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季节性冻土区路基专用太阳能主动供热装置研究(3)
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摘要:Qf=mcΔT 式中:m为路基土体质量,kg;c为质量比热容,J·kg-1·℃-1;ΔT为温度差,℃。 4)有效热利用率 太阳能有效热利用率η为路基热储量变化值Qf与太阳
Qf=mcΔT
式中:m为路基土体质量,kg;c为质量比热容,J·kg-1·℃-1;ΔT为温度差,℃。
4)有效热利用率
太阳能有效热利用率η为路基热储量变化值Qf与太阳辐照量S的比值,即
由式(2)、式(3)和式(4)进一步可得
3.3 路基供热方案设计步骤
通过太阳能供热来防治路基冻胀时,应综合考虑路基所处气候环境条件及供热需求等因素,灵活地匹配太阳能供热装置的热容量与布设方案。装置设计步骤及依据为:①根据路基冻结深度和冻害发育位置,确定供热段几何尺寸和布设位置;②根据路基所处环境条件,包括气温、风速、路基温度及地基温度等因素,计算路基热负荷变化规律及所需供热量;③根据当地太阳辐照条件,根据装置光热转化率,考虑气候条件对装置热损的影响,评估装置供热温度、集热功率等性能;④根据路基不同填料的热特性参数取值水平,评估装置的热影响范围及纵向布设间距;⑤根据装置供热量要求,确定集热段吸热体面积和几何尺寸(直径、高度)。
4 供热装置性能试验
4.1 试验简介
根据路基热负荷水平及式(1)估算结果[19],制作1根吸热体面积为0.2 m2的路基专用太阳能供热装置如图3所示,用于模型试验,其外玻璃管材质为高硼硅3.3玻璃,金属吸热管和供热段材质均为 钢材,供热段高度为1.5 m、直径为80 mm,其他部件参数及取值见表2。
参考相关规范要求[24],搭建路基专用太阳能供热装置的试验系统,试验地点位于北京交通大学隧道中心楼旁侧,如图3所示。装置埋置于模型箱中心,模型箱由厚度为15 mm的竹胶板拼装而成,几何尺寸(长×宽×高)为0.8 m×0.8 m×1.5 m。模型箱内填充粉土,密度为1 790 kg·m-3,比热容为950 J·kg-1·℃-1。
表2 金属吸热体真空管技术规格参数长度外径内径玻璃管透过率涂层吸收率涂层发射率真空度热损失系数取值2 060 mm 70 mm 32 mm≥96%≥95%≤10%≤10-3 mbar≤0.8 W·m-2·℃-1
图3 太阳能供热装置试验(单位:mm)
监测指标包括集热段出口温度、供热温度、地基温度、辐射强度。在装置纵向管壁上布置1列温度传感器,从上至下编号依次为TA-1—TA-7。在地基中按照0.15 m 径向间距布置3列温度传感器,从内向外每列编号依次为TB-1—TB-6,TC-1—TC-6,TD-1—TD-6,温度传感器数据通过Datataker80数采仪采集。
为研究不同条件下装置的热性能,分别在自然辐照环境和人工辐照环境下进行试验。自然辐照环境为露天环境,在2017年夏季直接选择不同天气进行试验,每组试验时间为1 d,总计10 组。人工辐照环境为隔光环境,采用Osram 高压钠灯模拟恒定辐射强度的太阳光,辐照时间为每天9:00—17:00,辐射强度为331.6 W·m-2,日均辐射量为9.55 MJ·m-2·d-1。为得到准确的地基热利用率,人工辐照环境试验选择在气候相对稳定的秋季进行,试验时间为-,试验期间日均温度约为8.0~10.0℃,试验时长共计10 d。
4.2 试验结果
4.2.1 集热温度
图4为自然辐照环境试验中集热段出口温度与太阳辐射强度的变化曲线,试验时间为。由图4可以看出:太阳辐射强度在上午逐渐升高,峰值出现在11:25,此时集热段以接受太阳直射辐照为主,最高约700 W·m-2,集热温度随之增大,峰值达57.37℃;之后由于太阳偏转,集热段在12:10 进入阴影区,改以接受太阳散射为主,辐射强度迅速降低,集热温度也随之减小。可见,集热段出口温度与辐射强度变化规律一致,即光热转化效率直接取决于太阳辐射强度。因此在实际应用中,太阳能供热装置应注意布设在太阳辐照条件良好的位置,其安装倾角也应优化。
图4 集热段出口温度与太阳辐射强度的变化曲线
4.2.2 供热温度
图5为自然辐照环境试验中供热温度的变化曲线,由传感器TA-1—TA-7 获得,试验时间为。由图5可以看出:1天中供热温度也呈先增大、后减小的变化趋势,由于周围介质温度较低,供热温度显著低于集热段出口温度。同时,由于导热油的储热能力,供热段在夜间也可以维持一定时长的热输出。
图5 装置供热段温度的变化曲线
图6为自然辐照环境试验中装置供热段在垂直方向的温度分布,由传感器TA-1—TA-7 获得,试验时间为。由图6可以看出:不同高度位置的温度传递有一定时间滞后性,原因为导热油的静态热传导速率相对较慢,热量由上至下传递需要一定的时间;此外,由于土体热阻大,热量在装置与土体界面附近会相对富集,容易引起热量向环境散失,因此实际应用时应注意装置的集热段与供热段连接部位和路基表面的保温。
文章来源:《太阳能学报》 网址: http://www.tynxbzz.cn/qikandaodu/2021/0707/1257.html
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