瀝青混合料運輸車保溫層確定方法與散熱對比研究

陳金山

（中鐵十九局集團第六工程有限公司，江蘇 無錫 214028）

［關(guān)鍵字］瀝青混合料；運輸過程；熱量散失；保溫材料

熱拌瀝青混合料從攪拌站運輸?shù)綌備伂F(xiàn)場，熱量通過運輸車的車廂向外界持續(xù)散失。若散熱過大，不僅會造成大量能源浪費，還會使瀝青混合料產(chǎn)生溫度離析，影響攤鋪和壓實質(zhì)量［1-2］。為了解決熱拌瀝青混合料在運輸過程中產(chǎn)生的能源浪費和溫度離析問題，許多學(xué)者對運輸過程中的溫度場和保溫措施進行了研究。鄭鐘名建立了瀝青混合料在運輸過程中的溫度場數(shù)學(xué)模型［3］；史春雪對瀝青混合料在運輸過程中的溫度場進行了仿真并建立了降溫函數(shù)［4］；姚林寧研究了從運輸?shù)綌備伳雺哼^程熱拌瀝青混合料溫度場的變化規(guī)律［5］；姚澤光比較分析了保溫運輸車液化石油氣加熱和電加熱兩種加熱方式的特點和經(jīng)濟性［6-7］。本文在已有研究的基礎(chǔ)上依據(jù)熱量損失計算模型，計算了保溫材料的合理厚度；對比幾種常見保溫材料的性能及造價，確定了性能價格比較優(yōu)的保溫材料；并對瀝青混合料運輸過程中運輸車車廂保溫前后的散熱情況進行檢測，分析了保溫車廂的節(jié)能效果。

1 運輸車保溫層設(shè)計

1.1 保溫材料類型

保溫材料是指在平均溫度25℃時，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.08W/（m·℃）和密度不大于300kg/m3的材料。保溫材料種類較多，性能有差異，不同保溫材料適用于不同的場合。根據(jù)工作溫度和工況條件，混合料運輸過程常用巖棉、礦渣棉和氣凝膠絕熱氈等保溫材料，這幾種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)與單位造價見表1。由表1可知，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，該保溫材料的保溫性能越好，但材料的造價也越高。為了選取合適的保溫材料，應(yīng)對其性能和價格進行綜合分析。

表1 常用保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)與單位造價

1.2 保溫層厚度設(shè)計及材料選擇

在進行保溫層厚度設(shè)計時，應(yīng)以設(shè)備與管道絕熱技術(shù)通則中規(guī)定的最大允許散熱損失為依據(jù)，并遵循減少熱量損失、節(jié)能減排、提高經(jīng)濟效益等原則［8］。最大允許散熱損失如表2所示。

表2 最大允許散熱損失（GB/T 4272-2008）

按照我國設(shè)備及管道絕熱設(shè)計導(dǎo)則，瀝青混合料運輸車保溫層表面散熱損失表達(dá)式為

表3 保溫材料的計算厚度及造價

由表3可知，使用不同保溫材料達(dá)到相同保溫效果時，保溫層的設(shè)計厚度和造價有較大差異。礦渣棉的保溫層厚度最厚，其厚度是氣凝膠絕熱氈保溫材料的3.2倍；氣凝膠絕熱氈保溫材料造價最高，是礦渣棉的18.75倍，是巖棉的13.6倍，巖棉和礦渣棉的造價相差較小。由于巖棉具有較好的透氣性、穩(wěn)定性、耐久性等性能，并且通過表3可知，巖棉作為保溫層厚度比較合適且價格較低。因此，綜合考慮適用工況和經(jīng)濟效益，本工程的瀝青混合料運輸車的保溫材料選用巖棉，并且保溫層設(shè)計厚度為11mm。

2 瀝青混合料在運輸過程中的溫度檢測

2.1 測溫方式的選擇

為了研究瀝青混合料在運輸過程中的散熱情況，需要在瀝青混合料運輸過程中對溫度進行檢測。溫度檢測的方式有多種，通常分為接觸式測溫和非接觸式測溫。接觸式測溫具有測溫簡單、精度和可靠性高等優(yōu)點，同時也有測量面積小、響應(yīng)時間長、對測溫材料要求高等缺點；非接觸式測溫在進行測溫時測溫儀器不直接與被測材料接觸，這種測溫方式具有測量面積大、響應(yīng)時間短、可移動測量的優(yōu)點，但也存在測量精度不高、測量易受環(huán)境影響等缺點［9］。由于本次需要對瀝青混合料的側(cè)板進行測量，測溫面積較大，且需要顯示被測物體表面的溫度分布情況，非接觸式測溫中的紅外熱成像測溫能夠滿足試驗要求，因此選擇紅外熱成像儀進行溫度測量。試驗使用NEC-G120紅外熱成像儀。

2.2 紅外熱成像儀測溫原理

式中A0為可視面積，m2；D為紅外熱成像儀鏡頭與被測物體間的距離，m；Lbλ為黑體輻射；T0為被測物體表面溫度，℃；Tu為環(huán)境溫度，℃；Ta為大氣溫度，℃；ελ為表面輻射率；αλ為表面對環(huán)境的吸收率；εaλ為大氣輻射率；τaλ為大氣光譜透射率。

2.3 紅外熱成像儀標(biāo)定

紅外熱成像儀進行溫度檢測時，不僅接收被測物體表面的輻射，還接收環(huán)境輻射和大氣輻射。為了保證測量溫度的準(zhǔn)確性，紅外熱成像儀使用之前需要進行標(biāo)定。紅外熱成像儀的標(biāo)定應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)實驗室內(nèi)進行，其環(huán)境溫度為（23±5）℃，濕度不大于85%RH，且室內(nèi)無強的環(huán)境熱輻射，采用面輻射源校準(zhǔn)其測溫準(zhǔn)確性。

紅外熱成像儀對黑體進行測溫，要保證黑體在熱成像儀中成像清晰。將熱成像儀測量模式設(shè)置為點溫度測量，測量黑體輻射源中心溫度，并保證在每個校準(zhǔn)溫度點不少于4次測量。當(dāng)t2＜100℃，熱成像儀示值誤差θ計算如式（4）所示；當(dāng)t2≥100℃時，熱成像儀的示值誤差θ計算如式（5）所示。

式中t1為黑體輻射源參考溫度測量值，℃；t2為熱成像儀示值，℃。

3 運輸車保溫效果檢測與節(jié)能效果分析

按照上文對運輸車保溫技術(shù)分析，選擇保溫材料為巖棉，保溫層厚度為11mm。在運輸車車廂側(cè)面設(shè)置保溫層，車廂后面不設(shè)置保溫層。同時檢測裝滿熱拌瀝青混合料的運輸車車廂側(cè)面和后面的溫度。運輸車車廂覆蓋和未覆蓋處紅外熱像圖如圖1所示，熱圖像的不同顏色代表被測物體的不同溫度。

圖1 運輸車紅外熱圖

在環(huán)境溫度22.3℃～25.2℃（平均溫度23.8℃），風(fēng)力小于3級條件下，運輸159℃瀝青混合料，運輸車的車速在25～30km/h之間。采用經(jīng)過校準(zhǔn)的NEC-G120紅外熱成像儀，在不同時刻同時檢測運輸車車廂表面設(shè)置保溫層和未設(shè)置保溫層區(qū)域的溫度。檢測結(jié)果如表4和圖2所示。

表4 車廂設(shè)置和未設(shè)置保溫層處溫度

圖2 車廂覆蓋和未覆蓋處溫度變化曲線

式中T為平均溫度，℃；t為積分時段，min；Y為溫降函數(shù)。

運輸混合料時熱量通過車廂側(cè)板與外界環(huán)境進行交換，屬于對流換熱范疇，故在單位時間內(nèi)通過單位面積的散熱公式如式（7）所示。由式（7）計算可知，采取保溫措施后，單位面積散熱量為20.2h；而未采取保溫措施時，單位面積散熱量為55.3h。由此可知，采取保溫措施后，運輸車單位面積熱量散失可減少63.5%，節(jié)能效果顯著。

式中h為保溫材料的換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；Tw為運輸車溫度，℃；Tf為外界環(huán)境溫度，℃。

4 結(jié)論

通過對瀝青混合料運輸過程中車廂保溫前后散熱情況理論分析和試驗研究，得出如下結(jié)論：

（1）對瀝青混合料運輸車進行保溫設(shè)計時，應(yīng)以設(shè)備絕熱技術(shù)通則中規(guī)定的允許散熱損失為依據(jù)；根據(jù)施工的外界條件和保溫材料的性能參數(shù)，采用設(shè)備絕熱設(shè)計計算模型確定保溫材料的合理厚度。

（2）試驗結(jié)果表明，采取保溫措施后，單位面積散熱量為20.2h；而未采取保溫措施前，單位面積散熱量為55.3h。由此可知，采取保溫措施后，運輸車單位面積熱量散失可減少63.5%，節(jié)能效果顯著。