摘要：通過市場需求分析、提出開發(fā)一種小型瀝青脫桶加熱設

備，并對目前國內外公路施工中的瀝青加熱方式作了分析比較，從而得出了一個小型燃氣式瀝青脫桶加熱設備的總體方案。

關鍵詞：燃氣管式 瀝青加熱設備 開發(fā)研究

1 概述

云南省地處云貴高原，是一個經濟欠發(fā)達的省份，山區(qū)半山區(qū)占國土面積95%以上，屬典型的山區(qū)地形，地質復雜，其公路建設不僅受經濟因素的制約，也受地形、地質、氣候、水文等因素的影響。要想富，先修路。為盡快改變落后狀況，目前，村村通工程正大張旗鼓地展開。農村公路建設資金來源為國家投資和地方配套，大部分地方財政投資很困難。因此，為公路建設提供小型、經濟實用的施工機械就是工程機械行業(yè)的任務，同時也是一個商機。瀝青加熱是瀝青路面施工中的一道必不可少的工序，瀝青加熱設備是不可或缺的設備；在此大背景下，結構簡單、經濟實用的小型瀝青脫桶加熱設備將會有很好的市場前景。該產品的總體構思是：①小型化，適合小規(guī)模施工，每次脫桶加熱4～6桶桶裝瀝青；②移動方便，以可牽引為佳；③結構簡單，造價低廉；④保證加熱過程不會對瀝青的品質造成損害。

瀝青是瀝青路面結構的膠結材料，其品質的好壞對瀝青路面的質量有著很大的影響；瀝青的品質首先由石化部門生產時保證，然而加熱是瀝青路面施工中的一道必不可少的工序，如果在這個過程中由于加熱工藝方法不當，將造成瀝青老化、結焦氧化，導致瀝青品質降低。因此選擇合適的加熱方式是本文的重點。

2 幾種加熱方式的分析比較

目前，國內、外公路施工中使用的瀝青加熱設備的加熱方式不外乎燃氣管加熱、導熱油加熱、電加熱、蒸汽加熱、太陽能加熱等幾種；電加熱對電力供給的要求很高、蒸汽加熱方法由于施工場地條件限制，所以這兩種加熱方式已經較少使用；太陽能加熱還處于試驗階段，遠未發(fā)展到實際用階段。因此，使用較多的主要是燃氣管加熱和導熱油加熱兩種。這兩種加熱設備各有優(yōu)缺點：

導熱油加熱設備的優(yōu)點是：通過導熱油傳導到管壁，

然后與瀝青進行熱交換，對瀝青進行加熱，過程中溫度容易控制，可有效地避免瀝青老化；缺點是結構復雜，投資大，使用維護費用高，能耗高，經濟性差。

結構簡單，熱效率高以及投資小并且使用維護費用低是燃氣管加熱設備的優(yōu)點；但是控制燃氣溫度困難而容易造成燃氣管局部溫度較高導致瀝青老化是其不可避免的缺點。我們通過熱交換原理進行分析能不能通過合理的結構設計并采取一定的措施在控制其缺點的同時又能發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)點。

3 燃氣管式瀝青加熱設備的熱交換原理分析

3.1 燃氣管式瀝青加熱設備的熱交換原理

兩個物體之間的溫差以及物體的物理性質都影響著熱交換的強度，傳導換熱、對流換熱以及輻射換熱是物體間熱交換的主要形式。

3.1.1 熱傳導換熱量

上式表明兩物體接觸導熱量Q與物體導熱性能有關；與接觸面積A 及兩物體溫差（T1-T2）成正比。

3.1.2 對流傳熱

式中：α——對流換熱系數，W/（m2℃），值的大小與流體流速、流體物理性質、換熱壁面形狀和大小有關；A——換熱物體（換熱器）與流體的接觸面積，m；Tw——換熱器表面溫度，℃；Tf——與換熱器接觸的流體溫度，℃。

由（2）式得知，流體流速、流體物理性質以及換熱壁面的形狀都影響對流換熱量Q，并且隨著流體接觸換熱器面積A以及換熱器與流體的溫差Tw-Tf的增大而增大。

3.1.3 幅射傳熱

Q=AεσbT4 （3）

式中：

σb——黑體幅射常數，5.67×10-8W/（mk4）； ε——黑度或發(fā)射率，值小于1；A——黑體的輻射面積，m2；T——黑體的熱力學溫度，K。

瀝青加熱設備的熱交換實質是兩個過程：①燃燒的燃料產生的高溫燃氣在燃氣管中流動然后將熱量傳給燃氣管（即燃氣與燃氣管之間的熱交換）。②被加熱的燃氣管將熱量傳給瀝青（即燃氣管與瀝青之間的熱交換）。

3.2 燃氣與燃氣管之間的熱交換分析

傳熱介質的溫差以及燃氣的物理性質都影響著燃氣與燃氣管之間的換熱量，此外，對傳熱性能影響較大的還有燃氣的運動狀態(tài)。

層流和紊流是燃氣流動的兩種流動狀態(tài)，并且他們具有不同的換熱規(guī)律。當處于層流時，由于流體沿著平行流道的軸心線流動，因而沒有跨越流線的分速度，依靠流體分子的遷移運動沿著流道壁面的法線方向的熱量傳遞即為熱傳導方式。當處于紊流時，由于流體質點雜亂無章的運動，就會在平行于流道壁面方向以及壁面的法線方向都有對流。因此，紊流時的熱量傳遞主要依靠導熱方式以及渦漩流動兩種方式，由于從一個流層向相鄰流層隨機運動過程中傳遞熱量而大大增強了換熱，因此，除了紊流比層流換熱強烈外，對流換熱系數也較大。

導致流體以某一流速在壁面上流動的原因主要有兩種：第一，流體內部各部分冷熱密度不同從而產生浮力作用，這種為自然對流；第二，流體受迫對流，即流體在外力作用下產生的流動。受迫對流的流速要比自然對流高，因而對流換熱系數也高，如空氣自然對流換熱系數約為5～25W/（m2℃），而受迫對流換熱系數可達10～100W（ m2℃）。因此，對流換熱問題可分為自然對流換熱和受迫對流換熱兩大類。

燃氣在燃氣管中流動時除了保持一定的流速外還應當在風機的共同作用下在管內形成一定的紊流，這樣才能保證較高的換熱效率。管內氣體流動狀態(tài)可用雷諾數Re=Umd/M，描述（Um為管橫斷面平均流速；d為管內徑；M為氣體運動粘度）實驗證明：當Re<2200時為層流，2200

10000時為紊流狀態(tài)。因此，在設計燃氣管換熱器時除了考慮燃氣速度外，還應當選擇合理的引風機的風壓和風量。

3.3 燃氣管與瀝青之間熱交換分析

燃氣管與瀝青的換熱是一個綜合換熱的過程，傳導換熱和對流換熱對其的影響最大。通過公式（1）、（2）可以看出燃氣管與瀝青換熱量之間的關系以及其影響因素如下：

3.3.1 由式（1）、式（2）可得出高溫放熱體燃氣管向瀝青放熱量Q 的大小與其表面溫度T1及其周圍瀝青溫度T2的差T1-T2成正比。此外，傳熱量Q還隨著導熱系數λ的增大而增大。加大燃燒器的輸出功提高T1就能提高升溫速度。由于瀝青的λ值很小是阻熱材料，因此，隨著T1的提高燃氣管周圍就會形成一層薄的高溫瀝青層，其溫度為T2，如圖1。T2亦隨T1升高而升高，導致T1-T2值并未隨T1提高而增大，這樣不僅造成排氣溫度升高而浪費熱能，同時也容易使燃氣管周圍的瀝青溫度過高而老化。

3.3.2 由式（2）可得出對流傳熱過程中傳熱量Q 隨著T1- T2的差值和對流換熱系數A的增大而增大。（T1-T2）對Q的影響與分析相同，提高換熱系數A有助于提高換熱效率，而流體的物理性質以及流速都直接影響換熱系數A。當被加熱的流體具有較好的流動性時更有利于提高（T1-T2）的值。但是瀝青的流動性較差，特別是當溫度降低時瀝青很難形成自然對流，也就是說此時A值很小，由于燃氣管與瀝青之間主要是熱傳導過程，也就是為什么在70℃以下時溫升速度慢，而超過70℃時溫升變快的原因。因此，盡量使用強制循環(huán)系統(tǒng)以提高瀝青的相對流速，從而使得瀝青溫升均勻在避免超溫的同時還能夠節(jié)約燃料，要做到這些就必須提高A值以提高傳熱效率從而避免瀝青老化。

3.3.3 由式（1）、式（2）可看出傳熱量Q與導熱面積有關， 在一定空間內應增大瀝青與燃氣管的接觸面積。因此，在條件允許的情況下，應當盡可能地減小燃氣管的直徑而增加燃氣管的長度，此外，為了增加換熱的面積可以采用肋片。

4 控制燃氣管局部過熱的措施

4.1 合理選擇燃燒器和風機使燃氣在管道內的流速處于紊流狀態(tài)。

根據以上的理論分析，燃氣在流動時必須具有一定的流速并在風機作用下形成管內紊流才能夠有效地保證較高的熱效率。單純從換熱效率角度講，燃氣流速越高越好，但是，過高的風速可能導致燃燒不穩(wěn)定甚至脫火，因此在設計燃氣管換熱器時，選擇燃氣的流速、風機的風壓、風量及風油比還要兼顧燃燒器燃燒穩(wěn)定性。使用膨脹箱（圖2）降低火焰周圍空氣流速不但可以提高燃燒的穩(wěn)定性，還可以通過產生引射作用而提高燃燒的穩(wěn)定性。

當燃氣受迫流入燃氣管時，由于橫截面減小，燃氣會沿著整個截面受到粘滯切應力的阻滯作用而形成流動邊界層。邊界層內速度梯度很大，從進口開始，邊界層逐漸增厚，回合于中心時形成流動進口段。與此相同，由于流體溫度與管壁溫度不相等形成熱邊界層，同樣形成熱進口段，在邊界層內對流換熱系數較高，這種現象稱之為進口效應。在設計燃氣管換熱器時要防止由于進口效應造成的局部過熱現象，計算出熱進口段的長度LH，在燃氣進口段加裝長度大于LH的隔焰管（見圖2），以防止局部過熱造成的瀝青老化。

4.2 使用強制循環(huán)系統(tǒng)，提高瀝青的相對流速，使瀝青溫升均勻，避免超溫，節(jié)約燃料。

強制循環(huán)系統(tǒng)有安裝瀝青泵實現強制循環(huán)和安裝螺旋推進器實現強制循環(huán)兩種方案，瀝青泵由于在初期瀝青溫度較低時負荷較大很難保證正常工作，我們最終選擇加裝螺旋推進器，增加瀝青在箱內的流動，既能提高換熱效率又有效地防止局部過熱造成的瀝青老化。

4.3 燃氣管外壁加肋片，增大換熱器的散熱面積，進一步提高換熱效率。

燃氣管外壁加肋片，可以采用環(huán)狀肋片，也可以采用與導熱管軸線平行的縱向肋片；環(huán)狀肋片只增大換熱器的散熱面積，縱向肋片不僅增大換熱器的散熱面積還進一步解決了兩端的溫度平衡；進一步提高換熱效率。

綜上所述，只要采取前面提出的幾項措施，完全可以克服燃氣管加熱方式易造成瀝青局部過熱的缺點，并保持了其原有的優(yōu)點。因此，小型瀝青脫桶加熱設備采用燃氣加熱方式是合理的。

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作者簡介：

周粵波（1956-），男，廣東中山人，大專學歷，筑路機械專業(yè)，云南博業(yè)工程機械有限公司工程師，主要從事工程機械產品的設計、制造工作。