沥青路面红外辐射加热波长区间分析

2022-08-12马登成

东南大学学报（自然科学版） 2022年4期

马登成陈超桂学

(1长安大学公路养护装备国家工程实验室, 西安 710064)(2中国航发上海商用航空发动机制造有限公司, 上海 201306)(3陕西中霖沥青路面养护科技有限公司, 西安 710000)

就地热再生能够有效利用沥青路面回收材料,其施工过程中加热效果与沥青路面再生质量密切相关.为了避免集料破碎,级配失控,沥青路面需要在铣刨之前进行加热降低其黏度[1-2],这也成为制约就地热再生技术推广与应用的关键因素之一.综合传统的沥青路面就地加热方式,红外辐射因其具有较快的加热速度得到广泛应用,但是由于沥青路面对不同波长红外线的吸收能力不同,传统红外辐射加热采用非最佳波长区间红外线加热时往往会造成路表温度过高,引起路面表面老化和能源浪费.为保证沥青路面再生质量,在加热结束时,沥青路面底部温度应大于100 ℃,表面温度应低于180 ℃,为此,众多学者开展了就地热再生加热方法、加热能源选择等方面的研究[3-11].文献[12]对红外辐射加热沥青路面的内部传热规律进行了仿真研究,得出路面内部不同深度的温度变化趋势与红外辐射源的温度密切相关.文献[13]利用数值分析手段对沥青路面加热过程进行了研究,发现相较于连续加热方式,间歇加热方式更加高效.文献[14]提出了恒温加热法,该方法通过调节输入热通量来保证沥青路面表面温度始终保持在180 ℃,但输入热通量调节困难,加热速度不够快.文献[15]对单步法和多步法就地加热沥青路面进行了建模分析和试验验证,得出多步法加热能节省57%的时间和30%的能量,但增加了设备成本.文献[16]研究了就地热再生过程中加热特性与热输入之间的关系,提出了保持这种关系的控制方法.文献[17]以红外线非匹配加热原理为理论指导,提高了沥青路面红外辐射的加热效率.

综上所述,目前已有的关于红外辐射加热沥青路面的研究主要集中在自然因素对路面温度场的影响,运用理论分析、数值模拟、实地监测等研究方法寻找两者之间的联系,建立沥青路面温度场的预估分析模型.其他一些研究则更多关注沥青路面热再生的加热方法和工艺,旨在提高沥青路面就地热再生的加热效率.但对于红外辐射加热器红外线波长在什么范围内最有利于沥青路面吸收,即对沥青路面红外加热的最佳加热波段缺乏研究.鉴于此,本文拟采用数值模拟方法,分析确定红外辐射加热沥青路面的最佳波段,以期对实际的加热工程中加热器的辐射源温度和功率控制提供理论依据.

1 沥青路面红外辐射加热数学模型

红外辐射加热沥青路面时,加热器下方的沥青路面与周围环境有4种热交换方式,分别是大气辐射换热、大气与路面的对流换热、太阳辐射和红外辐射换热,可表示为

QTη=αsIs+αhIh-(hc+hr)(Tr-Ta)

(1)

沥青路面红外辐射加热过程中主要的换热方式是红外热辐射,其热量大小遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律,计算公式为

(2)

式中,q为红外辐射加热机输出的热流通量,W/m2；ε为红外辐射加热机金属纤维编织网表面的辐射率；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,σ=5.670 3×10-8W/(m2·K4)；Th为红外辐射加热机金属纤维编织网表面温度,K；C0为黑体辐射系数,C0=5.670 3 W/(m2·K4).

在红外辐射加热沥青路面过程中,辐射热能传递到路表后,热能以热传导方式在沥青路面内部传导,实现沥青路面层内部加热,其热能传递符合下式：

(3)

式中,ρ为沥青路面密度；c为沥青路面层比热容；t为热量传导持续时间,s；δ为导热系数；x,y,z为热能在沥青路面中传导方向.

2 沥青路面红外光谱特性与吸收波段确定

研究选用的沥青路面由质量分数约为5%的SBS改性沥青、95%左右的粗细集料和少量矿粉或煤渣组成.大部分SBS改性沥青以薄膜形式覆盖在粗细集料上.沥青混合料是非透明的,因此在被加热过程中,除少量红外线被散射与反射,其余大部分红外线被吸收转化为热能,实现沥青路面的加热.

由红外线吸收理论可知,当辐射源发射出的红外线波段与被加热物体可吸收的红外光谱波段重叠时,被加热物体能吸收绝大部分的红外线,其内部分子产生剧烈运动,实现加热.但在选取红外线波段时,因为沥青、粗细集料和其他组分材料的红外光谱波段相差较大,所以需综合考虑确定一个共同的红外光谱波段,以保证整体吸收率,从而达到最好的加热效果.

材料的红外光谱特性用傅里叶红外光谱仪测定,可知SBS改性沥青对应吸收红外线波长分别是3.4、3.5和6.8 μm,可确定其强吸收波段在波长3 μm附近.SBS改性沥青在绝大部分波长上都能透射红外辐射,透射率接近100%.粗细集料的强吸收带处于波长6～9 μm之间.在一定的波长范围内,水对红外线的整体透射率都在60%以下,对红外线的吸收较高,在波长2～3.5 μm和6 μm两处对红外辐射的吸收较强[17].由此可知,沥青混合料的红外吸收波段处于2～9 μm之间.

由辐射效率和工程最大值的概念可知,对于一特定波长存在一个符合工程最大值关系式的最佳温度,在此温度下,这一特定波长的光谱辐射效率最高,即

(4)

式中,Te为工程最佳温度,K；λe为特定波长,μm.对于这一特定波长,存在如下关系[17]:

Te=1.266T

(5)

式中,T=2 897.6/λm为维恩位移定律下的理想黑体温度,K,其中,λm为理想黑体的温度与其辐射强度最大时所对应波长,μm.

相比维恩位移定律计算出的最大温度,工程最佳温度要高出26.6%,其对应的波长具有最佳光谱辐射效率.因此实际加热中,要控制金属纤维网的温度比维恩位移定律温度高26.6%,以提高辐射效率,减少能源浪费.

根据式(3)和(5)可得,对应的金属纤维铁铬铝合金辐射源的温度为134～1 561 ℃.考虑到金属纤维铝合金加热墙的工作最高温度不超过1 200 ℃,最低燃烧温度过低又会在复杂多干扰的工况中可能达不到预混气的着火点而熄火,因此进一步确定对应的加热墙温度为340～1 195 ℃,所对应的红外辐射波长范围为2.5～6.0 μm.

3 仿真设计与参数设置

3.1 仿真设计

由于沥青路面采用脉冲式间歇加热工艺能够获得更高的加热速率与就地再生加热质量,且易于控制,因此本文选用该加热工艺进行仿真,即在加热之前,为沥青路面设定好符合就地热再生工艺要求的温度上下限值.加热机以恒定的输出功率加热沥青路面至温度上限值,当沥青路表面温度高于上限值时停止加热,热量向目标深度处传递.沥青路表面温度下降到下限值时,开机以相同功率恢复加热.重复以上过程直至沥青路面目标深度处达到热再生目标温度.

在本文进行的红外辐射加热沥青路面的数值模拟中,根据沥青路面3种主要组成材料的红外光谱,结合匹配吸收和非匹配(或偏匹配)吸收理论,选取了2.5～6.0 μm的红外波段.利用式(4)计算出该波段对应的金属纤维辐射源温度为340～1 195 ℃.仿真时每隔15 ℃取一组数值模拟点,共计58组数值模拟.在热再生施工中,沥青温度超过180 ℃会造成沥青老化或焦化,同时为保证加热效率,设定沥青路面的温度范围为160～180 ℃.

3.2 金属纤维加热器参数确定

沥青路面红外辐射加热时,燃气燃烧产生的能量转化为金属纤维加热器的红外线辐射能量,红外线穿过加热器与沥青路面形成的封闭空间后,实现对路表面加热.红外辐射加热器材料为立体网状结构的金属纤维铁铬铝合金,直径约20～50 μm,为2层结构,内外分别是小孔隙率与大孔隙率金属纤维网,物理参数如表1所示.加热过程中,金属纤维网产生的辐射热流密度对加热器能否发射合格波长的红外线具有决定性影响.而该辐射热流密度由金属纤维加热器对燃气的热能传输效率决定,该传输效率与环境温度、空气流动速度等因素密切相关.本文取值是在气温7 ℃、风速1.5 m/s的环境中实测的平均值,大致为89%.国内外诸多学者根据大量试验数据分析,推荐沥青路面红外辐射加热距离取10～40 cm为宜.但是,当加热距离大于10 cm后,表面温度和受到的辐射强度的下降速率明显加快.为减少辐射能量损失过大,本文选距离最小的10 cm进行研究[18].该距离下金属纤维加热器到沥青路表面间的红外线能量的平均传输效率为78.9%[18].

表1 铁铬铝合金的物理参数

3.3 仿真参数设定

沥青路面结构由上面层AK-16、中面层AC-20、下面层AC-25组成,各层厚度分别为4、5和6 cm.在有限元分析软件ABAQUS中建立3个由上至下的水平区域.按照路面模型给每一层赋予相应的沥青混合料材料属性,沥青路面模型设置为1 m×1 m的正方形.

红外辐射加热沥青路面的数值模拟中,温度场沿着红外加热墙的宽度和长度2个方向上呈现对称性,假设路面各层为结构均匀连续的各向同性体,将三维沥青路面模型简化为二维模型.模型水平方向长度为1 m,采用DCC2D4网格单元类型,竖直方向的沥青面层单元尺寸为5 mm,基层单元尺寸为10 mm,土基单元尺寸为20 mm,水平方向上取单元尺寸为20 mm.设定周围大气和沥青路表面的初始温度为20 ℃,空气流速为3 m/s.

根据Solaimanian等[9]实验研究得到的沥青路面对流换热系数经验公式,计算得出沥青路面对大气的对流换热系数值为15 W/(m2·K),红外辐射加热器中金属纤维网发射率为0.92,沥青路面发射率为0.90,Stefan-Boltzmann常数为σ=5.67×10-8W/(m2·K4).沥青混合料导热系数和各层材料物理参数如表2和表3所示[9].

表2 不同温度下沥青混合料的导热系数

表3 沥青路面各层材料的物理参数

4 不同波长加热仿真对比分析

以加热时长和能量消耗作为评价指标,对AK-16型沥青路面在红外辐射波长为2.5～6.0 μm的区间进行加热过程仿真分析.加热时长是沥青路面4 cm深处的温度达到90 ℃时所用时间.通过仿真得出不同红外波长下输入沥青路面的总热量,根据下式计算得出红外辐射加热机的总能量消耗：

(6)

式中,Et为加热器的能源消耗量；Er为输入路面的热量；η1为金属纤维加热器对燃气的热能传输效率,取89%；η2为加热距离10 cm时金属纤维加热器到沥青路表面间的红外线能量的传输效率,取78.9%.

AK-16型沥青路面的红外辐射加热时长和能量消耗指标曲线如图1所示.由图可知,在2.5～6.0 μm波段内,红外辐射加热沥青路面的时长随着波长的增大而增大,在2.5～5.11 μm波段内增长平缓,在5.11 μm后,波长越长,所需要的加热时长越大.

图1 AK-16型沥青路面加热指标变化图

在2.5～6.0 μm波段内,随着波长的增大,加热器耗能越来越小.在2.5～3.66 μm波段附近,曲线斜率较大,表明波长对该区间的加热器耗能影响较大,呈快速减小趋势.进入3.66～6.0 μm波段内,尤其4.0 μm之后波长对加热器耗能的影响较为平缓.

在波长超过5.11 μm后,红外辐射加热沥青路面的时长快速增加,但是小于5.0 μm时加热时长变化较小,所以从加热时长考虑,波长不超过5.0 μm宜作为红外辐射加热沥青路面的波长.综合加热器耗能与加热时长考虑,选取红外线波长4.0～5.0 μm为沥青路面红外辐射加热的最佳波段.

5 不同级配对应最佳波段仿真验证

上述是以AK-16型沥青路面为例进行的仿真分析,确定了沥青路面红外辐射加热的最佳波长范围为4.0～5.0 μm.为了验证不同级配的沥青混凝土路面就地热再生红外辐射的最佳波长是否处于该最佳波长区间内,选取了AC-13、AC-16、AC-20、SMA-13和SMA-16这5种典型的沥青路面结构进行仿真分析验证.5种级配的加热时长和能量消耗指标曲线如图2所示.

由图2可知：在2.5～6.0 μm的波段内,随着波长的增大,5种不同级配的沥青路面红外辐射加热时长都是先缓慢增加,随后急剧增大；红外辐射加热器消耗的能量先快速减少,随后缓慢减少.

(a) AC-13

5种级配沥青路面的最佳波长区段都位于4.0～5.0 μm之间.因此,加热距离为10 cm且采用脉冲式间歇加热方式时,不同级配的沥青混凝土路面就地热再生红外辐射加热的最佳波段为4.0～5.0μm,对应的辐射源温度为460～644 ℃.而不同的加热距离只会影响金属纤维加热器对燃气的热能传输效率与金属纤维加热器到沥青路表面间的红外线能量的平均传输效率,即传输效率有高低变化,但不会影响最佳波长区间范围.