几种常用沥青器械加热的热工计算分析

文/昌吉公路管理局硫磺沟分局　海衣沙尔·斯玛依尔

昌吉公路管理局三台收费站　阿不力克木·买买提

沥青器械加热的热工计算关系施工操作的效率和质量，关系到沥青材料优良性能的实现。本文就几种常用沥青器械加热的热工计算展开研究，以期为同类工程应用提供热工计算技术参考。

铺筑或养护公路沥青路面经常面临沥青器械加热的工艺和课题，沥青器械加热的热工计算关系施工操作的效率和质量，也关系沥青材料优良性能的实现。本文就几种常用沥青器械加热的热工计算展开研究，以为同类工程应用提供热工计算技术参考。

火筒加热沥青及其热工计算

火筒加热是国内较为常用的实现沥青加热的方法之一，主要通过重燃油或着天然气燃烧加热的方式实现对沥青材料的加热处理。火筒加热具有较为广泛的热源材料来源，其加热的热值较高，热值发挥比较充分，加热性能好。重燃油加热方式，节能环保功效可观，也是一定意义上的资源再利用。

根据罗波-伊万斯辐射模型得知，火筒辐射加热的热交换量计算公式为：

上述公式中，Qr为火筒热传递量，系依据辐射热交换方程计算所得，单位是(kJ/kg)；Aft是火筒的受热面面积，单位是(m2)；Bc为消耗的燃料量，单位是(kg/s)；C是火筒辐射常数，通常取值 4.410-3～4.610-3，单位为是火筒烟气出口的温度，单位为(K)；

Tb是火筒壁面的温度，一般可取值以火筒外侧的介质温度数值。

导热油加热沥青及其热工计算

导热油加热沥青方式通常情况下采用独立外置沥青罐的导热方式，其是将沥青罐与导热油炉分隔开，在沥青罐以外，独立设置导热油炉。热导热油在外置炉获得一定温度后，带热流经沥青罐的热交换盘管，经过盘管与沥青进行传递，实现加热沥青。导热油热交换后，经油管再流回导热油加热炉内继续加热，如此往复循环。

导热油热传递的计算

独立外置沥青罐的导热油加热系统具有热容量和导热油循环量大，温升快等特点，而内置双层U型管式的导热油沥青加热系统在此类方面则要弱势得多，热平衡系统方程为：

上述公式中，Q为输入的导热油炉热量值，单位(kJ)；Q1为沥青加热过程中吸收的热量值，单位(kJ)；Q2为加热进程中损失的热量值，单位(kJ)。

由热传递原理可知，盘管热传递过程主要包括导热油本身的对流热传递，管壁与导热油的热传递。流动加热介质的热交换系数可通过公式（3）或（4）计算得出：

将“IT”与“科技(不含IT)”合并为“科技大类”后看，其总量(2579条)仅次于“文化、生活”，在所有新词中占有重要比重。说明包含IT新词在内的各种科技类新词，承载着对新事物、新概念、新技术的诠释，正迅速渗透到人们的语言生活中，成为现代新词中不容忽视的重要组成部分。而IT领域新词在科技大类新词中表现活跃，占整体的37.8%，其重要性亦不容忽视。

由于加热管完全浸没在沥青罐之内，故这一部分几乎没有热量损失，可忽略考虑热损耗。露于空气中布置输油管道，因为管壁向周围空气遗失热量，会造成热系统热量损耗。加热过程中沥青罐也会向周围空气释放热量，导致一部分热量损失。综合考虑上述两方面热损耗，所以热交换效率通常取值以0.75～0.85，于是即有：

施工中为了实现快速加温的要求，升温速度在10℃/h以上才符合作业操作的速度要求，1小时使沥青上升Δt温度所需求的热量是：

由公式（2.3）和公式（2.4）得到油炉的供热能力Q'为：

消耗燃料量的计算

沥青铺筑车一般以柴油加热导热油，9600ka1.kg-1为其热值，那么燃油的消耗量是：

上述公式中，P为柴油密度，一般P=0.84×103kg/m3；为导热油炉的热效率，参数一般由该设备的生产厂家提供；Q'计量反映热炉的供热能力，单位(kJ/h)。

循环油量的计算

加热系统需要循环导热油量：

上述公式中，P为柴油密度；C为导热油比热，单位[kJ.(kg.K)-1]；t1是炉进口导热油温度，单位(℃)；t2是炉出口导热油温度，单位(℃)。

施工操作还要考虑安全操作温度，进出口的油温差一般控制在10℃～20℃，导热油最高操作温度一般取值为200℃～230℃。对流受热面炉管里的导热油流速一般控制在≥1.5m.s-1，辐射受热面炉管里的导热油流速一般控制在≥2m.s-1，此种做法是为了有效避免积碳现象和炉内导热油过热。

热传递的计算

上述公式中，S反映热交换的总面积(m2)；td热炉进出口处的平均温度(℃)；ta为加热终了与初始温度的平均值，单位（℃）；K为热油向沥青的热传递常数，单位[kw/(m2.℃ )]；反映加热系统的热效率；Q反映油炉的加热能力，单位(kJ/h)。

微波加热沥青及其热工计算

沥青微波加热的计算

在微波加热沥青材料的过程中，在微波能量的作用下，沥青聚集料把热能传递给了沥青料。微波加热的能量集中，热损耗较低，微波辐射会对沥青材料持续进行加热，只要有微波能量存在，因此微波加热可以短时间内迅速推升沥青材料的温度。不同沥青材料的基本电介性质参数具体如表1所示：

表1 沥青材料之基本电介性质参数

对于吸收微波能量的能力，随着电介质的介电常数的差异，不同材料的吸收能力有所不同。

依据公式（11）可知，微波热能转换和吸收的程度，与介电常数ε、电场强度E2及介质功耗δ的正切值呈正比关系。但它不与微波频率f构成正比关系，介电常数ε会根据不同的微波频率进行一定的变化，假定微波功率被介质吸收后全部转化为热能，介质温升Δt则为：

上述公式中，T为微波照射的持续时间，单位(S)；W是微波的频率，单位(Hz)；C是介质的比热，单位[J/(kg.K)]；P是介质的密度，单位(kg/m3)。

由于热传导在实际运行中存在部分功率流失，所以：

故具体实际温度升高值应为：

根据麦克斯韦波动方程可得计算公式：

基于足够小的微波单元，可以将微波辐射简化为平面波，根据此条件，麦克斯韦波动方程组可以写成：

微波加热沥青混凝土时，沥青混凝土跟周边介质间会存在热交换。在t 时间内，微元体电介质吸收微波能以后，温度升至θ温度所需能量的功率可以由下式计算：

在上述公式中，P为介质的密度常数，单位(kg/m3)；T为加热用时，单位(S)；Q是介质所吸收的热能量，单位(J)；C为介质的比热参数，单位[J/(kg.K)]。

体积V内的微波平均损耗功率为：

在上述公式中，WN为电介质的损耗因子，E＊为特定方向的电场强度。微元体内我们假定电场均匀分布，那么单位体积内，热功率损耗的平均量值可以计算为：

由此，沥青混凝土微波加热路面微元体时，可以由以下热传导方程计算：

非稳态三维有源加热的沥青混凝土微波加热数理模型，即由上述温度分布传导、场强以及损耗功率方程构成，相关计算也由此获得。