沥青路面红外辐射加热最佳波段的确定研究

陈 超

(长安大学工程机械学院，陕西 西安 710000)

目前，沥青旧路面的主流加热方式有三种，即热风加热、红外辐射加热和微波加热[1]。红外辐射加热通常利用燃烧燃气燃料的方式加热多孔金属纤维网或其他红外辐射材料，使其发出可以用于加热旧沥青路面的红外波段[2]。沥青路表面吸收的热量以热传导的方式向其内部传递，但目前红外辐射加热器金属网层燃烧温度设定大多以经验得出，而对加热红外波段研究不深入、设定不精确的温度参数，会导致红外辐射加热器作业过程中有一定的燃料利用率不高、加热效率偏低的问题。 所以，对加热的最佳红外波段的研究对实际工程中有很大帮助。

1 沥青路面红外加热机理

1.1 红外辐射加热机理

红外线是一种波长处于 0.78μm～1 000μm 之间的电磁波，图1 表示了电磁波的分布与定义。 红外辐射是由于物质受到外界的干扰或刺激，其内部电子或分子运动状态发生了变化，即能级变化。 当它们从高能级态最终回到低能级态时，多余能量以电磁波的形式向外传播红外辐射。一般分为三个波段，即近红外 0.78μm～3μm、3μm～40μm和 40μm～1 000μm。

图1 电磁波图

1.2 金属纤维加热器工作原理

红外辐射加热器的工作原理：空气和燃气在预混腔预混后进入加热器端部，通过一级和二级分流板均匀地分布在金属网表面。 预混气在点火装置后被点燃，在金属纤维网表面燃烧，经过几十秒后，金属网温度达到设定好的温度并向外辐射红外线。利用红外线的穿透能力对沥青路面进行内部升温加热，同时燃烧后的高温烟气与被加热对象进行对流换热。 金属纤维加热器结构如图2 所示。

图2 金属纤维加热器结构示意图

金属纤维燃烧过程中，路面的能量传递如图3 所示。

图3 加热路面能量传递

1.3 沥青路面“非匹配”加热

非匹配吸收机理认为在光谱吸收峰处和分子发生共振吸收之外，处于红外光谱中吸收峰之间的波段，红外辐射可以进入物质且具有较强的穿透能力，其核心是穿透深度[3]。

沥青路面混合料主要由沥青和粗细集料（石料）组成。根据沥青路面混合料的光谱特性，确定其吸收率最大的光谱带，以此确定辐射源的发射光谱区间。 加热器所发射的红外辐射波长应该不同程度上偏离覆盖在集料 （石料）表面上的沥青光谱吸收带，而尽可能使红外辐射透入其内部或者穿透沥青薄膜加热集料（石料），来获得较深的加热深度，避免在沥青路面的表面发生强烈吸收，实现内外同时加热的目的[4]。

图4 沥青的红外光谱图

图5 集料（石料）的红外光谱图

图6 水的红外光谱图

由图4、图5 和图6 可以看出，沥青的红外强吸收峰和较强吸收峰分别是波长3.3μm 左右和6.6μm 左右；集料（石料）的红外强吸收带在波长6μm～9μm；水的强吸收带在波长3μm 和6μm 左右。加热器金属纤维网设定的红外波长要避开这些强吸收峰。

2 仿真模型与计算参数

2.1 边界条件

沥青路表面为路面热传导的主要边界，在整个过程中与外界环境存在4 种热交换：空气对流换热、太阳辐射、空气辐射换热和加热源辐射换热[5]。 其中，加热源辐射换热是温度场的最主要因素。

加热机的金属纤维网距沥青路面的加热高度为10㎝，空气温度为20℃，风速为3m/s。利用ABAQUS 的高级扩展应用功能，编写用户子程序FILM 模拟空气对流换热，DFLUX 模拟加热机与路面的辐射换热[6]。

2.2 有限元模型

选取半刚性基层沥青路面结构，路面结构相关参数如表1 所示。采用二次热传导单元DC2D8。竖直方向沥青层网格尺寸为0.01m，基层网格尺寸为0.02m，土基网格尺寸为0.05m，水平方向细化网格尺寸为0.01m。表1 是半刚性基层沥青路面结构相关参数，上中下面层分别为AK-16、AC-20 和 AC-25，厚度分别为 4cm、5cm 和 6cm。

表1 半刚性基层沥青路面结构相关参数

2.3 计算参数

数值模拟计算中需要的相关特性参数如下：沥青路面发射率ε1=0.90； 红外辐射加热机金属纤维网发射率ε2=0.92； 太阳辐射吸收率 αs=0.90； 绝对零度智 TZ=-273℃；Stefan-Boltzmann 常数 σ=5.67×10-8W/(㎡·K4)。

沥青路面材料热特性参数如表2 所示。

1） 沥青路面导热系数。 根据傅里叶导热基本定律可得到导热系数的定义式为：

由定义式可知，导热系数λ 在数值上等于温度降为1℃/m 时，单位时间内通过等温面单位面积的热量，其主要影响因素是物质种类和温度。 沥青是多孔结构，孔隙中空气的导热系数随着温度升高而增大，而且沥青路面材料的导热系数随着温度的升高而增大[7]。 通过阅读相关文献可知，沥青路面的导热系数与温度的关系可近似看成线性关系，采用分段线性函数的方法确定，如表3 所示。

2） 路表面与大气的对流换热系数。 沥青路表面在加热后与周围空气有巨大温差，所以一直持续着对流换热，加热时间越长，对流换热越明显。 影响沥青路表面的对流换热系数的因素有温度差、风速、路表面粗糙度等[8]。 对流换热系数一般是根据大量实验得到的经验公式确定。 经过比较，美国的学者Solaimanian 研究得出的经验公式更适用于沥青路面。 该学者综合考虑了温度和风速的影响，专门研究了沥青路面与大气的对流换热过程，建立了沥青路面对流换热系数的经验公式如下：

当空气温度为20℃，风速为3m/s 时，通过上面的经验公式得出的沥青路面对流换热系数基本处于15W/㎡·℃左右。 本文仿真确定的对流换热系数就为15W/㎡·℃。

3 仿真方案

3.1 加热器金属纤维网温度的设定

根据维恩位移定律，一个热辐射源产生的最大光谱辐射度的波长λm与温度T 的关系如下：

上式是物理学的辐射特性概念。 实际作业中，更关注产生特定波长辐射的效率，上式计算出的温度并不是实际工程中需要的合理温度。

为此，F.Benford 提出了辐射效率和工程最大值的概念，并研究推导出了相应的公式，Tε为工程最大值，对于同一波长，Tε和 T 关系如下：

可以看出，工程中最大值的温度比利用维恩位移定律计算出的最大值温度要高出26.6%，在规定的工作红外波长下，工程最大值的温度下，此波长的辐射效率最高，红外辐射加热机的工作效率最高，功耗越少。 参考前文的沥青、集料（石料）、水的红外光谱图，根据红外辐射“非匹配”加热原则，避开强吸收峰，选取 3.5μm～5.5μm 的红外辐射波段。 根据维恩位移定律和工程最大值概念公式，计算得出温度区间为394℃～775℃。

3.2 仿真组数的确定

本文红外辐射加热机的加热方式选取脉冲式间歇加热，即加热作业过程中，设定沥青路表面的温度上限值和温度下限值，当加热机以恒定功率加热沥青路面，沥青路表面的温度超过温度上限值或低于温度下限值，加热机停止对沥青路面加热。 当沥青路表面温度在上限值和下限值区间，加热机继续加热，如此往复多次加热，直到目标深度处的温度到达要求。 这次仿真中，温度上限值设为180℃，温度下限值设为160℃。

结合红外辐射“非匹配”加热原则、维恩位移定律和工程最大值公式计算得出红外波段处于3.5μm～5.5μm，相应的温度区间区394℃～775℃，本次仿真温度区间取400℃～800℃。 温度差为 400℃，变化值取10℃，平均分为40 组进行仿真。

4 结论

仿真结果显示，在红外波段 3.5μm～5.5μm 区间，红外辐射加热机对沥青路面加热效率较高，在4μm 处即温度为644℃时，加热效果最优。 所以，在实际沥青路面加热工程中，应使红外辐射加热机产生的红外波段尽量处于3.5μm～5.5μm 之间，而在 4μm 处加热效果最佳。

实际工程中，不同的环境温度和风速对加热作业过程的影响较大，而太阳辐射产生的影响较小。 在对红外辐射加热沥青路面的数值模拟分析中，要更多地考虑温度和风速的影响，利用控制变量法进行多组数模拟分析，更准确地确定红外辐射加热的最佳红外波段。