搅拌设备沥青罐动态加热模型的研究与应用

刘洪海　唐冬冬　韩久剑��

摘要：为了研究搅拌设备沥青罐加热节能技术，通过对比2种沥青罐的结构，分析动态加热原理和加热过程，建立了沥青罐动态加热模型，确定了多个沥青罐的加热时序和节点，形成“梯形动态”加热模式；根据依托的实体工程设备和混合料参数，经计算和试验验证得出，在保证搅拌设备连续生产的条件下，相邻罐沥青加热的时间节点为，在用罐内沥青剩余20.6%。该工艺较传统工艺节能16.4%，可以有效降低加热能耗。

关键词：路面机械；搅拌设备；动态加热；加热模型

中图分类号：U415.5 文献标志码：B

Abstract： To study the energy-saving technology for asphalt tank heating of asphalt mixing plants， a dynamic heating model was established by comparing the structures of two kinds of asphalt tanks and analyzing the principle and process of dynamic heating. The heating time and node of the asphalt tanks were determined， and the trapezoid dynamic heating mode was formed. Combined with the equipment used in practical projects and the mixing parameters， a conclusion was drawn after verifying with calculation and test， stating that under the condition that the continuous production of asphalt mixture is ensured， the heating time node for adjacent asphalt tank is when 20.6% of asphalt remains in the tank that's being used. The technology can effectively reduce the heating energy consumption， with 16.4% less comparing to traditional practice.

Key words： road machinery； asphalt mixing plants； dynamic heating； heating model

0 引 言

搅拌设备通常配置多个沥青罐，若同时加热到最高使用温度并长时间储存，不仅会使沥青老化，而且会导致大量能量消耗。针对沥青罐加热节能技术，王发听等基于CFD、FLUENT提出了沥青罐最佳搅拌装置布局，将沥青加热速度提升14%，燃油消耗减少5.5%[1-2]；Peerapong Jitsangiam等依据流体力学理论模型研究了搅拌装置在罐内的布置方式与搅拌功率之间的关系。张春铮等从沥青罐安装调试方面提出有利于节能的安装要点及注意事项[3]；李广斗对合理配置沥青罐容积、提高加热速度进行了研究[4]；美国道路沥青铺装协会（NAPA）于2011年从排放控制、自动化控制、温拌沥青、可持续发展等方面提出了沥青储存、加热的新方法。虽然以上研究从沥青罐结构形式、温度控制、节能环保等不同角度对沥青罐提高加热效率、降低能耗进行了研究，但并未涉及施工过程中多个沥青罐的动态加热模型。

1 沥青罐结构

沥青罐有2种形式，分别为立式和卧式。常见的是圆柱形卧式罐，罐内设置有蛇形循环管，实现加热、保温等功能；导热介质（导热油或水蒸气）从蛇形循环管中流过，把热量传给沥青；罐壁由保温层和蒙皮组成，保温层通常由石棉或其他导热系数低的材料构成，蒙皮通常使用不锈钢或电镀金属板材[5]。其典型结构如图1所示。根据罐内是否设置搅拌装置，可分为普通罐和搅拌罐2种。

1.1 普通沥青罐结构

普通沥青罐由温度传感器、液位计、蛇形循环管等组成，如图2所示。温度传感器用于检测罐内沥青温度；液位计用于显示罐内液位高低，并由安装于沥青罐底的压力传感器将压力信号转换成电信号输出到液位显示器；蛇形循环管用于保温及加热沥青，导热油由蛇形循环管进口进入罐内，通过管壁将热量传递给沥青，经出口回流至导热油炉。普通罐结构简单，成本较低，但由于缺少强制搅拌装置，加热效率较低。

1.2 强制搅拌沥青罐结构

图3为强制搅拌沥青罐的结构，它在普通沥青罐的基础上，增加了带桨叶的搅拌装置。在桨叶的搅动下，沥青在罐内呈整体流动和湍流脉动状态，增加热交换速率，提高加热效率。

2 动态加热原理与加热过程分析

2.1 动态加热原理

动态加热包含两方面内容：一是由于搅拌装置作用，沥青在加热过程中自始至终处于运动状态，称为“搅拌动态”；二是依据罐内沥青温升速度、使用时间等参数，动态安排多个沥青罐的加热时序及节点，形成梯形动态加热模型，称为“梯形动态”。

沥青加热过程中，初始加热时温度相对较低，在“搅拌动态”作用下呈整体流动和湍流脉动；随着沥青温度升高，湍流脉动成为主要运动形式，热对流效应增强，任一沥青微元体在沥青罐的任何一个部位都不会停留[6]。因此，在蛇形循环管周围不会形成高温过热区域，从根本上避免了沥青过热导致的老化和结碳。另外，运动着的沥青具有较大的动能，足以克服沥青自身的表面张力和粘滞力，实现与蛇形循环管之间的连续热交换。反复掠过加热管表面的沥青微元体，不是整体受热，而是接触表面薄膜换热，从根本上克服了沥青导热性差的缺点，提高了传热效率。

“梯形动态”是根据工程实际的搅拌设备生产率、混合料沥青含量、沥青使用温度、初始温度、加热速度、沥青罐储量等参数，根据罐内沥青热平衡模型确定各罐沥青的加热时序和节点，形成“梯形动态”加热模式。

依据式（12），针对确定的沥青罐，需知道搅拌设备生产率，混合料沥青含量，每罐沥青质量、初始温度、使用温度以及加热速度或每罐沥青加热时间、使用时间及加热时间富余系数，即可求得开始加热下一罐沥青时罐内沥青剩余量。

3 沥青罐动态加热模型与工艺研究

3.1 沥青罐动态加热模型

通过以上加热过程可知，开始加热下一罐沥青的时间节点与沥青温升速度v、加热每罐沥青所需时间t1及每罐沥青可用时间t2等参数有关。在开始生产之前，应提前φt1小时开始加热第P罐沥青，在第P罐沥青剩余M时，开始加热第P+N+1罐，如图4所示。

3.2 试验研究

试验采用玛莲尼4000型间歇式沥青搅拌设备，额定产量为320 t·h-1，共有7个沥青罐，型号为T-500，容积为50 m3，外形尺寸10 660 mm×2 660 mm×3 050 mm，罐内安装图3所示的强制搅拌装置。加热介质为导热油，温度为180 ℃～200 ℃，可将沥青加热到165 ℃～175 ℃。

由于采用式（9）进行加热速度计算需要的参数较多，过程繁琐，因此在实体工程中可通过试验获取。在加热过程中，每半小时测取一次罐内沥青温度，试验数据如表1所示。

5 结 语

（1）分析了沥青罐结构及“梯形动态”加热过程，建立了沥青罐动态加热模型，根据罐内沥青加热时间、使用时间及加热时间富余系数确定了各沥青罐的加热时序和节点。

（2）结合实体工程试验得出，开始加热下一罐沥青的时间节点为，在用罐内沥青量剩余20.6%时。采用该工艺较传统工艺可节能16.4%。

参考文献：

[1] 王发听，连晋毅，宁保龙，等.基于FLUENT的沥青加温罐搅拌装置优化布局研究[J].筑路机械与施工机械化，2014，31（1）：95-98.

[2] 王发听，连晋毅，张 强，等.基于CFD的沥青加温罐搅拌装置优化布局研究[J].建设机械技术与管理，2013（11）：67-70.

[3] 张春铮.沥青混合料搅拌设备的安装调试[J].筑路机械与施工机械化，2012，29（7）：89-92.

[4] 李广斗.沥青贮存罐加温速度工艺的改进[J].山东交通科技，1999（2）：93-96.

[5] 王发听.车载式沥青罐流场数值模拟及热平衡研究[D].太原：太原科技大学，2014.

[6] 王 经.传热学与流体力学基础[M].上海：上海交通大学出版社，2007.

[7] 刘洪海，吁新华.基于沥青路面施工质量的设备合理匹配技术研究[J].筑路机械与施工机械化，2007，24（7）：23-27.

[责任编辑：党卓钰]