Brevet FR2635583A1 — publié le 19900223

La présente invention concerne la mesure du transfert de chaleur à une surface, et elle s'applique en particulier, mais non exclusivement, à la mesure des coefficients de transfert de chaleur par condensation dans des reacteurs nucléaires. Dans le cas très improbable d'une panne provoquant une perte de fluide de refroidissement dans un réacteur à eau pressurisée, de la vapeur d'eau peut se dégager dans la cuve et peut former un mélange de vapeur d'eau et d'air sous pression qui peut affecter le fonctionnement de l'appareillage de sécurité placé dans la cuve. La réponse en température de l'appareillage affecté dépend des coefficients locaux de transfert de chaleur qui dépendent euxmêmes de la pression totale dans la cuve, de l'amplitude des vitesses locales des gaz et du rapport de la masse d'air à la masse de vapeur d'eau. Il est nécessaire de pouvoir mesurer les coefficients de transfert de chaleur en fonction de ces trois parametres. On a déjà proposé divers appareils et procédes pour réaliser ces mesures. Ils ont permis la mesure de la réponse transitoire de corps métalliques pleins, mais ceci ne donne que des informations transitoires. Des appareils de mesure de flux thermique ont été enrobés dans les parois de la cuve sous pression, mais les positions de ces appareils de mesure sont limitées. Des mesures ont aussi été réalisées à l'aide de corps métalliques refroidis par de l'eau, mais la configuration et les dimensions de la surface de condensation sont limitées. En outre, aucune de ces techniques connues ne permet le réglage de la température de la surface sur laquelle la condensation s'effectue. La présente invention concerne donc un procédé et un appareil perfectionnés de mesure d'un transfert de chaleur. Dans un premier aspect, l'invention concerne un procédé de mesure d'un transfert de chaleur, comprenant l'exposition d'une surface à un milieu dans lequel un transfert de chaleur s'effectue entre la surface et le milieu par des mécanismes de condensation et/ou de convection et/ou de rayonnement , le transport de la chaleur transférée à la surface vers un emplacement qui se trouve à l'extérieur du milieu, à l'aide du fluide de travail d'un caloduc, et la mesure de la quantité de chaleur du fluide de travail à l'emplacement externe. La surface peut être constituée par un élément qui est couplé thermiquement à une section d'évaporateur du caloduc, ou peut être constituée par une surface de la section d'évaporateur du caloduc. Le caloduc est de préférence du type à conductance variable, afin que la température de fonctionnement de la surface exposée puisse être modifiée sélectivement. Une section de condenseur du caloduc peut avantageusement être en relation d'échange de chaleur avec un courant de fluide auquel est transférée la chaleur absorbée par le fluide de travail dans la section d'évaporateur. La mesure du débit massique du fluide qui s'écoule et de l'augmentation de température de ce fluide, lorsqu'il vient en relation d'échange de chaleur avec le fluide de travail, permet le calcul de la quantité de chaleur du fluide de travail. A partir de cette connaissance et de celle de la différence de températures entre la surface exposée et celle du milieu auquel elle est exposée, ainsi que de l'étendue de la surface exposée, le coefficient de transfert de chaleur peut alors être déterminé. Dans un autre aspect, l'invention concerne un appareil de mesure du transfert de chaleur dans une cuve entourant un milieu dans lequel des surfaces exposées sont soumises à un transfert de chaleur par des mécanismes de condensation et/ou convection et/ou rayonnement, l'appareil comprenant un caloduc ayant une section d'évaporateur et une section de condenseur, le caloduc étant destiné à pénétrer en partie dans la cuve afin que la section d'évaporateur se trouve dans la cuve et la section de condenseur à l'extérieur de la cuve, si bien qu'un flux de chaleur est transmis du milieu au fluide de travail du caloduc, et un dispositif de mesure de la quantité de chaleur du fluide de travail à un emplacement qui se trouve à l'extérieur de la cuve. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin sur lequel la figure unique est une vue schématique représentant la disposition d'un caloduc destiné à être utilisé pour la mesure du coefficient de transfert de chaleur par condensation au niveau d'une surface exposée au milieu régnant dans une cuve sous pression, contenant un mélange de vapeur d'eau et d'air. On se réfère au dessin ; il représente une partie 2 d'une paroi d'une cuve sous pression 4 contenant un mélange d'air et de vapeur d'eau. Un ensemble 6 à caloduc est introduit partiellement dans la cuve par un organe convenable 8 de pénétration afin que les coefficients de transfert de chaleur par condensation puissent être mesurés dans la cuve. L'ensemble 6 à caloduc est du type à conductance variable et il comporte un caloduc central 10 formé par exemple de cuivre et entourant une substance vaporisable, par exemple de l'eau. L'ensemble 6 est connecte à un réservoir 12 qui contient un gaz incondensable, par exemple de l'azote, dont est rempli le caloduc 10. Le caloduc 10 aboutit, à son extrémité inférieure, dans un corps 14 conducteur de la chaleur qui est exposé au mélange vapeur d'eauair présent dans la cuve 4.L'extrémité inférieure 16 du caloduc 10 constitue une section d'évaporateur dans laquelle la chaleur absorbée par le corps 14 a pour rôle de vaporiser la substance vaporisable et de former un fluide de travail (par exemple de la vapeur d'eau dans le cas où la substance vaporisable est l'eau) qui s'écoule vers le haut le long du caloduc 10. Une partie de la longueur du caloduc 10, c'est-àdire la partie qui se trouve dans la cuve 4 et dans ltor- gane 8 de pénétration, est entourée dans une gaine 18 d'isolation thermique, afin qu'un tronçon pratiquement adiabatique soit formé dans cette partie du caloduc. Le tronçon 20 de caloduc qui se trouve en dehors de la cuve 4 et de l'organe 8 de pénétration joue le rôle d'une section de condenseur dans laquelle l'eau ou une autre substance vaporisable subit un changement de phase qui la ramène à l'état liquide. Le liquide redescend vers la section 16 d'évaporateur du caloduc 10. La surface interne du caloduc 10 peut avoir une mèche (non représentée) qui lui est fixée afin qu'elle facilite le transport du condensat vers l'extrémité inférieure du caloduc 10. La section 20 de condenseur du caloduc 10 est entourée dans une gaine isolée 22 à circulation de fluide de refroidissement, ayant une entrée 24 et une sortie 26 qui ont chacune un thermocouple 28 ou un autre capteur de mesure de l'élévation de température du fluide de refroidissement, par exemple de l'eau, lorsqu'elle s'écoule de l'entrée 24 à la sortie 26. Un dispositif (non représenté) est aussi destiné à mesurer le débit massique du fluide de refroidissement dans la gaine 22. Divers autres thermocouples (ou autres capteurs de température) sont destinés à mesurer la température ambiante (capteur 30), la température du réservoir (capteur 32), la température de saturation ou une autre température de la vapeur d'eau dans la cuve (capteur 34), la température du corps 14 (capteurs 36) et la température du caloduc 10 (capteur 38). Les fils des capteurs 34, 36 et 38 sont tous acheminés vers un ou plusieurs instruments de mesure (non représentés) placés à l'extérieur de la cuve 4. Le capteur 34 est destiné à mesurer la température réelle de la vapeur d'eau ou la température de saturation selon que le coefficient de transfert de chaleur par condensation doit être mesuré pour l'une ou l'autre température. Lors de l'utilisation, le transfert de chaleur par condensation est réalisé à la surface du corps 14 (qui peut être par exemple un disque de cuivre). Cette chaleur est transportée par le fluide de travail le long de la section adiabatique du caloduc 10 vers un emplacement qui se trouve à l'extérieur de la cuve 4 et auquel le transfert de chaleur est réalisé entre le fluide de travail et le fluide de refroidissement circulant dans la double enveloppe 22. La chaleur arrivant dans la section 20 de condenseur peut être calculée par mesure du débit massique et de l'élévation de température (c'est-à-dire la différence de températures entre l'entrée 24 et la sortie 26). Le coefficient de transfert de chaleur par condensation peut alors être calculé une fois connue la surface exposée du corps 14 et la différence de températures enregistrée par les capteurs 34 et 36. Le coefficient peut être mesuré aux différentes températures du corps 14 par variation de la pression du gaz incondensable remplissant le caloduc, par exemple à l'aide d'un embout convenable 38 placé à la partie supérieure du réservoir 16. Lorsque le-caloduc est à une pressiOn nominalement constante, l'utilisation du gaz incondensable permet à la section d'évaporateur de garder une température constante sur une large plage de quantité de chaleur fournie. Lorsque le caloduc travaille dans des conditions de régime permanent, il existe une interface entre la vapeur et le gaz incondensable à un emplacement déterminé dans la section 20 de condenseur. L'augmentation du débit de chaleur fournie à la section d'évaporateur provoque une augmentation de la température de saturation de la vapeur et en conséquence une augmentation de la tension de vapeur. Ceci provoque un recul de l'interface du gaz et l'exposition d'une plus grande surface de condensation. Le volume du réservoir 16 au-dessus de la section du condenseur est destiné à être grand par rapport au volume du caloduc.En conséquence, une faible variation de pression provoque un déplacement important de l'interface et le caloduc est ainsi maintenu à une température sensiblement constante de travail. Le gaz incondensable permet la détermination de la pression de travail et en conséquence de la température de travail du caloduc, par utilisation d'un circuit externe de mise sous pression-sous vide (non représenté) raccordé à l'embout 38 à la partie supérieure du caloduc. Le réglage de la pression du gaz incondensable détermine la tension de vapeur et en conséquence la température de saturation de la vapeur. Comme l'évaporateur donne un excellent contact thermique avec la vapeur, sa température peut etre modifiée par réglage de la pression du gaz incondensable. L'invention ainsi décrite présente les avantages suivants. (i) L'utilisation d'un caloduc permet la mesure à distance du flux de chaleur de condensation et donc du coefficient de transfert de chaleur. (ii) L'utilisation d'un caloduc supprime l'introduction nécessaire d'un instrument actif & l'emplacement de la surface de condensation, dans le milieu hostile de la cuve sous pression. (iii) La température de surface à laquelle est mesuré le transfert de chaleur par condensation peut être facilement réglée. L'opération peut être réalisée par sélection du fluide de travail et/ou réglage de la pression du gaz incondensable. (iv) L'utilisation du principe du caloduc assure l'indépendance de la température de la surface de mesure par rapport au flux incident de chaleur et en conséquence à l'amplitude du coefficient de transfert de chaleur. (v) Enfin, le réglage de la position et de l'orientation de la surface de transfert de chaleur peut être facilement réalisé. Le mode de réalisation préféré de caloduc est décrit précédemment en référence à l'utilisation d'eau comme fluide de travail et d'azote comme gaz incondensable. D'autres combinaisons de fluide de travail et de gaz incondensable peuvent être utilisées, lors du travail dans d'autres plages de températures Le disque de cuivre peut être remplacé par d'autres corps ayant des caractéristiques thermiques connues. Les dimensions du caloduc et la sélection du fluide de refroidissement de la section de condenseur peuvent être choisies en fonction de l'application particulière. L'invention peut manifestement être utilise pour la mesure du transfert de chaleur dans d'autres applications que les réacteurs nucléaires. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure d'un transfert de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend l'exposition d'une surface à un milieu dans lequel un transfert de chaleur est réalisé entre la surface et le milieu par l'un au moins des mécanismes de condensation, de convection et de rayonnement, le transport de la chaleur transférée à la surface vers un emplacement se trouvant à l'extérieur du milieu, à l'aide du fluide de travail d'un caloduc (10), et la mesure de la quantité de chaleur du fluide de travail à l'emplacement extérieur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface est formée par un élément (14) qui est couplé thermiquement à une section d'évaporateur (16) du caloduc. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément (14) est un corps d'un matériau conducteur de la chaleur, fixé au caloduc (10). 4. Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que la surface est celle de la section d'évaporateur (16) du caloduc. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit massique et la variation de température d'un courant de fluide qui est en relation d'échange de chaleur avec le fluide de travail sont mesurés afin que la quantité de chaleur du fluide de travail soit déterminée. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la différence de températures entre la surface exposée et le milieu est déterminée, et le transfert de chaleur est déterminé à partir de la quantité de chaleur, de cette différence de températures et de l'étendue de la surface exposée. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu est un mélange de vapeur d'eau et d'air placé dans une cuve sous pression. 8. Appareil de mesure du transfert de chaleur dans une cuve (2) entourant un milieu dans lequel les surfaces exposées sont soumises à un transfert de chaleur par l'un au moins des mécanismes de condensation, de convection et de rayonnement, l'appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend un caloduc (10) ayant une section d'évaporateur (16) et une section de condenseur (20), le caloduc (10) étant destiné à être disposé en partie dans la cuve -(2) afin que la section d'évaporateur (16) se trouve dans la cuve et la section de condenseur (20) se trouve à l'exté- rieur de la cuve, si bien qu'un flux de chaleur est transmis du milieu au fluide de travail du caloduc, et un dispositif (28) de mesure de la quantité de chaleur du fluide de travail à un emplacement qui se trouve à l'extérieur de la cuve. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un élément (14) qui est couplé thermiquement à la section d'évaporateur (16) du caloduc. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément (14) est un corps d'un matériau conducteur de la chaleur, fixé au caloduc (10). 11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit élément (14) est un disque de cuivre. 12. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que la surface exposée est la surface de la section d'évaporateur (16) du caloduc (10). 13. Appareil selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (22, 24, 26) destiné à conduire un courant de fluide en relation d'échange de chaleur avec la section de condenseur (20) du caloduc. 14. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif destiné à conduire un courant de fluide comporte une double enveloppe (22) entourant la section de condenseur et dans laquelle circule le courant de fluide. 15. Appareil selon l'une des revendications 13 et 14, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de mesure du débit massique du courant de fluide et de l'augmentation de température du fluide circulant dans la double enveloppe (22). 16. Appareil selon l'une quelconque des revendications 8 à 15, caractérisé en ce que le caloduc (10) est du type à conductance variable, si bien que la température de travail de la surface exposée peut etre modifiée sélectivement. 17. Appareil selon l'une quelconque des revendications 8 å 16, caractérisé en ce qu'une mèche est placée à la surface interne du caloduc. 18. Appareil selon l'une quelconque des revendications 8 à 17, caractérisé en ce qu'une gaine (18) dtisola- tion thermique entoure un tronçon du caloduc (10) placé dans le réservoir (2) afin qu'une région pratiquement adiabatique soit délimitée. 19. Appareil selon l'une quelconque des revendications 8 à 18, caractérisé en ce que le caloduc (10) est rempli d'un gaz incondensable. 20. Appareil selon la revendication 19, caractérisé en ce que le gaz incondensable est l'azote. 21. Appareil selon l'une des revendications 19 et 20, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir (12) destiné å contenir le gaz incondensable. 22. Appareil selon l'une quelconque des revendications 19 à 21, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (38) destiné à faire varier la pression du gaz incondensable dans le caloduc (10).