瀝青路面紅外輻射加熱波長區(qū)間分析

馬登成 陳 超 桂 學(xué)

(1長安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實驗室, 西安 710064)(2中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機(jī)制造有限公司, 上海 201306)(3陜西中霖瀝青路面養(yǎng)護(hù)科技有限公司, 西安 710000)

就地?zé)嵩偕軌蛴行Ю脼r青路面回收材料,其施工過程中加熱效果與瀝青路面再生質(zhì)量密切相關(guān).為了避免集料破碎,級配失控,瀝青路面需要在銑刨之前進(jìn)行加熱降低其黏度[1-2],這也成為制約就地?zé)嵩偕夹g(shù)推廣與應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一.綜合傳統(tǒng)的瀝青路面就地加熱方式,紅外輻射因其具有較快的加熱速度得到廣泛應(yīng)用,但是由于瀝青路面對不同波長紅外線的吸收能力不同,傳統(tǒng)紅外輻射加熱采用非最佳波長區(qū)間紅外線加熱時往往會造成路表溫度過高,引起路面表面老化和能源浪費.為保證瀝青路面再生質(zhì)量,在加熱結(jié)束時,瀝青路面底部溫度應(yīng)大于100 ℃,表面溫度應(yīng)低于180 ℃,為此,眾多學(xué)者開展了就地?zé)嵩偕訜岱椒?、加熱能源選擇等方面的研究[3-11].文獻(xiàn)[12]對紅外輻射加熱瀝青路面的內(nèi)部傳熱規(guī)律進(jìn)行了仿真研究,得出路面內(nèi)部不同深度的溫度變化趨勢與紅外輻射源的溫度密切相關(guān).文獻(xiàn)[13]利用數(shù)值分析手段對瀝青路面加熱過程進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)相較于連續(xù)加熱方式,間歇加熱方式更加高效.文獻(xiàn)[14]提出了恒溫加熱法,該方法通過調(diào)節(jié)輸入熱通量來保證瀝青路面表面溫度始終保持在180 ℃,但輸入熱通量調(diào)節(jié)困難,加熱速度不夠快.文獻(xiàn)[15]對單步法和多步法就地加熱瀝青路面進(jìn)行了建模分析和試驗驗證,得出多步法加熱能節(jié)省57%的時間和30%的能量,但增加了設(shè)備成本.文獻(xiàn)[16]研究了就地?zé)嵩偕^程中加熱特性與熱輸入之間的關(guān)系,提出了保持這種關(guān)系的控制方法.文獻(xiàn)[17]以紅外線非匹配加熱原理為理論指導(dǎo),提高了瀝青路面紅外輻射的加熱效率.

綜上所述,目前已有的關(guān)于紅外輻射加熱瀝青路面的研究主要集中在自然因素對路面溫度場的影響,運用理論分析、數(shù)值模擬、實地監(jiān)測等研究方法尋找兩者之間的聯(lián)系,建立瀝青路面溫度場的預(yù)估分析模型.其他一些研究則更多關(guān)注瀝青路面熱再生的加熱方法和工藝,旨在提高瀝青路面就地?zé)嵩偕募訜嵝?但對于紅外輻射加熱器紅外線波長在什么范圍內(nèi)最有利于瀝青路面吸收,即對瀝青路面紅外加熱的最佳加熱波段缺乏研究.鑒于此,本文擬采用數(shù)值模擬方法,分析確定紅外輻射加熱瀝青路面的最佳波段,以期對實際的加熱工程中加熱器的輻射源溫度和功率控制提供理論依據(jù).

1 瀝青路面紅外輻射加熱數(shù)學(xué)模型

紅外輻射加熱瀝青路面時,加熱器下方的瀝青路面與周圍環(huán)境有4種熱交換方式,分別是大氣輻射換熱、大氣與路面的對流換熱、太陽輻射和紅外輻射換熱,可表示為

QTη=αsIs+αhIh-(hc+hr)(Tr-Ta)

(1)

瀝青路面紅外輻射加熱過程中主要的換熱方式是紅外熱輻射,其熱量大小遵循斯蒂芬-玻爾茲曼定律,計算公式為

(2)

式中,q為紅外輻射加熱機(jī)輸出的熱流通量,W/m2；ε為紅外輻射加熱機(jī)金屬纖維編織網(wǎng)表面的輻射率；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù),σ=5.670 3×10-8W/(m2·K4)；Th為紅外輻射加熱機(jī)金屬纖維編織網(wǎng)表面溫度,K；C0為黑體輻射系數(shù),C0=5.670 3 W/(m2·K4).

在紅外輻射加熱瀝青路面過程中,輻射熱能傳遞到路表后,熱能以熱傳導(dǎo)方式在瀝青路面內(nèi)部傳導(dǎo),實現(xiàn)瀝青路面層內(nèi)部加熱,其熱能傳遞符合下式：

(3)

式中,ρ為瀝青路面密度；c為瀝青路面層比熱容；t為熱量傳導(dǎo)持續(xù)時間,s；δ為導(dǎo)熱系數(shù)；x,y,z為熱能在瀝青路面中傳導(dǎo)方向.

2 瀝青路面紅外光譜特性與吸收波段確定

研究選用的瀝青路面由質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%的SBS改性瀝青、95%左右的粗細(xì)集料和少量礦粉或煤渣組成.大部分SBS改性瀝青以薄膜形式覆蓋在粗細(xì)集料上.瀝青混合料是非透明的,因此在被加熱過程中,除少量紅外線被散射與反射,其余大部分紅外線被吸收轉(zhuǎn)化為熱能,實現(xiàn)瀝青路面的加熱.

由紅外線吸收理論可知,當(dāng)輻射源發(fā)射出的紅外線波段與被加熱物體可吸收的紅外光譜波段重疊時,被加熱物體能吸收絕大部分的紅外線,其內(nèi)部分子產(chǎn)生劇烈運動,實現(xiàn)加熱.但在選取紅外線波段時,因為瀝青、粗細(xì)集料和其他組分材料的紅外光譜波段相差較大,所以需綜合考慮確定一個共同的紅外光譜波段,以保證整體吸收率,從而達(dá)到最好的加熱效果.

材料的紅外光譜特性用傅里葉紅外光譜儀測定,可知SBS改性瀝青對應(yīng)吸收紅外線波長分別是3.4、3.5和6.8 μm,可確定其強吸收波段在波長3 μm附近.SBS改性瀝青在絕大部分波長上都能透射紅外輻射,透射率接近100%.粗細(xì)集料的強吸收帶處于波長6～9 μm之間.在一定的波長范圍內(nèi),水對紅外線的整體透射率都在60%以下,對紅外線的吸收較高,在波長2～3.5 μm和6 μm兩處對紅外輻射的吸收較強[17].由此可知,瀝青混合料的紅外吸收波段處于2～9 μm之間.

由輻射效率和工程最大值的概念可知,對于一特定波長存在一個符合工程最大值關(guān)系式的最佳溫度,在此溫度下,這一特定波長的光譜輻射效率最高,即

(4)

式中,Te為工程最佳溫度,K；λe為特定波長,μm.對于這一特定波長,存在如下關(guān)系[17]:

Te=1.266T

(5)

式中,T=2 897.6/λm為維恩位移定律下的理想黑體溫度,K,其中,λm為理想黑體的溫度與其輻射強度最大時所對應(yīng)波長,μm.

相比維恩位移定律計算出的最大溫度,工程最佳溫度要高出26.6%,其對應(yīng)的波長具有最佳光譜輻射效率.因此實際加熱中,要控制金屬纖維網(wǎng)的溫度比維恩位移定律溫度高26.6%,以提高輻射效率,減少能源浪費.

根據(jù)式(3)和(5)可得,對應(yīng)的金屬纖維鐵鉻鋁合金輻射源的溫度為134～1 561 ℃.考慮到金屬纖維鋁合金加熱墻的工作最高溫度不超過1 200 ℃,最低燃燒溫度過低又會在復(fù)雜多干擾的工況中可能達(dá)不到預(yù)混氣的著火點而熄火,因此進(jìn)一步確定對應(yīng)的加熱墻溫度為340～1 195 ℃,所對應(yīng)的紅外輻射波長范圍為2.5～6.0 μm.

3 仿真設(shè)計與參數(shù)設(shè)置

3.1 仿真設(shè)計

由于瀝青路面采用脈沖式間歇加熱工藝能夠獲得更高的加熱速率與就地再生加熱質(zhì)量,且易于控制,因此本文選用該加熱工藝進(jìn)行仿真,即在加熱之前,為瀝青路面設(shè)定好符合就地?zé)嵩偕に囈蟮臏囟壬舷孪拗?加熱機(jī)以恒定的輸出功率加熱瀝青路面至溫度上限值,當(dāng)瀝青路表面溫度高于上限值時停止加熱,熱量向目標(biāo)深度處傳遞.瀝青路表面溫度下降到下限值時,開機(jī)以相同功率恢復(fù)加熱.重復(fù)以上過程直至瀝青路面目標(biāo)深度處達(dá)到熱再生目標(biāo)溫度.

在本文進(jìn)行的紅外輻射加熱瀝青路面的數(shù)值模擬中,根據(jù)瀝青路面3種主要組成材料的紅外光譜,結(jié)合匹配吸收和非匹配(或偏匹配)吸收理論,選取了2.5～6.0 μm的紅外波段.利用式(4)計算出該波段對應(yīng)的金屬纖維輻射源溫度為340～1 195 ℃.仿真時每隔15 ℃取一組數(shù)值模擬點,共計58組數(shù)值模擬.在熱再生施工中,瀝青溫度超過180 ℃會造成瀝青老化或焦化,同時為保證加熱效率,設(shè)定瀝青路面的溫度范圍為160～180 ℃.

3.2 金屬纖維加熱器參數(shù)確定

瀝青路面紅外輻射加熱時,燃?xì)馊紵a(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為金屬纖維加熱器的紅外線輻射能量,紅外線穿過加熱器與瀝青路面形成的封閉空間后,實現(xiàn)對路表面加熱.紅外輻射加熱器材料為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬纖維鐵鉻鋁合金,直徑約20～50 μm,為2層結(jié)構(gòu),內(nèi)外分別是小孔隙率與大孔隙率金屬纖維網(wǎng),物理參數(shù)如表1所示.加熱過程中,金屬纖維網(wǎng)產(chǎn)生的輻射熱流密度對加熱器能否發(fā)射合格波長的紅外線具有決定性影響.而該輻射熱流密度由金屬纖維加熱器對燃?xì)獾臒崮軅鬏斝蕸Q定,該傳輸效率與環(huán)境溫度、空氣流動速度等因素密切相關(guān).本文取值是在氣溫7 ℃、風(fēng)速1.5 m/s的環(huán)境中實測的平均值,大致為89%.國內(nèi)外諸多學(xué)者根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)分析,推薦瀝青路面紅外輻射加熱距離取10～40 cm為宜.但是,當(dāng)加熱距離大于10 cm后,表面溫度和受到的輻射強度的下降速率明顯加快.為減少輻射能量損失過大,本文選距離最小的10 cm進(jìn)行研究[18].該距離下金屬纖維加熱器到瀝青路表面間的紅外線能量的平均傳輸效率為78.9%[18].

表1 鐵鉻鋁合金的物理參數(shù)

3.3 仿真參數(shù)設(shè)定

瀝青路面結(jié)構(gòu)由上面層AK-16、中面層AC-20、下面層AC-25組成,各層厚度分別為4、5和6 cm.在有限元分析軟件ABAQUS中建立3個由上至下的水平區(qū)域.按照路面模型給每一層賦予相應(yīng)的瀝青混合料材料屬性,瀝青路面模型設(shè)置為1 m×1 m的正方形.

紅外輻射加熱瀝青路面的數(shù)值模擬中,溫度場沿著紅外加熱墻的寬度和長度2個方向上呈現(xiàn)對稱性,假設(shè)路面各層為結(jié)構(gòu)均勻連續(xù)的各向同性體,將三維瀝青路面模型簡化為二維模型.模型水平方向長度為1 m,采用DCC2D4網(wǎng)格單元類型,豎直方向的瀝青面層單元尺寸為5 mm,基層單元尺寸為10 mm,土基單元尺寸為20 mm,水平方向上取單元尺寸為20 mm.設(shè)定周圍大氣和瀝青路表面的初始溫度為20 ℃,空氣流速為3 m/s.

根據(jù)Solaimanian等[9]實驗研究得到的瀝青路面對流換熱系數(shù)經(jīng)驗公式,計算得出瀝青路面對大氣的對流換熱系數(shù)值為15 W/(m2·K),紅外輻射加熱器中金屬纖維網(wǎng)發(fā)射率為0.92,瀝青路面發(fā)射率為0.90,Stefan-Boltzmann常數(shù)為σ=5.67×10-8W/(m2·K4).瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)和各層材料物理參數(shù)如表2和表3所示[9].

表2 不同溫度下瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)

表3 瀝青路面各層材料的物理參數(shù)

4 不同波長加熱仿真對比分析

以加熱時長和能量消耗作為評價指標(biāo),對AK-16型瀝青路面在紅外輻射波長為2.5～6.0 μm的區(qū)間進(jìn)行加熱過程仿真分析.加熱時長是瀝青路面4 cm深處的溫度達(dá)到90 ℃時所用時間.通過仿真得出不同紅外波長下輸入瀝青路面的總熱量,根據(jù)下式計算得出紅外輻射加熱機(jī)的總能量消耗：

(6)

式中,Et為加熱器的能源消耗量；Er為輸入路面的熱量；η1為金屬纖維加熱器對燃?xì)獾臒崮軅鬏斝?取89%；η2為加熱距離10 cm時金屬纖維加熱器到瀝青路表面間的紅外線能量的傳輸效率,取78.9%.

AK-16型瀝青路面的紅外輻射加熱時長和能量消耗指標(biāo)曲線如圖1所示.由圖可知,在2.5～6.0 μm波段內(nèi),紅外輻射加熱瀝青路面的時長隨著波長的增大而增大,在2.5～5.11 μm波段內(nèi)增長平緩,在5.11 μm后,波長越長,所需要的加熱時長越大.

圖1 AK-16型瀝青路面加熱指標(biāo)變化圖

在2.5～6.0 μm波段內(nèi),隨著波長的增大,加熱器耗能越來越小.在2.5～3.66 μm波段附近,曲線斜率較大,表明波長對該區(qū)間的加熱器耗能影響較大,呈快速減小趨勢.進(jìn)入3.66～6.0 μm波段內(nèi),尤其4.0 μm之后波長對加熱器耗能的影響較為平緩.

在波長超過5.11 μm后,紅外輻射加熱瀝青路面的時長快速增加,但是小于5.0 μm時加熱時長變化較小,所以從加熱時長考慮,波長不超過5.0 μm宜作為紅外輻射加熱瀝青路面的波長.綜合加熱器耗能與加熱時長考慮,選取紅外線波長4.0～5.0 μm為瀝青路面紅外輻射加熱的最佳波段.

5 不同級配對應(yīng)最佳波段仿真驗證

上述是以AK-16型瀝青路面為例進(jìn)行的仿真分析,確定了瀝青路面紅外輻射加熱的最佳波長范圍為4.0～5.0 μm.為了驗證不同級配的瀝青混凝土路面就地?zé)嵩偕t外輻射的最佳波長是否處于該最佳波長區(qū)間內(nèi),選取了AC-13、AC-16、AC-20、SMA-13和SMA-16這5種典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析驗證.5種級配的加熱時長和能量消耗指標(biāo)曲線如圖2所示.

由圖2可知：在2.5～6.0 μm的波段內(nèi),隨著波長的增大,5種不同級配的瀝青路面紅外輻射加熱時長都是先緩慢增加,隨后急劇增大；紅外輻射加熱器消耗的能量先快速減少,隨后緩慢減少.

(a) AC-13

5種級配瀝青路面的最佳波長區(qū)段都位于4.0～5.0 μm之間.因此,加熱距離為10 cm且采用脈沖式間歇加熱方式時,不同級配的瀝青混凝土路面就地?zé)嵩偕t外輻射加熱的最佳波段為4.0～5.0μm,對應(yīng)的輻射源溫度為460～644 ℃.而不同的加熱距離只會影響金屬纖維加熱器對燃?xì)獾臒崮軅鬏斝逝c金屬纖維加熱器到瀝青路表面間的紅外線能量的平均傳輸效率,即傳輸效率有高低變化,但不會影響最佳波長區(qū)間范圍.

6 結(jié)語

1) 分析了瀝青路面紅外輻射加熱機(jī)理和路面層內(nèi)部的熱能傳遞過程,獲得了瀝青路面中瀝青、粗細(xì)集料和水3種主要組分材料在2～15 μm紅外波長范圍內(nèi)的紅外吸收特性.

2) 獲得了在紅外波長區(qū)間范圍2.5～6.0 μm內(nèi),波長對外輻射加熱器耗能與加熱時長的影響規(guī)律.結(jié)合加熱時長和能量消耗2個評價指標(biāo),確定了波長4.0～5.0 μm為瀝青路面就地?zé)嵩偕t外輻射加熱的最佳波段,對應(yīng)的加熱器輻射源溫度為460～644 ℃.

3) 驗證了AC-13、AC-16、AC-20、SMA-13和SMA-16五種不同級配的瀝青混凝土路面就地?zé)嵩偕t外輻射加熱的最佳波長范圍為4.0～5.0 μm.