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INSTALLATION D'ENTREPOSAGE DE TRES LONGUE DUREE DE
PRODUITS EMETTANT UN FLUX THERMIQUE ELEVE
DESCRIPTION
'
Domaine technique
L'invention concerne une installation
d'entreposage, c'est-à-dire de stockage sous
surveillance et réversible, de très longue durée
(supérieure à 50 ans), de produits calorifiques
émettant un flux thermique élevé.
Une telle installation d'entreposage peut
notamment être utilisée pour le stockage de très longue
durée de déchets nucléaires tels que des combustibles
nucléaires irradiés. En effet, l'entreposage de tels
produits nécessite une maîtrise de la température des
conteneurs dans lesquels ils se trouvent.
Etat de la technique
L'entreposage de très longue durée de produits
calorifiques tels que des déchets nucléaires s'effectue
généralement en conditionnant les déchets dans des
conteneurs et en plaçant ces derniers dans des cavités
formées dans le sol et délimitées par des parois de
béton. ..
Le flux thermique élevé qui est généré par les
produits calorifiques doit être évacué par un système
de refroidissement qui stabilise la température de
surface des conteneurs. Cela permet d'assurer la
durabilité de la structure des conteneurs et des
produits calorifiques qu'ils contiennent. Cela permet
également d'assurer la pérennité du béton des parois
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environnantes. Les systèmes de refroidissement sont, de
préférence, passifs.
Dans le document FR-A-2 791 805, il est
proposé une installation d'entreposage de très longue
durée de produits calorifiques. Dans cette
installation, la puissance thermique est extraite au
plus près de la barrière étanche matérialisée par le
conteneur, sans intrusion et de manière passive, avant
d'être évacuée à l'extêrieur du site par un circuit
caloporteur non contaminable.
De façon plus précise, ce document propose
d'enserrer êtroitement chaque conteneur, sur toute sa
surface cylindrique extérieure, par une chemise souple
et démontable constituée, par exemple par une tôle
mince agrafée et serrée, qui entoure le conteneur de
façon telle que les surfaces extérieures lisses du
conteneur et de la chemise soient normalement en
contact. L'application de la chemise sur la surface
extérieure du conteneur est assurée par un serrage en
plusieurs points, lors de la fermeture (ou agrafage) de
la chemise.
La chemise est équipée extérieurement, à
intervalles réguliers (par exemple environ 20 cm), de
tubes verticaux de section circulaire ou carrée. Ces
25. tubes sont intimement liés à la chemise, du point de
vue conduction thermique, de façon à former un
évaporateur pour le fluide de refroidissement. De
préférence, ce fluide fonctionne en régime diphasique
liquide-vapeur et constitue un caloduc avec le circuit
dans lequel il est confiné. Le condénseur du caloduc se
trouve à l'extérieur du site, où un échange thermique
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s'effectue avec l'air libre qui circule par convection
naturelle.
Dans cette installation connue, la
transmission du flux thermique en provenance du
conteneur est assurée, d'une part, par le contact
direct des parois du conteneur et de la tôle formant la
chemise et, d'autre part, par le contact entre ladite
tôle et les tubes qu'elle supporte.
Dans un autre mode de réalisation décrit dans
le document FR-A-2 791 805, les tubes font corps avec
des tronçons de chemise, eux mêmes assemblés bout à
bout par soudage ou par tout autre moyen de liaison
mécanique. Dans ce cas, le rendement thermique du
système ne dépend que de la qualité du contact entre le
conteneur et les tronçons de chemise juxtaposés.
Dans tous les cas, la qualité de la
transmission thermique augmente lorsque la résistance
de contact diminue, c'est-à-dire lorsque le contact
entre les surfaces est plus étroit. En d'autres termes,
une bonne transmission du flux thermique entre le
conteneur et la chemise souple qui l'entoure suppose
que l'épaisseur du film d'air résiduel entre les deux
parois soit limitêe à une fraction de millimètre.
Un appoint de refroidissement est normalement
apporté par l'air environnant, en .perpétuelle
convection naturelle à la surface extérieure de la
chemise du caloduc. Pour assurer le refroidissement en
cas d'incident ou d'accident, des moyens de mise en
mouvement de l'air en convection forcée peuvent être
prévus. L'échange thermique augmente avec la surface
extérieure de la chemise, lorsque celle-ci est réalisée
en un matériau conducteur de la chaleur et lorsque la
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résistance de contact entre le conteneur et la chemise
est faible. En outre, dans un mode de réalisation
préféré, il est proposé de munir les tubes d'ailettes
de refroidissement pour augmenter la surface d'échange
entre la chemise et l'air environnant et autoriser,
dans une éventuelle situation d'accident, des temps
d'intervention plus longs.
Des modélisations, puis expérimentations
effectuées à échelle 1, sur des conteneurs de 2 mètres
de diamètre, ont permis d'obtenir les performances
annoncées dans le document FR-A-2 791 805.
La poursuite de ces travaux et leur
orientation vers l'industrialisation ont mis en
évidence la difficulté d'obtenir un jeu moyen inférieur
à 0,3 mm entre les conteneurs et la surface de la
chemise. Une telle précision, réalisable sur un
prototype, est difficile à obtenir à l'échelle
industrielle avec des outils traditionnels et toute
tentative pour le diminuer, par exemple à 0,1 mm,
augmente très fortement le coût de fabrication. Or, ce
jeu moyen constitue le paramètre le plus important pour
les performances de l'installation.
Exposé de l~invention
L'invention a précisément pour objet une
installation d'entreposage de très longue durée de
produits calorifiques, comparable à l'installation
proposée dans le document FR-A-2 791 805 mais dont la
conception originale autorise l'obtention de
performances au moins comparables de façon sensiblement
plus simple et moins coûteuse, en utilisant des moyens
industriels trad~.tionnels.
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Conformément à l'invention, il est proposé
d'utiliser une installation d'entreposage de très
longue durée de produits calorifiques, comportant au
moins un conteneur de confinement desdits produits, un
5 évaporateur comprenant une chemise entourant le
conteneur et une pluralité de tubes solidaires de la
chemise et remplis d'un fluide caloporteur, et des
moyens de serrage de l'évaporateur sur le conteneur,
caractérisé en ce que l'évaporateur présente une
surface intérieure telle que les moyens de serrage
maintiennent l'évaporateur en contact étroit avec une
surface extérieure du conteneur seulement en face de
chacun des tubes.
Des études et des modélisations d'une telle
installation ainsi que des essais concernant certaines
caractéristiques délicates telles que l'interface entre
la chemise et le conteneur ont montré que la limitation
des surfaces de contact entre le conteneur et la
chemise à des zones restreintes situées en face des
tubes permet d'obtenir, par des moyens industriels
traditionnels et donc d'un coût raisonnable, un échange
thermique entre le conteneur et les tubes aussi
efficace que celui qui serait obtenu, dans
l'installation de l'art antérieur illustrée par le
document FR-A-2 791 805, en ménageant entre le
conteneur et la chemise un jeu moyen constant d'environ
0,1 mm, très difficile à obtenir industriellement.
Avantageusement, la surface intérieure de
l'évaporateur présente, éntre les tubes, un rayon de
courbure sensiblement supérieur à celui de la surface
extérieure du conteneur.
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De préférence, afin que la zone de contact
entre le conteneur et chacun des tubes présente une
surface bien définie et ne soit. pas limitée à une
ligne, notamment dans le cas de tubes de section
circulaire, la surface intérieure de l'évaporateur
comporte, en face de chacun des tubes, une partie de
forme complémentaire de la surface extérieure du
conteneur, maintenue en contact surfacique étroit avec
ladite surface extérieure par les moyens de serrage.
Selon un premier mode de réalisation de
l'invention, les tubes sont fixés, de préférence par
soudage, à l'intérieur d'une structure continue, de
section sensiblement circulaire, formant la chemise.
Dans ce cas, les tubes peuvent comporter des ailettes
de refroidissement, situées entre la chemise et le
conteneur.
Selon un deuxième mode de réalisation de
l'invention, chaque tube est réalisé d'un seul tenant
avec deux tronçons de chemise et les tronçons des tubes.
voisins sont assemblés entre eux bord à bord pour
former la chemise. Les tronçons des tubes voisins
peuvent alors être assemblés soit par soudage, soit par
des moyens de liaison mécaniques quelconques.
Les tubes peuvent avoir soit une section
sensiblement carrée ou rectangulaire, soit une section
sensiblement circulaire. Dans ce dernier cas, les tubes
présentent avantageusement des talons dont une face
intérieure est maintenue en appui surfacique étroit
contre la surface extérieure du conteneur par les
moyens de serrage.
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De façon facultative, une surface extérieure
de l'évaporateur peut comporter des ailettes de
refroidissement.
Enfin, selon un perfectionnement
particulièrement avantageux de l'invention, en dehors
de zones situées en face des tubes, l'évaporateur est
éloigné du conteneur de façon à délimiter des canaux
verticaux de circulation d'air, par convection
naturelle. Dans une variante de réalisation de
l'invention, les canaux font alors partie d'un circuit
fermé qui constitue une barrière de confinement
supplémentaire.
Brève description des dessins
On décrira à présent, à titre d'exemples
illustratifs et nullement limitatifs, différents modes
de réalisati6n de l'invention, en se référant aux
dessins annexés, dans lesquels .
-la figure 1 est une vue en coupe verticale
qui représente très schématiquement une partie d'une
installation d'entreposage de produits calorifiques
conforme à l'invention ;
-la figure 2 est vue en coupe, selon un plan
horizontal, illustrant schématiquement une partie d'un
évaporateur selon l'invention, en contact quasi
linéique avec un conteneur entreposé dans
l'installation ;
-la figure 3 est une vue comparable à la
figure 2, illustrant schématiquement le cas d'un
évaporateur en contact surfacique avec un conteneur
contenant des produits calorifiques ;
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-la figure 4 est une vue en coupe comparable
aux figures 2 et 3, représentant plus en détail un
évaporateur selon un premier mode de rêalisation de
l'invention, et les moyens de serrage associés ;
-la figure 5 est une vue en coupe comparable à
la figure 4, illustrant côte à côte trois variantes de
. section possibles pour les tubes de l'évaporateur ainsi
que la présence facultative d'ailettes de
refroidissement sur la chemise ;
-la figure 6 est une vue en coupe comparable
aux figures 4 et 5, illustrant une autre variante du
premier mode de réalisation de l'invention ;
-la figure 7 est une vue en coupe comparable
aux figures 4 à 6, illustrant cote à cote trois
variantes d'un deuxième mode de réalisation de
l'invention ;
-la -figure 8 représente trois courbes
illustrant l'évolution de la température moyenne (en
---aC) dans l'épaisseur d'un conteneur contenant un
produit calorifique, en fonction du jeu moyen (en mm)
entre l'évaporateur et le conteneur, respectivement
dans le cas d'un jeu constant (courbe A), dans le .cas
d' un contact entre les tubes (courbe B) et dans le cas
d'un contact en face des tubes conformément à
l'invention (courbe C) ;
-la figure 9 représente la répartition du flux
thermique (en W/m~) en fonction de la distance (en mm)
à l'axe d'un tube, dans le sens de la circonférence du
conteneur, respectivement dans le cas d'un jeu constant
de 0,01 mm (courbe D), dans le cas d'un jeu constant de
0,3 mm (courbe E) et dans le cas d'un contact en face
des tubes et d'un jeu moyen de 0,3 mm (courbe F) ; et
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-la figure 10 représente l'évolution de la
température maximale du conteneur (en°C) en fonction de
l'effort de serrage appliqué sur l'évaporateur (en
Newton) .
Description détaillée de modes de réalisation préférés
de l'invention
Sur la figure 1, on a représenté
schématiquement une partie d'une installation conforme
à l'invention, destinée à l'entreposage de très longue
durée de produits calorifiques tels que des déchets
nucléaires constitués, par exemple, par des
combustibles nucléaires irradiés.
Dans sa configuration générale, cette
installation est comparable à celle qui est décrite
dans le document FR-A-2 791 805. Pour de plus amples
détails, on se reportera donc utilement à ce document.
Pour la bonne compréhension de l'invention, on
rappellera simplement ici que l'insta~llatiow comprend
une cavité fermée 10, délimitée latéralement et vers le
bas par des parois de béton 12. La cavité 10 est
dimensionnée de façon à pouvoir loger un ou plusieurs
conteneurs 14 dans lesquels sont conditionnés les
déchets nucléaires que l'on désire entreposer. Les
conteneurs 14 ont la forme de fûts cylindriques et ils
sont placés dans la cavité 10 avec leurs axes orientés
sensiblement verticalement. Un espace 16 est ménagé
entre chaque conteneur 14 et les parois 12 de la cavitê
10 pour permettre la circulation de l'air environnant,
par convection naturelle. A cet effet, le conteneur 14
repose sur le fond de la cavité 10 par l'intermédiaire
d'un piédestal 17.
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La cavité 10 est fermée vers le haut par une
dalle de béton 18, comportant un bouchon amovible 20
au-dessus de chacun des conteneurs 14.
Pour assurer l'évacuation de la chaleur émise
5 par les déchets nucléaires conditionnés dans les
conteneurs 14, de façon passive c'est-à-dire sans
apport d'énergie extérieure, un caloduc est associé à
chaque conteneur. Plus précisément, ce caloduc comprend
un évaporateur 22 qui entoure le conteneur 14, un
10 aérocondenseur 24 placé au-dessus de la dalle 18 et
deux canalisations 26 reliant l'évaporateur 22 à
l'aérocondenseur 24 au travers du bouchon 20.
L'aérocondenseur 24 peut être commun à plusieurs
conteneurs 14.
Un fluide caloporteur tel que de l'eau à
100 °C est placé dans le caloduc. Les changements de
phase de ce fluide (évaporation/condensation) dans le
caloduc assurent le transfert de la chaleur émise par
les déchets nucléaires de la source chaude constituée
par le conteneur 14 vers la source froide constituée
par l'aérocondenseur 24.'
Comme l'illustre schématiquement la figure 2,
l'évaporateur 22 comprend une chemise 28, qui entoure
sensiblement en totalité la surface périphérique
extérieure. 30 du conteneur 14, et une pluralité de
tubes 32 solidaires de la chemise 28. Les tubes 32 sont
parallèles les uns aux autres ainsi qu'à l'axe
sensiblement vertical du conteneur et ils sont
régulièrement répartis sensiblement à égale distance
les uns des autres, sur toute la périphérie du
conteneur.
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En se reportant à nouveau à la figure 1, on
voit que les tubes 32 sont reliés à un distributeur
annulaire d'eau liquide 34 à leurs extrémités
inférieures et dans un collecteur annulaire d'eau
vaporisée 36 à leurs extrémités supérieures. Le
distributeur 34 et le collecteur 36 sont reliés
séparêment à l'aérocondenseur 24 par l'une des
canalisations 26 et celles-ci comportent, en dessous du
bouchon 20, des raccords démontables 38. Les tubes 32
ainsi que les collecteurs 34 et 36 sont remplis du
fluide caloporteur contenu dans le caloduc.
L'évaporateur 22 est monté sur le conteneur
14, de façon démontable, par des moyens de serrage 40
dont un exemple de réalisation sera décrit
ultérieurement en référence à la figure 4.
Conformément à l'invention et comme l'illustre
schématiquement la figure 2, la surface intérieure- de
l'évaporateur 22, c'est-à-dire la surface de
l'évaporateur tournée vers le conteneur 14, est
réalisée de façon telle que les moyens de serrage 40
maintiennent l'évaporateur 22 en contact étroit avec la
surface extérieure 30 du conteneur 14 uniquement en
face de chacun des tubes 32. Ainsi, les parties de la
chemise 28 qui sont placées entre les tubes 32 sont
écartées de la.surface extérieure 30 du conteneur 14,
de façon à former des canaux verticaux 42, d'épaisseur
sensiblement uniforme ou variable, entre la chemise 28
et le conteneur 14. Ces canaux 42 constituent une sorte
de cheminée qui génêre une circulation de l'air, par
convection naturelle, autour du conteneur 1'4.
Cette circulation. de l'air peut être
majoritairement laminaire ou turbulente selon la
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puissance spécifique dissipée par le conteneur, la
hauteur du conteneur et, dans une moindre mesure, le
diamètre du conteneur. Le caractère turbulent de
l'écoulement améliore le refroidissement du conteneur.
I1 est favorisé par une puissance thermique spécifique
égale ou supérieure à 1 kw/m2 et par l'accroissement de
la hauteur du conteneur et de l'épaisseur radiale des
canaux verticaux 42.
Des essais ont été conduits avec des
puissances thermiques spécifiques allant de 1 kw/m2 à
plus de 3 kw/m2 et, plus particulièrement, autour de
2, 5 kw/m2. Les hauteurs étaient comprises entre 2 m et
5 m, la hauteur la plus grande améliorant l'efficacité
du transfert thermique. Pour que la circulation dans
les canaux verticaux 42 ait une efficacité
significative, l'épaisseur radiale doit être supérieure
- à 1 cm ; c'est pourquoi -les essais ont' été
- préférentiellement menés. avec des épaisseurs radiales
comprises entre 4 cm et 12 cm.
Pour une géométrie annulaire, le développement
d'un effet cheminée en convection naturelle est régi
par trois paramètres qui sont .
-la hauteur de la cheminée ; dans le cas
présent, la hauteur de la cheminée est de 5 à 6 mètres
lorsque le conteneur est rempli de combustibles
irradiés, ce qui génère un tirage très performant.
Toutefois, une hauteur de 1 mètre correspondant à un
conteneur rempli d'objets chauds de moindre longueur
permet proportionnellement une égale efficacité ;
-la présence du conteneur cylindrique
générateur du flux thermique ; le conteneur est un
excellent générateur de flux thermique ; ce flux peut
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être considéré comme homogène sur la paroi
cylindrique ; et
-la largeur de l' espace annulaire ~iR entre le
conteneur et la chemise, pour un diamètre donné ; dans
le cas présent, la seule largeur de l'espace annulaire
42 n'est pas suffisante pour décrire la convection dans
cette géométrie ; il faut donc considérer le rapport
des rayons R1 du conteneur et R2 de 1a chemise.
Le mouvement d'air est causé par la variation
de masse volumique' du fluide soumis à un champ de
forces. Le groupement qui gouverne la convection
naturelle est le nombre de Graahof Gr, mais les
corrélations communément admises font intervenir le
nombre de Rayleigh. .
Pour un diamètre de conteneur d'environ 2
mètres, les calculs montrent que l'effet.. cheminée
commence à se développer dès DR = 1 cm. L'effet croît
ensuite avec OR pour atteindre une valeur optimale vers
5 à 6 cm (la définition de cette valeur optimale
s'appuie ici sur une utilisation maximale d'un
évaporateur de caloduc'de rendement élevé, couplé à un
système performant de refroidissement par convection
naturelle). Cette ~vâleur optimale correspond à une
valeur d'extraction par convection naturelle d'environ
40 % dé la puissance totale extraite (conduction +
rayonnement + convection naturelle dans les canaux 42 +
convection naturelle' externe). Avec ~R - 4 cm, le
pourcentage de puissance extraite par l'effet de type
cheminée est d'environ 25 à 30 % du total. Cette valéur
a été validée expérimentalement sur une maquette de 2 m
de diamètre, 1,5 m de hauteur et un flux thermique de
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2,5 kW/m2. La valeur ~R - 4 cm correspond à
l'encombrement extérieur d'un tube carré de
40 mm X 40 mm dont la section interne est nécessaire
pour un fonctionnement stable en mode siphon diphasique
(mode passif).
Au-delà de DR = 6 à 7 cm environ, l'effet de
type cheminée ne croît plus et il tend de maniêre
décroissante vers une convection naturelle en espace
libre pour DR > 10 cm.
Ces valeurs se justifient dans une situation
couplée d'extraction de puissance à la fois par le
caloduc (pour profiter au mieux de l'extraction par
conduction) et par la convection naturelle en cheminée.
Le gain de performance du système objet de
l'invention est, à l'optimûm, d'environ 20%. Cela se
traduit, à puissance générée égale dans le conteneur,
par un abaissement significatif de la température de
peau du conteneur d' environ 10 à 2 0 ° C ( selon la nature
des différents matériaux) et pour des flux thermiques
de 2 à 3 kW/m2. Cet apport est donc très important.
Comme on l'a représenté schématiquement sur la
figure 2, le contact entre l'évaporateur 22 et le
conteneur 14 peut être limité à des zones quasi
linéaires correspondant aux génêratrices du conteneur
l4 situées au droit de chacun des tubes 32.
Afin d'améliorer encore l'êchange thermique,
la surface intérieure de l'évaporateur 22 peut
également comporter, au droit de chacun des tubes 32,
une partie 44, de largeur limitée, dont la forme est
complémentaire de celle de la surface extérieure 30 du
conteneur 14, comme l'illustre la figure 3. La mise en
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0'uvre des moyens de serrage 40 (ffigure 4) a alors pour
effet de maintenir ces parties 44 en contact surfacique
étroit avec la surface extérieure 30 du conteneur 14.
Le contact quasi ponctuel de la figure 2 comme
5 le contact surfacique de la figure 3 peuvent être
obtenus en donnant à la surface intérieure de
l'évaporateur 22, entre les tubes 32, un rayon de
courbure supérieur à celui de la surface extérieure 30
du conteneur 14. Ainsi, à titre d'exemple non
10 limitatif, dans le cas d'un conteneur présentant un
rayon de 1000 mm, les parties de l'évaporateur 22
situées entre les tubes 32 peuvent présenter un rayon
d'environ 1200 mm. Le jeu maximal entre l'évaporateur
et le conteneur est alors, par exemple, de 0,85 mm.
15 Dans le cas d'un contact quasi ponctuel tel qu'illustré
sur la figure 2, on obtient un jeu .moyen d'environ
0,45 mm à l'intérieur des canaux 42.
Dans un premier mode de réalisation de
l'invention illustré sur la figure 4, la chemise 28 est
matérialisée par une structure continue, de section
sensiblement circulaire et de faible épaisseur, qui
entoure à distance le conteneur 14. Cétte structure est
constituée, par exemple, par une tôle. Les tubes 32
sont alors fixés à l'intérieur de la chemise 28 par
tout moyen approprié. Avantageusement,, cette fixation
est assurée par des points de soudage.
On a également représenté sur la figure 4 un
exemple de réalisation possible des moyens de serrage
40.
Comme l'illustre la figure 4, l'évaporateur 22
est ouvert selon une génératrice et comporte deux bords
en vis-â-vis 22a, orientés parallèlement à l'axe du
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conteneur 14. Les moyens de serrage 40 sont interposés
entre les deux bords 22a. Plus précisément, les moyens
de serrage 40 comprennent une pluralité de boulons 46,
qui traversent des trous formés dans des pièces 48,
rapportées le long des bords 22a de l'évaporateur, sur
sa surface tournée vers l'extérieur. Un ressort
hélicoïdal de compression 50 est monté sur chacun des
boulons 46, de façon à maintenir la force de serrage
sensiblement constante dans l'hypothèse d'éventuelles
dilatations différentielles entre le conteneur 14 et
l'évaporateur 22.
Sur la figure 5, on a représenté simultanément
différentes variantes du premier mode de réalisation
décrit en référence à la figure 4. Dans la pratique, on
comprendra que ces variantes sont des sôlutions
alternatives, généralement mises en oeuvre séparément
les unes-des autres, sauf indications contraires.
Les différentes variantes illustrées sur la
figure 5 concernent tout d'abord la forme des tubes 32.
Ainsi, ces tubes peuvent présenter indifféremment une
section circulaire, carrée ou rectangulaire, c'est-à-
dire aplatie dans le sens de leur épaisseur.
L'évacuation thermique est d'autant plus efficace que
la surface de contact entre le conteneur et les parties
de 1!évaporateur situées en face des tubes est grande,
c'est-à-dire en allant des tubes de section circulaire
aux tubes de section rectangulaire. Toutefois,
l'étendue de cette surface de contact doit rester
suffisamment faible pour qu'un contact étroit puisse
être obtenu sans difficulté.
A titre d'illustration nullement
limitative, les tubes 32 peuvent être disposés tous les
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200 mm et avoir une section de 40X40 mm ou de 60X60 mm,
dans le cas-de tubes carrés.
Comme on 1'a représenté sur la partie
droite de la figure 5, l'échange thermique entre les
tubes 32 et l'air qui circule dans les espaces
annulaires 42 peut être amélioré en équipant les tubes
d'ailettes de refroidissement 32a, situées entre la
chemise 28 et le conteneur 14. Ces ailettes 32a peuvent
être rapportées sur des tubes 32 de section quelconque
ou réalisées d'un seul tenant avec lesdits tubes, sous
la forme de profilés extrudés.
Comme le montre la figure 6, dans le cas où
des tubes de section circulaire sont utilisés,
l'échange thermique peut être amélioré en équipant
chacun des tubes 32 de talons 52, du côté du conteneur
14. La face intérieure des talons 52 est .alors
maintenue en appui surfacique étroit contre la surface
extérieùre 30 du conteneur 14.
Sur la figure 7, on a représenté différentes
variantes de réalisation possibles d'un évaporateur
conforme à un- deuxième mode de réalisation de
l'invention.
Dans ce deuxième mode de réalisation, la
chemise 28 et les tubes 32 sont réalisés d'un seul
tenant. Plus précisément, chacun. des tubes 32 est
réalisé d' un seul tenant avec deux tronçons 28a de la
chemise 28. Chacun des tronçons 28a présente, en
section selon un plan horizontal, la forme d'un arc de
cercle dont la longueur est égale à la moitié de la
longueur de la chemise 28 entre deux tubes 32
consécutifs. Les tronçons 28a des tubes 32 voisins sont
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assemblés entre eux bord à bord, selon des génératrices
du conteneur 14, pour former la chemise 28.
L'assemblage bord à bord des tronçons 28a peut
être assuré soit par des soudures 54, soit par des
moyens de liaison mécanique 56, tels que des moyens
d'éclissage ou autres, comme on l'a illustré sur la
figure 7.
Lorsque les tubes 32 présentent une section
circulaire, ils peuvent comporter des talons 52, comme
on l'a décrit précédemment en référence à la figure 6,
dans le cadre du premier mode de réalisation de
l'invention. Les talons 52 comportent alors une face
intérieure dont la forme est complémentaire de celle de
la surface cylindrique extérieure du conteneur 14. Dans
ce cas, les moyens de serrage associés à l'évaporateur
maintiennent la face intérieure de chacun des talons 52
en appui surfacique étroit, c'est-à-dire sans jeu,
contre la surface extérieure du conteneur 14.
Comme on l'a également représenté sur la
figure 7, chacune des pièces d'un seul tenant
comprenant un tube 32 et deux tronçons de chemise 28a
peut comprendre de plus une ou plusieurs ailettes de
refroidissement 58, sur sa surface tournée vers
l'extérieur, c'est-à-dire à l'opposé du conteneur 14.
Dans le premier mode de réalisation. de l'invention
illustré sur les figures 4 à 6, de telles ailettes de
refroidissement 58 (figure 5) peuvent également être
prévues. Dans ce cas, les ailettes 58 sont rapportées
par soudage sur la surface extérieure de la tôle
formant la chemise 28.
Dans le deuxiéme mode de réalisation de
l'invention, les moyens de serrage peuvent être
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semblables à ceux qui sont utilisés dans le premier
mode de réalisation, tels que décrits précédemment en
référence à la figure 4.
Une modélisation en éléments finis faite par
le demandeur a montré, de manière surprenante, qu'un
évaporateur 22 présentant un contact surfacique limité
avec le conteneur 14 (correspondant à un jeu de 0,01
mm), au droit des tubes 32 du caloduc, conformément â
l'invention, permet d'obtenir des propriétés thermiques
sensiblement identiques à celles qui sont obtenues en
utilisant un évaporateur conforme à la technique
antérieure décrite dans le document FR-A-2 791 805,
dans lequel un jeu uniforme de 0,1 mm est obtenu sur
toute l'interface entre l'évaporateur et le conteneur.
Ce résultat est particulièrement avantageux d'un point
de vue industriel puisqu'il est beaucoup plus facile
d'assurer un contact local limité au droit des tubes 32
que d'obtenir un jeu uniforme de 0,1 mm sur toute la
surface de l'évaporateur 22.
Ces résultats sont illustrés sur la figure 8,
qui représente un repêre orthonormé sur lequel on a
porté en abscisses le jeu moyen (en mm) entre
l'évaporateur 22 et le conteneur 14 et en ordonnées la
température moyenne (en °C) dans l'épaisseur du
conteneur 14. Plus précisément, la courbe A correspond
au cas d'un évaporateur de l'art antérieur, dans lequel
un jeu constant est prévu entre l'évaporateur et le
conteneur, la courbe B correspond au cas d'un
évaporateur qui serait localement en contact avec le
conteneur uniquement entre les tubes et la courbe C
correspond au cas d'un évaporateur 22 conforme à
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l'invention, c'est-à-dire localement en contact avec le
conteneur 14 uniquement en face des tubes 32.
Comme l'illustre également le Tableau 1 ci
dessous, on voit que l'efficacité du caloduc dépend
5 essentiellement du jeu sous les tubes 32 et peu du jeu
moyen entre l'évaporateur 22 et le conteneur 14. Par
exemple, si l'on fixe la température maximale du
conteneur à 155°C, on voit sur le Tableau 1 que ce
résultat peut être obtenu avec un jeu moyen de 0,5 mm
10 et un contact en face des tubes 14 conformément à
l'invention. Ce résultat est comparable à celui qui est
obtenu dans le cas d'un jeu uniforme de 0,1 mm selon
l'art antérieur, très difficile à obtenir.
15 Tableau 1
Temprature
moyenne
l'intrieur
du
conteneur
(en C)
Jeu moyen Jeu Contact en face Contact entre
(en mm) uniforme des tubes les tubes
0, 01 138
0, 05 140 150
0, 1 153
0,3 175 149 186
0,5 193 155 203
1 224
3 283
La présence d'un jeu moyen de 0,5 mm avec
un contact entre l'évaporateur 22 et le conteneur 14 en
face des tubes 32, conformément à l'invention, signifie
20 que le jeu est nul au droit des tubes 32 (c'est-à-dïre
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égal à 0,01 mm dans la modélisation) et qu'il évolue
linéairement jusqu'à 1 mm au milieu de l'arc de cercle
formé en section par l'évaporateur entre deux tubes 32
voisins. Un tel agencement est parfaitement réalisable
avec des moyens industriels traditionnels. En effet, il
permet, à rendement thermique égal, de multiplier par
cinq le jeu moyen à la condition que les zones de
contact soient localisées en face des tubes 32.
Comme on l'a décrit en rêférence aux
figures 2 et 3, les zones de contact peuvent être quasi
linéaires ou, de préférence, avoir la forme de surfaces
étroites s'étendant sur toute la hauteur du conteneur.
Sur la figure 9, on a représenté
l'évolution du flux thermique (en W/m2) en fonction de
la distance à l'axe d'un tube 32 (en mm), sur l'arc de
cercle formé en section par l'évaporateur 22. Plus
précisément, cette évolution a été représentée en D
dans le cas d'un jeu constant de 0,01 mm entre
l'évaporateur 22 et le conteneur 14, en E dans le cas
d'un jeu constant de 0,3 mm et en F dans le cas d'un
contact linéaire en face des tubes 32_et d'un jeu moyen
de 0,3 mm.
On voit sur la figure 9 que la répartition
du flux thermique dépend fortement de la nature du jeu
entre l'évaporateur et 1e conteneur., En particulier, on
observe que la majeure partie du flux thermique est
transmise dans les zones proches des tubes 32 et que ce
phénomène s'accentue lorsque le jeu sous les tubes
diminue. Ainsi, dans le cas d'un jeu constant de 0,3
mm, la moitié du flux thermique est transmise dans les
31 mm en partant des tubes (courbe E), alors que cette
distance se réduit à 18 mm dans le cas d'un jeu
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constant de 0, 01 mm (courbe D) et à 17 mm dans le cas
d'un contact linéaire sous les tubes avec un jeu moyen
de 0,3 mm (courbe F). Les résultats illustrés sur la
figure 9 confirment donc l'intérêt présenté par le fait
de privilégier les contacts au droit des tubes 32,
conformément à l'invention. Ces résultats ont été
confirmés expérimentalement grâce à une maquette
d'essais~thermiques.
En remplaçant les contacts linéaires sous
les tubes 32 par des contacts surfaciques, on accentue
ce phénomène. Par conséquent, ce n'est plus la moitié
mais la totalité du flux thermique qui est alors
transmise sous les tubes 32.
L'influence des efforts de serrage exercés
sur l'évaporateur 22 par les moyens de serrage 40 a
également été étudiée. Les résultats de cette étude
sont~~portés sur la figure l0. Cette figure représente
l'évolution de la température maximale du conteneur
(en°C) en fonction de l'effort de serrage (en Newtons).
On voit que la température diminue lorsque l'effort de
serrage augmente de 0 à 4000 N, mais qu'au-delà de
4000 N, toute augmentation de l' effort est sans effet .
Des moyens de serrage 40 tels que ceux qui ont été
décrits en référence à la figure 4 permettent
d'atteindre la valeur .de 4000. N sans difficulté
particulière.
Un évaporateur 22 conforme à l'invention,
réalisé en combinant le principe du contact quasi
linéaire de la figure 2 avec le deuxième mode de
réalisation décrit en référence à la figure 7 (tronçons
de chemise 28a et tubes 32 d'un seul tenant), a d'abord
été testé, avec les valeurs numériques indiquées
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précédemment en référence à la figure 2 (conteneur de
1000 mm de rayon, évaporateur de rayon de courbure égal
à 1200 mm, jeu maximal de 0,85 mm, contact quasi
linéaire sous les tubes). L'expérience a confirmé que
cet évaporateur était thermiquement équivalent à un
évaporateur de l'art antérieur., présentant un jeu moyen
de 0,01 mm avec le conteneur, très difficile â obtenir
dans la pratique.
Dans un deuxième temps, on a réalisé un
évaporateur 22 combinant les caractéristiques de la
figure 3 (contact surfacique) et du deuxième mode de
réalisation de l'invention. Dans ce cas, la surface.de
contact au droit des tubes 32 ne doit pas être trop
large, sous peine de retomber sur les difficultés de
mise en oeuvre caractéristiques de l'art antérieur.
Ainsi, il apparaît que, pour un conteneur 14 de 2000 mm
de diamètre, des zones de contact de 40 à -60 mm de
large constituent un bon compromis entre l'obtention
d'un rendement thermique fortement augmenté et -une
réalisation aisée.
Puisque la plus grande partie de la chemise
28 ne participe que très partiellement au passage du
flux thermique, le premier mode de réalisation décrit
précédemment en référence aux figures 4 à 6 a constitué
une troisième étape d'expérimentation. En effet, ce
mode de réalisation permet, pour un' coût réduit, de
conserver un rendement thermique acceptable. En plaçant
la chemise 28 à une distance du conteneur 14 égale à
l'encombrement extérieur du tube 32, on fait
disparaître toutes les tolérances de fabrication. La
chemise 28 forme une structure circulaire continue qui
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permet de ceinturer les tubes 32 et de les plaquer sur
le conteneur 14.
De plus, un espace annulaire, en forme de
couronne, est créé entre la chemise et le conteneur.
Cet espace correspond aux canaux 42 sur la figure 2. Il
favorise le développement d'une sorte d'effet cheminée,
qui permet à l'air ambiant ainsi canalisé de circuler
verticalement sous l'effet d'une convection naturelle
dont le moteur est la puissance thermique du conteneur
14. On crée ainsi un refroidissement passif indépendant
très efficace, puisqu'il est effectué au contact direct
du conteneur, c'est-à-dire sans aucune résistance de
contact. L'effet de ce refroidissement s'ajoute à celui
du caloduc en contact avec le conteneur. Le rendement
total de ce mode de réalisation est donc supérieur à
celui de l'art antérieur, pour un coût très inférieur.
On peut considérer que la convection
naturelle de l'air à l'extérieur de la chemise 28 n'est
pas significativement affectée et que ce phénomène
s'ajoute aux deux phénomènes précédents.
De telles turbulences dans les canaux
verticaux 42 sont si efficaces qu'elles peuvent
diminuer le flux thermique que doit êvacuer le circuit
fluidique. Cette diminution est avantageuse dans deux
cas . d'une part, si une défaillance accidentelle
affecte le circuit fluidique, le délai disponible pour
effectuer une intervention se trouve fortement
allongé ; d'autre part, sur le long terme, la date à
laquelle on peut cesser d'utiliser ce circuit fluidique
compte tenu de la décroissance du flux thermique est
significativement anticipée.
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Une variante de réalisation de l'invention
consiste à extraire en circuit fermé l'air circulant
dans les canaux verticaux 42, à l'aide de moyens connus
de l'homme du métier. Cette variante présente en outre
5 l'avantage de réaliser une barrière étanche de
confinement supplémentaire, augmentant la sécurité dans
une éventuelle situation d'accident, et d'éviter
d'affecter thermiquement l'air de l'entrepôt.
I1 est à noter, de surcroît, que la chemise
10 28 sert aussi d'écran vis-à-vis des structures de béton
du site et que sa température est inférieure à celle de
la chemise utilisée dans l'art antérieur puisqu'elle
est refroidie sur ses deux faces et n'est pas en
continuité thermique avec les tubes 32.
15 Enfin, on observe également que, du fait
des performances élevées de l'installation conforme à
l'invention, la conductivité thermique des matériaux en
présence ne participe que très peu au rendement
thermique: Le concepteur dispose donc d'un choix de
20 matériaux beaucoup plus large que dans l'art antérieur.
