EP3494352A1 - Module d'echangeur de chaleur a plaques dont les canaux integrent en entree une zone de repartition uniforme de debit et une zone de bifurcations de fluide - Google Patents

Module d'echangeur de chaleur a plaques dont les canaux integrent en entree une zone de repartition uniforme de debit et une zone de bifurcations de fluide

Info

Publication number
EP3494352A1
EP3494352A1 EP17745748.8A EP17745748A EP3494352A1 EP 3494352 A1 EP3494352 A1 EP 3494352A1 EP 17745748 A EP17745748 A EP 17745748A EP 3494352 A1 EP3494352 A1 EP 3494352A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channels
circuit
zone
fluid
plates
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17745748.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Lionel Cachon
Xavier JEANNINGROS
Chiara GALATI
Alexandre MOLLA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3494352A1 publication Critical patent/EP3494352A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/027—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes
    • F28F9/0275—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes with multiple branch pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0081—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by a single plate-like element ; the conduits for one heat-exchange medium being integrated in one single plate-like element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/08—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C15/00—Cooling arrangements within the pressure vessel containing the core; Selection of specific coolants
    • G21C15/02—Arrangements or disposition of passages in which heat is transferred to the coolant; Coolant flow control devices
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21D—NUCLEAR POWER PLANT
    • G21D1/00—Details of nuclear power plant
    • G21D1/006—Details of nuclear power plant primary side of steam generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0054—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for nuclear applications
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2210/00—Heat exchange conduits
    • F28F2210/02—Heat exchange conduits with particular branching, e.g. fractal conduit arrangements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger module with a stack of metal plates, integrating at least two fluid circuits.
  • the invention relates more particularly to the realization of a new type of heat exchanger module to improve the uniformity of the distribution of the different channels of internal circulation of fluids, while ensuring both good thermal efficiency and a satisfactory thermomechanical loading, without harming the compactness of the module.
  • the known heat exchangers comprise either at least two internal fluid circulation channel circuits.
  • the heat exchange takes place between the circuit and a surrounding fluid in which it is immersed.
  • the heat exchange takes place between the two fluid circuits.
  • the present invention also relates to the production of heat exchanger modules with only heat exchange function and integrating two fluid circuits that the realization of exchangers-reactors. Also, by "heat exchanger module with at least two fluid circuits", it is necessary to understand, in the context of the invention, both a heat exchanger module with a function solely of heat exchange and an exchanger. -reactor.
  • the main use of an exchanger module between two fluids according to the invention is its use with a gas as one of the two fluids. It may advantageously be liquid metal and gas, for example liquid sodium and nitrogen.
  • the main application targeted by an exchanger module according to the invention is the heat exchange between a liquid metal, such as liquid sodium, of the secondary loop and nitrogen as a gas of the tertiary loop of a fast neutron reactor cooled with the liquid metal, such as the liquid sodium called RNR-Na or SFR (acronym for "Sodium Fast Reactor") and which is part of the so-called fourth-generation reactor family.
  • a liquid metal such as liquid sodium
  • SFR synchrom for "Sodium Fast Reactor
  • a heat exchanger module according to the invention can also be implemented in any other application requiring an exchange between two fluids, such as a liquid and a gas, preferably when it is necessary to have a compact exchanger. and of great 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 known tube exchangers are, for example, tube and shell exchangers, in which a bundle of upright or bent U-shaped or helical tubes is fixed on pierced plates and disposed inside a chamber waterproof called calender.
  • calender a chamber waterproof
  • 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.
  • a heat exchange pattern is defined by a structure delimited by fins, the structures being reported between two metal plates and can have very varied geometries.
  • the exchange pattern may be different between one of the two fluid circuits of the exchanger and the other.
  • the assembly between metal plates is usually by soldering or by diffusion welding.
  • Corrugated or corrugated plate heat exchangers are also known.
  • the corrugations are created by stamping a plate separating the two fluid circuits.
  • the exchange pattern is identical for each of the two fluid circuits.
  • the flow of fluids generated by this type of exchange pattern is three-dimensional and, therefore, is very efficient.
  • the joining between plates is done either by bolted connection or by their peripheral welding (conventional welding, or welding-diffusion).
  • machining is mechanical or electrochemically.
  • the channels defined by the machining are of millimeter section and are usually continuous and in a regular zigzag profile.
  • the plates are assembled by welding-diffusion allowing welding on all points of contact between two adjacent plates. This type of milled plate heat exchanger is intrinsically very resistant to pressure.
  • Some inventors of the present invention have designed a plate stacked module heat exchanger for the heat exchange between a gas and a liquid metal in the context of the realization of a nuclear reactor of the family of so-called fourth generation reactors, that is to say in a heat exchange configuration between an excellent coolant, the liquid metal, typically liquid sodium (Na) and a fluid with much lower thermal transport properties, the gas, typically nitrogen (N 2 ).
  • the liquid metal typically liquid sodium (Na) and a fluid with much lower thermal transport properties
  • the gas typically nitrogen (N 2 ).
  • the sealed enclosure has a role of collector of the gas circuit and the dimensioning of the heat exchanger modules is driven first by the gas, because it is the least good coolant of the two fluids.
  • the size of the exchange pattern of the gas circulation channels is strictly dictated by thermohydraulic performance constraints, the size of the liquid metal circulation channels must take into account the risks of clogging related to the circulation of the metal. liquid, which limits the minimum section of the circulation channels of the latter. Taking also into account the differences in physical characteristics, more particularly in density, between a gas and a liquid metal, a resulting exchanger module has pressure losses in the liquid metal circulation channels which are very low, typically of the order 40 mbar.
  • each exchanger module has a unit thermal power of the order of 12 MWth, which implies, with the dimensioning rules, a very large number of fluid circulation channels, typically equal to about 5000 for a module.
  • each module is arranged inside a chamber pressurized by the gas.
  • the structures supplying and recovering the liquid metal consisting of manifolds and distribution piping, may be subjected to high temperature compression forces which without particular precautions could lead to damage by buckling under creep. Also, from a thermomechanical point of view, these structures must be designed as compact as possible.
  • One of the known solutions consists in increasing the size of the liquid metal collectors, in order to reduce the velocity field in the latter and thus the dynamic pressure, in comparison with the pressure drop within the channels of the module. This solution can not be retained because as mentioned above, the structures supplying and recovering the liquid metal must be as compact as possible and therefore the collector as small as possible.
  • FIGS. 1 to 3 show bifurcation examples from a single channel 10 made in a metal plate, which respectively lead to a number of sixteen channels 10.1 to 10.16 or five channels 10.1 to 10.2 for the zone of exchange. It should be noted that the configuration of FIG. 2 differs from that of FIG. 1 in that the channels are interconnected in the central exchange part.
  • This solution is all the more effective if the pressure loss of the channels is high, typically corresponding to a value of 10% of residual dispersion and a pressure variation of 500 mbar, or to a value of 13% of residual dispersion and a variation of pressure of 350 mbar.
  • the patent application WO2015 / 092199 discloses a compact catalytic reactor with at least three plates, the channels of the plates having at least one zone of straight channels of millimeter size, which is a heat exchange zone and at least one zone fluid distribution upstream and / or downstream of the exchange zone, with a discontinuity of the walls (ribs) which separate the channels along the distribution zone, and an increase in the width of the walls along the distribution area.
  • US Pat. No. 4,665,975 discloses a plate-bonded heat exchanger assembled by diffusion welding, the channels of each plate being configured with three zones including a collector zone, a pre-collector zone, and a distribution / exchange zone, the channels communicating with each other, transversely to the longitudinal axis of the plates, at the interface between the pre-collector zone and the exchange zone, which allows pressure rebalancing.
  • the object of the invention is to at least partially meet this need.
  • the subject of the invention is a longitudinal axis heat exchanger module (X) comprising a stack of plates defining at least two fluid circuits, at least a portion of the plates each comprising circulation channels of fluid each delimited at least in part by a groove, the channels of at least one of the two circuits, said first circuit, having:
  • a zone for supplying the fluid from outside the stack in which the channels are parallel to one another and extend along an axis intersecting with the longitudinal axis X and in which two channels adjacent communicating with each other by at least one opening opening made in the separation rib of their respective groove;
  • each channel is divided into at least two straight channels, parallel to each other and which extend parallel to the longitudinal axis (X) being separated from each other by a rib;
  • connection zone between the feed zone and the bifurcation zone, the zone in which each channel has a straight profile which extends along the secant axis ( ⁇ ') and a continuous curved profile with the straight profile to connect the channel with a right channel of the bifurcation zone;
  • the channels of each plate of the first circuit communicate with those of the other plates of the first circuit in their feed zone. respective, through openings through the stack but which do not communicate with the channels of the second circuit.
  • the invention essentially consists of judiciously combining a communication of the channels between them within a same plate and between all the plates of the same circuit, in a feed zone or pre-collector, with a succession grouping channels in pairs in the form of bifurcations.
  • the communication between channels acts as a jet breaker which is integrated in each plate and between the plates, which allows a natural rebalancing of the flows between all the channels of the same fluid and thus guarantees a homogeneous distribution.
  • the channel grouping sequence reduces the number of channels to be fed by the collector outside the stack and thereby increase the induced pressure drop and also reduce the size of the collector.
  • the main advantages of the invention are to be able to deal with the problem of poor distribution of one of the fluids within a heat exchanger module without adding a non-integrated device by changes in the pressure drop (bifurcation zone). and with an integrated grid allowing communication between channels of the same plate and between plates, allowing the module to remain very compact and decreasing the size of the input collector.
  • the invention also makes it possible to reduce the number of channels to be fed, which makes it possible to reduce the size of the collector, and to improve the thermomechanical dimensioning.
  • the inventors have carried out preliminary computational fluid dynamics (CFD) calculations, which have shown that the invention makes it possible to improve the homogeneity of liquid sodium distribution within the framework of the invention.
  • CFD computational fluid dynamics
  • a heat exchanger module in real conditions of use in the context of a Na / Gas exchanger of a fourth generation nuclear reactor.
  • the curved profile of each channel of the first circuit comprises two curves for connecting the right profile of the connection zone to the right channel of the bifurcation zone.
  • each right channel is divided into four channels in the bifurcation zone.
  • the angle between the secant axis ( ⁇ ') and the longitudinal axis (X) of the module is between 0 and 45 °.
  • an advantageous alternative may consist in inserting a plate of the first circuit between two plates of the second circuit at least in the central part of the stack.
  • the channels of the first circuit may have an ovoid, circular, rectangular or square section.
  • the metallic material constituting the plates of the exchanger module according to the invention is chosen as a function of the conditions of its required use, namely the pressure of the fluids, the temperatures and the nature of the fluids flowing through the module.
  • It may be for example aluminum, copper, nickel, titanium or alloys of these elements as well as a steel, especially an alloy steel or a stainless steel or a refractory metal selected from alloys of niobium, molybdenum, tantalum or tungsten.
  • the invention also relates to a method for producing a heat exchanger module described above, comprising the following steps:
  • the invention also relates to a heat exchanger comprising a sealed enclosure, intended to be pressurized by a fluid flowing in the second circuit and a plurality of heat exchanger modules such as that described above, each extending parallel to the central axis of the enclosure and each arranged inside the enclosure.
  • the invention also relates to the use of the heat exchanger described above, the fluid of the first circuit, as the primary fluid being a liquid metal and the second fluid of the second circuit, as a secondary fluid, being a gas or a mixture of gases.
  • the fluid of the second circuit may comprise mainly nitrogen and the first fluid of the first is liquid sodium.
  • the fluid of the first or second circuit may come from a nuclear reactor.
  • the subject of the invention is a nuclear installation comprising a fast neutron nuclear reactor cooled with liquid metal, in particular liquid sodium called R R-Na or SFR, and a heat exchanger comprising a plurality of exchanger modules described below. above.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a plate heat exchanger module plate according to an example of the state of the art, with a single input and output channel and bifurcations before the zone. exchange;
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of a plate heat exchanger module plate according to another example of the state of the art with a single input and output channel and bifurcations before the zone. exchange;
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a plate heat exchanger module plate according to yet another example of the state of the art with a single input and output channel and bifurcations before the exchange zone;
  • FIG. 4 is a plan view of a plate heat exchanger module plate according to a first variant of the invention with a feed zone at plurality of input channels forming a feed gate and an area with bifurcations before the exchange zone;
  • FIG. 5 is a view from above of a plate heat exchanger module plate according to a second variant of the invention with a feed zone with a plurality of input channels forming a grid and a zone with bifurcations before the exchange zone;
  • FIG. 6 is a detailed perspective view showing the stack of plates of a module according to the invention, at the level of the feed zone with a grid according to a first variant;
  • FIG. 7 is a detailed perspective view showing the stack of plates of a module according to the invention, at the level of the feed zone with a grid according to a second variant;
  • FIG. 8 is a detail view in accordance with the second variant of FIG. 7, FIG. 8 showing an example of dimensions
  • FIG. 9 is a detailed view of a bifurcation zone portion according to the invention, FIG. 9 showing an example of dimensions.
  • FIGS. 4 to 7 show a plate 1 of one of the two fluid circuits, said first circuit, of a heat exchanger module according to the invention, which extends along a longitudinal axis X.
  • This first circuit is intended to circulate preferably a liquid metal, such as liquid sodium.
  • This plate 1 is grooved with channels 10, 11, 12, 13 with zones ZI, Z2, Z3, Z4 made and shaped differently.
  • the channels 10 are parallel to each other and extend along an axis X 'intersecting with the longitudinal axis X and two adjacent channels 10 communicate with each other by at least one opening opening 16 made in the rib 15 of separation of their respective groove.
  • through openings 17 are formed within each channel 10 to allow communication between all plates 1 of the first circuit through the stack. To do this, other through openings not shown are also made through the plates 2 of the second circuit. These other through openings do not allow communication between the channels of the first circuit with those of the second circuit.
  • the channels 10 with the openings between channels 16 and the openings 17 passing through the plates 1 form each of them a communication grid between channels of the same plate 1 and between plates 1.
  • each channel has a straight profile 11 which extends along the secant axis X 'and a curved profile 12 continuous with the right profile to connect the channel 11 with a right channel of a bifurcation zone Z3 in the continuity downstream of the connection zone Z2.
  • FIG. 5 is a variant of FIG. 4 in which the curved profiles are of shorter length in order to have all the channels 13 in the bifurcation zone aligned transversely to the longitudinal axis X.
  • the connecting zone Z2 has a relatively large area, which ensures a sufficient physical separation between the supply zone ZI and the bifurcation zone Z3 downstream. This physical separation makes it possible to provide sufficient space in the plates 2 of the second circuit so that no communication between the channels of the first circuit is made with those of the second circuit.
  • each channel 13 is divided into four channels 13.1, 13.2, 13.3, 13.4 straight, parallel to each other and which extend parallel to the longitudinal axis X being separated from each other by a rib.
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment of the supply zone ZI, in which the rib portions 18 which separate the openings 16 between the channels 10 are all identical and aligned, as well as the through openings 17.
  • FIG. 8 shows an example of dimensioning of the plate 1 in the supply zone ZI according to the variant of FIG. 7.
  • Figure 9 shows an example of sizing of a channel 13 to four bifurcations 13.1 to 13.4, from the curved profile 12 of the connecting zone Z2.
  • metal plates 1 of rectangular shapes, identical to each other, respectively grooves with ZI feed zones, connection Z2, bifurcation Z3 and exchange Z4 as detailed above.
  • the plates 1 are then machined in the zones ZI so as to have the through openings 16 between the channels 10 and the openings 17 passing through each plate 1.
  • An alternating stack of the plates 1 of the first circuit is made with the plates 2 of the second circuit so as to have the through openings 17 which allow communication between channels of the plates 1 of the first circuit but not with those of the plates of the second circuit.
  • the metal plates 1, 2 are then assembled together, either by hot isostatic compression (CIC), or by a hot uniaxial diffusion-diffusion process so as to obtain a diffusion bonding between them.
  • CIC hot isostatic compression
  • a channel according to Comparative Examples 1 and 2 has the same dimensions, i.e. width, length and height as a channel according to Example 3 according to the invention.
  • Comparative Example 1 refers to a module according to the state of the art, in which the channels of the Z4 of the circuit Na are straight and all open into the collector.
  • Comparative Example 2 relates to a module comprising channels in the plates 1 only between the fluid inlet and the exchange zone Z4, a zone Z3 with the bifurcations as represented in FIGS. 4 and 5 and dimensioned as those of FIG. the invention in Figure 9.
  • Example 3 is in accordance with the invention, with a module comprising channels in the plates 1 with all the zones ZI to Z4, the zone ZI being dimensioned as in FIG. 8 and the zone Z3 with the bifurcations dimensioned as those of FIG. invention in Figure 9.
  • the gas circuit in an exchanger module between a liquid metal, such as liquid sodium, and a gas, such as nitrogen, can advantageously be envisaged with straight channels and a liquid metal circuit with the channels having the different zones ZI, Z2, Z3, TA, and preferably larger sections than those of the channels of the gas circuit.
  • a liquid / gas metal exchanger is an example of application, and one can very well envisage having the same zones ZI to Z4 according to the invention, for the two fluid circuits within the same exchanger .
  • the second circuit is rather dedicated to the flow of gas, it should not introduce too much loss of charge, and therefore it is preferable not to make a bifurcation zone for the plates of the second circuit.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
  • Details Of Heat-Exchange And Heat-Transfer (AREA)

Abstract

L'invention concerne un module d'échangeur de chaleur d'axe longitudinal (X) comprenant un empilement de plaques (1, 2) définissant au moins deux circuits de fluide, au moins une partie des plaques comprenant chacune des canaux de circulation de fluide délimités chacun au moins en partie par une rainure. Selon l'invention, on réalise une communication des canaux entre eux au sein d'une même plaque et entre toutes les plaques d'un même circuit, dans une zone d'alimentation ou de pré-collecteur, avec une succession de regroupement de canaux deux à deux sous la forme de bifurcations.

Description

MODULE D'ECHANGEUR DE CHALEUR A PLAQUES DONT LES CANAUX INTEGRENT EN ENTREE UNE ZONE DE REPARTITION UNIFORME DE DEBIT ET UNE ZONE DE BIFURCATIONS DE FLUIDE
Domaine technique
La présente invention concerne un module d'échangeur de chaleur à empilement de plaques métalliques, intégrant au moins deux circuits de fluides.
L'invention a trait plus particulièrement à la réalisation d'un nouveau type de module d'échangeur de chaleur pour améliorer l'uniformité de la distribution des différents canaux de circulation interne de fluides, tout en assurant à la fois une bonne efficacité thermique et un chargement thermomécanique satisfaisant, et ce sans nuire à la compacité du module.
Les échangeurs de chaleur connus comprennent soit au moins deux circuits à canaux de circulation interne de fluide. Dans les échangeurs à un seul circuit, les échanges thermiques se réalisent entre le circuit et un fluide environnant dans lequel il baigne. Dans les échangeurs à au moins deux circuits de fluide, les échanges thermiques se réalisent entre les deux circuits de fluide.
Il est connu des réacteurs chimiques qui mettent en œuvre un procédé en continu selon lequel on injecte simultanément une quantité faible de co-réactants, à l'entrée d'un premier circuit de fluide, de préférence équipé d'un mélangeur, et on récupère le produit chimique obtenu en sortie dudit premier circuit. Parmi ces réacteurs chimiques connus, certains comprennent un deuxième circuit de fluide, appelé usuellement utilité, et dont la fonction est de contrôler thermiquement la réaction chimique, soit en apportant la chaleur nécessaire à la réaction, soit au contraire en évacuant la chaleur dégagée par celle-ci. De tels réacteurs chimiques à deux circuits de fluide avec utilité sont usuellement appelés échangeurs-réacteurs.
La présente invention concerne aussi bien la réalisation de modules d'échangeurs de chaleur à fonction uniquement d'échanges thermiques et intégrant deux circuits de fluide que la réalisation d'échangeurs-réacteurs. Aussi, par «module d'échangeur de chaleur à au moins deux circuits de fluide », il faut comprendre dans le cadre de l'invention, aussi bien un module d'échangeur de chaleur à fonction uniquement d'échanges thermiques qu'un échangeur-réacteur. L'utilisation principale d'un module d'échangeur entre deux fluides selon l'invention est son utilisation avec un gaz comme un des deux fluides. Il peut s'agir avantageusement de métal liquide et de gaz, par exemple du sodium liquide et d'azote.
L'application principale visée par un module d'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.
Un module d'échangeur de chaleur selon l'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 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.
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.
Dans ce domaine des échangeurs compacts à plaques, de nombreuses formes élémentaires définissant des motifs d'échanges thermiques ont été développées.
On peut citer en premier lieu les échangeurs à plaques intégrant des ailettes, dans lesquels un motif d'échange thermique est défini par une structure délimitée par des ailettes, les structures étant rapportées entre deux plaques métalliques et pouvant avoir des géométries très variées. Le motif d'échange peut être différent entre un des deux circuits de fluides de l'échangeur et l'autre. L'assemblage entre plaques métalliques se fait usuellement par brasage, ou par soudage-diffusion.
Il est également connu des échangeurs à plaques à ondulations ou corruguées. Les ondulations sont créées par emboutissage d'une plaque séparant les deux circuits de fluides. De ce fait, le motif d'échange est identique pour chacun des deux circuits de fluides. L'écoulement de fluides généré par ce type de motif d'échanges est tridimensionnel et, de ce fait, est très performant. L'assemblage entre plaques se fait soit par liaison boulonnée soit par leur soudage périphérique (soudage classique, ou par soudage-diffusion).
Il est enfin connu des échangeurs à plaques à rainures usinées, l'usinage étant mécanique ou réalisé par voie électrochimique. Les canaux définis par les usinages sont de section millimétrique et sont le plus souvent continus et selon un profil régulier en zigzag. L'assemblage des plaques se fait par soudage-diffusion permettant une soudure sur tous les points de contacts entre deux plaques adjacentes. Ce type d'échangeur à plaques à rainures usinées est donc intrinsèquement très résistant à la pression.
Certains inventeurs de la présente invention ont conçu un échangeur à modules à empilement de plaques pour l'échange de chaleur entre un gaz et un métal liquide dans le cadre de la réalisation d'un réacteur nucléaire de la famille des réacteurs dits de quatrième génération, c'est-à-dire dans une configuration d'échange thermique entre un excellent caloporteur, le métal liquide, typiquement le sodium liquide (Na) et un fluide aux propriétés de transport thermique bien moindre, le gaz, typiquement l'azote (N2).
La demande de brevet WO2015/028923 Al décrit et revendique ainsi un échangeur de chaleur dans lequel les modules échangeur de chaleur sont agencés à l'intérieur de et fixés rigidement à une enceinte pressurisée par la pression du gaz, typiquement à environ 180 bar, par l'intermédiaire d'une structure de support et de maintien tandis que la tuyauterie de distribution du métal liquide n'est pas fixée à cette structure support.
Dans cette conception, l'enceinte étanche a un rôle de collecteur du circuit de gaz et le dimensionnement des modules échangeurs de chaleur est piloté en premier lieu par le gaz, car c'est le moins bon caloporteur des deux fluides.
Alors que la taille du motif d'échange des canaux de circulation du gaz est strictement dictée par des contraintes de performance thermo -hydraulique, la taille des canaux de circulation du métal liquide doit prendre en considération les risques de bouchage liés à la circulation du métal liquide, ce qui limite la section minimale des canaux de circulation de ce dernier. En tenant compte également des différences de caractéristiques physiques, plus particulièrement de densité, entre un gaz et un métal liquide, un module échangeur résultant présente des pertes de charge dans les canaux de circulation du métal liquide qui sont très faibles, typiquement de l'ordre de 40 mbar.
Par ailleurs, dans un souci de compacité, chaque module échangeur a une puissance thermique unitaire de l'ordre de 12 MWth, ce qui implique, avec les règles de dimensionnement, un très grand nombre de canaux de circulation de fluides, typiquement égal à environ 5000 pour un module.
Une autre contrainte à considérer provient du fait que chaque module est agencé à l'intérieur d'une enceinte pressurisée par le gaz. En fonctionnement, les structures alimentant et récupérant le métal liquide, constituées des collecteurs et de la tuyauterie de distribution, peuvent être soumises à des efforts de compression à haute température qui sans précaution particulière pourraient conduire à un endommagement par flambage sous fluage. Aussi, d'un point de vue thermomécanique, ces structures doivent être conçues les plus compactes possibles.
En résumé, la configuration des modules échangeurs de chaleur à l'intérieur de l'enceinte pressurisée par le gaz, selon la demande WO2015/028923 Al précitée, implique un très grand nombre de canaux par module avec une grande compacité.
Or, les inventeurs de la présente invention ont analysé que cette configuration peut induire une distribution du métal liquide non uniforme dans les canaux au sein de chaque module échangeur, ce qui peut être préjudiciable d'une part à l'efficacité thermique globale de l'échangeur et d'autre part à la tenue thermomécanique des structures de Γ échangeur. Ainsi, les inventeurs ont été confrontés à la nécessité de concevoir un module échangeur à plaques qui permette d'assurer une distribution homogène en métal liquide des canaux de circulation au sein du module.
Bien que les conditions hydrauliques d'un module échangeur selon la configuration précitée sont peu rencontrées dans l'état de l'art, notamment du fait d'un ratio entre le nombre de Reynolds Re très élevé à l'entrée et celui relativement faible dans les canaux, les inventeurs ont fait l'inventaire de différentes solutions existantes permettant de rendre plus homogène (uniforme) la circulation d'un fluide au sein d'un échangeur.
Une des solutions connues consiste à augmenter la taille des collecteurs de métal liquide, afin de réduire le champ de vitesse dans ce dernier et ainsi la pression dynamique, en comparaison de la perte de charge au sein des canaux du module. Cette solution ne peut être retenue car comme évoqué ci-dessus, les structures alimentant et récupérant le métal liquide, doivent être le plus compact possible et donc le collecteur le plus petit possible.
Il est connu également de placer une grille à l'intérieur du collecteur. Cette grille permet de briser le jet d'écoulement de métal liquide avant son entrée dans le module. Cette solution est pertinente sur le plan hydraulique, car elle pourrait permettre de résoudre le problème de mauvaise distribution entre plaques et au sein d'une même plaque avec un coût très faible en pertes de charge, avec typiquement une valeur de 3% de dispersion résiduelle et une variation de pression inférieure à 150 mbar.
L'inconvénient majeur de cette solution avec grille rapportée à l'intérieur du collecteur, est l'ajout d'une inertie thermique préjudiciable, en régime de fonctionnement avec transitoire thermique. En outre, en raison du composant supplémentaire constitué par la grille, rapporté à l'intérieur du collecteur, celui-ci a une taille qui reste grande et donc qui nécessite de fortes épaisseurs de paroi.
Enfin, il est connu de conformer les canaux avec des bifurcations dans la zone d'entrée du métal liquide, qui est en quelque sorte un pré-collecteur. Cela permet avant tout de réduire le nombre de canaux à distribuer avec le fluide au niveau du collecteur. On a représenté aux figures 1 à 3 des exemples de bifurcation à partir d'un seul canal 10 réalisé dans une plaque métallique, qui conduisent respectivement à un nombre de seize canaux 10.1 à 10.16 ou de cinq canaux 10.1 à 10.2 pour la zone d'échange. On précise que la configuration de la figure 2 se distingue de celle de la figure 1 en ce que les canaux sont reliés entre eux dans la partie centrale d'échange. Cette solution est d'autant plus efficace que la perte de charge des canaux est élevée typiquement correspondant à une valeur de 10% de dispersion résiduelle et une variation de pression de 500 mbar, ou à une valeur de 13% de dispersion résiduelle et une variation de pression de 350 mbar.
Or, compte tenu du très grand nombre de canaux de circulation de fluides à alimenter par module, une solution avec un seul canal par module en entrée ne peut être retenue. En effet, pour garder des pertes de charge admissibles dans un module, seule une réduction d'un facteur 4 du nombre de canaux débouchant dans le collecteur peut convenir.
Autrement dit, les inventeurs ont conclu également que l'emploi de bifurcations comme selon l'état de l'art ne peut être retenu dans le cadre de la configuration explicitée ci-dessus, car cela ne permet pas de réduire de moins de 10% une mauvaise distribution du métal liquide dans chaque module.
Certes, un certain nombre de travaux traite de la géométrie de la bifurcation optimale pour que cette dernière n'induise pas de mauvaise distribution.
Ainsi, la demande de brevet WO2015/092199 divulgue un réacteur catalytique compact à au moins trois plaques, les canaux des plaques présentant au moins une zone de canaux droits de taille millimétrique, qui est une zone d'échange de chaleur et au moins une zone de distribution du fluide en amont et/ou en aval de la zone d'échange, avec une discontinuité des parois (nervures) qui séparent les canaux le long de la zone de distribution, et une augmentation de la largeur des parois le long de la zone de distribution.
Le brevet US4665975 divulgue un échangeur de chaleur à empilement de plaques assemblées par soudage diffusion, les canaux de chaque plaque étant configurés avec trois zones dont une zone de collecteur, une zone de pré-collecteur, et une zone de distribution/d'échange, les canaux communiquant entre eux, transversalement à l'axe longitudinal des plaques, à l'interface entre la zone de pré-collecteur et la zone d'échange, ce qui permet un rééquilibrage de pression.
Si la solution décrite dans la demande WO2015/092199A1 améliore à priori la distribution du fluide dans les canaux au sein d'une même plaque dans bon nombre de configurations hydrauliques, la solution selon le brevet US4665975 peut poser certains problèmes en raison d'un déséquilibre de géométrie (longueur et coudes) des canaux constituant la zone de pré-collecteur, ce qui génère des recirculations non souhaitées de fluide. Par ailleurs et surtout, aucune de ces solutions ne permet de résoudre le problème d'une distribution non homogène entre les plaques de l'empilement des échangeurs.
Il existe donc un besoin d'améliorer encore les modules d'échangeurs de chaleur compacts à empilement de plaques, intégrant aux moins deux circuits de fluides, en particulier ceux destinés à un échange de chaleur entre gaz et un métal liquide, notamment en vue de rendre plus homogène la distribution des fluides au sein des modules, c'est-à-dire à la fois au sein d'une plaque donnée et entre les plaques de l'empilement, et ce en nuisant pas à la compacité des modules.
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 module d'échangeur de chaleur d'axe longitudinal (X) comprenant un empilement de plaques définissant au moins deux circuits de fluide, au moins une partie des plaques comprenant chacune des canaux de circulation de fluide délimités chacun au moins en partie par une rainure, les canaux d'au moins l'un des deux circuits, dit premier circuit, présentant:
- une zone d'alimentation du fluide depuis l'extérieur de l'empilement, dans laquelle les canaux sont parallèles entre eux et s'étendent selon un axe (Χ') sécant avec l'axe longitudinal (X) et dans laquelle deux canaux adjacents communiquent entre eux par au moins une ouverture débouchante pratiquée dans la nervure de séparation de leur rainure respective;
- une zone dite de bifurcation, dans laquelle chaque canal est divisé en au moins deux canaux droits, parallèles entre eux et qui s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal (X) en étant séparés entre eux par une nervure;
- une zone dite de raccordement entre la zone d'alimentation et la zone de bifurcation, la zone dans laquelle chaque canal présente un profil droit qui s'étend selon l'axe sécant (Χ') et un profil incurvé continu avec le profil droit pour raccorder le canal avec un canal droit de la zone de bifurcation;
- une zone d'échange continue avec la zone de bifurcation dans laquelle les canaux droits, parallèles et séparés entre eux par les nervures s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal (X).
Dans le module selon l'invention, les canaux de chaque plaque du premier circuit communiquent avec ceux des autres plaques du premier circuit dans leur zone d'alimentation respective, par l'intermédiaire d'ouvertures traversant l'empilement mais qui ne communiquent pas avec les canaux du deuxième circuit.
Autrement dit, l'invention consiste essentiellement à combiner judicieusement une communication des canaux entre eux au sein d'une même plaque et entre toutes les plaques d'un même circuit, dans une zone d'alimentation ou de pré-collecteur, avec une succession de regroupement de canaux deux à deux sous la forme de bifurcations.
La communication entre canaux joue le rôle d'une grille brise-jet qui est intégrée dans chaque plaque et entre les plaques, ce qui permet un rééquilibrage naturel des débits entre tous les canaux d'un même fluide et donc garantit une distribution homogène.
La succession de regroupement de canaux permet de réduire le nombre de canaux à alimenter par le collecteur à l'extérieur de l'empilement et par-là d'augmenter la perte de charge induite et également de réduire la taille du collecteur.
Ainsi, grâce à l'invention, il est possible de distribuer de façon homogène tous les canaux de circulation d'un circuit de fluides au sein d'un module, même dans une situation hydraulique critique dans laquelle le collecteur est de faible dimensions, la vitesse d'alimentation est élevée, et une faible perte de charge des canaux.
Les principaux avantages de l'invention sont de pouvoir traiter le problème d'une mauvaise distribution d'un des fluides au sein d'un module d'échangeur sans ajout de dispositif non intégré par modifications de la perte de charges (zone de bifurcations) et avec une grille intégrée permettant la communication entre canaux d'une même plaque et entre plaques, en permettant au module de rester très compact et en diminuant la taille du collecteur d'entrée.
L'invention permet également de réduire le nombre de canaux à alimenter, ce qui permet de réduire la taille du collecteur, et d'améliorer le dimensionnement thermomécanique.
Les inventeurs ont réalisés des calculs préliminaires en mécanique des fluides numérique (MFN) (en anglais « Computational Fluid Dynamics » (CFD). Ces calculs montré que l'invention permet d'améliorer l'homogénéité de distribution de sodium liquide au sein d'un module d'échangeur de chaleur, en conditions réelles d'utilisation dans le cadre d'un échangeur Na/Gaz d'un réacteur nucléaire de quatrième génération. Selon une variante de réalisation, le profil incurvé de chaque canal du premier circuit comprend deux courbes pour relier le profil droit de la zone de raccordement au canal droit de la zone de bifurcation.
Selon un mode de réalisation avantageux, chaque canal droit est divisé en quatre canaux dans la zone de bifurcation.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, l'angle entre l'axe sécant (Χ') et l'axe longitudinal (X) du module est compris entre 0 et 45°.
Pour la réalisation du module, une alternative avantageuse peut consister à intercaler une plaque du premier circuit entre deux plaques du deuxième de circuit au moins dans la partie centrale de l'empilement.
Les canaux du premier circuit peuvent avoir une section ovoïde, circulaire, rectangulaire ou carrée.
Le matériau métallique constitutif des plaques du module échangeur selon l'invention est choisi en fonction des conditions de son utilisation requis, à savoir la pression des fluides, les températures et natures des fluides circulant à travers le module.
Il peut s'agir par exemple d'aluminium, de cuivre, de nickel, de titane ou d'alliages de ces éléments ainsi que d'un acier, notamment un acier allié ou un acier inoxydable ou encore d'un métal réfractaire choisi parmi les alliages de niobium, de molybdène, de tantale ou de tungstène.
L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un module d'échangeur de chaleur décrit précédemment, comprenant les étapes suivantes:
usinage de rainures dans des premières plaques métallique afin de constituer les canaux du premier circuit configurées avec les zones d'alimentation, de raccordement, de bifurcation et d'échange ;
- usinage de rainures dans des deuxièmes plaques métalliques afin de constituer les canaux du deuxième circuit;
empilement alterné des premières plaques et des deuxièmes plaques, de sorte à avoir les ouvertures traversantes qui permettent la communication entre canaux des plaques du premier circuit mais pas avec ceux des plaques du deuxième circuit assemblage des première et deuxième plaques métalliques entre elles, soit par compression isostatique à chaud (CIC), soit par un procédé appelé communément soudage-diffusion uniaxial à chaud, de sorte à obtenir un soudage par diffusion entre elles, soit par brasage. L'invention concerne également un échangeur de chaleur comprenant une enceinte étanche, destinée à être pressurisée par un fluide circulant dans le deuxième circuit et une pluralité de modules d' échangeur de chaleur tels que celui décrit précédemment, s 'étendant chacun parallèlement à l'axe central de l'enceinte et agencés chacun à l'intérieur de l'enceinte.
L'invention a également pour objet l'utilisation de l'échangeur de chaleur décrit ci-dessus, le fluide du premier circuit, en tant que fluide primaire étant un métal liquide et le fluide deuxième du deuxième circuit, en tant que fluide secondaire, étant un gaz ou un mélange de gaz.
Le fluide du deuxième circuit peut comprendre principalement de l'azote et le fluide premier du premier est du sodium liquide. Le fluide du premier ou du deuxième circuit peu(ven)t provenir d'un réacteur nucléaire.
L'invention a enfin pour objet une installation nucléaire comprenant un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du métal liquide, notamment du sodium liquide dit R R-Na ou SFR et un échangeur de chaleur comprenant une pluralité de modules d' échangeur décrits ci-dessus.
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 schématique en perspective d'une plaque de module d'échangeur de chaleur à plaques selon un exemple de l'état de l'art, avec un seul canal en entrée et en sortie et des bifurcations avant la zone d'échange;
- la figure 2 est une vue schématique en perspective d'une plaque de module d'échangeur de chaleur à plaques selon un autre exemple de l'état de l'art avec un seul canal en entrée et en sortie et des bifurcations avant la zone d'échange;
- la figure 3 est une vue schématique en perspective d'une plaque de module d'échangeur de chaleur à plaques selon encore un autre exemple de l'état de l'art avec un seul canal en entrée et en sortie et des bifurcations avant la zone d'échange;
- la figure 4 est une vue de dessus d'une plaque de module d'échangeur de chaleur à plaques selon une première variante de l'invention avec une zone d'alimentation à pluralité de canaux en entrée formant une grille d'alimentation et une zone avec des bifurcations avant la zone d'échange;
- la figure 5 est une vue de dessus d'une plaque de module d'échangeur de chaleur à plaques selon une deuxième variante de l'invention avec une zone d'alimentation à pluralité de canaux en entrée formant une grille et une zone avec des bifurcations avant la zone d'échange;
- la figure 6 est une vue de détail en perspective montrant l'empilement de plaques d'un module selon l'invention, au niveau de la zone d'alimentation avec une grille selon une première variante;
- la figure 7 est une vue de détail en perspective montrant l'empilement de plaques d'un module selon l'invention, au niveau de la zone d'alimentation avec une grille selon une deuxième variante;
- la figure 8 est une vue de détail conforme à la deuxième variante de la figure 7, la figure 8 montrant un exemple de dimensions;
- la figure 9 est une vue de détail d'une partie de zone de bifurcation selon l'invention, la figure 9 montrant un exemple de dimensions.
Par souci de clarté, les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références numériques selon l'état de l'art et selon l'invention.
On précise que dans l'ensemble de la demande, les termes « entrée », « sortie », « amont », « aval » sont à comprendre en relation avec le sens de la circulation du fluide considéré au sein d'un module d'échange de chaleur selon l'invention.
Les figures 1 à 3 relatives à l'état de l'art ont déjà été commentées en préambule. Elles ne le seront donc pas ci-après.
En figures 4 à 7, on a représenté une plaque 1 d'un des deux circuits de fluide, dit premier circuit, d'un module d'échangeur de chaleur selon l'invention, qui s'étend selon un axe longitudinal X. Ce premier circuit est destiné à faire circuler de préférence un métal liquide, tel que du sodium liquide.
Cette plaque 1 est rainurée avec des canaux 10, 11, 12, 13 avec des zones ZI, Z2, Z3, Z4 réalisées et conformées différemment.
Dans la zone d'alimentation ZI du fluide depuis l'extérieur de l'empilement, les canaux 10 sont parallèles entre eux et s'étendent selon un axe X' sécant avec l'axe longitudinal X et deux canaux adjacents 10 communiquent entre eux par au moins une ouverture débouchante 16 pratiquée dans la nervure 15 de séparation de leur rainure respective.
Comme visible en figure 6, des ouvertures traversantes 17 sont réalisées au sein de chaque canal 10 pour permettre la communication entre toutes les plaques 1 du premier circuit à travers l'empilement. Pour ce faire, d'autres ouvertures traversantes non représentées sont également réalisées au travers des plaques 2 du deuxième circuit. Ces autres ouvertures traversantes ne permettent pas la communication entre les canaux du premier circuit avec ceux du deuxième circuit.
Ainsi, les canaux 10 avec les ouvertures entre canaux 16 et les ouvertures 17 traversant les plaques 1 forment chacune d'entre elles une grille de communication entre canaux d'une même plaque 1 et entre plaques 1.
Dans la continuité de la zone d'alimentation ZI, les canaux sont prolongés dans une zone de raccordement Z2. Dans cette zone Z2, chaque canal présente un profil droit 11 qui s'étend selon l'axe sécant X' et un profil incurvé 12 continu avec le profil droit pour raccorder le canal 11 avec un canal droit d'une zone de bifurcation Z3 dans la continuité, en aval de la zone de raccordement Z2.
La figure 5 est une variante de la figure 4 dans laquelle les profils incurvés sont de moindre longueur afin d'avoir l'ensemble des canaux 13 dans la zone de bifurcation alignés transversalement à l'axe longitudinal X.
Comme on peut le voir sur les figures 4 et 5, la zone de raccordement Z2 présente une surface relativement importante, ce qui permet d'assurer une séparation physique suffisante entre la zone d'alimentation ZI et la zone de bifurcation Z3 en aval. Cette séparation physique permet de ménager un espace suffisant dans les plaques 2 du deuxième circuit de sorte à ce qu'aucune communication entre les canaux du premier circuit ne soit faite avec ceux du deuxième circuit.
Dans la zone de bifurcation Z3, chaque canal 13 est divisé en quatre canaux 13.1, 13.2, 13.3, 13.4 droits, parallèles entre eux et qui s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal X en étant séparés entre eux par une nervure.
Enfin, dans la continuité de la zone de bifurcation Z3, la zone d'échange thermique Z4 intègre les canaux 13.1, 13.2, 13.3, 13.4 droits, parallèles et séparés entre eux par les nervures s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal X. On a représenté en figure 7, une variante de réalisation de la zone d'alimentation ZI, dans laquelle les portions de nervure 18 qui séparent les ouvertures 16 entre canaux 10 sont toutes identiques et alignés, ainsi que les ouvertures traversantes 17.
On a représenté en figure 8, un exemple de dimensionnement de la plaque 1 dans la zone d'alimentation ZI selon la variante de la figure 7.
A titre indicatif, les valeurs chiffrées sont les suivantes: Rl=l,5mm, e 1=42, 5mm, e2=32,5mm, e3 = 3mm, e4= 7mm.
De manière analogue, la figure 9 montre un exemple de dimensionnement de d'un canal 13 à quatre bifurcations 13.1 à 13.4, à partir du profil incurvé 12 de la zone de raccordement Z2.
A titre indicatif, les valeurs chiffrées sont les suivantes: R2=20mm, R3=26mm, e5=25mm, e6 = 5,2mm, e7= 25mm, e8 = 5,2mm, e9= 25mm et el0= 6mm.
Pour réaliser un module d'échangeur selon l'invention qui vient d'être décrit, on procède de la manière suivante.
On usine dans des plaques métalliques 1 de formes rectangulaires, identiques entre elles, respectivement des rainures avec les zones d'alimentation ZI, de raccordement Z2, de bifurcation Z3 et d'échange Z4 comme détaillé ci-avant. Puis on usine les plaques 1 dans les zones ZI de sorte à avoir les ouvertures débouchantes 16 entre canaux 10 et les ouvertures 17 traversant chaque plaque 1.
On usine dans des plaques métalliques 2 de formes et dimensions identiques aux plaques 1, des rainures 20 définissant les canaux du deuxième circuit.
On réalise un empilement alterné des plaques 1 du premier circuit avec les plaques 2 du deuxième circuit de sorte à avoir les ouvertures traversantes 17 qui permettent la communication entre canaux des plaques 1 du premier circuit mais pas avec ceux des plaques du deuxième circuit.
On assemble alors les plaques métalliques 1, 2 entre elles, soit par compression isostatique à chaud (CIC), soit par un procédé de soudage-diffusion uniaxial à chaud de sorte à obtenir un soudage par diffusion entre elles.
Des calculs comparatifs CFD ont été réalisés par les inventeurs, afin de vérifier les meilleures performances de distribution de fluides au sein du premier circuit du module selon l'invention. Les calculs ont été faits avec comme hypothèse une circulation de sodium liquide à une température de 545°C en entrée du premier circuit.
On précise ici qu'un canal selon les exemples comparatifs 1 et 2 présente les mêmes dimensions, i.e. largeur, longueur et hauteur qu'un canal selon l'exemple 3 selon l'invention.
L'ensemble des calculs comparatifs sont résumés dans le tableau ci-dessous.
L'exemple comparatif 1 se rapporte à un module selon l'état de l'art, dans lequel les canaux de la Z4 du circuit Na sont droits et débouchent tous dans le collecteur.
L'exemple comparatif 2 se rapporte avec un module comprenant des canaux dans les plaques 1 uniquement entre l'entrée du fluide et la zone d'échange Z4, une zone Z3 avec les bifurcations comme représentées en figures 4 et 5 et dimensionnées comme celles de l'invention en figure 9.
L'exemple 3 est conforme à l'invention, avec un module comprenant des canaux dans les plaques 1 avec toutes les zones ZI à Z4, la zone ZI étant dimensionnée comme en figure 8 et la zone Z3 avec les bifurcations dimensionnées comme celles de l'invention en figure 9.
Dans tous les exemples, les autres formes et dimensions des plaques 1 et 2 sont identiques entre tous les exemples.
Dans le tableau, on a en outre indiqué un cas idéal d'échange entre le sodium liquide à qui sort de l'échangeur à 345°C et l'azote qui rentre à 310°C.
TABLEAU
De ce tableau, on constate que grâce à l'invention, la dispersion des débits par canal est bien moindre, les pertes de charges bien plus élevées mais acceptables, avec une efficacité thermique égale au cas idéal.
En outre comparativement à l'exemple 2, on s'aperçoit que les zones ZI avec ouvertures débouchantes 16 et celles traversant entre plaques 1 permettent de diminuer d'un facteur 4 la dispersion des débits.
On peut donc en conclure que l'invention permet d'améliorer la distribution de sodium liquide
D'autres variantes et améliorations peuvent être prévues sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Ainsi par exemple, dans un module d'échangeur entre un métal liquide, tel que du sodium liquide, et un gaz, tel que l'azote, on peut envisager avantageusement le circuit de gaz avec des canaux droits et un circuit de métal liquide avec les canaux présentant les différentes zones ZI, Z2, Z3, TA, et de préférence de plus grandes sections que celles des canaux du circuit de gaz.
Il va de soi qu'un échangeur métal liquide/gaz est un exemple d'application, et on peut très bien envisager avoir les même zones ZI à Z4 selon l'invention, pour les deux circuits de fluides au sein d'un même échangeur. De manière préférée, le deuxième circuit étant plutôt dédié à la circulation de gaz, il ne faut pas introduire trop de perte de charges, et donc il est préférable de ne pas réaliser de zone de bifurcations pour les plaques de ce deuxième circuit. En revanche, il est avantageux d'intégrer une grille brise-jet dans chaque plaque du deuxième circuit, afin de parfaire la distribution.
Il va de soi que le nombre d'étages, c'est-à-dire de plaques pour le premier circuit et/ou pour le deuxième circuit est à adapter suivant les conditions de fonctionnement et on peut ainsi tout-à-fait envisager un nombre différent que celui des modes de réalisation illustrés.

Claims

REVENDICATIONS
1. Module d'échangeur de chaleur d'axe longitudinal (X) comprenant un empilement de plaques (1, 2) définissant au moins deux circuits de fluide, au moins une partie des plaques comprenant chacune des canaux de circulation de fluide délimités chacun au moins en partie par une rainure, les canaux (10, 11, 12, 13) d'au moins l'un des deux circuits, dit premier circuit, présentant :
- une zone d'alimentation (ZI) du fluide depuis l'extérieur de l'empilement, dans laquelle les canaux (10) sont parallèles entre eux et s'étendent selon un axe (Χ') sécant avec l'axe longitudinal (X) et dans laquelle deux canaux adjacents communiquent entre eux par au moins une ouverture débouchante (16) pratiquée dans la nervure (15) de séparation de leur rainure respective;
- une zone dite de bifurcation (Z3), dans laquelle chaque canal (13) est divisé en au moins deux canaux (13.1, 13.2, 13.3, 13.4) droits, parallèles entre eux et qui s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal (X) en étant séparés entre eux par une nervure (15);
- une zone dite de raccordement (Z2) entre la zone d'alimentation et la zone de bifurcation, la zone dans laquelle chaque canal présente un profil droit (11) qui s'étend selon l'axe sécant (Χ') et un profil incurvé (12) continu avec le profil droit pour raccorder le canal avec un canal droit de la zone de bifurcation ;
- une zone d'échange (Z4) continue avec la zone de bifurcation dans laquelle les canaux (13.1, 13.2, 13.3, 13.4) droits, parallèles et séparés entre eux par les nervures s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal (X) ;
module dans lequel les canaux (10) de chaque plaque du premier circuit communiquent avec ceux des autres plaques du premier circuit dans leur zone d'alimentation respective (ZI), par l'intermédiaire d'ouvertures (17) traversant l'empilement mais qui ne communiquent pas avec les canaux du deuxième circuit.
2. Module d'échangeur de chaleur selon la revendication 1, le profil incurvé de chaque canal du premier circuit comprenant deux courbes pour relier le profil droit de la zone de raccordement au canal droit de la zone de bifurcation.
3. Module d'échangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, chaque canal droit (13) étant divisé en quatre canaux (13.1, 13.2, 13.3, 13.4) dans la zone de bifurcation
(Z3).
4. Module d'échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, l'angle entre l'axe sécant (Χ') et l'axe longitudinal (X) du module étant compris entre 0 et 45°.
5. Module d'échangeur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une plaque du premier circuit est intercalée entre deux plaques du deuxième de circuit au moins dans la partie centrale de l'empilement.
6. Module d'échangeur selon l'une des revendications précédentes, les canaux du premier circuit ayant une section ovoïde, circulaire, rectangulaire ou carrée.
7. Procédé de réalisation d'un module d'échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant les étapes suivantes :
- usinage de rainures dans des premières plaques métallique (1) afin de constituer les canaux (10, 11, 12, 13) du premier circuit configurées avec les zones d'alimentation, de raccordement, de bifurcation et d'échange ;
- usinage de rainures dans des deuxièmes plaques métalliques (2) afin de constituer les canaux (20) du deuxième circuit;
- empilement alterné des premières plaques et des deuxièmes plaques, de sorte à avoir les ouvertures traversantes (17) qui permettent la communication entre canaux des plaques du premier circuit mais pas avec ceux des plaques du deuxième circuit ;
assemblage des premières et deuxièmes plaques métalliques entre elles, soit par compression isostatique à chaud (CIC), soit par un procédé dit de soudage-diffusion uniaxial à chaud de sorte à obtenir un soudage par diffusion entre elles, soit par brasage.
8. Echangeur de chaleur, comprenant une enceinte étanche , destinée à être pressurisée par un fluide circulant dans le deuxième circuit, et une pluralité de modules d'échangeur de chaleur selon les revendications 1 à 6, s'étendant chacun parallèlement à l'axe central de l'enceinte et agencés chacun à l'intérieur de l'enceinte.
9. Utilisation de l'échangeur de chaleur selon la revendication 8, le fluide du premier circuit, en tant que fluide primaire étant un métal liquide et le fluide du deuxième circuit, en tant que fluide secondaire, étant un gaz ou un mélange de gaz.
10. Utilisation de l'échangeur selon la revendication 9, le fluide du deuxième circuit comprenant principalement de l'azote et le fluide du premier circuit étant du sodium liquide.
11. Utilisation selon la revendication 9 ou 10, le fluide du premier ou du deuxième circuit provenant d'un réacteur nucléaire.
12. 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 comprenant une pluralité de modules d'échangeur selon l'une des revendications 1 à 6.
EP17745748.8A 2016-08-03 2017-08-02 Module d'echangeur de chaleur a plaques dont les canaux integrent en entree une zone de repartition uniforme de debit et une zone de bifurcations de fluide Withdrawn EP3494352A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1657543A FR3054879B1 (fr) 2016-08-03 2016-08-03 Module d'echangeur de chaleur a plaques dont les canaux integrent en entree une zone de repartition uniforme de debit et une zone de bifurcations de fluide
PCT/EP2017/069510 WO2018024765A1 (fr) 2016-08-03 2017-08-02 Module d'echangeur de chaleur a plaques dont les canaux integrent en entree une zone de repartition uniforme de debit et une zone de bifurcations de fluide

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3494352A1 true EP3494352A1 (fr) 2019-06-12

Family

ID=58162673

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP17745748.8A Withdrawn EP3494352A1 (fr) 2016-08-03 2017-08-02 Module d'echangeur de chaleur a plaques dont les canaux integrent en entree une zone de repartition uniforme de debit et une zone de bifurcations de fluide

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11340028B2 (fr)
EP (1) EP3494352A1 (fr)
JP (1) JP2019523383A (fr)
KR (1) KR20190026808A (fr)
CN (1) CN109642779B (fr)
FR (1) FR3054879B1 (fr)
WO (1) WO2018024765A1 (fr)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2738809C1 (ru) * 2020-03-17 2020-12-17 Акционерное общество "Красная Звезда" Приемная пластина дивертора стационарного темоядерного реактора

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112097443B (zh) * 2019-06-18 2022-01-25 青岛海尔智能技术研发有限公司 用于冷藏冷冻装置的气流除湿模块及冷藏冷冻装置
EP3842723A1 (fr) 2019-12-23 2021-06-30 Hamilton Sundstrand Corporation Échangeur de chaleur fractal à deux étages
FR3122728B1 (fr) 2021-05-06 2023-06-02 Commissariat A L’Energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Module d’échangeur de chaleur à plaques à canaux intégrant au moins une zone d’alimentation et de distribution de fluide formée par des plots.
CN115420037B (zh) * 2022-08-15 2023-12-15 深圳市正浩创新科技股份有限公司 微通道换热装置及换热设备
FR3143725A1 (fr) 2022-12-20 2024-06-21 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Module d’échangeur de chaleur à plaques à canaux dont ceux d’un circuit intègrent au moins une zone d’alimentation et de distribution de fluide formée par des plots et ceux de l’autre circuit sont délimités par la surface plane de plaque et des bords en surépaisseur.

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU568940B2 (en) * 1984-07-25 1988-01-14 University Of Sydney, The Plate type heat exchanger
DE102007047110B4 (de) * 2007-10-01 2014-02-20 Citrin Solar Gmbh Wärmetauscher, insbesondere Absorber für thermische Solarkollektoren
DK2207001T3 (da) * 2009-01-12 2013-02-11 Alfa Laval Corp Ab Forstærket varmevekslerplade
FR3005499B1 (fr) * 2013-05-10 2015-06-05 Commissariat Energie Atomique Procede de realisation d'un module d'echangeur de chaleur a au moins deux circuits de circulation de fluide.
FR3009862B1 (fr) * 2013-08-26 2015-09-11 Commissariat Energie Atomique 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
FR3015308B1 (fr) * 2013-12-19 2017-10-13 Air Liquide Geometrie d'un reacteur catalytique alliant bonne tenue mecanique et bonne distribution des fluides
US20160109189A1 (en) * 2014-10-17 2016-04-21 Rolls-Royce Power Engineering Plc Heat exchanger
US20170089643A1 (en) * 2015-09-25 2017-03-30 Westinghouse Electric Company, Llc. Heat Exchanger

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2738809C1 (ru) * 2020-03-17 2020-12-17 Акционерное общество "Красная Звезда" Приемная пластина дивертора стационарного темоядерного реактора
RU2738809C9 (ru) * 2020-03-17 2021-02-15 Акционерное общество "Красная Звезда" Приемная пластина дивертора стационарного термоядерного реактора

Also Published As

Publication number Publication date
FR3054879B1 (fr) 2018-08-17
CN109642779B (zh) 2021-10-26
JP2019523383A (ja) 2019-08-22
FR3054879A1 (fr) 2018-02-09
US11340028B2 (en) 2022-05-24
US20210285734A1 (en) 2021-09-16
CN109642779A (zh) 2019-04-16
KR20190026808A (ko) 2019-03-13
WO2018024765A1 (fr) 2018-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018024765A1 (fr) Module d'echangeur de chaleur a plaques dont les canaux integrent en entree une zone de repartition uniforme de debit et une zone de bifurcations de fluide
EP2994711B1 (fr) Procede de realisation d'un module d'echangeur de chaleur a au moins deux circuits de circulation de fluide
EP2834584B1 (fr) Procede de realisation d'un module d'echangeur de chaleur a au moins deux circuits de circulation de fluide et echangeur de chaleur obtenu par ce procede
EP1709380A1 (fr) Echangeur thermique et module d'echange s'y rapportant
EP2580534B1 (fr) Absorbeur pour recepteur solaire et recepteur solaire comportant au moins un tel absorbeur
FR2600200A1 (fr) Ensemble de pompe/echangeur de chaleur intermediaire pour un reacteur nucleaire refroidi par un metal liquide
EP2856060B1 (fr) Echangeur de chaleur à plaques visant des débits homogènes de fluide entre canaux
EP3178598B1 (fr) Procédé de réalisation d'un échangeur de chaleur à au moins deux circuits de circulation de fluide, à grand nombre de canaux et/ou de grandes dimensions
EP2912396B1 (fr) Échangeur thermique, notamment pour vehicule automobile
FR3047063A1 (fr) Dispositif d'echanges thermiques pour echangeur de chaleur a condensation
FR2797039A1 (fr) Echangeur de chaleur en module d'echange s'y rapportant
EP3132222B1 (fr) Module d'echangeur de chaleur a echange thermique, utilisation avec du metal liquide et du gaz
EP3574506B1 (fr) Reacteur nucleaire integrant un echangeur de chaleur primaire de securite
EP4086556A1 (fr) Module d'échangeur de chaleur à plaques à canaux intégrant au moins une zone d'alimentation et de distribution de fluide formée par des plots
FR3043454B1 (fr) Procede de realisation d'un module d'echangeur de chaleur a au moins deux circuits de circulation de fluide, avec etape de compression isostatique a chaud de plaques
CA2917539C (fr) Dispositif d'echange thermique et procede de fabrication d'un tel dispositif
EP2898279B1 (fr) Ensemble d'échangeurs de chaleur
WO2024132477A1 (fr) Module d'échangeur de chaleur à plaques à canaux dont ceux d'un circuit intègrent au moins une zone d'alimentation et de distribution de fluide formée par des plots et ceux de l'autre circuit sont délimités par la surface plane de plaque et des bords en surépaisseur
EP0553340B1 (fr) Echangeur a plaques
FR3086742A1 (fr) Plaque pour un echangeur de chaleur a plaques
WO2017072176A1 (fr) Procede de realisation d'un module d'echangeur de chaleur a au moins deux circuits de circulation de fluide, a soudage-diffusion de cadres et baguettes positionnees dans les cadres
FR3099564A1 (fr) Module d’échangeur de chaleur à deux circuits de fluides, notamment échangeur de chaleur de réacteur nucléaire
FR3051244A1 (fr) Echangeur de chaleur a plaques, procede de fabrication et utilisation correspondante
EP0275724A1 (fr) Echangeur de chaleur à circuits d'échange en spirale; plaque nervurée pour un tel échangeur
FR2995073A1 (fr) Element d'echangeur pour echangeur de chaleur, echangeur de chaleur comprenant un tel element d'echangeur et procede de fabrication d'un tel element d'echangeur

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20190131

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20210302