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    沥青混合料运输车保温层确定方法与散热对比研究
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    沥青混合料运输车保温层确定方法与散热对比研究
    2021年08月16日    阅读量:17413    新闻来源:《建筑机械》2020年5月  |  投稿

    摘 要

    热拌沥青混合料在运输过程中热量散失不可避免。若运输距离较长或环境温度较低,会导致严重的混合料温度离析和能源浪费,因此在运输过程中需要对沥青混合料采取保温措施。本文通过比较几种常用保温材料的保温性能和经济性能,认为岩棉较适合用于沥青混合料运输保温,并根据设备绝热设计计算模型确定了满足允许散热损失的保温材料厚度沥青网sinoasphalt.com。在运输过程中,利用红外摄像仪对同一运输车车厢保温区域和未保温区域的表面温度进行测量。试验结果表明,保温区域单位面积散热量为20.2h,未保温区域单位面积散热量为55.3h,采取保温措施后运输车单位面积热量散失减少63.5%,混合料热量散失显著降低。


    关键词

    沥青混合料 | 运输过程 | 热量散失 | 保温材料


    热拌沥青混合料从搅拌站运输到摊铺现场,热量通过运输车的车厢向外界持续散失。若散热过大,不仅会造成大量能源浪费,还会使沥青混合料产生温度离析,影响摊铺和压实质量[1-2]。为了解决热拌沥青混合料在运输过程中产生的能源浪费和温度离析问题,许多学者对运输过程中的温度场和保温措施进行了研究。郑钟名建立了沥青混合料在运输过程中的温度场数学模型[3];史春雪对沥青混合料在运输过程中的温度场进行了仿真并建立了降温函数[4];姚林宁研究了从运输到摊铺碾压过程热拌沥青混合料温度场的变化规律[5];姚泽光比较分析了保温运输车液化石油气加热和电加热两种加热方式的特点和经济性[6-7]。本文在已有研究的基础上依据热量损失计算模型,计算了保温材料的合理厚度;对比几种常见保温材料的性能及造价,确定了性能价格比较优的保温材料;并对沥青混合料运输过程中运输车车厢保温前后的散热情况进行检测,分析了保温车厢的节能效果。


    运输车保温层设计

    保温材料类型

    保温材料是指在平均温度25℃时,导热系数不大于0.08W/(m·℃)和密度不大于300kg/m3的材料。保温材料种类较多,性能有差异,不同保温材料适用于不同的场合。根据工作温度和工况条件,混合料运输过程常用岩棉、矿渣棉和气凝胶绝热毡等保温材料,这几种保温材料的导热系数与单位造价见表1。由表1可知,保温材料的导热系数越小,该保温材料的保温性能越好,但材料的造价也越高。为了选取合适的保温材料,应对其性能和价格进行综合分析。

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    保温层厚度设计及材料选择

    在进行保温层厚度设计时,应以设备与管道绝热技术通则中规定的最大允许散热损失为依据,并遵循减少热量损失、节能减排、提高经济效益等原则[8]。最大允许散热损失如表2所示。

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    按照我国设备及管道绝热设计导则,沥青混合料运输车保温层表面散热损失表达式为

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    对式(1)进行变换,可以得到保温层厚度δ2与单位表面散热损失Q之间关系如下

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    依据单位面积允许散热损失以及保温材料的性能参数,由式(2)可以计算所选择保温材料制作的保温层厚度。


    根据测试数据,热拌沥青混合料出料温度为170℃~180℃时,未保温车厢外表面温度约为80℃~90℃。由于沥青路面施工具有季节性,通常在夏季进行,因此α取60W/(㎡·℃)。根据表2取单位面积最大允许散热损失为147W/㎡,则由式(2)可计算几种常用保温材料的保温层厚度和运输车散热面积40㎡时的造价,如表3所示。

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    由表3可知,使用不同保温材料达到相同保温效果时,保温层的设计厚度和造价有较大差异。矿渣棉的保温层厚度最厚,其厚度是气凝胶绝热毡保温材料的3.2倍;气凝胶绝热毡保温材料造价最高,是矿渣棉的18.75倍,是岩棉的13.6倍,岩棉和矿渣棉的造价相差较小。由于岩棉具有较好的透气性、稳定性、耐久性等性能,并且通过表3可知,岩棉作为保温层厚度比较合适且价格较低。因此,综合考虑适用工况和经济效益,本工程的沥青混合料运输车的保温材料选用岩棉,并且保温层设计厚度为11mm。

    沥青混合料在运输过程中的温度检测

    测温方式的选择

    为了研究沥青混合料在运输过程中的散热情况,需要在沥青混合料运输过程中对温度进行检测。温度检测的方式有多种,通常分为接触式测温和非接触式测温。接触式测温具有测温简单、精度和可靠性高等优点,同时也有测量面积小、响应时间长、对测温材料要求高等缺点;非接触式测温在进行测温时测温仪器不直接与被测材料接触,这种测温方式具有测量面积大、响应时间短、可移动测量的优点,但也存在测量精度不高、测量易受环境影响等缺点[9]。由于本次需要对沥青混合料的侧板进行测量,测温面积较大,且需要显示被测物体表面的温度分布情况,非接触式测温中的红外热成像测温能够满足试验要求,因此选择红外热成像仪进行温度测量。试验使用NECG120红外热成像仪。

    红外热成像仪测温原理

    物体温度在绝对零度以上时,物体表面会向外辐射红外线,温度越高辐射的能量也就越大。红外成像仪在测量温度时,辐射能量会转化为电信号,根据电信号强弱确定物体表面温度值。红外热成像仪利用这一原理进行温度检测[10-11]。


    作用于红外热成像仪镜头的辐射照度如式(3)所示。红外热成像仪测温时将辐射照度转换为输出电压信号,经过放大或转换,将被测物体的热成像图显示在LED屏幕上。

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    红外热成像仪标定

    红外热成像仪进行温度检测时,不仅接收被测物体表面的辐射,还接收环境辐射和大气辐射。为了保证测量温度的准确性,红外热成像仪使用之前需要进行标定。红外热成像仪的标定应在标准实验室内进行,其环境温度为(23±5)℃,湿度不大于85%RH,且室内无强的环境热辐射,采用面辐射源校准其测温准确性。


    红外热成像仪对黑体进行测温,要保证黑体在热成像仪中成像清晰。将热成像仪测量模式设置为点温度测量,测量黑体辐射源中心温度,并保证在每个校准温度点不少于4次测量。当t2<100℃,热成像仪示值误差θ计算如式(4)所示;当t2≥100℃时,热成像仪的示值误差θ计算如式(5)所示。

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    运输车保温效果检测与节能效果分析

    按照上文对运输车保温技术分析,选择保温材料为岩棉,保温层厚度为11mm。在运输车车厢侧面设置保温层,车厢后面不设置保温层。同时检测装满热拌沥青混合料的运输车车厢侧面和后面的温度。运输车车厢覆盖和未覆盖处红外热像图如图1所示,热图像的不同颜色代表被测物体的不同温度。

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    在环境温度22.3℃~25.2℃(平均温度23.8℃),风力小于3级条件下,运输159℃沥青混合料,运输车的车速在25~30km/h之间。采用经过校准的NECG120红外热成像仪,在不同时刻同时检测运输车车厢表面设置保温层和未设置保温层区域的温度。检测结果如表4和图2所示。

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    检测结果表明,在3h40min运输过程中,车厢未设保温层区域表面温度由96.5℃降到61.5℃,近似为线性关系,降温函数为Y=0.407x+99.27,平均每分钟温降0.41℃;设置保温层区域表面温度由46.3℃降到41.5℃,其变化也近似为线性关系,降温函数为Y=0.054x+46.56,平均每分钟温降0.05℃。采用式(6)可计算该时段内运输车设保温层和未设保温层的平均温度。

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    运输混合料时热量通过车厢侧板与外界环境进行交换,属于对流换热范畴,故在单位时间内通过单位面积的散热公式如式(7)所示。由式(7)计算可知,采取保温措施后,单位面积散热量为20.2h;而未采取保温措施时,单位面积散热量为55.3h。由此可知,采取保温措施后,运输车单位面积热量散失可减少63.5%,节能效果显著。

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    结论

    通过对沥青混合料运输过程中车厢保温前后散热情况理论分析和试验研究,得出如下结论:


    (1)对沥青混合料运输车进行保温设计时,应以设备绝热技术通则中规定的允许散热损失为依据;根据施工的外界条件和保温材料的性能参数,采用设备绝热设计计算模型确定保温材料的合理厚度。


    (2)试验结果表明,采取保温措施后,单位面积散热量为20.2h;而未采取保温措施前,单位面积散热量为55.3h。由此可知,采取保温措施后,运输车单位面积热量散失可减少63.5%,节能效果显著。

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    标签:道路建设施工案例技术中心沥青混凝土
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