幾種常用瀝青器械加熱的熱工計(jì)算分析

文/昌吉公路管理局硫磺溝分局　海衣沙爾·斯瑪依爾

昌吉公路管理局三臺收費(fèi)站　阿不力克木·買買提

瀝青器械加熱的熱工計(jì)算關(guān)系施工操作的效率和質(zhì)量，關(guān)系到瀝青材料優(yōu)良性能的實(shí)現(xiàn)。本文就幾種常用瀝青器械加熱的熱工計(jì)算展開研究，以期為同類工程應(yīng)用提供熱工計(jì)算技術(shù)參考。

鋪筑或養(yǎng)護(hù)公路瀝青路面經(jīng)常面臨瀝青器械加熱的工藝和課題，瀝青器械加熱的熱工計(jì)算關(guān)系施工操作的效率和質(zhì)量，也關(guān)系瀝青材料優(yōu)良性能的實(shí)現(xiàn)。本文就幾種常用瀝青器械加熱的熱工計(jì)算展開研究，以為同類工程應(yīng)用提供熱工計(jì)算技術(shù)參考。

火筒加熱瀝青及其熱工計(jì)算

火筒加熱是國內(nèi)較為常用的實(shí)現(xiàn)瀝青加熱的方法之一，主要通過重燃油或著天然氣燃燒加熱的方式實(shí)現(xiàn)對瀝青材料的加熱處理?；鹜布訜峋哂休^為廣泛的熱源材料來源，其加熱的熱值較高，熱值發(fā)揮比較充分，加熱性能好。重燃油加熱方式，節(jié)能環(huán)保功效可觀，也是一定意義上的資源再利用。

根據(jù)羅波-伊萬斯輻射模型得知，火筒輻射加熱的熱交換量計(jì)算公式為：

上述公式中，Qr為火筒熱傳遞量，系依據(jù)輻射熱交換方程計(jì)算所得，單位是(kJ/kg)；Aft是火筒的受熱面面積，單位是(m2)；Bc為消耗的燃料量，單位是(kg/s)；C是火筒輻射常數(shù)，通常取值 4.410-3～4.610-3，單位為是火筒煙氣出口的溫度，單位為(K)；

Tb是火筒壁面的溫度，一般可取值以火筒外側(cè)的介質(zhì)溫度數(shù)值。

導(dǎo)熱油加熱瀝青及其熱工計(jì)算

導(dǎo)熱油加熱瀝青方式通常情況下采用獨(dú)立外置瀝青罐的導(dǎo)熱方式，其是將瀝青罐與導(dǎo)熱油爐分隔開，在瀝青罐以外，獨(dú)立設(shè)置導(dǎo)熱油爐。熱導(dǎo)熱油在外置爐獲得一定溫度后，帶熱流經(jīng)瀝青罐的熱交換盤管，經(jīng)過盤管與瀝青進(jìn)行傳遞，實(shí)現(xiàn)加熱瀝青。導(dǎo)熱油熱交換后，經(jīng)油管再流回導(dǎo)熱油加熱爐內(nèi)繼續(xù)加熱，如此往復(fù)循環(huán)。

導(dǎo)熱油熱傳遞的計(jì)算

獨(dú)立外置瀝青罐的導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)具有熱容量和導(dǎo)熱油循環(huán)量大，溫升快等特點(diǎn)，而內(nèi)置雙層U型管式的導(dǎo)熱油瀝青加熱系統(tǒng)在此類方面則要弱勢得多，熱平衡系統(tǒng)方程為：

上述公式中，Q為輸入的導(dǎo)熱油爐熱量值，單位(kJ)；Q1為瀝青加熱過程中吸收的熱量值，單位(kJ)；Q2為加熱進(jìn)程中損失的熱量值，單位(kJ)。

由熱傳遞原理可知，盤管熱傳遞過程主要包括導(dǎo)熱油本身的對流熱傳遞，管壁與導(dǎo)熱油的熱傳遞。流動加熱介質(zhì)的熱交換系數(shù)可通過公式（3）或（4）計(jì)算得出：

將“IT”與“科技(不含IT)”合并為“科技大類”后看，其總量(2579條)僅次于“文化、生活”，在所有新詞中占有重要比重。說明包含IT新詞在內(nèi)的各種科技類新詞，承載著對新事物、新概念、新技術(shù)的詮釋，正迅速滲透到人們的語言生活中，成為現(xiàn)代新詞中不容忽視的重要組成部分。而IT領(lǐng)域新詞在科技大類新詞中表現(xiàn)活躍，占整體的37.8%，其重要性亦不容忽視。

由于加熱管完全浸沒在瀝青罐之內(nèi)，故這一部分幾乎沒有熱量損失，可忽略考慮熱損耗。露于空氣中布置輸油管道，因?yàn)楣鼙谙蛑車諝膺z失熱量，會造成熱系統(tǒng)熱量損耗。加熱過程中瀝青罐也會向周圍空氣釋放熱量，導(dǎo)致一部分熱量損失。綜合考慮上述兩方面熱損耗，所以熱交換效率通常取值以0.75～0.85，于是即有：

施工中為了實(shí)現(xiàn)快速加溫的要求，升溫速度在10℃/h以上才符合作業(yè)操作的速度要求，1小時(shí)使瀝青上升Δt溫度所需求的熱量是：

由公式（2.3）和公式（2.4）得到油爐的供熱能力Q'為：

消耗燃料量的計(jì)算

瀝青鋪筑車一般以柴油加熱導(dǎo)熱油，9600ka1.kg-1為其熱值，那么燃油的消耗量是：

上述公式中，P為柴油密度，一般P=0.84×103kg/m3；為導(dǎo)熱油爐的熱效率，參數(shù)一般由該設(shè)備的生產(chǎn)廠家提供；Q'計(jì)量反映熱爐的供熱能力，單位(kJ/h)。

循環(huán)油量的計(jì)算

加熱系統(tǒng)需要循環(huán)導(dǎo)熱油量：

上述公式中，P為柴油密度；C為導(dǎo)熱油比熱，單位[kJ.(kg.K)-1]；t1是爐進(jìn)口導(dǎo)熱油溫度，單位(℃)；t2是爐出口導(dǎo)熱油溫度，單位(℃)。

施工操作還要考慮安全操作溫度，進(jìn)出口的油溫差一般控制在10℃～20℃，導(dǎo)熱油最高操作溫度一般取值為200℃～230℃。對流受熱面爐管里的導(dǎo)熱油流速一般控制在≥1.5m.s-1，輻射受熱面爐管里的導(dǎo)熱油流速一般控制在≥2m.s-1，此種做法是為了有效避免積碳現(xiàn)象和爐內(nèi)導(dǎo)熱油過熱。

熱傳遞的計(jì)算

上述公式中，S反映熱交換的總面積(m2)；td熱爐進(jìn)出口處的平均溫度(℃)；ta為加熱終了與初始溫度的平均值，單位（℃）；K為熱油向?yàn)r青的熱傳遞常數(shù)，單位[kw/(m2.℃ )]；反映加熱系統(tǒng)的熱效率；Q反映油爐的加熱能力，單位(kJ/h)。

微波加熱瀝青及其熱工計(jì)算

瀝青微波加熱的計(jì)算

在微波加熱瀝青材料的過程中，在微波能量的作用下，瀝青聚集料把熱能傳遞給了瀝青料。微波加熱的能量集中，熱損耗較低，微波輻射會對瀝青材料持續(xù)進(jìn)行加熱，只要有微波能量存在，因此微波加熱可以短時(shí)間內(nèi)迅速推升瀝青材料的溫度。不同瀝青材料的基本電介性質(zhì)參數(shù)具體如表1所示：

表1 瀝青材料之基本電介性質(zhì)參數(shù)

對于吸收微波能量的能力，隨著電介質(zhì)的介電常數(shù)的差異，不同材料的吸收能力有所不同。

依據(jù)公式（11）可知，微波熱能轉(zhuǎn)換和吸收的程度，與介電常數(shù)ε、電場強(qiáng)度E2及介質(zhì)功耗δ的正切值呈正比關(guān)系。但它不與微波頻率f構(gòu)成正比關(guān)系，介電常數(shù)ε會根據(jù)不同的微波頻率進(jìn)行一定的變化，假定微波功率被介質(zhì)吸收后全部轉(zhuǎn)化為熱能，介質(zhì)溫升Δt則為：

上述公式中，T為微波照射的持續(xù)時(shí)間，單位(S)；W是微波的頻率，單位(Hz)；C是介質(zhì)的比熱，單位[J/(kg.K)]；P是介質(zhì)的密度，單位(kg/m3)。

由于熱傳導(dǎo)在實(shí)際運(yùn)行中存在部分功率流失，所以：

故具體實(shí)際溫度升高值應(yīng)為：

根據(jù)麥克斯韋波動方程可得計(jì)算公式：

基于足夠小的微波單元，可以將微波輻射簡化為平面波，根據(jù)此條件，麥克斯韋波動方程組可以寫成：

微波加熱瀝青混凝土?xí)r，瀝青混凝土跟周邊介質(zhì)間會存在熱交換。在t 時(shí)間內(nèi)，微元體電介質(zhì)吸收微波能以后，溫度升至θ溫度所需能量的功率可以由下式計(jì)算：

在上述公式中，P為介質(zhì)的密度常數(shù)，單位(kg/m3)；T為加熱用時(shí)，單位(S)；Q是介質(zhì)所吸收的熱能量，單位(J)；C為介質(zhì)的比熱參數(shù)，單位[J/(kg.K)]。

體積V內(nèi)的微波平均損耗功率為：

在上述公式中，WN為電介質(zhì)的損耗因子，E＊為特定方向的電場強(qiáng)度。微元體內(nèi)我們假定電場均勻分布，那么單位體積內(nèi)，熱功率損耗的平均量值可以計(jì)算為：

由此，瀝青混凝土微波加熱路面微元體時(shí)，可以由以下熱傳導(dǎo)方程計(jì)算：

非穩(wěn)態(tài)三維有源加熱的瀝青混凝土微波加熱數(shù)理模型，即由上述溫度分布傳導(dǎo)、場強(qiáng)以及損耗功率方程構(gòu)成，相關(guān)計(jì)算也由此獲得。