FR2473688A1

FR2473688A1 - Solar heat collector with monophase heat transfer fluid - has walls defined by tube coiled around imaginary partial sphere and uses parabolic mirror to focus radiation

Info

Publication number: FR2473688A1
Application number: FR8000553A
Authority: FR
Inventors: Jean Pons
Original assignee: FLUIDOTERMUS
Current assignee: FLUIDOTERMUS
Priority date: 1980-01-11
Filing date: 1980-01-11
Publication date: 1981-07-17
Also published as: FR2473688B3

Abstract

The collector uses a monophase heat transfer fluid heated by solar radiation focussed by a dished spherical mirror. This has a cavity within its focal plane, the walls of which are formed by a helically coiled tube wound around an imaginary partial spherical surface. The winding axis for the tube is perpendicular to the flat front face defined by the missing part of the sphere. A band is wound between the adjacent tube spirals and is continuously welded to the adjacent tube walls, so that the external face of the band is practically tangential to the tube spirals. The heat collector exhibits a high heat exchange coefficient with a min. transport path for the heat transfer fluid for reduced thermal losses.

Description

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. The present invention relates to a solar boiler, in particular with a single-phase heat-transfer fluid, heated by the captured solar rays and concentrated by a mirror in the form of a paraboloid of revolution.

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. A solar boiler is already known comprising a cavity, in the shape of a rectangular parallelepiped for example, having an open front face which is arranged in the focal plane of a mirror or a field of heliostats, the walls of said cavity being lined with tubes grouped into a plurality of bundles.

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. Such a boiler is of a complicated construction and, therefore, not very economical. Furthermore, the multitubular structure of the boiler does not allow the speed of circulation of the fluid flowing through the tubes to be controlled.

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. To avoid these drawbacks, we have already thought of making a monotube boiler, the tube of said boiler being wound with contiguous turns, so as to line the walls of a cavity having the shape of a vase, the winding axis coinciding with the geometric axis of the cavity.

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. Such a boiler leads to providing a long length of tube, which results in a significant pressure drop. It is also essential to provide means for fixing the tube to the internal wall of the cavity.

L'invention a surtout pour but d'éviter les inconvénients inhérents aux structures de chaudière susmentionnée. The main object of the invention is to avoid the drawbacks inherent in the above-mentioned boiler structures.

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. It essentially aims to achieve a monotubular solar boiler whose structure allows to distribute the light flux densities in the most rational way possible, to control the heat exchange coefficient and consequently the circulation of the fluid in contact with the walls exposed to radiation, to reduce the path of the heat transfer fluid in order to limit the pressure losses, and to resist high pressures.

Elle vise en outre à réaliser la cavité de la chaudière sous la forme d'une structure auto-portante thermiquement isolée. It also aims to produce the boiler cavity in the form of a thermally insulated self-supporting structure.

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. These objectives are achieved thanks to an arrangement according to which the cavity of the boiler, of spherical shape, is defined by a tube wound in a helical spiral with non-contiguous turns and by a band wound between the adjacent turns on which it is welded in continued.

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. According to a characteristic arrangement of the invention, the strip is arranged so as to be sheltered from radiation, at least in the zones where the densities of light flux are the highest, more particularly in the vicinity of the focal plane, while it is gradually lit up as it moves away from this plane.

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. The invention more specifically relates to a solar boiler, in particular with a single-phase heat-transfer fluid, heated by the sun's rays picked up and concentrated by a mirror in the form of a paraboloid of revolution, comprising a cavity which has an open front face placed in the focal plane of the mirror, characterized in that the wall of said cavity is formed, on the one hand, by a tube wound in a helical spiral with nonjoint turns, around a s'n "'aoefictive in the form of an incomplete sphere, l the winding axis being perpendicular to the plane of the front face which delimits the missing part of said sphere, on the other hand, by a strip wound between the adjacent turns of the tube on which said strip is continuously welded.

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. The strip is welded to the tube set back from the axis of said tube, at its various turns, on the side furthest away from the fictitious sphere.

La face extérieure de la bande est préférablement tangente aux spires du tube. The outer face of the strip is preferably tangent to the turns of the tube.

La paroi de la cavité est avantageusement entourée d'une couche de matériau calorifuge comprimée entre ladite paroi et une enveloppe métallique extérieure. The wall of the cavity is advantageously surrounded by a layer of heat-insulating material compressed between said wall and an external metallic envelope.

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. The input coil is that which surrounds the opening of the front face of the cavity, while the output coil is that which defines the bottom of said cavity, said output coil being connected to the front of the boiler. by tubing embedded in the heat-insulating material.

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.
According to a particular embodiment,
the tube comprises several sections of different diameters, the diameter of each section being calculated as a function of the position of said section.

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. The invention will be better understood by referring to the description which follows, made with reference to the appended drawings, concerning a particular embodiment given by way of nonlimiting example.

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.FIG. 1 represents a solar energy collection installation equipped with the boiler according to the invention
Figure 2 is a section of the boiler made along a diametrical plane perpendicular to the plane of Figure 1, more precisely along the line AA of Figures 1 and 3
Figure 3 is a section of the boiler made along a diametrical plane coinciding with the plane of Figure 1, or along the line BB of Figure 2
FIG. 4 is a detail view on a larger scale of FIG. 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. In FIG. 1, the reference 1 generally designates the solar boiler. The reference 2 designates a mirror in the form of a paraboloid of revolution, along the axis of which is centered the boiler 1 held above said mirror by a tripod 3. The mirror 2 is advantageously constituted by a plurality of elementary mirrors fixed on the inner wall of a paraboloidal shell made of reinforced plastic. The mirror 2 is articulated by a yoke 4 with a horizontal axis on a central upright 5. The tilting of the mirror is controlled by a hydraulic cylinder 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.The upright 5 is designed to be rotated about its vertical axis under the action of a hydraulic cylinder 7. The cylinders 6 and 7 are supplied by a central unit (not shown) provided in the vicinity of the base 8 of the upright 5. The foot 8 is fixed to the ground by anchoring, for example. The above-mentioned tilting and rotating movements are coordinated so that the assembly formed by the boiler 1 and the mirror 2 has its axis permanently maintained parallel to the general direction of the rays of the sun.

Les figures 2, 3 et 4 illustrent de manière détaillée la structure de la chaudière solaire 1. Figures 2, 3 and 4 illustrate in detail the structure of the solar boiler 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. The reference 10 designates the cavity of the boiler 1 which has an open front face it arranged in the focal plane of the mirror 2, perpendicular to the axis of said mirror. Apart from the area of the circular opening of the face 11, the cavity 10 has a generally spherical shape.

La paroi de la cavité 10 est formée par deux éléments dont il va être question ci-apre-s. The wall of the cavity 10 is formed by two elements which will be discussed below.

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. A first element consists of a tube 12 wound in a helical spiral with non-contiguous turns 12a, 12b, around a fictitious surface 13 in the form of an incomplete sphere. The winding axis is perpendicular to the plane of the face II which delimits a Tic- tive spherical cap corresponding to the missing part of the sphere 13 which is not surrounded by the tube 12. The winding axis coincides, of course, with the axis of the mirror 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. A second element is constituted by a strip 14 wound between the adjacent turns, such as 12a and 12b of the tube 12 on which said strip 14 is welded continuously.

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. The strip 14 is welded to the tube 12 set back from the axis of said tube, at its various turns 12a, 12b, on the side furthest from the surface of the sphere 13 as is particularly visible in FIG. 4 where the outer face of the strip 14 is practically tangent to said turns.

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. Thanks to this -disposition, the strip 14 is entirely subtracted from the light fluxes of high densities in the zone of the cavity 10 near the opening defined by the face 11. The turns of the tube 12 then cast their shadow on the parts of the strip 14 located behind it.

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.When the strip 14 is illuminated, in the bottom zone of the cavity 10, the radiation is attenuated account
given the distance from the focal plane. Withdrawal from the ban
of 14 with respect to the turns of the tube 12 then makes it possible to better use the natural surface of the said tube which is provided by a heat transfer fluid - under the conditions which will be
specified below, in better conditions of
Thermal transfer.

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.In a particular embodiment given to
As an example, a steel tube 12 of
21.3 mm outside diameter and 2.6 mm thick.

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.The distance between the centers of the turns is 32 mm
while the strip 14 made of stainless steel has a lar
16 mm ger.

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.Furthermore, the continuous welding of the strip 14
along the tube 12 allows for a wall of the cavity 10 having excellent mechanical strength. This avoids the use of any auxiliary structure
of support. The cavity 10 of the boiler 1 is therefore produced
in the form of a self-supporting structure.

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.The cavity 10 delimited by the tube 12 and the ban
of 14 is surrounded by a heat-insulating layer 15 arranged in
be the wall of the cavity 10 and an outer casing
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.The thermal insulation is advantageously achieved
seated by a heat-insulating layer 15 of strong rock wool
density, compressed between two shells constituting the envelope
loppe 16. These shells are advantageously made of
stainless steel pushed back into shape and assembled by welding
under argon along the perimeter parallel to the focal plane
finished on side 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.The heat transfer fluid enters the boiler 1 through the turn which surrounds the opening of the front face 11
cavity 10; the exit spiral is that of more pe
tit diameter which defines the bottom of the cavity 11, said
turn being connected to the front of the boiler 1 by a tu
bulure 17 embedded in the heat-insulating material including ltépais-
sor has been planned accordingly.

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. The arrangement of the inlet and outlet of the heat transfer fluid, which is illustrated by the arrows in FIG. 3, offers the double advantage of exposing the coldest fluid to the densest flows, and of achieving a circulation whose sense is favorable for emptying.

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. For an observer looking at the front face 11 along the direction of the axis of the cavity 10, the inlet and outlet of the heat transfer fluid are located respectively at the lower part and at the upper part of the opening of the face. 10, in diametrically opposite positions relative to said opening.

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. The solar boiler that has just been described has, in addition to the advantages already mentioned, that of leading to a structure capable of withstanding high pressures and perfectly weatherproof. The absence of support also makes the boiler much lighter than known boilers.

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. Although the invention has been described with reference to a particular embodiment, it goes without saying that it is in no way limited thereto and that modifications can be made to it without departing from its field.

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. Thus the tube described could be replaced by a tube comprising several sections of different diameters, the diameter of each section being calculated as a function of the position of said section, so as to obtain heat exchange coefficients adapted to the value incident light flux and minimal pressure drop.

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. Any of the means described may be replaced by a technically equivalent means. The invention therefore covers, in addition to the example shown, its various alternative embodiments.

Claims

1. Solar boiler, in particular with mono heat transfer fluid

phasic, heated by the captured solar rays and

concentrated by a mirror in the shape of a parabolic re

evolution, comprising a cavity which has a face

open front placed in the focal plane of the mirror, ca

characterized in that the wall of said cavity is formed

led, on the one hand, by a tube wound in a heli

co-spiral with non-contiguous turns, around a surface

fictitious in the shape of an incomplete sphere, the winding axis

lying perpendicular to the plane of the front face which

delimits the missing part of said sphere, on the other

part, by a band wound between the adjacent turns

tes of the tube on which said strip is welded in fa

lesson continues.

2. Solar boiler according to claim 1, character

risée in that the strip is welded on the tube, in re

line of the axis of said tube, at its different

whorls, on the side furthest from the fictitious sphere.

3. Solar boiler according to claim 2, character

sée in that the outer face of the strip is practi

tangent to the turns of the tube.

4. Solar boiler according to one of claims 1

or 2, characterized in that the wall of the cavity is

surrounded by a layer of compressed heat-insulating material

between said wall and an outer metal casing

better.

5. Solar boiler according to claim 4, character

laughed at in that the entrance whorl and that which surrounds

the opening of the front face of the cavity, while

the output coil is the one that defines the bottom of

said cavity, said exit turn being connected to

the front of the boiler by tubing embedded in the

heat-insulating material.

6. Solar boiler according to any one of the claims.

previous cations, characterized in that the tube

consists of several sections of different diameters

the diameter of each section being calculated as a function of the position of said section.