FR3143725A1 - Channel plate heat exchanger module of which those of one circuit integrate at least one fluid supply and distribution zone formed by pads and those of the other circuit are delimited by the flat surface of the plate and the excess edges. - Google Patents
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Abstract
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. L’invention consiste essentiellement à réaliser un module d’échangeur à plaques empilées ou réalisées par fabrication additive, dont au moins un des pré-collecteurs d’un des circuits de fluide, dit premier circuit, est réalisé avec des plots répartis sur la surface de plaque qui délimitent les canaux dans lesquels circule le fluide avant d’atteindre sa zone d’échange thermique et l’autre des circuits de fluide, dit deuxième circuit est délimité uniquement par la surface plane d’une plaque et des bords latéraux et longitudinaux discontinus en surépaisseur par rapport à la surface plane. Figure pour l’abrégé : fig.1Channel plate heat exchanger module of which those of one circuit integrate at least one fluid supply and distribution zone formed by pads and those of the other circuit are delimited by the flat surface of the plate and the excess edges. The invention essentially consists of producing an exchanger module with stacked plates or produced by additive manufacturing, of which at least one of the pre-collectors of one of the fluid circuits, called the first circuit, is produced with pads distributed over the surface. plate which delimit the channels in which the fluid circulates before reaching its heat exchange zone and the other of the fluid circuits, said second circuit is delimited only by the flat surface of a plate and the lateral and longitudinal edges discontinuous in extra thickness compared to the flat surface. Figure for the abstract: fig.1
Description
La présente invention concerne un module d’échangeur de chaleur à empilement de plaques métalliques, intégrant au moins deux circuits de fluides.The present invention relates to a heat exchanger module with a stack of metal plates, integrating at least two fluid circuits.
L’invention a trait plus particulièrement à la réalisation d’un nouveau type de module d’échangeur de chaleur pour diminuer les pertes de charges sans nuire à l’uniformité de la distribution des différents canaux de circulation interne de fluides, et tout en assurant à la fois une bonne efficacité thermique et un chargement thermomécanique satisfaisant.The invention relates more particularly to the production of a new type of heat exchanger module to reduce pressure losses without harming the uniformity of the distribution of the different internal fluid circulation channels, and while ensuring both good thermal efficiency and satisfactory thermomechanical loading.
Les échangeurs de chaleur connus comprennent soit un seul 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.Known heat exchangers comprise either a single or at least two circuits with internal fluid circulation channels. In single-circuit exchangers, heat exchanges take place between the circuit and a surrounding fluid in which it is bathed. In exchangers with at least two fluid circuits, heat exchanges take place between the two fluid circuits.
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.Chemical reactors are known which implement a continuous process according to which a small quantity of co-reactants is simultaneously injected at the inlet of a first fluid circuit, preferably equipped with a mixer, and we recover the chemical product obtained at the outlet of said first circuit. Among these known chemical reactors, some include a second fluid circuit, usually called utility, and whose function is to thermally control the chemical reaction, either by providing the heat necessary for the reaction, or on the contrary by evacuating the heat released by the reaction. -this. Such chemical reactors with two fluid circuits with utility are usually called exchanger-reactors.
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.The present invention concerns both the production of heat exchanger modules with a sole thermal exchange function and integrating two fluid circuits as well as the production of exchanger-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 only of thermal exchanges and an exchanger -reactor.
L’utilisation principale d’un module d’échangeur entre deux fluides selon l’invention est son utilisation avec de l’eau comme un des deux fluides. Il peut s’agir avantageusement d’un échange entre eau liquide et eau liquide.The main use of an exchanger module between two fluids according to the invention is its use with water as one of the two fluids. It may advantageously be an exchange between liquid water and liquid water.
L’application principale visée par un module d’échangeur selon l’invention est l’échange de chaleur entre de l’eau liquide d’un circuit primaire, et d’un circuit secondaire d’un réacteur nucléaire à eau pressurisée (REP) de type à petite ou moyenne puissance ou SMR en anglais (acronyme de « Small Modular Reactor »), à vocation calogène.The main application targeted by an exchanger module according to the invention is the exchange of heat between liquid water of a primary circuit, and a secondary circuit of a pressurized water nuclear reactor (PWR) of small or medium power type or SMR in English (acronym for “Small Modular Reactor”), with heat-generating vocation.
Par « à vocation calogène », on entend ici et dans le cadre de l’invention, un réacteur nucléaire dont la puissance est dédiée majoritairement à la fourniture de chaleur. La puissance d’un réacteur à vocation calogène peut être à 100% pour fournir de la chaleur. Une faible part de sa puissance peut tout de même servir à fournir de l’électricité.By “heat-producing”, we mean here and in the context of the invention, a nuclear reactor whose power is mainly dedicated to the supply of heat. The power of a heat-producing reactor can be 100% to provide heat. A small part of its power can still be used to provide electricity.
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.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 high thermal power.
Par « fluide primaire », on entend dans le cadre de l’invention, le sens usuel en thermique, à savoir le fluide chaud qui transfère sa chaleur au fluide secondaire qui est le fluide froid.By “primary fluid”, we mean in the context of the invention, the usual meaning in thermal, namely the hot fluid which transfers its heat to the secondary fluid which is the cold fluid.
A contrario, par « fluide secondaire », on entend dans le cadre de l’invention, le sens usuel en thermique, à savoir le fluide froid auquel est transféré la chaleur du fluide primaire.Conversely, by “secondary fluid” is meant in the context of the invention, the usual meaning in thermal, namely the cold fluid to which the heat of the primary fluid is transferred.
Dans l’application principale, le fluide primaire est l’eau liquide du circuit primaire d’un réacteur REP, tandis que le fluide secondaire est l’eau liquide du circuit secondaire dudit réacteur REP.In the main application, the primary fluid is the liquid water of the primary circuit of a PWR reactor, while the secondary fluid is the liquid water of the secondary circuit of said PWR reactor.
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.Known tube exchangers are for example tube and shell exchangers, in which a bundle of straight or curved tubes in the shape of a U or in the shape of a helix is fixed on pierced plates and arranged inside an enclosure waterproof called grille. In these tube and shell exchangers, one of the fluids circulates inside the tubes while the other fluid circulates inside the shell. These tube and shell exchangers have a large volume and are therefore of low compactness.
Les échangeurs de chaleur, dits à plaques, existants présentent des avantages importants par rapport 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.Existing so-called plate heat exchangers have significant advantages over existing so-called tube heat exchangers, in particular their thermal performance and their compactness thanks to a ratio of the surface area to the volume of heat exchange favorably pupil. Compact plate exchangers are used in many industrial fields. In this field of compact plate exchangers, numerous elementary shapes defining heat exchange patterns have been developed.
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.We can first mention plate exchangers incorporating fins, in which a heat exchange pattern is defined by a structure delimited by fins, the structures being attached between two metal plates and can have very varied geometries. The exchange reason may be different between one of the two fluid circuits of the exchanger and the other. The assembly between metal plates is usually done by brazing, or by diffusion welding.
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.Corrugated or corrugated plate exchangers are also known. The undulations are created by stamping a plate separating the two fluid circuits. As a result, the exchange pattern is identical for each of the two fluid circuits.
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).The flow of fluids generated by this type of exchange pattern is three-dimensional and, therefore, very efficient. The assembly between plates is done either by bolted connection or by their peripheral welding (conventional welding, or by diffusion welding).
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, notamment par compression isostatique à chaud (CIC) 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.Finally, plate exchangers with machined grooves are known, the machining being mechanical or carried out electrochemically. The channels defined by the machining are of millimeter section and are most often continuous and according to a regular zigzag profile. The plates are assembled by diffusion welding, in particular by hot isostatic compression (CIC) allowing welding on all contact points between two adjacent plates. This type of machined groove plate exchanger is therefore intrinsically very resistant to pressure.
La demande de brevet intitulée «Installation nucléaire comprenant au moins un réacteur nucléaire modulaire (SMR) et un puits de cuve délimitant une bassin d’eau dans lequel le bloc de réacteur SMR et les échangeurs entre circuits primaire et secondaire sont immergés.» et déposée le même jour que la présente demande propose une nouvelle architecture de réacteur nucléaire.The patent application entitled “ Nuclear installation comprising at least one modular nuclear reactor (SMR) and a vessel well delimiting a water basin in which the SMR reactor block and the exchangers between primary and secondary circuits are immersed .” and filed on the same day as this application proposes a new nuclear reactor architecture.
Dans cette architecture, les échangeurs de chaleur entre les circuits primaire et secondaire d’un réacteur REP à vocation calogène sont agencés en périphérie de la cuve de réacteur, ces composants étant immergés dans un bassin d’eau en tant que fluide du circuit secondaire. La circulation de l’eau dans les circuits primaire et secondaire est réalisée par convection naturelle, sans pompe. La circulation du fluide primaire est obtenue par thermosiphon et celle du fluide secondaire est obtenue par la réalisation d’une thermocline au sein du bassin d’eau.In this architecture, the heat exchangers between the primary and secondary circuits of a heat-producing PWR reactor are arranged on the periphery of the reactor vessel, these components being immersed in a basin of water as the secondary circuit fluid. The circulation of water in the primary and secondary circuits is carried out by natural convection, without a pump. The circulation of the primary fluid is obtained by thermosyphon and that of the secondary fluid is obtained by creating a thermocline within the water basin.
Les inventeurs de la présente demande ont dû concevoir les échangeurs entre circuits primaire et secondaire selon cette architecture.The inventors of the present application had to design the exchangers between primary and secondary circuits according to this architecture.
En premier lieu, ils ont analysé que les circulations par convection naturelle de l’eau des circuits primaire et secondaire présentent le désavantage d’être relativement sensibles aux pertes de charge.Firstly, they analyzed that circulation by natural convection of water in the primary and secondary circuits has the disadvantage of being relatively sensitive to pressure losses.
Or, le cahier des charges d’un échangeur immergé comme indiqué ci-avant, impose une perte de charge maximale de 2000 Pa pour la partie du circuit secondaire au sein de l’échangeur.However, the specifications for an immersed exchanger as indicated above impose a maximum pressure loss of 2000 Pa for the part of the secondary circuit within the exchanger.
Les inventeurs ont considéré que les échangeurs à plaques assemblés par compression isostatique à chaud (CIC) présentaient divers avantages en tant qu’échangeurs entre circuits primaire et secondaire du réacteur précité, notamment du fait que comparés aux échangeurs tubes et calandre, ils sont souvent plus compacts et moins sensibles aux vibrations.The inventors considered that plate exchangers assembled by hot isostatic compression (CIC) presented various advantages as exchangers between primary and secondary circuits of the aforementioned reactor, in particular due to the fact that compared to tube and shell exchangers, they are often more compact and less sensitive to vibrations.
Plus particulièrement, ils ont analysé qu’un module d’échangeur tel que divulgué dans la demande de brevet EP4086556A1 était un bon candidat à une application en tant qu’échangeur entre circuits primaire et secondaire du réacteur précité. En effet, le module selon cette demande de brevet présente les avantages majeurs suivants :More particularly, they analyzed that an exchanger module as disclosed in patent application EP4086556A1 was a good candidate for application as an exchanger between primary and secondary circuits of the aforementioned reactor. Indeed, the module according to this patent application has the following major advantages:
- possibilité de fabrication par un procédé CIC ;- possibility of manufacturing by a CIC process;
- maîtrise de la distribution de débit, à perte de charge imposée ;- control of flow distribution, with imposed pressure loss;
- garantie de la tenue mécanique ;- guarantee of mechanical strength;
- minimisation des inerties thermiques, pour le dimensionnement thermomécanique lors des régimes transitoires de fonctionnement du réacteur ;- minimization of thermal inertia, for thermomechanical sizing during transient operating regimes of the reactor;
- minimisation du nombre de collecteurs d’admission.- minimization of the number of intake manifolds.
Les inventeurs ont alors réalisé des calculs de pertes de charge d’un module selon cette demande de brevet EP4086556A1, à partir d’un outil de simulation numérique de mécanique des fluides numérique (MFN), (en anglais « Computational Fluid Dynamics » d’acronyme CFD), aux conditions de fonctionnement d’un réacteur à vocation calogène précité.The inventors then carried out calculations of the pressure losses of a module according to this patent application EP4086556A1, from a digital simulation tool for digital fluid mechanics (MFN), (in English “Computational Fluid Dynamics” from acronym CFD), under the operating conditions of a heat-generating reactor mentioned above.
Le tableau 1 suivant synthétise ces conditions de fonctionnement pour une puissance thermique échangée par un module de 4,167 MW.The following table 1 summarizes these operating conditions for thermal power exchanged by a module of 4.167 MW.
Les calculs réalisés indiquent que la perte de charge obtenue au circuit secondaire est de 2455 Pa, dont 1055 Pa dans la zone de canaux d’échange rainurés et 1400 Pa dans les pré-collecteurs d’entrée et de sortie.The calculations carried out indicate that the pressure loss obtained in the secondary circuit is 2455 Pa, including 1055 Pa in the zone of grooved exchange channels and 1400 Pa in the inlet and outlet pre-collectors.
La perte de charge maximale de 2000 Pa imposé par le cahier des charges est donc largement dépassé.The maximum pressure loss of 2000 Pa imposed by the specifications is therefore largely exceeded.
Il existe donc un besoin pour améliorer encore les modules d’échangeur à plaques tels que celui selon la demande de brevet EP4086556A1, notamment afin de diminuer les pertes de charge au sein des modules, et plus particulièrement de leur circuit secondaire.There is therefore a need to further improve plate exchanger modules such as that according to patent application EP4086556A1, in particular in order to reduce pressure losses within the modules, and more particularly their secondary circuit.
Le but de l’invention est de répondre à ce besoin.The aim of the invention is to meet this need.
Pour ce faire, l’invention concerne un module d’échangeur de chaleur à au moins deux circuits de fluides, d’axe longitudinal 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, dans lequel :To do this, the invention relates to a heat exchanger module with at least two fluid circuits, of longitudinal axis comprising a stack of plates defining at least two fluid circuits, at least a part of the plates comprising each of the channels of fluid circulation, in which:
- les canaux de l’un des deux circuits, dit premier circuit, présentent:
- au moins une zone d’alimentation et de distribution du fluide, dit premier fluide, depuis l’extérieur de l’empilement, formant un pré-collecteur du premier fluide, dans laquelle les canaux sont délimités, pour chaque plaque, par des plots pleins répartis sur la surface de plaque et débouchent à l’une des extrémités longitudinales de la plaque,
- une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle les canaux sont délimités, pour chaque plaque, chacun par une rainure séparés entre eux par une nervure et s’étendent le long de l'axe longitudinal;
- les canaux de l’autre des deux circuits dit deuxième circuit présentent:
- au moins une zone d’alimentation et de distribution du fluide, dit deuxième fluide, depuis l’extérieur de l’empilement, formant un pré-collecteur du deuxième fluide, dans laquelle l’unique canal est délimité, pour chaque plaque, par la surface centrale plane de plaque, un bord latéral en surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral,
- une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle l’unique canal est délimité, pour chaque plaque, par la surface centrale plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral, la distance entre le bord latéral et l’un des bord longitudinaux discontinus en surépaisseur définissant une ouverture d’entrée ou de sortie du deuxième fluide dans l’empilement.
- at least one zone for supplying and distributing the fluid, called the first fluid, from outside the stack, forming a pre-collector of the first fluid, in which the channels are delimited, for each plate, by solid pads distributed over the plate surface and opening out at one of the longitudinal ends of the plate,
- an exchange zone continuous with the pre-collector in which the channels are delimited, for each plate, each by a groove separated from each other by a rib and extend along the longitudinal axis;
- the channels of the other of the two circuits called the second circuit present:
- at least one zone for supplying and distributing the fluid, called the second fluid, from outside the stack, forming a pre-collector for the second fluid, in which the single channel is delimited, for each plate, by the flat central surface of the plate, a lateral edge with excess thickness relative to the flat surface of the plate and the two discontinuous longitudinal edges with the same excess thickness relative to the flat surface of the plate as the lateral edge,
- an exchange zone continuous with the pre-collector in which the single channel is delimited, for each plate, by the flat central surface of the plate and the two discontinuous longitudinal edges with the same thickness relative to the flat surface of the plate as the lateral edge, the distance between the lateral edge and one of the discontinuous longitudinal edges in excess thickness defining an entry or exit opening for the second fluid in the stack.
Selon un mode de réalisation avantageux, le module comprend deux pré-collecteurs du premier circuit, agencés chacun à l’une des extrémités longitudinales de l’empilement, l’un des deux pré-collecteurs formant un pré-collecteur d’entrée de fluide, l’autre formant un pré-collecteur de sortie du fluide.According to an advantageous embodiment, the module comprises two pre-collectors of the first circuit, each arranged at one of the longitudinal ends of the stack, one of the two pre-collectors forming a fluid inlet pre-collector , the other forming a fluid outlet pre-collector.
Les plots du premier circuit sont avantageusement pleins.The pads of the first circuit are advantageously full.
Selon un mode de réalisation avantageux, le module comprend au moins à l’une des extrémités longitudinales de l’empilement, un collecteur de fluide débouchant sur une embase latérale de l’empilement sur laquelle les canaux du pré-collecteur du premier circuit débouchent mais pas ceux du pré-collecteur du deuxième circuit.According to an advantageous embodiment, the module comprises at least at one of the longitudinal ends of the stack, a fluid collector opening onto a lateral base of the stack onto which the channels of the pre-collector of the first circuit open but not those of the pre-collector of the second circuit.
Selon ce mode, le module comprend avantageusement à l’une des extrémités longitudinales, un collecteur de fluide formant le collecteur d’entrée du premier circuit et à l’autre des extrémités longitudinales, un collecteur de fluide formant le collecteur de sortie du premier circuit.According to this mode, the module advantageously comprises at one of the longitudinal ends, a fluid collector forming the inlet collector of the first circuit and at the other of the longitudinal ends, a fluid collector forming the outlet collector of the first circuit .
Selon un autre mode de réalisation avantageux, le module comprend sur un côté latéral de l’empilement, un collecteur de fluide traversant l’empilement transversalement à l’axe (X) et débouchant sur les canaux du pré-collecteur du deuxième circuit mais pas sur ceux du premier circuit.According to another advantageous embodiment, the module comprises on a lateral side of the stack, a fluid collector crossing the stack transversely to the axis (X) and opening onto the channels of the pre-collector of the second circuit but not on those of the first circuit.
Selon ce mode, le module comprend avantageusement sur chaque côté latéral de l’empilement, un collecteur de fluide formant le collecteur de sortie du deuxième circuit.According to this mode, the module advantageously comprises on each lateral side of the stack, a fluid collector forming the output collector of the second circuit.
Selon une alternative de configuration, les plots sont uniformément répartis en quinconce sur la surface de plaque du pré-collecteur, selon un motif triangulaire.According to an alternative configuration, the pads are uniformly distributed staggered on the plate surface of the pre-collector, in a triangular pattern.
Selon une autre alternative, les plots sont uniformément répartis sur la surface de plaque du pré-collecteur selon un motif rectangulaire ou carré.According to another alternative, the pads are uniformly distributed on the plate surface of the pre-collector in a rectangular or square pattern.
De préférence encore, les plots sont de forme générale cylindrique.More preferably, the pads are of generally cylindrical shape.
De préférence encore, les canaux de la zone d’échange du premier circuit sont droits, parallèles entre eux et s’étendent parallèlement à l'axe longitudinal (X).More preferably, the channels of the exchange zone of the first circuit are straight, parallel to each other and extend parallel to the longitudinal axis (X).
L’invention a également pour objet, selon une première alternative, un procédé de fabrication d’un module d’échangeur qui vient d’être décrit, comprenant les étapes suivantes :The invention also relates, according to a first alternative, to a method of manufacturing an exchanger module which has just been described, comprising the following steps:
a1/ réalisation d’une pluralité d’au moins deux plaques métalliques comprenant chacune :
- sur l’une des deux faces principales :
- au moins une zone d’alimentation et de distribution du premier fluide, dit premier fluide, formant un pré-collecteur du premier fluide, dans laquelle les canaux sont délimités par des plots pleins répartis sur la surface de plaque et débouchent à l’une des extrémités longitudinales de plaque,
- une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle les canaux sont délimités chacun par une rainure séparés entre eux par une nervure;
- sur l’autre des deux faces principales :
- au moins une zone d’alimentation et de distribution du deuxième fluide dit deuxième fluide, formant un pré-collecteur du deuxième fluide, dans laquelle l’unique canal est délimité par la surface centrale plane de plaque, un bord latéral en surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral,
- une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle l’unique canal est délimité par la surface centrale plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral, la distance entre le bord latéral et l’un des bords longitudinaux discontinus en surépaisseur définissant une ouverture d’entrée ou de sortie du deuxième fluide ;
- on one of the two main faces:
- at least one supply and distribution zone of the first fluid, called the first fluid, forming a pre-collector of the first fluid, in which the channels are delimited by solid pads distributed over the plate surface and open to one of the longitudinal plate ends,
- an exchange zone continuous with the pre-collector in which the channels are each delimited by a groove separated from each other by a rib;
- on the other of the two main faces:
- at least one supply and distribution zone of the second fluid called second fluid, forming a pre-collector of the second fluid, in which the single channel is delimited by the flat central surface of the plate, a lateral edge in excess of thickness relative to the flat surface of the plate and the two discontinuous longitudinal edges with the same excess thickness relative to the flat surface of the plate as the lateral edge,
- a continuous exchange zone with the pre-collector in which the single channel is delimited by the flat central surface of the plate and the two discontinuous longitudinal edges with the same excess thickness relative to the flat surface of the plate as the lateral edge, the distance between the lateral edge and one of the discontinuous longitudinal edges in excess thickness defining an inlet or outlet opening for the second fluid;
b1/ mise en miroir avec alignement et contact par leurs faces principales de deux plaques comprenant les plots et nervures ;b1/ mirroring with alignment and contact by their main faces of two plates comprising the studs and ribs;
c1/ assemblage par compression isostatique à chaud (CIC) des deux plaques, de sorte à obtenir une nappe métallique ;c1/ assembly by hot isostatic compression (CIC) of the two plates, so as to obtain a metal sheet;
d1/ empilement de la pluralité de nappes assemblées par CIC selon l’étape c/ avec mises en place d’une plaque d’extrémité à chaque extrémité longitudinale de l’empilement ;d1/ stacking of the plurality of layers assembled by CIC according to step c/ with placement of an end plate at each longitudinal end of the stack;
e1/ soudage, de préférence par laser, de la pluralité de nappes et plaques d’extrémité empilées de sorte à obtenir le module.e1/ welding, preferably by laser, of the plurality of layers and end plates stacked so as to obtain the module.
L’invention a également pour objet, selon une deuxième alternative, un procédé de fabrication d’un module d’échangeur qui vient d’être décrit, comprenant les étapes suivantes :The invention also relates, according to a second alternative, to a method of manufacturing an exchanger module which has just been described, comprising the following steps:
a2/ réalisation d’une pluralité d’au moins deux plaques métalliques comprenant chacune :
- sur une des deux faces principales:
- au moins une zone d’alimentation et de distribution du premier fluide, dit premier fluide, formant un pré-collecteur du premier fluide, dans laquelle les canaux sont délimités par des plots pleins répartis sur la surface de plaque et débouchent à l’une des extrémités longitudinales de plaque,
- une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle les canaux sont délimités chacun par une rainure séparés entre eux par une nervure;
- sur l’autre des deux faces principales :
- au moins une zone d’alimentation et de distribution du deuxième fluide dit deuxième fluide, formant un pré-collecteur du deuxième fluide, dans laquelle l’unique canal est délimité par la surface centrale plane de plaque,
- une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle l’unique canal est délimité par la surface centrale plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral, la distance entre le bord latéral et l’un des bord longitudinaux discontinus en surépaisseur définissant une ouverture d’entrée ou de sortie du deuxième fluide ;
- on one of the two main faces:
- at least one supply and distribution zone of the first fluid, called the first fluid, forming a pre-collector of the first fluid, in which the channels are delimited by solid pads distributed over the plate surface and open to one of the longitudinal plate ends,
- an exchange zone continuous with the pre-collector in which the channels are each delimited by a groove separated from each other by a rib;
- on the other of the two main faces:
- at least one supply and distribution zone of the second fluid called the second fluid, forming a pre-collector of the second fluid, in which the single channel is delimited by the flat central surface of the plate,
- a continuous exchange zone with the pre-collector in which the single channel is delimited by the flat central surface of the plate and the two discontinuous longitudinal edges with the same excess thickness relative to the flat surface of the plate as the lateral edge, the distance between the lateral edge and one of the discontinuous longitudinal edges in excess thickness defining an inlet or outlet opening for the second fluid;
b2/ mise en miroir avec alignement et contact par leurs faces principales de deux plaques comprenant les plots et nervures ;b2/ mirroring with alignment and contact by their main faces of two plates comprising the studs and ribs;
c2/ assemblage par compression isostatique à chaud (CIC) des deux plaques, de sorte à obtenir une nappe métallique ;c2/ assembly by hot isostatic compression (CIC) of the two plates, so as to obtain a metal sheet;
d2/ empilement alterné de la pluralité de nappes assemblées par CIC selon l’étape c/ avec à chaque extrémité latérale, les dents d’un peigne métallique définissant un bord latéral en surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque et avec chaque extrémité longitudinale, les dents d’un peigne métallique définissant les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral;d2/ alternating stacking of the plurality of layers assembled by CIC according to step c/ with at each lateral end, the teeth of a metal comb defining a lateral edge in excess relative to the flat surface of the plate and with each longitudinal end , the teeth of a metal comb defining the two discontinuous longitudinal edges with the same excess thickness relative to the flat surface of the plate as the lateral edge;
e/ assemblage par compression uni-axiale à chaud (CUC), de la pluralité de nappes, peignes et plaques d’extrémité empilées de sorte à obtenir le module.e/ assembly by hot uniaxial compression (CUC), of the plurality of layers, combs and end plates stacked so as to obtain the module.
On peut aussi envisager une réalisation d’un module d’échangeur par fabrication additive.We can also consider producing an exchanger module by additive manufacturing.
L’invention concerne également l’utilisation de l'échangeur de chaleur tel que décrit précédemment, le fluide du premier circuit, en tant que fluide primaire étant de l’eau liquide et le fluide du deuxième circuit, en tant que fluide secondaire, étant également de l’eau liquide.The invention also relates to the use of the heat exchanger as described above, the fluid of the first circuit, as primary fluid, being liquid water and the fluid of the second circuit, as secondary fluid, being also liquid water.
Le fluide du premier ou du deuxième circuit peut provenir d'un réacteur nucléaire.The fluid from the first or second circuit can come from a nuclear reactor.
L’invention concerne également une installation nucléaire comprenant un réacteur nucléaire à eau pressurisée, notamment du type SMR et comprenant une pluralité de modules d’échangeur tels que celui décrit précédemment . The invention also relates to a nuclear installation comprising a pressurized water nuclear reactor, in particular of the SMR type and comprising a plurality of exchanger modules such as that described above .
Ainsi, l’invention consiste essentiellement à réaliser un module d’échangeur à plaques empilées ou réalisées par fabrication additive, dont au moins un des pré-collecteurs d’un des circuits de fluide, dit premier circuit, est réalisé avec des plots répartis sur la surface de plaque qui délimitent les canaux dans lesquels circule le fluide avant d’atteindre sa zone d’échange thermique et l’autre des circuits de fluide, dit deuxième circuit est délimité uniquement par la surface plane d’une plaque et des bords latéraux et longitudinaux discontinus en surépaisseur par rapport à la surface plane. Thus, the invention essentially consists of producing an exchanger module with stacked plates or produced by additive manufacturing, of which at least one of the pre-collectors of one of the fluid circuits, called the first circuit, is produced with pads distributed over the plate surface which delimits the channels in which the fluid circulates before reaching its heat exchange zone and the other of the fluid circuits, said second circuit is delimited only by the flat surface of a plate and the lateral edges and discontinuous longitudinal sections in excess of the flat surface.
Les plots du premier circuit et les bords en surépaisseur du deuxième circuit permettent de garantir la tenue sous pression des plaques tout en présentant une faible inertie thermique.The pads of the first circuit and the extra-thickness edges of the second circuit guarantee the pressure resistance of the plates while having low thermal inertia.
Les plots permettent de garantir une distribution homogène du fluide en minimisant l’ajout de pertes de charge et ce, indépendamment de la géométrie des canaux de la zone d’échange thermique.The pads make it possible to guarantee homogeneous distribution of the fluid by minimizing the addition of pressure losses, independently of the geometry of the channels in the heat exchange zone.
Les formes géométriques et les répartitions des plots peuvent être modifiées à souhait pour maîtriser la distribution du fluide en fonction de l’application envisagée et de ses contraintes notamment de température et de pression.The geometric shapes and distributions of the pads can be modified as desired to control the distribution of the fluid depending on the intended application and its constraints, particularly temperature and pressure.
On peut aussi faire varier la densité de plots dans le pré collecteur.We can also vary the density of pads in the pre-collector.
Grâce aux plots selon l’invention en lieu et places des bifurcations selon le brevet FR3054879B1, on s’affranchit aussi des zones d’inertie thermique Z.I telles qu’illustrées en figure 1B.Thanks to the pads according to the invention in place of the bifurcations according to patent FR3054879B1, we also get rid of the zones of thermal inertia Z.I as illustrated in Figure 1B.
En outre, les plots permettent de définir des géométries de modules d’échangeurs avec une admission et une sortie de fluide sur une même face longitudinale de module pour obtenir un agencement de modules côte-à-côte et minimiser les longueurs de tuyauterie entre eux.In addition, the pads make it possible to define the geometries of exchanger modules with an inlet and outlet of fluid on the same longitudinal face of the module to obtain a side-by-side arrangement of modules and minimize the lengths of piping between them.
L’absence de plots et d’isthmes (nervures séparant des rainures formant des canaux) au circuit secondaire permet de diminuer fortement les pertes de charges du deuxième circuit. Cela rend le module d’échangeur compatible avec une application comme un réacteur nucléaire REP à vocation calogène, pour laquelle le module est immergé dans le fluide de son circuit secondaire.The absence of pads and isthmuses (ribs separating grooves forming channels) in the secondary circuit makes it possible to significantly reduce the pressure losses of the second circuit. This makes the exchanger module compatible with an application such as a heat-generating PWR nuclear reactor, for which the module is immersed in the fluid of its secondary circuit.
De plus, le fait d’agencer les collecteurs d’entrée et de sortie aux extrémités longitudinales de l’empilement du module permet de réduire les pertes de charges du premier circuit.In addition, arranging the input and output collectors at the longitudinal ends of the module stack makes it possible to reduce the pressure losses of the first circuit.
Toutes les applications nécessitant des échangeurs de chaleur ou générateur vapeur peuvent être envisagées avec des modules d’échangeur selon l’invention, parmi lesquelles on peut citer, tous les types de réacteurs nucléaires GEN 3, GEN 4, SMR (acronyme anglais pour « Small Medium Reactor), les réseaux de chaleur urbain, les électrolyseurs EHT, l’industrie du pétrole et gaz, l’industrie du solaire, l’industrie chimique…All applications requiring heat exchangers or steam generators can be considered with exchanger modules according to the invention, among which we can cite all types of nuclear reactors GEN 3, GEN 4, SMR (English acronym for “Small Medium Reactor), district heating networks, EHT electrolysers, the oil and gas industry, the solar industry, the chemical industry, etc.
D’autre avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes.Other advantages and characteristics will become clearer on reading the detailed description, given for illustrative and non-limiting purposes, with reference to the following figures.
Par souci de clarté, les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références numériques selon l’état de l’art et selon l’invention.For the sake of clarity, the same elements are designated by the same numerical references according to the state of the art and according to the 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.It is specified that throughout the request, the terms “inlet”, “outlet”, “upstream”, “downstream” are to be understood in relation to the direction of circulation of the fluid considered within a module. heat exchange according to the invention.
Le module d’échangeur M est décrit en tant que module d’échangeur entre de l’eau liquide en tant que fluide d’un circuit primaire (F1) et également de l’eau liquide en tant que fluide de circuit secondaire (F2) d’un réacteur nucléaire REP de type SMR.The exchanger module M is described as an exchanger module between liquid water as a primary circuit fluid (F1) and also liquid water as a secondary circuit fluid (F2) of an SMR type PWR nuclear reactor.
En
Le module M est constitué d’un empilement de plaques métalliques 1 assemblées entre elles d’abord en nappes par soudage-diffusion de préférence selon une technique de CIC puis par soudage laser entre elles ou par insertion de peignes dans l’empilement puis par compression uniaxiale à chaud, comme détaillé par la suite. Le module M peut également être réalisé par fabrication additive.The module M consists of a stack of metal plates 1 assembled together first in layers by diffusion welding preferably using a CIC technique then by laser welding between them or by insertion of combs in the stack then by compression uniaxial hot, as detailed below. Module M can also be produced by additive manufacturing.
Comme visible sur cette
Le module M comprend également deux collecteurs 22 de sortie du fluide F2, agencés de part et d’autre du collecteur d’entrée 11 du fluide F1 en haut du module. Le module M ne comprend pas en tant que tels de collecteurs d’entrée du fluide F2, celui-ci rentrant directement dans le pré-collecteur d’entrée du circuit secondaire depuis le bas du module, comme détaillé par la suite.The module M also includes two outlet collectors 22 for fluid F2, arranged on either side of the inlet collector 11 for fluid F1 at the top of the module. The module M does not include fluid inlet collectors F2 as such, the latter entering directly into the secondary circuit inlet pre-collector from the bottom of the module, as detailed below.
Dans un tel module M, la circulation des fluides (F1, F2) est donc à contre-courant.In such a module M, the circulation of fluids (F1, F2) is therefore counter-current.
Le module M selon l’échangeur comprend une pluralité de plaques 1 empilées entre elles, dont une face principale 10 délimite la circulation du fluide F1 et dont l’autre face principale 20, opposée à la face principale 10 délimite la circulation du fluide F2 , les flèches symbolisant la circulation de chacun des fluides dans chaque plaque concernée.The module M according to the exchanger comprises a plurality of plates 1 stacked together, one main face 10 of which delimits the circulation of the fluid F1 and the other main face 20 of which, opposite the main face 10, delimits the circulation of the fluid F2 , the arrows symbolizing the circulation of each of the fluids in each plate concerned.
La
La face principale 10 comprend deux zones d’alimentation et de distribution ZH formant chacune un pré-collecteur du fluide, agencées de part et d’autre d’une zone d’échange thermique ZE.The main face 10 includes two supply and distribution zones ZH each forming a fluid pre-collector, arranged on either side of a heat exchange zone ZE.
Les canaux 13 d’un pré-collecteur ZHsont délimités par des plots cylindriques pleins 14 répartis sur la surface de plaque. De préférence, les plots cylindriques pleins 14 sont uniformément répartis en quinconce sur la surface de la face principale 10 au niveau pré-collecteur. Plus précisément, cette répartition en quinconce est faite selon un motif triangulaire identique sur toute la surface de la face principale10 au niveau du pré-collecteur ZH. Une répartition selon un motif triangulaire permet un meilleur remplissage du volume du pré-collecteur par les plots 14 et est privilégiée pour assurer la tenue en pression du module d’échangeur.The channels 13 of a pre-collector Z H are delimited by solid cylindrical pads 14 distributed over the plate surface. Preferably, the solid cylindrical pads 14 are uniformly distributed staggered on the surface of the main face 10 at the pre-collector level. More precisely, this staggered distribution is made according to an identical triangular pattern over the entire surface of the main face 10 at the level of the pre-collector Z H. A distribution in a triangular pattern allows better filling of the volume of the pre-collector by the pads 14 and is preferred to ensure the pressure resistance of the exchanger module.
Les canaux 13 délimités par les plots 14 cylindriques pleins débouchent sur les canaux 15 de la zone d’échange thermique ZEqui est continue avec le pré-collecteur. Comme montré, les canaux 15 de la zone d’échange sont délimités chacun par une rainure 15 séparés entre eux par une nervure 16 et s’étendent le long de l'axe longitudinal (X). De préférence, comme montré, ils sont droits, parallèles entre eux et s’étendent parallèlement à l'axe longitudinal (X) du module 1.The channels 13 delimited by the solid cylindrical pads 14 open onto the channels 15 of the heat exchange zone Z E which is continuous with the pre-collector. As shown, the channels 15 of the exchange zone are each delimited by a groove 15 separated from each other by a rib 16 and extend along the longitudinal axis (X). Preferably, as shown, they are straight, parallel to each other and extend parallel to the longitudinal axis (X) of module 1.
Comme détaillé ci-après, deux plaques 1 adjacentes avec des plots 14 cylindriques dont la hauteur représente une partie de la hauteur d’un canal 13, sont prévues d’être assemblées entre elles avec leurs faces principales 10 en regard l’une de l’autre pour former une nappe 3, la hauteur totale du canal de circulation de fluide étant celle cumulée des plots 14 des deux plaques 1 en continuité l’un de l’autre. Il en va de même pour les nervures 16. L’agencement des plots 14 permet de garantir la tenue sous pression des plaques 1. Les plots 14 permettent de garantir une distribution homogène du fluide primaire F1, i.e. de l’eau liquide, indépendamment de la géométrie des canaux 15 de leur zone d’échange thermique ZEet ce tout en présentant une faible inertie thermique et en minimisant l’ajout de pertes de charge. En outre, comme déjà mentionné, les plots 14 sont dimensionnés pour garantir la tenue à la pression.As detailed below, two adjacent plates 1 with cylindrical studs 14 whose height represents part of the height of a channel 13, are intended to be assembled together with their main faces 10 facing one of the the other to form a sheet 3, the total height of the fluid circulation channel being that cumulative of the pads 14 of the two plates 1 in continuity with one another. The same goes for the ribs 16. The arrangement of the pads 14 makes it possible to guarantee the pressure resistance of the plates 1. The pads 14 make it possible to guarantee a homogeneous distribution of the primary fluid F1, ie liquid water, independently of the geometry of the channels 15 of their heat exchange zone Z E while presenting low thermal inertia and minimizing the addition of pressure losses. In addition, as already mentioned, the studs 14 are sized to guarantee pressure resistance.
Avec une telle face principale 10 d’une plaque 1, comme cela est illustré en partie en
La
La face principale 20 est opposé à la face principale 10 d’une plaque 1.The main face 20 is opposite the main face 10 of a plate 1.
La face principale 20 comprend deux zones d’alimentation et de distribution ZHformant chacune un pré-collecteur du fluide, agencées de part et d’autre d’une zone d’échange thermique ZE.The main face 20 comprises two supply and distribution zones Z H each forming a fluid pre-collector, arranged on either side of a heat exchange zone Z E.
Cette face principale 20 est délimitée par deux bords latéraux 24, 25 en surépaisseur par rapport à la surface plane 23 et par deux bords longitudinaux discontinus 27, 28, c’est-à-dire non continus entre les deux bords latéraux 24, 25, et qui présentent la même surépaisseur que celle des bords latéraux 24, 25.This main face 20 is delimited by two lateral edges 24, 25 extra thick with respect to the flat surface 23 and by two discontinuous longitudinal edges 27, 28, that is to say not continuous between the two lateral edges 24, 25, and which have the same extra thickness as that of the side edges 24, 25.
L’unique canal 23 d’un pré-collecteur ZHest délimité par la surface centrale plane 23 de plaque, un bord latéral 24 ou 25 en surépaisseur et les deux bords longitudinaux 27, 28.The single channel 23 of a pre-collector Z H is delimited by the flat central surface 23 of the plate, an extra thickness lateral edge 24 or 25 and the two longitudinal edges 27, 28.
L’unique canal 23 de la zone d’échange ZEest, quant à lui, délimité par la surface centrale plane 23 et les deux bords longitudinaux discontinus 27, 28.The single channel 23 of the exchange zone Z E is, for its part, delimited by the flat central surface 23 and the two discontinuous longitudinal edges 27, 28.
La distance entre le bord latéral 24 ou 25 et l’un des bord longitudinaux discontinus 27 ou 28 en surépaisseur définit une ouverture d’entrée 200 ou de sortie 201 du fluide F2.The distance between the lateral edge 24 or 25 and one of the discontinuous longitudinal edges 27 or 28 in excess defines an inlet opening 200 or outlet 201 of the fluid F2.
Avec une telle face principale 20 d’une plaque 1, comme cela est illustré en partie en
Ainsi, selon l’invention, on s’affranchit de toutes nervures (isthmes) et de plots pour le circuit de fluide secondaire F2 et on agence les collecteurs d’entrée 11 et de sortie 12 du circuit de fluide primaire F1 sur les extrémités longitudinales de l’empilement.Thus, according to the invention, we do away with all ribs (isthmus) and pads for the secondary fluid circuit F2 and we arrange the inlet 11 and outlet 12 collectors of the primary fluid circuit F1 on the longitudinal ends of stacking.
Pour parvenir à cette conception, les inventeurs ont réalisé un dimensionnement thermo hydraulique d’un module d’échangeur 1 selon l’invention, par des calculs de mécanique des fluides numérique (MFN), (en anglais « Computational Fluid Dynamics » d’acronyme CFD).To achieve this design, the inventors carried out a thermo-hydraulic dimensioning of an exchanger module 1 according to the invention, by computational fluid mechanics (CFM) calculations (in English "Computational Fluid Dynamics" acronym CFD).
Le tableau 2 ci-après explicite les géométries de canaux d’échange sur les dimensions globales d’un module d’échangeur M répondant aux conditions de fonctionnement désirées pour l’application à un réacteur nucléaire REP de type SMR, telles qu’indiquées dans le tableau 1 mentionné en préambule. Table 2 below explains the geometries of exchange channels on the overall dimensions of an exchanger module M meeting the desired operating conditions for application to an SMR type PWR nuclear reactor, as indicated in Table 1 mentioned in the preamble.
par plaque 1Number of exchange channels
per plate 1
De ce tableau 2, il ressort qu’en supprimant toute nervure (isthme) pour le circuit du fluide secondaire F2, soit en gardant un seul canal de section égale à 500x2 mm², la longueur d’échange est tout-à-fait acceptable.From this table 2, it appears that by removing any rib (isthmus) for the secondary fluid circuit F2, or by keeping a single channel with a section equal to 500x2 mm², the exchange length is entirely acceptable.
Comme déjà indiqué, un module d’échangeur M selon l’invention est destiné à être immergé dans un bassin d’eau qui constitue une partie du circuit de fluide secondaire. Ainsi, la seule pression agissant sur les parois de l’empilement du circuit de fluide secondaire correspond à la pression isostatique et aux pertes de charge.As already indicated, an exchanger module M according to the invention is intended to be immersed in a basin of water which constitutes part of the secondary fluid circuit. Thus, the only pressure acting on the walls of the stack of the secondary fluid circuit corresponds to the isostatic pressure and the pressure losses.
Du tableau 2, il ressort que les pertes de charge calculées à 1500 Pa sont négligeables pour le dimensionnement mécanique, ce qui valide bien le choix des inventeurs de supprimer toute nervure (isthme) pour le circuit de fluide secondaire F2.From Table 2, it appears that the pressure losses calculated at 1500 Pa are negligible for the mechanical dimensioning, which clearly validates the inventors' choice to eliminate any rib (isthmus) for the secondary fluid circuit F2.
En outre, du fait de son immersion, un module d’échangeur M reçoit un fluide secondaire avec des vitesses d’admission, c’est-à-dire aux ouvertures d’entrée 200, qui sont extrêmement faibles. Cela valide également la suppression de tout plot dans le pré-collecteur.In addition, due to its immersion, an exchanger module M receives a secondary fluid with admission speeds, that is to say at the inlet openings 200, which are extremely low. This also validates the removal of any pad in the pre-collector.
Enfin, le choix d’une face principale 10 à nervures (isthmes) 16 et plots 14 est fait pour conserver des marges dans le dimensionnement mécanique du module M, notamment dans les cas de fonctionnement nominal et en anticipation de cas de fonctionnement accidentels d’un réacteur nucléaire REP.Finally, the choice of a main face 10 with ribs (isthmus) 16 and studs 14 is made to maintain margins in the mechanical dimensioning of the module M, particularly in cases of nominal operation and in anticipation of cases of accidental operation of a PWR nuclear reactor.
On décrit maintenant en référence aux figures 4A et 4B un procédé de fabrication d’un module d’échangeur M selon l’invention.We now describe with reference to Figures 4A and 4B a method of manufacturing an exchanger module M according to the invention.
Etape i/: Du fait de cette conception en quelque sorte dissymétrique entre les faces principales 10 et 20 d’une même plaque 1, un assemblage du module uniquement par empilement de plaques 1 que l’on souderait par soudage-diffusion par CIC est rendu impossible. Step i/ : Due to this somewhat asymmetrical design between the main faces 10 and 20 of the same plate 1, an assembly of the module solely by stacking of plates 1 which would be welded by diffusion welding by CIC is made impossible.
En effet, l’absence d’isthme (nervure) et de plot pour le circuit du fluide secondaire provoquerait l’affaissement des plaques durant l’application du cycle CIC.Indeed, the absence of isthmus (rib) and pad for the secondary fluid circuit would cause the plates to collapse during the application of the CIC cycle.
Pour surmonter cette difficulté, on réalise des nappes 3 constituées chacune de deux plaques 1 mises en miroir, c’est-à-dire en contact par leurs plots 14 de leurs faces principales 10, puis assemblées par CIC. La hauteur des ouvertures d’entrée 100 et de sortie 101 du fluide primaire F1 ainsi que celle des canaux 13, 15 au sein des pré collecteurs d’entrée, de sortie et de la zone d’échange est déterminée par la hauteur des plots 14 et nervures (isthmes) 16.To overcome this difficulty, we produce layers 3 each consisting of two plates 1 mirrored, that is to say in contact by their pads 14 of their main faces 10, then assembled by CIC. The height of the inlet 100 and outlet 101 openings of the primary fluid F1 as well as that of the channels 13, 15 within the inlet and outlet pre-collectors and the exchange zone is determined by the height of the pads 14 and ribs (isthmus) 16.
On obtient ainsi des nappes 3 unitaires, telles que celle montrée à la
Les surépaisseurs des bords latéraux 24, 25 et longitudinaux 27, 28 qui sont intégrés initialement aux plaques 1 délimitent la hauteur des canaux 23 du fluide secondaire F2.The extra thicknesses of the lateral edges 24, 25 and longitudinal edges 27, 28 which are initially integrated into the plates 1 delimit the height of the channels 23 of the secondary fluid F2.
Pour minimiser les pertes de charge singulières, on veille à ce que la hauteur H entre un bord latéral 24 ou 25 et un bord longitudinal 27 ou 28 soit inférieure ou égale à la largeur L/2 du canal 23 considérée dans la zone d’échange ZE ,soit entre les deux bords longitudinaux 27, 28.To minimize singular pressure losses, care is taken to ensure that the height H between a lateral edge 24 or 25 and a longitudinal edge 27 or 28 is less than or equal to the width L/2 of the channel 23 considered in the exchange zone. Z E , i.e. between the two longitudinal edges 27, 28.
Etape i i /: Les nappes 3 sont empilées les unes sur les autres avec deux plaques d’extrémité 5 aux extrémités de l’empilement 4 définissant le module d’échangeur M. Step i i / : The layers 3 are stacked on top of each other with two end plates 5 at the ends of the stack 4 defining the exchanger module M.
Puis, ces nappes 3 et plaques d’extrémités 5 sont soudées entre elles de préférence par un soudage laser (
Au lieu de réaliser des plaques 1 qui intègrent dès leur fabrication les surépaisseurs, on peut prévoir de réaliser des plaques 1 sans surépaisseur sur leur face principale 20 et de réaliser les surépaisseurs au moyen de peignes 6, 7 imbriqués dans l’empilement de nappes 3.Instead of producing plates 1 which incorporate the extra thicknesses from their manufacture, it is possible to plan to produce plates 1 without extra thickness on their main face 20 and to produce the extra thicknesses by means of combs 6, 7 nested in the stack of layers 3 .
Une fois l’imbrication réalisée, l’assemblage entre les nappes 3 et les peignes 6, 7 est alors réalisé par compression uni-axiale (Soudage Diffusion Uni-axiale (SDU)) pour constituer le module d’échangeur M, comme montré à la
La forme des peignes longitudinaux 6 et latéraux 7 ainsi que l’imbrication individuelle de leurs dents 60, 70 entre deux nappes adjacentes sont montrées aux figures 6 à 9.The shape of the longitudinal 6 and lateral combs 7 as well as the individual nesting of their teeth 60, 70 between two adjacent layers are shown in Figures 6 to 9.
Les figures 10 et 11 illustrent les circulations des fluides primaire F1 et secondaire F2 au sein de l’empilement assemblé de nappes et plaques d’extrémité 5 d’un module d’échangeur M selon l’invention, sans ses collecteurs.Figures 10 and 11 illustrate the circulation of primary fluids F1 and secondary F2 within the assembled stack of layers and end plates 5 of an exchanger module M according to the invention, without its collectors.
D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.Other variants and improvements can be considered without departing from the scope of the invention.
Les hauteurs des bords latéraux et longitudinaux discontinus des faces principales 20 des plaques 1 qui délimitent la circulation du deuxième fluide F2 peuvent être adaptées en fonction de l’application selon les règles de dimensionnement usuelles, de tenue mécanique aux pressions, de pertes de charges et de la distribution de débit de fluide.The heights of the discontinuous lateral and longitudinal edges of the main faces 20 of the plates 1 which delimit the circulation of the second fluid F2 can be adapted depending on the application according to the usual sizing rules, mechanical resistance to pressure, pressure losses and of fluid flow distribution.
Les géométries des plots et la périodicité du pas du motif rectangulaire, carré ou triangulaire de leur répartition, sont à déterminer en fonction de l’application selon les règles de dimensionnement usuelles, de tenue mécanique aux pressions, de pertes de charges et de distribution de débit de fluide dans les canaux.The geometries of the pads and the periodicity of the pitch of the rectangular, square or triangular pattern of their distribution, are to be determined depending on the application according to the usual sizing rules, mechanical resistance to pressure, pressure losses and distribution of fluid flow in the channels.
Si dans l’ensemble des exemples illustrés, toutes les faces principales 10 des plaques 1 sont réalisées avec des pré-collecteurs à plots 14, on peut envisager de ne réaliser que celles d’un seul circuit de fluides, l’autre pouvant comprendre des pré-collecteurs classiques.If in all the examples illustrated, all the main faces 10 of the plates 1 are made with pre-collectors with pads 14, we can consider making only those of a single fluid circuit, the other being able to include classic pre-collectors.
On peut envisager d’autres formes que des plots 14 cylindriques. Par exemple, on peut envisager des géométries elliptiques, en forme de gouttes d’eau…We can consider shapes other than cylindrical pads 14. For example, we can consider elliptical geometries, in the shape of drops of water...
Par ailleurs, si dans les exemples illustrés, les canaux de la zone d’échange thermique (ZE) sont des canaux droits, le pré-collecteur selon l’invention est indépendant de cette géométrie et on peut donc envisager d’autres géométries pour les canaux d’échange (ZE), par exemple des canaux de forme incurvée, en zig-zag, en double zig-zag… Quelle que soit la géométrie retenue, au final, la profondeur des canaux d’échange détermine la hauteur des plots du pré-collecteur selon l’invention.Furthermore, if in the examples illustrated, the channels of the heat exchange zone (Z E ) are straight channels, the pre-collector according to the invention is independent of this geometry and we can therefore consider other geometries for the exchange channels (Z E ), for example curved, zig-zag, double zig-zag channels, etc. Whatever the geometry chosen, in the end, the depth of the exchange channels determines the height of the pads of the pre-collector according to the invention.
Dans l’exemple illustré, les collecteurs 11, 12 respectivement d’entrée et de sortie, sont de forme tubulaire et agencés selon l’axe longitudinal du module. On peut aussi envisager d’autres agencements de tubes collecteurs.In the example illustrated, the inlet and outlet collectors 11, 12 respectively, are tubular in shape and arranged along the longitudinal axis of the module. Other arrangements of collecting tubes can also be considered.
Également, si dans l’exemple illustré, on ne prévoit pas de collecteurs d’entrée en tant que tels pour le fluide secondaire, ceux-ci étant réalisés par les ouvertures d’entrée 200 du pré-collecteur d’entrée ZH, on peut prévoir d’en rajouter, à l’instar des collecteurs de sortie 22.Also, if in the example illustrated, inlet collectors as such are not provided for the secondary fluid, these being produced by the inlet openings 200 of the inlet pre-collector Z H , we can plan to add more, like the outlet collectors 22.
De manière générale, les collecteurs des deux circuits sont susceptibles d’être dimensionnés sous pression (différence de pression entre deux circuits) ou pas.Generally speaking, the collectors of the two circuits are likely to be sized under pressure (pressure difference between two circuits) or not.
Claims (16)
- les canaux de l’un des deux circuits, dit premier circuit, présentent:
- au moins une zone d’alimentation et de distribution (ZH) du premier fluide, dit premier fluide, depuis l’extérieur de l’empilement, formant un pré-collecteur du premier fluide, dans laquelle les canaux (13) sont délimités, pour chaque plaque, par des plots pleins (14) répartis sur la surface de plaque et débouchent à l’une des extrémités longitudinales de la plaque,
- une zone d’échange (ZE) continue avec le pré-collecteur dans laquelle les canaux sont délimités, pour chaque plaque, chacun par une rainure (15) séparés entre eux par une nervure (16) et s’étendent le long de l'axe longitudinal (X) ;
- les canaux de l’autre des deux circuits dit deuxième circuit présentent:
- au moins une zone d’alimentation et de distribution (ZH) du fluide, dit deuxième fluide, depuis l’extérieur de l’empilement, formant un pré-collecteur du deuxième fluide, dans laquelle l’unique canal est délimité, pour chaque plaque, par la surface centrale plane de plaque, un bord latéral en surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque (X) que le bord latéral,
- une zone d’échange (ZE) continue avec le pré-collecteur dans laquelle l’unique canal est délimité, pour chaque plaque, par la surface centrale plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque (X) que le bord latéral, la distance entre le bord latéral et l’un des bord longitudinaux discontinus en surépaisseur définissant une ouverture d’entrée ou de sortie du deuxième fluide dans l’empilement.
- the channels of one of the two circuits, called the first circuit, present:
- at least one supply and distribution zone (Z H ) of the first fluid, called the first fluid, from outside the stack, forming a pre-collector of the first fluid, in which the channels (13) are delimited, for each plate, by solid studs (14) distributed over the plate surface and opening out at one of the longitudinal ends of the plate,
- an exchange zone (Z E ) continues with the pre-collector in which the channels are delimited, for each plate, each by a groove (15) separated from each other by a rib (16) and extend along the longitudinal axis (X);
- the channels of the other of the two circuits called the second circuit present:
- at least one supply and distribution zone (ZH) of the fluid, called the second fluid, from outside the stack, forming a pre-collector of the second fluid, in which the single channel is delimited, for each plate , by the flat central surface of the plate, a lateral edge with excess thickness relative to the flat surface of the plate and the two discontinuous longitudinal edges with the same excess thickness relative to the flat surface of the plate (X) as the lateral edge,
- an exchange zone (ZE) continues with the pre-collector in which the single channel is delimited, for each plate, by the flat central surface of the plate and the two discontinuous longitudinal edges of the same thickness relative to the flat surface of plate (X) as the lateral edge, the distance between the lateral edge and one of the discontinuous longitudinal edges in excess thickness defining an entry or exit opening for the second fluid in the stack.
a1/ réalisation d’une pluralité d’au moins deux plaques métalliques comprenant chacune :
- sur l’une des deux faces principales :
- au moins une zone d’alimentation et de distribution du premier fluide, dit premier fluide, formant un pré-collecteur du premier fluide, dans laquelle les canaux sont délimités par des plots pleins répartis sur la surface de plaque et débouchent à l’une des extrémités longitudinales de plaque,
- une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle les canaux sont délimités chacun par une rainure séparés entre eux par une nervure;
- sur l’autre des deux faces principales:
- au moins une zone d’alimentation et de distribution du deuxième fluide dit deuxième fluide, formant un pré-collecteur du deuxième fluide, dans laquelle l’unique canal est délimité, par la surface centrale plane de plaque, un bord latéral en surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral,
- une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle l’unique canal est délimité par la surface centrale plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral, la distance entre le bord latéral et l’un des bords longitudinaux discontinus en surépaisseur définissant une ouverture d’entrée ou de sortie du deuxième fluide ;
c1/ assemblage par compression isostatique à chaud (CIC) des deux plaques, de sorte à obtenir une nappe métallique ;
d1/ empilement de la pluralité de nappes assemblées par CIC selon l’étape c/ avec mises en place d’une plaque d’extrémité à chaque extrémité longitudinale de l’empilement ;
e1/ soudage, de préférence par laser, de la pluralité de nappes et plaques d’extrémité empilées de sorte à obtenir le module.Method of manufacturing a heat exchanger module according to one of the preceding claims, comprising the following steps:
a1/ production of a plurality of at least two metal plates each comprising:
- on one of the two main faces:
- at least one supply and distribution zone of the first fluid, called the first fluid, forming a pre-collector of the first fluid, in which the channels are delimited by solid pads distributed over the plate surface and open to one of the longitudinal plate ends,
- an exchange zone continuous with the pre-collector in which the channels are each delimited by a groove separated from each other by a rib;
- on the other of the two main faces:
- at least one supply and distribution zone of the second fluid called second fluid, forming a pre-collector of the second fluid, in which the single channel is delimited, by the flat central surface of the plate, a lateral edge in excess thickness relative to to the flat surface of the plate and the two discontinuous longitudinal edges with the same excess thickness relative to the flat surface of the plate as the lateral edge,
- a continuous exchange zone with the pre-collector in which the single channel is delimited by the flat central surface of the plate and the two discontinuous longitudinal edges with the same excess thickness relative to the flat surface of the plate as the lateral edge, the distance between the lateral edge and one of the discontinuous longitudinal edges in excess thickness defining an inlet or outlet opening for the second fluid;
c1/ assembly by hot isostatic compression (CIC) of the two plates, so as to obtain a metal sheet;
d1/ stacking of the plurality of layers assembled by CIC according to step c/ with placement of an end plate at each longitudinal end of the stack;
e1/ welding, preferably by laser, of the plurality of layers and end plates stacked so as to obtain the module.
a2/ réalisation d’une pluralité d’au moins deux plaques métalliques comprenant chacune :
- sur l’une des deux faces principales :
- au moins une zone d’alimentation et de distribution du premier fluide, dit premier fluide, formant un pré-collecteur du premier fluide, dans laquelle les canaux sont délimités par des plots pleins répartis sur la surface de plaque et débouchent à l’une des extrémités longitudinales de plaque,
- une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle les canaux sont délimités chacun par une rainure séparés entre eux par une nervure;
- sur l’autre des deux faces principale :
- au moins une zone d’alimentation et de distribution du deuxième fluide dit deuxième fluide, formant un pré-collecteur du deuxième fluide, dans laquelle l’unique canal est délimité par la surface centrale plane de plaque,
- une zone d’échange continue avec le pré-collecteur dans laquelle l’unique canal est délimité par la surface centrale plane de plaque et les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral, la distance entre le bord latéral et l’un des bord longitudinaux discontinus en surépaisseur définissant une ouverture d’entrée ou de sortie du deuxième fluide ;
c2/ assemblage par compression isostatique à chaud (CIC) des deux plaques, de sorte à obtenir une nappe métallique ;
d2/ empilement alterné de la pluralité de nappes assemblées par CIC selon l’étape c/ avec à chaque extrémité latérale, les dents d’un peigne métallique définissant un bord latéral en surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque et avec chaque extrémité longitudinale, les dents d’un peigne métallique définissant les deux bords longitudinaux discontinus en même surépaisseur par rapport à la surface plane de plaque que le bord latéral;
e/ assemblage par compression uni-axiale à chaud (CUC), de la pluralité de nappes, peignes et plaques d’extrémité empilées de sorte à obtenir le module.Method of manufacturing a heat exchanger module according to one of claims 1 to 11, comprising the following steps:
a2/ production of a plurality of at least two metal plates each comprising:
- on one of the two main faces:
- at least one supply and distribution zone of the first fluid, called the first fluid, forming a pre-collector of the first fluid, in which the channels are delimited by solid pads distributed over the plate surface and open to one of the longitudinal plate ends,
- an exchange zone continuous with the pre-collector in which the channels are each delimited by a groove separated from each other by a rib;
- on the other of the two main faces:
- at least one supply and distribution zone of the second fluid called the second fluid, forming a pre-collector of the second fluid, in which the single channel is delimited by the flat central surface of the plate,
- a continuous exchange zone with the pre-collector in which the single channel is delimited by the flat central surface of the plate and the two discontinuous longitudinal edges with the same excess thickness relative to the flat surface of the plate as the lateral edge, the distance between the lateral edge and one of the discontinuous longitudinal edges in excess thickness defining an inlet or outlet opening for the second fluid;
c2/ assembly by hot isostatic compression (CIC) of the two plates, so as to obtain a metal sheet;
d2/ alternating stacking of the plurality of layers assembled by CIC according to step c/ with at each lateral end, the teeth of a metal comb defining a lateral edge in excess relative to the flat surface of the plate and with each longitudinal end , the teeth of a metal comb defining the two discontinuous longitudinal edges with the same excess thickness relative to the flat surface of the plate as the lateral edge;
e/ assembly by hot uniaxial compression (CUC), of the plurality of layers, combs and end plates stacked so as to obtain the module.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR2214002A FR3143725A1 (en) | 2022-12-20 | 2022-12-20 | Channel plate heat exchanger module of which those of one circuit integrate at least one fluid supply and distribution zone formed by pads and those of the other circuit are delimited by the flat surface of the plate and the excess edges. |
PCT/EP2023/084150 WO2024132477A1 (en) | 2022-12-20 | 2023-12-04 | Plate heat exchanger module with plate channels, which channels in one circuit include at least one fluid supply and distribution zone formed by studs, and which channels in the other circuit are delimited by the flat plate surface and thickened edges |
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FR2214002 | 2022-12-20 | ||
FR2214002A FR3143725A1 (en) | 2022-12-20 | 2022-12-20 | Channel plate heat exchanger module of which those of one circuit integrate at least one fluid supply and distribution zone formed by pads and those of the other circuit are delimited by the flat surface of the plate and the excess edges. |
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ID=86851407
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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FR2214002A Pending FR3143725A1 (en) | 2022-12-20 | 2022-12-20 | Channel plate heat exchanger module of which those of one circuit integrate at least one fluid supply and distribution zone formed by pads and those of the other circuit are delimited by the flat surface of the plate and the excess edges. |
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Citations (5)
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KR20180015503A (en) * | 2016-08-03 | 2018-02-13 | 한국원자력연구원 | Heat exchanger and nuclear power plant having the same |
FR3054879B1 (en) | 2016-08-03 | 2018-08-17 | Commissariat Energie Atomique | PLATE HEAT EXCHANGER MODULE HAVING CHANNELS INTEGRATING A UNIFORM FLOW DISTRIBUTION AREA AND A FLUID BIFURCATION AREA |
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2022
- 2022-12-20 FR FR2214002A patent/FR3143725A1/en active Pending
-
2023
- 2023-12-04 WO PCT/EP2023/084150 patent/WO2024132477A1/en unknown
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WO2024132477A1 (en) | 2024-06-27 |
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