瀝青路面熱風噴槍預混合系統改進性能研究★

江殿臣， 王業雙， 孫 桓， 袁 磊， 關繼仁， 婁玉荷， 唐 丹

（1.營口理工學院機械與動力工程學院， 遼寧 營口 115014；2.東北特殊鋼集團股份有限公司， 遼寧 大連 116105）

0 引言

在就地熱再生養護工程中，瀝青路面的加熱是第一道施工環節。合理的路面加熱溫度對施工起著重要的作用。因此，選擇合適的路面加熱方式對路面再生的質量有著最直接的影響。良好的加熱方式不會造成瀝青的進一步老化，而且方便后續銑刨作業的順利進行及破碎舊瀝青混合料，并可以盡量保證原路面級配，方便再生混合料級配調整得更加精確。瀝青路面加熱機應滿足熱效率高、有良好的燃料使用性的要求；加熱量足夠并可調節，使瀝青路面的加熱溫度滿足瀝青路面銑刨機施工要求。路面加熱機結構簡單、操作簡便、經久耐用，具有良好的經濟性，有完善的安全保護系統[1]。隨著經濟的高速發展，我國的公路里程也在不斷的增加。在2015—2020 年間，我國的公路養護里程在公路總里程中的占比逐年增加。根據總計數據得知，到2020 年底，全國公路養護里程達到514.4 萬km，相對于2019 年的養護里程來說增長了19.09 萬km，在公路總里程中占比99%，接近100%。就目前為止，我國的公路交通網已經基本完成，但是由于前期的成大規模的建設公路，由此將會造成龐大且繁重的養護保養任務。我國大部分的公路都使用了瀝青混合料作為路面的主要材料，瀝青混合料是一種粘彈性材料，溫度對其影響是非常顯著的[2]。同時，由于瀝青材料的熱吸收性能，在強太陽輻射作用下，瀝青路面的溫度遠高于環境溫度，則加劇了裂縫、坑槽、車轍等病害的發生[3]。對于早期路面病害，常采用局部修補的養護技術進行維護。我國現階段瀝青路面養護技術大多數采用熱風循環加熱技術，即利用柴油燃燒產生的煙氣來加熱空氣[4]。加熱空氣通過加熱裝置板上的噴嘴輸送，加熱瀝青路面。這些加熱道路所剩余的氣體將通過循環風機再次運輸到燃燒室，進行下一次的加熱循環和使用。也有的技術直接利用液化石油氣與空氣進行預混合燃燒，直接將燃燒后的煙氣用于加熱瀝青路面的病害處。本文所研究的熱風噴槍是采用液化石油氣與空氣在混合室中進行預先混合，經管路輸送到噴口處點火燃燒，產生的高溫煙氣用于加熱瀝青路面的病害之處。這項技術的效果取決于預混合燃燒的效果，因此，本文對熱風噴槍預混合空間的結構進行了理論設計及數值模擬，確定出優化改進的思路[5-10]。

1 熱風噴槍預混合系統設計

熱風噴槍是一種車載小型可移動設備，操作者手持噴槍進行修補工作。液化石油氣與空氣則通過各自管段輸送，后送入混合室，在噴嘴管端電子點火系統的控制下燃燒生成高溫高壓煙氣。混合室是熱風噴槍的主體結構，是實現液化石油氣與空氣預混合的空間，直接影響燃燒效果。因此，混合室結構設計的合理性是非常重要的。混合室設計要考慮空壓機的參數、液化石油氣氣化裝置的參數以及瀝青混合料的熱物性參數。本設計模型主要用于修復裂縫類型的瀝青路面病害，加熱深度為50～60 mm，裂紋尺寸以1 m 長、40 mm 寬為主。經過熱量平衡計算，求得液化石油氣的流量為0.005 7 m3/min，氣化能力為198.5 kg/h，可以選用天津金優凱能源科技有限公司，型號為LPG-DJQ-200 的電加熱氣化器，氣化能力為200 kg/h，設計壓力為1.8 MPa。通過計算得出空氣的流量為0.064 m3/min，選擇開山公司的KS 系列中KS15 活塞式空壓機，它的排氣量為0.12 m3/min，排氣壓力為0.8 MPa。則空氣和液化石油氣的流速分別為6.93 m/s和0.62 m/s。根據燃燒理論計算，煙氣的出流速度和生成的煙氣流量分別為12.81 m/s 和1.42 m3/min。根據此參數對熱風噴槍混合室進行初步設計。

2 預混合系統方案優化

初步設計熱風噴槍主體結構后，根據理論計算得到的空氣和液化石油氣的流速，對其進行流體混合效果仿真模擬，根據仿真結果優化混合系統主體結構。

2.1 圓錐形結構混合室混合效果模擬

本次進行流體仿真模擬的混合效果的模型采用了三維二相流模型，以該模型來進行流體仿真模擬，在模擬之前，需要對三維兩相流模型進行網格劃分，并在Gambit 軟件中設置邊界條件，網格化處理采用四面體網絡，網格數為184 804 個。經過在Gambit 的前處理后，在Fluent 軟件中對其進行混合室內流體混合情況仿真模擬，初次設計混合室采用了圓錐形結構，各配置一個氣體輸入管道，一路為液化石油氣入口管路，另一路為空氣入口管路，液化石油氣管路管徑大于空氣入口管徑，模擬結果見圖1 和圖2。

圖1 軸向截面入口混合段混合速度矢量

圖2 軸向截面入口混合段動壓分布

根據模擬結果，空氣與液化石油氣混合效果不理想，需要優化混合室模型結構，調整液化石油氣和空氣的入口管路管徑以及入口管道排布形式，再次進行仿真仿真模擬。

2.2 圓柱形結構混合室混合效果模擬

優化混合室結構，改圓錐形為圓柱形，混合室內徑初設尺寸為150 mm，空氣入口管配置上下兩段，管內徑為28 mm，中間為液化石油氣入口，管內徑15 mm，入口空氣流速為1.73 m/s，入口液化石油氣流速為0.54 m/s。對此模型進行模擬，見圖3 和圖4。

圖3 軸向截面混合段速度分布矢量

圖4 徑向截面石油氣速度分布

對比模擬結果，圓柱形混合室結構中出液化石油氣的速度與分布模擬效果要優于圓錐形混合室結構模擬效果，所以選用相對較好圓柱形結構作為熱風噴槍的混合室結構。

3 結語

最優方案的參數為混合室直徑選用150 mm，空氣入口管配置上下兩段，管徑為28 mm，中間為液化石油氣入口，管徑15 mm，入口空氣流速為1.73 m/s，入口液化石油氣流速為0.54 m/s。經過初步設計和混合場模擬結果，可以確定熱風噴槍預混合系統結構上的調整方式對于混合效果是有利的。未來，如需對其進行繼續調整優化，可以從調整空氣與液化石油氣的流速與混合室的匹配方面考慮，將這兩種氣體的流速與混合室的匹配調整到最佳效果，并且還應該對噴口燃燒段繼續進行優化設計。