（机械电子工程专业论文）沥青洒布车电磁感应加热技术研究.pdf

摘要 “感应加热具有热效率高、加热均匀、安全等特点，在钢铁冶炼、汽车制造等行 业已成功应用。本课题将“感应加热应用到沥青洒布车的沥青加热系统中。文章论述 了国内外沥青洒布车加热系统的发展现状，对传统沥青洒布车加热方式与电磁感应加热 在原理、特点等方面作了比较，分别从沥青洒布车采用电磁感应加热、变频调速驱动系 统取代液压系统两方面研究了其特点，通过对电磁感应加热技术及加热效率实验、经济 分析比较等方面对沥青洒布车电磁感应加热技术作了可行性研究。论文设计了沥青洒布 车电磁感应加热系统总体方案，计算了电磁感应加热系统热量、加热线圈管路直径以及 沥青泵功率等，并提出了p l c 控制电磁感应加热系统和p l c 控制变频调速驱动系统方 案。 关键词：沥青洒布车、电磁感应加热、中频电源、p l c 控制、变频调速 a b s t r a c t i n d u c t i o nh e a t i n g ”i sa p p r o p r i a t e ，f o ri ti s s a f e ，e f f i c i e n ta n dw i t hu n i f o r m i t yf o r h e a t i n g i na d d i t i o n ，i th a sb e e nu s e di ns m e l t i n ga n da u t o m o t i v ei n d u s t r ys u c c e s s f u l l y t h e i n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri st oa p p l y “i n d u c t i o nh e a t i n g ”t ot h eh e a t i n gs y s t e m b a s e do nt h i s i d e a , t h em a i nc o n t e n ti sa b o u t ：a n a l y s i so f t h ed i s a d v a n t a g e so f t r a d i t i o n a lh e a tc o n d u c t i n go i l s y s t e ma n ds t r e a mc o n d u c t i n gs y s t e m ；i n t r o d u c t i o no fc u r r e n td e v e l o p m e n ta sw e l la s a p p l i c a t i o no fi n d u c t i o n - h e a t i n gp o w e rs u p p l y ；c o m p a r eo fn l e i rp r i n c i p l ea n df e a t u r e s r e s p e c t i v e l y ；d e d u c t i o no ft h ef e a t u r e s f r o m u s i n ge l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o nh e a t i n g t e c h n o l o g ya n dv a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v es y s t e mw h i c hr e p l a c e st h eh y d r a u l i cs y s t e m t h e e f f i c i e n c yo fh e a t i n ge x p e r i m e n t ，t h ee c o n o m i ca n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nw i t hr e s p e c tt ot h e v e h i c l ea l t o g e t h e rm a d eaf e a s i b i l i t ys t u d yo ne l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n gt e c h n o l o g y t h i sp a p e rd e s i g n sa n dc a l c u l a t e st h ee l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n gs y s t e m ，a n dap l c c o n t r o l l e di n d u c t i o nh e a t i n gs y s t e mi sp r e s e n t e db a s e do nt h ec o n t r o lo fe l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o nh e a t i n gs y s t e ma n dv a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v es y s t e m k e yw o r d s ：t h ea s p h a l td i s t r i b u t o r i n d u c t i o nh e a t i n g m e d i u m f r e q u e n c yi n d u c t i o np o w e r s u p p l y p l cc o n t r o ls y s t e m h 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 欺久诲工7 年6 月l 上日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：掀套卫务 山7 年6 月i z 日 铷一锄呼坩节 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 本章论述了沥青洒布车加热系统的发展状况，介绍了感应加热的简要发展历程、国 内外现状及电磁感应加热最新的技术特点，并且给出了感应加热技术应用于沥青洒布车 加热沥青发展的背景和意义。从施工工艺和环保能源发展的角度给出了开发沥青洒布车 电磁感应加热系统的必要性。 1 1 国内外沥青洒布车加热系统发展状况 伴随着沥青洒布技术的进步，沥青洒布车不断向前发展，早期的沥青洒布就是通过 柴火、煤或燃油加热沥青后，用人工以瓢泼的方式进行洒布【l 】【2 1 。随着新的施工工艺的 出现，对洒布质量的要求也越来越高，因此要求洒布和加热装置不断更新，实际上沥青 洒布车早在上世纪初已经问世，4 0 年代发展成为功能完善的产品，其代表机型是自行式 沥青洒布车。上世纪5 0 年代，我国由前苏联引进技术并开始生产这种机型。该机型是 根据沥青的特点和洒布工艺的要求而设计的，其加热系统的主要特点是火管式加热沥 青，使用容积式沥青泵加压喷洒。虽然这种设备加热质量还不够高，操作还比较麻烦， 但从当时的工业水平来看，这种机型还是先进的。在公路建设中无论是替代人力劳动还 是提高生产率都发挥了重要作用，我们称之为传统的沥青洒布车，其结构和性能在国内 几乎保持到上世纪末没有显著的变化。 随着我国公路建设的快速发展，特别是高速公路的建设和改性沥青的推广以及公路 养护社会化的需要，对沥青洒布车的沥青加热功能提出了更高的要求1 3 】【4 1 。为此，国内 的专家学者和有关从业人员做出了不懈的努力，为改进沥青洒布车的加热系统结构及其 性能进行了深入研究，发表了不少论文，如关于改进国产沥青洒布车部分结构的探讨， 智能型沥青洒布车系统方案研究，旧式沥青洒布车的改造等，同期也申请了多项 专利，其主要成果包括：“对沥青洒布车罐体外包不锈钢层”，“一种沥青洒布车自动保 温装置 以及“在沥青洒布车沥青罐中安装有搅拌器”等。从总体情况来看，国内沥青 洒布车的技术水平正在迅速提高，生产厂家也逐渐增多，传统产品正在用新技术加以改 ￥b 王0 目前，国内沥青洒布车主要是以西安达刚，杭州美通，新乡高远为代表，其良好的 沥青加热效果和整机性能，在很多功能上都可以与国外的产品相媲美，但由于国内在具 体的施工工艺上的积累不全面，使其很多的设计还很不完善，有待改进【5 】【6 】。总体来说 国内在洒布机智能化方面的劣势主要表现在温控系统、控制器等关键部件的自主研发 第章绪论 上，很大程度上还处于“拿来主义”状态，自我开发能力比较差。 国外沥青洒布车大多采用导热油加热系统2 i ，配备有燃烧器( 见图11 ) 、自 动温控器( 见图12 ) 、温度显示和微动开关( 进行温度的连续微量调节) ，即燃烧器根 据检测来的沥青温度自动点火和熄灭来实现自动加热和保温。整套加热装置主要分为燃 烧器和导热油循环系统。主要工作模式为导热油加热、沥青罐加热、全循环、沥青泵加 热、喷洒管加热、自吸导热油等模式。连接到喷洒管的加热管道完全内置于壳内，加热 管一般是可进行伸缩调整不易变形的软管。 图1 1 燃烧器图1 0 温控器 从以上分析可以看出现代沥青洒布车沥青加热系统的主要特点：嵌入式导热油加热 炉置于沥青罐体内，用导热油作为传热介质加热沥青，改变了传统用火管加热使沥青易 于老化的弊端。自动点火柴油燃烧器被采用，可以按照需要人工设定温度，自动加热沥 青，升温速度快，可满足改性沥青喷洒温度大于1 7 5 c 的需求。用导热油作为介质，还 可以加热、保温整个系统直到每一个喷嘴的沥青，改变了喷洒前用喷灯烘烤喷嘴，洒布 后用柴油浸泡的传统操作。 但是传统火管加热和导热油加热由于加热方式本身的原凼，加热效率不高，并且工 作于高温密封条件下，存在各种安全隐患，容易造成事故酿成惨剧。为了消除隐患，一 方面要从生产、使用、检测等方面都严格执行国家相关规定，规范使用、安全操作、定 期检修；另一方面，采用不同的加热方式以取代火管加热和导热油加热，并开发出新型 的沥青洒布车沥青加热设备，这样才能从根本上消除传统沥青洒布车沥青加热过程中存 在的安全隐患。为此，我们提出一种新型的沥青加热方法一电磁感应加热。 12 感应加热技术的发展和现状 1 2 1 盛应加热的发展历史 1 8 3 1 年英国科学家法拉第发现了电磁感应现象，至今的一百多年中，电磁感应原理 长安大学硕士学位论文 被广泛应用于电动机、发电机、变压器和无线电通讯等各个方面。早期人们认为无论是 在电路或磁路中，任何热效应都是一种有害的副作用。所以，工程师们对变压器和电动 机的磁芯采用了叠片结构，使平行于绕组轴线方向具有较低的磁阻，而使垂直于磁通方 向的磁芯圆周上又具有较高的磁阻，最大限度地减少了有害的涡流发热。 直到1 9 世纪末，瑞典人柯林( k j e l i n ) 在傅柯( f o u c a u l t ) 、海维赛德( h e a v i s i d e ) 和汤姆森( t h o m s o n ) 等人提出的涡流理论和能量由线圈向铁芯传输的问题的基础上发 明了有芯感应加热炉用于金属冶炼，人们才开始认识到电磁感应的涡流效应的应用价 值。随着人们对感应加热现象认识的不断加深，2 0 世纪初法国、意大利和瑞典等国开始 更大规模地研究和使用感应加热技术。1 9 2 1 年，美国人诺思拉普( n o r t h r u p ) 又发明了 无芯感应炉，并尝试将已经问世的中频发电机组用于向感应加热负载供电。随着感应加 热技术理论的逐步系统化，实践应用也有很大的进展，此时正在广播通讯领域迅速推广 的电子三极管也被引进到感应加热技术中。二次世界大战后，由于能源紧张，以感应炉 取代低效率的燃料炉取得了明显的节能效果；随着工业化进程的加快，人们的环保意识 的不断提高，世界各国都在大力发展感应加热技术以取代污染严重、劳动条件差、自动 化程度低的燃料炉，这一系列因素促进了感应加热技术的迅速发展、设备应用数量的不 断增长、应用范围的不断扩大。 感应加热电源是感应加热最关键的设备之一，其发展与电力电子学及电力半导体器 件的发展密切相关【1 6 1 【1 7 1 。本世纪初玻璃管汞弧整流器的发明标志着电力电子学的起源， 而2 0 世纪5 0 年代末半导体硅晶闸管的出现则标志着以固态半导体器件为核心的现代电 力电子学的开始。在5 0 年代前，感应加热电源主要有：工频感应熔炼炉、电磁倍频器、 中频发电机组和电子管振荡器式高频电源等。 2 0 世纪5 0 年代末，硅晶闸管的出现引起了感应加热电源技术以致整个电力电子学 的一场革命，感应加热电源及应用得到了飞速发展。欧洲各国先后开始研制晶闸管中频 装置，1 9 6 6 年瑞士、西德都先后研制成功了晶闸管中频装置。到七十年代后期，晶闸管 中频装置已逐渐取代了中频发电机组，成为中频感应加热领域的主导产品。 自上世纪8 0 年代以来，现代半导体微集成加工技术与功率半导体技术的结合，为 开发新型功率半导体器件提供了条件，相继出现了一大批全控型电力电子半导体器件 ( 电力晶体管g t r 、m o s 场效应晶体管m o s f e t 、绝缘栅双极型晶体管i g b t 、静电感应晶 体管s i t 、静电感应晶闸管s i t h 、m o s 控制晶闸管m c t 等) ，极大地推动了电力电子学的 发展，为固态超音频、高频电源的研制奠定了坚实的基础。 3 第一章绪论 1 2 2 感应加热的发展现状 感应加热技术从诞生至今，经过了一百多年的发展，取得了令人瞩目的成果，尤其 是二十世纪六十年代以后，固态电力电子技术的出现与发展，使感应加热技术与现代化 生产的许多方面密切相关，发挥了很大的生产力作用。因此世界各国十分关注感应加热 技术的发展，并投入相当多的技术力量和资金支持。目前，传统感应加热电源与固态感 应加热电源取长补短，互补共存【1 8 】【1 9 】。 ( 1 ) 国外感应加热技术现状 目前，在低频感应加热领域普遍采用的是工频感应炉。国外的工频感应加热装置可 达数百兆瓦，用于数十吨的大型工件透热或数百吨的食用水保温。预计短期内，以固态 器件构成的低频感应加热电源在功率、价格、可靠性方面还很难与简单可靠的工频感应 炉竞争，虽然其效率、体积和性能均大于工频炉。 在中频( 1 5 0 h z - - 2 0 k h z ) 范围内，晶闸管感应加热装置已经完全取代了传统的中频 发电机和电磁倍频器，国外的装置容量已经达到数十兆瓦。 在超音频( 2 0 k h z - - l o o k h z ) 范围内，i g b t 的应用占主导地位。1 9 9 4 年日本采用i g b t 研制出了1 2 0 0 k w 5 0 k h z 电流型感应加热电源，逆变器工作于零电压开关状态，实现了 微机控制。1 9 9 3 年西班牙也报道了3 0 6 0 0 k w 5 0 - l o o k h z 的i g b t 电流型感应加热电源。 欧美地区其他一些国家的系列化超音频感应加热电源的最大容量也达数百千瓦。 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 领域，国外已从传统的电子管电源过渡到晶体管全固态电源。 以日本为例，其系列化的焊接管用电子振荡器的水平为5 - - - 1 2 0 0 k w l o o - - - 5 0 0 k h z ，而采 用s i t 的固态高频感应加热电源的水平可达4 0 0 k w 4 0 0 k h z 。欧美各国采用m o s f e t 的高 频感应加热电源的容量也在突飞猛进。例如，西班牙采用m o s f e t 的电流型感应加热电 源制造水平可达6 0 0 k w 4 0 0 k h z ，比利时i n d u c t oe l p h i a c 公司生产的电流型m o s f e t 感 应加热电源水平可达1 m w 15 6 0 0 k h z 。 ( 2 ) 国内感应加热技术现状 我国感应加热技术从5 0 年代开始就被应用于工业生产当中，6 0 年代末开始研制晶 闸管中频电源，浙江大学首先研制成功国内第一台晶闸管中频电源，到目前已经形成了 一定范围的系列化产品，并开拓了较为广阔的应用市场。 在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机，已经形成了5 0 0 - 一 8 0 0 h z 1 0 0 5 0 0 0 k w 的以并联谐振逆变器结构为主的系列化产品。 在超音频领域的研究工作八十年代已经开始。浙江大学采用晶闸管倍频电路研制 了5 0 k w 5 0 k h z 的超音频电源。从九十年代开始，国内开始对i g b t 超音频电源进行研制， 4 长安人学硕士学位论文 并已经研制成功3 0 k w 3 0 0 k h z m o s f e t 高频感应加热电源，并已成功应用于小型刀具的表 面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考核试验中。 总体上来说，国内目前的感应加热技术现状与国外的水平相比还有一定的差距，为 此国内的专家学者进行了深入研究并申请了多项专利，其主要成果有：“油井井下三相 感应加热装置 ，“中频感应加热电源装置 ，“一种可变频操作感应加热设备，“一种新 型中频感应加热线圈 以及“中频感应加热功率调节装置”等，取得了一定成果，发挥 了很大的生产力作用。 1 3 课题提出的背景和意义 现代科学技术向传统产业部门( 农业、工业、运输业、建筑业等) 的渗透和应用是 当代新技术革命的重要特征和组成部分。机电液一体化技术的发展正是反映了当代新技 术革命的这种大趋势之一，它体现了现代科学技术对传统机械产品的渗透和改造【7 1 。先 进的电磁感应加热技术集当代高新技术于一体，将电磁感应加热技术应用到沥青洒布车 加热系统中，在很大程度上体现和决定了沥青洒布车的整机性能( 安全性、经济性、作 业质量、环保等) ，因此对沥青洒布车电磁感应加热技术的研究具有积极的意义。 传统的沥青洒布车导热油加热系统排除废气污染环境，明火加热劳动条件恶劣、存 在不安全因素等缺陷。本课题是利用电磁感应加热技术的原理设计一个涡流感应加热、 节能环保、安全可靠的沥青洒布车电磁感应加热系统。根据后续章节的数据资料和实验 数据可以证明，将电磁感应加热技术应用到沥青洒布车的沥青加热系统中去，其运行费 用的开支将远远低于传统沥青洒布车导热油加热系统的开支，原因是：电磁感应加热系 统使器具金属因磁力感应而生热的加热方式，减小了热量传递的中间环节，因而热效率 非常高。由于电涡流较高的热效率，本课题研制的沥青洒布车电磁感应加热系统具有十 分重要的现实意义。 特别是随着新世纪的来临，国际技术交流的进一步加强，以及电子信息技术的进步 和普及，为沥青洒布车电磁感应加热系统的近一步研发提供了技术和物质保证。在国内， 近几年黑色路面是养护事业发展的重点，新的施工工艺不断涌现，对施工机械本身的要 求也就越来越耐9 1 ，加快沥青洒布车关键部件的研发已得到众多厂家的共识，为了提升 沥青洒布车的档次，适应市场要求，e i l 长安大学工程机械学院和广东省佛山市威特公路 养护设备有限公司联合提出了沥青洒布车电磁感应加热技术研究课题，本论文就是在此 基础上撰写的。 5 第一章绪论 1 4 论文研究的主要内容 本论文首先介绍了国内外沥青洒布车加热系统发展状况、感应加热技术的发展历史 及技术现状，论述了传统的沥青加热方式的原理和特点及其存在的不足。为了从根本上 解决这些问题，需要寻找一种新的加热方式并应用于沥青洒布车的加热系统中去。感应 加热方式是一种合适的加热方式。论文接下来的部分介绍了感应加热技术的原理、特点 及应用于沥青洒布车加热沥青的优越性。 来自环保和能源方面压力的增大，促使各个行业寻找更为有效的加热方法和工艺， 感应加热技术也会日益被应用到更多的领域和行业。本课题就是研究将电磁感应加热理 论应用到沥青洒布车加热系统的技术及工程问题，开发出一整套中频电磁感应加热系 统，同时为了有效利用现有方案，采用变频调速系统驱动沥青泵，用以取代传统的液压 驱动系统。与以往采用液压系统驱动沥青泵的方案相比，在有效降低成本的情况下更能 实现洒布量精确控制。感应加热理论和变频调速技术虽然在钢铁、汽车、电子等一些行 业中有较多的实际应用，并取得了很好的效果，但是将其引入到沥青洒布车加热系统中， 目前还是一个全新的思路。如果开发的中频电磁感应加热系统和变频调速系统能够完全 取代传统的导热油加热系统和液压驱动系统，那就会产生很大的经济和社会效益，市场 潜力很大。目前电磁感应加热式沥青洒布车方案正处于申请专利阶段。 本课题所做的工作是对扩展感应加热和变频调速应用领域的一次尝试，解决了传统 沥青洒布车能量利用率低、生产具有安全隐患、洒布精度不高等缺点，达到节能省力、 提高精度、减少投资、提高收益的目标。本论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 传统沥青洒布车加热方式与电磁感应加热比较； ( 2 ) 沥青洒布车电磁感应加热技术可行性研究； ( 3 ) 沥青洒布车电磁感应加热系统设计与计算； ( 4 ) p l c 控制电磁感应加热系统方案研究。 6 长安大学硕上学位论文 第二章传统沥青洒布车加热方式与电磁感应加热比较 2 1 传统沥青洒布车加热设备原理 2 1 1 传统沥青加热原理 为了保证沥青的质量、节省能源、降低生产成本和提高社会效益，沥青的加热方法 和技术在不断进步。传统的沥青加热方式可分为：明火直接加热、水加热、电加热、重 燃油加热、燃气加热、红外辐射加热、太阳能加热、导热油加热、综合加热等几种1 3 0 1 。 1 明火直接加热 明火直接加热，这是一种最原始的，也是最普通的沥青加热方法。明火直接加热沥 青有从外部直接加热和从内部直接加热两种形式，明火外部加热就是用明火给罐内的沥 青加热；明火内部加热就是在燃料室内产生的高温火焰或烟气进入浸在装有被加热沥青 容器中的火管内，通过火管加热沥青。用明火从外部直接加热沥青的方法较为落后，虽 然加热设备简单，操作容易，但加热慢、生产量少、耗能多、热效率低，同时难以保证 沥青质量，其劳动条件恶劣，环境污染严重，生产不安全，是应该淘汰的加热方法。明 火内部加热较外部加热要好，尤其是经不断改进后，提高了热效率、加热速度及产量， 沥青的质量和生产安全性也得到了提高，但此方法还是容易造成沥青局部温度过高、易 老化，影响加热后的沥青质量。目前，这种加热方法国内应用比较普遍。 2 水加热 水加热沥青就是用水做为热载体对沥青进行加热的方法，有用中压水和水蒸气两种 方式。这种方法是用锅炉将水加热到一定温度，以0 6 - - 1 2 m p a 压力的中压水、水蒸气 作为热介质，通过蛇形管和蒸气导热管将热量传给沥青。以水做热载体加热沥青的最大 优点是加热工况较柔和，能保证沥青的质量和充分利用设备，且经济性好，投资少，成 本低，生产安全；缺点是因加热介质的温度不很高，故所需蛇形管面积较大；当蛇形管 的气密性受破坏时，中压水或蒸气有可能渗漏到沥青中；与其他沥青加热方法相比设备 要庞大一些。目前仍然是一种比较普遍使用的沥青加热方法。 3 电加热 电加热方式是利用电阻丝通电后所发出的热量来加热沥青。此种方法优点是所用的 设备结构简单、价格低廉、使用方便、无污染、热效率高、升温快、易于自动控制。缺 点是耗电量大、沥青易局部老化，故多用于使用固态沥青熔化或补偿沥青的热损失。此 种加热方式国外使用较多，国内一般与太阳能加热组合使用。 4 重燃油加热 7 第二章传统沥青洒布车加热方式与电磁感应加热比较 随着我国石油工业的发展和燃烧技术的进步，采用重燃油加热的方法逐渐增多。所 谓的重燃油就是采用原油、重油、柴油、渣油、沥青及煤焦油等作为加热的燃料，将重 燃油燃烧产生的热量，通过火管加热沥青。重燃油加热的设备比较简单，加热速度快， 热效率高，但要采取措施防止沥青在加热过程中老化和注意生产安全。 5 燃气加热 在有条件的地方，可用烧煤气、天然气加热沥青。燃气加热与燃油加热方法相似， 通过燃气的燃烧产生高温烟气，经火管从沥青内部进行加热。燃气火管的温度比较高， 要特别注意沥青的老化和生产安全问题，最好采用连续循环式加热，以防止沥青局部温 度过高。 6 红外辐射加热 红外辐射加热是根据沥青物质吸收光辐射的物理特性进行加热的方法。当热能通过 某些物质后产生红外热辐射，用这种热辐射去激化沥青的分子，使沥青分子运动加剧而 达到加热的目的。这种加热方式的优点是干净、无污染、加热速度快、易于控制温度， 质量好，不会使沥青老化；通常使用电源，一般与明火预热或太阳能预热配套使用，仅 在电力价廉而充足的地区才有实用价值，一般情况下使用成本高。 7 太阳能加热 太阳能几乎是取之不尽、用之不竭的廉价能源，在世界能源日趋紧张的情况下，国 内外都在积极开发利用太阳能并在加热沥青上也得到了应用，已取得了良好的效果。太 阳能加热就是通过某种装置将太阳光辐射转化为热能，用以加热沥青的方法。按照太阳 能转换装置结构和性能特点，太阳能加热沥青有温室型和聚光型、被动式和跟踪式。被 动式温室型应用的较为普遍，因为受天气变化和季节变换的影响较大。由于太阳射到地 面上的辐射热有限，太阳能加热沥青多用于预热，与其它加热方法相结合使用以使沥青 达到泵吸温度或工作温度，以达到节省能源的目的。被动式太阳能加热装置多半同时也 是小型的沥青贮存装置。 8 导热油加热 导热油加热沥青是采用导热油作为热载体的加热方法，是有机载热体加热的一种形 式，近年在我国得到普遍推广应用。导热油是一种导热性能良好的化学物质，在一种专 用加热炉内加热导热油，然后用油泵将热导热油输送到待加热沥青罐内，通过热传导进 行热交换加热沥青。经过热交换后的导热油再输送回到加热炉内加热再输出去，成为一 个封闭的加热、放热循环系统。 导热油加热沥青的方法与其它加热沥青的方法相比较，全系统在常压下工作，设备 8 长安人学硕士学位论文 不受压，所使用的导热油加热器结构紧凑，工艺流程简单方便，运行安全可靠，加热柔 和，热效率较高，易于自动控温，对沥青加热升温速度快。但是，在加热器中有可能使 导热油焦化变质，甚至引起火灾，且使用成本较高。导热油加热是一项先进的加热技术， 目前在国内外得到了广泛的应用。 9 综合加热 为了提高沥青加热的社会效益，可以根据条件和利用各种加热方法的特点，将几种 加热方法组合在一起，形成一个完整的沥青加热系统。目前比较常用的综合加热方式有 太阳能加热与红外加热、太阳能加热与其它加热方式相结合的加热方法等。 2 1 2 沥青洒布车加热设备的现状【1 5 】 目前我国有很多沥青洒布车制造厂家，其生产的沥青洒布车沥青加热设备从原理上 主要分为两大类：火管加热和导热油加热。火管加热，就是在燃料室内产生的高温火焰 或烟气进入浸在装有被加热沥青容器中的火管内，通过火管加热沥青。导热油加热则是 以导热油为加热介质，需要首先将导热油加热到很高的温度，然后将热导热油输送到待 加热沥青罐内，通过热传导进行热交换加热沥青。经过热交换后的导热油再输送回到加 热炉内加热再输出去，成为一个封闭的加热、放热循环系统。这两种设备均存在着一系 列的问题。 传统的火管加热和导热油加热，由于其加热原理简单，技术较为成熟，多年来一直 被各种沥青洒布车制造厂家所采用。目前，沥青洒布车上采用的沥青加热设备中，导热 油加热仍然占绝大多数。但是，随着社会的发展和人们环保节能意识的提高，传统沥青 洒布车加热设备逐渐暴露出了各方面的缺陷与不足【1 3 】【1 4 1 。 1 占地面积大、设备维修成本高 导热油加热和火管加热，在开始加热之前，必须首先对加热介质加热，因此必须投 入相应的导热油管和火管的设备，增加了投资成本。这些设备占地面积大，一般都是高 温密封设备，维护成本也相应增加。配套辅助的燃烧器设备一般较大，安装成本高，费 时费力。沥青洒布车加热设备要受到辅助燃烧器设备的制约，如果辅助燃烧器设备出现 故障，整个沥青洒布车沥青加热系统将不能正常运行，增加了沥青加热系统的故障发生 率。另外，过热火管或者导热油的温度波动将直接影响到沥青洒布车加热设备的工作情 况，从而影响到沥青加热的各项指标，不利于沥青洒布车沥青加热温度的精确控制。 2 能源利用率低 火管加热和导热油加热都属于接触式加热，热量是通过中间介质最终传输到沥青洒 9 第二章传统沥青涌布车加热方式与电磁感应加热比较 布车加热设备上的，在能量的每一次的传输过程中，都伴随有能量的损耗，火管和导热 油经过沥青罐体以后，热量的品质降低，再利用比较困难，能量利用率不高。每次沥青 洒布车加热设备停机后重新启动，因为加热效率不高，升温速度慢，都需要很长的启动 等待时间。设备预热时间长，能量消耗大，热量损失多，不符合节能高效设备的要求。 3 沥青加热质量不高，有安全隐患，易发生事故 火管加热设备简单，操作容易，但加热慢、生产量少、耗能多、热效率低，同时容 易造成沥青局部温度过高、易老化，影响加热后的沥青，难以保证沥青质量，其劳动条 件恶劣，环境污染严重，生产不安全，是应该淘汰的加热方法。导热油加热使用成本较 高，对沥青加热升温速度快，同样容易造成沥青老化，影响加热后的沥青质量，同时在 加热器中有可能使导热油焦化变质，甚至引起火灾。 传统火管加热和导热油加热由于加热方式本身的原因，工作于高温密封条件下，存 在各种安全隐患，容易造成事故酿成惨剧【1 5 】。为了消除隐患，一方面要从生产、使用、 检测等方面都严格执行国家相关规定，规范使用、安全操作、定期检修；另一方面，采 用不同的加热方式以取代火管加热和导热油加热，并开发出新型的沥青洒布车沥青加热 设备，这样才能从根本上消除传统沥青洒布车沥青加热过程中存在的安全隐患。 2 2 电磁感应加热技术的原理及应用 2 2 1 感应加热理论基础 1 8 2 0 年丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，随后人们就开始了其逆效应的研 究。1 8 3 1 年8 月英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象并总结出电磁感应定律，大大 推进了电磁理论的发展【1 7 】。电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区域内存在交变磁场 时，电路两端就会产生感应电动势，其大小跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。 当电路闭合时，感应电动势产生感应电流。如下图2 1 所示。电磁感应加热有很多优点： 由于被加热物体和加热设备之间没有电气接触，因而避免了很多电气事故的发生；并且 在很短的时间内可以产生足够的能量，因而可以得到很高的能量密度等。 1 0 * 盘人学碰 学位论女 一 _ 。 、 a 回路不变磁场变 b 磁场不变，回路变 圉2i 电磁感应定律的两种形式 电磁感应定律的发现，不但找到了磁生电的规律，更重要的是它揭示了电和磁的鞋 系，为电磁理论奠定了基础，从此丌辟了人类使用屯能的道路，成为电磁理论发展的第 一个重要的单程碑。它与焦耳楞次定律一起，成为现代电磁感应加热的理论基础”“。 2 22 感应加热原理 感应加热是把电能通过电磁能的相互转换，最终转化成金属内部的热能，达到加热 的目的。感应加热的原理如图22 所示。 ，f l 图2 2 感应加热原理图 图巾，交变的电流l 通过感成线圈时，由于电流的磁效应，会在线圈内部产生相同 频率的交变磁场。根据法拉第t c l 磁感应定律，置于交变的磁通中的金属工件内部产 生电磁感应电动势e 。由麦克斯书电磁方程式，电动势e 的大小为： e ：一_ 堂 ( 21 ) 饥 式中n 是线圈匝数。假设为正弦变化量，其角频率为w ，即 = 中s i n w t ( 22 ) 式中中。为磁通正弦波的峰值。感应电动势为： 第二章传统沥青洒布车加热方式与电磁感应加热比较 e = n 中。w c o s w t - - n 。w s i n ( w t z 1 2 ) ( 2 3 ) 显然，这也是一个交变的等频率正弦量，最大值为n 。w ，并且相位上有9 0 度的 延迟。可以得到感应电动势的有效值e 为 e ：百e m ：宰：堡乎4 4 4 n f i l ) 。 ( 2 4 ) 222 从上式( 2 4 ) 可以看出，感应电势的大小与频率高低和磁场的强度成正比。因此， 可以通过提高振荡频率和磁场强度的方法来提高感应电动势。 上面分析可见，感应加热是靠感应线圈把电能转化成金属内部的热能。感应线圈与 被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。另外需要指出的是，感应加热 的原理与一般电气设备中产生涡流以及涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般 电气设备中涡流是有害的，而感应加热却正是利用涡流的热效应进行加热的。 这样，感应电势在工件中产生感应电流( 涡流) i ，使工件加热。其焦耳热与电流 电阻的关系为 q o c l 2 r t ( 2 5 ) 式中，q 为电流通过电阻产生的热量( j ) ；i 为电流有效值( a ) ；r 为工件的等效电 阻( q ) ；t 为工件通电的时间( s ) 。 由上述式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 可以看出，感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱 有关。感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电 流可以使工件中产生的涡流加大；同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从 而增加发热效果，使工件升温更快。另外，涡流的大小还与金属的截面大小、截面形状、 导电率、导磁率以及透入深度有关。 感应加热的整个过程是这样的，首先通过感应线圈把电能转化成磁能，交变的磁场 产生同频率交变的电动势e ；交变电动势e 作用于金属工件后，形成闭合回路，在工件 表面产生电流一涡流，实现了从磁能到电能的转换【1 8 1 。 关于涡流，是这样定义的1 1 9 1 ：大块金属处于变化磁场中，或在磁场中运动，在金属 内部将产生蜗旋状的感应电流，成为涡电流，简称涡流。 由于块状金属的电阻一般较小，所以涡流可能很大，在金属内流动时会释放出大量 的焦耳热。这样，电能又转化成金属工件的内能，从而达到加热的目的。整个过程中能 量转化关系如下图所示： 1 2 长安大学硕士学位论文 图2 3 感应加热能量转化图 2 2 3 集肤效应和透入深度 电磁感应加热包含三个基本的要素：电磁感应、集肤效应和热量传输。如果流过导 线的电流是直流或低频电流i ，则在导线内和周围产生的磁场b 会是从导线中心向径向 方向扩展开，如左图2 4 中所示。整个截面上的电流均匀分布，如右图2 5 中所示。 图2 4 低频时单根导体图2 5 中高频电流引起集肤效应 如果流过导线的是高频电流，在导体外垂直于电流方向上就会产生变化的磁场( 图 2 5 中1 2 3 和4 5 6 ) 。根据电磁感应定律，在导体内沿长度方向的两个平面l 和 n 上中高频磁场产生感应电势。此感应电势在导体径向产生的涡流( a b c a 和d e f d ) 会阻止磁通的变化。可以看到涡流的a b 和e f 边与主电流o a 方向一致， 而b c 和d e 边则与0 一a 方向相反。这样在导线表面主电流和涡流加强，越向导线 中心越弱，电流趋向于在导体表面集中，这就是集肤效应【2 们。 根据电磁场理论，电流密度的分布是从表面向里面大致呈指数规律衰减，用下式表 示 一三 j = j o e 艿 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中厶为导体表面的电流密度，j 为距离表面深度x 处的电流密度值，万是 具有深度单位的常数，称为透入深度。 1 3 第二章传统沥青洒布车加热方式与电磁感应加热比较 透入深度是对电磁场集肤效应大小的衡量。工程上通常规定，当导体电流密度由原 表面向里衰减到数值等于表面电流密度的e - 3 6 8 时( 即上式中距离x = 艿) 时，该 处到最外表面的距离称为电流的透入深度。 根据焦耳定律，电流在导体中产生的焦耳热与电流的平方成正比。由于集肤效应电 流密度呈指数衰减，根据上式得到加热功率密度p 也是按指数规律分布 一垒 p = p o p 占 ( 2 7 ) 式中只为导体表面的功率密度。 在深度为x - - 艿处，功率密度只有表面功率密度的e - 2 = 1 4 ；深度为x = 2 万处，功 率密度更是衰减到表面的口_ 4 = 1 8 ，离表面更远处基本上可以忽略不计。因此工程上 认为，导体中的电流主要聚集在从导体表面起到离导体表面深度约万一2 万的区域内， 在深度超过2 艿的地方无感应电流存在。 透入深度是由导体本身的性质所决定的。透入深度万可用下式来表示： 6 = 跞 ( 2 8 ) 式中，p 为导体材料的电阻率( q m ) ：u 。为真空磁导率，其值为4 z 1 0 一h m ；u ，为 导体材料的相对导磁率；f 为电流频率( h z ) 。显然，导体的电阻率越小，导磁率越大， 电流频率越高，则集肤效应越显著。 从上式( 2 8 ) 中可见，透入深度万与电流频率f 的关系为：6 厂吨5 ，由此我们可 以通过调节电流频率来改变感应加热的透入深度万。这在一些需要控制加热深度的加热 场合( 比如工件淬火等) 显得特别有用。同时要注意到，提高电流频率f 可以增加感应 电动势，提高加热功率；但是频率f 的提高，也会使透入深度变小，加热厚度变薄；特 别是在一些需要控制加热深度的场合，不能一味地通过提高频率来增加加热功率。 另外，感应加热时还会产生两个重要的电磁现象：邻近效应和圆环效应。邻近效应 指的是两根通有交流电的导体靠的很近时，在相互影响下，电流要做重新分布。邻近效 应的电流密度分布与导体本身的磁场以及邻近导体的磁场均有关系。圆环效应指的是， 将交流电流通过圆环状线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧。感应电炉就是综 合利用这几种效应的设备：感应线圈加上交流电压后，线圈和工件上产生相反方向的电 流；当二者相互靠拢时，线圈电流集聚在内侧表面，工件电流集聚在外表面。这时，线 圈本身表现为圆环效应，而工件则表现为集肤效应。 1 4 长安大学硕上学位论文 2 3 电磁感应加热技术应用于沥青洒布车的优越性 加热技术的发展主要应考虑如下几方面的问题【2 2 】： ( 1 ) 节约能量，减少消耗，降低成本； ( 2 ) 尽可能提高加热速度和加热效率以提高劳动生产率； ( 3 ) 充分保证加热质量； ( 4 ) 尽量减少和消除公害，发展无公害加热技术； ( 5 ) 加热过程的机械化、自动化和自动控制； ( 6 ) 操作、使用、维修方便，安全可靠。 要避免上述传统加热方式能源利用率低、设备维修成本高、有安全隐患等种种不足， 亟需找到一种新型的加热方式，并应用到沥青洒布车的加热系统中。电磁感应加热方式 就是一种很好的替代。 2 3 1 感应加热方式的特点及应用领域 自2 0 世纪初人们开始尝试感应加热的工业应用以来，感应加热的理论不断发展成 熟，各种感应加热装置不断出现，感应加热的工业应用领域也不断扩展。吸引人们不断 研究和应用感应加热技术的，正是其所具有的一些其它加热方式不可比拟的优点【1 7 1 ： 加热温度高，而且是非接触式加热 加热效率高，可以节能 可以局部加热、产品质量好 容易实现自动控制，省力 作业环境好，几乎没有噪声和灰尘 设备占地面积小，生产效率高 能加热形状复杂的工件 工件容易加热均匀，产品质量好 目前，感应加热技术的应用领域已经涉及到各行各业。工业上，金属熔炼、透热、 热处理等过程中都可以看到它的身影，尤其在冶金、国防、机械加工等部门，以及铸、 锻和船舶、飞机制造业等行业，它已日益成为不可缺少的一部分。民用加热电器方面， 它也被越来越多地应用，各种采用感应加热方式实现的电磁炉、电磁热水器等，已经不 断地进入到普通家庭中。 下表2 1 中列出了感应加热技术在主要工业部门中的应用领域【1 8 】。 第二章传统沥青洒布车加热方式与电磁感应加热比较 表2 1 感应加热技术的应用领域 应用部门主要用途 冶金黑色、有色金属的冶炼和保( 升) 温；金属材料的热处理；冷坩锅 熔炼、区域熔炼、悬浮熔炼等制取超纯材料；锻造、挤压、轧制等 型材生产的透热；涵管生产的焊缝。 机械制造黑色和有色金属零件的铸造和精密铸造金属的熔炼；机器零件的淬 火；特别是表面淬火以及淬火后的回火、退火等热处理的加热；化 学热处理的感应加热；压力加工( 锻、挤、轧等) 前的透热，特别 是模锻、精锻等；钎焊；对焊；硬质合金的容焊；金属涂层及其他 场合的加热烘干；热装配等。 轻工罐头封口加热、合成纤维生产中间接加热等。 石油化工化学反应釜等容器加热、输油管道焊接缝现场退火，输油管路的 保温等。 电子电子管生产中真空除气时的加热等。 2 3 2 电磁感应加热沥青技术的优越性 在公路施工部门，沥青在生产、运输、储存、使用和回收过程中都会遇到沥青质量 试验。沥青质量试验过程中，由于试验任务重、时间紧、内容多及试验经济条件限制等 原因，不同单位往往会采用不同的加热方式，有用气加热的，如管道天然气、煤气罐气； 有用光加热的，如太阳能；更多的是用电加热的，如电炉、红外线电灯泡、电砂浴、电 热板、电磁炉、电烘箱等等，为便于分析，将其加热器皿的性能与特点列于下表2 2 。 一般讲，加热方式为点线式( 如酒精喷灯、电烤灯等) 都存在很大的温差，靠近热 源的地方热量大、温度高，远离热源的地方热量小，温度低。温度多相差几十上百摄氏 度故不可取。而感应加热有很多优点：由于被加热物体和加热设备之间没有电气接触， 因而避免了很多电气事故的发生；同时在很短的时间内可以产生足够的能量，因而可以 得到很高的能量密度等【3 l 】。由表2 2 综合比较各方面性能可见，电磁加热沥青效果最好， 是目前最理想的加热方式。 1 6 长安大学硕士学位论文 表2 2 沥青加热器皿性能一览表 最大 1 5 0 均匀 可加热方热源性 名称 温度时间性控式质 备注 m i n 性 阳光直接 9 0 近优否立体太阳能1 5 0 时间指 烘烤做沥青常规试验 抛光太阳 2 0 0 3 0 差良面式、立太阳能所需最小沥青试 伞镜体样加热至1 5 0 电炉 2 0 0 3 0 差良 面式电能 时间。最小数量 电暖灯 1 6 0 3 0 差良 面式电能通常约为5 0 0 9 。 电热板 2 0 0 3 0 差良面式电能均匀性指热量 电砂浴 2 0 0 3 0 良良 近立体电能 分布的均匀程 电磁锅 2 0 0 2 0 良良面式