瀝青路面熱風(fēng)噴槍預(yù)混合系統(tǒng)改進(jìn)性能研究★

江殿臣， 王業(yè)雙， 孫 桓， 袁 磊， 關(guān)繼仁， 婁玉荷， 唐 丹

（1.營(yíng)口理工學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 遼寧 營(yíng)口 115014；2.東北特殊鋼集團(tuán)股份有限公司， 遼寧 大連 116105）

0 引言

在就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)工程中，瀝青路面的加熱是第一道施工環(huán)節(jié)。合理的路面加熱溫度對(duì)施工起著重要的作用。因此，選擇合適的路面加熱方式對(duì)路面再生的質(zhì)量有著最直接的影響。良好的加熱方式不會(huì)造成瀝青的進(jìn)一步老化，而且方便后續(xù)銑刨作業(yè)的順利進(jìn)行及破碎舊瀝青混合料，并可以盡量保證原路面級(jí)配，方便再生混合料級(jí)配調(diào)整得更加精確。瀝青路面加熱機(jī)應(yīng)滿足熱效率高、有良好的燃料使用性的要求；加熱量足夠并可調(diào)節(jié)，使瀝青路面的加熱溫度滿足瀝青路面銑刨機(jī)施工要求。路面加熱機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、經(jīng)久耐用，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，有完善的安全保護(hù)系統(tǒng)[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)的公路里程也在不斷的增加。在2015—2020 年間，我國(guó)的公路養(yǎng)護(hù)里程在公路總里程中的占比逐年增加。根據(jù)總計(jì)數(shù)據(jù)得知，到2020 年底，全國(guó)公路養(yǎng)護(hù)里程達(dá)到514.4 萬(wàn)km，相對(duì)于2019 年的養(yǎng)護(hù)里程來(lái)說(shuō)增長(zhǎng)了19.09 萬(wàn)km，在公路總里程中占比99%，接近100%。就目前為止，我國(guó)的公路交通網(wǎng)已經(jīng)基本完成，但是由于前期的成大規(guī)模的建設(shè)公路，由此將會(huì)造成龐大且繁重的養(yǎng)護(hù)保養(yǎng)任務(wù)。我國(guó)大部分的公路都使用了瀝青混合料作為路面的主要材料，瀝青混合料是一種粘彈性材料，溫度對(duì)其影響是非常顯著的[2]。同時(shí)，由于瀝青材料的熱吸收性能，在強(qiáng)太陽(yáng)輻射作用下，瀝青路面的溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，則加劇了裂縫、坑槽、車(chē)轍等病害的發(fā)生[3]。對(duì)于早期路面病害，常采用局部修補(bǔ)的養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行維護(hù)。我國(guó)現(xiàn)階段瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)大多數(shù)采用熱風(fēng)循環(huán)加熱技術(shù)，即利用柴油燃燒產(chǎn)生的煙氣來(lái)加熱空氣[4]。加熱空氣通過(guò)加熱裝置板上的噴嘴輸送，加熱瀝青路面。這些加熱道路所剩余的氣體將通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)再次運(yùn)輸?shù)饺紵?，進(jìn)行下一次的加熱循環(huán)和使用。也有的技術(shù)直接利用液化石油氣與空氣進(jìn)行預(yù)混合燃燒，直接將燃燒后的煙氣用于加熱瀝青路面的病害處。本文所研究的熱風(fēng)噴槍是采用液化石油氣與空氣在混合室中進(jìn)行預(yù)先混合，經(jīng)管路輸送到噴口處點(diǎn)火燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥糜诩訜釣r青路面的病害之處。這項(xiàng)技術(shù)的效果取決于預(yù)混合燃燒的效果，因此，本文對(duì)熱風(fēng)噴槍預(yù)混合空間的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬，確定出優(yōu)化改進(jìn)的思路[5-10]。

1 熱風(fēng)噴槍預(yù)混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱風(fēng)噴槍是一種車(chē)載小型可移動(dòng)設(shè)備，操作者手持噴槍進(jìn)行修補(bǔ)工作。液化石油氣與空氣則通過(guò)各自管段輸送，后送入混合室，在噴嘴管端電子點(diǎn)火系統(tǒng)的控制下燃燒生成高溫高壓煙氣?；旌鲜沂菬犸L(fēng)噴槍的主體結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)液化石油氣與空氣預(yù)混合的空間，直接影響燃燒效果。因此，混合室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性是非常重要的?；旌鲜以O(shè)計(jì)要考慮空壓機(jī)的參數(shù)、液化石油氣氣化裝置的參數(shù)以及瀝青混合料的熱物性參數(shù)。本設(shè)計(jì)模型主要用于修復(fù)裂縫類(lèi)型的瀝青路面病害，加熱深度為50～60 mm，裂紋尺寸以1 m 長(zhǎng)、40 mm 寬為主。經(jīng)過(guò)熱量平衡計(jì)算，求得液化石油氣的流量為0.005 7 m3/min，氣化能力為198.5 kg/h，可以選用天津金優(yōu)凱能源科技有限公司，型號(hào)為L(zhǎng)PG-DJQ-200 的電加熱氣化器，氣化能力為200 kg/h，設(shè)計(jì)壓力為1.8 MPa。通過(guò)計(jì)算得出空氣的流量為0.064 m3/min，選擇開(kāi)山公司的KS 系列中KS15 活塞式空壓機(jī)，它的排氣量為0.12 m3/min，排氣壓力為0.8 MPa。則空氣和液化石油氣的流速分別為6.93 m/s和0.62 m/s。根據(jù)燃燒理論計(jì)算，煙氣的出流速度和生成的煙氣流量分別為12.81 m/s 和1.42 m3/min。根據(jù)此參數(shù)對(duì)熱風(fēng)噴槍混合室進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

2 預(yù)混合系統(tǒng)方案優(yōu)化

初步設(shè)計(jì)熱風(fēng)噴槍主體結(jié)構(gòu)后，根據(jù)理論計(jì)算得到的空氣和液化石油氣的流速，對(duì)其進(jìn)行流體混合效果仿真模擬，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化混合系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)。

2.1 圓錐形結(jié)構(gòu)混合室混合效果模擬

本次進(jìn)行流體仿真模擬的混合效果的模型采用了三維二相流模型，以該模型來(lái)進(jìn)行流體仿真模擬，在模擬之前，需要對(duì)三維兩相流模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在Gambit 軟件中設(shè)置邊界條件，網(wǎng)格化處理采用四面體網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)格數(shù)為184 804 個(gè)。經(jīng)過(guò)在Gambit 的前處理后，在Fluent 軟件中對(duì)其進(jìn)行混合室內(nèi)流體混合情況仿真模擬，初次設(shè)計(jì)混合室采用了圓錐形結(jié)構(gòu)，各配置一個(gè)氣體輸入管道，一路為液化石油氣入口管路，另一路為空氣入口管路，液化石油氣管路管徑大于空氣入口管徑，模擬結(jié)果見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 軸向截面入口混合段混合速度矢量

圖2 軸向截面入口混合段動(dòng)壓分布

根據(jù)模擬結(jié)果，空氣與液化石油氣混合效果不理想，需要優(yōu)化混合室模型結(jié)構(gòu)，調(diào)整液化石油氣和空氣的入口管路管徑以及入口管道排布形式，再次進(jìn)行仿真仿真模擬。

2.2 圓柱形結(jié)構(gòu)混合室混合效果模擬

優(yōu)化混合室結(jié)構(gòu)，改圓錐形為圓柱形，混合室內(nèi)徑初設(shè)尺寸為150 mm，空氣入口管配置上下兩段，管內(nèi)徑為28 mm，中間為液化石油氣入口，管內(nèi)徑15 mm，入口空氣流速為1.73 m/s，入口液化石油氣流速為0.54 m/s。對(duì)此模型進(jìn)行模擬，見(jiàn)圖3 和圖4。

圖3 軸向截面混合段速度分布矢量

圖4 徑向截面石油氣速度分布

對(duì)比模擬結(jié)果，圓柱形混合室結(jié)構(gòu)中出液化石油氣的速度與分布模擬效果要優(yōu)于圓錐形混合室結(jié)構(gòu)模擬效果，所以選用相對(duì)較好圓柱形結(jié)構(gòu)作為熱風(fēng)噴槍的混合室結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語(yǔ)

最優(yōu)方案的參數(shù)為混合室直徑選用150 mm，空氣入口管配置上下兩段，管徑為28 mm，中間為液化石油氣入口，管徑15 mm，入口空氣流速為1.73 m/s，入口液化石油氣流速為0.54 m/s。經(jīng)過(guò)初步設(shè)計(jì)和混合場(chǎng)模擬結(jié)果，可以確定熱風(fēng)噴槍預(yù)混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的調(diào)整方式對(duì)于混合效果是有利的。未來(lái)，如需對(duì)其進(jìn)行繼續(xù)調(diào)整優(yōu)化，可以從調(diào)整空氣與液化石油氣的流速與混合室的匹配方面考慮，將這兩種氣體的流速與混合室的匹配調(diào)整到最佳效果，并且還應(yīng)該對(duì)噴口燃燒段繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。