瀝青路面紅外輻射加熱最佳波段的確定研究

陳 超

(長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710000)

目前，瀝青舊路面的主流加熱方式有三種，即熱風(fēng)加熱、紅外輻射加熱和微波加熱[1]。紅外輻射加熱通常利用燃燒燃?xì)馊剂系姆绞郊訜岫嗫捉饘倮w維網(wǎng)或其他紅外輻射材料，使其發(fā)出可以用于加熱舊瀝青路面的紅外波段[2]。瀝青路表面吸收的熱量以熱傳導(dǎo)的方式向其內(nèi)部傳遞，但目前紅外輻射加熱器金屬網(wǎng)層燃燒溫度設(shè)定大多以經(jīng)驗(yàn)得出，而對加熱紅外波段研究不深入、設(shè)定不精確的溫度參數(shù)，會導(dǎo)致紅外輻射加熱器作業(yè)過程中有一定的燃料利用率不高、加熱效率偏低的問題。 所以，對加熱的最佳紅外波段的研究對實(shí)際工程中有很大幫助。

1 瀝青路面紅外加熱機(jī)理

1.1 紅外輻射加熱機(jī)理

紅外線是一種波長處于 0.78μm～1 000μm 之間的電磁波，圖1 表示了電磁波的分布與定義。 紅外輻射是由于物質(zhì)受到外界的干擾或刺激，其內(nèi)部電子或分子運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生了變化，即能級變化。 當(dāng)它們從高能級態(tài)最終回到低能級態(tài)時(shí)，多余能量以電磁波的形式向外傳播紅外輻射。一般分為三個(gè)波段，即近紅外 0.78μm～3μm、3μm～40μm和 40μm～1 000μm。

圖1 電磁波圖

1.2 金屬纖維加熱器工作原理

紅外輻射加熱器的工作原理：空氣和燃?xì)庠陬A(yù)混腔預(yù)混后進(jìn)入加熱器端部，通過一級和二級分流板均勻地分布在金屬網(wǎng)表面。 預(yù)混氣在點(diǎn)火裝置后被點(diǎn)燃，在金屬纖維網(wǎng)表面燃燒，經(jīng)過幾十秒后，金屬網(wǎng)溫度達(dá)到設(shè)定好的溫度并向外輻射紅外線。利用紅外線的穿透能力對瀝青路面進(jìn)行內(nèi)部升溫加熱，同時(shí)燃燒后的高溫?zé)煔馀c被加熱對象進(jìn)行對流換熱。 金屬纖維加熱器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 金屬纖維加熱器結(jié)構(gòu)示意圖

金屬纖維燃燒過程中，路面的能量傳遞如圖3 所示。

圖3 加熱路面能量傳遞

1.3 瀝青路面“非匹配”加熱

非匹配吸收機(jī)理認(rèn)為在光譜吸收峰處和分子發(fā)生共振吸收之外，處于紅外光譜中吸收峰之間的波段，紅外輻射可以進(jìn)入物質(zhì)且具有較強(qiáng)的穿透能力，其核心是穿透深度[3]。

瀝青路面混合料主要由瀝青和粗細(xì)集料（石料）組成。根據(jù)瀝青路面混合料的光譜特性，確定其吸收率最大的光譜帶，以此確定輻射源的發(fā)射光譜區(qū)間。 加熱器所發(fā)射的紅外輻射波長應(yīng)該不同程度上偏離覆蓋在集料 （石料）表面上的瀝青光譜吸收帶，而盡可能使紅外輻射透入其內(nèi)部或者穿透瀝青薄膜加熱集料（石料），來獲得較深的加熱深度，避免在瀝青路面的表面發(fā)生強(qiáng)烈吸收，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外同時(shí)加熱的目的[4]。

圖4 瀝青的紅外光譜圖

圖5 集料（石料）的紅外光譜圖

圖6 水的紅外光譜圖

由圖4、圖5 和圖6 可以看出，瀝青的紅外強(qiáng)吸收峰和較強(qiáng)吸收峰分別是波長3.3μm 左右和6.6μm 左右；集料（石料）的紅外強(qiáng)吸收帶在波長6μm～9μm；水的強(qiáng)吸收帶在波長3μm 和6μm 左右。加熱器金屬纖維網(wǎng)設(shè)定的紅外波長要避開這些強(qiáng)吸收峰。

2 仿真模型與計(jì)算參數(shù)

2.1 邊界條件

瀝青路表面為路面熱傳導(dǎo)的主要邊界，在整個(gè)過程中與外界環(huán)境存在4 種熱交換：空氣對流換熱、太陽輻射、空氣輻射換熱和加熱源輻射換熱[5]。 其中，加熱源輻射換熱是溫度場的最主要因素。

加熱機(jī)的金屬纖維網(wǎng)距瀝青路面的加熱高度為10㎝，空氣溫度為20℃，風(fēng)速為3m/s。利用ABAQUS 的高級擴(kuò)展應(yīng)用功能，編寫用戶子程序FILM 模擬空氣對流換熱，DFLUX 模擬加熱機(jī)與路面的輻射換熱[6]。

2.2 有限元模型

選取半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，路面結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)如表1 所示。采用二次熱傳導(dǎo)單元DC2D8。豎直方向?yàn)r青層網(wǎng)格尺寸為0.01m，基層網(wǎng)格尺寸為0.02m，土基網(wǎng)格尺寸為0.05m，水平方向細(xì)化網(wǎng)格尺寸為0.01m。表1 是半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，上中下面層分別為AK-16、AC-20 和 AC-25，厚度分別為 4cm、5cm 和 6cm。

表1 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)

2.3 計(jì)算參數(shù)

數(shù)值模擬計(jì)算中需要的相關(guān)特性參數(shù)如下：瀝青路面發(fā)射率ε1=0.90； 紅外輻射加熱機(jī)金屬纖維網(wǎng)發(fā)射率ε2=0.92； 太陽輻射吸收率 αs=0.90； 絕對零度智 TZ=-273℃；Stefan-Boltzmann 常數(shù) σ=5.67×10-8W/(㎡·K4)。

瀝青路面材料熱特性參數(shù)如表2 所示。

1） 瀝青路面導(dǎo)熱系數(shù)。 根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱基本定律可得到導(dǎo)熱系數(shù)的定義式為：

由定義式可知，導(dǎo)熱系數(shù)λ 在數(shù)值上等于溫度降為1℃/m 時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過等溫面單位面積的熱量，其主要影響因素是物質(zhì)種類和溫度。 瀝青是多孔結(jié)構(gòu)，孔隙中空氣的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度升高而增大，而且瀝青路面材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大[7]。 通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)可知，瀝青路面的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系可近似看成線性關(guān)系，采用分段線性函數(shù)的方法確定，如表3 所示。

2） 路表面與大氣的對流換熱系數(shù)。 瀝青路表面在加熱后與周圍空氣有巨大溫差，所以一直持續(xù)著對流換熱，加熱時(shí)間越長，對流換熱越明顯。 影響瀝青路表面的對流換熱系數(shù)的因素有溫度差、風(fēng)速、路表面粗糙度等[8]。 對流換熱系數(shù)一般是根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式確定。 經(jīng)過比較，美國的學(xué)者Solaimanian 研究得出的經(jīng)驗(yàn)公式更適用于瀝青路面。 該學(xué)者綜合考慮了溫度和風(fēng)速的影響，專門研究了瀝青路面與大氣的對流換熱過程，建立了瀝青路面對流換熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

當(dāng)空氣溫度為20℃，風(fēng)速為3m/s 時(shí)，通過上面的經(jīng)驗(yàn)公式得出的瀝青路面對流換熱系數(shù)基本處于15W/㎡·℃左右。 本文仿真確定的對流換熱系數(shù)就為15W/㎡·℃。

3 仿真方案

3.1 加熱器金屬纖維網(wǎng)溫度的設(shè)定

根據(jù)維恩位移定律，一個(gè)熱輻射源產(chǎn)生的最大光譜輻射度的波長λm與溫度T 的關(guān)系如下：

上式是物理學(xué)的輻射特性概念。 實(shí)際作業(yè)中，更關(guān)注產(chǎn)生特定波長輻射的效率，上式計(jì)算出的溫度并不是實(shí)際工程中需要的合理溫度。

為此，F(xiàn).Benford 提出了輻射效率和工程最大值的概念，并研究推導(dǎo)出了相應(yīng)的公式，Tε為工程最大值，對于同一波長，Tε和 T 關(guān)系如下：

可以看出，工程中最大值的溫度比利用維恩位移定律計(jì)算出的最大值溫度要高出26.6%，在規(guī)定的工作紅外波長下，工程最大值的溫度下，此波長的輻射效率最高，紅外輻射加熱機(jī)的工作效率最高，功耗越少。 參考前文的瀝青、集料（石料）、水的紅外光譜圖，根據(jù)紅外輻射“非匹配”加熱原則，避開強(qiáng)吸收峰，選取 3.5μm～5.5μm 的紅外輻射波段。 根據(jù)維恩位移定律和工程最大值概念公式，計(jì)算得出溫度區(qū)間為394℃～775℃。

3.2 仿真組數(shù)的確定

本文紅外輻射加熱機(jī)的加熱方式選取脈沖式間歇加熱，即加熱作業(yè)過程中，設(shè)定瀝青路表面的溫度上限值和溫度下限值，當(dāng)加熱機(jī)以恒定功率加熱瀝青路面，瀝青路表面的溫度超過溫度上限值或低于溫度下限值，加熱機(jī)停止對瀝青路面加熱。 當(dāng)瀝青路表面溫度在上限值和下限值區(qū)間，加熱機(jī)繼續(xù)加熱，如此往復(fù)多次加熱，直到目標(biāo)深度處的溫度到達(dá)要求。 這次仿真中，溫度上限值設(shè)為180℃，溫度下限值設(shè)為160℃。

結(jié)合紅外輻射“非匹配”加熱原則、維恩位移定律和工程最大值公式計(jì)算得出紅外波段處于3.5μm～5.5μm，相應(yīng)的溫度區(qū)間區(qū)394℃～775℃，本次仿真溫度區(qū)間取400℃～800℃。 溫度差為 400℃，變化值取10℃，平均分為40 組進(jìn)行仿真。

4 結(jié)論

仿真結(jié)果顯示，在紅外波段 3.5μm～5.5μm 區(qū)間，紅外輻射加熱機(jī)對瀝青路面加熱效率較高，在4μm 處即溫度為644℃時(shí)，加熱效果最優(yōu)。 所以，在實(shí)際瀝青路面加熱工程中，應(yīng)使紅外輻射加熱機(jī)產(chǎn)生的紅外波段盡量處于3.5μm～5.5μm 之間，而在 4μm 處加熱效果最佳。

實(shí)際工程中，不同的環(huán)境溫度和風(fēng)速對加熱作業(yè)過程的影響較大，而太陽輻射產(chǎn)生的影響較小。 在對紅外輻射加熱瀝青路面的數(shù)值模擬分析中，要更多地考慮溫度和風(fēng)速的影響，利用控制變量法進(jìn)行多組數(shù)模擬分析，更準(zhǔn)確地確定紅外輻射加熱的最佳紅外波段。