WO2017089046A1 - Tube bimetallique pour recepteur solaire - Google Patents

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WO2017089046A1 PCT/EP2016/075323 EP2016075323W WO2017089046A1 WO 2017089046 A1 WO2017089046 A1 WO 2017089046A1 EP 2016075323 W EP2016075323 W EP 2016075323W WO 2017089046 A1 WO2017089046 A1 WO 2017089046A1
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bimetallic tube
bimetallic
tubes
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Alfred Dethier
Stéphane Winand
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Cockerill Maintenance & Ingenierie S.A.
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the present invention is apparent from the technical field of heat exchangers. It relates in particular to solar receiver tubes.
  • the invention relates more generally to technical solutions that can be used in any type of heat exchanger having a temperature gradient between a front face and a rear face.
  • the receiver at the top of a turn in a so-called solar power plant tower and field of heliostats consists of almost contiguous vertical metal tubes. These tubes of great length ( ⁇ 20m) are arranged in a horizontal position at several levels in order to keep them in place against the wind but they are free to expand along their axis.
  • the heat flux received by the front face of the receiver (for example a maximum flux of 1250 kW / m 2 ) causes a heating up to more than 700 ° C of this front face of the tubes, which creates very high compression stresses in this case. zone, which can exceed the elastic limit of the material.
  • a very high thermal gradient (of the order of 200 ° C) is created between the front and the back of the tubes and is due to the fact that the rear face of the receiver is not exposed to heat flow at all which generates conversely very high tensile stresses in the rear face of the tubes.
  • the solar receiver tubes are nickel-based alloy welded tubes, such as alloy UNS N06230. It is a high performance alloy at high temperature but also very expensive (about 70 € / kg). These tubes must withstand both thermomechanical and chemical stresses resulting from corrosion by molten salts generally used as coolant circulating in the exchanger. Their resistance has been approved for heat exchangers in the nuclear field, where the flow is uniformly distributed over the entire length and periphery of the tubes. On the other hand, for solar receiver type applications with a non-uniform flux and a thermal gradient between the front face and the rear face of the tubes, the deformations in the tubes are very different. In addition, this type of alloy has a cost representing five times the cost of a stainless steel.
  • concentric tubes are used in some heat exchangers (see for example EP 0 522 723 A2, FR 2 641 210 A1, FR 2 870 859 A1, US 2,774,384 A, WO 96/37321 A1). These tubes are manufactured by rolling or coextrusion of two materials in tube form. The purpose of these solutions is to make a tube with two materials with different characteristics that can withstand two different environments. These tubes are used for example in exchangers subjected to heat outside, distributed around the perimeter of the tubes and a fluid inside or subjected to two fluids of different nature between the inside and the outside of the tubes. .
  • AL o. L. AT, where AL (mm) is the expansion due to temperature variation, ⁇ (1 / K or 1 / ° C) is the coefficient of thermal expansion, L (mm) is the characteristic length and ⁇ (K or ° C) is the temperature difference between the initial temperature and the final temperature.
  • US 2,936,740 A discloses a bimetallic tube intended to be incorporated in a heat exchanger, and which consists of two parts welded to each other using two welds oriented along the axis of the tube .
  • the two welds of this bimetallic tube are not diametrically opposed, which does not allow to consider the two parts of the tube as "semi-cylindrical".
  • the radiated heat received by the tubes originates from an oven, heating of the tubes being only 900 ° F, that is to say 482 ° C, for more than 700 ° C in the context of concentrating solar power plants.
  • EP 2 827 079 A1 discloses a solar absorber body for a concentrated solar power system, said solar absorber body comprising: a tube, for containing a heat transfer medium and comprising a first part intended to be exposed to sunlight and a second part designed to be unexposed to the sunlight, - a set of fins of thermally conductive material, - and a selective coating disposed at least on the outer surface of the first part of the tube, said set of fins defining at least two longitudinal passages inside the tube, said passages being adjacent in a sectional plane perpendicular to the longitudinal axis of the tube, said fin assembly being configured to create a continuous thermal bridge within the tube from at least a portion of the surface interior of the first portion of the tube to at least a portion of the inner surface of the second portion of the tube.
  • the present invention has a multiple objective, in particular:
  • thermomechanical resistance of the heat exchanger tubes having a temperature gradient between a front face and a rear face
  • the first part is made of an alloy based on nickel or carbon; the second part is made of austenitic stainless steel;
  • the first part is made of UNS alloy N06230;
  • the second part is made of SS 347H steel.
  • a second aspect of the invention relates to a heat exchanger comprising a front face and a rear face with a high temperature gradient between the two faces, and composed of an assembly of bimetallic tubes as characterized above.
  • a heat exchanger is intended to be used as a thermal receiver at the top of a concentrating solar power station tower.
  • FIG. 1 represents a perspective view of two semi-cylindrical shapes made of two different materials, before welding, for producing a bimetallic tube according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows a perspective view of the bimetallic tube assembled by welding.
  • the solution proposed in the context of the present invention is to manufacture a bimetallic tube by welding two parts made of materials whose thermal expansion coefficients are substantially different.
  • the temperatures T1 and T2 are respectively of the order of more than 700 ° C and 500 ° C, so with a thermal gradient between the two faces of the heat exchanger tubes of the order of 200 ° C.
  • this part may advantageously be made of inconel alloy, which contains a large amount of nickel and chromium, for example alloy UNS N06230, which has a coefficient of thermal expansion of 14.1 ⁇ 10 "6 / ° C for a temperature between 20 and 600 ° C with
  • a second stainless steel part having a high thermomechanical resistance and a coefficient of thermal expansion greater than that of the first part may advantageously be made in a special austenitic stainless steel having a very high thermomechanical strength compared to other stainless steels, such as SS 347H alloy which has a coefficient of thermal expansion of 18.9 x 10 -6 / ° C, that is to say higher than that of UNS N06230 for the same temperature range, but its unit cost is five times lower than that of UNS N06230.
  • the bimetallic tubes of the invention are manufactured by welding two longitudinal portions of identical dimensions.
  • the method for assembling the bimetallic tube 1 comprises the following steps (FIGS. 1 and 2): - to manufacture two strips made of different materials, for example an SS 347H alloy strip 2 and a band 3 alloy UNS N06230;
  • the assembly method of the bimetallic tube 1 comprises the following steps:

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Abstract

La présente invention se rapporte à un tube bimétallique (1) destiné à être incorporé dans un échangeur de chaleur pour récepteur solaire, comportant une face avant et une face arrière destinées à supporter en utilisation un gradient de température ΔΤ = T1 -T2, avec T1 >T2, élevé entre les deux faces, où T1 et T2 sont les températures maximales admissibles sur les faces respectives, ledit tube étant constitué d'une première partie semi-cylindrique (2) et d'une deuxième partie semi-cylindrique (3) soudées l'une à l'autre selon deux soudures (4) orientées selon l'axe du tube (1) et diamétralement opposées, la première partie (2) et la deuxième partie (3) étant chacune réalisées dans des alliages métalliques différents et ayant des coefficients de dilation thermique respectifs a1 et a2 sensiblement différents et tels qu'en première approximation, le rapport (formula) est compris entre 1,2 et 2.

Description

TUBE BIMETALLIQUE POUR RECEPTEUR SOLAIRE
Objet de l'invention
[0001] La présente invention ressort du domaine technique des échangeurs de chaleurs. Elle se rapporte en particulier aux tubes de récepteurs solaires.
[0002] L'invention se rapporte plus généralement aux solutions techniques susceptibles d'être utilisées dans tout type d'échangeur thermique présentant un gradient de température entre une face avant et une face arrière. Etat de la technique
[0003] Le récepteur en sommet de tour dans une centrale solaire dite à concentration, à tour et à champ d'héliostats, est constitué de tubes métalliques verticaux presque jointifs. Ces tubes de grande longueur (~ 20m) sont disposés en position horizontale à plusieurs niveaux afin de les maintenir en place contre le vent mais ils sont libres de se dilater selon leur axe. Le flux thermique reçu par la face avant du récepteur (par exemple un flux maximal de 1250 kW/m2) provoque un échauffement à plus de 700°C de cette face avant des tubes, ce qui crée des contraintes de compression très élevées dans cette zone, qui peuvent dépasser la limite élastique de la matière. Un gradient thermique très élevé (de l'ordre de 200°C) est créé entre l'avant et l'arrière des tubes et est dû au fait que la face arrière du récepteur n'est pas du tout exposée au flux thermique, ce qui engendre à l'inverse des contraintes de traction très élevées dans la face arrière des tubes.
[0004] Actuellement, les tubes des récepteurs solaires sont des tubes soudés en alliage à base nickel, comme par exemple l'alliage UNS N06230. C'est un alliage très performant à haute température mais aussi très coûteux (environ 70€/kg). Ces tubes doivent résister à des contraintes à la fois thermomécaniques et chimiques, résultant de la corrosion par les sels fondus utilisés généralement comme fluide caloporteur circulant dans l'échangeur. Leur résistance a été approuvée pour des échangeurs dans le domaine nucléaire, où le flux est uniformément réparti sur toute la longueur et la périphérie des tubes. En revanche, pour des applications de type récepteur solaire avec un flux non uniforme et un gradient thermique entre la face avant et la face arrière des tubes, les déformations dans les tubes sont très différentes. De plus, ce type d'alliage a un coût représentant cinq fois le coût d'un acier inoxydable.
[0005] Il est connu que des tubes concentriques sont utilisés dans certains échangeurs thermiques (voir par exemple EP 0 522 723 A2, FR 2 641 210 A1 , FR 2 870 859 A1 , US 2,774,384 A, WO 96/37321 A1 ). Ces tubes sont fabriqués par le laminage ou la co-extrusion de deux matériaux sous forme de tube. L'objectif de ces solutions est de réaliser un tube avec deux matériaux ayant des caractéristiques différentes et qui peuvent résister à deux environnements différents. Ces tubes sont utilisés par exemple dans des échangeurs soumis à de la chaleur à l'extérieur, répartie sur le pourtour des tubes et un fluide à l'intérieur ou soumis à deux fluides de nature différentes entre l'intérieur et l'extérieur des tubes.
[0006] Les solutions existantes sont très coûteuses et ne permettent pas de gérer le problème de différence de température entre la face avant et la face arrière des tubes qui engendre un effet bilame et vu que les tubes sont bridés, les déformations résultantes se transforment en contraintes. [0007] Il est connu que la valeur de la dilatation thermique est donnée, pour un matériau linéaire ou en tout cas homogène, par la relation suivante :
AL = o . L. AT, où AL (mm) est la dilatation due à une variation de température, α (1/K ou 1/°C) est le coefficient de dilatation thermique, L (mm) est la longueur caractéristique et ΔΤ (K ou °C) est la différence de température entre la température initiale et la température finale.
[0008] Le document US 2,936,740 A divulgue un tube bimétallique destiné à être incorporé dans un échangeur de chaleur, et qui est constitué de deux parties soudées l'une à l'autre à l'aide deux soudures orientées selon l'axe du tube. Les deux soudures de ce tube bimétallique ne sont pas diamétralement opposées, ce qui ne permet pas de considérer les deux parties du tube comme « semi-cylindriques ». La chaleur rayonnée reçue par les tubes provient d'un four, échauffement des tubes étant seulement de 900°F, c'est-à-dire 482 °C, pour plus de 700°C dans le contexte des centrales solaires à concentration. Il s'ensuit que le gradient thermique créé entre l'avant est l'arrière des tubes y est beaucoup plus élevé, de l'ordre de 200°C, alors qu'il n'est que de 10°C dans le contexte du document US 2,936,740 A. De plus, dans ce document, on recommande un coefficient de dilatation thermique pour chaque partie du tube aussi proche que possible afin d'éviter de fortes contraintes internes dans les tubes au niveau des soudures. Le but poursuivi est d'avoir deux alliages métalliques différents pour chaque partie du tube, afin d'utiliser un alliage moins cher pour la face non-exposée à la chaleur. De fait, la partie exposée à la chaleur est réalisée dans un alliage plus résistant à la chaleur et donc plus cher. Comme le gradient thermique entre les deux faces n'est pas très élevé (10°C), le problème de contraintes de traction dans la face plus froide si le tube est fait d'un seul matériau n'est pas rencontré.
[0009] Le document EP 2 827 079 A1 divulgue un corps d'absorbeur solaire pour un système de puissance solaire à concentration, ledit corps d'absorbeur solaire comprenant: - un tube, destiné à contenir un milieu de transfert de chaleur et comprenant une première partie destinée à être exposée à la lumière du soleil et une seconde partie conçue pour être non exposée à la lumière du soleil, - un ensemble d'ailettes en matériau thermiquement conducteur, - et un revêtement sélectif disposé au moins sur la surface extérieure de la première partie du tube, ledit ensemble d'ailettes définissant au moins deux passages longitudinaux à l'intérieur du tube, lesdits passages étant adjacents dans un plan de coupe perpendiculaire à l'axe longitudinal du tube, ledit ensemble d'ailettes étant configuré pour créer un pont thermique continu à l'intérieur du tube à partir d'au moins une partie de la surface intérieure de la première partie du tube vers au moins une partie de la surface intérieure de la seconde partie du tube. Buts de l'invention
[0010] La présente invention a un objectif multiple, notamment:
- améliorer la résistance thermomécanique des tubes d'échangeur thermique présentant un gradient de température entre une face avant et une face arrière ;
- équilibrer la dilatation (déformation) thermique AL entre la face avant et la face arrière des tubes ;
- réduire le coût de ces tubes.
Principaux éléments caractéristiques de l'invention
[0011] Un premier aspect de la présente invention se rapporte à un tube bimétallique destiné à être incorporé dans un échangeur de chaleur comportant une face avant et une face arrière destinées à supporter en utilisation un gradient de température ΔΤ = T1 -T2, avec T1 >T2, élevé entre les deux faces, où T1 et T2 sont les températures maximales admissibles sur les faces respectives, ledit tube étant constitué d'une première partie semi-cylindrique et d'une deuxième partie semi-cylindrique soudées l'une à l'autre selon deux soudures orientées selon l'axe du tube et diamétralement opposées, la première partie et la deuxième partie étant chacune réalisées dans des alliages métalliques différents et ayant des coefficients de dilation thermique respectifs a1 et o2 sensiblement différents et tels qu'en première approximation, le rapport est compris entre 1 ,2 et 2.
[0012] Selon des modes d'exécution particuliers, le tube bimétallique comporte en outre au moins une des caractéristiques suivantes, ou une combinaison appropriée de plusieurs de celles-ci : - le tube bimétallique convient pour une utilisation où T1 et T2 sont respectivement de l'ordre de plus de 700°C et 500°C ou avec un gradient thermique ΔΤ = T1 -T2 qui est de l'ordre de 200°C, le rapport k étant alors d'environ 1 ,4 ;
- la première partie est réalisée en un alliage à base de nickel ou carbone ; - la deuxième partie est réalisée en acier inoxydable austénitique ;
- la première partie est réalisée en alliage UNS N06230 ;
- la deuxième partie est réalisée en acier SS 347H.
[0013] Un deuxième aspect de l'invention concerne un échangeur de chaleur comportant une face avant et une face arrière avec un gradient de température élevé entre les deux faces, et composé d'un assemblage de tubes bimétalliques tels que caractérisés ci-dessus. De préférence, un tel échangeur de chaleur est destiné à être utilisé comme récepteur thermique au sommet d'une tour de centrale solaire à concentration.
Brève description des figures [0014] La figure 1 représente une vue en perspective de deux formes semi-cylindriques réalisées en deux matériaux différents, avant soudage, pour la réalisation d'un tube bimétallique selon une forme d'exécution de la présente invention.
[0015] La figure 2 représente une vue en perspective du tube bimétallique assemblé par soudage.
Description de formes d'exécution préférée de l'invention
[0016] La solution proposée dans le cadre de la présente invention consiste à fabriquer un tube bimétallique par le soudage de deux parties réalisées dans des matières dont les coefficients de dilatation thermique sont sensiblement différents. [0017] Comme un des buts de l'invention est d'équilibrer la dilatation des deux faces du tubes soumises respectivement à des températures maximales T1 et T2 (avec T1 >T2), on choisira des matériaux avec des coefficients de dilatation respectifs a1 et o2 (avec α1 < a2). Si on utilise en première approximation la relation ci-dessus, on aura (en supposant T0 =0) :
ALI = oc 1. L1. T1,
AL2 = oc 2. L2. T2,
[0018] Comme à l'interface, la dilatation doit être identique pour une longueur caractéristique donnée des deux matériaux (ΔΙ_1 = ΔΙ_2 avec L1 = L2), on choisira en première approximation, selon l'invention, le rapport k des coefficients de dilatation de manière telle que k soit égal à : k _ «2 _ Ti
[0019] Par exemple, dans les centrales solaires à concentration, les températures T1 et T2 sont respectivement de l'ordre de plus de 700°C et 500°C, donc avec un gradient thermique entre les deux faces des tubes échangeurs de chaleur de l'ordre de 200°C. Dans cet exemple, le coefficient k est de 700/500 = 1 ,4.
[0020] Selon une modalité particulière de l'invention, on peut ainsi procéder au soudage d'une - première partie en un alliage à base nickel, choisi pour sa grande résistance thermomécanique avec un faible coefficient de dilatation thermique. Selon une modalité d'exécution préférée, cette partie peut avantageusement être réalisée dans un alliage inconel, qui contient une grande quantité de nickel et de chrome, par exemple en alliage UNS N06230, qui a un coefficient de dilatation thermique de 14,1 x 10"6/°C pour une température variant entre 20 et 600°C avec
- une deuxième partie en acier inoxydable possédant une grande résistance thermomécanique et un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la première partie. Selon une modalité d'exécution préférée, cette partie peut avantageusement être réalisée dans un acier inoxydable austénitique spécial ayant une très haute résistance thermomécanique comparé aux autres aciers inoxydable, comme par exemple l'alliage SS 347H qui a un coefficient de dilatation thermique de 18,9 x 10"6/°C, c'est-à-dire supérieur à celui de l'UNS N06230 pour la même gamme de température. Son coût unitaire est cependant cinq fois moins élevé que celui de l'UNS N06230.
[0021] Les tubes bimétalliques de l'invention sont fabriqués par le soudage de deux parties longitudinales de dimensions identiques.
[0022] Selon une première modalité d'exécution, le procédé d'assemblage du tube bimétallique 1 comporte les étapes suivantes (figures 1 et 2) : - fabriquer deux bandes en matériaux différents, par exemple une bande 2 en alliage SS 347H et une bande 3 en alliage UNS N06230 ;
- donner une forme semi-cylindrique par cintrage à chacune des deux bandes 2, 3 ;
- aligner les deux parties 2, 3 du tube à assembler en réalisant un maintien grâce à des supports appropriés connus de l'homme de métier ;
- réaliser deux soudures longitudinales diamétralement opposées pour assembler les deux parties, de préférence en utilisant une ligne de soudage automatique.
[0023] Selon une deuxième modalité d'exécution, le procédé d'assemblage du tube bimétallique 1 comporte les étapes suivantes:
- fabriquer deux bandes en matériaux différents, par exemple une bande en alliage SS 347H et une bande 3 en alliage UNS N06230 ;
- souder les deux bandes selon un de leurs côtés longitudinaux pour obtenir une première soudure ;
- effectuer un cintrage de l'assemblage des deux bandes ainsi soudées pour obtenir la forme d'un tube;
- réaliser une deuxième soudure longitudinale sur le côté longitudinal restant de chacune des deux bandes pour obtenir la fermeture du tube.
[0024] Enfin, toujours selon l'invention, on appliquera un traitement thermique approprié aux tubes bimétalliques soudés en fonction de la nature des matériaux soudés. [0025] Avantageusement, on prendra en compte l'impact environnemental de cette invention par les mesures suivantes :
- utiliser des matériaux recyclables ;
- utiliser des matériaux faiblement alliés ce qui permet de limiter la consommation des métaux critiques telle que le chrome et le nickel;
- veiller à réduire l'impact environnemental dans le processus de fabrication.
Repères de référence
1 . tube bimétallique
2. première partie
3. deuxième partie
4. soudure
5. échangeur de chaleur
6. tour de centrale solaire à concentration

Claims

REVENDICATIONS
1. Tube bimétallique (1 ) destiné à être incorporé dans un échangeur de chaleur comportant une face avant et une face arrière destinées à supporter en utilisation un gradient de température ΔΤ = T1 -T2, avec T1 >T2, élevé entre les deux faces, où T1 et T2 sont les températures maximales admissibles sur les faces respectives, ledit tube étant constitué d'une première partie semi- cylindrique (2) et d'une deuxième partie semi-cylindrique (3) soudées l'une à l'autre selon deux soudures (4) orientées selon l'axe du tube (1 ) et diamétralement opposées, la première partie (2) et la deuxième partie (3) étant réalisées dans des alliages métalliques différents et ayant des coefficients de dilation thermique respectifs a1 et o2 sensiblement différents et tels qu'en première approximation, le rapport
Figure imgf000012_0001
est compris entre 1 ,2 et 2.
2. Tube bimétallique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le tube bimétallique (1 ) convient pour une utilisation oùT1 et T2 sont respectivement de l'ordre de 700°C et 500°C ou avec un gradient thermique ΔΤ = T1 -T2 qui est de l'ordre de 200°C, le rapport k étant alors d'environ 1 ,4.
3. Tube bimétallique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la première partie (2) est réalisée en un alliage à base de nickel ou carbone.
4. Tube bimétallique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la deuxième partie (3) est réalisée en acier inoxydable austénitique.
5. Tube bimétallique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la première partie (2) est réalisée en alliage UNS N06230.
6. Tube bimétallique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la deuxième partie (3) est réalisée en acier SS 347H.
7. Echangeur de chaleur (5) comportant une face avant et une face arrière avec un gradient de température élevé entre les deux faces, et composé d'un assemblage de tubes bimétalliques (1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
8. Utilisation d'un échangeur de chaleur selon la revendication 7, comme récepteur thermique au sommet d'une tour de centrale solaire à concentration (6).
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BE2015/5772 2015-11-27

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