Brevet FR2473688A1 — publié le 19810717

La presente invention concerne une chaudière solaire, notamment à fluide caloporteur monophasique, chauffée par les rayons solaires captés et concentrés par un miroir en forme de parabololde de révolution. On connaît déjà une chaudière solaire comportant une cavité, en forme de parallélépipède rectangle par exemple, ayant une face avant ouverte que l'on dispose dans le plan focal d'un miroir ou d'un champ d'héliostats, les parois de ladite cavité étant tapissées de tubes groupés en une pluralité de faisceaux. Une telle chaudière est d'une réalisation compliquée et, de ce fait, peu économique. Par ailleurs, la struc ture multitubulaire de la chaudière ne permet pas de maî- triser la vitesse de circulation du fluide parcourant les tubes. Pour éviter ces inconvénients, on a déjà pensé à réaliser une chaudière monotubulaire, le tube de ladite chaudière étant enroulé a spires jointives, de manière à tapisser les parois d'une cavité présentant la forme d'un vase, l'axe d'enroulement coïncidant avec l'axe géométrique de la cavité. Une telle chaudière conduit à prévoir une grande longueur de tube, ce qui entraîne une importante perte de charge. Il est par ailleurs indispensable de prévoir des moyens de fixation du tube sur la paroi interne de la cavité. L'invention a surtout pour but d'éviter les inconvénients inhérents aux structures de chaudière susmentionnée. Elle vise essentiellement à réaliser une chaudière solaire monotubulaire dont la structure permette de répartir les densités de flux lumineux de la manière la plus rationnelle possible, de maîtriser le coefficient d'échange thermique et par conséquent la circulation du fluide en contact avec les parois exposées au rayonnement, de réduire le parcours du fluide caloporteur en vue de limiter les pertes de charge, et de résister à des pressions élevées. Elle vise en outre à réaliser la cavité de la chaudière sous la forme d'une structure auto-portante thermiquement isolée. Ces objectifs sont atteints grâce à une disposition suivant laquelle la cavité de la chaudière, de forme sphérique, est définie par un tube enroulé suivant une hélico-spirale à spires non jointives et par une bande enroulée entre les spires adjacentes sur lesquelles elle est soudee en continu. Suivant une disposition caractéristique de l'invention, la bande est aménagée de manière à se trouver à l'abri du rayonnement, tout au moins dans les zones où les densités de flux lumineux sont les plus élevées, plus particulièrement au voisinage du plan focal, tandis qu'elle se trouve progressivement éclairée au fur et à mesure qu'elle s'éloigne de ce plan. L'invention a plus précisément pour objet une chaudière solaire, notamment à fluide caloporteur monophasique, chauffée par les rayons solaires captés et concentrés par un miroir en forme de paraboloide de révolution, comportant une cavité qui présente une face avant ouverte placée dans le plan focal du miroir, caractérisée en ce que la paroi de ladite cavité est formée, d'une part, par un tube enroulé suivant une hélico-spirale à spires nonjointives, autour d'une s'n"'aoefictive en forme de sphère incomplète, l'axe d'enroulement étant perpendiculaire au plan de la face avant qui délimite la partie manquante de ladite sphère, d'autre part, par une bande enroulée entre les spires adjacentes du tube sur lequel ladite bande est soudée de façon continue. La bande est soudée sur le tube en retrait de l'axe du dit tube, au niveau de ses différentes spires, du côté le plus éloigné la5phère fictive. La face extérieure de la bande est préférablement tangente aux spires du tube. La paroi de la cavité est avantageusement entourée d'une couche de matériau calorifuge comprimée entre ladite paroi et une enveloppe métallique extérieure. La spire'd'entrée est celle qui entoure l'ouverture de la face avant de la cavité, tandis que la spire de sortie est celle qui définit le fond de ladite cavité, ladite spire de sortie étant reliée à l'avant de la chaudière par une tubulure noyée dans le matériau calorifuge. Suivant une forme particulière de réalisation, a le tube comprend plusieurs tronçons'de diamètres différents, le diamètre de chaque tronçon étant calculé en fonction de la position du dit tronçon. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit, faite en regard des dessins an nexés, concernant une forme particulière de réalisation donnée à titre d'exemple non limitatif. La figure 1 représente une installation collectrice d'énergie solaire équipée de la chaudière selon l'invention La figure 2 est une coupe de la chaudière effectuée suivant un plan diamétral perpendiculaire au plan de la figure 1, plus précisément suivant la ligne A-A des figures 1 et 3 La figure 3 est une coupe de la chaudière effectuée suivant un plan diamétral coïncidant avec le plan de la figure 1, soit suivant la ligne B-B de la figure 2 La figure 4 est une vue de détail à plus grande échelle de la figure 2. Sur la figure 1, le repère 1 désigne globalement la chaudière solaire. Le repère 2 désigne un miroir en forme de paraboloïde de révolution, suivant l'axe duquel est centrée la chaudière 1 maintenue au-dessus du dit miroir par un tripode 3. Le miroir 2 est avantageusement constitué par une pluralité de miroirs élémentaires fixés sur la paroi interne d'une coque paraboloidale réalisée en matière plastique armée. Le miroir 2 est articulé par une chape 4 d'axe horizontal sur un montant central 5. Le basculement du miroir est commandé par un vérin hydraulique 6. Le montant 5 est prévu pour être entrainé en rotation autour de son axe vertical sous l'action d'un vérin hydraulique 7. Les vérins 6 et 7 sont alimentés par une centrale (non représentée) prévue au voisinage du pied 8 du montant 5. Le pied 8 est fixé au sol par ancrage, par exemple. Les mouvements de basculement et de rotation précités sont coordonnés de telle sorte que l'ensemble formé par la chaudière 1 et le miroir 2 ait son axe maintenu en permanenceparal- lèle à la direction générale des rayons du soleil. Les figures 2, 3 et 4 illustrent de manière détaillée la structure de la chaudière solaire 1. Le repère 10 désigne la cavité de la chaudière 1 qui présente une face avant il ouverte disposée dans le plan focal du miroir 2, perpendiculairement à l'axe dudit miroir. Hormis la zone de l'ouverture circulaire de la face 11, la cavité 10 présente une forme générale sphérique. La paroi de la cavité 10 est formée par deux éléments dont il va être question ci-apre-s. Un premier élément est constitué par un tube 12 enroulé suivant une hélico-spirale à spires non jointives 12a, 12b, autour d'une surface fictive 13 en forme de sphère incomplète. L'axe d'enroulement est perpendiculaire au plan de la face Il qui délimite une calotte sphérique Tic- tive correspondant à la partie manquante de la sphère 13 qui n'est pas entourée par le tube 12. L'axe d'enroulement coïncide, bien entendu, avec l'axe du miroir 2. Un deuxième élément est constitué par une bande 14 enroulée entre les spires adjacentes, telles que 12a et 12b du tube 12 sur lesquelles ladite bande 14 est soudée de façon continue. La bande 14 est soudée sur le tube 12 en retrait de l'axe dudit tube, au niveau de ses différentes spires 12a, 12b, du côté le plus éloigné de la surface de la sphère 13 comme cela est particulièrement visible sur la figure 4 où la face extérieure de la bande 14 est pratiquement tangente aux dites spires. Grâce à cette -disposition, la bande 14 est entièrement soustraite aux flux lumineux de densités élevées dans la zone de la cavité 10 voisine de l'ouverture définie par la face 11. Les spires du tube 12 projettent alors leur ombre sur les parties de la bande 14 situées derrière elle. Lorsque la bande 14 se trouve éclairée, dans la zone de fond de la cavité 10, le rayonnement est atténué compte tenu de l'éloignement du plan focal. Le retrait de la ban de 14 par rapport aux spires du tube 12 permet alors de mieux utiliser la surface naturelle dudit tube pourcouru par un fluide caloporteur- dans les conditions qui seront précisées plus loin, dans de meilleures conditions de transfert thermique. Dans un cas particulier de réalisation donné à titre d'exemple, il a été prévu un tube 12 en acier de 21,3 mm de diamètre extérieur et d'une épaisseur de 2,6 mm. La distance séparant les centres des spires est de 32 mm tandis que la bande 14 en tôle inoxydable présente une lar geur de 16 mm. Par ailleurs, le soudage continu de la bande 14 le long du tube 12 permet de réaliser une paroi de la cavité 10 possédant une excellente tenue mécanique. Ceci permet d'éviter l'utilisation de toute structure auxiliaire de support. La cavité 10 de la chaudière 1 est donc réalisée sous la forme d'une structure auto-portante. La cavité 10 délimitée par le tube 12 et la ban de 14 est entourée d'une couche calorifuge 15 aménagée en tre la paroi de la cavité 10 et une enveloppe extérieure 16. L'isolation thermique est avantageusement réali sée par une couche calorifuge 15 de laine de roche à forte densité, comprimée entre deux coquilles constituant l'enve loppe 16. Ces coquilles sont avantageusement réalisées en acier inoxydable repoussé en forme et assemblé par soudage sous argon suivant le périmètre parallèle au plan focal dé fini par la face 11. Le fluide caloporteur entre dans la chaudière 1 par la spire qui entoure l'ouverture de la face avant 11 de la cavité 10 ; la spire de sortie est celle de plus pe tit diamètre qui définit le fond de la cavité 11, ladite spire étant reliée à l'avant de la chaudière 1 par une tu bulure 17 noyée dans le matériau calorifuge dont ltépais- seur a été prévue en conséquence. La disposition de l'entrée et de la sortie du fluide caloporteur, qui est illustrée par les flèches de la figure 3, offre le double avantage d'exposer le fluide le plus froid aux flux les plus denses, et de réaliser une circulation dont le sens est favorable à la vidange. Pour un observateur regardant la face avant 11 suivant la direction de l'axe de la cavité 10, l'entrée et la sortie du fluide caloporteur sont respectivement situées à la partie inférieure et à la partie supérieure de l'ou- verture de la face 10, en positions diamétralement opposées par rapport à ladite ouverture. La chaudière solaire que l'on vient de décrire présente, outre les avantages déjà signalés, celui de conduire à une structure apte à résister'à des-pressions élevées et parfaitement étanche aux intempéries. L'absence de support rend par ailleurs la chaudière beaucoup plus légère que les chaudières connues. Bien que l'invention ait été décriteoen référence à une forme particulière de réalisation, il va de soi qu'elle n'y est en rien limitée et'que des modifisations peuvent lui être apportées sans sortir de son domaine. C'est ainsi que le tube décrit pourraît être remplacé par un tube comprenant plusieurs tronçons de diamètres différents, le diamètre de chaque tronçon étant calculé en fonction de la position dudit tronçon, de manière à obtenir des coefficients d'échange thermiques adaptés à la valeur du flux lumineux incident et une perte de charge minimale. On pourra remplacer l'un quelconque des moyens décrits par un moyen techniquement équivalent. L'invention couvre donc, outre l'exemple représenté, ses différentes variantes d'exécution. REVENDICATIONS 1. Chaudière solaire, notamment à fluide caloporteur mono phasique, chauffée par les rayons solaires captés et concentrés par un miroir en forme de parabololde de ré volution, comportant une cavité qui présente une face avant ouverte placée dans le plan focal du miroir, ca ractérisée en ce que la paroi de ladite cavité est for mée, d'une part, par un tube enroulé suivant une héli co-spirale à spires non jointives, autour d'une surface fictive en forme de sphère incomplète, l'axe d'enroule ment étant perpendiculaire au plan de la face avant qui délimite la partie manquante de ladite sphère, d'autre part, par une bande enroulée entre les spires adjacen tes du tube sur lequel ladite bande est soudée de fa çon continue. 2. Chaudière solaire suivant la revendication 1, caracté risée en ce que la bande est soudée sur le tube, en re trait de l'axe dudit tube,au niveau de ses différentes spires, du côté le plus éloigné de la sphère fictive. 3. Chaudière solaire suivant la revendication 2, caractéri sée en ce que la face extérieure de la bande est prati quement tangente aux spires du tube. 4. Chaudière solaire suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la paroi de la cavité est entourée d'une couche de matériau calorifuge comprimée entre ladite paroi et une enveloppe métallique exté rieure. 5. Chaudière solaire suivant la revendication 4, caracté risée en ce que la spire d'entrée et celle qui entoure l'ouverture de la face avant de la cavité, tandis que la spire de sortie est celle qui définit le fond de ladite cavité, ladite spire de sortie étant reliée à l'avant de la chaudière par une tubulure noyée dans le matériau calorifuge. 6. Chaudière solaire suivant l'une quelconque des revendi cations précédentes, caractérisée en ce que le tube est constitué de plusieurs tronçons de diamètres dif férents, le diamètre de chaque tronçon étant calculé en fonction de la position dudit tronçon.