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2024年3月7日发(作者：gimmicks)
电加热沥青罐功率影响因素分析
潘涛
【期刊名称】《《南方农机》》
【年(卷),期】2019(050)021
【总页数】2页(P109,118)
【关键词】加热功率; 影响规律; 保温材料
【作 者】潘涛
【作者单位】长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室 陕西西安710064
【正文语种】中 文
【中图分类】TE89
0 引言
近年来，国内外相关部门对沥青搅拌设备的环保和安全性能提出了更为苛刻的要求，而电加热式沥青罐因其环保方面的优势必将成为新型沥青搅拌设备不可或缺的部分。在电加热式沥青罐结构设计方面，MARINI采用了罐底隔空设计的方法，有效预防了沥青罐加热过程中的热量散失；日工株式会社采用了抽拉式电加热器结构，方便电加热元件的更换；等[1]人应用数值模拟和试验验证相结合的方法，研究了电加热器集中加热式结构和分散加热式结构对沥青加热的影响情况，Sol-Ji
Song等[2]人观察了储罐内电加热管的失效情况，并对电加热管的失效原因进行了总结和分析。Meng Cheng等[3]人研究了沥青罐功率损耗与启停状态的关系，利
用电网频率和沥青温度对多个沥青罐的启停进行了综合控制，降低了能耗；日工株式会社设置了温度控制系统，通过电加热表面上的自动开关来实现罐内沥青温度的控制[4]。Justas Bra iūnas等[5]人通过现场调查的方法，对比分析了沥青罐功率影响因素，但仅仅分析了环境温度和风速对电能消耗的影响规律。
通过上述分析可知，电加热式沥青罐的研究主要集中在其结构设计、温度控制策略和能耗三个方面，但对于沥青罐功率影响因素的研究不足。因此，本文在分析电加热式沥青罐传热过程的基础上，对比研究了沥青初始温度和保温材料对沥青罐功率的影响规律，旨在合理匹配加热功率，提高加热效率。
1 电加热式沥青罐工作原理
电加热式沥青罐是利用电加热器进行传热，热稳定性较差，为了获得温度分布较为均匀的高温沥青，关键需要对沥青进行有效地控制。一般在电加热组件的内部和表面以及沥青出料口附近设置有热电偶，温度可分别定义为加热器温度、防过烧温度和沥青温度，用户可根据不同工况对温度进行设置。其中，加热器温度和防过烧温度主要是为了考虑加热安全性而进行设置的，当加热器温度和防过烧温度高于设定值时，电加热组件的所有电源将会自动切断。罐内沥青的温度控制通过电加热器上的自动开关来实现，如果沥青温度超过设定值，自动开关就会关闭，停止加热；否则，自动开关打开，电加热器继续加热，从而减少了局部沥青焦化现象的发生。另外，为提高沥青温升速度，电加热器多布置在沥青罐底部。
2 电加热沥青罐传热学分析
在沥青加热过程中，电加热器产生热能，并依次将能量传递给沥青、罐体和保温板。依据热平衡关系，可得：
式中：Φ1为电加热器单位时间产生的热量，kW；Φa为单位时间内加热沥青所需热量，kW；Φb为散热损失，kW。
沥青单位时间内所需热量由（2）计算：
式中：CP为沥青定压比热容，工程计算中常取为1.6kJ/(kg·℃)；m1为沥青的质量，kg；T0、T1分别为沥青的初始温度、使用温度，℃；t为沥青加热时间，h，假设以的温升速度计算，沥青升高20℃的时间为8h。
散热损失Φb包括单位时间内罐体钢结构所吸收的热量Φb1和保温板散热损失Φb2，罐体钢结构所吸收的热量由式（3）计算：
式中：C1为罐体比热容，可取为0.46kJ/(kg·℃)；m2为罐体质量，kg，由式（4）计算：
式中：ρ为钢板的密度，可取为7850kg/m3；d1分别为罐体内径，m；δ1、δ2为侧面钢板的厚度、端面钢板的厚度，m；L为罐体的长度，m。
保温板的散热损失主要为保温材料的导热损失，由式（5）计算：
式中：A 为保温板表面积，m2，由式（6）计算：
式中：δ3为保温板的厚度，m。
q 为保温板的热流密度，W/m2，由式（7）计算：
式中：λ为保温板的导热系数，W/（m2·℃)；为保温板与空气间的对流传热系数，工程计算中常取为 15W/（m2·℃)；T2、Td分别为保温板表面温度和环境温度，℃。
单个沥青罐加热效率由式（8）计算：
在已知沥青罐结构参数、每罐沥青质量、保温板热物性参数前提下，依据式（1）~（7）即可求得电加热器单位时间内需要产生的热量。
3 影响因素分析
以50m3的沥青罐为例，其罐体内径为2.6m，长度为9.6m，侧面与端面钢板的厚度分别为0.005m、0.01m，保温板厚度为0.1m，沥青使用温度取为150℃，环境温度为35℃。以下是保温材料对加热功率的影响分析。
保温材料对加热功率的影响主要体现在沥青罐散热损失方面。其中，保温材料的厚度与密度对其导热过程影响较大。
材料的厚度不同，热量传递过程中所受到的阻碍也不同。一般来说，厚度越大，热阻越大，散热越差，材料的保温效果越好，如图1、图2所示。
图1 不同保温材料厚度下沥青罐的散热损失
图2 不同保温层厚度下沥青罐的加热效率
由图1、图2可知，随着保温层厚度的增加，三种保温材料的散热损失逐渐减小，这说明保温材料的保温性能随着厚度的增加越来越好。但散热损失并未呈线性变化，而是在厚度为0.1m之前减少速度较快，0.1m之后有所减缓。三种保温材料下，沥青罐加热效率的变化规律正好与散热损失相反，其值随着保温层厚度的增加而增加。三种保温材料中，岩棉的散热损失最小，硅酸钙的散热损失最大，当保温层厚度为0.05m时，三者散热损失差存在最大值，约为3.8kW，此时，加热效率差别也最大，约为4%。
图3 不同密度下沥青罐的散热损失
一般来讲，材料密度越大，散热损失越小，保温性能越好。但对于纤维类保温材料来说，当密度达到一定程度后，散热损失会大幅增加。图3、图4分别为玻璃棉不同密度下沥青罐的散热损失和加热效率。
图4 不同密度下沥青罐的加热效率
由图3、图 4可知：当密度处于 60～80kg/m3时，即存在一个“最佳密度”，使得散热损失最小，加热效率最高。因此，要提高电加热式沥青罐的加热效率，对于保温材料为纤维类制品的材料，需要找到“最佳密度”。
4 结论
通过对电加热式沥青罐影响因素的分析，得到以下结论：
1）根据电加热式沥青罐工作原理和传热过程，建立了单个沥青罐和沥青罐区加热功率及加热效率模型。
2）研究了沥青初始温度、保温材料厚度和密度对单个沥青罐加热功率的影响规律，拟合出沥青罐加热功率与沥青初始温度和加热效率与保温材料密度之间的关系。
【相关文献】
[1]，mental and numerical study of an asphalt storage
tank in a reduced scale[J].Appled Thermal Engineering，2013，56(02):101-109.
[2]Sol-Ji Song，Sangwon e analysis of electricheater tube for heat-storage
tank[J].Engineer Ingfailure Analysis，2018，87:69-79.
[3]Meng Cheng，Jianzhong Wu，Stephen JCarsworthy，et system frequency
response from the control of bitumen tanks[J].Transactionson Power Systems，2016，31(03):1769-1778.
[4]Justas Bra iūnas，Henrikas Sivilevi? transfer and energy loss in bitumen
batching system of Asphalt Mixing Plant[C]//9TH International Conference Environmental
nius，LITHUANIA:VILNIUS GEDIMINAS TECHNICAL U NIV PRESS，2014.
[5]倪伟.电加热与导热油加热的沥青高温储罐节能效果分析[J].中国高新技术企业，2015(8)：94-96.
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