沥青路面太阳能集热性能研究

【摘要】： 地球上化石能源的储量是有限的,而人类发展对能源的需求是无限的。探索可再生能源的利用方法和提高现有能源的利用效率,是解决人类发展过程中能源和环境两个根本问题的主要途径。由于黑色沥青路面具有很强的吸收太阳能的能力,利用沥青路面吸收太阳能成为了一项新型的能源利用技术。将沥青路面收集的太阳能利用起来,不仅能用于路面的融雪化冰,还能给建筑物供暖制冷,从而减少传统能源在建筑能耗中的使用,大大缓解我国能源紧张并减少CO2等废气的排放。基于以上优点,该技术能提供多少能量以及如何提高该系统的集热效率是首要关注的问题。沥青混合料作为一种温敏性材料,路面材料和集热过程对路面温度场的影响也需要考虑。 本文首先基于传热学和气象学的基本原理,分析路面太阳能集热原理及热工过程,解析影响沥青路面集热的路面材料及结构特性和环境气候条件等基本概念,界定影响沥青混凝土太阳能集热性能的关键参数。 第二,基于前人的研究成果,对集热用沥青混合料组成进行设计,复合导热相填料制备导热沥青混凝土；通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验评价沥青混合料水稳定性；通过高温车辙试验评价沥青混合料抗车辙变形的高温稳定性;通过瞬态平板热源法,测量沥青混凝土的热学参数。结果表明所制备的导电沥青混凝土水稳定性、高温稳定性等均满足规范的要求,导热系数提高了28.9%。 第三,参考相关国标并结合沥青混凝土制备和成型的实际情况对沥青路面进行太阳能集热技术的室内试验装置进行设计,包括试验数据采集处理系统、温度流量测控系统、辐照度测量控制系统三大部分；通过集热试验验证了试验装置和方法能模拟实际集热条件,同时可进行沥青混凝土试块进行温度场测试；测试结果的精度满足室内可控条件下对沥青混凝土太阳能集热性能评价的要求。 第四,根据沥青路面所处的实际气候条件,借助实验装置模拟气候条件在室内对路面温度场进行测量；获得沥青路面温度的变化过程、温度的垂直分布、温度变化速率以及温度梯度等结果,分析结果表明导热沥青混凝土对路面温度场有很大影响,路面埋管的最佳深度为2.5cm～5cm。 第五,在制备的沥青混凝土集热器中通入循环水,测量集热器内部温度的变化过程；评价不同流量对降低路面温度的效果以及路面初始温度对路面升温过程的影响。结果表明了沥青混凝土路面太阳能集热技术可以较大幅度地降低路面温度；随着流量的提高,路面表面温度呈线性关系降低,出口水温下降而单位面积集热量逐渐增加,并由此可计算出通入循环水的时间为路面埋管深度处的底部温度达到特定换热工质和流量所需平衡温度时。 【关键词】：太阳能 沥青混凝土 试验装置 温度场 集热性能
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：U416.217;TK512
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-12
• 第1章 绪论12-25
• 1.1 沥青路面太阳能集热技术研究背景12-14
• 1.2 国内外研究现状14-23
• 1.2.1 太阳能的利用14-16
• 1.2.2 道路能量系统16-18
• 1.2.3 沥青路面太阳能集热性能18-23
• 1.3 本文的主要研究内容23-25
• 第2章 沥青路面集热的基本问题25-44
• 2.1 传热的基本模式25-30
• 2.1.1 热传导25-26
• 2.1.2 热对流26-28
• 2.1.3 热辐射28-30
• 2.2 沥青路面太阳能集热基本原理30-33
• 2.2.1 基本结构30-31
• 2.2.2 工作过程31
• 2.2.3 集热过程及性质31-33
• 2.3 沥青路面集热有关的重要参数33-41
• 2.3.1 材料的热物性33-34
• 2.3.2 路表有效辐射34-35
• 2.3.3 天空有效温度35-36
• 2.3.4 表面对流换热系数36-41
• 2.3.5 管内对流换热系数41
• 2.3.6 换热工质物性41
• 2.4 沥青路面太阳能集热的评价方法41-44
• 2.4.1 热性能评价41-43
• 2.4.2 经济性评价43-44
• 第3章 太阳能集热用沥青混合料的组成设计44-53
• 3.1 原材料与级配44-46
• 3.1.1 沥青44-45
• 3.1.2 集料及矿粉45-46
• 3.1.3 导热相填料46
• 3.2 材料组成设计46-48
• 3.2.1 所用级配46-48
• 3.2.2 沥青用量48
• 3.2.3 导热沥青混合料48
• 3.3 沥青混合料常规性能检验48-52
• 3.3.1 评价方法48-49
• 3.3.2 马歇尔试验49
• 3.3.3 水稳定性试验49-50
• 3.3.4 高温稳定性试验50-51
• 3.3.5 沥青混凝土热学参数的测量51-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第4章 太阳能集热试验装置的设计53-62
• 4.1 概述53
• 4.2 沥青路面太阳能集热的试验装置53-59
• 4.2.1 辐射光源53-55
• 4.2.2 温度传感器55-56
• 4.2.3 集热器结构的设计56-58
• 4.2.4 试验台架的设计58
• 4.2.5 换热工质及其温度调节58-59
• 4.2.6 换热工质的驱动装置59
• 4.2.7 管道布置及组装59
• 4.3 试验装置的测量与控制59-62
• 4.3.1 辐照度的测量与控制59-60
• 4.3.2 温度的测量与控制60
• 4.3.3 流量的测量与控制60-62
• 第5章 沥青路面温度场试验研究62-71
• 5.1 沥青路面温度场试验目的62
• 5.2 沥青路面温度场试验方案62-66
• 5.2.1 试验环境条件62-63
• 5.2.2 试样的制备63-65
• 5.2.3 试验程序65-66
• 5.3 试验结果与分析66-70
• 5.3.1 石墨对沥青路面温度分布的影响66-67
• 5.3.2 石墨对沥青路面温度变化速率的影响67-68
• 5.3.3 石墨对沥青路面温度梯度的影响68-70
• 5.4 本章小结70-71
• 第6章 沥青路面太阳能集热性能研究71-82
• 6.1 沥青混凝土太阳能集热器的制备71-73
• 6.1.1 集热器的结构71-73
• 6.1.2 试样的制备73
• 6.2 沥青混凝土太阳能集热室内试验73-74
• 6.2.1 试验环境及参数73-74
• 6.2.2 试验程序74
• 6.3 集热对沥青混凝土温度场的影响74-78
• 6.3.1 循环水对混凝土内部温度的影响74-75
• 6.3.2 流量对混凝土内部温度的影响75-77
• 6.3.3 初始温度对混凝土内部温度的影响77-78
• 6.4 沥青混凝土太阳能集热性能78-81
• 6.4.1 沥青混凝土集热器加热试验78-79
• 6.4.2 流量对进出口水温差的影响79-80
• 6.4.3 流量对集热量的影响80-81
• 6.5 本章小结81-82
• 第7章 结论与展望82-84
• 7.1 结论82-83
• 7.2 展望83-84
• 参考文献84-91
• 致谢91-92
• 附录92-93

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