攪拌設(shè)備瀝青罐動(dòng)態(tài)加熱模型的研究與應(yīng)用

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摘要：為了研究攪拌設(shè)備瀝青罐加熱節(jié)能技術(shù)，通過對(duì)比2種瀝青罐的結(jié)構(gòu)，分析動(dòng)態(tài)加熱原理和加熱過程，建立了瀝青罐動(dòng)態(tài)加熱模型，確定了多個(gè)瀝青罐的加熱時(shí)序和節(jié)點(diǎn)，形成“梯形動(dòng)態(tài)”加熱模式；根據(jù)依托的實(shí)體工程設(shè)備和混合料參數(shù)，經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證得出，在保證攪拌設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)的條件下，相鄰罐瀝青加熱的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為，在用罐內(nèi)瀝青剩余20.6%。該工藝較傳統(tǒng)工藝節(jié)能16.4%，可以有效降低加熱能耗。

關(guān)鍵詞：路面機(jī)械；攪拌設(shè)備；動(dòng)態(tài)加熱；加熱模型

中圖分類號(hào)：U415.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： To study the energy-saving technology for asphalt tank heating of asphalt mixing plants， a dynamic heating model was established by comparing the structures of two kinds of asphalt tanks and analyzing the principle and process of dynamic heating. The heating time and node of the asphalt tanks were determined， and the trapezoid dynamic heating mode was formed. Combined with the equipment used in practical projects and the mixing parameters， a conclusion was drawn after verifying with calculation and test， stating that under the condition that the continuous production of asphalt mixture is ensured， the heating time node for adjacent asphalt tank is when 20.6% of asphalt remains in the tank that's being used. The technology can effectively reduce the heating energy consumption， with 16.4% less comparing to traditional practice.

Key words： road machinery； asphalt mixing plants； dynamic heating； heating model

0 引 言

攪拌設(shè)備通常配置多個(gè)瀝青罐，若同時(shí)加熱到最高使用溫度并長時(shí)間儲(chǔ)存，不僅會(huì)使瀝青老化，而且會(huì)導(dǎo)致大量能量消耗。針對(duì)瀝青罐加熱節(jié)能技術(shù)，王發(fā)聽等基于CFD、FLUENT提出了瀝青罐最佳攪拌裝置布局，將瀝青加熱速度提升14%，燃油消耗減少5.5%[1-2]；Peerapong Jitsangiam等依據(jù)流體力學(xué)理論模型研究了攪拌裝置在罐內(nèi)的布置方式與攪拌功率之間的關(guān)系。張春錚等從瀝青罐安裝調(diào)試方面提出有利于節(jié)能的安裝要點(diǎn)及注意事項(xiàng)[3]；李廣斗對(duì)合理配置瀝青罐容積、提高加熱速度進(jìn)行了研究[4]；美國道路瀝青鋪裝協(xié)會(huì)（NAPA）于2011年從排放控制、自動(dòng)化控制、溫拌瀝青、可持續(xù)發(fā)展等方面提出了瀝青儲(chǔ)存、加熱的新方法。雖然以上研究從瀝青罐結(jié)構(gòu)形式、溫度控制、節(jié)能環(huán)保等不同角度對(duì)瀝青罐提高加熱效率、降低能耗進(jìn)行了研究，但并未涉及施工過程中多個(gè)瀝青罐的動(dòng)態(tài)加熱模型。

1 瀝青罐結(jié)構(gòu)

瀝青罐有2種形式，分別為立式和臥式。常見的是圓柱形臥式罐，罐內(nèi)設(shè)置有蛇形循環(huán)管，實(shí)現(xiàn)加熱、保溫等功能；導(dǎo)熱介質(zhì)（導(dǎo)熱油或水蒸氣）從蛇形循環(huán)管中流過，把熱量傳給瀝青；罐壁由保溫層和蒙皮組成，保溫層通常由石棉或其他導(dǎo)熱系數(shù)低的材料構(gòu)成，蒙皮通常使用不銹鋼或電鍍金屬板材[5]。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)罐內(nèi)是否設(shè)置攪拌裝置，可分為普通罐和攪拌罐2種。

1.1 普通瀝青罐結(jié)構(gòu)

普通瀝青罐由溫度傳感器、液位計(jì)、蛇形循環(huán)管等組成，如圖2所示。溫度傳感器用于檢測罐內(nèi)瀝青溫度；液位計(jì)用于顯示罐內(nèi)液位高低，并由安裝于瀝青罐底的壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出到液位顯示器；蛇形循環(huán)管用于保溫及加熱瀝青，導(dǎo)熱油由蛇形循環(huán)管進(jìn)口進(jìn)入罐內(nèi)，通過管壁將熱量傳遞給瀝青，經(jīng)出口回流至導(dǎo)熱油爐。普通罐結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但由于缺少強(qiáng)制攪拌裝置，加熱效率較低。

1.2 強(qiáng)制攪拌瀝青罐結(jié)構(gòu)

圖3為強(qiáng)制攪拌瀝青罐的結(jié)構(gòu)，它在普通瀝青罐的基礎(chǔ)上，增加了帶槳葉的攪拌裝置。在槳葉的攪動(dòng)下，瀝青在罐內(nèi)呈整體流動(dòng)和湍流脈動(dòng)狀態(tài)，增加熱交換速率，提高加熱效率。

2 動(dòng)態(tài)加熱原理與加熱過程分析

2.1 動(dòng)態(tài)加熱原理

動(dòng)態(tài)加熱包含兩方面內(nèi)容：一是由于攪拌裝置作用，瀝青在加熱過程中自始至終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，稱為“攪拌動(dòng)態(tài)”；二是依據(jù)罐內(nèi)瀝青溫升速度、使用時(shí)間等參數(shù)，動(dòng)態(tài)安排多個(gè)瀝青罐的加熱時(shí)序及節(jié)點(diǎn)，形成梯形動(dòng)態(tài)加熱模型，稱為“梯形動(dòng)態(tài)”。

瀝青加熱過程中，初始加熱時(shí)溫度相對(duì)較低，在“攪拌動(dòng)態(tài)”作用下呈整體流動(dòng)和湍流脈動(dòng)；隨著瀝青溫度升高，湍流脈動(dòng)成為主要運(yùn)動(dòng)形式，熱對(duì)流效應(yīng)增強(qiáng)，任一瀝青微元體在瀝青罐的任何一個(gè)部位都不會(huì)停留[6]。因此，在蛇形循環(huán)管周圍不會(huì)形成高溫過熱區(qū)域，從根本上避免了瀝青過熱導(dǎo)致的老化和結(jié)碳。另外，運(yùn)動(dòng)著的瀝青具有較大的動(dòng)能，足以克服瀝青自身的表面張力和粘滯力，實(shí)現(xiàn)與蛇形循環(huán)管之間的連續(xù)熱交換。反復(fù)掠過加熱管表面的瀝青微元體，不是整體受熱，而是接觸表面薄膜換熱，從根本上克服了瀝青導(dǎo)熱性差的缺點(diǎn)，提高了傳熱效率。

“梯形動(dòng)態(tài)”是根據(jù)工程實(shí)際的攪拌設(shè)備生產(chǎn)率、混合料瀝青含量、瀝青使用溫度、初始溫度、加熱速度、瀝青罐儲(chǔ)量等參數(shù)，根據(jù)罐內(nèi)瀝青熱平衡模型確定各罐瀝青的加熱時(shí)序和節(jié)點(diǎn)，形成“梯形動(dòng)態(tài)”加熱模式。

依據(jù)式（12），針對(duì)確定的瀝青罐，需知道攪拌設(shè)備生產(chǎn)率，混合料瀝青含量，每罐瀝青質(zhì)量、初始溫度、使用溫度以及加熱速度或每罐瀝青加熱時(shí)間、使用時(shí)間及加熱時(shí)間富余系數(shù)，即可求得開始加熱下一罐瀝青時(shí)罐內(nèi)瀝青剩余量。

3 瀝青罐動(dòng)態(tài)加熱模型與工藝研究

3.1 瀝青罐動(dòng)態(tài)加熱模型

通過以上加熱過程可知，開始加熱下一罐瀝青的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與瀝青溫升速度v、加熱每罐瀝青所需時(shí)間t1及每罐瀝青可用時(shí)間t2等參數(shù)有關(guān)。在開始生產(chǎn)之前，應(yīng)提前φt1小時(shí)開始加熱第P罐瀝青，在第P罐瀝青剩余M時(shí)，開始加熱第P+N+1罐，如圖4所示。

3.2 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)采用瑪蓮尼4000型間歇式瀝青攪拌設(shè)備，額定產(chǎn)量為320 t·h-1，共有7個(gè)瀝青罐，型號(hào)為T-500，容積為50 m3，外形尺寸10 660 mm×2 660 mm×3 050 mm，罐內(nèi)安裝圖3所示的強(qiáng)制攪拌裝置。加熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油，溫度為180 ℃～200 ℃，可將瀝青加熱到165 ℃～175 ℃。

由于采用式（9）進(jìn)行加熱速度計(jì)算需要的參數(shù)較多，過程繁瑣，因此在實(shí)體工程中可通過試驗(yàn)獲取。在加熱過程中，每半小時(shí)測取一次罐內(nèi)瀝青溫度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

5 結(jié) 語

（1）分析了瀝青罐結(jié)構(gòu)及“梯形動(dòng)態(tài)”加熱過程，建立了瀝青罐動(dòng)態(tài)加熱模型，根據(jù)罐內(nèi)瀝青加熱時(shí)間、使用時(shí)間及加熱時(shí)間富余系數(shù)確定了各瀝青罐的加熱時(shí)序和節(jié)點(diǎn)。

（2）結(jié)合實(shí)體工程試驗(yàn)得出，開始加熱下一罐瀝青的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為，在用罐內(nèi)瀝青量剩余20.6%時(shí)。采用該工藝較傳統(tǒng)工藝可節(jié)能16.4%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王發(fā)聽，連晉毅，寧保龍，等.基于FLUENT的瀝青加溫罐攪拌裝置優(yōu)化布局研究[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2014，31（1）：95-98.

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[4] 李廣斗.瀝青貯存罐加溫速度工藝的改進(jìn)[J].山東交通科技，1999（2）：93-96.

[5] 王發(fā)聽.車載式瀝青罐流場數(shù)值模擬及熱平衡研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2014.

[6] 王 經(jīng).傳熱學(xué)與流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2007.

[7] 劉洪海，吁新華.基于瀝青路面施工質(zhì)量的設(shè)備合理匹配技術(shù)研究[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2007，24（7）：23-27.

[責(zé)任編輯：黨卓鈺]