CN1164263A - 用于加热沥青表面的工艺及设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于加热沥青表面的工艺及设备。该工艺包括的步骤：在燃烧器(30)中点燃由燃料(50)和氧(60)组成的可燃混合物以便产生热气体；将热气体输送到置于沥青表面(280)上方的有辐射面(200)的罩壳。该沥青表面加热设备包括一个产生热气体的燃烧器(30)和一个罩壳(25)，罩壳包括一个接收来自燃烧器的热气体的入口(120)和一个带有一组孔口的辐射面(200)。辐射面上孔口的尺寸如此确定使得：(i)热气体加热辐射面以便提供对沥青表面的辐射传热；和(ii)热气体通过孔口以便提供对沥青表面的对流传热。

Description

用于加热沥青表面的工艺及设备
技术领域
本发明涉及用于加热沥青表面的工艺及设备。
背景技术
在本文中，术语沥青也包括碎石和柏油碎石。沥青铺设的道路表面通常包括一种由沥青水泥(通常是黑色的，粘稠的，石油化学粘结料)与包括适当尺寸的石块和/或砂砾的集料组成的混合物。该沥青混凝土混合物通常被铺设、压实和平整以形成沥青铺设的路面。
时间一长，由于一些因素的影响沥青铺设的路面可能变坏。例如，季节温度变化可能使道路表面变脆和/或破裂。并且，新铺沥青中含有的某些化学成分由于时间过长而逐渐流失或随时间而改变它们的性质，更促使道路表面变脆和/或破裂。出现集中破裂的地方道路表面成块剥离。这可能引起交通事故和加速邻近道路表面和道路路基变坏。即使未发生破裂以及道路表面碎片未缺失，车辆的通行可能会磨光公路上表面，而这样的表面可能会光滑和危险。另外，交通导致的磨损能使公路表面形成沟纹、沟槽、车辙和破裂。在潮湿公路条件下，水能积存于这些缺陷中导致危险的车轮打滑现象。积存的水促使道路表面进一步损坏。
大约70年代以前，修补旧沥青道路表面的适用方法包括：现场处理如填补或堵塞，用新材料铺在原表面顶层上面，以及除去一些原有表面并用新材料代替。这些方法中的每一种都有其固有的缺陷和局限性。
大约自70年代初期以来，随着原料、石油和能源的价格提高，试图回收原有沥青的兴趣已大为增加。全世界的公路都已被看作是一种很有意义的重复利用的资源。
早期的回收技术包括清除某些原有表面并将它们转送到一个固定的集中回收工厂，在那里它们将同新沥青和/或再生化学制品混合。已再生的铺设材料再由卡车运回到作业地点并实施铺设。就延误工期和运输花费以及诸如此类的问题来看，这些技术有明显的局限性。
随后，技术发展到在野外工地上回收旧沥青。这样一些工艺包括加热并常常称为“现场热回收”(下面称为HIPR)。
这种技术包括先有技术中的一些用于在沥青破裂处回收沥青铺设面的已知工艺和机械。通常，这些工艺和机械以下列方案操作：(i)加热被铺设的表面(通常是应用许多组加热器)以便沥青的裸露层软化或塑化；(ii)用机械(通常是应用例如带齿的旋转碎石机；螺旋钻/粉碎机；和齿耙类翻路机这类装置)破碎已被加热的表面；(iii)将新沥青或沥青同已被加热、破碎的沥青相混；(iv)将取自(iii)的混合物分撒在道路表面上；和(v)压实或压紧已分撒的混合物以便形成再生沥青铺设的表面。在某些场合，将已被加热、破碎的材料一起从道路表面移出，在路外加以处理，然后再将其返回至该表面并压入已清理过的部位。大多数先有技术都涉及到基于此方案的某些变动。
时间一长，HIPR必须要解决某些问题，其中一些问题一直存在至今。例如，沥青混凝土(特别是其中的沥青水泥)易因加热而损坏。这样，道路表面一定要加热到它充分软化以使之能有效断裂，但又不能达到损坏它的程度。此外，必须认识到当被加热层的深度增大时沥青混凝土就越来越难于加热。
一些专利已经试图解决这些问题。例如，下列专利中的每一个都被本文参照引用：
U.S.3,361,042(Cutler)      U.S.3,970,404(Benedetti)
U.S.3,843,274(Gutman等)    U.S.3,989,401(Moench)
U.S.4,011,023(Cutler)      U.S.4,124,325(Cutler)
U.S.4,129,398(Schoelkopf)  U.S.4,335,975(Schoelkopf)
U.S.4,226,552(Moench)      U.S.4,534,674(Cutlev)
U.S.4,545,700(Yates)       U.S.4,711,600(Yates)
U.S.4,784,518(Cutlev)      U.S.4,793,730(Butch)
U.S.4,850,740(Wiley)       U.S.4,929,120(Wiley等)
无论所用的专门技术如何，商业上成功的沥青表面回收很大程度上取决于以一种有效方式加热要回收的旧沥青表面的能力。通常，当沥青表面被既快速又无显著焦化或过热地加热到所希望的温度时(例如300°F)便实现了有效加热。
在该技术中惯用加热器来软化沥青以方便对其回收。加热器可以是辐射加热器(如红外加热器)，热空气加热器，对流加热器，微波加热器，直接火焰加热器等等。
最受欢迎的商业用加热器是发射红外射线的辐射加热器。通常，这种加热器以点燃置于金属(或其它适当材料)隔板上的燃料/空气混合物形成混合物燃烧的方式操作。大多数场合，燃烧热被金属隔板吸收致使金属隔板变成红热并将热量(即红外辐射)辐射给沥青表面。常规的辐射加热器明显的局限性之一是燃料源的问题。特别是，因为燃料/空气混合物必须在加热器的整个辐射表面上燃烧，所以燃料必须具有与空气快速混合的性能并且能在到达燃点之前大致均匀地分布在辐射表面上。结果是实际上所有商业上现有的辐射加热器都以丁烷或丙烷为燃料。在这种应用中丁烷和丙烷可以与空气快速混合。
可惜，丙烷和丁烷对于运输和使用来说都是很危险的材料，因为它们通常是在加压条件下贮存的，即使一个偶然的火花也会引起危险的爆炸。另外，在世界上许多国家丙烷和/或丁烷是：(i)无法得到的，(ii)价格极其昂贵的，和/或(iii)与其它现有的低价液体燃料如内燃机燃料相比是不受欢迎的。实际上，除北美、欧洲和澳大利亚之外的世界上大多数国家都存在这些问题中的一个或多个。至于(iii)，液体燃料(即燃料在大气温度和压力下是液体)不适用于常规辐射加热器，是由于难于将这种燃料在空气中雾化和大体均匀地将燃料分布在加热器的辐射表面上，其最终结果是除北美洲和欧洲外在世界上大多数国家中HIPR在商业上是不实用的。
另外，对于常规辐射加热器，辐射表面的温度能容易地达到2000°F或者更高。这是由于需要尽可能快地加热该表面以便与回收系统相关的所有运输车辆的行进不被拖延。这样，再加上需要将沥青表面加热到300°F至400°F以获得至少2英寸深度的最终平均温度250°F，经常引起沥青表面焦化或过热。可惜，试图简单地用降低辐射表面温度的方式消除此影响会导致整个回收过程的效率更差，从而不是一种商业上有生命力的选择方案。一个与常规加热器有关的另一问题是很可能发生不均匀加热。通常这是由于沥青表面上的一些区域吸收辐射(例如油斑)而另一些区域反射辐射(例如浅色的团粒)的缘故。吸收辐射的沥青表面区域的问题变得严重了，因为它通常会产生严重的烟雾和/或沥青表面起火因而产生一个值得注意的环境忧患。
如上所述，常规的沥青表面加热器是热空气加热器。这种加热器在美国专利4,561,800[Hatakenaka等(Hatakenaka)]中有叙述，其内容已被参照引用。Hatakenaka讲述了一种加热道路表面的方法和设备，其中控制预定温度的热空气对着道路表面吹送以便加热道路表面。该设备包括一个装有燃烧器和热量控制元件的热空气发生器以及一些导管，其上制有对着道路表面吹送热空气的吹风孔。Hatakenaka声称该设备可减少在加热沥青表面时产生的烟雾量。Hatakenaka主要考虑的是控制热空气温度的能力。这样，Hatakenaka方案的要点是供给可控制温度的热空气，热空气是作为加热道路表面的一种手段。Hatakenaka宣称该发明的优点之一是能够仅以调节热空气自身温度的方式就能调节加热器的“热能力”。实际上，可以认为Hatakenaka所论及的设备基本上以对流方式提供总热量。
通常，对于用于回收沥青表面的热空气和对流加热器，特别是Hatakenaka所讲述的设备，主要的困难之一是不能输送足够大量的热空气到沥青表面以使热量传递在沥青表面上达到所希望的温度和深度。对此，主要的原因是，把沥青表面暴露于足够的一段时间来以商业上可行的速率加热表面所需要的尺寸和热空气流量使得制造一商业上用的设备不太实际，和/或极其昂贵。其结果是在回收沥青表面技术中当与辐射加热器相比时，热空气和对流加热器在商业上不具有生命力。
希望能有一种加热沥青表面的方法和设备，该方法和设备至少能克服或减少先有技术中上述已指明的缺点之一。
本发明的公开
本发明的一个目的是提供一种加热沥青表面的新方法，至少消除或减少先有技术中的一个缺点。
本发明的另一个目的是提供一种加热沥青表面的新设备，至少消除或减少先有技术中的一个缺点。
因此，第一方面，本发明提供一种加热沥青表面的工艺，包括的步骤是：
在燃烧器中点燃包括燃料和氧的易燃混合物以便产生热气体；
将热气体输送到一个置于沥青表面上方的具有辐射面的罩壳，辐射面带有一组孔口；和
选择孔口的尺寸使得热空气：(i)加热辐射面以便提供对沥青表面的辐射传热；和(ii)通过孔口以便提供对沥青表面的对流传热。
另一方面，本发明提供一种沥青表面加热设备，它包括一个产生热气体的燃烧器和一个罩壳，罩壳包括一个接收来自燃烧器的热气体的入口和带有一组孔口的辐射面，孔口的尺寸使得热气体：(i)加热辐射面以便提供对沥青表面的辐射传热；和(ii)通过孔口以便提供对沥青表面的对流传热。
已发现本发明利用一台加热沥青表面的设备能够充分均匀、快速和有效地加热沥青表面，设备的总传热(QTOTAL)由对流传热(QC)和辐射传热(QR)二者构成，如下：
QTOTAL＝QC+QR较好是QC是QTOTAL的约20％至约80％，更好是约35％至约65％，再好是约40％至60％，最好是约45％至约55％，每种情况其余的部分便是QR。
在此，QC可以方便地根据经验按下述方程计算：
QC＝hA(T1-T2)其中：h＝对流传热系数；
  A＝加热器总表面面积；
  T1＝热气体温度；和
  T2＝沥青表面温度。另外，QR可以方便地根据经验按下述方程计算：
QR＝∈σA(T1 4-T2 4)其中：∈＝辐射表面总热辐射系数；
  σ＝比例(斯蒂芬-波尔兹曼)常数；
  A＝加热器总表面面积；
  T1＝罩壳辐射面温度；和
  T2＝沥青表面温度。这些方程及其应用是在熟悉本技术的人员的知识范围内的，在由J.P.霍尔曼所著的《传热学》(第7版，1992)中有更详尽的讨论，其内容已被参照引用。
例如，一种可用的沥青表面加热设备有由氧化钢制造的辐射面并大约在1200°F下操作。辐射面使用时距沥青表面大约3英寸。辐射面大约12英尺宽26英尺长并共有约15,500个直径为0.25英寸的圆形孔口。对于这样一个设备，熟悉本技术的人员能方便地计算出QC大约是480KW(总传热量的48％)，QR大约是520KW(总传热量的52％)。
本沥青表面加热设备的主要优点之一是它不需使用特殊类型的燃料。这样，可以认定本沥青表面加热设备是第一个把至少部分传热以辐射方式进行与可灵活使用像内燃机燃料那样的液体燃料相结合的设备。
通观此详细说明，可借鉴的是燃烧一种燃料与氧的混合物。众所周知，纯氧是非常易燃的且运输和使用是非常危险的。这样，对于大多数应用来说使用周围空气与燃料相混合是方便的。然而，不言自明的是，本发明的范围也包括包含氧或由氧组成的非空气气体。
本沥青表面加热设备还包括设置在沥青表面上方的罩壳，其与被加热的沥青表面的距离较好是约1英寸至约6英寸，更好是约2英寸至约4英寸，最好是约2英寸至约3英寸。这用来优化罩壳辐射表面对裸露的沥青表面的辐射。
本沥青表面加热设备上的罩壳包括一组大体相邻的管子，每根管子均有一个辐射面。特别优选的是以某种方式安排管子以便使相邻一对管子间存在有间隙或间隔。这样设置的间隙或管子能方便回收冲击沥青表面的热气体。特别是热气体可以通过相邻一对管子间的间隙或间隔被吸回到燃烧器。相邻一对管子间的间隙或间隔的理想尺寸是这样的，即被回收的热气体的速度是通过管子上孔口的热气体的速度的约20％至约80％，较好的是约30％至约70％，更好的是约40％至约60％，最好是约45％至约55％。
热气体和罩壳辐射面的温度近似相等，尽管这并不重要。该温度范围较好是约700°F至约1600°F，更好是约900°F至约1400°F，最好是约1000°F至约1200°F。理想的温度是约1100°F。
附图的简短说明
现在参照附图描述本发明的具体实施例，附图中相同标号表示相同零件，其中：
图1表示本沥青表面加热设备简图的侧视图；
图2表示图1所示设备一部分的底视图；和
图3表示图1所示设备的正视图。
实施本发明的最佳模式
参考图1～3，表示一台沥青表面加热设备10。加热设备10是可移动的并安装或连接在一台装有车轮20(用点划线表示)的合适的车辆(未表示)上。
加热设备10包括一个装有燃烧器30的罩壳25，燃烧器的出口端装于一燃烧室40内。燃烧器30包括一个燃料入口50，一个氧入口60和一个混合/喷雾室70。燃烧器30还包括一个置于罩壳25内的喷嘴80。如图所示，喷嘴80的下游末端被燃烧室40的入口包围。虽然能够使喷嘴80的末端与燃烧室40入口密封接合，但最好在喷嘴80的末端与燃烧室40之间有一定空间。
罩壳25被壁100分成为废气罩壳110和热气体罩壳120。如图所示，燃烧室40包括既置于废气罩壳110内又置于热气体罩壳120内的一组燃烧孔口90。废气罩壳110与一个装有消音器140的排出口130相连接。燃烧室40的优选特性是，孔口90的尺寸和数量如此选定，即使得在燃烧室40内产生的热气体流向废气罩壳110的体积是总体积的约5％至约20％，更好是约5％至约15％，最好是约8％至约10％，而其余部分流向热气体罩壳120。实际上，这导致孔口表面面积(即孔口90的总表面)的大多数是由置于热气体罩壳120内的孔口所具有。
热气体罩壳120包括一个热气体循环入口150和一个热气体出口160。热气体出口160连接一个充气室170。充气室170包括一个与一组热气体排放室190相连接的热气体供给室180。热气体供给室180和热气体排放室各包括一个辐射面200。每个辐射面200都包括一组孔210。热气体排放室190安排成在相邻一对排放室之间有一个间隙220。
充气室170还包括一个与装有一台鼓风机(图中未表示)的回流送风装置240相连接的循环气体回流室230。回流送风装置240通过装有消音器260的循环气体供给室250与罩壳25相连接。
操作中，燃料和氧被分别输送到燃烧器30的入口50和60，在燃烧器内它们在室70内混合和雾化(如果燃料在大气温度和压力下是液体)形成一种可燃的混合物。然后该可燃混合物通过喷嘴80在其中点燃后产生火焰270和热气体。热气体通常沿箭头A方向流动，通过孔口90沿两个流向离开燃烧室40。大量热气体按箭头B指向离开，少量热气体按箭头C指向离开。
热气体按箭头B指向通过热气体出口160进入充气室170，从那里输送到热气体供给室180和热气体排放室190。然后热气体通过装在180和190各室的辐射面200上的孔口210离开室180和190。由于精心设计室180和190上的辐射面200以及选择孔口210的数量和尺寸，辐射面200容易实现辐射和对流两种传热。这样，热气体便将辐射面200加热到能发射出辐射的温度，最好是红外辐射。同时，热气体以高速通过孔口210并冲击要加热的沥青表面280，从而提供对流传热。
回流送风装置240用来按箭头D指向通过相邻对热气体排放室190之间的间隙220循环气体。回流送风装置240将此循环气体按箭头E指向输送到循环气体供给室250。进入罩壳25的循环气体或者(i)按箭头F指向进入燃烧室40，在其中任何部分燃烧或尚未燃烧的燃料充分燃烧；或者(ii)按箭头G指向绕燃烧室40的外表面流动并与其进行热交换，之后，循环气体与按箭头B指向离开燃烧室40的热气体混合。
本沥青表面加热设备实际上可有效地应用在包括上面提到的美国专利所叙述的那些在内的所有的现场热回收工艺中。然而，当与每一待批加拿大专利申请2,061,682和2,102,090以及国际专利申请WO93/17185中描述的工艺和设备相结合时，本沥青表面加热设备得到特别有效的应用，因而上述每一申请的内容被引用于此作为参考。
因此，尽管本发明已参照作为例子的方案作了说明，但此说明并非是限制性的。作为例子的方案的各种改进如同本发明的其它方案一样对于熟悉与此说明有关的技术的人员来说是很明显的。例如，本沥青表面加热设备也可制成以连续的或者最好以周期连续的方式提供辐射传热和对流传热。以例如提供相对沥青表面大体横排的管子等多种方式可以实现这种改进。如上所述，这些管子可选择地设置一些孔口并可在它们之间设置一个常规的辐射加热器。换句话说，可制造对流加热器和辐射加热器相互交错的一系列设备。其最后结果是形成一个总的来说以辐射和对流方式进行传热的设备系列。因此可以设想在所附的权利要求书中包含任何这样的改进或方案。

Claims (44)

1.用于加热沥青表面的工艺，它包括下述步骤：
在燃烧器中点燃包括燃料和氧的可燃混合物以便产生热气体；
将热气体输送至设置在沥青表面上方的带有辐射面的罩壳，该辐射面带有一组孔口；
选择孔口尺寸使得热气体：(i)加热辐射面以便提供对沥青表面的辐射传热；和(ii)通过孔口以便提供对沥青表面的对流传热。
2.权利要求1中所述的工艺，其中，辐射传热和对流传热之和是对沥青表面的总传热。
3.权利要求1中所述的工艺，其中，辐射传热是总传热的约20％至约80％，其余部分是对流传热。
4.权利要求1中所述的工艺，其中，辐射传热是总传热的约35％至约65％，其余部分是对流传热。
5.权利要求2中所述的工艺，其中，辐射传热是总传热的约40％至约60％，其余部分是对流传热。
6.权利要求2中所述的工艺，其中，辐射传热是总传热的约45％至约55％，其余部分是对流传热。
7.权利要求1中所述的工艺，包括另外的步骤是以约1英寸至约6英寸的距离将罩壳设置在沥青表面的上方。
8.权利要求2中所述的工艺，包括另外的步骤是以约2英寸至约4英寸的距离将罩壳设置在沥青表面的上方。
9.权利要求5中所述的工艺，包括另外的步骤是以约2英寸至约3英寸的距离将罩壳设置在沥青表面的上方。
10.权利要求1中所述的工艺，包括另外的步骤是在热气体通过罩壳上的孔口后将一部分热气体回收到燃烧器。
11.权利要求1中所述的工艺，其中，罩壳包括一组大体相邻的管子，每根管子均有辐射面。
12.权利要求1中所述的工艺，包括另外的步骤是以相互隔开的关系设置相邻管子以便确定每一对相邻管子之间的间隙。
13.权利要求12中所述的工艺，包括另外的步骤是在热气体通过罩壳上的孔口后使一部分热气体通过相邻管子之间的间隙回收到燃烧器。
14.权利要求12中所述的工艺，包括另外的步骤是选择间隙的尺寸使得被回收的热气体的速度是通过罩壳上孔口的热气体速度的约20％至约80％。
15.权利要求12中所述的工艺，包括另外的步骤是选择间隙的尺寸使得被回收的热气体的速度是通过罩壳上孔口的热气体速度的约30％至约70％。
16.权利要求13中所述的工艺，包括另外的步骤是选择间隙的尺寸使得被回收的热气体的速度是通过罩壳上孔口的热气体速度的约40％至约60％。
17.权利要求13中所述的工艺，包括另外的步骤是选择间隙的尺寸使得被回收的热气体的速度是通过罩壳上孔口的热气体速度的约45％至约55％。
18.权利要求1～17中任何一个所述的工艺，其中，燃料是内燃机燃料。
19.权利要求1～17中任何一个所述的工艺，其中，所用的氧是以空气的形式供给的。
20.权利要求1～17中任何一个所述的工艺，其中，辐射传热和对流传热二者均自一单个罩壳发出。
21.权利要求1～17中任何一个所述的工艺，其中，辐射传热和对流传热二者均由顺序排列的罩壳发出。
22.一台沥青表面加热设备，它包括一个产生热气体的燃烧器和一个罩壳，罩壳包括一个接收来自燃烧器的热气体的入口和带有一组孔口的辐射面，孔口的尺寸使得热气体：(i)加热辐射面以便提供对沥青表面的辐射传热；和(ii)通过孔口以便提供对沥青表面的对流传热。
23.权利要求22中所述的沥青表面加热设备，其中，辐射传热和对流传热之和是对沥青表面的总传热。
24.权利要求22中所述的沥青表面加热设备，其中，辐射传热是总传热的约20％至约80％，其余部分是对流传热。
25.权利要求22中所述的沥青表面加热设备，其中，辐射传热是总传热的约35％至约65％，其余部分是对流传热。
26.权利要求23中所述的沥青表面加热设备，其中，辐射传热是总传热的约40％至约60％，其余部分是对流传热。
27.权利要求23中所述的沥青表面加热设备，其中，辐射传热是总传热的约45％至约55％，其余部分是对流传热。
28.权利要求22中所述的沥青表面加热设备，还包括以约1英寸至约6英寸的距离将罩壳设置在沥青表面上方的装置。
29.权利要求22中所述的沥青表面加热设备，还包括以约2英寸至约4英寸的距离将罩壳设置在沥青表面上方的装置。
30.权利要求23中所述的沥青表面加热设备，还包括以约2英寸至约3英寸的距离将罩壳设置在沥青表面上方的装置。
31.权利要求23中所述的沥青表面加热设备，还包括在热气体通过罩壳上的孔口后将一部分热气体回收到燃烧器的装置。
32.权利要求22中所述的沥青表面加热设备，其中，罩壳包括一组大体相邻的管子，每根管子均有辐射面。
33.权利要求32中所述的沥青表面加热设备，其中，相邻管子相互隔开以确定每一对相邻管子之间的间隙。
34.权利要求32中所述的沥青表面加热设备，其中，管子大体上具有非圆形截面。
35.权利要求32中所述的沥青表面加热设备，其中，管子大体上具有矩形截面。
36.权利要求32中所述的沥青表面加热设备，其中，管子大体上具有正方形截面。
37.权利要求22中所述的沥青表面加热设备，还包括在热气体通过罩壳上的孔口后使一部分热气体通过相邻管子之间的间隙回收到燃烧器的装置。
38.权利要求37中所述的沥青表面加热设备，其中，间隙的尺寸要使得被回收的热气体的速度是通过罩壳上的孔口的热气体速度的约20％至约80％。
39.权利要求37中所述的沥青表面加热设备，其中，间隙的尺寸要使得被回收的热气体的速度是通过罩壳上孔口的热气体速度的约30％至约70％。
40.权利要求37中所述的沥青表面加热设备，其中，间隙的尺寸要使得被回收的热气体的速度是通过罩壳上孔口的热气体速度的约40％至约60％。
41.权利要求37中所述的沥青表面加热设备，其中，间隙的尺寸要使得被回收的热气体的速度是通过罩壳上孔口的热气体速度的约45％至约55％。
42.权利要求22～41中任何一个所述的沥青表面加热设备，其中，一单个罩壳提供辐射传热和对流传热。
43.权利要求22～41中任何一个所述的沥青表面加热设备，其中，第一罩壳提供辐射传热而第二罩壳提供对流传热。
44.权利要求43中所述的沥青表面加热设备，包括一组第一罩壳和一组第二罩壳。
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