WO2007104843A1 - Ensemble d'echange de chaleur entre un premier et un second fluides - Google Patents

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WO2007104843A1
WO2007104843A1 PCT/FR2007/000329 FR2007000329W WO2007104843A1 WO 2007104843 A1 WO2007104843 A1 WO 2007104843A1 FR 2007000329 W FR2007000329 W FR 2007000329W WO 2007104843 A1 WO2007104843 A1 WO 2007104843A1
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primary
module
fluid
assembly
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PCT/FR2007/000329
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Gilles Francois
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Areva Np
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    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention generally relates to heat exchangers, particularly for high temperature (HTR) or very high temperature (VHTR) nuclear reactors. More specifically, the invention relates to a heat exchange assembly between a first and a second fluid, of the type comprising:
  • At least one collector for collecting and discharging the primary fluid leaving the modules; and at least one collector for collecting and evacuating the secondary fluid leaving the modules.
  • Document JP-2004-144422 discloses a heat exchange assembly of the above-mentioned type, in which the secondary supply and discharge manifolds are respectively disposed at the periphery and at the center of the tank and in which the collectors primary supply and discharge are arranged between the modules.
  • the invention aims to provide a heat exchange assembly in which the thermomechanical stresses are lower.
  • the invention relates to a heat exchange assembly of the aforementioned type, characterized in that at least some of said collectors and / or parts of said collectors extend between the modules arranged successively around the axis. central, said collectors or collector portions flanking the same module being arranged substantially symmetrically with respect to the median plane located between the two lateral faces of said module so that said collectors or collector parts create thermal stresses in the lateral faces of the module; substantially identical.
  • the set may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically feasible combination:
  • the assembly comprises a single secondary evacuation manifold extending along the central axis of the outer enclosure, the primary supply manifold (s) being arranged around the secondary evacuation manifold, towards the inside the outer enclosure with respect to the secondary supply and primary discharge manifolds;
  • the primary supply and secondary discharge manifolds serving the same module communicate with an end portion of said module facing the inside of the outer enclosure, and the secondary supply and primary discharge manifolds serving said module communicate with an end portion of said module facing outwardly of the outer enclosure;
  • the modules each comprise a stack of plates between which the primary and secondary fluids alternately circulate;
  • each module comprises several submodules that are distinct from each other, each module being served by at least one secondary supply manifold comprising pipe sections contiguous to the submodules, and bellows connecting the pipe sections to each other ; each submodule communicates with the secondary discharge manifold by a tap, the pipe sections of the secondary supply manifold and the tap having a hydraulic diameter of less than 500 millimeters;
  • the central axis of the outer enclosure is vertical, the assembly comprising a support ferrule of the modules suspended from the outer enclosure, the supporting ferrule and the modules being free to expand thermally downwards with respect to the outside enclosure;
  • the modules each comprise a continuous stack of heat exchange cells between the primary and secondary fluids, capable of deforming with respect to each other;
  • the assembly comprises, between each pair of modules successively arranged around the central axis, a secondary distribution manifold delimited at least partially by panels rigidly fixed on the lateral faces of the modules;
  • the secondary discharge collector is delimited at least partially by the inner end portions of the heat exchange modules;
  • the first and second fluids are gases, the first gas being intended to enter the outer enclosure at a temperature greater than 700 ° C., and the second gas being intended to exit the outer enclosure at a temperature greater than 700 ° C. 0 C;
  • the first fluid mainly comprises helium
  • the second fluid mainly comprising helium and / or nitrogen
  • the first and second fluids are the primary and secondary fluids of a nuclear reactor at high temperature or at very high temperature.
  • FIG. 1 is an axial sectional view of a heat exchange assembly according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 3A is an elevational view of two heat exchange modules of FIG. 1 and two secondary supply manifolds serving these modules;
  • Figure 3B is a view similar to Figure 3A for an alternative embodiment of the secondary supply collectors
  • FIG. 4 is an axial sectional view of a heat exchange assembly according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a sectional view in a plane perpendicular to the central axis of the assembly of Figure 4, considered according to the incidence of arrows V of Figure 4;
  • FIG. 6 is a perspective view of plates of the type forming those of the heat exchange modules of the assembly of FIG. 1;
  • FIG. 7 is a perspective view of a heat exchange submodule of the assembly of FIG. 1, formed from the plates of FIG. 6;
  • FIG. 8 is a perspective view of the submodule of FIG. 7, mounted on its supporting ferrule, and on which the connection connection on the secondary discharge manifold has been reported, and of the manifold piping sections. secondary feeding;
  • FIG. 9 is a sectional view of a heat exchange module of the assembly of FIG. 4.
  • the assembly 1 shown in FIGS. 1 and 2 is intended to be used in a high temperature or very high temperature nuclear reactor (HTR / VHTR), to achieve a heat exchange between a first fluid and a second fluid.
  • the first fluid is the primary fluid of the nuclear reactor, and circulates in a closed loop therein. It crosses the heart of the nuclear reactor (not shown), then crosses the assembly 1 and finally returns to the entrance of the heart.
  • the primary fluid is heated in the reactor core, and leaves it for example at a temperature of about 850 ° C. It gives up some of its heat to the secondary fluid in the assembly 1, and leaves the for example at a temperature of about 400 ° C.
  • the primary fluid is typically technically pure helium gas.
  • the second fluid is the secondary fluid of the nuclear reactor, and circulates in a closed loop therein. It passes through the assembly 1, then passes into a gas turbine drive of an electric generator and returns to the input of the assembly 1.
  • the secondary fluid enters the assembly 1 for example at a temperature of 35O About 0 C and leaves for example at 800 0 C.
  • the secondary fluid is a gas comprising mainly helium and nitrogen.
  • the assembly 1 comprises: an outer enclosure 2 having a substantially vertical central axis X, provided with an inlet 4 and a primary fluid outlet 6, four inlets 8 and four secondary fluid outlets 10;
  • collectors 16 for supplying the modules 12 with secondary fluid
  • annular collector 18 for collecting and discharging the primary fluid leaving the modules 12
  • central collector 20 for collecting and evacuating the secondary fluid leaving the modules 12;
  • the chamber 2 comprises a tank 30 inside which are disposed the exchangers 12 and the collectors 14, 16, 18, 20, presenting upwardly an opening 32, and a removable cover 34 for sealing the opening 32 of the tank 30.
  • the inputs 8 of the secondary fluid are formed at the top of the tank 30 and are evenly distributed on the same circumference thereof.
  • the outputs of the secondary fluid 10 are formed at the top of the tank 30, slightly below the inputs 8, and are evenly distributed on the same circumference of this tank.
  • the tank 30 comprises in the lower part a single stitching through which are made the inlet 4 and the outlet 6 of the primary fluid.
  • the input 4 and the output 6 are coaxial, as shown in FIG. 2, the output 6 surrounding the input 4.
  • the tank 30 is closed downwards by a domed bottom which has a central, round opening, centered on the axis X, in which the fan 28 is fixed.
  • the eight modules 12 are arranged in a circle around the axis X, and regularly distributed around it.
  • the exchangers 12 are plate-type heat exchangers of rigid structure.
  • Each rigid module 12 comprises three sub-modules 36, identical to each other.
  • the heat exchange modules are, for example, of the type PMHE (Plate Machined Heat Exchanger), in which case the submodules 36 are formed as shown in FIGS. 6 and 7.
  • Each sub-module 36 is formed from all identical plates 38, superimposed, and arranged alternately in the opposite direction, as shown in FIG. 6.
  • Each plate 38 carries on an upper face 39 a plurality of grooves 40 etched, mutually parallel, extending in a longitudinal direction. These grooves 40 open at a first end on a transverse edge 42 of the plate. They open at opposite ends of the edge 42 in a transverse groove 44 of large width extending through the entire plate. This groove 44 is closed along the transverse edge 46 opposite the edge 42, and is open at its two opposite transverse ends.
  • the plates 38 of the same sub-module are superimposed, the upper faces 39 facing upwards, so that the transverse grooves 44 are alternately arranged at the two opposite longitudinal ends of the submodule 36. They are welded or brazed. with each other.
  • the first and second fluids flow in the grooves 40 and 44 of the plates 38, alternately in a plate on two of the stack.
  • the first fluid (solid arrows) enters the submodule 36 through the two open ends of the channels 44 located at a first longitudinal end of the submodule 36. It enters the submodule 36 by the two opposite side faces 47 of this submodule. It then travels the channels 40, and leaves the submodule 36 by the transverse face 48 located at a longitudinal end of the sub-module 36 opposite the first.
  • the secondary fluid (arrows recessed in FIG. 7) enters the submodule 36 through the open ends of the channels 44 situated at the second longitudinal end of the submodule 36, and leaves via the transverse face 50 located at the first longitudinal end. .
  • the primary and secondary fluids flow counter-current to each other within the submodule 36.
  • the heat exchange module 12 may be of the PFHE (Plate Fin Heat Exchange) type.
  • the longitudinal channels 40 are not etched in the upper face 39 of the plate 38, but are constituted by welding on said upper face mutually parallel fins defining between them the channels 40.
  • the three submodules 36 of the same heat exchange module 12 are superposed axially at a distance from one another. In order to facilitate the maintenance of the heat exchange modules 12, they are gathered in a support basket 52 extractable from the tank 30 axially through the opening 32.
  • the basket 52 comprises an upper cylindrical shell 54 coaxial with the central axis X and internally defining the inlet chamber of the secondary fluid 22, a lower cylindrical shell 56 also coaxial with the central axis X, and a plate 58 for separating the ferrules 54 and 56 substantially perpendicular to the central axis X.
  • the basket 52 is suspended through the plate 58 at a shoulder 59 formed inside the tank 30.
  • the outlet chamber 24 of the secondary fluid is located inside the chamber 22.
  • the basket 52 also comprises a ferrule 60 for supporting the heat exchange modules 12, and an inner ferrule 62 defining the secondary fluid evacuation collector 20.
  • the cylindrical shell 60 is suspended under the partition plate 58, and is coaxial with the central axis X.
  • the submodules 36 are fixed by any suitable means in windows 64 cut in the ferrule 60 (see also Figure 8).
  • the transverse face 48 of the secondary fluid outlet and the inlet fluid inlet channels 44 are located radially inside the shell 60.
  • the transverse face 50 of the primary fluid outlet and the inlet channels 44 of the secondary fluid are located radially outside the ferrule 60.
  • annular space delimited between the lower ferrule 56 and the support ferrule 60 is closed upwards by the separator plate 58 and downwards by an axially compressible annular metal bellows system 66.
  • the inner ferrule 62 is closed downwards by a convex bottom 68. Upwards, it passes through the plate 58 and opens into the outlet chamber 24 of the secondary fluid.
  • the annular space extending between the support ferrule 60 and the inner ferrule 62 forms the primary supply manifold 14. It is closed upwardly by an annular plate 70 extending at a distance below the separator plate 58. It communicates, in the lower part, by a removable sealing connection 72 with an intermediate collector section 74 coaxial with the central axis X, radially communicating itself with the primary fluid inlet 4.
  • the coupling 72 allows the ferrule 60 to decouple from the manifold section 74 when the basket 52 is removed from the tank 30.
  • the lower ferrule 56 carries openings 76 for circulating the primary fluid at a short distance below the plate 58.
  • the orifices 76 place in communication the annular space 78 located between the ferrules 56 and 60, on the one hand, with the annular space 80 delimited between the shell 56 and the outer shell 2, on the other hand.
  • These two annular spaces together form the primary exhaust manifold 18.
  • the annular space 80 is closed upwardly sealed by the connection between the plate 58 and the outer casing 2.
  • the annular space 80 is open towards the bottom.
  • the lower internals 26 are arranged to form a passageway for the primary fluid from the bottom of the annular space 80 to the inlet of the circulator 28 and the output of the circulator 28 to the fluid outlet Primary 6 ( Figure 1).
  • the assembly 1 comprises sixteen secondary supply manifolds 16, disposed in the annular space 78 between the ferrules 56 and 60, extending parallel to the central axis X.
  • each module of FIG. heat exchange 12 is served by two secondary supply manifolds 16, each manifold 16 feeding the three submodules 36 superimposed module 12.
  • the two collectors 16 serving the same module 12 extend along the two side faces oppo 47 of the submodules 36.
  • each manifold 16 comprises three rigid pipe sections 82, each attached and rigidly attached to a side face 47 of a submodule 36, interconnected by bellows 84 axially compressible.
  • the pipe sections 82 are contiguous to areas of the two opposite transverse faces 47 of the same submodule and communicate with the ends of the transverse channels 44 of the secondary fluid inlet.
  • the two secondary distribution manifolds 16 arranged between two consecutive heat exchange modules 12 comprise, in the upper portion, brackets 86 which meet and communicate via a section 88 passing through the separating plate 58 with the secondary supply chamber 22.
  • the brackets 86 are connected to the pipe sections 82 each higher by another bellows 84 axially compressible.
  • the collectors 16 are all closed at their lower end.
  • the upper bellows 84 may be adapted or doubled to absorb the displacements due to the radial thermal expansion.
  • the sticks 86 can be removed.
  • the upper bellows are equipped with tubes 89 connecting the secondary supply manifold 22 through the plate 58 ( Figure 3B).
  • Each submodule 36 comprises a box 90 completely covering the transverse side 50 of the secondary fluid outlet, the box 90 being stitched on the secondary discharge manifold 20 via a small diameter pipe 92.
  • the hot parts of the assembly that is to say the parts in which the primary fluid circulates before it passes through the heat exchange modules 12 and the secondary fluid leaving the heat exchange modules 12, are insulated in cold parts of the assembly 1 by a heat insulating layer 94. As clearly shown in FIG. 1, these parts are located in the center of the assembly 1, along the central axis X of the casing 2.
  • the heat insulation 94 is disposed around the primary fluid inlet 4, the intermediate manifold section 74, the support ferrule 60, the annular plate 70, the outlet chamber 24, and the portion of the secondary discharge manifold 20 extending between the annular plate 70 and the chamber 24.
  • the primary fluid (arrows in broken lines of Figure 1) enters the assembly 1 through the inlet 4, through the intermediate collector section 74 and back axially along the primary distribution manifold 14, around the secondary discharge manifold 20.
  • the collectors or parts of collectors flanking the same module are arranged substantially symmetrically with respect to the median plane P of the two lateral faces of the module, so that the thermal stresses created in the lateral faces of the module are substantially identical.
  • the thermal expansions of the two lateral faces of the module are therefore similar.
  • the heat exchange modules therefore do not undergo warping in the circumferential direction. They remain on the contrary substantially symmetrical with respect to the median plane of their lateral faces. As a result, the thermomechanical stresses in the support ferrule of the heat exchange modules are reduced.
  • the two lateral faces of the module are parallel and the median plane P is the plane parallel to the lateral faces, equidistant from these two faces, and passing through the central axis X of the enclosure. More generally, the median plane P is the plane extending centrally between the two lateral faces of the module.
  • the support ferrule 60 is suspended from the plate 58, and is free to expand thermally downwards. This freedom is conferred on it in particular by the fact that the annular space 78 separating the supporting ferrule 60 from the lower ferrule 56 is closed downwards by a bellows 66 that can deform axially.
  • the submodules 36 are capable of axially debating because bellows 84 are interposed between the different submodules 36 along the secondary supply manifolds and the submodules 36 are connected to the secondary exhaust manifolds by reduced section branching 92.
  • Assembling the secondary exhaust manifold and the primary supply manifold in the center of the outer shell is favorable to maintain the walls of the outer shell 2 at a moderate temperature. Indeed, these two collectors channel gases that are more than 700 0 C, typically more than 800 ° C.
  • connections 92 also have a hydraulic diameter of less than 500 mm, for the same reason.
  • FIGS. 4 and 5 A second embodiment of the invention is shown in FIGS. 4 and 5.
  • the heat exchange modules are plate heat exchangers of the type described in US Pat. No. 5,983,992 and illustrated in FIG. 9.
  • This exchanger comprises a plurality of heat exchange cells C. stacked on top of each other.
  • Each cell C comprises an upper plate A in a first end of which a fluid inlet E is cut and in an opposite end of which a fluid outlet S is cut.
  • the cell C also comprises a lower plate B, disposed substantially parallel to the upper plate A and in which inputs and outputs E and S are cut, the inputs of the upper and lower plates being aligned, as well as the outputs.
  • the plates A and B are welded by their peripheral edges.
  • the inputs and outputs E and S of the upper plate A are surrounded by an edge projecting from the inside of the cell C, that is to say projecting from a side opposite to the plate B.
  • the inputs and outputs E and S of the lower plate B protrude outwardly of the cell, that is to say on a side opposite to the upper plate A.
  • a corrugated metal sheet F is arranged between the plates A and B and soldered to these plates. It forms a network of fins inside the cell C.
  • a second corrugated metal sheet F of the same type is also welded on the face of the plate A turned towards the outside of the cell C.
  • a third corrugated metal sheet F is welded on the face of the plate B turned towards the outside of the cell C.
  • the cells C are stacked one on top of the other, and linked to each other by the projecting edges of their respective inlets and outlets.
  • the cells are arranged so that the inputs and outputs of all C cells are aligned.
  • the first fluid enters the cells C through the inputs E, circulates in the channels delimited by the corrugated sheets F disposed inside each cell, and leaves the outputs S.
  • the second fluid circulates in the space delimited between the C.
  • the heat exchange modules constituted in this way have the characteristic that each cell is able to play with respect to adjacent cells and to deform, for example by compression, flexion or extension.
  • FIGS. 4 and 5 show a heat exchange assembly whose modules are flexible plate heat exchangers of the type shown in FIG. 9. Only the differences between this assembly, in accordance with the second embodiment of the invention, and and all of Figures 1 to 3A / 3B, according to the first embodiment of the invention, will be described below.
  • the heat exchange modules 12 are not divided into several submodules 36, but instead are monoblock and are formed by a continuous stack of cells in which the first and second fluids circulate.
  • the heat exchange modules 12 each have a parallelepipedal shape.
  • the inlet of the primary and secondary fluids in the module 12 is respectively by radially inner and outer zones of the lateral faces 47 of the module.
  • the assembly 1 does not include, as in the first embodiment, a single supply manifold modules 12 in primary fluid, annular, surrounding the secondary discharge collector, but instead eight collectors d primary power supply 14, extending axially between the modules 12, and opening into a distribution chamber 95 located under the modules 12.
  • the chamber 95 communicates with the intermediate collector section 74.
  • Each collector 14 serves the two modules. heat exchange 12 that frame it.
  • Each module is delimited radially inwardly by a transverse surface 50 of output of the secondary fluid, radially outwardly by a transverse face 48 of the output of the primary fluid, and laterally by faces 47 facing the neighboring modules.
  • the support structure 96 of the modules 12 comprises, between each pair of modules 12 arranged successively around the central axis X, two panels in sectors of cylinder 98 and 100 coaxial with the central axis and extending over the entire axial height of the modules 12. These panels are welded to the side walls 47 vis-à-vis the two modules 12 which frame.
  • the panels 100 extend substantially radially at the outer transverse faces 48 of the modules 12 through which the primary fluid.
  • the panels 98 are interposed radially between the panels 100 and the primary supply manifolds 14.
  • the assembly formed by the modules 12 and the panels 98 and 100 is suspended from the separation plate 58 by a cylindrical shell 102.
  • the assembly 1 comprises eight secondary supply collectors 16, arranged between the modules 12, and delimited by the panels 98 and 100 and by the lateral faces 47 of the modules 12. Each collector 16 serves the modules 12 which frame it.
  • the secondary fluid is distributed in the supply manifolds 16 from a chamber 106 formed by the interior space of the ferrule 102.
  • Each primary supply manifold 14 has, in a plane perpendicular to the central axis X of the outer enclosure 2, a substantially oval section.
  • Each collector 14 is delimited by two concave panels 108 and 110, of concavity facing each other, extending over the entire axial height of the modules 12.
  • the panels 108 and 110 are welded to the lateral faces 47 of the modules which surround them.
  • the panel 110 extends substantially at the inner transverse faces 50 of the modules 12.
  • a thermal insulation 94 fills the space separating the concave panel 108 from the ring sector panel 98.
  • the secondary evacuation collector 20 extends along the central axis of the assembly 1. It is delimited circumferentially alternately by the inner transverse faces 50 of the modules. 12 and the concave panels 110. The hot secondary gas therefore leaves directly from the module 12 in the secondary discharge collector 20.
  • the secondary collector 20 is delimited downwards by a curved bottom 68 which separates it from the primary distribution chamber 95. It is extended axially upwards by a large diameter evacuation pipe 112 which passes through the secondary distribution chamber 106 and the separating plate 58.
  • the inlet 114 and the outlet 116 of the secondary fluid are made in a central cylindrical shell 118 carried by the cover 34 of the heat exchange assembly.
  • This ferrule 118 extends along the central axis X of the assembly 1.
  • the inlet 114 is stitched radially on the ferrule 118.
  • the secondary outlet 116 is bent, and comprises an axial pipe portion 120 extending into the extension of the ferrule 118, and a portion 122 extending radially relative to the axial portion 120.
  • the secondary discharge pipe 112 connects the axial portion 120 to the secondary discharge manifold 20.
  • the secondary distribution chamber 106 communicates via not shown orifices formed in the separation plate 58 with the interior space of the lid 34, which itself communicates with the inlet 114 of secondary fluid.
  • the circulation of the primary and secondary fluids in the assembly 1 will now be described, with reference to FIG. 4.
  • the primary fluid (arrows in broken lines in FIG. 4) enters the chamber 2 through the inlet 4, passes through the intermediate manifold section 74 and enters the distribution chamber 94, from where it is distributed in the eight primary feed manifolds 14. It penetrates laterally into the modules 12, and radially outwardly through the outer transverse face 48 thereof in the annular space 78. It rises along the annular space 78 to orifices 76 and then down along the annular space 80.
  • the internal equipment 26 then channel it to the suction of the circulator 28, then the discharge of the circulator 28 to the primary outlet 6.
  • the secondary fluid enters the chamber.
  • heat insulation 94 is disposed around the hottest parts of the assembly 1, namely the parts in which the primary fluid circulates before it passes through the heat exchange modules 12 and the secondary fluid after it leaves the Heat exchange modules 12. As seen in FIG. 4, the heat insulation is disposed along the primary fluid inlet 4, the intermediate manifold section 74, the primary distribution chamber 95, between the panels 98 and 108, along the secondary discharge piping 112 and along the secondary outlet 116.
  • the second embodiment of the invention also has multiple advantages.
  • the collectors surrounding a same module are arranged substantially symmetrically with respect to the median plane P of the two lateral faces of said module passing through the central axis X, so that these collectors create on the faces side of the module substantially identical thermal stresses.
  • the modules therefore do not exhibit warping in the circumferential direction of the assembly 1.
  • the panels 98, 100, 108 and 110 connecting two successive modules are therefore subjected to minimal thermomechanical stresses.
  • the fact that the heat exchange modules 12 are of the flexible type means that these modules undergo a much lower axial thermal expansion than in the first embodiment.
  • the assembly 1, in the second embodiment, is particularly compact, because the heat exchange modules are monobloc, because of the arrangement of the secondary inputs and outputs 114 and 116, and because of the arrangement of the distribution chambers 95 and 106.
  • the hottest parts of the assembly 1 are located along the central axis, so that the outer enclosure 2 is maintained at a moderate temperature.
  • the set described above may have multiple variants. It may comprise at least eight heat exchange modules 12, for example four, six, ten or twelve, or even more.
  • each module 12 may comprise more or fewer than three submodules, for example two, or four, or even more than four.
  • the number of collectors may be different from that indicated above.
  • Each module can be served by a manifold of each type (supply / discharge, primary / secondary), by two collectors, or even more than two collectors.
  • the same collector can be dedicated to a module, or serve two modules, or serve all modules.
  • the modules are not necessarily parallelepipedal but can have any suitable geometric shape (diamond section, hexagon, ).
  • the chamber may have a plurality of coaxial or non-coaxial primary fluid inlets and outlets. It may comprise more or less four inputs and four secondary fluid outlets, coaxial or non-coaxial.
  • the primary fluid may not be technically pure helium but may be a mixture of helium and nitrogen.
  • the secondary fluid may be technically pure helium, or a mixture of helium and nitrogen (for example 20% helium 80% nitrogen or 40% helium and 60% nitrogen).

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Abstract

L'ensemble d'échange de chaleur (1) entre un premier et un second fluide, comprend : une pluralité de modules d'échange de chaleur (12) entre les premier et second fluides répartis autour d'un axe central (X) et présentant des faces latérales (47) respectives en vis-à-vis ; des collecteurs d'alimentation (14, 16) des modules (12) en fluides primaire et secondaire et des collecteurs d'évacuation (18, 20) de ces fluides. Au moins certains desdits collecteurs (14, 16) ou parties desdits collecteurs (18) s'étendent entre les modules (12), lesdits collecteurs (14, 16) ou parties de collecteurs (18) encadrant un même module (12) étant disposés de manière sensiblement symétrique par rapport au plan médian situé entre les deux faces latérales (47) dudit module (12) de façon que lesdits collecteurs (14, 16) ou parties de collecteurs (18) créent dans les faces latérales (47) du module (12) des contraintes thermiques sensiblement identiques.

Description

Ensemble d'échange de chaleur entre un premier et un second fluides
La présente invention concerne en général les échangeurs de chaleur, notamment pour réacteurs nucléaires à haute température (HTR) ou très haute température (VHTR). Plus précisément, l'invention concerne un ensemble d'échange de chaleur entre un premier et un second fluides, du type comprenant :
- une cuve présentant un axe central ;
- une pluralité de modules d'échange de chaleur entre les premier et second fluides répartis autour de l'axe central à l'intérieur de la cuve, et présentant des faces laté- raies respectives en vis-à-vis ;
- au moins un collecteur d'alimentation des modules en fluide pri-maire ;
- au moins un collecteur d'alimentation des modules en fluide secondaire ;
- au moins un collecteur de collecte et d'évacuation du fluide primaire sortant des modules ; et - au moins un collecteur de collecte et d'évacuation du fluide secondaire sortant des modules.
On connaît par Ie document JP-2004-144422 un ensemble d'échange de chaleur du type précité, dans lequel les collecteurs d'alimentation et d'évacuation secondaires sont respectivement disposés à la périphérie et au centre de la cuve et dans lequel les collecteurs d'alimentation et d'évacuation primaires sont disposés entre les modules.
Dans un tel ensemble, les liaisons entre les parois des collecteurs et les modules subissent des contraintes très élevées, qui pourraient entraîner une rupture prématurée de certaines liaisons.
Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un ensemble d'échange de chaleur dans lequel les contraintes thermomécaniques soient plus faibles.
A cette fin, l'invention porte sur un ensemble d'échange de chaleur du type précité, caractérisé en ce qu'au moins certains desdits collecteurs et/ou certaines parties desdits collecteurs s'étendent entre les modules disposés successivement autour de l'axe central, lesdits collecteurs ou parties de collecteurs encadrant un même module étant disposés de manière sensiblement symétrique par rapport au plan médian situé entre les deux faces latérales dudit module de façon que lesdits collecteurs ou parties de collecteurs créent dans les faces latérales du module des contraintes thermiques sensiblement identiques. L'ensemble peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci- dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- l'ensemble comprend un unique collecteur d'évacuation secondaire s'étendant le long de l'axe central de l'enceinte extérieure, le ou les collecteurs d'alimentation primaire étant disposés autour du collecteur d'évacua-tion secondaire, vers l'intérieur de l'enceinte extérieure par rapport aux collecteurs d'alimentation secondaire et d'évacuation primaire ;
- les collecteurs d'alimentation primaire et d'évacuation secondaire desservant un même module communiquent avec une partie d'extrémité dudit module tournée vers l'intérieur de l'enceinte extérieure, et les collecteurs d'alimentation secondaire et d'évacuation primaire desservant ledit module communiquent avec une partie d'extrémité dudit module tournée vers l'extérieur de l'enceinte extérieure ;
- les modules comprennent chacun un empilement de plaques entre lesquelles circulent alternativement les fluides primaire et secondaire ;
- chaque module comprend plusieurs sous-modules distincts les uns des autres, chaque module étant desservi par au moins un collecteur d'alimentation secondaire comprenant des tronçons de tuyauterie accolés aux sous-modules, et des soufflets connectant les tronçons de tuyauterie les uns aux autres ; - chaque sous-module communique avec le collecteur d'évacuation secondaire par un piquage, les tronçons de tuyauterie du collecteur d'alimentation secondaire et le piquage présentant un diamètre hydraulique inférieur à 500 millimètres ;
- l'axe central de l'enceinte extérieure est vertical, l'ensemble comprenant une virole de support des modules suspendue à l'enceinte extérieure, la virole de support et les modules étant libres de se dilater thermiquement vers le bas par rapport à l'enceinte extérieure ;
- les modules comprennent chacun un empilement continu de cellules d'échange de chaleur entre les fluides primaire et secondaire, susceptibles de se déformer les unes par rapport aux autres ; - l'ensemble comprend, entre chaque paire de modules disposés successivement autour de l'axe central, un collecteur de distribution secondaire délimité au moins partiellement par des panneaux rigidement fixés sur les faces latérales des modules ;
- le collecteur d'évacuation secondaire est délimité au moins partiellement par les parties d'extrémité intérieures des modules d'échange de chaleur ; - les premier et second fluides sont des gaz, Ie premier gaz étant destiné à entrer dans l'enceinte extérieure à une température supérieure à 7000C, et le second gaz étant destiné à sortir de l'enceinte extérieure à une température supérieure à 7000C ;
- le premier fluide comprend majoritairement de l'hélium, le second fluide com- prenant majoritairement de l'hélium et/ou de l'azote ; et
- les premier et second fluides sont les fluides primaire et secondaire d'un réacteur nucléaire à haute température ou à très haute température.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en réfé- rence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un ensemble d'échange de chaleur selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue en coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe central de l'ensemble de la figure 1 , considéré suivant l'incidence des flèches II de la figure 1 ; - la figure 3A est une vue en élévation de deux modules d'échange de chaleur de la figure 1 et de deux collecteurs d'alimentation secondaire desservant ces modules ;
- la figure 3B est une vue similaire à la figure 3A pour une variante de réalisation des collecteurs d'alimentation secondaires ;
- la figure 4 est une vue en coupe axiale d'un ensemble d'échange de chaleur se- Ion un second mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 5 est une vue en coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe central de l'ensemble de la figure 4, considéré selon l'incidence des flèches V de la figure 4 ;
- la figure 6 est une vue en perspective de plaques du type de celles formant les modules d'échange de chaleur de l'ensemble de la figure 1 ; - la figure 7 est une vue en perspective d'un sous-module d'échange de chaleur de l'ensemble de la figure 1 , formé à partir des plaques de la figure 6 ;
- Ia figure 8 est une vue en perspective du sous-module de la figure 7, monté sur sa virole de support, et sur lequel ont été rapportés le piquage de connexion sur le collecteur d'évacuation secondaire, et des tronçons de tuyauterie des collecteurs d'alimen- tation secondaire ; et
- la figure 9 est une vue en coupe d'un module d'échange de chaleur de l'ensemble de la figure 4.
L'ensemble 1 représenté sur les figures 1 et 2 est destiné à être utilisé dans un réacteur nucléaire à haute température ou à très haute température (HTR/VHTR) , pour réaliser un échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide. Le premier fluide est le fluide primaire du réacteur nucléaire, et circule en boucle fermée dans celui-ci. Il traverse le cœur du réacteur nucléaire (non représenté), puis traverse l'ensemble 1 et revient enfin à l'entrée du coeur. Le fluide primaire s'échauffe dans le cœur du réacteur, et sort de celui-ci par exemple à une température d'environ 8500C. Il cède une partie de sa chaleur au fluide secondaire dans l'ensemble 1 , et sort de celui-ci par exemple à une température de 4000C environ. Le fluide primaire est typiquement de l'hélium gazeux techniquement pur.
Le second fluide est le fluide secondaire du réacteur nucléaire, et circule en boucle fermée dans celui-ci. Il traverse l'ensemble 1 , puis passe dans une turbine à gaz d'entraînement d'un générateur électrique et revient à l'entrée de l'ensemble 1. Le fluide secondaire entre dans l'ensemble 1 par exemple à une température de 35O0C environ et en sort par exemple à 8000C environ. Le fluide secondaire est un gaz comprenant principalement de l'hélium et de l'azote.
L'ensemble 1 comprend : - une enceinte extérieure 2 présentant un axe central X sensiblement vertical, pourvue d'une entrée 4 et d'une sortie 6 de fluide primaire, de quatre entrées 8 et de quatre sorties 10 de fluide secondaire ;
- huit modules d'échange de chaleur 12 disposés dans l'enceinte 2, dans lesquels sont réalisés les échanges de chaleur entre les fluides primaire et secondaire ; - un collecteur annulaire 14 d'alimentation des modules 12 en fluide primaire ;
- des collecteurs 16 d'alimentation des modules 12 en fluide secondaire ;
- un collecteur annulaire 18 de collecte et d'évacuation du fluide primaire sortant des modules 12 ; - un collecteur central 20 de collecte et d'évacuation du fluide secondaire sortant des modules 12 ;
- une chambre d'entrée 22 distribuant le fluide secondaire dans les collecteurs 16, et une chambre de sortie 24 distribuant le fluide secondaire sortant du collecteur d'évacuation secondaire 20 aux sorties 10 ; - des équipements internes inférieurs 26 canalisant le fluide primaire entre les collecteurs 14 et 18, d'une part, et l'entrée 4 et la sortie 6 du fluide primaire, d'autre part ; et
- un ventilateur 28 de circulation du fluide primaire fixé sur l'enceinte 2. L'enceinte 2 comprend une cuve 30 à l'intérieur de laquelle sont disposés les échangeurs 12 et les collecteurs 14, 16,18, 20, présentant vers le haut une ouverture 32, et un couvercle 34 amovible de fermeture étanche de l'ouverture 32 de la cuve 30.
Les entrées 8 du fluide secondaire sont ménagées en haut de la cuve 30 et sont régulièrement réparties sur une même circonférence de celle-ci.
Les sorties du fluide secondaire 10 sont ménagées en haut de la cuve 30, légèrement en dessous des entrées 8, et sont régulièrement réparties sur une même circonférence de cette cuve.
La cuve 30 comprend en partie basse un unique piquage par lequel sont réali- sées l'entrée 4 et la sortie 6 du fluide primaire. L'entrée 4 et la sortie 6 sont coaxiales, comme le montre la figure 2, la sortie 6 entourant l'entrée 4.
La cuve 30 est fermée vers le bas par un fond bombé qui présente une ouverture centrale, ronde, centrée sur l'axe X, dans laquelle est fixé le ventilateur 28.
Comme on le voit sur la figure 2, les huit modules 12 sont disposés en cercle autour de l'axe X, et répartis régulièrement autour de celui-ci.
Dans le premier mode de réalisation de l'invention, correspondant aux figures 1 à 3A/3B, les échangeurs 12 sont des échangeurs de chaleur de type à plaques, à structure rigide. Chaque module rigide 12 comprend trois sous-modules 36, identiques les uns aux autres. Les modules d'échange de chaleur sont, par exemple, du type PMHE (Plate Ma- chined Heat Exchanger), auquel cas les sous-modules 36 sont formés comme représenté sur les figures 6 et 7.
Chaque sous-module 36 est formé à partir de plaques toutes identiques 38, superposées, et disposées alternativement en sens inverse, comme le montre la figure 6. Chaque plaque 38 porte sur une face supérieure 39 une pluralité de rainures 40 gravées, mutuellement parallèles, s'étendant dans un sens longitudinal. Ces rainures 40 débouchent, à une première extrémité, sur un bord transversal 42 de la plaque. Elles débouchent à des extrémités opposées au bord 42 dans une rainure transversale 44 de grande largeur s'étendant à travers toute la plaque. Cette rainure 44 est fermée le long du bord 46 transversal opposé au bord 42, et est ouverte à ses deux extrémités transversales opposées.
Les plaques 38 d'un même sous-module sont superposées, les faces supérieures 39 tournées vers le haut, de telle sorte que les rainures 44 transversales soient disposées alternativement aux deux extrémités longitudinales opposées du sous-module 36. Elles sont soudées ou brasées les unes avec les autres. Les premier et second fluides circulent dans les rainures 40 et 44 des plaques 38, alternativement dans une plaque sur deux de l'empilement. Ainsi, comme le montre la figure 7, le premier fluide (flèches pleines) entre dans le sous-module 36 par les deux extrémités ouvertes des canaux 44 situés à une première extrémité longitudinale du sous-module 36. Il pénètre dans le sous-module 36 par les deux faces latérales 47 opposées de ce sous-module. Il parcourt ensuite les canaux 40, et sort du sous-module 36 par la face transversale 48 située à une extrémité longitudinale du sous-module 36 opposée à la première.
Le fluide secondaire (flèches évidées sur la figure 7) pénètre dans le sous- module 36 par les extrémités ouvertes des canaux 44 situés à la seconde extrémité longitudinale du sous-module 36, et sort par la face transversale 50 située à la première extrémité longitudinale. Les fluides primaire et secondaire circulent à contre-courant l'un de l'autre à l'intérieur du sous-module 36.
En variante, le module d'échange de chaleur 12 peut être du type PFHE (Plate Fin Heat Exchange). Dans ce cas, les canaux longitudinaux 40 ne sont pas gravés dans la face supérieure 39 de la plaque 38, mais sont constitués en soudant sur ladite face supérieure des ailettes mutuellement parallèles définissant entre elles les canaux 40.
Comme on le voit sur la figure 1 , les trois sous-modules 36 d'un même module d'échange de chaleur 12 sont superposés axialement à distance les uns des autres. De manière à faciliter la maintenance des modules d'échange de chaleur 12, ceux-ci sont rassemblés dans un panier de support 52 extractible de la cuve 30 axialement par l'ouverture 32.
Le panier 52 comprend une virole cylindrique supérieure 54 coaxiale à l'axe central X et définissant intérieurement la chambre d'entrée du fluide secondaire 22, une virole cylindrique inférieure 56 également coaxiale à l'axe central X, et une plaque 58 de séparation des viroles 54 et 56 sensiblement perpendiculaire à l'axe central X.
Le panier 52 est suspendu par l'intermédiaire de la plaque 58 à un épaulement 59 formé à l'intérieur de la cuve 30.
La chambre de sortie 24 du fluide secondaire est située à l'intérieur de la cham- bre 22.
Le panier 52 comprend également une virole 60 de support des modules d'échange de chaleur 12, et une virole interne 62 définissant le collecteur d'évacuation du fluide secondaire 20.
La virole cylindrique 60 est suspendue sous la plaque de séparation 58, et est coaxiale à l'axe central X. Les sous-modules 36 sont fixés par tous moyens adaptés dans des fenêtres 64 découpées dans la virole 60 (voir aussi figure 8). La face transversale 48 de sortie du fluide secondaire et les canaux 44 d'entrée du fluide primaire sont situés radialement à l'intérieur de la virole 60. La face transversale 50 de sortie du fluide primaire et les canaux 44 d'entrée du fluide secondaire sont situés radialement à l'extérieur de la virole 60.
L'espace annulaire délimité entre la virole inférieure 56 et la virole de support 60 est fermé vers le haut par la plaque de séparation 58 et vers le bas par un système de soufflet métallique annulaire 66 compressible axialement.
La virole intérieure 62 est fermée vers le bas par un fond bombé 68. Vers le haut, elle traverse la plaque 58 et débouche dans la chambre de sortie 24 du fluide secondaire.
L'espace annulaire s'étendant entre la virole de support 60 et la virole intérieure 62 forme le collecteur d'alimentation primaire 14. Il est fermé vers le haut par une plaque annulaire 70 s'étendant à distance en dessous de la plaque de séparation 58. Il communique, en partie basse, par un raccord étanche amovible 72 avec un tronçon de collecteur intermédiaire 74 coaxial à l'axe central X, communiquant lui-même radialement avec l'entrée de fluide primaire 4. Le raccord 72 permet à la virole 60 de se dé- saccoupler du tronçon de collecteur 74 quand le panier 52 est retiré de la cuve 30.
La virole inférieure 56 porte des orifices 76 de circulation du fluide primaire mé- nages à faible distance en dessous de la plaque 58. Les orifices 76 mettent en communication l'espace annulaire 78 situé entre les viroles 56 et 60, d'une part, avec l'espace annulaire 80 délimité entre la virole 56 et l'enveloppe extérieure 2, d'autre part. Ces deux espaces annulaires, forment ensemble le collecteur d'évacuation primaire 18. L'espace annulaire 80 est fermé vers le haut de manière étanche par la liaison entre la plaque 58 et l'enveloppe extérieure 2. L'espace annulaire 80 est ouvert vers le bas. Les internes inférieurs 26 sont disposés de manière à former un chemin de passage pour le fluide primaire depuis le bas de l'espace annulaire 80 jusqu'à l'entrée du circulateur 28 puis de la sortie du circulateur 28 jusqu'à la sortie de fluide primaire 6 (figure 1).
L'ensemble 1 comprend seize collecteurs d'alimentation secondaire 16, disposés dans l'espace annulaire 78 entre les viroles 56 et 60, s'étendant parallèlement à l'axe central X. Comme le montrent les figures 2 et 3A, chaque module d'échange de chaleur 12 est desservi par deux collecteurs d'alimentation secondaire 16, chaque collecteur 16 alimentant les trois sous-modules 36 superposés du module 12. Les deux collecteurs 16 desservant un même module 12 s'étendent le long des deux faces latérales oppo- sées 47 des sous-modules 36. Comme le montre la figure 3, chaque collecteur 16 comprend trois tronçons de tuyauterie rigide 82, chacun accolé et rigidement fixé à une face latérale 47 d'un sous- module 36, reliées entre elles par des soufflets 84 compressibles axialement. Comme le montre la figure 8, les tronçons de tuyauterie 82 sont accolés à des zones des deux faces transversales 47 opposées d'un même sous-module et communiquent avec les extrémités des canaux transversaux 44 d'entrée du fluide secondaire.
Comme le montrent les figures 2 et 3A, les deux collecteurs de distribution secondaire 16 disposés entre deux modules d'échange de chaleur 12 consécutifs comportent en partie supérieure des crosses 86 qui se rejoignent et communiquent par un tronçon 88 traversant la plaque de séparation 58 avec la chambre d'alimentation secondaire 22. Les crosses 86 sont reliées aux tronçons de tuyauterie 82 les plus hauts chacun par un autre soufflet 84 compressible axialement. Les collecteurs 16 sont tous fermés à leur extrémité inférieure. Les soufflets supérieurs 84 peuvent être adaptés voire doublés pour absorber les déplacements dus à l'expansion thermique radiale. Les crosses 86 peuvent être supprimées. Dans ce cas, les soufflets supérieurs sont équipés de tubes 89 assurant la liaison avec le collecteur d'alimentation secondaire 22 au travers de laplaque 58 (figure 3B).
Chaque sous-module 36 comporte une boîte 90 recouvrant entièrement la face transversale 50 de sortie du fluide secondaire, la boîte 90 étant piquée sur le collecteur d'évacuation secondaire 20 par l'intermédiaire d'une tuyauterie de diamètre réduit 92.
Enfin, les parties chaudes de l'ensemble 1 , c'est-à-dire les parties dans lesquelles circule le fluide primaire avant son passage dans les modules d'échange de chaleur 12 et le fluide secondaire sortant des modules d'échange de chaleur 12, sont isolées dans parties froides de l'ensemble 1 par une couche de calorifuge 94. Comme la figure 1 le met bien en évidence, ces parties sont situées au centre de l'ensemble 1 , le long de l'axe central X de l'enveloppe 2. Ainsi, le calorifuge 94 est disposé autour de l'entrée de fluide primaire 4, du tronçon de collecteur intermédiaire 74, de la virole de support 60, de la plaque annulaire 70, de la chambre de sortie 24, et du tronçon du collecteur d'évacuation secondaire 20 s'étendant entre la plaque annulaire 70 et la chambre 24. La circulation des fluides primaires et secondaires dans l'ensemble d'échange de chaleur 1 décrit ci-dessus va être détaillé dans les paragraphes ci-dessous, en référence à la figure 1.
Le fluide primaire (flèches en traits interrompus de la figure 1) pénètre dans l'ensemble 1 par l'entrée 4, traverse le tronçon de collecteur intermédiaire 74 et remonte axialement le long du collecteur de distribution primaire 14, autour du collecteur d'évacuation secondaire 20.
Comme le montrent les figures 1 et 8, il pénètre ensuite dans les sous-modules 36 par les extrémités ouvertes des canaux transversaux 44, traverse les sous-modules 36 en cédant sa chaleur au fluide secondaire, sort des sous-modules 36 par la face transversale 48, remonte axialement dans l'espace annulaire 78, traverse les orifices 76 et passe dans l'espace annulaire 80, redescend axialement le long de l'espace annulaire 80, puis est canalisé par les internes inférieurs 26 jusqu'au circulateur 28 et refoulé jusqu'à la sortie primaire 6. Le fluide secondaire entre dans l'ensemble 1 par les entrées 8, et est distribué par la chambre 22 dans les seize collecteurs d'alimentation secondaire 16. Il parcourt ces collecteurs 16 axialement vers Ie bas, pénètre dans les sous-modules 36 par les extrémités ouvertes des canaux transversaux 44, traverse radialement les sous- modules 36 en subissant un échauffement sous l'effet de la chaleur cédée par le fluide primaire, de l'extérieur vers l'intérieur de l'ensemble 1 , sort des sous-modules 36 par la face 50, traverse la boîte 90 et le piquage 92, débouche dans le collecteur secondaire d'évacuation 20, puis est canalisé par le collecteur d'évacuation secondaire 20 vers le haut le long de l'axe central jusqu'à la chambre de sortie 24, qui distribue le fluide secondaire dans les différentes sorties secondaires 10. L'ensemble d'échange de chaleur décrit ci-dessus présente de multiples avantages.
Les collecteurs ou parties de collecteurs encadrant un même module sont disposés de manière sensiblement symétriques par rapport au plan médian P des deux faces latérales du module, de façon que les contraintes thermiques créées dans les faces latérales du module soient sensiblement identiques. Les dilatations thermiques des deux faces latérales du module sont donc semblables. Les modules d'échange de chaleur ne subissent donc pas de gauchissement dans le sens circonférentiel. Ils restent au contraire sensiblement symétriques par rapport au plan médian de leurs faces latérales. De ce fait, les contraintes thermomécaniques dans la virole de support des modules d'échange de chaleur sont réduites.
Dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures 1 à 3A/3B, les deux faces latérales du module sont parallèles et le plan médian P est le plan parallèle aux faces latérales, équidistant de ces deux faces, et passant par l'axe central X de l'enceinte. Plus généralement, le plan médian P est le plan s'étendant de manière centrale entre les deux faces latérales du module. Par ailleurs, les contraintes générées par l'expansion thermique axiale des modules et de la virole de support sont minimisées par plusieurs dispositions constructives. Le fait de séparer les modules 12 en plusieurs sous-modules 36 superposés axialement et séparés les uns des autres permet de minimiser les contraintes induites par l'expansion axiale des modules dans la virole de support. Par ailleurs, la virole de support 60 est suspendue à la plaque 58, et est libre de s'expanser thermiquement vers le bas. Cette liberté lui est conférée en particulier par le fait que l'espace annulaire 78 séparant la virole de support 60 de la virole inférieure 56 est fermée vers le bas par un soufflet 66 susceptible de se déformer axialement. Les sous-modules 36 sont suscepti- blés de débattre axialement parce que des soufflets 84 sont interposés entre les différents sous-modules 36 le long des collecteurs d'alimentation secondaires et que les sous-modules 36 sont liés aux collecteurs d'évacuation secondaires par des piquages de section réduite 92.
Le fait de rassembler Ie collecteur d'évacuation secondaire et le collecteur d'ali- mentation primaire au centre de l'enveloppe extérieure est favorable en vue de maintenir les parois de l'enveloppe extérieure 2 à une température modérée. En effet, ces deux collecteurs canalisent des gaz qui sont à plus de 7000C, typiquement à plus de 800°C. Le collecteur d'évacuation primaire et le collecteur d'alimentation secondaire, qui sont placés en périphérie de l'enceinte extérieure 2, canalisent des gaz de température nettement plus basse, entre 400° et 500°, par exemple.
L'utilisation d'un grand nombre de collecteurs d'alimentation secondaires, ici deux par modules, de forme tubulaire, permet, d'une part, de maintenir la vitesse des gaz à un niveau suffisamment faible, de l'ordre de 34 m/s, et, d'autre part, d'utiliser des tuyauteries de diamètre hydraulique faible, par exemple inférieur à 500 mm pour cha- que collecteur d'alimentation secondaire. Maintenir la vitesse de circulation des gaz à un niveau modéré est favorable pour le comportement thermohydraulique des modules d'échange de chaleur. Utiliser des collecteurs d'alimentation secondaires tubulaires de faible diamètre est favorable pour la tenue en pression de ces collecteurs, notamment en situation accidentelle en cas de rupture du circuit primaire ou du circuit secondaire, lorsque la différence de pression entre les circuits primaires et secondaires peut dépasser 5 MPa.
Avantageusement, les piquages 92 présentent eux aussi un diamètre hydraulique inférieur à 500 mm, pour Ia même raison.
Par ailleurs, l'utilisation de tuyauteries de faible diamètre permet d'interposer des soufflets entre les tronçons des collecteurs rigidement fixés aux sous-modules 36. Un second mode de réalisation de l'invention est représenté sur les figures 4 et 5.
Dans ce second mode de réalisation, les modules d'échange de chaleur sont des échangeurs à plaques du type décrit dans le brevet US-5,983,992 et illustrés sur la fi- gure 9. Cet échangeur comprend une pluralité de cellules d'échange de chaleur C empilées les unes sur les autres. Chaque cellule C comprend une plaque supérieure A dans une première extrémité de laquelle une entrée de fluide E est découpée et dans une extrémité opposée de laquelle une sortie de fluide S est découpée. La cellule C comprend également une plaque inférieure B, disposée sensiblement parallèlement à la plaque supérieure A et dans laquelle des entrées et sorties E et S sont découpées, les entrées des plaques supérieure et inférieure étant alignées, de même que les sorties. Comme le montre la figure 9, les plaques A et B sont soudées par leurs bords périphériques. Les entrées et sorties E et S de la plaque supérieure A sont entourées par un bord en saillie par rapport à l'intérieur de la cellule C, c'est-à-dire en saillie d'un côté opposé à la plaque B. Symétriquement, les entrées et sorties E et S de la plaque inférieure B font saillie vers l'extérieur de la cellule, c'est-à-dire d'un côté opposé à la plaque supérieure A. Une feuille métallique ondulée F est disposée entre les plaques A et B et soudée à ces plaques. Elle forme un réseau d'ailettes à l'intérieur de la cellule C. Une deuxième feuille métallique ondulée F du même type est également soudée sur la face de la plaque A tournée vers l'extérieur de la cellule C. Une troisième feuille métallique ondulée F est soudée sur la face de la plaque B tournée vers l'extérieur de la cellule C.
Les cellules C sont empilées les unes sur les autres, et liées les unes aux autres par les bords en saillie de leurs entrées et sorties respectives. Les cellules sont dispo- sées de sorte que les entrées et les sorties de toutes les cellules C soient alignées.
Le premier fluide entre dans les cellules C par les entrées E, circule dans les canaux délimités par les feuilles ondulées F disposées à l'intérieur de chaque cellule, et sort par les sorties S. Le second fluide circule dans l'espace délimité entre les cellules C. Les modules d'échange de chaleur constitués de cette façon présentent la caractéristique que chaque cellule est susceptible de jouer par rapport aux cellules adjacentes et de se déformer, par exemple par compression, flexion ou extension.
Les figures 4 et 5 représentent un ensemble d'échange de chaleur dont les modules sont des échangeurs à plaques souples du type représenté sur la figure 9. Seules les différences entre cet ensemble, conforme au second mode de réalisation de l'inven- tion, et l'ensemble des figures 1 à 3A/3B, conforme au premier mode de réalisation de l'invention, seront décrites ci-dessous.
Les éléments identiques, ou jouant des rôles semblables, portent les mêmes références dans les deux modes de réalisation. Comme on Ie voit sur la figure 4, les modules d'échange de chaleur 12 ne sont pas divisés en plusieurs sous modules 36, mais au contraire sont monoblocs et sont formés par un empilement continu de cellules dans lesquelles circulent les premier et second fluides.
Les modules d'échange de chaleur 12 présentent chacun une forme parallélépi- pédique. L'entrée des fluides primaire et secondaire dans le module 12 se fait respectivement par des zones radialement intérieure et extérieure des faces latérales 47 du module.
Par ailleurs, l'ensemble 1 ne comprend pas, comme dans le premier mode de réalisation, un collecteur d'alimentation unique des modules 12 en fluide primaire, de forme annulaire, entourant le collecteur d'évacuation secondaire, mais au contraire huit collecteurs d'alimentation primaire 14 séparés, s'étendant axialement entre les modules 12, et débouchant dans une chambre de distribution 95 située sous les modules 12. La chambre 95 communique avec le tronçon de collecteur intermédiaire 74. Chaque collecteur 14 dessert les deux modules d'échange de chaleur 12 qui l'encadrent. Chaque module est délimité radialement vers l'intérieur par une face transversale 50 de sortie du fluide secondaire, radialement vers l'extérieur par une face transversale 48 de sortie du fluide primaire, et latéralement par des faces 47 tournées vers les modules voisins.
La structure 96 de support des modules 12 comprend, entre chaque paire de modules 12 disposée successivement autour de l'axe central X, deux panneaux en sec- teurs de cylindre 98 et 100 coaxiaux à l'axe central et s'étendant sur toute la hauteur axiale des modules 12. Ces panneaux sont soudés aux parois latérales 47 en vis-à-vis des deux modules 12 qui les encadrent. Les panneaux 100 s'étendent sensiblement radialement au niveau des faces transversales extérieures 48 des modules 12 par lesquelles sort le fluide primaire. Les panneaux 98 sont interposés radialement entre les panneaux 100 et les collecteurs d'alimentation primaires 14.
L'ensemble formé par les modules 12 et les panneaux 98 et 100 est suspendu à la plaque de séparation 58 par une virole cylindrique 102.
Par ailleurs, l'espace annulaire 78 est fermé vers le bas par une plaque annulaire 104. L'ensemble 1 comprend huit collecteurs d'alimentation secondaires 16, disposés entre les modules 12, et délimités par les panneaux 98 et 100 et par les faces latérales 47 des modules 12. Chaque collecteur 16 dessert les modules 12 qui l'encadrent.
Le fluide secondaire est distribué dans les collecteurs d'alimentation 16 à partir d'une chambre 106 formée par l'espace intérieur de la virole 102.
Chaque collecteur d'alimentation primaire 14 présente, dans un plan perpendiculaire à l'axe central X de l'enceinte extérieure 2, une section sensiblement ovale.
Chaque collecteur 14 est délimité par deux panneaux concaves 108 et 110, de concavité se faisant face, s'étendant sur toute la hauteur axiale des modules 12. Les panneaux 108 et 110 sont soudés sur les faces latérales 47 des modules qui les encadrent. Le panneau 110 s'étend sensiblement au niveau des faces transversales intérieures 50 des modules 12. Un isolant thermique 94 remplit l'espace séparant le panneau concave 108 du panneau en secteur d'anneau 98.
Comme dans le premier mode de réalisation de l'invention, le collecteur d'éva- cuation secondaire 20 s'étend selon l'axe central de l'ensemble 1. Il est délimité cir- conférentiellement alternativement par les faces transversales intérieures 50 des modules 12 et par les panneaux concaves 110. Le gaz secondaire chaud sort donc directement du module 12 dans le collecteur d'évacuation secondaire 20. Le collecteur secondaire 20 est délimité vers le bas par un fond bombé 68 qui le sépare de la chambre de distribution primaire 95. Il se prolonge axialement vers le haut par une tuyauterie d'évacuation de fort diamètre 112 qui traverse la chambre de distribution secondaire 106 et la plaque de séparation 58.
L'entrée 114 et la sortie 116 du fluide secondaire sont réalisées dans une virole cylindrique centrale 118 portée par le couvercle 34 de l'ensemble d'échange de chaleur. Cette virole 118 s'étend selon l'axe central X de l'ensemble 1. L'entrée 114 est piquée radialement sur la virole 118. La sortie secondaire 116 est coudée, et comporte une portion de tuyauterie axiale 120 s'étendant dans le prolongement de la virole 118, et une portion 122 s'étendant radialement par rapport à la portion axiale 120. La tuyauterie d'évacuation secondaire 112 relie la portion axiale 120 au collecteur d'évacuation se- condaire 20.
La chambre de distribution secondaire 106 communique par l'intermédiaire d'orifices non représentés ménagés dans la plaque de séparation 58 avec l'espace intérieur du couvercle 34, qui communique lui-même avec l'entrée 114 de fluide secondaire.
La circulation des fluides primaire et secondaire dans l'ensemble 1 va maintenant être décrite, en référence à la figure 4. Le fluide primaire (flèches en traits interrompus sur la figure 4) pénètre dans l'enceinte 2 par l'entrée 4, traverse le tronçon de collecteur intermédiaire 74 et pénètre dans la chambre de distribution 94, d'où il est distribué dans les huit collecteurs d'alimentation primaire 14. Il pénètre latéralement dans les modules 12, et ressort radiale- ment par la face transversale extérieure 48 de celui-ci dans l'espace annulaire 78. Il remonte le long de l'espace annulaire 78 jusqu'aux orifices 76 puis descend le long de l'espace annulaire 80. Les équipements internes 26 le canalisent ensuite jusqu'à l'aspiration du circulateur 28, puis du refoulement du circulateur 28 jusqu'à la sortie primaire 6. Le fluide secondaire pénètre dans l'ensemble 1 par l'entrée secondaire 114, traverse le couvercle 34 et la plaque de séparation 58, pénètre dans la chambre de distribution secondaire 106 d'où il est distribué dans les huit canaux d'alimentation secondaire 16. Il pénètre latéralement dans les modules 12, et sort des modules 12 par les faces transversales intérieures 50 des modules qui débouchent dans le collecteur d'évacuation secondaire 20. Il remonte ensuite le long de ce collecteur et de la tuyauterie d'évacuation 112 jusqu'à la sortie secondaire 116.
Comme précédemment, du calorifuge 94 est disposé autour des parties les plus chaudes de l'ensemble 1 , à savoir les parties dans lesquelles circule le fluide primaire avant son passage dans les modules d'échange de chaleur 12 et le fluide secondaire après sa sortie des modules d'échange de chaleur 12. Comme on le voit sur la figure 4, le calorifuge est disposé le long de l'entrée de fluide primaire 4, du tronçon de collecteur intermédiaire 74, de la chambre de distribution primaire 95, entre les panneaux 98 et 108, le long de Ia tuyauterie d'évacuation secondaire 112 et le long de la sortie secondaire 116. Le second mode de réalisation de l'invention présente lui aussi de multiples avantages.
Comme dans le premier mode de réalisation, les collecteurs encadrant un même module sont disposés de manière sensiblement symétrique par rapport au plan P médian des deux faces latérales dudit module passant par l'axe central X, de telle sorte que ces collecteurs créent sur les faces latérales du module des contraintes thermiques sensiblement identiques. Les modules ne présentent donc pas de gauchissement selon la direction circonférentielle de l'ensemble 1. Les panneaux 98, 100, 108 et 110 reliant deux modules successifs sont donc soumis à des contraintes thermomécaniques minimes. Par ailleurs, le fait que les modules d'échange de chaleur 12 soient du type souple fait que ces modules subissent une dilatation thermique axiale beaucoup plus faible que dans le premier mode de réalisation. Les contraintes imposées aux panneaux 98, 100, 108 et 110, du fait de la dilatation axiale des modules 12, sont donc modérées, de telle sorte qu'il n'est pas nécessaire de prévoir, pour fermer l'espace annulaire 78 en partie basse des modules 12, un soufflet du type du soufflet 66 du premier mode de réalisation. Il n'est pas non plus nécessaire de prévoir une virole spécifique raccordée par des piquages aux modules 12, comme la virole 62, pour délimiter le collecteur d'évacuation secondaire 20. Ce collecteur peut être réalisé de manière beaucoup plus simple et économique par les faces transversales intérieures 50 des modules 12 et par les panneaux 110 délimitant partiellement les collecteurs de distribution primaire.
L'ensemble 1 , dans le second mode de réalisation, est particulièrement compact, du fait que les modules d'échange de chaleur sont monoblocs, du fait de la disposition des entrées et sorties secondaires 114 et 116, et du fait de la disposition des chambres de distribution 95 et 106.
Comme dans le premier mode de réalisation, les parties les plus chaudes de l'ensemble 1 sont situées le long de l'axe central, de telle sorte que l'enceinte extérieure 2 est maintenue à une température modérée.
L'ensemble décrit ci-dessus peut présenter de multiples variantes. II peut comprendre plus au moins de huit modules d'échange de chaleur 12, par exemple quatre, six, dix ou douze, voire même plus.
Dans le premier mode de réalisation de l'invention, chaque module 12 peut comprendre plus ou moins de trois sous-modules, par exemple deux, ou quatre, voire plus de quatre. Le nombre de collecteurs peut être différent de celui indiqué ci-dessus. Chaque module peut être desservi par un collecteur de chaque type (alimentation/évacuation, primaire/secondaire), par deux collecteurs, ou même plus de deux collecteurs. Un même collecteur peut être dédié à un module, ou desservir deux modules, ou desservir tous les modules. Les modules ne sont pas nécessairement parallélépipédique mais peuvent présenter toute forme géométrique adaptée (section en losange, en hexagone, ...).
L'enceinte peut présenter plusieurs entrées et sorties de fluide primaire, coaxia- les ou non coaxiales. Elle peut comporter plus ou moins de quatre entrées et quatre sorties de fluide secondaire, coaxiales ou non coaxiales. Le fluide primaire peut ne pas être de l'hélium techniquement pur mais être un mélange d'hélium et d'azote.
Le fluide secondaire peut être de l'hélium techniquement pur, ou un mélange d'hélium et d'azote (par exemple 20 % d'hélium 80 % d'azote ou 40 % d'hélium et 60 % d'azote).

Claims

REVENDICATIONS
1. Ensemble d'échange de chaleur (1) entre un premier et un second fluide, comprenant :
- une enceinte extérieure (2) présentant un axe central (X) ; - une pluralité de modules d'échange de chaleur (12) entre les premier et second fluides répartis autour de l'axe central (X) à l'intérieur de l'enceinte extérieure (2) et présentant des faces latérales (47) respectives en vis-à-vis ;
- au moins un collecteur d'alimentation (14) des modules (12) en fluide primaire ;
- au moins un collecteur d'alimentation (16) des modules (12) en fluide se- condaire ;
- au moins un collecteur (18) de collecte et d'évacuation du fluide primaire sortant des modules (12) ;
- au moins un collecteur (20) de collecte et d'évacuation du fluide secondaire sortant des modules (12), caractérisé en ce qu'au moins certains desdits collecteurs (14, 16) ou parties desdits collecteurs (18) s'étendent entre les modules (12) disposés successivement au tour de l'axe central (X), lesdits collecteurs (14, 16) ou parties de collecteurs (18) encadrant un même module (12) étant disposés de manière sensiblement symétrique par rapport au plan médian situé entre les deux faces latérales (47) dudit module (12) de façon que lesdits collecteurs (14, 16) ou parties de collecteurs (18) créent dans les faces latérales (47) du module (12) des contraintes thermiques sensiblement identiques.
2. Ensemble selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend un unique collecteur d'évacuation secondaire (20) s'étendant le long de l'axe central (X) de l'enceinte extérieure (2), le ou les collecteurs d'alimentation primaire (14) étant disposés autour du collecteur d'évacuation secondaire (20), vers l'intérieur de l'enceinte extérieure (2) par rapport aux collecteurs d'alimentation secondaire (16) et d'évacuation primaire (18).
3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les collecteurs d'alimentation primaire (14) et d'évacuation secondaire (20) desservant un même mo- dule (12) communiquent avec une partie d'extrémité dudit module (12) tournée vers l'intérieur de l'enceinte extérieure (2), et les collecteurs d'alimentation secondaire (16) et d'évacuation primaire (18) desservant ledit module (12) communiquent avec une partie d'extrémité dudit module (12) tournée vers l'extérieur de l'enceinte extérieure (2).
4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les modules (12) comprennent chacun un empilement de plaques (38 ; A, B) entre lesquelles circulent alternativement les fluides primaire et secondaire.
5. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque module (12) comprend plusieurs sous-modules (36) distincts les uns des autres, chaque module
(12) étant desservi par au moins un collecteur d'alimentation secondaire (16) comprenant des tronçons de tuyauterie (82) accolés aux sous-modules (34), et des soufflets (84) connectant les tronçons de tuyauterie (82) les uns aux autres.
6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque sous-module (36) communique avec le collecteur d'évacuation secondaire (20) par un piquage (92), les tronçons de tuyauterie (82) du collecteur d'alimentation secondaire (16) et le piquage (92) présentant un diamètre hydraulique inférieur à 500 millimètres.
7. Ensemble selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'axe central (X) de l'enceinte extérieure (2) est vertical, l'ensemble comprenant une virole (60) de sup- port des modules (12) suspendue à l'enceinte extérieure (2), la virole de support (60) et les modules (12) étant libres de se dilater thermiquement vers le bas par rapport à l'enceinte extérieure (2).
8. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que les modules (12) comprennent chacun un empilement continu de cellules (C) d'échange de chaleur entre les fluides primaire et secondaire, susceptibles de se déformer les unes par rapport aux autres.
9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend, entre chaque paire de modules (12) disposés successivement autour de l'axe central (X), un collecteur de distribution secondaire (16) délimité au moins partiellement par des pan- neaux (98, 100) rigidement fixés sur les faces latérales (47) des modules (12).
10. Ensemble selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le collecteur d'évacuation secondaire (20) est délimité au moins partiellement par les parties d'extrémité intérieures des modules d'échange de chaleur (12).
11. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les premier et second fluides sont des gaz, le premier gaz étant destiné à entrer dans l'enceinte extérieure (2) à une température supérieure à 7000C, et Ie second gaz étant destiné à sortir de l'enceinte extérieure (2) à une température supérieure à 7000C.
12. Ensemble selon la revendication 11 , caractérisé en ce que le premier fluide comprend majoritairement de l'hélium, le second fluide comprenant majoritairement de l'hélium et/ou de l'azote.
13. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les premier et second fluides sont les fluides primaire et secondaire d'un réacteur nucléaire à haute température ou à très haute température.
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