CN101561360B - 混凝土太阳能集热及融雪化冰用试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种混凝土太阳能集热及融雪化冰用试验装置，其由控制柜、辅助箱和试验箱体(1)组成；所述试验箱体，其内腔设有自下而上排列的电机柜(2)、样品柜(3)和太阳能灯柜(4)，其两侧设有第二风机(10)；样品柜内设有可升降样品台(9)，可在一定范围内调节其高度让样品的表面与第二风机风口平行来模拟试验过程中的环境风；控制柜配有以数据线相连的试验数据采集处理系统(11)、温度流量测控系统(12)、辐射强度测量控制系统(13)；辅助箱配有恒温水箱(14)和计量泵(15)，它们以管道相连。本发明可以在多种环境下进行沥青混凝土太阳能集热试验，也可进行电热法和热流体法混凝土融雪化冰试验。

Description

混凝土太阳能集热及融雪化冰用试验装置

技术领域

本发明涉及试验装置，特别是涉及一种利用沥青混凝土道路进行太阳能集热及融雪化冰的试验装置。

背景技术

近年来，国内外能源日趋紧张，同时使用矿物燃料造成的温室效应和环境污染问题，使得开发利用可再生能源势在必行，而太阳能热利用是目前主要的技术途径之一。集热是太阳能热利用技术中的重要部分，集热材料是太阳能集热系统的关键，集热材料对太阳光的吸收性能决定了整个集热系统的优劣。沥青混凝土利用自身对太阳光谱吸收率高的优势，再加上沥青路面犹如巨大的太阳能吸收面板。若将路面收集的热量利用起来，可给建筑物供暖供冷，从而减少传统能源在建筑能耗中的使用，将大大缓解我国能源紧张并减少CO₂等废气的排放。

同时，路面的路用性能和安全问题一直被人们所关注。沥青混凝土路面对于行车具有油耗低、噪音小、抗滑性好、车辆磨损小等优点，目前已在机场跑道、桥面铺装、高速公路、城市道面等主要道路中得到广泛应用。在世界各国已建公路中，沥青路面已占80％以上；我国高速公路中90％以上为沥青路面。但沥青是一种典型的粘弹性材料，低温易变脆，高温易发粘流淌。因此，夏季高温时，沥青路面温度可达70℃，在车辆载荷作用下极易出现车辙、波浪推移、粘轮等现象；冬季低温时，尤其在我国北方，路面温度达-30℃，沥青路面又会出现温缩裂缝，严重影响了路面质量、耐久性与使用寿命；另一方面，低温导致的积雪冰冻天气对道路交通安全产生极大的挑战，封闭限制道路的通行必将影响到交通对经济建设的贡献。因此，路面的高低温病害和环保的融雪化冰是沥青路面应用过程中亟待解决的问题。

因此，近年来沥青路面吸收太阳能成为了一项新型的能源利用技术。该技术的基本原理为：冬季供暖时，通过土壤源热汞装置从地下含水土层中取出热量，通过管道输送至近旁的建筑物内的用户热交换器及与之换热管道连通的供暖管系统，实施供暖，再输送至路面，用于路面融雪化冰；夏季供冷时，通过土壤源热汞装置从地下含水土层中取出冷量，再通过管道输送至近旁的建筑物内的用户热交换器及与之换热管道连通的供暖管系统，实施供冷，再输送至路面吸收热量，防止路面高温变形。该技术在国外已处于实体验证阶段，而在我国上世纪90年代一些专家学者提出了利用太阳能进行道路融雪化冰的设想，并对我国利用路面收集太阳能前景进行了简单分析，但实际研究一直处于停滞状态。天津大学只对低温蓄热系统进行了简单的可行性研究，但对能量的收集、能量的传输等问题没有进行相关的研究。我国对沥青路面集热技术急需进行深入研究。利用混凝土路面来融雪化冰的研究相对较多，其研究一般在冬季室外进行，也有采用低温试验箱实现的。但不管是太阳能集热和路面融雪化冰，国内都还没有统一的模拟试验装置用来测试集热性能和融雪化冰的效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种混凝土太阳能集热及融雪化冰用试验装置，该装置能够用于室内沥青混凝土太阳能集热试验和沥青混凝土及水泥混凝土的融雪化冰试验。具体为：模拟太阳能集热过程，测量沥青混凝土的温度场和集热效率；模拟冬季低温天气，评价沥青或水泥混凝土融雪化冰的效果、获得融雪化冰过程中混凝土内部的温度分布。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的混凝土太阳能集热及融雪化冰用试验装置，其由控制柜、辅助箱和位于它们之间的试验箱体组成。所述试验箱体，其内腔设有自下而上排列的电机柜、样品柜和太阳能灯柜，其两侧设有第二风机，样品柜内设有可升降样品台，可在一定范围内调节其高度让样品的表面与第二风机风口平行来模拟试验过程中的环境风。控制柜配有以数据线相连的试验数据采集处理系统、温度流量测控系统、辐射强度测量控制系统。辅助箱配有恒温水箱和计量泵，它们以管道相连。

所述的电机柜，其内部主要放置空气压缩机、第一风机、换热器和排水管道，换热器位于第一风机和压缩机之间，排水管道装在电机柜内与样品柜内的导流槽连通。

所述的可升降样品台，其可以通过伸缩支架与电机柜的顶部相连。

所述的恒温水箱，其可以配有电加热器。

所述的太阳能灯柜，其内部可以装有水冷型全太阳能光谱长弧氙灯。

所述的辐射强度测量控制系统，其可以由调压器和采用带有光纤传输测量全光谱辐射强度的太阳能辐射计组成，用调压器改变输入电压来实现所述氙灯入射光的强度和均匀度的调节。

所述的数据采集处理系统，其可以通过传感器对试验过程中的温度、流量、电阻、电压和电流进行循环检测，并具有图表处理功能。

本发明提供的混凝土太阳能集热及融雪化冰用试验装置，其用于沥青混凝土或水泥混凝土的太阳能集热试验及其融雪化冰试验，其中融雪化冰试验为流体加热法或电热法。

本发明可以采用以下方法来实现混凝土太阳能集热试验，其步骤包括：

预成型内埋有换热管道的混凝土试块放置在可升降样品台上，换热管道与恒温水箱连接，计量泵为换热介质水提供驱动力；

调节可升降样品台的高度与第二风机下端平行，该风机工作时在混凝土试块表面形成循环风；

开启水冷型全太阳能光谱长弧氙灯模拟太阳光，通过调节输出电压来改变该氙灯的光线强度；

开启空气压缩机、换热器、第一风机和温度测量控制系统，对试验箱体内的实验环境温度进行调节；

在混凝土试块各个部位，换热管道的出入口都设有温度传感器和流量计，数据采集处理系统与传感器连接，试验过程中实时测量、记录和处理，获得试块太阳能集热过程中的温度场和集热效率等一系列结果。

本发明可以采用以下方法来实现融雪化冰试验，其步骤包括：

利用空气压缩机、换热器、第一风机和温度测量控制系统对试验箱体进行恒温，对放置在可升降样品台上的表面结冰或积雪的混凝土试块进行融雪化冰效果检测；

然后，采用流体加热法或电热法融雪化冰试验；试验过程中，利用第二风机在混凝土试块表面形成不同速度的风力；

采用流体加热法融雪化冰的，其方法与实现混凝土太阳能集热试验方法相同；

采用电热法融雪化冰的测量方法是：温度测量控制系统对通过调节电压实现发热功率的改变，数据采集处理系统对温度、电流和电压进行测量，获得融雪化冰过程中试块温度场、融雪化冰效率等结果；移除太阳能灯柜后，将试验箱体放置在冰雪天气中或另配置造雪机，再进行实时融雪试验。

本发明的工作原理是：通过空气压缩机、风机、换热器和换热管道将试验箱内温度和风速调节到试验要求。长弧氙灯模拟太阳能光照射内埋有传感器和换热管道的样品，计量泵连接恒温水箱后连接样品的换热管道，调节氙灯的发射光线的强度，利用数据采集处理系统对集热过程和进出口水温实时监控、测量、记录和处理，获得试块温度场和集热效率等一系列结果；融雪化冰试验是在低温环境中对表面结冰或积雪的试块进行测试，采用流体加热法融雪化冰的即在试块内部管道中通入高于0℃的水。采用电热法融雪化冰的，试块与配电装置连接，改变电压可实现发热功率的改变。数据采集处理系统对融雪化冰过程中的温度、电流和电压进行测量，获得融雪化冰过程中试块温度场、融雪化冰效率等结果；移除太阳能灯柜后将试验箱放置在室外，可进行场外实时太阳能集热和融雪试验。

本发明提供了一种全新的混凝土太阳能集热及融雪化冰试验装置，其涉及到沥青路面太阳能集热技术和道路融雪化冰等问题。因此，具有以下主要的优点：

1.可进行不同辐射强度、有环境风存在和不同环境温度的太阳能集热试验，为加快沥青路面太阳能集热技术的发展奠定了基础。

2.可进行水泥或沥青混凝土道路在不同温度、风速下的热流体法和电热法融雪化冰试验，改变了融雪化冰试验受天气制约的现状。

3.试验箱体具有多种恒温方式，实验过程中最大程度减小温度对实验的影响；换热风机设置在样品台下缓解了空气流动对试验的影响。

4.该装置配套的测试、控制系统能精确测量和处理多通道数据。

附图说明

图1是本发明提供的试验装置的结构示意图。

图2是本发明控制流程图。

图3是本发明进行太阳能集热试验试块不同深度在不同时间的温度。

图4是本发明进行太阳能集热试验试块不同深度的升温过程。

图5是本发明进行太阳能集热试验介质水温差随时间的变化。

图6是本发明进行太阳能集热试验介质水温差与流速的关系。

图7是本发明进行热流体法融雪化冰试验过程中时间与试块表面温度曲线。

图8是本发明进行电热法融雪化冰试验过程中融冰时间与输入功率的关系。

图中：1.试验箱体；2.电机柜；3.样品柜；4.太阳能灯柜；5.空气压缩机；6.第一风机；7.换热器；8.排水管道；9.可升降试验台；10.第二风机；11.试验数据采集处理系统；12.温度流量测控系统；13.辐射强度测量控制系统；14.恒温水箱；15.计量泵；16.水冷型全太阳能光谱长弧氙灯；17.电加热器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

实施例1：混凝土太阳能集热及融雪化冰用实验装置

该装置的结构如图1所示：由控制柜、辅助箱和位于它们之间的试验箱体1组成。试验箱体1，其内腔设有自下而上依次排列的电机柜2、样品柜3和太阳能灯柜4组成，其两侧设有第二风机10。电机柜2主要设有空气压缩机5、第一风机6、换热器7和排水管道8。样品柜3配有可升降试验台9，可在一定范围内调节其高度，让样品的表面与第二风机10风口平行来模拟试验过程中的环境风。太阳能灯柜4内采用水冷型全太阳能光谱长弧氙灯16。控制柜配有以数据线相连的试验数据采集处理系统11、温度流量测控系统12、辐射强度测量控制系统13。辅助箱配有恒温水箱14和计量泵15，它们以管道相连。

上述的试验箱体1可采用双层不锈钢材质外壳，内填充有隔热材料，内壁上布设U型换热管道，管道两端与空气压缩机5连接，用来调节箱内温度；同时样品柜3下面的第一风机6与空气压缩机5通过换热器7为箱内快速调温。太阳能灯柜4内的水冷型全太阳能光谱长弧氙灯16，可为试样提供辐射强度为0～600W/m²(350-850nm)的光线。辐射强度测量控制系统13由调压器和采用带有光纤传输测量全光谱辐射强度的太阳能辐射计组成，用调压器改变输入电压来实现所述氙灯入射光的强度和均匀度的调节。

所述的辅助箱主要分配为恒温水箱14和计量泵15。恒温水箱集恒温保温一体，其配有电加热器17，通过计量泵15为试验提供恒温水，融雪化冰产生的水通过导流槽及管道8可以排放出去。

控制柜里主要用来安排试验数据采集处理系统11、温度流量测控系统12和辐射强度测量控制系统13的设置、控制仪表和显示器。数据采集处理系统11可通过传感器对试验过程中的温度、流量、电阻、电压和电流进行循环检测，并具有图表处理功能。

实施例2：结合附图说明本发明的控制流程图

如图2所示：温度传感器采用两线制或四线制热电阻，试验箱体1和恒温水箱14的温度测量利用两线制热电阻，样品温度场的测量采用工业II级四线制热电阻。温度传感器获得的信号传递给温度流量测控系统后，样品的数据进一步进行处理和记录；试验箱体1和恒温水箱14的温度数据进行判断后，反馈电信号给空气压缩机5、第一风机6和换热器7，将试验箱体内的温度调节到试验要求，也可控制恒温水箱的电加热器17对该水箱内的水进行恒温。水冷型全太阳能光谱长弧氙灯16模拟太阳能光照射样品，采用带有光纤传输测量辐射强度的太阳能辐射计，用调压器来改变输出电压来实现所述氙灯的入射光的强度和均匀度的调节，数据传递给辐射强度测量控制系统13，并可进一步处理。调压器也可以为样品提供恒定的电压来进行电热法融雪化冰试验。计量泵15从恒温水箱14中抽取恒温水后供试验使用，流量测控系统同时对第一风机6和计量泵15所驱动流体的速度进行测量和控制。

实施例3和实施例4：太阳能集热试验

实施例3：按Superpave级配设计规范设计12.5mm和19mm两种级配的沥青混合料，19mm作为下面层，12.5mm作为中、上面层，其性能均满足规范要求。沥青混凝土试块三层各自的厚度为50mm，长宽都为300mm，分三次成型。

实施例4是在实施例3中所提及的成型过程中，在中面层中埋设换热铜管。将实施例3的试块放入试验箱中20℃保温24小时，开启水冷型全太阳能光谱长弧氙灯16调节电压使试块表面辐射强度保持在300W/m²，照射8小时后试块随深度变化的温度分布如图3，随着深度的增加温度呈降低的趋势，三小时后温度曲线的斜率基本一致。在照射过程中不同深度升温过程如图4所示，混凝土不同深度的升温趋势相同，深度越低温度越高。

实施例4中试块内换热管道两端连接计量泵15和恒温水箱14，试验箱体1的内部和水都恒温20℃，开启水冷型全太阳能光谱长弧氙灯16调节电压使试块表面辐射强度保持在300W/m²。当试块内部温度恒定以后打开计量泵，水流速为30L/h。进口和出口水温差随时间的变化如图5所示，刚通水的时候温差迅速降低，随着时间的延长，温差趋于稳定，该温差可以用来衡量集热效果的好坏。改变恒温水的流速，温差与水流速度的关系如图6所示，水流速度越快温差越小。

实施例5：热流体法融雪化冰试验

试验用试块成型方法与实施例4相同。将试验箱体1内的温度调节到-10℃，试块放在该箱体内恒温24小时后撒上2kg碎冰再恒温六小时。利用计量泵15向试块内通恒温水，融冰过程中时间与试块表面温度关系如图7，试块表面温度随着水流通入是逐渐增大的，在0℃时出现冰融化成水的相变过程，温度恒定一段时间后再次上升，可以等出2小时可以完全融化碎冰的结论。

实施例6：电热法融冰试验

以鳞片状石墨和钢纤维为导电相填料，按一定比例称取砂、石、水泥、石墨、钢纤维和水。拌和好后成型300mm×500mm×60mm的试块，并在试块里埋入不锈钢电极，电极间距400mm。成型24h后脱模放入标准养护室养护28d。将养护好的试块放入试验箱体1电极两端连接调压器上，箱内温度保持在-10℃。调节电压0～36V让试块融化相同质量的碎冰，其融冰时间与输入功率的关系如图8，随着功率的增加融冰时间是逐渐缩短的，所以选择合适的融雪功率是配合融雪时间的关键。

本发明提供的碎混凝土太阳能集热及融雪化冰用试验装置，其主要技术参数为：

a.电源：交流380V/50Hz。

b.氙灯：功率6kW(水冷型全太阳能光谱长弧氙灯)；辐射强度：(350-850nm)0～600W/m²。

c.箱内温度：-35℃～80℃，均匀度±1.5℃。

d.温度测量：48通道温度巡检配工业II级四线制热电阻，测量精度±0.2℃。

e.介质水：水温±0.5℃，流速0～60L/h，水压0.6MPa，流量±1.5％控制误差及0.3％重现性精度。

f.电热法配电：恒压0～76V(交流/直流)，最大功率2000W。

e.试验箱体尺寸：1400×950×900(mm)。

以上技术参数仅供参考。

Claims (10)

1.一种混凝土试验装置，其特征是一种混凝土太阳能集热及融雪化冰用试验装置，该装置由控制柜、辅助箱和位于它们之间的试验箱体(1)组成；所述试验箱体，其内腔设有自下而上排列的电机柜(2)、样品柜(3)和太阳能灯柜(4)，其两侧设有第二风机(10)；样品柜(3)内设有可升降样品台(9)，可在一定范围内调节其高度让样品的表面与第二风机(10)风口平行来模拟试验过程中的环境风；控制柜配有以数据线相连的试验数据采集处理系统(11)、温度流量测控系统(12)、辐射强度测量控制系统(13)；辅助箱配有恒温水箱(14)和计量泵(15)，它们以管道相连。

2.根据权利要求1所述的混凝土试验装置，其特征是：电机柜(2)内主要放置空气压缩机(5)、第一风机(6)、换热器(7)和排水管道(8)，换热器(7)位于第一风机(6)和压缩机(5)之间，排水管道(8)装在电机柜(2)内与样品柜内的导流槽连通。

3.根据权利要求1所述的混凝土试验装置，其特征是：可升降样品台(9)通过伸缩支架与电机柜(2)的顶部相连。

4.根据权利要求1所述的混凝土试验装置，其特征是：恒温水箱(14)配有电加热器(17)。

5.根据权利要求1所述的混凝土试验装置，其特征是：太阳能灯柜(4)内装有水冷型全太阳能光谱长弧氙灯(16)。

6.根据权利要求1或5所述的混凝土试验装置，其特征是：辐射强度测量控制系统(13)由调压器和采用带有光纤传输测量全光谱辐射强度的太阳能辐射计组成，用调压器改变输入电压来实现所述氙灯入射光的强度和均匀度的调节。

7.根据权利要求1所述的混凝土试验装置，其特征是：试验数据采集处理系统(11)通过传感器对试验过程中的温度、流量、电阻、电压和电流进行循环检测，并具有图表处理功能。

8.一种基于权利要求1至7中任一权利要求所述的混凝土实验装置的用途，其特征是：用于沥青混凝土或水泥混凝土的太阳能集热试验及其融雪化冰试验，其中融雪化冰试验为流体加热法或电热法。

9.根据权利要求8所述的用途，其特征是采用以下方法来实现混凝土太阳能集热试验，其步骤包括：

预成型内埋有换热管道的混凝土试块放置在可升降样品台(9)上，换热管道与恒温水箱(14)连接，计量泵(15)为换热介质水提供驱动力；

调节可升降样品台的高度与第二风机(10)下端平行，该风机工作时在混凝土试块表面形成循环风；

开启水冷型全太阳能光谱长弧氙灯(16)模拟太阳光，通过调节输出电压来改变该氙灯的光线强度； 

开启空气压缩机(5)、换热器(7)、第一风机(6)和温度测量控制系统(12)，对试验箱体(1)内的实验环境温度进行调节；

在混凝土试块各个部位，换热管道的出入口都设有温度传感器和流量计，试验数据采集处理系统(11)与传感器连接，试验过程中实时测量、记录和处理，获得试块太阳能集热过程中的温度场和集热效率等一系列结果。

10.根据权利要求8或9所述的用途，其特征是采用以下方法来实现融雪化冰试验，其步骤包括：

利用空气压缩机(5)、换热器(7)、第一风机(6)和温度测量控制系统(12)对试验箱体(1)进行恒温，对放置在可升降样品台(9)上的表面结冰或积雪的混凝土试块进行融雪化冰效果检测；

然后，采用流体加热法或电热法融雪化冰试验；试验过程中，利用第二风机(10)在混凝土试块表面形成不同速度的风力；

采用流体加热法融雪化冰的，其方法与权利要求9所述内容相同；

采用电热法融雪化冰的测量方法是：温度测量控制系统(12)对通过调节电压实现发热功率的改变，数据采集处理系统(11)对温度、电流和电压进行测量，获得融雪化冰过程中试块温度场、融雪化冰效率等结果；移除太阳能灯柜(4)后，将试验箱体(1)放置在冰雪天气中或另配置造雪机，再进行实时融雪试验。 

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