太陽能與廢氣循環(huán)混合加熱式瀝青攪拌裝置

張晨月,楊文強,劉晨曦,王振華,袁寶誠

(寶雞文理學院 機械工程學院，陜西 寶雞 721016)

0 引言

由于我國高原寒區(qū)存在空氣稀薄、年平均氣溫較低、晝夜溫差大、凍融循環(huán)頻繁且劇烈等環(huán)境特點，導致路面損壞比較嚴重[1]，已有的內(nèi)地養(yǎng)護設(shè)備和養(yǎng)護模式在這些地區(qū)適應性和針對性不強。目前對高原寒區(qū)瀝青路面的病害養(yǎng)護也沒有成熟的辦法，寒區(qū)公路修筑和養(yǎng)護一直是世界性的難題。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，如何快速高效地對這些特殊地區(qū)已修筑公路進行養(yǎng)護，直接關(guān)系著我國經(jīng)濟的全面均衡發(fā)展和社會的穩(wěn)定[2]。

分析已存在的道路養(yǎng)護模式，發(fā)現(xiàn)存在如下問題：①采用人工養(yǎng)護模式，效率較低，造成修補/養(yǎng)護不及時，加重路面的損壞；②采用冷補料養(yǎng)護施工，冷補料碾壓破乳后水分不易蒸發(fā)，壓實效果差，殘留水分隨晝夜氣溫變化產(chǎn)生凍融循環(huán)，造成路面破裂，養(yǎng)護質(zhì)量難以保證；③采用熱瀝青養(yǎng)護法，養(yǎng)護效果較好，但瀝青混合料需加熱到160 ℃～180 ℃之間，在高原地區(qū)加熱效率低，初期加溫慢，且加熱保溫過程中耗能多[3]。

本文針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出一種太陽能與廢氣循環(huán)混合加熱式瀝青攪拌裝置。該裝置采用新型熱管式太陽能集熱器吸收太陽輻射能[4,5]，以導熱油作為傳熱介質(zhì)對瀝青進行預加熱，同時考慮天氣變化，通過回收汽車排放的廢氣，流經(jīng)燃燒室實現(xiàn)輔助加熱；由溫控箱對攪拌桶內(nèi)溫度進行實時顯示和控制，以保證瀝青在高原最佳施工溫度范圍之內(nèi)。

1 混合加熱瀝青攪拌裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

混合加熱式瀝青攪拌裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。電機1通過減速裝置驅(qū)動攪拌軸3帶動葉片4轉(zhuǎn)動攪拌，加料斗5固定在支架2上，其不隨攪拌裝置旋轉(zhuǎn)，通過液壓缸18驅(qū)動攪拌桶順時針旋轉(zhuǎn)120°將進/出料口6轉(zhuǎn)至卸料板17位置卸料，太陽能集熱器7(包括高位膨脹罐和熱油循環(huán)泵)對瀝青進行預加熱，尾氣回收燃燒室12對瀝青進行輔助加熱，廢氣通過點火加熱進入空氣循環(huán)管道13，最后經(jīng)排氣管11排出。為了避免加熱過程中溫度過高造成瀝青老化，通過傳感器(圖1中未示出)對攪拌桶內(nèi)溫度進行實時測量，通過溫控箱10調(diào)控攪拌桶內(nèi)溫度；同時為了更好地保溫，在攪拌桶內(nèi)壁14和外壁16之間加裝保溫層15。

1-電機;2-支架;3-攪拌軸;4-攪拌葉片;5-加料斗;6-進/出料口;7-太陽能集熱器；8-導熱油管道;9-導熱油保溫罐;10-溫控箱;11-排氣管;12-尾氣回收燃燒室；13-空氣循環(huán)管道;14-攪拌桶內(nèi)壁;15-保溫層;16-攪拌桶外壁;17-卸料板;18-液壓缸

圖2為太陽能集熱系統(tǒng)，將其安裝于攪拌裝置支架1上，由多根單管式熱管集熱器3及導熱油管道4組成，集熱器頂端連接高位膨脹罐2，在集熱器的出口與膨脹罐之間裝有高壓安全閥，太陽能輻射能通過熱管轉(zhuǎn)換成熱能，連接導熱油保溫罐5,啟動熱油循環(huán)泵6實現(xiàn)導熱油在導熱油管道4中循環(huán)與攪拌桶內(nèi)瀝青進行熱交換之后流經(jīng)太陽能集熱器加熱，再與瀝青換熱，這樣就形成了一個加熱、放熱的循環(huán)回路。

圖3為廢氣循環(huán)燃燒室原理圖，太陽能集熱系統(tǒng)燃油泵8連接氣動霧化噴槍2，冷空氣由軸流風機1吸入，當太陽能集熱系統(tǒng)提供的溫度過高時，不啟動燃油泵8和乙炔點火槍3，直接將冷空氣由空氣出口流入空氣循環(huán)管道，為攪拌桶內(nèi)瀝青降溫；當天氣不好太陽能集熱系統(tǒng)提供的溫度過低時，氣動霧化噴槍2噴入燃油，通過擴散片4的空氣形成渦流便于燃油霧化和摻合，乙炔點火槍點燃可燃氣體，由循環(huán)風帶摻氣孔6導入廢氣，與燃氣充分混合，加熱后的空氣介質(zhì)由燃燒室尾部流出，進入空氣循環(huán)管道，實現(xiàn)對瀝青輔助加熱的功能，最終降溫的空氣經(jīng)排氣管排出。

1-攪拌裝置支架；2-高位膨脹罐；3-熱管集熱器; 4-導熱油管道; 5-保溫罐; 6-熱油循環(huán)泵; 7-攪拌桶外壁

1-軸流風機;2-氣動霧化噴槍;3-乙炔點火槍;4-擴散片;5-循環(huán)風帶;6-摻氣孔;7-廢氣接口;8-燃油泵;9-燃油入口管

2 智能攪拌裝置控制系統(tǒng)整體設(shè)計

考慮成本因素，設(shè)計系統(tǒng)在攪拌的過程中對冷補料進行加熱，即冷補料的攪拌和加熱在同一設(shè)備中進行，這樣不但可以保證冷補料的充分拌合，而且縮短了施工周期。乳化瀝青冷補料在高原寒區(qū)施工的最佳溫度一般在40 ℃～50 ℃之間，為避免加熱過程中溫度過高造成瀝青老化，對智能攪拌裝置進行恒溫控制；同時檢測攪拌桶內(nèi)濕度，進行恒濕控制。

圖4為基于藍牙串口通信實現(xiàn)的遠程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，整個系統(tǒng)的核心部分是單片機，首先設(shè)置好溫濕度的閾值，通過傳感器檢測溫濕度，并通過顯示屏進行顯示，當溫濕度不在設(shè)置的閾值范圍內(nèi)，手機震動報警，并通過控制進行升溫或降溫、加濕或除濕操作，使溫濕度恢復正常，報警信號停止。

圖4 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 混合加熱瀝青攪拌裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖5為混合加熱瀝青攪拌裝置三維模型，太陽輻射能通過集熱管轉(zhuǎn)換成熱能，連接導熱油保溫罐,由熱油循環(huán)泵實現(xiàn)導熱油在導熱油管道中循環(huán)，與攪拌桶內(nèi)瀝青進行熱交換，形成瀝青預加熱循環(huán)回路；汽車廢氣經(jīng)循環(huán)風帶摻氣孔進入燃燒室，與氣動霧化噴槍噴出的氣化燃油充分混合，由乙炔點火槍點火加熱，進入空氣循環(huán)管道，與瀝青進行熱交換，最終降溫的空氣經(jīng)排氣管排出，形成瀝青輔助加熱回路。

圖5 混合加熱瀝青攪拌裝置三維模型

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的太陽能與廢氣循環(huán)混合加熱式瀝青攪拌裝置，通過太陽能集熱器使用自然能源太陽能持續(xù)對瀝青進行預加熱，解決了加熱慢的問題，并且將汽車排放的廢氣進行回收通過循環(huán)燃燒箱進行輔助加熱，達到快速加熱、減少能源浪費以及降低污染排放的目的。同時通過溫度傳感器實時監(jiān)測攪拌桶內(nèi)溫度，并由溫控箱進行升溫/降溫調(diào)節(jié)，保證了瀝青在最佳施工溫度范圍內(nèi)。