admission ou sortie) est intégrée directement dans une des plaques 60, 62, ce qui évite ainsi une soudure comme pour le collecteur 100. La hauteur totale du collecteur est donc la somme de toutes les parties de collecteur empilées et assemblés.As visible in these figures, according to the invention, part of the height of a nitrogen manifold 200 (inlet or outlet) is integrated directly into one of the plates 60, 62, which thus avoids welding as for the manifold 100. The total height of the manifold is therefore the sum of all stacked and assembled manifold parts.

Plus précisément, une plaque 60 est usinée et comprend des rainures 600 qui vont délimiter avec une plaque 61 adjacente les canaux de circulation de sodium.More specifically, a plate 60 is machined and includes grooves 600 which will delimit with an adjacent plate 61 the sodium circulation channels.

Selon l’invention, au moins un de ces canaux 601 est dévié ou bifurqué dans l’épaisseur de la paroi périphérique 62 du collecteur.According to the invention, at least one of these channels 601 is deviated or bifurcated in the thickness of the peripheral wall 62 of the collector.

De préférence, comme montré en figure 8, le canal dévié/bifurqué 601 est lui-même divisé en deux canaux 602, 603 parallèles entre eux dans l’épaisseur de la paroi périphérique.Preferably, as shown in FIG. 8, the deviated/bifurcated channel 601 is itself divided into two channels 602, 603 parallel to each other in the thickness of the peripheral wall.

Une plaque 61 est également usinée et comprend des rainures 604 qui vont délimiter avec une plaque 60 adjacente les canaux de circulation d’azote de préférence à contre-courant de la circulation de sodium liquide. La paroi périphérique 63 du collecteur au niveau d’une telle plaque 61 est pleine et n’est donc pas traversée par une circulation de sodium.A plate 61 is also machined and includes grooves 604 which will delimit with an adjacent plate 60 the nitrogen circulation channels preferably countercurrent to the circulation of liquid sodium. The peripheral wall 63 of the collector at the level of such a plate 61 is solid and is therefore not crossed by a circulation of sodium.

Comme explicité par la suite, le canal 601 dévié, et les canaux 602 et 603 issus d’une division du canal 601, vont permettre de réchauffer ou refroidir le collecteur d’azote 200 puisque le sodium liquide va circuler à sa périphérie dans lesdits canaux.As explained below, the deviated channel 601, and the channels 602 and 603 resulting from a division of the channel 601, will make it possible to heat or cool the nitrogen collector 200 since the liquid sodium will circulate at its periphery in said channels. .

Comme montré, la géométrie des canaux 601, 602, 603 est avantageusement identique à celle des canaux 600 dans le module, afin de simplifier les études et la fabrication. Toutefois, la géométrie de ces canaux 601, 602, 603 peut être adaptée en fonction des contraintes thermo-hydrauliques (performances d’échange thermique, contraintes hydrauliques).As shown, the geometry of the channels 601, 602, 603 is advantageously identical to that of the channels 600 in the module, in order to simplify studies and manufacture. However, the geometry of these channels 601, 602, 603 can be adapted according to the thermo-hydraulic constraints (heat exchange performance, hydraulic constraints).

La figure 8 montre une déviation ou bifurcation des canaux 600 en amont du collecteur, pour des contraintes d’intégration du circuit dans le module. Cette déviation/bifurcation ne modifie la section des plaques du côté de l’azote et au niveau de la paroi intérieure du collecteur qui elle est pleine.Figure 8 shows a deviation or bifurcation of the channels 600 upstream of the collector, for circuit integration constraints in the module. This deviation/bifurcation does not modify the section of the plates on the nitrogen side and at the level of the inner wall of the collector, which is full.

Le nombre de canaux dans l’épaisseur et les épaisseurs de paroi périphériques les séparant sont à adapter en fonction des conditions requises pour la tenue à la pression et des contraintes thermiques maximales à respecter. Ainsi, le nombre de canaux permettra à la fois de limiter la dilatation différentielle du collecteur par rapport au module mais également de limiter les gradients thermiques dans l’épaisseur de la paroi (soit les deux sources de contraintes thermiques identifiées précédemment). Cette adaptabilité permet d’envisager toute valeur d’épaisseur de structure, y compris les fortes épaisseurs.The number of channels in the thickness and the peripheral wall thicknesses separating them are to be adapted according to the conditions required for the resistance to pressure and the maximum thermal constraints to be respected. Thus, the number of channels will make it possible both to limit the differential expansion of the collector relative to the module but also to limit the thermal gradients in the thickness of the wall (i.e. the two sources of thermal stresses identified previously). This adaptability makes it possible to consider any structural thickness value, including high thicknesses.

La rigidité est apportée par la densité de matière par rapport au volume de la paroi (soit par la géométrie des canaux et leur nombre, l’épaisseur totale de la paroi du collecteur et les épaisseurs de plaques).The rigidity is provided by the density of material in relation to the volume of the wall (either by the geometry of the channels and their number, the total thickness of the collector wall and the thicknesses of the plates).

Ainsi, la circulation du fluide dans la paroi permet de minimiser les gradients thermiques dans l’épaisseur et les dilatations différentielles du collecteur par rapport au module lors de régime de transitoire thermique.Thus, the circulation of the fluid in the wall makes it possible to minimize the thermal gradients in the thickness and the differential expansions of the collector compared to the module during thermal transient regime.

Les canaux déviés/bifurqués 601, 602, 603 présentent une résistance hydraulique associée supérieure à celle des canaux 600 du module avec des risques de déséquilibre hydraulique (sous-alimentation) et thermique. Des solutions peuvent être envisagées pour résoudre cet écart si ce dernier est problématique : par exemple, on peut envisager une modification de la géométrie des canaux déviés/bifurqués 601, 602, 603, un réglage de la perte de charge des autres canaux 600, une réduction de la longueur hydraulique par rapport aux autres canaux 600.The deviated/bifurcated channels 601, 602, 603 have an associated hydraulic resistance greater than that of the channels 600 of the module with risks of hydraulic (undersupply) and thermal imbalance. Solutions can be envisaged to resolve this discrepancy if the latter is problematic: for example, a modification of the geometry of the deviated/bifurcated channels 601, 602, 603, an adjustment of the pressure drop of the other channels 600, a reduction in hydraulic length compared to other 600 channels.

L’intégration du collecteur gaz 200 dans l’empilement alterné de plaques 60,61 ne modifie pas ses performances hydrauliques, c’est-à-dire la distribution et sa résistance hydraulique) du collecteur d’azote 200 puisqu’on peut conserver une section de passage comme dans les collecteurs rapportés selon l’état de l’art. De même, les performances d’échange du module d’échangeur ne sont pas modifiées car seule une faible fraction de débit de sodium est déviée/bifurquée et l’échange thermique a toujours lieu dans le collecteur 200.The integration of the gas collector 200 in the alternating stack of plates 60,61 does not modify its hydraulic performance, that is to say the distribution and its hydraulic resistance) of the nitrogen collector 200 since one can keep a passage section as in the collectors reported according to the state of the art. Likewise, the exchange performance of the exchanger module is not modified because only a small fraction of the sodium flow is deviated/bifurcated and the heat exchange still takes place in the collector 200.

En fonctionnement normal, l’échange thermique des canaux déviés/bifurqués 601, 602, 603 est différent de celui des autres canaux 600, 604 du module (surface d’échange différente, vitesse de circulation du gaz éventuellement plus faible). Etant donné que ces canaux 601, 601, 603 sont intégrés au module, ils peuvent entrainer un déséquilibre thermique mais qui peut tout-à-fait être compensé aisément par le réglage des conditions d’échange thermo-hydraulique dans les canaux.In normal operation, the heat exchange of the deviated/bifurcated channels 601, 602, 603 is different from that of the other channels 600, 604 of the module (different exchange surface, possibly lower gas circulation speed). Since these channels 601, 601, 603 are integrated into the module, they can cause a thermal imbalance but which can be easily compensated for by adjusting the thermal-hydraulic exchange conditions in the channels.

En ce qui concerne le dimensionnement, la paroi périphérique 61, 63 du collecteur 200 doit tout d’abord être dimensionnée sous chargement constant. Il s’agit de dimensionner le collecteur à la pression nominale de fonctionnement (épaisseur minimale nécessaire). Une fois la géométrie validée sous chargement constant, la seconde étape consiste à valider la tenue aux chargements thermiques identifiés précédemment selon les règles de l’art pour le dimensionnement des composants du réacteur.With regard to dimensioning, the peripheral wall 61, 63 of the collector 200 must first be dimensioned under constant loading. This involves sizing the collector at the nominal operating pressure (minimum thickness required). Once the geometry has been validated under constant loading, the second step consists in validating the resistance to the thermal loads previously identified according to the rules of the art for the dimensioning of the reactor components.

Afin de minimiser l’épaisseur vis-à-vis de la tenue en pression tout en tenant compte des contraintes d’intégration sur le module et des contraintes hydrauliques, une section de passage en demi-cylindre, comme montré sur les figures 8 et 9 est préférée. Le diamètre est pris à la plus faible valeur possible de sorte qu’elle soit approximativement celle donnée par les canaux 604 débouchant du module dans le collecteur.In order to minimize the thickness vis-à-vis the pressure resistance while taking into account the integration constraints on the module and the hydraulic constraints, a half-cylinder passage section, as shown in Figures 8 and 9 is preferred. The diameter is taken at the lowest possible value so that it is approximately that given by the channels 604 emerging from the module into the collector.

Avec cette géométrie, une épaisseur de paroi périphérique 61, 63 est déterminée.With this geometry, a peripheral wall thickness 61, 63 is determined.

A partir de cette dimension, le calcul du champ de température au niveau d’une portion de plaque 60’, en fin de transitoire montre que la température du collecteur d’azote 200 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 l’intervalle de temps du transitoire, en raison de son inertie thermique et de sa géométrie. Cela est montré en figures 10, 11 et 12.From this dimension, the calculation of the temperature field at the level of a portion of plate 60', at the end of the transient shows that the temperature of the nitrogen collector 200 at the outlet of the exchanger module, which is not in contact with sodium, does not have time to evolve significantly in the time interval of the transient, due to its thermal inertia and its geometry. This is shown in figures 10, 11 and 12.

On précise que le calcul associé aux figures 10, 11 et 12 est un calcul de thermique transitoire simplifié où initialement seule une portion d’une plaque 60’ est modélisée, cette portion correspondant à la zone relativement froide du module (collecteurs en sortie de sodium et en entrée de gaz). Le collecteur de sodium 100 n’a quant à lui pas été modélisé.It is specified that the calculation associated with figures 10, 11 and 12 is a simplified transient thermal calculation where initially only a portion of a plate 60' is modeled, this portion corresponding to the relatively cold zone of the module (collectors at the sodium outlet and gas inlet). The sodium collector 100 was not modeled.

Le chargement thermique correspond à une rampe de température de 1,9°C/s entre 345°C et 530°C (voir simulation en figure 13). Cette rampe montrée en figure 12 est appliquée de manière uniforme sur la portion de la plaque 60’ correspondant au module. Cette simplification est justifiée à la fois par un coefficient d’échange par convection au niveau des canaux de sodium 600 très largement supérieur à celui des canaux de gaz 604 et par des structures relativement fines au niveau du module donc d’inertie thermique faible. Ceci conduit à une température de structure du module pilotée par le sodium liquide.The thermal loading corresponds to a temperature ramp of 1.9°C/s between 345°C and 530°C (see simulation in figure 13). This ramp shown in Figure 12 is applied uniformly to the portion of plate 60' corresponding to the module. This simplification is justified both by an exchange coefficient by convection at the level of the sodium channels 600 which is very much higher than that of the gas channels 604 and by the relatively fine structures at the level of the module, therefore of low thermal inertia. This leads to a module structure temperature controlled by the liquid sodium.

A contrario, le débit d’azote étant très faible, on peut simplifier le chargement thermique au niveau du collecteur d’azote 200 en considérant l’hypothèse que les parois intérieure et périphérique 61, 63 de ce dernier sont adiabatiques. Ces simplifications conduisent également à ne pas modéliser explicitement les canaux de circulation de l’azote 604 et ceux 600 du sodium, car ils n’ont pas d’impact sur le champ de température.Conversely, the nitrogen flow being very low, the thermal loading at the level of the nitrogen collector 200 can be simplified by considering the hypothesis that the inner and peripheral walls 61, 63 of the latter are adiabatic. These simplifications also lead to not explicitly modeling the circulation channels of nitrogen 604 and those of sodium 600, because they have no impact on the temperature field.

Ainsi, l’écart de température entre le collecteur de gaz 200 et le reste de module d’échangeur entraîne des dilatations différentielles, et donc des contraintes structurelles indésirables.Thus, the temperature difference between the gas collector 200 and the rest of the exchanger module causes differential expansions, and therefore undesirable structural stresses.

Un calcul mécanique permet de corroborer cela. Ce calcul de type linéaire élastique est réalisé à partir du champ de température seul, c’est-à-dire sans prise en compte de la pression et sur la même géométrie de portion de plaque 60’ (contraintes dues aux dilatations différentielles seules). Les conditions aux limites prennent en compte des symétries au niveau de la plaque 60’ et un empilement infini de plaques.A mechanical calculation confirms this. This computation of the elastic linear type is carried out starting from the field of temperature only, i.e. without taking into account the pressure and on the same geometry of portion of plate 60' (stresses due to the differential expansions only). The boundary conditions take into account symmetries at the level of the 60' plate and an infinite stacking of plates.

La figure 14 donne les contraintes élastiques de la portion de plaque 60’ en fin de transitoire. Ces contraintes sont importantes dans la paroi périphérique 63 du collecteur, avec une flexion induite de cette paroi par la dilatation supérieure du reste du module par rapport à de cette dernière.Figure 14 gives the elastic stresses of the plate portion 60' at the end of the transient. These stresses are significant in the peripheral wall 63 of the manifold, with induced bending of this wall by the greater expansion of the rest of the module with respect to the latter.

Les calculs expliqués ci-avant sont repris pour une portion de plaque 60 intégrant deux canaux 602, 603 dans la paroi périphérique 61 du collecteur 200. Ici encore, la géométrie est simplifiée : les canaux 600 du module ne sont pas représentés explicitement pour les mêmes raisons, seuls les deux canaux 602, 603 de la paroi périphérique 61 du collecteur sont modélisés.The calculations explained above are repeated for a plate portion 60 integrating two channels 602, 603 in the peripheral wall 61 of the collector 200. Here again, the geometry is simplified: the channels 600 of the module are not represented explicitly for the same reasons, only the two channels 602, 603 of the peripheral wall 61 of the manifold are modeled.

Au niveau de ces canaux 602, 603, compte tenu du coefficient d’échange très élevé entre le sodium et la paroi périphérique 61, la température de la paroi est imposée à celle du sodium. Ainsi, une rampe de température de 345°C à 530°C à 1,9°C/s est imposée en paroi 61 des canaux 602, 603, comme pour le reste du module. Les parois intérieures et périphériques du collecteur restent adiabatiques.At the level of these channels 602, 603, given the very high exchange coefficient between the sodium and the peripheral wall 61, the temperature of the wall is imposed on that of the sodium. Thus, a temperature ramp from 345° C. to 530° C. at 1.9° C./s is imposed on the wall 61 of the channels 602, 603, as for the rest of the module. The interior and peripheral walls of the collector remain adiabatic.

Les résultats du calcul sont donnés sur les figures 15 à 17 et ils montrent un écart nettement réduit entre la paroi périphérique 61 du collecteur et le reste du le moduleThe results of the calculation are given in Figures 15 to 17 and they show a markedly reduced gap between the peripheral wall 61 of the collector and the rest of the module.

Le graphique de la figure 16 montre un écart de l’ordre de 59°C entre la température maximale, ce qui correspond à la température imposée soit celle au niveau de la paroi périphérique 61 des canaux 602, 603 et du reste du module, et la température minimale qui est le résultat de l’inertie thermique de la structure. Cet écart se stabilise en fin de transitoire. Cet écart est observé au niveau de la paroi périphérique 61 du collecteur entre la température minimale et les canaux 602, 603, il correspond donc au gradient dans la paroi.The graph in FIG. 16 shows a difference of the order of 59° C. between the maximum temperature, which corresponds to the imposed temperature, i.e. that at the level of the peripheral wall 61 of the channels 602, 603 and of the rest of the module, and the minimum temperature which is the result of the thermal inertia of the structure. This difference stabilizes at the end of the transient. This difference is observed at the level of the peripheral wall 61 of the collector between the minimum temperature and the channels 602, 603, it therefore corresponds to the gradient in the wall.

On rappelle que cet écart n’était pas stabilisé en fin de transitoire dans la configuration initiale avec la portion de plaque 60’.It is recalled that this difference was not stabilized at the end of the transient in the initial configuration with the 60' plate portion.

L’écart de température entre le reste du module et la paroi périphérique 61 du collecteur peut être obtenu en comparant la température du reste du module et la température moyenne d’une section de la paroi 61. Cet écart est alors de 37°C. A titre de comparaison, il était de 185°C dans le cas de la configuration initiale (portion de plaque 60’).The temperature difference between the rest of the module and the peripheral wall 61 of the collector can be obtained by comparing the temperature of the rest of the module and the average temperature of a section of the wall 61. This difference is then 37°C. For comparison, it was 185°C in the case of the initial configuration (60' plate portion).

Un calcul de mécanique en modèle linéaire élastique est réalisé à partir du champ de température précédent. Les résultats sont donnés dans la figure 17. Ils peuvent être comparés à ceux obtenus à partir du modèle sans canaux dans la paroi du collecteur (portion de plaque 60’).A computation of mechanics in elastic linear model is carried out starting from the preceding field of temperature. The results are given in figure 17. They can be compared with those obtained from the model without channels in the collector wall (60' plate portion).

Le niveau maximal de contrainte élastique (contrainte thermique) passe de 922 MPa à 447 MPa, avec un champ de température correspondant à celui atteint en fin de transitoire. Cette diminution met en évidence l’impact de la solution selon l’invention à savoir la bifurcation de canaux 602, 603 dans l’épaisseur de la paroi périphérique 61, 63 du collecteur d’azote 200. Les contraintes dans cette paroi peuvent également être réduites en augmentant le nombre de canaux.The maximum level of elastic stress (thermal stress) passes from 922 MPa to 447 MPa, with a field of temperature corresponding to that reached at the end of transient. This decrease highlights the impact of the solution according to the invention, namely the bifurcation of channels 602, 603 in the thickness of the peripheral wall 61, 63 of the nitrogen collector 200. The stresses in this wall can also be reduced by increasing the number of channels.

Dans les calculs précédents, les canaux 602, 603 sont positionnés de manière à optimiser globalement les gradients dans l’épaisseur de la paroi 61, avec une distance entre les canaux 602, 603 parallèles qui est égale à deux fois celle du bord de la paroi 61 au canal le plus proche.In the previous calculations, the channels 602, 603 are positioned so as to globally optimize the gradients in the thickness of the wall 61, with a distance between the parallel channels 602, 603 which is equal to twice that of the edge of the wall. 61 to the nearest channel.

D’autres variantes et améliorations peuvent être apportées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.Other variants and improvements can be made without departing from the scope of the invention.

Claims

Heat exchanger module (1) with at least two fluid circuits, in particular nuclear reactor heat exchanger, comprising a stack of metal plates (60, 61) assembled together by defining the channels (600) of a first fluid circuit (Na), the peripheral wall (61, 63) of the stack delimiting the interior volume of a manifold of a second fluid circuit (N ₂ ), at least one channel (601) delimited by each plate channel of the first fluid circuit being deviated with respect to the other channels, being made partly in the peripheral wall of the stack so that the fluid of the first circuit is intended to constitute a heating or cooling fluid for the collector at the periphery of it.

Heat exchanger module according to claim 1, the volume of the collector being a half-cylinder.

Heat exchanger module according to claim 1 or 2, the deviated channel (601) being itself divided into at least two channels (602, 603) in the peripheral wall.

Heat exchanger module according to one of Claims 1 to 3, the collector being arranged on a lateral side of the plate stack.

Heat exchanger module according to one of Claims 1 to 4, the stack consisting of grooved metal plates assembled together either by hot isostatic pressing (CIC), or by hot uniaxial pressing (CUC) so as to obtain diffusion welding between the metal plates, or by brazing.

Heat exchanger module according to one of Claims 1 to 4, the stack consisting of stamped metal plates assembled together by brazing.

Heat exchanger between a first and a second fluid for an SFR-type nuclear reactor, comprising a plurality of heat exchanger modules (1) according to one of Claims 1 to 6.

Use of a heat exchanger according to the preceding claim, the first fluid, as primary fluid, being a liquid metal, and the second fluid, as secondary fluid being a gas or a mixture of gases.

Use according to claim 8, the first fluid being liquid sodium and the second fluid comprising mainly nitrogen.

Use according to claim 8 or 9, the first fluid coming from a nuclear reactor.

Nuclear installation comprising a fast neutron nuclear reactor cooled with liquid metal, in particular liquid sodium called RNR-Na or SFR and a heat exchanger according to claim 10.