沥青路面加热设备设计探讨

文探讨了沥青路面热再生所使用的加热设备设计中的一些问题，包括加热方式、加热负荷、发热元件、供风方式、控制方式等。

关键词：沥青、热再生、加热、设计

一．背景

我国公路总里程已经接近200万公里，其中高速公路也已达到3万多公里。在这些公路中，沥青路面占绝大多数，铺装和维护这些路面需要耗费大量的沥青，而沥青是石油产品，石油又是不可再生资源，因此，在越来越注重资源和环境的今天，研究沥青的再生也就再顺理成章不过了。

二．加热方式

按照传热方式来分，有辐射、对流和传导三种方式，对流只能将热量从热源交换到沥青表面，深层沥青的加热必须靠传导或辐射。由于沥青混凝土是一种热的不良导体，热传导速度很慢，依靠传导无法满足其快速加热的需要，因此，对于沥青路面的现场热再生，必然以辐射为主，其它加热方式为辅。辐射是利用电磁波引起被加热物质分子振动的一种加热方式，电磁波可以穿透一定深度的物质使其深层发热，波长越长，穿透力越好，反之，波长越短，穿透力越弱。红外线和微波都是电磁波，都可用于加热沥青路面，除此之外的电磁波，要么加热速度不够，要么穿透力不够，不适合加热沥青路面。

红外线的波长范围是0.76－1000μm，但按照沥青混凝土的特性，适于使用的波段是2-5μm，此时沥青混凝土对红外线的吸收率超过了90％。红外线对沥青混凝土的穿透深度为5-6cm，超过这个深度，利用红外线加热就比较困难。由于现场热再生一般都是修补表层病害，利用红外线来加热是可以满足要求的。

微波的波长是1-1000mm，主要用于通讯，国际上规定只有915MHz和2450MHz的微波可以用于加热，对应的波长是327mm和122mm。我国目前所出现的沥青混凝土加热设备采用2450MHz的微波，根据试验情况来看，它可以穿透沥青混凝土的深度为10-20cm，加热深度难以控制，而对于现场热再生来说，是否需要加热这么深的深度，以及加热深了，会对基层有什么影响，还有待商榷和实际验证。同时，由于安全问题（微波泄漏），微波不适于连续作业的再生列车。

按照能量的来源分，有燃料燃烧加热和电加热两种方式，目前主要是燃料燃烧加热，电加热中主要是微波加热。对于燃气红外线加热，红外线的辐射效率通常在40-60%，和材料及结构有关；对于微波加热，由于必须先将燃油转换为电，此转换效率非常低（对柴油或汽油发电机组，通常在20％左右，大型火力发电机组的效率也只有35－40％），因此，它的运行成本必然会比较高。

液体燃料不适用于红外加热，只能依靠火焰的热辐射或燃烧产生的高温烟气来加热物体。液体燃烧时火焰温度较高，主要辐射波长小于2μm的红外线和可见光，波长较短，对物体的穿透力弱，直接加热的效果不好，但利用其烟气对沥青进行加热（对流和传导），也是加热的方式之一，不过加热速度较慢，而且体积庞大，系统复杂，但如果控制得好，热效率应该会不错。

气体燃料燃烧时的温度也较高，其火焰是透明的，基本不辐射热量，但在适当的条件下，它可以加热其它物质并使其发出红外线，这就是燃气红外线加热的机理。其中，发热元件是最主要的部件，一个红外线加热系统的红外线辐射效率，主要取决于其发热元件，其次取决于加热器的结构设计。

通过以上比较可见，利用气体燃烧产生红外线来加热沥青路面是目前比较好的一种加热方式。

三．发热元件的选择

目前所使用的发热元件，以陶瓷材料为主，又分为陶瓷板和陶瓷纤维两种。

利用陶瓷板做加热元件，优点是辐射效率较高，耐腐蚀，价格低廉，缺点是陶瓷板的热应力大，而且质脆，容易损坏，维修工作量和维修费用高，同时怕水，热惰性也较大。

用陶瓷纤维（或叫金属氧化物纤维）做加热元件，克服了陶瓷板热应力大和热惰性大的缺点，但其强度不够，而且更怕水。我们接触过使用陶瓷纤维的某品牌加热板，由于保管条件不好引起雨水流入，陶瓷纤维毡吸收了数倍于自身重量的水份而下坠破裂。

目前有一种新型的材料，叫金属纤维烧结毡，乃是将直径40-50μm的耐热金属纤维铺叠均匀后在真空条件下烧结成立体多孔的网状物。由于其优异的性能，欧美等发达国家已在越来越多的场合用其做燃烧器的燃烧介质和发热元件。具体说来，金属纤维燃烧器它有如下优点：使用温度高（极限使用温度1250℃，实际使用温度多在700-800℃）、负荷调节范围大（70-20000kw/m2）、辐射效率高、形状及大小可灵活设计、无热膨胀问题、重量轻（1200g/m2）、强度高（≧15 N/mm2）、使用寿命长（≧20000h），热惯性小（在5s内其温度可由工作状态的700-800℃下降到常温），并且不怕水，阻力也小（5-30pa），缺点是不能用于腐蚀性的环境中，并且价格昂贵。

因此，具体选用什么材料作为燃烧介质和发热元件，各厂家可以根据自己的产品定位来具体确定。

四．加热负荷

对于沥青路面加热，有几个基本的要求，一是要快速，二是要均匀，三是不能引起沥青氧化和燃烧。如果热负荷太小，加热速度不够，并且燃烧难以稳定；如果热负荷太大，则辐射的红外线波长变短，穿透力不够，以致短时间内大量的热集中在表层，从而容易引起沥青氧化甚至着火，加热效率反而降低。根据我们的试验研究，对于热修补，这个值以60-100kw/m2为佳，而对于连续运行的再生列车，其加热负荷应该根据加热车的工作速度来确定，如果速度快，400-500kw/m2的负荷也是可以的。

值得注意的是，国内曾经有厂家提出一个热墙式综合养护车的标准，其基本参数为：砖式加热墙的加热面积不小于0.27m2/t，加热负荷不小于48×103kcal/h.t。如果按照这个要求，对于底盘为15T的综合养护车，其加热面积应该不小于4.05m2，加热负荷不小于836kw，折算面积负荷，则为206kw/m2，这不仅容易造成路面烧焦，而且能耗也高，运行成本居高不下。他们提出加热负荷不小于48×103kcal/h.t的初衷，恐怕是为了提高加热速度，然而，受这种加热方式和红外线特性的决定，不仅加热速度没有提高，反而带来了其它问题。

五．供风方式

燃料燃烧需要空气，理论上1m3液化气完全燃烧约需要28m3空气，由于燃气和空气的混合存在不均匀性，因此实际需要的空气量要大5-30％。

供风方式主要有两种，一种是使用鼓风机，一种是利用燃气引射空气。使用风机的优点是燃气和空气混合好，燃烧稳定，受气候的影响小，抗风能力强，缺点是需要消耗能量；利用燃气引射空气不需要外加能量，缺点是容易受到干扰，气候（主要是风力）、燃气压力的变化、材料等都对其有很大的影响，而且，需要的燃气压力较大，多为0.1-0.2MPa，部分厂家所生产设备的燃气压力甚至达到0.5MPa。从目前国内使用的沥青路面加热设备来看，热墙式综合养护车都使用鼓风机，小型的加热板则两种都有。

六．控制方式

对于燃气燃烧系统，首先必要的控制系统应该有自动点火、火焰监测、熄火保护、安全报警等功能。目前市场上的路面加热设备在这方面都做得不是太好，多数只有简单的点火功能，普遍没有熄火保护和安全报警功能，有的甚至连电子点火功能都没有，还需要人工使用本生灯点火，这样很容易发生安全事故，特别是容易引起爆燃以致烧伤操作人员。我们建议设计和生产加热板（墙）的公司在这方面完善一下，实际上，这些都是很成熟的技术，不是很难做到的。

由于红外线中波长较短的部分难以渗透到沥青深层，另外高温烟气也直接冲刷路面表层，而沥青混凝土又是热的不良导体，因此沥青表面温度在短时间内会急剧升高，如果不加以控制，就会造成沥青的氧化甚至着火。对此，比较常见的办法是采用间歇加热方式，即加热数分钟后停数分钟，然后继续加热，如此反复，直到达到需要的温度和软化深度。

七．应用实例

实例一：我们给国内某著名公司研发配套的加热墙，有关参数如下：

实测的加热效果如下（环境温度25℃）：

尤其请大家注意的是，我们所配套的加热墙的鼓风机仅仅0.75kw，只有同类产品的1/20，这也是不同产品使用能耗相差很大的原因之一。