瀝青路面紅外輻射加熱最佳波段的確定研究

陳 超

(長安大學工程機械學院，陜西 西安 710000)

目前，瀝青舊路面的主流加熱方式有三種，即熱風加熱、紅外輻射加熱和微波加熱[1]。紅外輻射加熱通常利用燃燒燃氣燃料的方式加熱多孔金屬纖維網或其他紅外輻射材料，使其發出可以用于加熱舊瀝青路面的紅外波段[2]。瀝青路表面吸收的熱量以熱傳導的方式向其內部傳遞，但目前紅外輻射加熱器金屬網層燃燒溫度設定大多以經驗得出，而對加熱紅外波段研究不深入、設定不精確的溫度參數，會導致紅外輻射加熱器作業過程中有一定的燃料利用率不高、加熱效率偏低的問題。 所以，對加熱的最佳紅外波段的研究對實際工程中有很大幫助。

1 瀝青路面紅外加熱機理

1.1 紅外輻射加熱機理

紅外線是一種波長處于 0.78μm～1 000μm 之間的電磁波，圖1 表示了電磁波的分布與定義。 紅外輻射是由于物質受到外界的干擾或刺激，其內部電子或分子運動狀態發生了變化，即能級變化。 當它們從高能級態最終回到低能級態時，多余能量以電磁波的形式向外傳播紅外輻射。一般分為三個波段，即近紅外 0.78μm～3μm、3μm～40μm和 40μm～1 000μm。

圖1 電磁波圖

1.2 金屬纖維加熱器工作原理

紅外輻射加熱器的工作原理：空氣和燃氣在預混腔預混后進入加熱器端部，通過一級和二級分流板均勻地分布在金屬網表面。 預混氣在點火裝置后被點燃，在金屬纖維網表面燃燒，經過幾十秒后，金屬網溫度達到設定好的溫度并向外輻射紅外線。利用紅外線的穿透能力對瀝青路面進行內部升溫加熱，同時燃燒后的高溫煙氣與被加熱對象進行對流換熱。 金屬纖維加熱器結構如圖2 所示。

圖2 金屬纖維加熱器結構示意圖

金屬纖維燃燒過程中，路面的能量傳遞如圖3 所示。

圖3 加熱路面能量傳遞

1.3 瀝青路面“非匹配”加熱

非匹配吸收機理認為在光譜吸收峰處和分子發生共振吸收之外，處于紅外光譜中吸收峰之間的波段，紅外輻射可以進入物質且具有較強的穿透能力，其核心是穿透深度[3]。

瀝青路面混合料主要由瀝青和粗細集料（石料）組成。根據瀝青路面混合料的光譜特性，確定其吸收率最大的光譜帶，以此確定輻射源的發射光譜區間。 加熱器所發射的紅外輻射波長應該不同程度上偏離覆蓋在集料 （石料）表面上的瀝青光譜吸收帶，而盡可能使紅外輻射透入其內部或者穿透瀝青薄膜加熱集料（石料），來獲得較深的加熱深度，避免在瀝青路面的表面發生強烈吸收，實現內外同時加熱的目的[4]。

圖4 瀝青的紅外光譜圖

圖5 集料（石料）的紅外光譜圖

圖6 水的紅外光譜圖

由圖4、圖5 和圖6 可以看出，瀝青的紅外強吸收峰和較強吸收峰分別是波長3.3μm 左右和6.6μm 左右；集料（石料）的紅外強吸收帶在波長6μm～9μm；水的強吸收帶在波長3μm 和6μm 左右。加熱器金屬纖維網設定的紅外波長要避開這些強吸收峰。

2 仿真模型與計算參數

2.1 邊界條件

瀝青路表面為路面熱傳導的主要邊界，在整個過程中與外界環境存在4 種熱交換：空氣對流換熱、太陽輻射、空氣輻射換熱和加熱源輻射換熱[5]。 其中，加熱源輻射換熱是溫度場的最主要因素。

加熱機的金屬纖維網距瀝青路面的加熱高度為10㎝，空氣溫度為20℃，風速為3m/s。利用ABAQUS 的高級擴展應用功能，編寫用戶子程序FILM 模擬空氣對流換熱，DFLUX 模擬加熱機與路面的輻射換熱[6]。

2.2 有限元模型

選取半剛性基層瀝青路面結構，路面結構相關參數如表1 所示。采用二次熱傳導單元DC2D8。豎直方向瀝青層網格尺寸為0.01m，基層網格尺寸為0.02m，土基網格尺寸為0.05m，水平方向細化網格尺寸為0.01m。表1 是半剛性基層瀝青路面結構相關參數，上中下面層分別為AK-16、AC-20 和 AC-25，厚度分別為 4cm、5cm 和 6cm。

表1 半剛性基層瀝青路面結構相關參數

2.3 計算參數

數值模擬計算中需要的相關特性參數如下：瀝青路面發射率ε1=0.90； 紅外輻射加熱機金屬纖維網發射率ε2=0.92； 太陽輻射吸收率 αs=0.90； 絕對零度智 TZ=-273℃；Stefan-Boltzmann 常數 σ=5.67×10-8W/(㎡·K4)。

瀝青路面材料熱特性參數如表2 所示。

1） 瀝青路面導熱系數。 根據傅里葉導熱基本定律可得到導熱系數的定義式為：

由定義式可知，導熱系數λ 在數值上等于溫度降為1℃/m 時，單位時間內通過等溫面單位面積的熱量，其主要影響因素是物質種類和溫度。 瀝青是多孔結構，孔隙中空氣的導熱系數隨著溫度升高而增大，而且瀝青路面材料的導熱系數隨著溫度的升高而增大[7]。 通過閱讀相關文獻可知，瀝青路面的導熱系數與溫度的關系可近似看成線性關系，采用分段線性函數的方法確定，如表3 所示。

2） 路表面與大氣的對流換熱系數。 瀝青路表面在加熱后與周圍空氣有巨大溫差，所以一直持續著對流換熱，加熱時間越長，對流換熱越明顯。 影響瀝青路表面的對流換熱系數的因素有溫度差、風速、路表面粗糙度等[8]。 對流換熱系數一般是根據大量實驗得到的經驗公式確定。 經過比較，美國的學者Solaimanian 研究得出的經驗公式更適用于瀝青路面。 該學者綜合考慮了溫度和風速的影響，專門研究了瀝青路面與大氣的對流換熱過程，建立了瀝青路面對流換熱系數的經驗公式如下：

當空氣溫度為20℃，風速為3m/s 時，通過上面的經驗公式得出的瀝青路面對流換熱系數基本處于15W/㎡·℃左右。 本文仿真確定的對流換熱系數就為15W/㎡·℃。

3 仿真方案

3.1 加熱器金屬纖維網溫度的設定

根據維恩位移定律，一個熱輻射源產生的最大光譜輻射度的波長λm與溫度T 的關系如下：

上式是物理學的輻射特性概念。 實際作業中，更關注產生特定波長輻射的效率，上式計算出的溫度并不是實際工程中需要的合理溫度。

為此，F.Benford 提出了輻射效率和工程最大值的概念，并研究推導出了相應的公式，Tε為工程最大值，對于同一波長，Tε和 T 關系如下：

可以看出，工程中最大值的溫度比利用維恩位移定律計算出的最大值溫度要高出26.6%，在規定的工作紅外波長下，工程最大值的溫度下，此波長的輻射效率最高，紅外輻射加熱機的工作效率最高，功耗越少。 參考前文的瀝青、集料（石料）、水的紅外光譜圖，根據紅外輻射“非匹配”加熱原則，避開強吸收峰，選取 3.5μm～5.5μm 的紅外輻射波段。 根據維恩位移定律和工程最大值概念公式，計算得出溫度區間為394℃～775℃。

3.2 仿真組數的確定

本文紅外輻射加熱機的加熱方式選取脈沖式間歇加熱，即加熱作業過程中，設定瀝青路表面的溫度上限值和溫度下限值，當加熱機以恒定功率加熱瀝青路面，瀝青路表面的溫度超過溫度上限值或低于溫度下限值，加熱機停止對瀝青路面加熱。 當瀝青路表面溫度在上限值和下限值區間，加熱機繼續加熱，如此往復多次加熱，直到目標深度處的溫度到達要求。 這次仿真中，溫度上限值設為180℃，溫度下限值設為160℃。

結合紅外輻射“非匹配”加熱原則、維恩位移定律和工程最大值公式計算得出紅外波段處于3.5μm～5.5μm，相應的溫度區間區394℃～775℃，本次仿真溫度區間取400℃～800℃。 溫度差為 400℃，變化值取10℃，平均分為40 組進行仿真。

4 結論

仿真結果顯示，在紅外波段 3.5μm～5.5μm 區間，紅外輻射加熱機對瀝青路面加熱效率較高，在4μm 處即溫度為644℃時，加熱效果最優。 所以，在實際瀝青路面加熱工程中，應使紅外輻射加熱機產生的紅外波段盡量處于3.5μm～5.5μm 之間，而在 4μm 處加熱效果最佳。

實際工程中，不同的環境溫度和風速對加熱作業過程的影響較大，而太陽輻射產生的影響較小。 在對紅外輻射加熱瀝青路面的數值模擬分析中，要更多地考慮溫度和風速的影響，利用控制變量法進行多組數模擬分析，更準確地確定紅外輻射加熱的最佳紅外波段。