Domaine technique de l'invention

L'invention appartient au domaine technique des échangeurs de chaleurs. L’invention concerne plus précisément un procédé de refroidissement mettant en œuvre un échangeur de chaleur. En particulier le procédé met en œuvre du dioxyde de carbone en phase supercritique. L’invention concerne par ailleurs un échangeur de chaleur.

Le projet menant à cette demande a reçu un financement du programme de recherche et de formation Euratom 2014-201 8 dans le cadre de la convention de subvention n° 847606.

Arrière-plan technique

Les échangeurs de chaleurs industriels sont utilisés dans diverses industries.

En particulier, l’industrie de la production d’électricité d’origine nucléaire, utilise des échangeurs de chaleur. Les échangeurs de chaleur utilisés dans les centrales nucléaires sont soumis à une règlementation exigeante, spécifique à ce secteur d’activité. A cette règlementation s’ajoute des exigences techniques particulières.

Dans le circuit secondaire d’une centrale nucléaire, la vapeur d’eau, après avoir traversée au moins une turbine permettant de produire de l’électricité, est refroidie dans un condenseur pour obtenir de l’eau en phase liquide. Le condenseur utilise un fluide de refroidissement extérieur, tel que de l’eau de mer ou d’un fleuve, c’est le circuit tertiaire.

En cas de problème technique sur le circuit tertiaire, il est nécessaire de continuer à refroidir le circuit secondaire. Le refroidissement du circuit secondaire est alors pris en charge par un circuit de secours distinct du circuit tertiaire.

Ce circuit de secours comporte, entre autres, un échangeur de chaleur qui doit pouvoir être agencé dans le bâtiment réacteur. En d’autres termes, l’échangeur doit pouvoir être agencé dans un espace exigu, et par conséquent avoir des dimensions réduites, tout en étant en mesure de refroidir la vapeur d’eau du circuit secondaire pour atteindre une température de consigne de sortie acceptable.

Réduire les dimensions des échangeurs de chaleur a un impact immédiat sur les performances de l’échangeur de chaleur. La demanderesse s’est aperçue qu’en réduisant les dimensions de l’échangeur de chaleur, la différence de température entre le fluide froid et le fluide chaud était telle, qu’elle induisait des contraintes mécaniques susceptibles d’endommager l’échangeur de chaleur, rendant le circuit de secours inopérant et mettant en danger la centrale nucléaire.

L’invention vise donc à proposer un procédé permettant de mettre en œuvre un échangeur de chaleur aux dimensions réduites, et qui assure le refroidissement d’un fluide chaud sans risque d’endommager ledit échangeur de chaleur en raison des écarts de températures trop importants.

Résumé de l'invention A cet effet, il est proposé en premier lieu un procédé de refroidissement mettant en œuvre un échangeur de chaleur, le procédé étant destiné à refroidir un prem ier fluide au moyen d’un deuxième fluide, procédé dans lequel le premier fluide sort et entre de l’échangeur de chaleur à plusieurs reprises de sorte à échanger avec lui-même et avec le deuxième fluide, par contact indirect, procédé dans lequel :

- le prem ier fluide entre et sort une prem ière fois dans l’échangeur de chaleur formant un premier passage dudit premier fluide dans l’échangeur de chaleur,

- le premier fluide entre et sort une deuxième fois dans l’échangeur de chaleur formant un deuxième passage dudit premier fluide dans l’échangeur de chaleur,

- le prem ier fluide entre et sort une troisième fois dans l’échangeur de chaleur formant un troisième passage dudit premier fluide dans l’échangeur de chaleur,

- le prem ier fluide entre et sort une quatrième fois dans l’échangeur de chaleur formant un quatrième passage dudit premier fluide dans l’échangeur de chaleur, procédé dans lequel le premier fluide lors de son premier passage échange successivement avec le premier fluide lors de son deuxième passage puis avec le premier fluide lors de son quatrième passage tout en échangeant avec le deuxième fluide, procédé dans lequel le prem ier fluide est de la vapeur d’eau et le deuxième fluide est du dioxyde de carbone en phase supercritique.

Un tel procédé présente l’avantage d’utiliser uniquement deux fluides, à savoir de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone en phase supercritique. Dans l’hypothèse où une telle recirculation n’était pas m ise en œuvre, au moins un fluide en plus serait nécessaire pour obtenir un résultat équivalent. Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues seules ou en combinaison :

- au cours de son premier passage, le premier fluide subit un abaissement de température sensiblement compris entre 1 00°C et 1 10°C ;

- au cours de son deuxième passage, le premier fluide subit une augmentation de température sensiblement comprise entre 47°C et 57°C ;

- au cours de son troisième passage le premier flu ide subit un abaissement de température sensiblement compris entre 70°C et 80°C ;

- au cours de son quatrième passage, le premier fluide subit une augmentation de température sensiblement comprise entre 37°C et 47°C ;

- le premier fluide entre et sort une cinquième fois dans l’échangeur de chaleur formant un cinquième passage et subit un abaissement de température sensiblement compris entre 65°C et 75°C ;

- le deuxième fluide entre et sort une fois de l’échangeur de chaleur ;

- le deuxième fluide échange avec le premier fluide dans son cinquième passage dans l’échangeur de chaleur et subit une augmentation de température sensiblement comprise entre 1 5°C et 25°C ;

- le deuxième fluide échange avec le premier fluide dans son troisième passage dans l’échangeur de chaleur et subit une augmentation de température sensiblement comprise entre 20°C et 30°C ;

- le deuxième fluide échange avec le premier fluide dans son premier passage dans l’échangeur de chaleur et subit une augmentation de température sensiblement comprise entre 1 59°C et 169°C ;

- le premier fluide lors de son deuxième passage échange parallèlement avec le deuxième fluide et avec le premier fluide lors de son premier passage ;

- le premier fluide lors de son troisième passage échange avec le deuxième fluide ; - le premier fluide lors de son quatrième passage échange parallèlement avec le premier fluide lors de son premier passage et avec le deuxième fluide ;

- le premier fluide lors de son cinquième passage échange avec le deuxième fluide ;

- le procédé est utilisé dans un circuit de secours destiné à refroidir un circuit secondaire d’une centrale nucléaire.

Il est proposé en deuxième lieu un échangeur de chaleur apte à mettre en œuvre un procédé tel que précédemment décrit, ledit échangeur de chaleur comprenant :

- une prem ière entrée d’un fluide chaud,

- une première sortie dudit fluide chaud reliée fluidiquement à la prem ière entrée à l’intérieur dudit échangeur de chaleur par un premier passage,

- une deuxième entrée dudit fluide chaud, reliée à la première sortie par une première canalisation,

- une deuxième sortie dudit fluide chaud reliée fluidiquement à la deuxième entrée à l’intérieur dudit échangeur de chaleur par un deuxième passage,

- une troisième entrée dudit fluide chaud reliée à la deuxième sortie par une deuxième canalisation,

- une troisième sortie dudit fluide chaud reliée fluidiquement à la troisième entrée à l’intérieur dudit échangeur de chaleur par un troisième passage,

- une quatrième entrée dudit fluide chaud reliée à la troisième sortie par une troisième canalisation,

- une quatrième sortie dudit fluide chaud reliée fluidiquement à la quatrième entrée à l’intérieur dudit échangeur de chaleur par un quatrième passage,

- une cinquième entrée dudit fluide chaud reliée à la quatrième sortie par une quatrième canalisation,

- une cinquième sortie dudit fluide chaud reliée fluidiquement à la cinquième entrée à l’intérieur dudit échangeur de chaleur par un cinquième passage.

Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues seules ou en combinaison :

- l’échangeur de chaleur présente une longueur inférieure ou égale à 2000 millimètres ;

- l’échangeur de chaleur présente une hauteur inférieure ou égale à 600 millimètres.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera au dessin annexé dans lequel :

- La figure 1 est une vue schématique d’un échangeur de chaleur dans laquelle le procédé selon l’invention est illustré.

Description détaillée de l'invention

Sur la figure 1 est représenté un échangeur 1 de chaleur selon l’invention.

L’échangeur de chaleur comprend des têtes 2, 3, 4, 5 destinées à répartir ou collecter le fluide dans l’échangeur de chaleur.

L’échangeur de chaleur comporte plusieurs têtes 2 d’entrée d’un fluide chaud et plusieurs têtes 3 de sortie de ce même fluide chaud.

L’échangeur de chaleur comprend une tête 4 d’entrée d’un fluide froid et deux têtes 5 de sortie de ce même fluide froid. L’échangeur 1 de chaleur est compartimenté. Ceci signifie qu’à l’intérieur de l’échangeur 1 de chaleur, des compartiments étanches permettent d’organiser le passage des fluides dans ledit échangeur 1 de chaleur afin que les échanges thermiques se fassent selon un plan prédéterminé. Ces compartiments ne sont pas représentés sur le dessin.

Le procédé de refroidissement selon l’invention met en œuvre l’échangeur de chaleur représenté sur la figure 1 .

Ainsi qu’on peut le voir sur la figure 1 , le fluide chaud entre et sort à plusieurs reprises de l’échangeur de chaleur.

En faisant échanger thermiquement, le fluide chaud avec lui-même à plusieurs reprises dans l’échangeur, mais aussi avec le fluide froid, il devient possible d’effectuer des abaissements et augmentations successifs de température. Ceci permet d’éviter des écarts de température trop important. L’échangeur de chaleur est alors préservé d’éventuels dommages.

Les échanges de chaleur entre le prem ier fluide d’une part et entre le prem ier fluide et le deuxième fluide d’autre part, se font par contact indirect. Autrement dit, les fluides ne sont pas directement en contact mais séparés par une paroi de sorte qu’ils ne se mélangent pas.

Avantageusement, le fluide chaud entre dans l’échangeur 1 de chaleur par une première entrée 6 et en sort par une première sortie 7. Il s’agit d’un premier passage 8 du fluide chaud dans l’échangeur 1 de chaleur. Le fluide chaud subit un abaissement de température sensiblement compris entre 100°C et 1 10°C , de préférence sensiblement égal à 105°C. Avantageusement, le fluide chaud entre dans l’échangeur 1 de chaleur par une deuxième entrée 9 et en sort par une deuxième sortie 1 0. Il s’agit d’un deuxième passage 1 1 du fluide chaud dans l’échangeur 1 de chaleur. Le fluide chaud subit une augmentation de température sensiblement comprise entre 47°C et 57°C, de préférence sensiblement égal à 52°C.

Avantageusement, le fluide chaud entre dans l’échangeur 1 de chaleur par une troisième entrée 12 et en sort par une troisième sortie 1 3. Il s’agit d’un troisième passage 14 du fluide chaud dans l’échangeur 1 de chaleur. Le fluide chaud subit un abaissement de température sensiblement compris entre 70°C et 80°C, de préférence sensiblement égal à 75°C.

Avantageusement, le fluide chaud entre dans l’échangeur 1 de chaleur par une quatrième entrée 15 et en sort par une quatrième sortie 16. Il s’agit d’un quatrième passage 1 7 du fluide chaud dans l’échangeur 1 de chaleur. Le fluide chaud subit une augmentation de température sensiblement comprise entre 37°C et 47°C, de préférence sensiblement égal à 42°C.

Avantageusement, le fluide chaud entre dans l’échangeur 1 de chaleur par une cinquième entrée 1 8 et en sort par une cinquième sortie 1 9. Il s’agit d’un cinquième passage 20 du fluide chaud dans l’échangeur 1 de chaleur. Le fluide chaud subit un abaissement de température sensiblement compris entre 65°C et 75°C, de préférence sensiblement égal à 70°C.

Avantageusement, le fluide froid entre dans l’échangeur 1 de chaleur par la tête 4 d’entrée froide et en sort par deux têtes 5 de sortie froide. Le fluide froid ne fait qu’un seul passage dans l’échangeur 1 de chaleur. Avantageusement, le fluide froid échange avec le fluide chaud lors de son cinquième passage 20 dans l’échangeur 1 de chaleur. Le fluide froid subit une augmentation de température sensiblement comprise entre 15°C et 25°C, de préférence sensiblement égale à 20°C.

Avantageusement, le fluide froid échange avec le fluide chaud lors de son troisième passage 14 dans l’échangeur 1 de chaleur. Le fluide froid subit une augmentation de température sensiblement comprise entre 20°C et 30°C, de préférence sensiblement égale à 25°C.

Avantageusement, le fluide froid échange avec le fluide chaud lors de son premier passage 8 dans l’échangeur 1 de chaleur. Le fluide froid subit une augmentation de température sensiblement comprise entre 159°C et 1 69°C, de préférence sensiblement égale à 164°C.

Avantageusement, le fluide chaud au cours de son premier passage 8 dans l’échangeur 1 de chaleur, échange successivement avec le fluide chaud lors de son deuxième passage 1 1 puis avec le fluide chaud lors de son quatrième passage 17. En parallèle, le fluide chaud échange avec le fluide froid tout au long de son parcours dans l’échangeur 1 de chaleur.

Avantageusement, le fluide chaud au cours de son deuxième passage 1 1 dans l’échangeur 1 de chaleur, échange parallèlement avec le fluide chaud lors de son premier passage et avec le fluide froid.

Avantageusement, le fluide chaud au cours de son troisième passage 14 dans l’échangeur 1 de chaleur, échange avec le fluide froid.

Avantageusement, le fluide chaud au cours de son quatrième passage 17 dans l’échangeur 1 de chaleur, échange parallèlement avec le fluide chaud lors de son premier passage 8 et avec le fluide froid. Avantageusement, le fluide chaud au cours de son cinquième passage 20 dans l’échangeur 1 de chaleur, échange avec le fluide froid.

Avantageusement, le fluide chaud est de la vapeur d’eau et le fluide froid est du dioxyde de carbone en phase supercritique . Les propriétés du dioxyde de carbone en phase supercritique sont avantageuses en raison de sa masse volumique élevée, son coefficient de diffusivité intermédiaire entre gaz et liquide et une faible viscosité proche de celle des gaz, permettant ainsi un échange thermique plus efficace dans l’échangeur 1 de chaleur.

Avantageusement, le procédé est utilisé dans un circuit de secours destiné à refroidir un circuit secondaire d’une centrale nucléaire . Une centrale nucléaire comporte un circuit primaire permettant de refroidir par contact direct le combustible nucléaire, un circuit secondaire permettant de refroidir le circuit primaire et aussi utilisé pour la production d’électricité.

Ainsi qu’on peut le voir sur la figure 1 , l’échangeur 1 de chaleur comporte plusieurs canalisations reliant les têtes entre elles, afin de mettre en œuvre le procédé précédemment décrit. Ainsi l’échangeur de chaleur comprend :

- une première canalisation 29 reliant la première sortie 7 à la deuxième entrée 9 ;

- une deuxième canalisation 21 reliant la deuxième sortie 10 à la troisième entrée 1 2 ;

- une troisième canalisation 22 reliant la troisième sortie 13 à la quatrième entrée 1 5 ;

- une quatrième canalisation 23 reliant quatrième sortie 16 à la cinquième entrée 1 8. Les canalisation 29, 21 , 22, 23 permettent de créer la recirculation du fluide chaud dans l’échangeur de chaleur et donc d’obtenir d’éviter un abaissement brutal de la température du fluide chaud . Les contraintes mécaniques qui s’appliquent sur l’échangeur de chaleur sont donc maîtrisées.

Cet échangeur de chaleur, mettant en œuvre le procédé précédemment décrit présente ainsi une longueur maximale inférieure ou égale à 2000 millimètres.

Cet échangeur de chaleur, mettant en œuvre le procédé précédemment décrit présente ainsi une hauteur maximale inférieure ou égale à 600 millimètres.