（机械设计及理论专业论文）沥青路面加热方法与控制系统研究.pdf

摘要 随着我国高等级公路建设的高速发展，前期建设的许多沥青路面已经达到或 接近设计寿命，需要进行大规模的养护。而以往的传统修补工艺，由于其工艺本 身存在诸多的弊端，造成了修补后很快再次破坏、材料浪费、环境污染等诸多问 题。目前国际上较为先进的国家已经开始广泛应用新的沥青路面热再生工艺对路 面进行养护，在这种工艺中，对沥青路面进行加热是一个关键环节。本文针对沥 青路面加热的方法和自动控制系统进行了研究。 在研究国内外沥青路面热再生技术的发展现状基础上，确定了适用于高等级 沥青路面修补的路面加热方式，设计了金属纤维燃气红外辐射板及其燃气供给系 统，并对其性能进行了实验验证。 应用自行研制的燃气红外辐射板对沥青路面进行了实地加热实验，收集了大 量一手数据，并对数据进行分析推理，初步掌握了沥青路面的升温规律，总结了 适用于6 c m 厚度沥青路面铺层加热的路面加热方法。 基于沥青路面加热实验所得的数据和推理结论，应用p l c 设计了应用与 l d y 4 0 高等级沥青道路养护工程车的路面加热自动控制系统。 最后，对本次研究的结果进行了总结，并指出了本次研究成果之不足之处与 后续研究的发展方向。 关键词：沥青路面热再生，加热方法，加热试验，自动控制系统 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y sh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，al o to fb i t u m i n o u s p a v e m e n th a sb e e nc l o s ew i t hi t sd e s i g n e dd e a d l i n eo fo p e r a t i n gp e r i o d ，s ot h e m a i n t e n a n c ew a sn e e d e d b u tt h et r a d i t i o n a lm a i n t e n a n c et e c h n o l o g ya n dm e t h o dh a s f a i l e dw i t hm e e t i n gt o d a y s r e q u i r e m e n t , f o rt h ep r o b l e m sa s m a t e r i a lw a s t e e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dr e f a i l u r es o o na f t e rm a i n t e n a n c e s of a r , m o s to f d e v e l o p e dc o u n t r i e sh a v eb e g u nu s i n gan e wt e c h n o l o g yc a l l e dh o ti n - p l a c er e c y c l i n g o fa s p h a l tp a v e m e n tt om a i n t e n a n c et h eu s e dh i g h w a y s f o rt h i st e c h n o l o g yt h e p r o c e s so fh e a t i n gt h ea s p h a l ti sak e yp a r t i nt h i st h e s i st h em e t h o da n dc o n t r o l s y s t e mo f a s p h a l tp a v e m e n th e a t i n gw a sr e s e a r c h e d b a s e do i lt h er e s e a r c h i n go ft h ed e v e l o p m e n ta b o u th o ti n - p l a c er e c y c l i n go f a s p h a l tp a v e m e n tb o t hh e r ea n da r o u n d ，f i n do u tam e t h o dc a nb eu s e df o rt h eh o t m a i n t e n a n c eo f o u rh i g h w a y sa n dd e s i g n e dag a si n f r a r e dm e t a lf i b e rb u r n e r u s i n gt h eg a si n f r a r e dm e t a lf i b e rb u r n e rw et e s t e di t sh e a t i n ge f f e c t i v e n e s s o n - s i t eo fa s p h a l tp a v e m e n ta n dg o tal o to f r a wd a t a a f t e ra n a l y z i n gt h er a w w e f o u n do u tt h eq u a l i t a t i v er u l eo f a s p h a l tp a v e m e n th e a t i n g a c c o r d i n gt ot h er e s u l tg o tf r o mt h eo n - s i t et e s t ，w ed e s i g n e dac o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rf o rt h el d y 4 0h i g h - g r a d ea s p h a l t p a v e m e n tm a i n t e n a n e et r u c k i nt h ef i n a l l y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：h o tr e c y c l i n go fa s p h a l tp a v e m e n t ，h e a t i n gm e t h o d ，h e a t i n gt e s t , a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m i i 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：霍笠垒 刎年岁月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：醚董 四年 月 e 1 第一章绪论 1 1 立题背景 第一章绪论 1 1 1 引言 公路是国家现代化建设的重要基础设施。它在国民经济、国防和人民日常生 活中的重要地位也是无庸置疑的。目前，我国现有公路里程约1 9 5 万公里，其中 二级以上公路3 2 万公里，高速公路4 万公里。根据“十一五”规划，到2 0 1 0 年，我国公路总里程将达到2 1 0 - 2 3 0 万公里，将全面建成“五纵七横”国道主 干线，基本建成西部8 条省际间通道，高速公路将连接9 0 目前人口在2 0 万以 上的城市。2 0 0 3 年到2 0 1 0 年的七年间公路总里程将年均增长2 5 3 6 ，高速公 路里程将年均增长g 一1 6 。由于使用道路沥青不仅可以提高车速，降低油耗， 降低运输成本，延长轮胎行驶里程和节省道路维修费，而且还有易于维护等优点， 因而使沥青路面的使用越来越广泛。道路路面铺设沥青日益成为城乡公路建设的 主流选择。沥青路面的一般寿命为l o 到1 5 年左右，加之由于车辆超载，重型车 辆起步和制动对路面造成推移以及由于路面摊铺前基层清扫不干净造成的沥青 道路的面层早期破坏，在过去十几年内修筑的沥青路面已经有相当部分开始进 入了需要大规模养护的阶段。 从现在算起，第一年有1 2 的旧沥青路面需要翻修，旧沥青混合料废弃量 将达到每年2 2 0 万吨之巨。l o 年以后，沥青路面的大、中修产生的废旧沥青混 合料将达到每年10 0 0 万吨【l 刀。养护维修过程中大量的翻挖、铣刨沥青混合料被 废弃，一方面造成环境污染，另一方面对于我国这种优质沥青极为匮乏国家来说 是一种资源的浪费，而且大量的使用新石料，开采石矿会导致森林植被减少、水 土流失等严重的生态环境破坏。因此，沥青再生技术的研究、推广和相关专用设 备的开发，对降低建设成本、保护生态环境以及对我们国家的公路建设都有极大 的意义。随着我国高等级沥青路面维修养护量不断增加，环保高效的沥青路面热 再生技术引起了人们的高度关注【”】 1 1 2 热再生技术简介 旧沥青路面的再生利用，就是将旧沥青路面经过路面再生专用设备的加热、 翻挖、回收、破碎、筛分后，与再生剂、新沥青、新集料等按一定比例重新拌和 成混合料，满足一定的路用性能并重新铺筑于路面的一整套工型r 丌。按再生地 点的不同热再生可分为厂拌热再生和就地再生。所谓厂拌热再生，就是将旧的沥 第一章绪论 青混合料切削回收，集中到再生拌合厂，再根据旧混合科技术性能的变化，掺入 不同的添加材料，然后拌和成符合路面技术要求的再生混合料，运入施工现场， 摊铺并碾压成为新的沥青路面；就地热再生工艺是对旧沥青路面就地加热、翻松、 拌和、摊铺、压实，一次性将旧沥青路面翻修成型的施工方法。 一般来说在路面破坏还没有波及到路基的情况下使用现场热再生工艺。这种 这种方法的主要特点有： 1 、旧沥青路面混合料就地再生利用，不需要搬运废料过程及废弃物堆放场地， 可减少对环境的污染； 2 、旧沥青路面混合料1 0 0 得到再生利用，可以节省新混合料的用量，工程费用 低经济效益显著； 3 、与其他维修方法相比，旌工速度快、施工周期短，可以快速开放交通： 4 、减少路面材料的往返运输量，节约了运输费用，减少了工程配套车辆及其对 正常道路运输的干扰； 5 、施工中产生的震动、噪声比其他施工方法小，市区可以进行夜间作业： 6 、由于使用专用机组进行连续机械化施工，此方法不适用于小型维修工程及难 以确保连续机械化施工的工程； 7 、这种再生方法是以沥青路面面层为施工对象，当路面破坏波及到基层以下时， 原则上不适用； 8 、此方法是在现场加热沥青路面，施工易受气候影响，寒冷季节一般不宜施工。 进行就地热再生，需要使用就地热再生机组。该机组通常包括一台路面加热 再生机和一台重铺机，它把沥青路面维修作业中的加热、翻松、添加新料、摊铺 和初步压实成型等多种功能集于一体。在已破坏的路面上一次作业就可以完成全 部修复工作，最后经过压路机压实后便可以通车。大型的路面就地热再生机组的 作业宽度可以达到4 5 米，这样一次可以修复高速公路的一个车道。 根据路面破坏情况的不同和对修复后路面质量等级的不同要求，就地热再生 的施工工艺主要有以下三种： 整形热再生法。整形再生法是由加热机对旧沥青路面加热到一定温度后，用 复拌机将路面翻松并在复拌机上的搅拌器中把翻松的材料拌合均匀( 可同时加入 适量的添加剂恢复沥青功能) ，然后摊铺到路面上，用压路机碾压成型。也可以 用人工将已加热软化的路面进行翻松作业。这种方法适合维修破坏不严重、破坏 面积较小的路面，修复后可以消除原有路面的车辙、龟裂等病害，恢复路面的平 整度，改善路面性能。 重铺再生法。重铺再生法是用复拌机在整形再生法施工的基础上，把旧的路 面材料翻松、搅拌均匀并整平后作为路面的下面层，同时在其上面再铺设一层新 2 第一章绪论 的沥青混合料作为磨耗层，形成全新材料的路面，最后用压路机碾压成型。这种 方法适用于破损较严重的路面( 如出现大面积坑槽) 的维修和旧路面升级改造施 工，修复后形成与新建道路性能完全相同的全新路面。 复拌再生法。复拌再生法是由加热机将旧路面加热至一定温度后，用复拌机 将旧的路面翻松，并把翻松后的材料与新沥青混合料在复拌机的搅拌器中拌和均 匀，形成新品质的沥青混合料，然后摊铺到路面上，用压路机碾压成型。这种方 法适用于维修中等破坏程度的路面，修复后可以恢复沥青路面的原有特性。 应当指出无论采用哪种方法进行就地热再生，都必须事先对破损的路面进行 取样检测分析，再选择相应的旋工方法，制定具体的施工方案，并确定应添加材 料的性质和比例，这样才能保证道路修复后的质量。图1 1 为整形热再生法的施 工现场。 图1 - 1 修路王施工现场 图中的车辆为美国热动力公司生产的修路王( p a t hm a s t e r ) ，尾部的墙状结 构为加热墙。修路王是一款进行整形热再生法施工的典型设备，其施工工艺为： 首先将尾部的加热墙放平距离地面5 c m ，然后启动燃烧装置用加热墙产生的远 红外线对破坏的路面进行烘烤，加热至路面完全软化且软化深度达到4 - - - 6 c m ， 然后用人工对软化的破损路面进行翻挖，加入适量添加剂或新的热沥青混合料后 进行摊铺，然后用车载的钢轮振动压路机进行碾压成型。表l - 1 中根据现场试验 的数据列出了这种新型的施工设备和工艺与传统工艺相比的几个参数对比。 第一章绪论 表1 - 1 修路王修补路面与传统方法的比较1 2 6 1 项目传统方修路王修补修路王优点 法 修补时间( m i n ) 9 02 0 提高效率 清除废沥青料 2 0 2 50 ( k 曲 节省材料 新沥青料用量 4 0 52 0 2 5 ( k 曲 作业人员( 名) 64 减少人员 所需设备( 台) 5 2 ( 修路王、标志标牌车) 减少设备 作业安全性 安全性 安全性高提高施工安全 低性 注：以1 5 1 5 米的坑洞为例 由对比可以得出：“修路王”的热修补办法具有效率高、节省材料、节省人 力、设备数量少、施工安全性高等优点。但是不可否认的是：通过对施工现场的 观察发现如下两个问题： l 、加热过程中天气突降阵雨，“修路王”尾部的加热墙所使用的多孔陶瓷板 非常容易爆裂，即使正常使用情况下这种陶瓷板寿命也不是非常理想，而且机械 强度比较低，暴露在外极易被钝器所伤导致破裂损坏，而且由于该设备为进口设 备，配件价格昂贵，频繁的更换配件无疑会降低施工效率同时提高施工成本； 2 、在对路面加热的过程中如果操作不及时，经常出现路面着火、焦化的现 象，一旦路面焦化或起火，被加热的部分旧的沥青混合料便不再具有再生价值， 因此其节省材料、环保的优点就会大打折扣。 综上，与传统工艺相比热再生技术具有很好的应用前景，但是目前国内的设 备和技术还存在一定的不足，本次研究旨在找出一种更适合的加热方法和加热设 备以及设计出实用的控制系统来解决上述问题，为沥青路面热再生的工艺的大规 模推广打下基础。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外发现现状 国外对旧沥青路面再生利用研究，最早是从1 9 1 5 年在美国开始的，但由于 以后大规模的公路建设而忽视了对该技术的研究。一直到2 0 世纪7 0 年代后期， 由于世界范围内沥青资源的匮乏，加之人们环保意识的逐渐增强，使得这项技术 4 第一章绪论 的研究和试验在美国得到重视。同时，加拿大、德国、日本和前苏联等国家都十 分重视并迅速开展了再生技术的研究和应用。如：现在沥青路面的热再生利用在 美国已是常规实践，其废旧沥青混合料的利用率高达8 0 。相比全部使用新沥 青材料的路面，节约成本1 0 3 0 1 2 。加拿大的热再生技术的应用，尤其适 用于高级、次高级沥青路面的中、大修工程。联邦德国是最早将再生料应用于高 速公路路面养护的国家，l9 7 8 年就将全部废弃沥青路面材料加以回收利用。日 本从1 9 7 6 年到现在路面废料再生利用率已超过7 0 。截至2 0 0 0 年，日本再生 沥青混合料已达到5 0 x 1 0 4t ，占全年沥青混合料产量的5 8 ，日本每个拌合站 都具备生产再生混合料的能力i l2 】。 国外比较知名的热再生设备有美国热动力公司的修路王( p a t hm a s t e r ) 、德 国维特根公司生产的r e p a v e r 热再生重铺机、加拿大的大能( d y n a n i r e ) 等。修 路王采用一个1 8 m x 2 4 m 的多孔陶瓷板红外加热板，分四个加热区独立控制， 输出热量可根据天气及混合料的成分进行调节，通常用1 0 - 2 0 分钟就可修好 1 5 m x l 5 m 的坑槽，有多种系列，售价约在1 5 - 2 8 万美元。德国维特根公司生产 的r e p a v e r 热再生重铺机和修路王有相似的原理和功能，有三组红外线加热器， 工作宽度为2 5 m - 3 7 5 m 之间，工作时用两组加热器加热沥青表面，耙松后再用 另一组加热器将就旧沥青料加热到与新集料相同的温度，加入新沥青料，整平， 压实成新的路面。加拿大大能的沥青路面再生养护车，采用缺氧循环热风结合红 外加热技术的加热板，同时通过温度探头对路面温度进行实时监测，自动控制燃 烧器的热量输出，将路面温度控制在1 7 0 c 左右，确保路面不被烧焦，加热板的 所有动作都是依靠电子液压系统驱动驱动器来实现的。另外，大能还有一系列的 专门用于对路面进行加热的加热板产品，其工作原理与之生产的再生养护车上所 配置的加热板基本相同。 总之，在发达国家家公路养护机械经过多年的发展，特别是随着电子技术、 液压技术、自动控制技术等的发展和广泛应用，他们的沥青路面再生设备结构已 日趋合理，操作维护也更加安全可靠，对沥青路面的加热效果也日趋理想，当然 部分产品在我国的施工现场应用过程中也存在一些小的问题。 1 2 2 国内发展现状【1 7 1 1 9 8 2 年，交通部将沥青混凝土路面再生利用技术作为重点科技项目下达， 由同济大学负责该课题研究的协调，山西、湖北、河南、河北等省市参加，对沥 青混凝土路面再生技术开展了比较系统的试验研究。1 9 8 5 年，建设部曾组织上 海、南京、天津、武汉等市政部门和苏州市公路局，与1 9 9 1 年6 月发布了c m 4 3 一1 9 9 】热拌再生沥青混合料路面施工及验收规程，同时在这四个城市铺筑了近 第一章绪论 3 0 0 0 0 m 2 的试验路。二十世纪九十年代，我国进入高速公路建设高峰时期，出现 了与美国在二十世纪二三十年代一样的情况，即沥青混凝土路面再生技术的研究 和推广被搁置。 1 9 8 2 年山西省结合沥青路面的大中修工程铺筑沥青再生试验段8 0k m 。甘肃 省兰州公路总段从1 9 9 3 年起，对兰空一榆中机场专用道路、中川路、兰西路、 兰三路进行热再生路面工作。1 9 8 3 年1 9 8 8 年云南省分别对昆洛、昆畹、黄昆 路进行再生沥青路面试验研究。2 0 0 0 年沈大高速公路营口段进行了沥青路面再 生试验，黄晓明等针对克拉玛依a h 7 0 沥青研制出a 型再生剂( 轻油与增粘树脂 的混溶物) 等，使j 日沥青的粘度降低，针入度、延度提高，改善了老化沥青的路 用性能。2 0 0 3 年6 月1 8 日，沪宁高速公路上海段大中修工程采用国际先进的沥 青路面现场热再生设备和技术进行大面积再生作业，面积达到2 0 万m2 ，在国 内尚属首次。通过使用场地热再生技术，全面恢复了病害前路面的外观和路用性 能。2 0 0 3 年广佛高速采用厂拌热再生，值得一提的是广佛高速公路再生项目是 全国第一个大规模采用工厂热法再生的高速公路项目。进入2 1 世纪，由于国外 在沥青路面再生方面已经有了比较完善的设计理论和成熟的施工经验，我国开始 引进国外的先进技术并尝试性地进行了一系列的试验和施工。上述这三个再生试 验就是在这个背景下完成的，并且都取得了成功。这表明我国公路科研、生产单 位在积极引进国外先进技术和设备的同时也已经开始重视高等级公路旧沥青路 面再生技术的自主研究，并取得了一定的成果。 我国国内的一些单位通过对该项热再生技术的研究，再参考国外成熟机型的 基础上也试制了一些国产的沥青路面热再生设备，包括沈阳北方交通重工集团有 限公司生产的“热墙道路养护车”、三一重工开发的“热墙式沥青路面养护车”、 山西机器制造有限公司与山西交通科学研究所合作开发的“沥青路面综合养护 车”等诸多厂家和产品都已开始出现在国内市场上，并在公路养护一线开始作业 并发挥了作用。这些产品的路面加热装置都是安装在车辆尾部的加热墙，而且都 采用了多孔陶瓷板作为红外辐射燃烧的介质，用液化石油气作为燃料，控制方式 各有异同。另外还有鞍山森远集团承担国家8 6 3 课题所研制生产的l r j 沥青路 面热再生机组，该机组中包括一台沥青路面加热机由于加热软化沥青路面，加热 机由自身的热风炉将燃料燃烧产生高温，循环风机将温度可达5 0 0 。7 0 0 摄氏度的 热风送到路面加热器，对路面进行加热，使路面温度逐渐升高，达到需要的温度热 风的热量一部分传给路面，余温3 0 0 3 5 0 摄氏度的热风通过循环风机送回到热风 炉再次加热使温度上升到5 0 0 7 0 0 摄氏度，形成热风循环。这种加热方式属于热 风循环式。一些小的公司也生产出了一系列的可用于小规模沥青路面病害修补的 功能单一的沥青路面加热机，这些加热机都是里用液化石油气、天然气或者柴油 6 第一章绪论 为燃料，没有自动控制系统，靠操作工人手工控制。 综上，国内近年来通过对沥青路面再生技术的研究和实践，已经初步积累了 一定的经验，在沥青路面加热设备方面也开发出了一些具有应用价值的产品。但 是国内的产品技术还是相对落后的，在沥青路面加热方法上还有很大的进步空 间，控制方法和控制系统更是存在着可改进的余地。 1 3 研究内容与方法 本次研究主要针对我校与安徽蚌埠振冲安利工程工程机械有限公司联合开 发的l d y 4 0 c 型高等级沥青道路养护车的加热系统进行。通过小规模实验、实 验结果分析、理论研究、样机设计生产、样机实验、参数校正等过程得出实用的 沥青路面加热方法，设计出高可靠性、人机友好的控制系统。本次研究的主要内 容如下： 1 、小型实验装置设计； 2 、现场实验及数据采集： 3 、数据分析，得出优化参数； 4 、加热燃气系统结构设计与计算； 5 、根据实验数据得出的参数进行控制系统设计； 7 第二章加热方式、加热器及燃气系统方案研究 第二章加热方式、加热器与燃气系统方案研究 2 1 传热方式简介t 0 加热是指热量从高温热源传递到被加热的对象使得被加热对象温度上升的 过程。其结果为热源温度下降或者热源消耗一定的能源后被加热对象的温度上 升。加热的本质是热量的传递，其基本方式有如下三种： 一、热传导：简称导热，它是指在没有宏观相对位移( 包括膨胀) 的情况下，依 靠物体各部分之间的接触进行热传递的现象，导热是物质的属性，导热过程可以 在固体、液体及气体中进行。影响热传导的主要因素有：热传导两侧之间的距离 6 、两侧表面分别的温度k i 和t w 2 以及材料的导热系数 ，导热系数的意义是指 具有单位温差的单位厚度的物体，在它的单位面积上单位时间的导热量，单位是 w ( m k ) ，它代表材料导热能力的大小。一般来说：单位时间内通过单位面积 的热流量( 热流密度) 如式2 1 ： 口： 竽： 叠 腑 ( 式2 二、热对流：依靠流体运动将热量由一处传递到另一处的现象。若热对流过程中 单位时间内通过单位面积有质量为m 的流体由温度为t 。处流到f ，：处，则此热对 流的热流密度为式2 2 ： q 2 朋c ，( f ，l 一纠形i m 2 ( 式2 2 ) 三、热辐射：物体的能量以电磁波形式进行传递的过程成为辐射。物体会因各种 原因发射辐射能。由于热的原因，物体内能转化为电磁波的能量而进行辐射的过 程称为热辐射。自然界中各个物体均不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸 收其他物体发出的热辐射。辐射和吸收过程的综合结果就构成了以辐射方式进行 的物体之间的热量传递。但物体与周围环境处于热平衡时，辐射的换热量等于零， 但这是动态平衡，辐射与吸收过程仍在不停地进行。物体表面每单位时间、单位 面积对外辐射的热量成为辐射能力。物体的辐射能力e 的大小与物体的表面性 质及其温度有关。对于绝对黑体( 一种理想的热辐射表面) ，理论和实践证实， 它的辐射能力e b 于表面力学温度的4 次方成正比，即式2 3 斯蒂芬一波尔兹曼 定律： 第二章加热方式、加热器及燃气系统方案研究 既= c 仁7 ) 4 w 脯 式中： 毛一一绝对黑体的辐射能力，w m 2 ； c b 一一绝对黑体辐射系数，c b = 5 7 6 w ( m 2 k 4 ) t 一热力学温度，k 。 一切实际物体的辐射能力均低于同温度下绝对黑体的辐射能力， e = 芘b ( 而1 ) 4 w m 2 。 m ( 式2 3 ) 表示为式2 4 ( 式2 4 ) 式中，劝实际物体的黑度( 亦称发射率) ，其值介于0 1 之间。 物体间靠热辐射进行的热量传递称为辐射换热，它的特点是：在热辐射的过 程中伴随着能量形式的转换( 物体内能一电磁波能一物体内能) ；不需要冷热物 体直接接触；不论温度高低，物体均在不停的相互发射电磁波能，相互辐射能量， 高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体向高温物体辐射的能量，总的结果 是热量由高温物体传到低温物体。 影响辐射换热流量的因素有：两个物体的温度正与e 、绝对黑体辐射系数c 。 与系统黑度s 。比如，两个无限大的表面积为a 的平面之间的辐射换热量为式 2 5 所示： ，邓。彳4 一( 剐矿。c 一 以上分别介绍了热传导、热对流、热辐射三种热量传递的基本方式，简要说 明了导热、对流换热、辐射换热三种热传递的基本过程。不同的传热方式遵循着 不同的换热规律。在许多实际的热量传递过程中这些基本方式往往是同时出现 的，有时以其中某一种或两种方式为主。因此在设计加热系统时，首先要根据被 加热对象的特征确定其更适用于那种换热方式。 2 2 几种可选加热方式介绍 2 2 1 烟气循环加热方法 该加热方法的热源为一台热风炉( 一般为燃油热风炉) ，热风炉产生的高温 烟气经过循环烟气的冷却和混合，使得热风炉出口的烟气温度恒定在5 0 0 0 c 上 下，然后经过输送管道，将烟气输送到末端均流板，均流板的作用是将生产的烟 9 第二章加热方式、加热器及燃气系统方案研究 气均匀地吹到地面上，这样破损路面可以被均匀的加热。加热地面后的烟气温度 下降，一部分烟气逸出至大气中，其余全部被烟气回风口吸走，经过风机加压后 吹入热风炉炉膛夹层中，烟气在夹层里产生旋转，冷却内套管，然后和燃烧烟气 混合，成为5 0 0 1 2 的烟气，如此循环。烟气循环加热设备组成见图2 - 1 。除了上 述热风炉、热风炉内管、燃油燃烧器、储油罐、循环风机、烟气回风口、均流板 外，为了保证热风炉产生的烟气恒定在一个特定的温度，需要一套控制系统来调 节燃烧器的负荷。通常情况下，由于工作场地的流动性，热风炉采用燃烧轻柴油 的燃油燃烧器较为合适。烟气温度的控制通过脉冲燃烧技术来实现的。脉冲燃烧 控制是一种新工业炉燃烧控制技术，采用的是一种间断燃烧的方式，使用脉宽调 制技术，通过调节燃烧时间的占空比( 通断比) 实现工业炉的温度控制。燃料流量 可通过压力调整预先设定，烧嘴一旦工作，就处于满负荷状态，保证烧嘴燃烧时 的燃气出口速度不变。当需要升温时，烧嘴燃烧时间加长，间断时间减小；当需 要降温时，燃烧时间减小，间断时间加长。 l2 1 飙炉2 撼肘盼3 黼l 黯4 锄簟暑秭黼 6 鬻气职口7 囊膏鼙i8 童描 图2 1 烟气循环加热设备结构简图 烟气加热方法在早期国内外的沥青路面热再生设备上已有过成功应用的产 品，并且取得了不错的效果。实验和工程试用的经验表明：循环烟气加热沥青路 面进行就地热再生的方法适合维修深度为4 e r a 的沥青路面。由于路表面区域温 度超过1 8 0 必然造成这个区域的沥青出现老化现象，因此必须喷洒专用的再生 添加剂，才能使维修后的路面达到质量要求。烟气温度宜选用4 5 0 c ( 或5 0 0 ) 。 当环境温度为1 2 时，加热所需时间约为2 0 分钟( 1 8 分钟) 。环境温度不同，加 热所需时间也将有所不同，不过相差不大。从目前国内外发展的趋势来看，利用 1 0 第二章加热方式、加热器及燃气系统方案研究 太阳能和远红外线加热技术具有广阔的前景。由于太阳能集热器很难将路面在短 时间内加热到施工温度且容易受天气的影响，所以，这种加热方式可以作为预加 热和其他加热方法组合使用。远红外线加热技术是未来热再生发展的主要方向。 光谱分析表明，沥青路面能够较好地吸收红外辐射，这种加热技术能够在短时间 内将沥青路面加热到施工温度，而且加热均匀。目前国内公路养护部门引进的再 生机多数是采用红外线加热技术。 2 2 2 燃气红外辐射加热1 1 1 2 5 红外辐射加热的热源为一台可以通过燃烧燃气产生红外辐射的红外辐射板。 燃气红外加热技术指燃气与空气全部预混后，在燃烧器表面着火燃烧，当燃烧器 表面介质达到一定温度时，便向外辐射红外线。物体接受到红外线照射时，吸收 其中一部分，反射一部分。吸收的部分转化为物体自身能量，使物体分子热运动 变得更加剧烈，达到加热的效果。该技术在工业和民用燃烧设备中得到了广泛的 应用，食品行业、纺织业、汽车业、玻璃制造业、钢铁铸造业等都有应用。燃气 红外加热技术比传统的对流加热具有投资省，效率高、污染少等优点。经过特殊 设计的燃气红外辐射燃烧器还能够发射出波长较长的远红外辐射，对某些物体更 有效地加热，从而节约能源。常用的燃气红外辐射燃烧器有金属网红外辐射燃烧 器和多孔陶瓷板红外辐射燃烧器两种。 多孔陶瓷板燃气红外线燃烧器的辐射面是布满小孔的陶瓷板。它的成分有滑 土、粘土、硅藻土、高岭土等。它的工艺有多种，根据不同的要求进行不同的制 造。独特的配方与工艺使其具有严格的技术要求：为了防止回火，要求热导率不 可过大，应小于0 5 8w ( m - l 厂) ：要具有足够的机械强度和抗折、抗震性能： 过高的膨胀系数会导致陶瓷板的抗热震性能下降，使用中易破裂；陶瓷板的火 孔直径决定于燃气的组分、性质。 金属纤维燃烧器是使用金属纤维作为燃烧辐射面材料的燃烧器，是目前国际 上较先进的燃气红外燃烧器，它是由一种名为f a c r a l l o y 的合金丝编制而成，从 而形成满足红外燃烧技术要求的可透性介质。这种合金由于其中的金属钇能使铝 保护层牢固地固定在基体金属上，所以在1 0 0 0 以上仍具有极好的抗腐蚀和抗 氧化性，使得金属纤维燃烧器具有超常的使用寿命。图2 2 所示是一台家用金属 纤维红外辐射燃烧器的结构简图：燃气和空气在引射器段混合后在金属纤维l 表面燃烧，当表面温度达到8 5 0 - 9 0 0 时，向外辐射红外线。下面从几个方面对 多孔陶瓷红外燃烧器和金属纤维燃烧器进行比较：1 、形状可变性，多孔陶瓷板 燃烧器由方形、圆形等陶瓷板加工、拼合在燃烧器壳体而成；金属纤维燃烧器是 由极细的金属纤维( 铁铬铝丝) 通过烧结成刚性而且多孔性的板材或通过纺织成 第二章加热方式、加热器及燃气系统方案研究 1 、金属纤维网；2 、托架；3 、引射器；4 、空气；5 、燃气 图2 - 2 金属纤维红外燃烧器简图 柔软的织物，固定在燃烧器的壳体上而成。这样，可根据用户的要求，制作成不 同形状的金属纤维燃烧器。如圆柱形、圆锥形、球形等，在形状上比多孔陶瓷板 具有多变性及适应性。2 、热冲击性能和机械冲击性能，因为金属纤维燃烧器采 用的是1 0 0 的金属，在水泼在燃烧的燃烧器表面上时，抗热冲击破坏性比多 孔陶瓷板强。同样，金属的韧性也使其抗机械冲击性能较多孔陶瓷板强。3 、冷 却速度，金属纤维燃烧器冷却快，熄火后较短期内可直接用手触摸燃烧器表面， 具有较好的防火性能。4 、热惰性，金属纤维燃烧器在点燃几秒钟后完全进入辐 射状态，极其有利于快速调节和精确温度控制，而多孔陶瓷板一般在点火3 0 5 0 s 后才进入辐射状态。5 、金属纤维燃烧器虽具备以上的特点，但多孔陶瓷板也 有其优点，如：高温的抗腐蚀性，多孔陶瓷板较金属纤维根本无需担心腐蚀的发 生；较高的热辐射效率，因为各自材质的不同，多孔陶瓷板的热辐射效率可达到 6 0 以上，而金属纤维燃烧器一般只能达到5 0 ，除非通过预热燃烧用的空气等 特殊方法，才可以获得5 0 以上的热辐射效率；与金属纤维燃烧器相比，多孔陶 瓷板的火孔不易被赃物堵塞。 总的来说：与普通的大气燃烧相比，红外燃烧具有诸多优点：1 、红外线燃 烧方式是气体在燃烧器的表面燃烧，以热辐射的方式传热，表面温度均匀，且易 于实现温度精确控制，这在工业中的干燥、涂层固化、金属的热处理等工艺上的 应用是大气式燃烧器所难于实现的。2 、金属纤维及多孔陶瓷板热导率较小，有 着良好的隔热性能，燃烧器表面温度变得较高时，相对于一般大气式金属燃烧器， 其燃烧器背面温度较低，不易达到燃气着火温度，难发生自燃，不易产生回火。 这更适于在工业窑炉等密闭空间内的应用。3 、红外线燃烧器因属于完全预混式 燃烧器，其n o 一和c o ，的生成量远小于大气燃烧。因此，红外线燃烧器无论是 在满足环保的要求上，还是在满足生产工艺的要求上，都优越于大气式燃烧器。 目前国内最新引进的较为先进的沥青路面再生设备，对路面的加热多采用红 外辐射的方法，工程实践表明采用远红外辐射对沥青路面进行加热的方法，较烟 第二章加热方式、加热器及燃气系统方案研究 气循环工艺能更快地对沥青路面进行加热，加热效果好。但是，目前国内对应用 于沥青路面加热红外辐射燃烧器及其控制系统的研究还不是很成熟。 2 2 3 微波加剿2 2 】 微波是指波长足够短能在发射和接收过程中实际应用波导和谐振腔技术的 电磁波，其波长范围在1 1 0 0 0 m m 之间，对应的频率范围：3 1 05 m h z 3 0 0 m h z ， 1 9 3 6 年，波导传输试验在美国取得成功，随后，微波技术在通信、广播、电视 领域中得到了广泛的应用。在使用微波的过程中，人们发现微波会引起热效应， 于是在全世界范围内开始了对微波加热技术的应用研究。1 9 4 5 年，美国人 s p e n c e rp l 申请了微波加热技术的第一个专利。1 9 5 5 年，美国泰潘公司向市场 推出了世界上第一台微波炉。2 0 世纪7 0 年代初期，我国开始研究和利用微波加 热技术，首先是在连续微波磁控管的研制方面取得重大进展，特别是大功率磁控 管的研制成功，为微波加热技术的应用提供了先决条件2 0 世纪8 0 年代，我国开 始生产微波炉，到目前为止，已经发展有家用微波炉、工业微波炉等系列产品， 产品质量接近或达到世界先进水平。 按加热方式的不同，我们可以把固体物料的加热分为两类：一类是常规加热， 该方法是首先通过传导、对流、辐射的传热方式加热固体周围的环境或固体表面， 使固体的表面得到热量，然后再通过热传导的方式将热量传到固体内部，其加热 介质可以是热空气、炉气、过热蒸汽，也可以是远红外线辐射等。这种加热方 式效率低，加热时间长；另一类干燥方法是介质微波加热，这是一种全新的加热 方法其加热原理是：当有极分子电介质和无极分子电介质置于微波电磁场中 时，介质材料中会形成偶极子或已有的偶极子重新排列，并随着高频交变电磁场 以每秒高达数亿次的速度摆动，分子要随着不断变化的高频电场的方向重新排 列，就必须克服分子原有的热运动和分子相互间作用的干扰和阻碍，产生类似于 摩擦的作用，实现分子水平的“搅拌”，从而产生大量的热。可见常规加热与 微波加热是两种迥然不同的加热方法，微波加热是一种“冷热源”，它在产生 和接触到物体时，不是一股热气，而是电磁能，它具有一系列传统加热所不具备 的独特优点。并非所有材料都能用微波加热，不同材料由于其自身的介电特性不 同，其对微波的反应也不相同，根据材料对微波的不同反应，我们可将材料分为： 微波反射型、微波透明型、微波吸收型和部分微波吸收型。 因此，我们可以利 用微波加热的选择性对混合物料中的各组分或零件的不同部位进行选择性加热。 第二章加热方式、加热器及燃气系统方案研究 卜防护罩；2 一反射层：3 - 天线：4 一沥青路面 图2 - 3 微波加热沥青路面装置结构简图 例如：利用微波加热对物料进行胶合加工时，其发热和温升集中在胶层，避 免了胶缝周围物料因高温而造成的热损坏。微波加热是一种全新的热能技术，与 传统加热不同，微波能量对材料物质有较强的穿透力，能对被照射物质产生深层 加热作用。常规加热须依靠材料物质本身的热传导，往往会出现加热不均滞后现 象。而微波加热却不须依靠热传导进行内外同时加热，形成均匀同时加热。微波 加热的效率只与两个因素有关：微波电磁场的能量密度和被加热材料内部可动粒 子的数量。对于无机非金属材料，可动粒子( 缺陷) 在一定的临界温度之上随温 度升高按指数规律增加，在微波作用下材料内部产生的热量，以及温度也按指数 规律上升。控制适当的功率与绝热条件，微波加热可实现超快速升温。利用微波 能加热和烘干沥青料，在2 0 世纪8 0 年代一些发达国家就已经开始尝试了。近5 年来微波加热技术在道路维修中的应用日益受到人们的重视，并且研究和开发了 相应的一些路面维修实验性的机械和装置。经研究发现，通过微波加热沥青路面 最大深度可达1 2 5 r a m ，而且不会把表面烧焦。此外，路面材料经微波处理后沥 青料与聚集料的结合粘性有明显的改善。沥青路面在修补中由于采用快速加热， 不但可以延长沥青材料的老化，而且修补后的沥青表面其抗水腐性能有了增强， 1 4 第二章加热方式、加热器及燃气系统方案研究 这样就可以进一步保证路面的修补质量。 普通常用的家用和工业用微波炉一般为四个面安装两对天线或者六个面安 装三对天线来对中间空的中的物体发射微波进行加热，如图2 - 4 所示为微波加热 沥青混合料的情况。然而应用微波对沥青路面进行加热时设备的结构要有所变 化，因为无法将待加热沥青路面放置到中间的空间中，因此只能采用图2 3 所示 的结构：用两对天线发射微波辐射，当发射出的微波遇到侧面或者顶面由不锈钢 制作的反射层时，微波不会被吸收，被反复反射后直到反射到吸收能力较好的沥 青路面上后被沥青混合料吸收。 图2 - 4 微波加热沥青混合料 用微波能加热沥青路面能取得较好的效果，但是由于这样对沥青路面进行开 放式加热可能存在着微波泄漏导致工作人员人身健康的威胁，因此这种办法尚存 在争议。另外产生微波需要电能，对于路上作业移动式设备来说，要方便得获得 稳定的电源，那么，在设备上需要配备一台相当功率的发电机组，不仅使得设备 成本增加，而且在市区夜间施工时会产生较大的噪音。基于上述原因，这种先进 的沥青路面加热工艺尚在实验或者试用阶段，但是不可否认，由于微波加热有着 加热速度快、加热均匀、方便控制等诸多优点，这种方法是一种非常有前途的方 法，如果能够做好隔离防护，这种方法尤其适用在用于对沥青路面进行全车道翻 新的大型的沥青路面再生机组上。 2 3 加热方法选择 上述三种加热方法，其中第一种是烟气循环加热，主要以利用热对流和热传 导两种换热方式，第二种红外辐射加热方法主要利用热辐射和热传导的换热方 式，表层的沥青混合料通过辐射换热后温度升高，再通过热传导将热量传递给底 层的沥青路面。第三种方法基本完全利用辐射换热，由于微波的穿透力相当强， 能够完全穿透沥青路面，所以可以使得在全厚度内近乎均匀的加热沥青路面的混 第二章加热方式、加热器及燃气系统方案研究 合料。稍有不均匀之处通过热传导换热方式达到平衡。为了便于选择合适的加热 方法，先将三种方法在沥青路面加热方面的特点对比列表如表2 - 1 。 表2 - 1 可选加热方式对比表 絮 烟气循环加热燃气红外辐射加热微波辐射加热 性能、 加热速度、效率需时1 8 分钟需时8 5 分钟速度非常快 ( 功率足够的条 件下，4 c m 深处 温度达9 0 co ) 加热效果( 路面是路面加热均匀，路面容易起火焦路面加热特别均 否焦化、起火1不易发生焦化、化、但通过合理控匀，不会产生起 起火现象。制可以避免。火焦化现象。 设备复杂程度、设备体积相对设备体积小，成本设备体积小，结 成本、所使用的庞大，结构相对 相对烟气循环设备构简单，但是需 能源复杂，实施成本较高，相对微波加要搭载发电机 不高，使用柴热较低，使用天然组，实施成本很 油。气或液化石油气 高，使用电能。 施工安全性及环施工安全性好、施工安全性好，不存在微波泄漏的 境友好性有害气体产生易回火，有害气体可能、安全性有 量不大。产生量小。所争议。本身无 污染但发电机组 有少量排放。 技术发展现状与技术较为成熟，国外已有成功应用发达国家正在探 国内外应用状况在国内外各行的案例，技术处于索将这种方法应 业已广泛成熟推广阶段。用于沥青路面加 应用。 热，尚不成熟。 本次研究主要针对同济大学与安徽蚌埠振冲安利工程机械有限公司合作的 l d y 4 0 c 高等级道路养护工程车，为该车选择合理的加热方案并设计合理的加热 设备与控制系统。l d y 4 0 c 主要用于对包括城市道路和城际的高等级路面的病害 进行快速热修补，要求能够快速实现对病害处沥青路面的均匀加热，并且避免路 面起火焦化造成旧沥青混合料的浪费与环境污染，另外，该车要求有较好的安全 性和机动性，能够在一处病害修补完成后快速转场修补