瀝青路面就地熱再生加熱能耗探討

桑雨 歐誼 施俊文 李存良

（1.杭州市交通運輸發展保障中心，浙江 杭州 310030；2.長安大學公路養護裝備國家工程實驗室，陜西 西安 710054；3.輕工業西安機械設計研究院有限公司，陜西 西安 710054）

就地熱再生加熱過程中，熱風循環加熱器位于路面的上方，通過熱對流與路面實施換熱，熱能以熱傳導方式在路面內部傳遞。科學合理的加工工藝和功率配置，可以有效降低其能耗[1，2]。

本文通過建立傳熱模型，得出瀝青路面達到熱再生溫度要求時段內單位面積消耗熱能計算方法，對比分析了連續恒功率、連續變功率、間歇恒功率加熱方式下的能耗。

一、瀝青路面就地熱再生傳熱模型

根據傳熱學理論，可以得到瀝青路面的熱能傳輸方程式（1）。

式（1）中，T為溫度關于時間t和空間位置（x，y，z）的函數；k為熱擴散系數，與材料的熱傳導率、密度與熱容等因素有關。

在實際施工中，加熱機加熱板的面積非常大，分析其熱傳導過程通常不考慮沿x、y方向的傳熱，僅考慮沿深度z方向的傳熱。因此，瀝青路面的熱能傳輸方程可簡化為式（2）[3]。

單位時間、單位面積的熱能稱為熱流密度，單位為W/m2，即可得到公式（3）。

瀝青路面在加熱過程中，溫度發生改變，瀝青混合料需要吸收或者放出熱量，在計算總加熱量時，還需要考慮散熱損失、瀝青混合料中所含水分汽化所需要的熱量，以及由于其他原因散失的能量。本文的計算中暫不考慮散失的熱量，主要計算瀝青路面表面保持180℃，4cm處溫度達到80℃時所需要的熱量。

在實際過程中，瀝青路面的面積無限大，可以看作是平壁傳熱，由此得到傳熱基本方程式（5）。

經過一段時間后，可由式（6）計算出單位面積消耗的熱量。

根據熱流密度的定義及熱流密度曲線可得，單位面積消耗的總熱能即為熱流密度變化曲線進行計算。

二、瀝青路面就地熱再生不同加熱工藝的能耗分析

（一）連續變功率加熱的能耗分析

連續變功率加熱工藝是加熱機先以最大功率加熱瀝青路面，當路表溫度達到設定溫度值180℃后，加熱機通過改變加熱功率維持表面溫度為設定值，繼續加熱路面，一般瀝青路面4cm深度處達到100℃時，即可滿足瀝青路面的再生要求[3]。

利用軟件MATLAB計算瀝青混合料各層的溫度，結果如圖1所示，表面處熱流密度變化曲線，如圖2所示。

圖2 連續變功率加熱熱流密度曲線

如圖1和圖2所示，當路表溫度控制在209℃時，4cm處達到100℃，用時29.81min。計算可以得到加熱過程中消耗的總熱能為1.9311×107-J/m2。

（二）連續恒功率加熱的能耗分析

連續恒功率加熱工藝是指加熱機始終以一個恒定不變的加熱功率加熱瀝青路面，直至瀝青路面再生深度處溫度達到再生要求后停止加熱。通過改變傳熱模型的邊界條件，利用軟件MATLAB計算瀝青混合料各層的溫度，如圖3所示，表面處熱流密度變化曲線，如圖4所示。

圖3 連續恒功率各層的溫度曲線

圖4 連續恒功率熱流密度曲線

如圖3和4所示，以37kW/m2的熱流密度加熱瀝青路面，4cm處達到100℃時，路表溫度達到537℃，用時14min，但此時路表溫度過高，因此需要合理選擇輸入功率，但加熱熱流密度越小，加熱時間越長，相應的加熱能耗也增加。計算可以得到以37kW/m2的熱流密度加熱瀝青路面，消耗的總熱能為2.8845×107-J/m2。

（三）間歇恒功率加熱的能耗分析

間歇恒功率加熱指加熱機每次都以相同的加熱功率和相同的時間間隔，對瀝青路面實施就地熱再生，直至瀝青路面再生深度滿足加熱要求時停止加熱。熱風加熱機的前墻3m、中墻3m、后墻3m、保溫板3m，三臺加熱機以3m/min的速度行駛，加熱路面，計算實現表面210℃，4cm處達到100℃時消耗的熱能。利用軟件MATLAB計算瀝青路面各層的溫度如圖5所示，表面處熱流密度變化曲線，如圖6所示。

圖5 間歇恒功率各層的溫度曲線

圖6 間歇恒功率熱流密度曲線

如圖5和圖6所示，當4cm處達到100℃時，路表溫度達到252.74℃，用時18.96min。計算可以得到加熱過程中，瀝青混合料消耗的總熱能為1.9978×107J/m2。

比較分析連續變功率加熱、連續恒功率加熱、間歇連續加熱的時間和消耗的熱能后得出，達到熱再生溫度要求時，連續恒功率加熱用時最少，連續變功率消耗的熱能最多，綜合加熱用時和消耗的熱能，間歇恒功率加熱的效果更好。

三、結語

本文基于傳熱學的理論，推導出瀝青路面加熱能耗計算公式，通過MATLAB計算得出達到熱再生溫度時，連續恒功率，連續變功率，間歇恒功率下瀝青路面達到熱再生溫度要求時，單位面積消耗的熱能。綜合加熱用時和消耗的熱能，建議采用間歇恒功率加熱工藝對瀝青路面加熱。