WO2015028923A1 - Echangeur de chaleur entre deux fluides, utilisation de l'echangeur avec du metal liquide et du gaz, application a un reacteur nucleaire a neutrons rapides refroidi avec du metal liquide - Google Patents

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WO2015028923A1
WO2015028923A1 PCT/IB2014/064023 IB2014064023W WO2015028923A1 WO 2015028923 A1 WO2015028923 A1 WO 2015028923A1 IB 2014064023 W IB2014064023 W IB 2014064023W WO 2015028923 A1 WO2015028923 A1 WO 2015028923A1
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fluid
inlet
heat exchanger
outlet
enclosure
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Lionel Cachon
Christophe Garnier
Alexandre MOLLA
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • F28D2021/0054—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for nuclear applications

Definitions

  • the present invention relates to the exchange of heat between two fluids.
  • the invention relates more particularly to the realization of a new type of compact heat exchanger and high thermal power.
  • the invention thus relates to a heat exchanger integrating one or more plate type heat exchanger modules in a pressure shell.
  • the main use of the exchanger between two fluids according to the invention is its use with liquid metal and gas.
  • This may advantageously be liquid sodium and nitrogen.
  • the main application targeted by the exchanger according to the invention is the exchange of heat between a liquid metal, such as liquid sodium, of the secondary loop and nitrogen as a gas of the tertiary loop of a reactor.
  • a liquid metal such as liquid sodium
  • fast neutrons cooled with the liquid metal such as liquid sodium called RNR-Na or SFR (acronym for "Sodium Fast Reactor") and which is part of the family of so-called fourth generation reactors.
  • a heat exchanger according to the invention can also be implemented in any other application requiring exchange between two fluids, such as a liquid and a gas, preferably when it is necessary. to have a compact exchanger and high thermal power.
  • primary fluid means the usual thermal meaning, namely the hot fluid which transfers its heat to the secondary fluid which is the cold fluid,
  • secondary fluid in the context of the invention, the usual thermal sense, namely the cold fluid to which is transferred the heat of the primary fluid.
  • the primary fluid is the sodium that circulates in the so-called secondary loop of the thermal conversion cycle of a reactor RNR-Na, while the secondary fluid is the nitrogen that circulates in the tertiary loop of said cycle.
  • the heat exchangers have significant advantages over heat exchangers, known as tube heat exchangers, in particular their thermal performance and their compactness thanks to a ratio of the surface area to the heat exchange volume favorably. Student. Compact plate heat exchangers are used in many industrial fields.
  • the known tube exchangers are, for example, tube and shell exchangers, in which a bundle of straight or bent tubes. U-shaped or helically shaped is fixed on drilled plates and disposed inside a sealed enclosure called calender. In these tube and shell exchangers, one of the fluids circulates inside the tubes while the other fluid circulates inside the shell. These tube and shell exchangers have a large volume and are therefore of low compactness.
  • AREVA has proposed, in the framework of studies carried out on high- or high-temperature gas reactors, called HTR or VHTR (for "High Temperature Reactor” or “Very High Temperature Reactor”), a design solution. in a calender of a series of plate heat exchanger modules by pooling a portion of the fluid supply and distribution manifolds.
  • This solution for example described in patent FR 2887618, is advantageous insofar as the unit heat power of the exchanger can be increased by increasing the number of heat exchanger modules in series.
  • the radial orientation of the exchanger modules and the relative arrangement of the collectors with respect to the sealed enclosure forming the shell limit the use of a heat exchanger to an exchange between gas and gas because, a liquid is not possible and, on the other hand do not allow to have a really compact exchanger.
  • the volume occupied by the structures (sealed enclosure, support, etc.) and the collectors is much greater than the intrinsic volume of the exchanger modules.
  • the inventors of the present invention were faced with the need to find a heat exchanger between a liquid metal, such as liquid sodium, and a gas, with the need to be able to perform a gravity drain of the liquid metal circuit and thus an elimination of the retention zones in this circuit.
  • FIGS. 1 to 1C show the views of the heat exchanger as disclosed in this publication [1],
  • the heat exchanger 1 is intended to transfer heat between a first fluid, which is nitrogen (N 2 ) (cold fluid) and a second fluid which is liquid sodium (Na).
  • a first fluid which is nitrogen (N 2 ) (cold fluid)
  • a second fluid which is liquid sodium (Na).
  • FIGS. 1 to 1C also show the characteristic temperatures and pressures of nitrogen and sodium, respectively, as they are provided at their inlet and at their exit from exchanger 1.
  • the pressure of 180 bars is that of nitrogen and therefore, that prevailing inside the sealed enclosure 2.
  • the heat exchanger 1 of the central axis X 2 comprises a sealed enclosure in which is housed a plurality of 3 exchanger modules 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, arranged vertically and parallel to the axis X. As best illustrated in Figure 1A. the number of identical exchanger modules is equal to four.
  • the sealed enclosure 2 is of substantially cylindrical general shape and consists essentially of a cover 20 assembled with a bottom 21. The cover 20 has no opening.
  • the sealed enclosure 2 comprises at one of its longitudinal ends, both an inlet 10 and an outlet 11 of the nitrogen and an inlet 12 and an outlet 13 of the liquid sodium.
  • Each exchanger module 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 integrates two fluid circuits including one dedicated to the circulation of sodium (Na) from a nuclear reactor RN11-Na. as the primary fluid of the exchanger module, and the other dedicated to the circulation of nitrogen (N2) as a secondary fluid.
  • Na sodium
  • N2 nitrogen
  • the plurality of exchanger modules 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 is supported by a support structure 4.
  • the support structure 4 is flexibly fixed in the sealed enclosure 2.
  • the exchanger modules 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 are placed on a perforated support plate 40 which is suspended in the chamber 2 by means of flexible arms 40a, 40b, 40c ( Figure 1C).
  • a nitrogen inlet chamber 5 is formed axially on the top of the chamber 2, at its upper longitudinal end 2b, between the exchanger modules 3.1. to 3.4 and the cover 20 of the enclosure 2.
  • this chamber 5 communicates with each unrepresented input of the integrated nitrogen circuit in one of the exchanger modules 3.1 to 3.4.
  • a first central collector 6 is arranged axially around the central axis (X). This first central collector 6 has the function of recovering the hot nitrogen to which the heat of the sodium has been transferred in the exchanger modules 3.1 to 3.4.
  • This central collector 6 therefore communicates upstream with each unrepresented output of the integrated nitrogen circuit in one of the exchanger modules 3.1 to 3.4. Downstream, this central collector 6 communicates with the outlet 11 of the nitrogen of the enclosure 2.
  • annular collector 7 is arranged around the central collector 6 and exchanger modules 3.1 to 3.4 forming a nitrogen guide space.
  • This annular collector 7 serves to bring the cold nitrogen into the chamber 5. More precisely, this annular manifold 7 consists essentially of a flared deflector 70 and a cylindrical shell 71.
  • the nitrogen guiding space is delimited from upstream to downstream, at the outside by the chamber 2 and inside, by the first central collector 6 and then by the deflector 70 and the shell 71.
  • the annular collector 7 is arranged coaxially around the first central collector 6.
  • the annular collector 7 thus communicates upstream with the inlet 10 of the nitrogen of the enclosure 2 and downstream with the chamber 5.
  • a plurality 8 of inlet pipes 81, 82, 83, 84 is arranged to bring the hot sodium into each of the unrepresented inputs of the sodium circuit integrated in one of the exchanger modules 3.1 to 3.4.
  • each inlet pipe 81 to 84 communicates upstream with the inlet 12 of the sodium of the enclosure 2, and downstream with each inlet 31 to 34 of the sodium circuit integrated in one of the exchanger modules 3.1 to 3.4 .
  • each inlet 31 to 34 is made on a lateral side of the underside of a module 3.1 to 3.4: the plurality 8 of inlet pipes 81 to 84 is thus curved in order to be able to reach these entrances lateral 31 to 34.
  • a plurality 9 of outlet pipes 91, 92, 93, 94 are arranged to extract the cold sodium from each of the outlets. integrated sodium circuit in one of the exchanger modules 3.1 to 3.4.
  • each outlet pipe 91 to 94 communicates upstream with an output of the sodium circuit integrated in one of the exchanger modules 3.1 to 3.4 and downstream with the outlet 13 of the sodium of the enclosure 2.
  • the outlet 13 of the sodium cold takes place laterally and upwards of the enclosure 2.
  • each sodium outlet is produced on a lateral side of the top of a module 3.1 to 3.4: the plurality of outlet pipes 91 to 94 is thus curved in order to be able to emerge on these lateral outlets.
  • the plurality of pipes 8 input 81-84 communicates with a second central manifold 14 which thus causes the hot liquid sodium through the inlet 12 of the enclosure 2.
  • the first manifold central 6 is coaxial with the second central collector 14 and disposed between the annular collector 7 and the second central collector 14.
  • the cold nitrogen arrives, at a temperature of the order of 330 ° C. and at a pressure of the order of 180 bar, through the inlet 10 and is then fed through the annular manifold 7 at the top of the enclosure 2 and is redirected to, the. inlet chamber 5 by the cover 20, as illustrated by the rising and descending side arrows in FIG.
  • the nitrogen then flows through the heat exchanger modules 3.1 to 3.4 in which heat from the hot sodium is transferred thereto.
  • the nitrogen which has become hot at a temperature of the order of 515 ° C., emerges from the modules 3.1 to 3.4 and is extracted from the enclosure through the outlet 11 via the first central collector 6.
  • the hot sodium is brought, at a temperature of the order of 530 ° C, by the second central collector 14 through the inlet 12 and is distributed in each exchanger module 3.1 to 3.4 by the pipes 81 to 84.
  • the hot sodium then passes through the heat exchanger modules 3.1 to 3.4 in which it transfers its heat to the nitrogen.
  • the heat exchanger 1 which has just been described has the advantages of being able to be of high unit thermal power and of being compact.
  • the arrangement of the exchanger modules 3.1 to 3.4, the plurality of inlet and outlet pipes 9 and the second central manifold 14 allows gravity drainage of sodium but only hot sodium. Indeed, with regard to cold sodium, given the curved shape of the outlet pipes, it is very likely that there is a retention of cold sodium.
  • this heat exchanger presents as a major disadvantage that the distribution of the fluids can be difficult to guarantee in an industrial way taking into account the temperature levels required for the operation.
  • it is first necessary to ensure the perfect sliding seal between the supply manifold 14 of the sodium and the output manifold 6 of the nitrogen which is coaxial, with the aid of a bellows 15.
  • the hot nitrogen coming out of the modules Exchanger 3.1 to 3.4 is recovered by the deflector 70, as shown by the downward curved arrows, which therefore thermally urges the suspended support structure 4, 40 of the exchanger modules 3.1 to 3.4.
  • the support part itself 40 must also seal between the hot nitrogen present in the chamber 5 and the cold nitrogen recovered downstream.
  • it is necessary to ensure both the good mechanical and thermal strength of the flexibility of the arms 40a to 40c and good flexibility in the inlet pipes 81 to 84 of the sodium passing through the support 40 by means of metal bellows 16 .
  • the object of the invention is to at least partially meet this need.
  • the subject of the invention is a heat exchanger between a first and a second fluid, comprising:
  • a étanehe enclosure having a central axis and comprising, at one of its longitudinal ends, at least one inlet and an outlet of the first fluid and, at the other of its longitudinal ends, at least one inlet and one outlet of the second fluid, the sealed enclosure being adapted to be pressurized,
  • At least one heat exchanger module integrating a first and second fluid circuit, extending parallel to the central axis and arranged inside the enclosure,
  • first fluid formed axially between the support and the enclosure, and communicating with one of the inlet and the outlet of the first fluid circuit,
  • a first central collector extending around the central axis, arranged axially opposite the chamber and communicating on the one hand with one of the inlet and the outlet of the first fluid of the enclosure; and on the other hand with the other of the inlet and the outlet of the first fluid circuit.
  • an annular collector arranged around the first central collector and the at least one exchanger module, to the support, by forming a guiding space for the first fluid and communicating on the one hand with the other of the inlet and of the output of the first fluid of the enclosure and secondly with the chamber,
  • At least one inlet pipe communicating on the one hand with the inlet of the second fluid of the enclosure, and on the other hand with the inlet of the second fluid circuit,
  • At least one outlet pipe communicating on the one hand with the outlet of the second fluid of the enclosure, and on the other hand with the outlet of the second fluid circuit, the pipes being not supported by the support structure and keeping.
  • collector means here and in the context of the invention a device for dispensing or collecting a fluid, respectively to or from one or more channels.
  • piping is meant here and in the context of the invention, a conduit for dispensing or collecting a fluid to and from a single channel.
  • the support structure does not serve to support the pipes and that it receives no mechanical stress or adverse thermal stress through the pipes.
  • the pipes are arranged at a distance from the support and holding structure.
  • the pipes and the supporting and holding structure are mechanically and thermally decoupled from each other.
  • the invention consists first and foremost in defining an exchange structure of heat which makes it possible to bring and recover the primary fluid, such as sodium, at the same longitudinal end and away from the longitudinal end through which the secondary fluid, such as nitrogen, is fed and recovered.
  • the primary fluid such as sodium
  • the secondary fluid such as nitrogen
  • the invention consists in rigidly fixing the support structure of the exchanger modules to the sealed enclosure and in bringing the coldest fluid (secondary fluid) to the support side. Thanks to this, the support structure is subjected to relatively low temperatures, and therefore it is less thermally constrained.
  • the heat exchanger allows the gravity draining of the primary fluid from the bottom of the sealed enclosure, away from the first central manifold through which the secondary fluid, which is disposed in the upper part of the sealed enclosure, is extracted.
  • a compact heat exchanger with a high unit thermal power is obtained for a liquid-gas metal exchange and whose industrial production can be guaranteed easily and reliably.
  • the heat exchanger comprises:
  • the unit thermal power of such an exchanger is high.
  • the plurality of inlet pipes communicates with a second central collector.
  • the plurality of outlet pipes communicates with a third central collector.
  • the third central collector is arranged coaxially around the second central collector.
  • the inlet of the first and / or second fluid circuit of each exchanger module is arranged at a longitudinal end of each module.
  • the output of the first and / or the second fluid circuit being arranged at a longitudinal end of each module.
  • the inlet of the first fluid circuit and the outlet of the second fluid circuit of each exchanger module being arranged at the same longitudinal end and the inlet of the second fluid circuit and the outlet of the first fluid circuit of each exchanger module being arranged at the same opposite longitudinal end.
  • the invention also relates, in another of its aspects, to a method of operating the heat exchanger which has just been described, the sealed chamber being arranged substantially vertically with the inlet and the outlet of the first fluid. top and the inlet and the outlet of the second fluid at the bottom.
  • the invention also relates to the use of the heat exchanger which has just been described, the first fluid being a secondary fluid being a gas or a mixture of gases and the second fluid as the primary fluid being a liquid metal.
  • the first fluid mainly comprises nitrogen and the second fluid is liquid sodium.
  • the first or the second fluid can come from a nuclear reactor.
  • the invention relates to a nuclear installation comprising a fast neutron nuclear reactor cooled with liquid metal, especially liquid sodium said RNR-Na or SFR and a heat exchanger described above.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view and perspective of a heat exchanger according to the state of the art
  • FIG. 1A is a perspective view and cut away of the heat exchanger according to Figure 1;
  • FIGS. 1B and 1C are detailed views of a heat exchanger according to FIG.
  • FIG. 2 is a perspective and cutaway view of a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 2A is a perspective and cutaway view of the upper part of a heat exchanger according to FIG. 2;
  • FIG. 2B is a perspective and cut away view of the lower part of a heat exchanger according to FIG. 2;
  • FIG. 3 is a perspective view of the plurality of exchanger modules and a part of the support structure of the heat exchanger according to FIG. 2;
  • FIG. 4 is a perspective view of the plurality of exchanger modules and of an additional part of the support structure of the heat exchanger according to FIG. 2;
  • FIG. 5 is a perspective view of the plurality of exchanger modules and an additional portion of the support structure of the heat exchanger according to FIG. 2;
  • Figure 5A is a detail view of Figure 5;
  • FIG. 6 shows Figure 5 and further illustrates in perspective the first central collector of the heat exchanger according to the invention
  • FIG. 7 shows Figure 6 and further illustrates in perspective the inlet and outlet pipes of one of the fluids and their central collectors of the heat exchanger according to the invention
  • FIG. 8 is an isolated perspective view of the inlet and outlet pipes of one of the fluids and of their central collectors shown in FIG. 7;
  • FIG. 8A shows FIG. 7 and further illustrates in perspective the arrangement of a portion of the annular collector and the arrangement of the inlet and outlet pipes and their central collectors in the bottom of the sealed enclosure. of the exchanger according to the invention
  • FIG. 9 is a perspective view and cut away of the relative arrangement between the lid of the sealed chamber and another part of the annular collector.
  • the inventors of the present invention have sought to retain the advantages of the heat exchanger I according to this publication, namely essentially a good compactness and a high unit thermal power, while avoiding its major disadvantage. In this way, they sought to guarantee the distribution of fluids industrially.
  • the heat exchanger 1 is shown in its vertical operating configuration with the lid 20 of the sealed enclosure on top.
  • the heat exchanger 1 of central axis X comprises a sealed enclosure 2 in which is housed a plurality of 3 exchanger modules 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8 arranged vertically and parallel to the X axis.
  • the number of identical exchanger modules is equal to eight.
  • the sealed enclosure 2 is of substantially cylindrical general shape and consists essentially of a cover 20, a bottom 21 and a side shell 22 in the form of a ferrule.
  • the lid 20 and the ferrule 22 are assembled together at means of a first group of bolts 23.
  • the bottom 21 and the ferrule 22 are also assembled together by means of a second group of bolts 23.
  • the sealed enclosure 2 comprises at one of its longitudinal ends 2a, an inlet 10 and an outlet 1 1 of the nitrogen
  • Each exchanger module 3.1 to 3.8 integrates two fluid circuits, one of which is dedicated to the circulation of sodium (Na) coming from a nuclear reactor RNR-Ma, as the primary fluid of the exchanger module, and the other dedicated to the circulation of nitrogen (N2) as a secondary fluid.
  • the plurality of heat exchanger modules 3.1 to 3.8 is supported by a supporting and holding structure 4.
  • the support and holding structure 4 is thus fixed rigidly to the external enclosure 2.
  • a nitrogen inlet chamber 5 is formed axially on the underside of the enclosure 2, at its lower longitudinal end 2b, between the support structure 4 and the bottom 21 of the enclosure 2. In other words, this chamber 5 is the space available between the support structure 4 and the bottom 21 of the enclosure 2.
  • This chamber 5 communicates with each unrepresented input of the integrated nitrogen circuit in one of the exchanger modules 3.1 to 3.8.
  • a first central collector 6 is arranged axially around the central axis (X).
  • This first central collector 6 has the function of recovering the hot nitrogen to which the heat of the sodium has been transferred in the exchanger modules 3.1 to 3.8.
  • This hot collector 6 is thus common to the modules 3.1 to 3.8 but each of them independently supplies this collector through the outlet 30.
  • This central collector 6 thus communicates upstream with each output 30 of the integrated nitrogen circuit in one of the exchanger modules 3.1 to 3.4. Downstream, this central collector communicates with the outlet 11 of the nitrogen of the enclosure 2, i.e. through the cover 20.
  • annular collector 7 is arranged coaxially around the central collector 6 and exchanger modules 3.1 to 3.8 forming a nitrogen guide space.
  • This annular collector 7 serves to bring the cold nitrogen into the chamber 5. More specifically, this annular manifold 7 consists essentially of a deflector of flared shape 70 and a cylindrical shell 71.
  • the annular collector 7 can be constituted in one piece made by boiler.
  • FIG. 1 A relative arrangement between the deflector 70 and the cover 20 of the enclosure is shown in FIG.
  • the guiding space 72 of the cold nitrogen coming from the inlet 10 is delimited from upstream to downstream, outside by the enclosure 2 and inside, only by the annular collector 7, it is that is to say by the deflector 70 and the shell 71.
  • the function of the shell 71 is to guide the cold nitrogen along the wall of the sealed enclosure 2, in order to distribute it through the lower ends of the modules 3.1 to 3.8.
  • the cold nitrogen distributed in the annular space 72 sets the temperature of the wall of the sealed enclosure 2, typically at about 330 ° C.
  • the annular collector 7 therefore communicates upstream with the return of nitrogen from the enclosure 2 and downstream with the chamber 5.
  • a plurality 8 of inlet pipes 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88 are arranged to bring the hot sodium into each of the inlets 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 of the integrated sodium circuit in one of the exchanger modules 3.1 to 3.8.
  • each inlet pipe 81 to 88 communicates upstream with the inlet 12 of the sodium of the enclosure 2, and downstream with each inlet 31 to 38 of the sodium circuit integrated in one of the exchanger modules 3.1 to 3.8 .
  • the plurality 8 of inlet pipes communicates with a second central collector 14.
  • each inlet 31 to 38 is formed on the top of a module 3.1 to 3.8: the plurality 8 of inlet pipes 81 to 88 is thus curved in order to be able to lead to these longitudinal inlets 31 to 38 .
  • each input 31 to 38 is made on a longitudinal side in the upper part of a module 3.1 to 3.8.
  • a plurality 9 of outlet pipes 91, 92, 93, 94, 95, 96, 7, 98 is arranged to extract the cold sodium from each of the outputs of the integrated sodium circuit in one of the exchanger modules 3.1 to 3.8.
  • each outlet pipe 91 to 98 communicates upstream with an outlet of the sodium circuit integrated in one of the exchanger modules 3.1 to 3.8 and downstream with the outlet 13 of the sodium of the enclosure 2.
  • the outlet 13 of the cold sodium takes place bottom of the chamber 2 through the bottom 21.
  • the plurality 9 of output pipes communicates with a third central collector 17.
  • FIG. 7A An advantageous embodiment of the plurality of inlet and outlet pipes 9 and their relative arrangement is shown in FIG. 7A: the coaxial arrangement of the third central collector 17 is clearly seen around the second central collector 14.
  • the support and holding structure 4 comprises a support platform 40 which bears against a peripheral shoulder inside the bottom 21 of the enclosure 2. According to the invention, no function of relative sealing between the supply of cold nitrogen and the recovery of hot nitrogen is not to be realized for the platform 40. Thus, as it appears better later, no flexibility by metal bellows between the inlet piping 8 and sodium 9 output is to achieve.
  • the platform 40 can thus be perforated, in particular to reduce the weight.
  • the platform 40 may be a beam assembly made in welded mechanics.
  • the modules 3.1 to 3.8 are placed on the platform 40 and are held in position by brackets fixed on the platform 40 ( Figure 3).
  • the supporting and holding structure 4 also comprises means 41 for lateral holding of the exchanger modules 3.1 to 3.8, also fixed on the platform 40 (FIG. 4), by way of example, the lateral holding means 41 can be a welded welded beam assembly that conforms to the outer shape of the modules, it may be two groups of beams at 90 ° from each other and dividing the modules 3.1 to 3.8 into four equal groups ( Figure 4).
  • a sealing plate 42 is screwed onto the holding structure 41 (FIG. 5). Its function is to seal the cold nitrogen fed into the heat exchanger and the hot nitrogen leaving each exchanger module 3.1 to 3.8 is recovered by the first central collector 6.
  • the first central collector 6 or hot collector, nitrogen is fixed directly on the sealing plate 42.
  • An advantageous embodiment of realization of the sliding sealing system between central collector 6 and modules 3.1 to 3.8 is shown in FIG. 5A: a flange 43 is fixed on the sealing plate 42 by means of screws 44 and segment joints 45 between the output 30 of the modules and the collector 6 are arranged. Seals 46 are also arranged between flange 43 and sealing plate 42. Alternatively, metal bellows could be provided.
  • heat exchanger 1 which has just been described will now be briefly explained in relation to the path of nitrogen and sodium.
  • the cold nitrogen arrives, at a temperature of the order of 330 ° C. and at a pressure of the order of 180 bar, through the inlet 10 and is then fed through the annular manifold 7 at the bottom of the enclosure 2 until to the inlet chamber 5 above the bottom 21, as illustrated by the lateral arrows in FIG.
  • the nitrogen then flows through the heat exchanger modules 3.1 to 3.8 in which the heat from the hot sodium is transferred thereto.
  • the nitrogen which has become hot at a temperature of the order of 515 ° C., emerges from the modules 3.1 to 3.8 and is then withdrawn from the enclosure through the outlet 11 via the first central collector 6.
  • the hot sodium is brought, at a temperature of the order of 530 ° C, by the second central collector 14 through the inlet 12 and is distributed in each exchanger module 3.1 to 3.8 by the pipes 81 to 88, as illustrated by the rising vertical arrows in FIG.
  • the sodium then passes through the heat exchanger modules 3.1 to 3.8 in which it transfers its heat to the nitrogen.
  • the sodium which has become cold at a temperature of the order of 345 ° C., emerges from the modules 3.1 to 3.8 at their lower ends and is then extracted from the enclosure 2 through the outlet 13 via the outlet pipes 91 to 98. .
  • the cold gas (cold N2) flows from top to bottom and counteracts with the hot sodium.
  • the cold gas (cold N2) reaches the chamber 5, enters at the bottom of the modules 3.1 to 3.8 and then hot spring through the module outlets 30 to supply the collector 6 and finally the heat exchanger outlet 1 via outlet 1.
  • FIG. 2A in the heat exchanger 1 according to the invention, there is no gas inlet manifold by module: the gas channels defined between the deflector 7 and the chamber 2 open directly into the latter, at the chamber 5.
  • the chamber 5 defmed by the chamber 2 acts as an inlet manifold gas.
  • the circulation of the fluids is compatible with a circulation in natural convection.
  • the cold gas (N2) meanwhile descends along the wall of the sealed chamber 2 and it rises at the same time as it is heated to be extracted by the central collector 6. The heat promotes its progression upwards. the exchanger 1.

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Abstract

Echangeur de chaleur entre deux fluides, Utilisation de l'échangeur avec du métal liquide et du gaz, Application à un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du mêlai liquide» La présente invention concerne un échangeur de chaleur (1) entre un premier (N2) et un deuxième (Na) fluides. Selon l'invention, la structure de l'échangeur de chaleur permet d'amener et récupérer le fluide primaire, tel que le sodium (Na), à une même extrémité longitudinale (2a) et à l'opposé de l'extrémité longitudinale (2b) par laquelle le fluide secondaire, tel que l'azote (N2), est amené et récupéré. Cela permet d'avoir une séparation physique entre les trajets des deux fluides dans l'échangeur avec la possibilité d'avoir notamment un accès réglementé pour l'un des fluides, tel que le sodium (Na) et non réglementé pour l'autre des fluides, tel que l'azote (N2).

Description

ECHANGEUR DE CHALEUR ENTRE DEUX FLUIDES, UTILISATION DE L'ECHANGEUR AVEC DU METAL LIQUIDE ET DU GAZ, APPLICATION A UN REACTEUR NUCLEAIRE A NEUTRONS RAPIDES REFROIDI AVEC DU
METAL LIQUIDE
Domaine technique
La présente invention concerne les échange urs de chaleur entre deux fluides.
L'invention a trait plus particulièrement à la réalisation d'un nouveau type d'échangeur de chaleur compact et de grande puissance thermique.
L'invention concerne ainsi un échangeur de chaleur intégrant un ou plusieurs modules d'échangeur de type à plaques dans une calandre en pression.
L'utilisation principale de Γ échangeur entre deux fluides selon l'invention est son utilisation avec du métal liquide et du gaz. D peut s'agir avantageusement de sodium liquide et d'azote.
L'application principale visée par Γ échangeur selon l'invention est l'échange de chaleur entre un métal liquide, tel que sodium liquide, de la boucle secondaire et de l'azote en tant que gaz de la boucle tertiaire d'un réacteur à neutrons rapides refroidi avec le métal liquide, tel que le sodium liquide dit RNR-Na ou SFR (acronyme anglais de « Sodium Fast Reactor ») et qui fait partie de la famille des réacteurs dits de quatrième génération.
Bien que décrite en relation avec cette application principale, un échangeur de chaleur selon V invention peut aussi être mis en œuvre dans toute autre application nécessitant un échange entre deux fluides, tels qu'un liquide et un gaz, de préférence lorsqu'il est nécessaire d'avoir un échangeur compact et de grande puissance thermique.
Par « fluide primaire », on entend dans le cadre de l'invention, le sens usuel en thermique, à savoir le fluide chaud qui transfert sa chaleur au fluide secondaire qui est le fluide froid,
A contrario, par « fluide secondaire », on entend dans le cadre de l'invention, le sens usuel en thermique, à savoir le fluide froid auquel est transféré la chaleur du fluide primaire.
Dans l'application principale, le fluide primaire est le sodium qui circule dans la boucle dite secondaire du cycle de conversion thermique d'un réacteur RNR-Na, tandis que le fluide secondaire est l'azote qui circule dans la boucle tertiaire dudit cycle. Etat de la technique
Les échangeurs de chaleur, dits à plaques, existants présentent des avantages importants par rapports aux échangeurs de chaleur, dits à tubes, existants, en particulier leurs performances thermiques et leur compacité grâce à un rapport de la surface sur le volume d'échanges thermiques favorablement élevé. Les échangeurs compacts à plaques sont utilisés dans de nombreux, domaines industriels.
Les échangeurs à tubes connus sont par exemple des échangeurs à tubes et calandre, dans lesquels un faisceau de tubes droits ou cintrés en. forme de U ou en forme d'hélice est fixé sur des plaques percées et disposé à l'intérieur d'une enceinte étanche dénommée calandre. Dans ces échangeurs à tubes et calandre, l'un des fluides circule à l'intérieur des tubes tandis que l'autre fluide circule à l'intérieur de la calandre. Ces échangeurs à tubes et calandre présentent un volume important et sont donc de faible compacité.
Il a déjà été décrit dans la littérature la réalisation d'échangeurs de chaleur comportant des modules d'échangeurs compacts à plaques agencés dans une calandre sous pression.
On peut citer ici le brevet FR 2733823 qui divulgue la mise en calandre sous pression constituée d'une enceinte étanche, d'un faisceau de plaques à ondulations qui permet le fonctionnement desdites plaques à des pressions plus élevées que ne pourrait le permettre leur résistance mécanique intrinsèque. La mise en oeuvre d'un tel échangeur est très dépendante de la technologie de fabrication du faisceau de plaques ondulées et elle se limite à un seul faisceau de plaques, ce qui a pour inconvénient de limiter la puissance thermique unitaire de F échangeur.
Les échangeurs compacts à plaques ne sont pas mis en œuvre actuellement dans le domaine nucléaire et aucun code de dim ensionn ement nucléaire ne les intègre.
La société AREVA a cependant proposé, dans le cadre des études menées sur les réacteurs à gaz à hautes ou très températures, dits HTR ou VHTR (pour « High Température Reactor » ou « Very High Température Reactor » en anglais), une solution de conception en calandre d'une série de modules d'échangeurs à plaques en mettant en commun une partie des collecteurs d'alimentation et de distribution des fluides. Cette solution, par exemple décrite dans le brevet FR 28876 î 8, est avantageuse dans la mesure où la puissance thermique unitaire de Γ échangeur peut être augmentée en augmentant le nombre de modules d'échangeur en série. En revanche, l'orientation radiale des modules d'échangeurs et la disposition relative des collecteurs par rapport à Γ enceinte étanche formant la calandre, d'une part limitent l'utilisation de réchangeur à un échange entre gaz et gaz car, la vidange d'un liquide n'est pas possible et, d'autre part ne permettent pas d'avoir un échangeur réellement compact. Ainsi, le volume occupé par les structures (enceinte étanche, support...) et les collecteurs est très supérieur au volume intrinsèque des modules d'échangeur.
Outre les problématiques de compacité d'échangeur et de puissance thermique unitaire élevée, les inventeurs de la présente invention ont été confrontés à la nécessité de trouver un échangeur de chaleur entre un métal liquide, tel que le sodium liquide, et un gaz, avec la nécessité de pouvoir effectuer une vidange gravitaire du circuit de métal liquide et donc une élimination des zones de rétention dans ce circuit.
Dans le cadre de ses études pour un prototype de réacteur nucléaire à neutron rapides refroidis au sodium liquide, les inventeurs ont déjà proposé une solution de conception d'échangeur de chaleur entre du sodium liquide et un gaz qui met en oeuvre des modules d'échangeurs compacts à plaques. Cette solution est par exemple décrite dans la publication [1],
On a reproduit aux figures 1 à 1C, les vues de l' échangeur de chaleur telles que divulguées dans cette publication [1],
L' échangeur de chaleur 1 est destiné à transférer de la chaleur entre un premier fluide, qui est de l'azote (N2) (fluide froid) et un deuxième fluide qui est le sodium liquide (Na).
On a indiqué également sur ces figures 1 à 1C, les températures et pressions caractéristiques respectivement de l'azote et du sodium telles qu'elles sont prévues à leur entrée et à leur sortie de Γ échangeur 1. En particulier, la pression de 180 bars est celle de l'azote et donc, celle régnant à l'intérieur de l'enceinte étanche 2.
L' échangeur de chaleur 1 d'axe central X comporte une enceinte étanche 2 dans laquelle est logée une pluralité 3 de modules d'échangeur 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, agencés à la verticale et parallèlement à l'axe X. Tel que mieux illustré en figure 1A. le nombre de modules d'échangeur identiques est égal à quatre. L'enceinte étanche 2 est de forme générale essentiellement cylindrique et est constituée essentiellement d'un couvercle 20 assemblé avec un fond 21. Le couvercle 20 ne comporte pas d'ouverture.
Ainsi, l'enceinte étanche 2 comporte à l'une 2a de ses extrémités longitudinales, à la fois une entrée 10 et une sortie 11 de l'azote et une entrée 12 et une sortie 13 du sodium liquide.
Chaque module d'échangeur 3.1 , 3.2, 3.3, 3.4 intègre deux circuits de fluide dont un dédié à la circulation du sodium (Na) provenant d'un réacteur nucléaire RNll-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.
La pluralité 3 de modules d'échangeur 3.1 , 3,2, 3.3, 3.4 est supportée par une structure support 4.
Comme expliqué par la suite, la structure support 4 est fixée de manière flexible dans l'enceinte étanche 2. A cet effet, les modules d'échangeur 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 sont posés sur une plaque support ajourée 40 qui est suspendue dans l'enceinte 2 par l'intermédiaire de bras flexibles 40a, 40b, 40c (figure 1 C).
Une chambre 5 d'entrée de l' azote est ménagée axialement sur le dessus de l'enceinte 2, à son extrémité longitudinale supérieure 2b, entre les modules d'échangeur 3.1. à 3.4 et le couvercle 20 de l'enceinte 2.
Comme illustré en figure 1 à l'aide des flèches incurvées, cette chambre 5 communique avec chaque entrée non représentée du circuit de l'azote intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.4.
A l'opposé de la chambre 5, un premier collecteur central 6 est agencé axialement autour de l'axe central (X). Ce premier collecteur central 6 a pour fonction de récupérer l'azote chaud auquel a été transférée la chaleur du sodium dans les modules d'échangeur 3.1 à 3.4.
Ce collecteur central 6 communique donc en amont avec chaque sortie non représentée du circuit de l'azote intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.4. En aval, ce collecteur central 6 communique avec la sortie 11 de l'azote de l'enceinte 2.
Un collecteur annulaire 7 est agencé autour du collecteur central 6 et des modules d'échangeur 3.1 à 3.4 en formant un espace de guidage de l'azote. Ce collecteur annulaire 7 a pour fonction d'amener l'azote froid dans la chambre 5. Plus précisément, ce collecteur annulaire 7 est constitué essentiellement d'un déflecteur de forme évasée 70 et d'une virole de forme cylindrique 71. Ainsi, l'espace de guidage de l'azote est délimité d'amont en aval, à l'extérieur par l'enceinte 2 et à l'intérieur, par le premier collecteur central 6 puis par ie déflecteur 70 et la virole 71. Le collecteur annulaire 7 est agencé de manière coaxiale autour du premier collecteur central 6.
Le collecteur annulaire 7 communique donc en amont avec l'entrée 10 de l'azote de l'enceinte 2 et en aval avec la chambre 5.
Une pluralité 8 de tuyauteries d'entrée 81, 82, 83, 84 est agencée pour amener le sodium chaud dans chacune des entrées non représentées du circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.4.
Ainsi, chaque tuyauterie d'entrée 81 à 84 communique en amont avec l'entrée 12 du sodium de l'enceinte 2, et en aval avec chaque entrée 31 à 34 du circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.4.
Tel que mieux illustré en figure 1 A, chaque entrée 31 à 34 est réalisée sur un côté latéral du dessous d'un module 3.1 à 3.4 : la pluralité 8 de tuyauteries d'entrée 81 à 84 est donc incurvée pour pouvoir déboucher sur ces entrées latérales 31 à 34.
Une pluralité 9 de tuyauteries de sortie 91 , 92, 93, 94 est agencée pour extraire le sodium froid de chacune des sorties du. circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.4.
Ainsi, chaque tuyauterie de sortie 91 à 94 communique en amont avec une sortie du circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.4 et en aval avec la sortie 13 du sodium de l'enceinte 2. La sortie 13 du sodium froid s'effectue latéralement et vers le haut de l'enceinte 2.
Tel que mieux illustré en figure 1 A, chaque sortie de sodium est réalisée sur un côté latéral du dessus d'un module 3.1 à 3.4 : la pluralité 9 de tuyauteries de sortie 91 à 94 est donc incurvée pour pouvoir déboucher sur ces sorties latérales.
Egalement, tel que mieux illustré en figure 1A, la pluralité 8 de tuyauteries d'entrée 81 à 84 communique avec un deuxième collecteur central 14 qui amène donc le sodium liquide chaud à travers l'entrée 12 de l'enceinte 2. Le premier collecteur central 6 est coaxial au deuxième collecteur central 14 et disposé entre le collecteur annulaire 7 et le deuxième collecteur central 14. Le fonctionnement de l'échangeur de chaleur î qui vient d'être décrit va maintenant être brièvement expliqué en relation avec le trajet de l'azote et du sodium.
L'azote froid arrive, à une température de l'ordre de 330°C et à une pression de l'ordre de 180 bar, par l'entrée 10 puis est amené par le collecteur annulaire 7 en haut de l'enceinte 2 et est redirigé jusqu'à, la. chambre d'entrée 5 par le couvercle 20, comme illustré par les flèches latérales montantes puis redescendantes en figure 1.
L'azote circule alors à travers les modules d'échangeur de chaleur 3.1 à 3.4 dans lesquels la chaleur provenant du sodium chaud lui est transférée.
L'azote devenu chaud, à une température de l'ordre de 515°C, ressort des modules 3.1 à 3.4 puis est extrait de l'enceinte par la sortie 11 par l'intermédiaire du premier collecteur central 6.
Le sodium chaud, quant à lui, est amené, à une température de l'ordre de 530°C, par le deuxième collecteur central 14 à travers l'entrée 12 puis est distribué dans chaque module d'échangeur 3.1 à 3.4 par les tuyauteries d'entrée 81 à 84.
Le sodium chaud passe alors à travers les modules d'échangeur de chaleur 3.1 à 3.4 dans lesquels il transfert sa chaleur à l'azote.
Le sodium devenu froid, à une température de V ordre de 345°C, ressort des modules 3.1 à 3.4 puis est extrait de l'enceinte 2 par la sortie 13 par l'intermédiaire des tuyauteries de sortie 91 à 94.
L'échangeur de chaleur 1 qui vient d'être décrit présente comme avantages de pouvoir être d'une puissance thermique unitaire élevée et d'être compact. En outre, l'agencement des modules d'échangeurs 3.1 à 3.4, de la pluralité des tuyauteries d'entrée 8 et de sortie 9 ainsi que le deuxième collecteur central 14 permet une vidange gravitaire du sodium mais uniquement du sodium chaud. En effet, en ce qui concerne le sodium froid, compte tenu de la forme incurvée des tuyauteries de sortie, il est très probable qu'il y ait une rétention du sodium froid.
En revanche, cet échangcur de chaleur présente comme inconvénient majeur que la distribution des fluides peut s'avérer délicate à garantir de manière industrielle compte tenu des niveaux de température requis pour le fonctionnement. Ainsi, en substance, il faut tout d'abord s'assurer de la parfaite étanchéité glissante entre le collecteur d'amenée 14 du sodium et le collecteur de sortie 6 de l'azote qui est coaxial, à l'aide d'un soufflet métallique 15. Par ailleurs, l'azote chaud qui sort des modules d'échangeur 3.1 à 3.4 est récupéré par le déflecteur 70, comme montré par les flèches incurvées vers le bas, qui vient donc solliciter thermiquement la structure support suspendue 4, 40 des modules d'échangeur 3.1 à 3.4. La partie support proprement dite 40 doit d'ailleurs réaliser l'étanchéité entre l'azote chaud présent dans la chambre 5 et l'azote froid récupéré en aval. Ainsi, il faut garantir à la fois la bonne tenue mécanique et thermique de la flexibilité des bras 40a à 40c et une bonne flexibilité au niveau des tuyauteries d'entrée 81 à 84 du sodium traversant le support 40 à l'aide de soufflets métalliques 16.
Il existe donc un besoin d'améliorer encore les échangeurs de chaleur du type comportant des modules d'échangeurs compacts à plaques agencés dans une calandre sous pression, notamment en vue de leur conférer une puissance thermique unitaire élevée et une grande compacité, tout en leur garantissant une réalisation industrielle.
Le but de l'invention est de répondre au moins partiellement à ce besoin.
Exposé de l' invention
Pour ce faire, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur entre un premier et un deuxième fluide, comprenant:
- une enceinte étanehe présentant un axe central et comprenant, à l'une de ses extrémités longitudinales, au moins une entrée et une sortie du premier fluide et, à l'autre de ses extrémités longitudinales, au moins une entrée et une sortie du deuxième fluide, l'enceinte étanche étant adaptée pour être mise sous pression,
- au moins un module d'échangeur de chaleur intégrant un premier et deuxième circuits de fluide, s 'étendant parallèlement à l'axe central et agencé à l'intérieur de l'enceinte,
- une structure de support et de maintien du au moins un module d'échangeur, fixée de manière rigide à l'enceinte,
- une chambre d'entrée ou de sortie du. premier fluide, ménagée axialement entre le support et l'enceinte, et communiquant avec l'une de l'entrée et la sortie du premier circuit de fluide,
- un premier collecteur central s' étendant autour de l'axe central, agencé axialement à l'opposé de la chambre et, communiquant d'une part avec l'une de l'entrée et de la sortie du premier fluide de l'enceinte et d'autre part avec l'autre de l'entrée et la sortie du premier circuit de fluide. - un collecteur annulaire agencé autour du premier collecteur central et du au moins un module d'échangeur jusqu'au moins le support en formant un espace de guidage du premier fluide et, communiquant d'une part avec l'autre de l'entrée et de la sortie du premier fluide de l'enceinte et d'autre part avec la chambre,
- au moins une tuyauterie d'entrée communiquant d'une part avec l'entrée du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec l'entrée du deuxième circuit de fluide,
- au moins une tuyauterie de sortie communiquant d'une part avec la sortie du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec la sortie du deuxième circuit de fluide, les tuyauteries n'étant pas supportées par la structure de support et de maintien.
Par « collecteur », on entend ici et dans le cadre de l'invention un dispositif permettant de distribuer ou de collecter un fluide, respectivement vers ou depuis une ou plusieurs voies.
Par « tuyauterie », on entend ici et dans le cadre de l'invention, un conduit permettant de distribuer ou de collecter un fluide vers et depuis une seule voie.
Par « les tuyauteries n'étant pas supportées par la structure de support et de maintien », on entend ici et dans le cadre de l'invention que la structure support n'a pas pour fonction de servir d'appui aux tuyauteries et qu'elle ne reçoit pas d'effort mécanique ni contrainte thermique néfaste par les tuyauteries. Autrement dit, les tuyauteries sont agencées à distance de la structure support et de maintien. Autrement dit encore, les tuyauteries et la structure de support et de maintien sont entre elles découplées mécaniquement et thermiquement.
Autrement dit, l'invention consiste tout d'abord essentiellement à définir une structure d' échangera: de chaleur qui permet d'amener et récupérer le fluide primaire, tel que le sodium, à une même extrémité longitudinale et à l'opposé de l'extrémité longitudinale par laquelle le fluide secondaire, tel que l'azote, est amené et récupéré. Cela permet d'avoir une séparation physique entre les trajets des deux fluides dans l'échangeur avec la possibilité d'avoir notamment un accès réglementé pour l'un des fluides, tel que le sodium et non réglementé pour l'autre des fluides, tel que l'azote.
Ainsi, comparativement à l'échangeur de chaleur selon la publication [1], on s'affranchit de l'étanchéité glissante à garantir entre collecteur de récupération de l'azote chaud et collecteur d'amenée du sodium chaud. En outre, l'invention consiste à fixer de manière rigide la structure support des modules d'èchangeur à l'enceinte étanche et à amener le fluide le plus froid (fluide secondaire) du côté du support. Grâce à cela, la structure support est soumise aux relativement basses températures, et donc elle est moins contrainte thermiquement.
En configuration de fonctionnement à la verticale, î'échangeur de chaleur permet la vidange gravitaire du fluide primaire par le bas de l'enceinte étanche, à l'opposé du premier collecteur central par lequel le fluide secondaire, qui est disposé dans la partie haute de l'enceinte étanche, est extrait.
Un autre avantage par rapport à I'échangeur de chaleur selon la publication [1], est qu'on s'affranchit de la flexibilité de la structure support des modules d'èchangeur et des tuyauteries.
En résumé, grâce à l'invention, on obtient un échangeur compact à puissance thermique unitaire élevée pour un échange métal liquide-gaz et dont la réalisation industrielle peut être garantie de manière aisée et fiable.
Selon un mode de réalisation avantageux, I'échangeur de chaleur comprend:
- une pluralité de modules d'èchangeur de chaleur, s 'étendant chacun parallèlement à l'axe central (X) et agencés chacun à l'intérieur de l'enceinte externe,
- une pluralité de tuyauteries d'entrée communiquant chacune d'une part avec l'entrée du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec l'entrée du deuxième circuit de fluide d'un des modules d'èchangeur,
- une pluralité de tuyauteries de sortie communiquant d'une part avec la sortie du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec la sortie du deuxième circuit de fluide. La puissance thermique unitaire d'un tel échangeur est élevée.
De préférence, notamment pour des raisons de compacité et de distribution des fluides, la pluralité de tuyauteries d'entrée communique avec un deuxième collecteur central.
De préférence, notamment pour des raisons de compacité et de distribution des fluides, la pluralité de tuyauteries de sortie communique avec un troisième collecteur central.
Selon un mode avantageux, le troisième collecteur central est agencé coaxialement autour du deuxième collecteur central. Selon une variante avantageuse, l'entrée du premier et/ou du deuxième circuit de fluide de chaque module d'échangeur est agencée à une extrémité longitudinale de chaque module.
Selon une variante avantageuse, la sortie du premier et/ou du deuxième circuit de fluide étant agencée à une extrémité longitudinale de chaque module.
Avantageusement, l'entrée du premier circuit de fluide et la sortie du deuxième circuit de fluide de chaque module d'échangeur étant agencées à une même extrémité longitudinale et l'entrée du deuxième circuit de fluide et la sortie du premier circuit de fluide de chaque module d'échangeur étant agencées à une même extrémité longitudinale opposée.
L'invention concerne également sous un autre de ses aspects, un procédé de fonctionnement de l'échangeur de chaleur qui vient d'être décrit, l'enceinte étanche étant agencée sensiblement à la verticale avec l'entrée et la sortie du premier fluide en haut et l'entrée et la sortie du deuxième fluide en bas.
L'invention concerne également l'utilisation de l'échangeur de chaleur qui vient d'être décrit, le premier fluide, en tant que fluide secondaire étant un gaz ou un mélange de gaz et le deuxième fluide, en tant que fluide primaire, étant un métal liquide.
Selon un mode de réalisation avantageux, le premier fluide comprend principalement de l'azote et le deuxième fluide étant du sodium liquide.
Le premier ou le deuxième fluide peu(ven)t provenir d'un réacteur nucléaire.
L'invention concerne enfin une installation nucléaire comprenant un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du métal liquide, notamment du sodium liquide dit RNR-Na ou SFR et un échangeur de chaleur décrit précédemment.
Description détaillée
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d'exemples de mise en œuvre de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale et en perspective d'un échangeur de chaleur selon l'état de l'art;
- la figure 1A est une vue en perspective et en écorché de l'échangeur de chaleur selon la figure 1 ; - les figures 1B et 1C sont des vues de détail de réchangeur de chaleur selon la figure î ;
- la figure 2 est une vue en perspective et en écorché d'un échangeur de chaleur selon l'invention ;
- la figure 2A est une vue en perspective et en écorché de la partie supérieure d'un échangeur de chaleur selon la figure 2 ;
- la figure 2B est une vue en perspective et en écorché de la partie inférieure d'un échangeur de chaleur selon la figure 2 ;
- la figure 3 est une vue en perspective de la pluralité de modules d' échangeur et d'une partie de la structure support de l'échangeur de chaleur selon la figure 2 ;
- la figure 4 est une vue en perspective de la pluralité de modules d' échangeur et d'une partie supplémentaire de la structure support de l'échangeur de chaleur selon la figure 2 ;
- la figure 5 est une vue en perspective de la pluralité de modules d' échangeur et d'une partie encore supplémentaire de la structure support de l'échangeur de chaleur selon la figure 2 ;
- la figure 5 A est une vue de détail de la figure 5 ;
- la figure 6 reprend la figure 5 et illustre en outre en perspective le premier collecteur central de l'échangeur de chaleur selon l'invention ;
- la figure 7 reprend la figure 6 et illustre en outre en perspective les tuyauteries d'entrée et de sortie d'un des fluides ainsi que leurs collecteurs centraux de l'échangeur de chaleur selon l'invention ;
- la figure 8 est une vue isolée en perspective des tuyauteries d'entrée et de sortie d'un des fluides ainsi que de leurs collecteurs centraux montrés en figure 7 ;
- la figure 8A reprend la figure 7 et illustre en outre en perspective l'agencement d'une partie du collecteur annulaire ainsi que l'agencement des tuyauteries d'entrée et de sortie et de leurs collecteurs centraux dans le fond de l'enceinte étanche de l'échangeur selon l'invention;
- la figure 9 est une vue en perspective et en écorché de l'agencement relatif entre le couvercle de l'enceinte étanche et une autre partie du collecteur annulaire.
Dans l'ensemble de la présente demande, les termes « vertical », « inférieur », « supérieur », « bas », « haut », « dessous » et « dessus » sont à comprendre par référence par rapport à un échangeur de chaleur selon Γ invention avec son enceinte étanche telle qu'elle est en configuration verticale de fonctionnement. Ainsi, dans une configuration de fonctionnement, l'axe central X de l'enceinte étanche 2 est vertical et le couvercle 20 est en haut.
De même, dans l'ensemble de la présente demande, les termes « entrée », « sortie », « aval » et « amont » sont à comprendre en référence au sens de circulation de l'un ou l'autre des deux fluides à travers l' échangeur de chaleur selon l'invention.
Par souci de clarté, les mêmes références désignent les mêmes éléments à la fois pour un échangeur de chaleur 1 selon l'état de l'art déjà décrit en référence aux figures
1 à 1 C, et pour un échangeur de chaleur 1 selon l'invention décrit en référence aux figures
2 à 9.
Les figures 1 à 1C de réchangeur de chaleur 1 selon l'état de l'art, tel que divulgué dans la publication [1] ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont donc pas détaillées ci-après.
Les inventeurs de la présente invention ont cherché à conserver les avantages de l'échangeur de chaleur I selon cette publication f 3 ], à savoir essentiellement une bonne compacité et une puissance thermique unitaire élevée, tout en s' affranchissant de son inconvénient majeur. Par-là, ils ont cherché à garantir de manière industrielle la distribution des fluides.
Ainsi, ils ont proposé l'échangeur de chaleur 1 illustré en figures 2 à 9, qui est destiné à transférer de la chaleur entre un premier fluide, qui est de l'azote (N2) (fluide froid) et un deuxième fluide qui est le sodium liquide (Na).
L'échangeur de chaleur 1 est représenté dans sa configuration verticale de fonctionnement avec le couvercle 20 de l'enceinte étanche sur le dessus.
L'échangeur de chaleur 1 d'axe central X comporte une enceinte étanche 2 dans laquelle est logée une pluralité 3 de modules d' échangeur 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8 agencés à la verticale et parallèlement à l'axe X. Dans le mode de réalisation illustré aux figures 2 à 10, le nombre de modules d' échangeur identiques est égal à huit.
L'enceinte étanche 2 est de forme générale essentiellement cylindrique et est constituée essentiellement d'un couvercle 20, d'un fond 21 et d'une enveloppe latérale 22 sous la forme d'une virole. Le couvercle 20 et la virole 22 sont assemblés entre eux au moyen d'un premier groupe de boulons 23. Le fond 21 et la virole 22 sont également assemblés entre eux au moyen d'un deuxième groupe de boulons 23.
L'enceinte étanche 2 comporte à l'une 2a de ses extrémités longitudinales, une entrée 10 et une sortie 1 1 de l'azote
A l'autre 2b des extrémités longitudinales de l'enceinte 2 sont prévues une entrée 12 et une sortie 13 du sodium liquide.
Chaque module d'échangeur 3.1 à 3.8 intègre deux circuits de fluide dont un dédié à la circulation du sodium (Na) provenant d'un réacteur nucléaire RNR-Ma, 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.
La pluralité 3 de modules d'échangeur 3.1 à 3.8 est supportée par une structure support et de maintien 4. La structure support et de maintien 4 est ainsi fixée rigidement à l'enceinte externe 2.
Une chambre 5 d'entrée de l'azote est ménagée axialement sur le dessous de l'enceinte 2, à son extrémité longitudinale inférieure 2b, entre la structure support 4 et le fond 21 de l'enceinte 2. Autrement dit, cette chambre 5 est l'espace disponible entre la structure support 4 et le fond 21 de l'enceinte 2.
Cette chambre 5 communique avec chaque entrée non représentée du circuit de l'azote intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.8.
A. l'opposé de la chambre 5, un premier collecteur central 6 est agencé axialement autour de l'axe central (X). Ce premier collecteur central 6 a pour fonction de récupérer l'azote chaud auquel a été transférée la chaleur du sodium dans les modules d'échangeur 3.1 à 3.8. Ce collecteur chaud 6 est ainsi commun aux modules 3.1 à 3.8 mais chacun d'entre eux alimente indépendamment ce collecteur par la sortie 30.
Ce collecteur central 6 communique donc en amont avec chaque sortie 30 du circuit de l'azote intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3,4. En aval, ce collecteur central communique avec la sortie 11 de l'azote de l'enceinte 2, i.e. à travers le couvercle 20.
Un collecteur annulaire 7 est agencé de manière coaxiale autour du collecteur central 6 et des modules d'échangeur 3.1 à 3.8 en formant un espace de guidage de l'azote. Ce collecteur annulaire 7 a pour fonction d'amener l'azote froid dans la chambre 5. Plus précisément, ce collecteur annulaire 7 est constitué essentiellement d'un déflecteur de forme évasée 70 et d'une virole de forme cylindrique 71. Le collecteur annulaire 7 peut être constitué en une seule pièce réalisée par chaudronnerie.
Un agencement relatif entre le déflecteur 70 et le couvercle 20 de l'enceinte est montré en figure 9.
L'espace de guidage 72 de l'azote froid provenant de l'entrée 10 est délimité d'amont en aval, à l'extérieur par l'enceinte 2 et à l'intérieur, uniquement par le collecteur annulaire 7, c'est-à-dire par le déflecteur 70 et la virole 71. Ainsi, la fonction de la virole 71 est de guider l'azote froid le long de la paroi de l'enceinte étanche 2, afin de le distribuer par les extrémités inférieures des modules 3.1 à 3.8. Autrement dit, l'azote froid distribué dans l'espace annulaire 72 fixe la température de la paroi de l'enceinte étanche 2, typiquement à environ 330°C.
Le collecteur annulaire 7 communique donc en amont avec rentrée 10 de l'azote de l'enceinte 2 et en aval avec la chambre 5.
Une pluralité 8 de tuyauteries d'entrée 81, 82, 83. 84, 85, 86, 87, 88 est agencée pour amener le sodium chaud dans chacune des entrées 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 du circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.8.
Ainsi, chaque tuyauterie d'entrée 81 à 88 communique en amont avec l'entrée 12 du sodium de l'enceinte 2, et en aval avec chaque entrée 31 à 38 du circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.8. Avantageusement, la pluralité 8 de tuyauteries d'entrée communique avec un deuxième collecteur central 14.
Tel que mieux illustré en figure 2, chaque entrée 31 à 38 est réalisée sur le dessus d'un module 3.1 à 3.8 : la pluralité 8 de tuyauteries d'entrée 81 à 88 est donc incurvée pour pouvoir déboucher sur ces entrées longitudinales 31 à 38.
A titre de variante non représentée, on peut prévoir que chaque entrée 31 à 38 soit réalisée sur un côté longitudinal en partie haute d'un module 3.1 à 3.8. Une pluralité 9 de tuyauteries de sortie 91, 92, 93, 94, 95, 96, 7, 98 est agencée pour extraire le sodium froid de chacune des sorties du circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.8.
Ainsi, chaque tuyauterie de sortie 91 à 98 communique en amont avec une sortie du circuit de sodium intégré dans un des modules d'échangeur 3.1 à 3.8 et en aval avec la sortie 13 du sodium de Y enceinte 2. La sortie 13 du sodium froid s'effectue vers le bas de l'enceinte 2 à travers le fond 21. Avantageusement, la pluralité 9 de tuyauteries de sortie communique avec un troisième collecteur central 17.
Un exemple de réalisation avantageux de la pluralité de tuyauteries d'entrée 8 et de sortie 9 et leur agencement relatif est montré en figure 7A : on voit clairement l'agencement coaxial du troisième collecteur central 17 autour du deuxième collecteur central 14.
Comme mieux illustré en figure 3, la structure support et de maintien 4 comporte une plateforme support 40 qui est en appui contre un épaulement périphérique à l'intérieur du fond 21 de l'enceinte 2. Conformément à l'invention, aucune fonction d'étanchéité relative entre l'amenée de l'azote froid et la récupération de l'azote chaud n'est à réaliser pour la plateforme 40. Ainsi, comme il ressort mieux par la suite, aucune flexibilité par soufflet métallique entre les tuyauteries d'entrée 8 et de sortie 9 du sodium n'est à réaliser.
La plateforme 40 peut ainsi être ajourée, notamment pour diminuer le poids. Lorsqu'on souhaite dégager des accès aux surfaces inférieures des modules d'échangeur 3.1 à 3.8, on peut réaliser des ajours de grande dimension. Ainsi, à titre d'exemple, la plateforme 40 peut être un assemblage de poutres réalisé en mécano soudé. Les modules 3.1 à 3.8 sont posés sur la plateforme 40 et sont maintenus en position grâce à des cornières fixées sur la plateforme 40 (figure 3).
La structure de support et de maintien 4 comporte également des moyens 41 de maintien latéral des modules d'échangeur 3.1 à 3.8, également fixés sur la plateforme 40 (figure 4), A à titre d'exemple, les moyens de maintien latéral 41 peut être un assemblage de poutres réalisé en mécano soudé qui épouse la forme extérieure des modules, il peut s'agir de deux groupes de poutres à 90° l'un de l'autre et divisant les modules 3.1 à 3.8 en quatre groupes égaux (figure 4).
Une plaque d'étanchéité 42 est vissée sur la structure de maintien 41 (figure 5). Elle a pour fonction de réaliser l'étanchéité entre l'azote froid amené dans réchangeur de chaleur et l'azote chaud sortant de chaque module d'échangeur 3.1 à 3.8 est récupéré par le premier collecteur central 6.
Le premier collecteur central 6 ou collecteur chaud, d'azote est fixé directement sur la plaque d'étanchéité 42. Un exemple de réalisation avantageux de réalisation du système d'étanchéité glissant entre collecteur central 6 et modules 3.1 à 3.8 est montré en figure 5A : une bride 43 est fixée sur la plaque d'étanchéité 42 au moyen de vis 44 et des joints à segments 45 entre la sortie 30 des modules et le collecteur 6 sont agencés. Des joints 46 sont également agencés entre bride 43 eî plaque d'étanchéité 42. A titre de variante, on pourrait prévoir des soufflets métalliques.
Le fonctionnement de réchangeur de chaleur 1 qui vient d'être décrit va maintenant être brièvement expliqué en relation avec le trajet de l'azote et du sodium.
L'azote froid arrive, à une température de l'ordre de 330°C et à une pression de l'ordre de 180 bar, par l'entrée 10 puis est amené par le collecteur annulaire 7 en bas de l'enceinte 2 jusqu'à la chambre d'entrée 5 au-dessus du fond 21, comme illustré par les flèches latérales en figure 2.
L'azote circule alors à travers les modules d'échangeur de chaleur 3.1 à 3.8 dans lesquels la chaleur provenant du sodium chaud lui est transférée.
L'azote devenu chaud, à une température de l'ordre de 515°C, ressort des modules 3.1 à 3.8 puis est extrait de l'enceinte par la sortie 11 par l'intermédiaire du premier collecteur central 6.
Le sodium chaud, quant à lui, est amené, à une température de l'ordre de 530°C, par le deuxième collecteur central 14 à travers l'entrée 12 puis est distribué dans chaque module d'échangeur 3.1 à 3.8 par les tuyauteries d'entrée 81 à 88, comme illustré par les flèches verticales montantes en figure 2.
Le sodium alors à travers les modules d'échangeur de chaleur 3.1 à 3.8 dans lesquels il transfert sa chaleur à l'azote.
Le sodium devenu froid, à une température de l'ordre de 345°C, ressort des modules 3.1 à 3.8 par leurs extrémités inférieures puis est extrait de l'enceinte 2 par la sortie 13 par l'intermédiaire des tuyauteries de sortie 91 à 98.
Dans un échangeur de chaleur 1 selon l'invention, le gaz froid (N2 froid) circule du haut vers le bas et en contrecourant avec le sodium chaud. Ainsi, comme mieux illustré en figures 2 A et 2B, le gaz froid (N2 froid) parvient à la chambre 5, entre en partie basse des modules 3.1 à 3.8 puis ressort chaud par les sorties 30 de modules pour alimenter le collecteur 6 et enfin sort de P échangeur par la sortie 1 1. Comme illustré en figure 2 A, dans Péchangeur de chaleur 1 selon l'invention, il n'y a pas de collecteur d'entrée de gaz par module : les canaux de gaz délimités entre le déflecteur 7 et l'enceinte 2 débouchent directement dans cette dernière, au niveau de la chambre 5. Ainsi, la chambre 5 défmie par l'enceinte 2 joue le rôle de collecteur d'entrée de gaz.
La circulation des fluides est compatible avec une circulation en convection naturelle.
En pratique une convection forcée est prévue pour le fonctionnement nominal, autrement dit pour initier ie mouvement du gaz et du sodium liquide au sein de l'échangeur 1. Ensuite, en cas d'incident (arrêt des pompes par exemple), la circulation peut se poursuivre par convection naturelle. En effet, le sodium se refroidissant a tendance à descendre naturellement et lorsqu'il se refroidit dans un module d'échangeur 3.1 à 3.8, son extraction est facilitée par la gravité. Ainsi, le sodium devenu froid est évacué en partie basse du dispositif ce qui améliore sa vidange gravitaire.
Le gaz froid (N2) quant à lui descend le long de la paroi de l'enceinte étanche 2 et il remonte en même temps qu'il est réchauffé pour être extrait par le collecteur central 6. La chaleur favorise sa progression vers le haut de l'échangeur 1.
D'autres variantes et améliorations peuvent être prévues sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
REFERENCE CITEE
[1]: "Innovative power conversion System for the French SFR prototype, ASTRID", L.Cachon and al. Proceeding of lCAPP'12, Chicago, USA, June 24-28, 2012, Paper 12300.

Claims

REVENDICATIONS
1. Echangeur de chaleur (1) entre un premier (N2) et un deuxième (Na) fluides, comprenant:
- une enceinte étanche (2) présentant un axe central (X) et comprenant, à l'une (2a) de ses extrémités longitudinales, au moins une entrée (10) et une sortie (11) du premier fluide et, à l'autre de ses extrémités longitudinales (2b), au moins une entrée (12) et une sortie (13) du deuxième fluide, l'enceinte étanche étant adaptée pour être mise sous pression,
- au moins un module d'échangeur (3.1 à 3.8) de chaleur intégrant un premier et deuxième circuits de fluide, s'étendant parallèlement à l'axe central (X) et agencé à l'intérieur de l'enceinte,
- une structure de support (4, 40) et de maintien du au moins un module d'échangeur, fixée de manière rigide à l'enceinte (2),
- une chambre (5) d'entrée ou de sortie du premier fluide, ménagée axial ement entre le support et l'enceinte, et communiquant avec l'une de l'entrée et la sortie (30) du premier circuit de fluide,
- un premier collecteur central (6) s'étendant autour de Taxe centra] (X), agencé axîalement à l'opposé de la chambre et, communiquant d'une part avec l'une de l'entrée (10) et de la sortie (1 1) du premier fluide de l'enceinte et d'autre part avec l'autre de l'entrée et la sortie (30) du premier circuit de fluide,
- un collecteur annulaire (7) agencé autour du premier collecteur central (6) et du au moins un module d'échangeur jusqu'au moins le support (4, 40) en formant un espace de guidage (72) du premier fluide et, communiquant d'une part avec l'autre de l'entrée (10) et de la sortie (11) du premier fluide de l'enceinte et d'autre part avec la chambre (5),
- au moins une tuyauterie d'entrée (8, 81 à 88) communiquant d'une part avec l'entrée (12) du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec l'entrée (31 à 38) du deuxième circuit de fluide,
- au moins une tuyauterie de sortie (9, 91 à 98) communiquant d'une part avec la sortie (13) du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec la sortie du deuxième circuit de fluide, les tuyauteries (8, 81 à 88; 9, 91 à 98) n'étant pas supportées par la structure support et de maintien.
2. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 1, comprenant :
- une pluralité (3) de modules d'échangeur de chaleur (3,1 à 3.8), s'étendant chacun parallèlement à l'axe central (X) et agencés chacun à l'intérieur de l'enceinte externe.
- une pluralité (8) de tuyauteries d'entrée (81 à 88) communiquant chacune d'une part avec l'entrée (12) du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec l'entrée (31 à 38) du deuxième circuit de fluide d'un des modules d'échangeur,
- une pluralité (9) de tuyauteries de sortie (91 à 98) communiquant d'une part avec la sortie (13) du deuxième fluide de l'enceinte, et d'autre part avec la sortie du deuxième circuit de fluide,
3. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 2, la pluralité (8) de tuyauteries d'entrée communiquant avec un deuxième collecteur central (14).
4. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 2 ou 3, la pluralité (9) de tuyauteries de sortie communiquant avec un troisième collecteur central (17).
5. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 3 en combinaison avec la revendication 4, le troisième collecteur central (17) étant agencé coaxialement autour du deuxième collecteur central (14).
6. Echangeur de chaleur (1 ) selon l'une des revendications précédentes, l'entrée du premier et/ou (31 à 38) du deuxième circuit de fluide de chaque module d'échangeur (3.1 à 3.8) étant agencée à une extrémité longitudinale de chaque module.
7. Echangeur de chaleur (1) selon l'une des revendications précédentes, la sortie du premier (30) et/ou du deuxième circuit de fluide étant agencée à une extrémité longitudinale de chaque module.
8. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 6 en combinaison avec la revendication 7, l'entrée du premier circuit de fluide et la sortie du deuxième circuit de fluide de chaque module d'échangeur étant agencées à une même extrémité longitudinale et l'entrée du deuxième circuit de fluide et la sortie du premier circuit de fluide de chaque module d'échangeur étant agencées à une même extrémité longitudinale opposée.
9. Procédé de fonctionnement de Γ echangeur de chaleur (1) selon l'une des revendications précédentes, l'enceinte étanche étant agencée sensiblement à la verticale avec l'entrée et la sortie du premier fluide en haut et l'entrée et la sortie du deuxième fluide en bas.
10. Utilisation de l'échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. le premier fluide, en tant que fluide secondaire étant un gaz ou un mélange de gaz et le deuxième fluide, en tant que fluide primaire, étant un métal liquide.
11. Utilisation de l'ensemble selon la revendication 10, le premier fluide comprenant principalement de l'azote et le deuxième fluide étant du sodium liquide.
12. Utilisation selon la revendication 10 ou 1 1 , le premier ou le deuxième fluide provenant d'un réacteur nucléaire.
13. Installation nucléaire comprenant un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du métal liquide, notamment du sodium liquide dit RNR-Na ou SFR et un échangeur de chaleur selon Tune des revendications 1 à 8.
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