沥青路面热风喷枪预混合系统改进性能研究★

江殿臣， 王业双， 孙 桓， 袁 磊， 关继仁， 娄玉荷， 唐 丹

（1.营口理工学院机械与动力工程学院， 辽宁 营口 115014；2.东北特殊钢集团股份有限公司， 辽宁 大连 116105）

0 引言

在就地热再生养护工程中，沥青路面的加热是第一道施工环节。合理的路面加热温度对施工起着重要的作用。因此，选择合适的路面加热方式对路面再生的质量有着最直接的影响。良好的加热方式不会造成沥青的进一步老化，而且方便后续铣刨作业的顺利进行及破碎旧沥青混合料，并可以尽量保证原路面级配，方便再生混合料级配调整得更加精确。沥青路面加热机应满足热效率高、有良好的燃料使用性的要求；加热量足够并可调节，使沥青路面的加热温度满足沥青路面铣刨机施工要求。路面加热机结构简单、操作简便、经久耐用，具有良好的经济性，有完善的安全保护系统[1]。随着经济的高速发展，我国的公路里程也在不断的增加。在2015—2020 年间，我国的公路养护里程在公路总里程中的占比逐年增加。根据总计数据得知，到2020 年底，全国公路养护里程达到514.4 万km，相对于2019 年的养护里程来说增长了19.09 万km，在公路总里程中占比99%，接近100%。就目前为止，我国的公路交通网已经基本完成，但是由于前期的成大规模的建设公路，由此将会造成庞大且繁重的养护保养任务。我国大部分的公路都使用了沥青混合料作为路面的主要材料，沥青混合料是一种粘弹性材料，温度对其影响是非常显著的[2]。同时，由于沥青材料的热吸收性能，在强太阳辐射作用下，沥青路面的温度远高于环境温度，则加剧了裂缝、坑槽、车辙等病害的发生[3]。对于早期路面病害，常采用局部修补的养护技术进行维护。我国现阶段沥青路面养护技术大多数采用热风循环加热技术，即利用柴油燃烧产生的烟气来加热空气[4]。加热空气通过加热装置板上的喷嘴输送，加热沥青路面。这些加热道路所剩余的气体将通过循环风机再次运输到燃烧室，进行下一次的加热循环和使用。也有的技术直接利用液化石油气与空气进行预混合燃烧，直接将燃烧后的烟气用于加热沥青路面的病害处。本文所研究的热风喷枪是采用液化石油气与空气在混合室中进行预先混合，经管路输送到喷口处点火燃烧，产生的高温烟气用于加热沥青路面的病害之处。这项技术的效果取决于预混合燃烧的效果，因此，本文对热风喷枪预混合空间的结构进行了理论设计及数值模拟，确定出优化改进的思路[5-10]。

1 热风喷枪预混合系统设计

热风喷枪是一种车载小型可移动设备，操作者手持喷枪进行修补工作。液化石油气与空气则通过各自管段输送，后送入混合室，在喷嘴管端电子点火系统的控制下燃烧生成高温高压烟气。混合室是热风喷枪的主体结构，是实现液化石油气与空气预混合的空间，直接影响燃烧效果。因此，混合室结构设计的合理性是非常重要的。混合室设计要考虑空压机的参数、液化石油气气化装置的参数以及沥青混合料的热物性参数。本设计模型主要用于修复裂缝类型的沥青路面病害，加热深度为50～60 mm，裂纹尺寸以1 m 长、40 mm 宽为主。经过热量平衡计算，求得液化石油气的流量为0.005 7 m3/min，气化能力为198.5 kg/h，可以选用天津金优凯能源科技有限公司，型号为LPG-DJQ-200 的电加热气化器，气化能力为200 kg/h，设计压力为1.8 MPa。通过计算得出空气的流量为0.064 m3/min，选择开山公司的KS 系列中KS15 活塞式空压机，它的排气量为0.12 m3/min，排气压力为0.8 MPa。则空气和液化石油气的流速分别为6.93 m/s和0.62 m/s。根据燃烧理论计算，烟气的出流速度和生成的烟气流量分别为12.81 m/s 和1.42 m3/min。根据此参数对热风喷枪混合室进行初步设计。

2 预混合系统方案优化

初步设计热风喷枪主体结构后，根据理论计算得到的空气和液化石油气的流速，对其进行流体混合效果仿真模拟，根据仿真结果优化混合系统主体结构。

2.1 圆锥形结构混合室混合效果模拟

本次进行流体仿真模拟的混合效果的模型采用了三维二相流模型，以该模型来进行流体仿真模拟，在模拟之前，需要对三维两相流模型进行网格划分，并在Gambit 软件中设置边界条件，网格化处理采用四面体网络，网格数为184 804 个。经过在Gambit 的前处理后，在Fluent 软件中对其进行混合室内流体混合情况仿真模拟，初次设计混合室采用了圆锥形结构，各配置一个气体输入管道，一路为液化石油气入口管路，另一路为空气入口管路，液化石油气管路管径大于空气入口管径，模拟结果见图1 和图2。

图1 轴向截面入口混合段混合速度矢量

图2 轴向截面入口混合段动压分布

根据模拟结果，空气与液化石油气混合效果不理想，需要优化混合室模型结构，调整液化石油气和空气的入口管路管径以及入口管道排布形式，再次进行仿真仿真模拟。

2.2 圆柱形结构混合室混合效果模拟

优化混合室结构，改圆锥形为圆柱形，混合室内径初设尺寸为150 mm，空气入口管配置上下两段，管内径为28 mm，中间为液化石油气入口，管内径15 mm，入口空气流速为1.73 m/s，入口液化石油气流速为0.54 m/s。对此模型进行模拟，见图3 和图4。

图3 轴向截面混合段速度分布矢量

图4 径向截面石油气速度分布

对比模拟结果，圆柱形混合室结构中出液化石油气的速度与分布模拟效果要优于圆锥形混合室结构模拟效果，所以选用相对较好圆柱形结构作为热风喷枪的混合室结构。

3 结语

最优方案的参数为混合室直径选用150 mm，空气入口管配置上下两段，管径为28 mm，中间为液化石油气入口，管径15 mm，入口空气流速为1.73 m/s，入口液化石油气流速为0.54 m/s。经过初步设计和混合场模拟结果，可以确定热风喷枪预混合系统结构上的调整方式对于混合效果是有利的。未来，如需对其进行继续调整优化，可以从调整空气与液化石油气的流速与混合室的匹配方面考虑，将这两种气体的流速与混合室的匹配调整到最佳效果，并且还应该对喷口燃烧段继续进行优化设计。