Brevet FR2431101A1 — publié le 19800208

La présente invention concerne une chaudière solaire, notaient à fluide caloporteur monophasique, chauffée par les rayons solaires réfléchis par un champ d'héliostats. Il existe déjà différents types de chaudières solaires munies de tubes dans lesquels circule un fluide caloporteur, mais les chaudières réalisées jusqu'ici ont un rendement thermique médiocre. Cela résulte généralement d'un mauvais agencement des tubes qui ne sont pas correctement disposés pour se trouver dans des conditions optimales de chauffage. L'invention a surtout pour but de remédier a cet inconvénient, et de réaliser ainsi une chaudière solaire i rendement élevé. Une éfude théorique a mis en évidence que les densités de flux lumineux admissibles sur les tubes sont limites par la valeur de 11 énergie de pompage du fluide caloporteur qui peut entre tolérée. A la périphérie de la zone focale du champ d'héliostats, les densités de flux sont suffisamment modérées pour permettre la réception de l'synergie solaire dans le plan focal mime, avec use température de paroi des tubes et une dépense d'énergie de pompage modérées. Par contre, dans le centre du plan focal, les dépenses d'énergie de pompage deviennent prohibitives, et il convient de ne pas prévoir de tubes dans cette zone centrale. L'étude susmentionnée a également montré que la densité de flux admissible est d'autant plus élevée, à dépense d'énergie de pompage égale, que ladite densité est plus homogène dans le temps (la zone qui reçoit une densité do flux moyenne à un instant donné ne doit pas être celle qui reçoit le maximum de flux a un autre moment de la journée) et dans l'espace (d'un point à l'autre d'une même zone). L'invention vise essentiellement à réaliser une disposition de tubes suivant laquelle les conditions que l'on vient d'énoncer sont correctement remplies. bulle a plus précisément pour objet une chaudière solaire, notamment à fluide caloporteur monophasique, chauffée par les rayons solaires réfléchis par un champ dthéliostats, caractérisée en ce quelle comporte une cavité en forme de parallélépipède rectangle ayant une face avant ouverte placée dans le plan focal du champ dthéliostats, les parois latérales et la paroi de fond de ladite cavité étant. tapissées de tubes en forme de U qui sont situés dans des plans parallèles à la direction moyenne des rayons solaires réfléchis et perpendiculaires au plan du méridien. Les tubes en U sont groupés suivant une pluralité de bandeaux superposés, les tubes des différents bandeaux étant successivement parcourus par le fluide caloporteur dans le sens des densités de flux lumineux décroissantes. Les tubes de chaque bandeau sont munis de deux collecteurs, respectivement d'entrée et de sortie du fluide caloporteur, lesdits collecteurs étant disposés le long des c8tés de la face avant ouverte de la cavité et chaque collecteur d'un bandeau communiquant avec le collecteur du bandeau suivant. Les parois de plancher et de plafond de la cavité sont tapissées do tubes parcourus par le fluide caloporteur après les tubes en U des bandeaux, les tubes du plancher étant parcourus avant ou après ceux du plafond selon que la densité de flux lumineux y est plus forte ou plus faible. Avantageusement, la chaudière comporte une couronne disposée dans le plan focal et dont l'ouverture centrale est recouverue par ladite cavité, ladite couronne étantconstituée par un faisceau de tubes concentriques parcourus en parallèle par le fluide caloporteur avant les tubes en U des bandeaux. Le faisceau de tubes formant la couronne peut autre divisé en deux demi-faisceaux de tubes raccordés à un collecteur disposé au-dessus de la couronne, ledit collecteur étant muni d'un évent. La paroi de fond de la cavité peut outre munie de colle ce teurJ-relais afférents aux différents bandeaux, lesdits collecteurs relais étant alignés le long d'une droite définie par l'intersection de ladite paroi de fond avec le plan vertical médian de ladite cavité, et les tubes de chaque bandeau sont raccordés à leur collecteur-relais suivant une inclinaison nulle ou légèrement positive pour faciliter la purge des tubes, un évent étant prévu à cet effet sur ledit collecteur-relais. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit, faite en regard des dessins annexés, concernant une forme particulière de réalisation donnée à titre d'exemple non limitatif. La figure 1 montre en perapective ltensemble de la chaudière, sous une forme schématique. La figure 2 est une vue de détail en perspective do la structure de a couronne. La figure 3 est une vue de détail en perspective de la chaudière, la couronne étant supposée supprimée. La chaudière représentée sur les figures est montée au sommet d'une tour où elle reçoit l'énergie solaire transmise par les rayons réfléchis par un champ d'héliostats disposés au sol au nord do la tour dans l'hémisphère nord, au sud de la tour dans lléisphère sud Le fluide caloporteur circulant dans les tubes de la chaudière, comme cela sera expliqué plus loin, est un fluide monophasique, do préférence une composition eutectique de sels fondus.La chaudière est insérée sur une boucle primaire qui comprend essentiellement, en plus de la chaudière, un échangeur de chaleur primaire, un réservoir d'expansion dans lequel sont immer- gées les pompes de circulation du fluide caloporteur, un bac de réserve, un bac de vidange équipé d'une pompe pour le remplissage du circuit, un système de mise sous vide et de remplissage en azote, ainsi que les vannes et tuyauteries nécessaires, l'une des tuyauteries située au sommet de la tour permet au fluide caloportour de contourner l'échangeur primaire.Une boucle secondaire, en relation d'change thermique indirect avec la boucle primaire, comporte un générateur de vapeur alimentant une turbine qui en- trame un alternateur fournissant du courant électrique sur le réseau. Les différents éléments dont il est question ci-dessus, a l'exception de la chaudière, ne font pas partie de l'invention et ne seront donc pas décrits ci-après. Ils sont uniquement men- tionnés dans le but de faire comprendre la fonction exacte de la chaudière qui joue en fait le roule d'un récepteur solaire. Sur la figure 1, on voit la chaudière solaire dont l'enveloppe- est constituée par une cavité 1 en forme do parallélé- pinède rectangle à section carre présentant une face avant 2 ouverte. La face 2 qui est disposée du coté du champ dthéliostats, est placée dans-le plan focal de ce dernier et elle est inclinée de telle sorte que la direction moyenne des rayons solaires réfléchis lui soit perpendiculaire. Dans le cas d'une réalisation particulière, la face 2 est inclinée de 35 sur la verticale. Le plan vertical médian P de la cavité 1 est disposé en coincidence avec le plan du méridien La chaudière comporte en outre une couronne plane 3, disposée dans le plan focal et dont l'ouverture centrale est recouverte par la cavité 1. La cavité I et la couronne 3 sont munies de tubes, comme cela va être expliqué en référence aux figures suivantes. Sur la figure 2, on voit la couronne 3 constituée par un faisceau de tubes 4 disposés concentriquement sur la plus grande partie de leur parcours. Les tubes 4 sont alimentés en parallèle par une tuyauterie 5 qui débouche dans le collecteur d'entrée 6 disposé à la base de la couronne 3 et sur la partie gauche de celle-ci. Le fluide caloporteur sortant des tubes 4 est recueilli à la base de la couronne 3 dans un collecteur de sortie 7 disposé sur la partie droite de ladite couronne, dans l'alignement du collecteur d'entrée 6.A la partie supérieure de la couronne 3 est prévu un collecteur intermédiaire 8 ou collecteur relais, de telle sorte que le faisceau de tubes 4 est divisé en deux demi-faisceaux. Le premier est constitué par les tubes 4 parcourus en parallèle dans le sens ascendant entre les collecteurs 6 et 8, Le second est constitué par les tubes 4 parcourus en parallèle dans le sens descendant entre les collec tours 8 et 7. Le collecteur 8 est avantageusement muni d'un évent non représenté qui facilite la purge des tubes 4 lors du remplissage d la boucle. Le fluide sortant du collecteur 7 par une tuyauterie 9 est dirigé vers les tubes tapissant les parois de la cavité 2, comme cela va entre maintenant décrit en référence à la figure 3. Sur cette dernière figure, on voit leagencement des tubes qui tapissent la paroi de fond de la cavité 2, ses parois latérales ainsi que son plancher et son plafond. La paroi de fond et les parois latérales de la cavité 2 sont tapissées de tubes en forme générale de U qui sont situés dans des plans parallèles à la direction moyenne des rayons solaireg réfléchis et perpendiculaires au plan P du méridien. Ces tubes en U sont groupés suivant trois bandeaux superposés, a savoir, un bandeau central 10, un bandeau inférieur 11 et un bandeau supérieur 12. Les tubes du bandeau 10 sont alimentés les premiers par la tuyauterie 9 qui débouche dans le collecteur d'entrée 13 desdits tubes qui est disposé le long du côté gauche de la face ouverte 2. Le fluide caloporteur est recueilli dans le collecteur de sortie 14 du bandeau 10 disposé en regard du précédent le long du caté opposé de la faoe 2. I1 est ensuite introduit dans les tubes du bandeau inférieur 11 grâce à la tuyauterie 15 qui fait communiquer le collecteur 14 avec le collecteur d'entrée 16 des tubes du bandeau 11, ce dernier collecteur étant disposé au-dessous du collecteur 14 et dans l'alignement de celui-ci. Le fluide caloporteur parcourt alors les tubes du bandeau 11 dans le sens de circulation opposé à celui des tubes du bandeau 10. I1 est recueilli dans le collecteur de sortie 17 des tubes du bandeau 11 disposé au-dessous du collecteur 13, dans l'alignement de ce dernier. Une tuyauterie 18 met en communication le collecteur 17 avec le collecteur d'entrée 19 des tubes du bandeau supérieur 12. Le collecteur 19 est disposé dans l'alignement des collecteurs 17 et 13, au-dessus de ce dernier. Les tubes du bandeau supérieur 12 sont enfin parcourus, dans le laême sens que ceux du bandeau central 10. Le fluide caloporteur sortant de ces tubes débouche dans leur collecteur de sortie 20 disposé dans l'alignement des collecteurs 16 et 14 et au-dessus de ce dernier. Une tuyauterie 21 met en communication le collecteur 20 avec les tubes droits 22 qui tapissent le plancher de la cavité 1. A cet effet, la tuyauterie 21 débouche dans le collecteur d'entrée 23 de ces tubes qui est disposé à l'arrière de ladite cavité, le long de son arête inférieure. Le repère 24 désigne le collecteur de sortie des tubes 22 qui est disposé parallèlement au collecteur 23 le long du bord inférieur de la face avant 2. Une tuyauterie 25 met en communication le collecteur 24 avec les tubes droits 26 qui tapissent le plafond de la cavité 1. A cet effet, la tuyauterie 25 débouche dans le collecteur d'entrée 27 de ces tubes qui est disposé à l'arrière de la cavité 1, le long de son arête supérieure. Le repère 28 désigne le collecteur de sortie des tubes 26 qui est disposé parallèlement au collecteur 28, le long du bord supérieur de la face avant 2.Une tuyauterie 29 recueille le fluide caloporteur sortant du collecteur 28. La tuyauterie de sortie 29 fait partie, comme la tuyauterie d'entré 5 représentée sur la figure 2, de la boucle primaire sur laquelle la chaudière solaire est montée. La paroi de fond de la cavité 1 est munie de collecteurs relais 30, 31 et 32 respectivement afférents aux tubes des bandeaux 10, 11 et 12. Ces collecteurs relais sont alignés le long d'une droite définie par l'intersection de la paroi de fond et du plan vertical médian de la cavité 1, ce dernier coincidant avec le plan du méridien Les tubes en U de chaque bandeau 10, 11 ou 12 sont raccordés à leur collecteur relais respectif 30, 31 ou 32-soit horizontalement, soit suivant une inclinaison de l'ordre de 2 Cette disposition facilite la purge des tubes lors du remplissage de la boucle grace à un évent prévu sur chaque collecteur ou un évent commun aux trois collecteurs. Les hauteurs des trois bandeaux 10, 11 et 12 pourraient être égales ou différentes. Le nombre de tubes en U de chaque bandeau pourra éventuellement être le même ou différer d'un bandeau à un autre. De mtme la section de ces tubes pourra être identique pour chaque bandeau ou différer d'un bandeau a un autre, voire à l'intérieur d'un mame bandeau. I1 appartient a l'homme de nétier d'effectuer les choix nécessaires de telle sorte que les conditions imposées soient correctement remplies et que les vitesses dans les tubes de chaque bandeau soient adaptées au flux lumineux et à la température du fluide en chaque point. Bien que l'invention ait été décrite en référence à une forme particulière de réalisation, il va de soi qu'elle nIy est en rien limitée, et que des modifications pourront lui titre apportées sans sortir de son domaine. On pourra notamment prévoir la réalisation d'une chaudière solaire dépourvue de couronne 3. L'alimentation d'une telle chaudière s'effectuerait å partir de la tuyauterie 9 qui appartiendrait dans ce cas à la boucle primaire. Dans le cas d'une chaudière solaire conforme à celle qui a été décrite, la couronne 3, bien que recevant peu de flux est parcourue en premier afin de limiter les pertes par convection. Ensuite, afin de limiter les températures de paroi, on parcourt on priorité les zones à flux élevé, à savoir le bandeau central 10, ensuite et dans l'ordre le bandeau inférieur 11, le bandeau supérieur 12, pÜls tubes 22 du plancher et enfin les tubes 26 du plafond de la cavité 1. Un ordre identique serait conservé avec une chaudière, avec ou sans couronne 3, comportant un nombre plus important de bandeaux, cinq par exeMple. Ces bandeaux seraient alors parcourus de manière alternée à partir du bandeau central, chaque bandeau inférieur étant parcouru avant le bandeau supérieur disposé symé- triquement par rapport au bandeau central. On pourra, bien entendu, remplacer l'un quelconque des moyens décrits par un moyen techniquement équivalent. L'invention couvre donc, outre l'exemple représenté et les variantes évoquées ci-dessus, toute autre variante d'ezécution possible. REVENDICATIONS 1. Chaudière solaire, notamment à fluide caloporteur monophasique, chauffée par les rayons solaires réfléchis par un champ d'hélio stats, caractérisée en ce qu'elle comporte une cavité en forme de parallélépipède rectangle ayant une face avant ouverte placée dans le plan-focal du champ dthéliostats, les parois latérales et la paroi de fond de ladite cavité étant tapissées de tubes en forme de U qui sont situés dans des plans parallèles à la direc tion moyenne des rayons solaires réfléchis et perpendiculaires au plan du méridien. 2. Chaudière solaire suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les tubes en U sont groupés suivant une pluralité de bandeaux superposés, les tubes des différents bandeaux étant successivement parcourus par le fluide caloporteur dans le sens des densités de flux lumineux décroissantes. 3. Chaudière solaire suivant la revendication 2, caractérisée on ce que les tubes de chaque bandeau sont munis de deux collecteurs1 respectivement d'entrée et de sortie du fluide caloporteur, lesdits collecteurs étant disposés le long des cotés de la face avant ouverte de la cavité et chaque collecteur de sortie d'un bandeau communiquant avec le collecteur a'entrée du bandeau suivant 4.Chaudière solaire suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les parois de plancher et de plafond de la cavité sont tapissées de tubes parcourus par le fluide calo porteur après les tubes en U des bandeaux, les tabes du plancher étant parcourus avant ou après ceux du plafond selon que la densité de flux lumineux y est plus forte ou plus faible. 5. Chaudière solaire suivant Itune des revendications 1 a 4 carac trois en ce qu'elle comporte, en outre, une couronne disposée dans le plan focal et dont lwouvertur- centrale est recouverte par ladite cavité, ladite couronne étant constituée par un faisceau de tubes concentriques parcourus en parallèle par le fluide caloporteur avant les tubes en U des bandeaux. 6. Chaudière solaire suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le faisceau de tubes formant la couronne est divisé en deux demi-faisceaux de tubes raccordés à un collecteur disposé au-dessus de la couronne, ledit collecteur étant muni d'un évent. 7. Chaudière solaire suivant Itune quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la paroi de fond de la cavité est munie de collecteurs-relais afférents aux différents bandeaux, lesdits collecteurs-relais étant alignés le long d'une droite définie par l'intersection de ladite paroi de fond avec le plan vertical médian de ladite cavité, et les tubes de chaque bandeau sont raccordés à leur collecteur-relais suivant une inclinaison nulle ou légèrement positive pour faciliter la purge des tubes, un évent étant prévu à cet effet sur ledit collecteurrelais.