沥青路面就地热再生加热能耗探讨

桑雨 欧谊 施俊文 李存良

（1.杭州市交通运输发展保障中心，浙江 杭州 310030；2.长安大学公路养护装备国家工程实验室，陕西 西安 710054；3.轻工业西安机械设计研究院有限公司，陕西 西安 710054）

就地热再生加热过程中，热风循环加热器位于路面的上方，通过热对流与路面实施换热，热能以热传导方式在路面内部传递。科学合理的加工工艺和功率配置，可以有效降低其能耗[1，2]。

本文通过建立传热模型，得出沥青路面达到热再生温度要求时段内单位面积消耗热能计算方法，对比分析了连续恒功率、连续变功率、间歇恒功率加热方式下的能耗。

一、沥青路面就地热再生传热模型

根据传热学理论，可以得到沥青路面的热能传输方程式（1）。

式（1）中，T为温度关于时间t和空间位置（x，y，z）的函数；k为热扩散系数，与材料的热传导率、密度与热容等因素有关。

在实际施工中，加热机加热板的面积非常大，分析其热传导过程通常不考虑沿x、y方向的传热，仅考虑沿深度z方向的传热。因此，沥青路面的热能传输方程可简化为式（2）[3]。

单位时间、单位面积的热能称为热流密度，单位为W/m2，即可得到公式（3）。

沥青路面在加热过程中，温度发生改变，沥青混合料需要吸收或者放出热量，在计算总加热量时，还需要考虑散热损失、沥青混合料中所含水分汽化所需要的热量，以及由于其他原因散失的能量。本文的计算中暂不考虑散失的热量，主要计算沥青路面表面保持180℃，4cm处温度达到80℃时所需要的热量。

在实际过程中，沥青路面的面积无限大，可以看作是平壁传热，由此得到传热基本方程式（5）。

经过一段时间后，可由式（6）计算出单位面积消耗的热量。

根据热流密度的定义及热流密度曲线可得，单位面积消耗的总热能即为热流密度变化曲线进行计算。

二、沥青路面就地热再生不同加热工艺的能耗分析

（一）连续变功率加热的能耗分析

连续变功率加热工艺是加热机先以最大功率加热沥青路面，当路表温度达到设定温度值180℃后，加热机通过改变加热功率维持表面温度为设定值，继续加热路面，一般沥青路面4cm深度处达到100℃时，即可满足沥青路面的再生要求[3]。

利用软件MATLAB计算沥青混合料各层的温度，结果如图1所示，表面处热流密度变化曲线，如图2所示。

图2 连续变功率加热热流密度曲线

如图1和图2所示，当路表温度控制在209℃时，4cm处达到100℃，用时29.81min。计算可以得到加热过程中消耗的总热能为1.9311×107-J/m2。

（二）连续恒功率加热的能耗分析

连续恒功率加热工艺是指加热机始终以一个恒定不变的加热功率加热沥青路面，直至沥青路面再生深度处温度达到再生要求后停止加热。通过改变传热模型的边界条件，利用软件MATLAB计算沥青混合料各层的温度，如图3所示，表面处热流密度变化曲线，如图4所示。

图3 连续恒功率各层的温度曲线

图4 连续恒功率热流密度曲线

如图3和4所示，以37kW/m2的热流密度加热沥青路面，4cm处达到100℃时，路表温度达到537℃，用时14min，但此时路表温度过高，因此需要合理选择输入功率，但加热热流密度越小，加热时间越长，相应的加热能耗也增加。计算可以得到以37kW/m2的热流密度加热沥青路面，消耗的总热能为2.8845×107-J/m2。

（三）间歇恒功率加热的能耗分析

间歇恒功率加热指加热机每次都以相同的加热功率和相同的时间间隔，对沥青路面实施就地热再生，直至沥青路面再生深度满足加热要求时停止加热。热风加热机的前墙3m、中墙3m、后墙3m、保温板3m，三台加热机以3m/min的速度行驶，加热路面，计算实现表面210℃，4cm处达到100℃时消耗的热能。利用软件MATLAB计算沥青路面各层的温度如图5所示，表面处热流密度变化曲线，如图6所示。

图5 间歇恒功率各层的温度曲线

图6 间歇恒功率热流密度曲线

如图5和图6所示，当4cm处达到100℃时，路表温度达到252.74℃，用时18.96min。计算可以得到加热过程中，沥青混合料消耗的总热能为1.9978×107J/m2。

比较分析连续变功率加热、连续恒功率加热、间歇连续加热的时间和消耗的热能后得出，达到热再生温度要求时，连续恒功率加热用时最少，连续变功率消耗的热能最多，综合加热用时和消耗的热能，间歇恒功率加热的效果更好。

三、结语

本文基于传热学的理论，推导出沥青路面加热能耗计算公式，通过MATLAB计算得出达到热再生温度时，连续恒功率，连续变功率，间歇恒功率下沥青路面达到热再生温度要求时，单位面积消耗的热能。综合加热用时和消耗的热能，建议采用间歇恒功率加热工艺对沥青路面加热。