Bài viết trình bày tổng quan về công nghệ và thiết bị đốt nóng mặt đường; Xây dựng các điều kiện biên của quá trình truyền nhiệt. Thông qua việc nghiên cứu nhiệt độ của mặt đường được gia nhiệt bằng máy, giúp xác định được chế độ gia nhiệt phù hợp của máy nhằm đảo bảo chất lượng sửa chữa mặt đường.
Trang 1NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT CỦA MÁY ĐỐT NÓNG
KHI SỬA CHỮA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA
Nguyễn Văn Dũng 1
1Phân hiệu tại Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Giao thông vận tải,
Số 450-451 Lê Văn Việt, Phường Tăng Nhơn Phú A, Quận 9, Thành phố Hồ Chí Minh
*Tác giả liên hệ: Email: dungnv1_ph@utc.edu.vn
Tóm tắt Hiện nay các thiết bị đốt nóng mặt đường do Việt Nam nhập về có chế độ
làm việc chưa phù hợp do bộ phận gia nhiệt không đạt nhiệt độ yêu cầu là 1500C-1700C, mặt khác khi tăng nhiệt dễ gây quá nhiệt cháy bê tông nhưa (BTN), nên cần được tính toán chi tiết các điều kiện truyền nhiệt, đặc biệt là ảnh hưởng của điều kiện biên để thiết kế chế tạo bộ gia nhiệt phù, từ đó xác định được nhiệt đầu vào cần thiết của bộ phận gia nhiệt Thông qua việc nghiên cứu nhiệt độ của mặt đường được gia nhiệt bằng máy, giúp xác định được chế độ gia nhiệt phù hợp của máy nhằm đảo bảo chất lượng sửa chữa mặt đường
Từ khóa: Đốt nóng mặt đường; Sửa chữa nóng mặt đường; máy gia nhiệt hồng ngoại
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Sửa chữa mặt đường bằng phương pháp đốt nóng tại chỗ có nhiều ưu điểm nổi bật như tận dụng được vật liệu của mặt đường cũ tiết kiệm được 30% lượng BTN cấp mới, phù hợp với những hư hỏng có diện tích nhỏ, các khu vực mép cống thoát nước,
hố ga Mặt khác sử dụng công nghệ đốt nóng cho phép mặt đường sửa chữa có tính liền mạch không tạo mép liên kết dễ dẫn đến tính thấm nước của mặt đường, hạn chế
sử dụng các thiết bị phụ trợ khác như (máy bóc, máy khoan đục…), giảm lượng nhân công làm việc, thời gian thi công nhanh
Để sử dụng máy đốt nóng mặt đường một cánh có hiệu quả, đảm bảo chất lượng mặt đường sửa chữa đồng thời tiết kiệm nhiên liệu, đòi hỏi phải nghiên cứu đầy đủ nhiệt độ mà mặt đường đạt được trong khoảng giới hạn cho phép, không gây cháy và biến tính BTN Vì vậy việc nghiên cứu quá trình truyền nhiệt của máy xuống mặt đường BTN là điều rất cần thiết
2 NỘI DUNG
2.1 Tổng quan về công nghệ và thiết bị đốt nóng mặt đường
2.1.1 Công nghệ đốt nóng mặt đường
Công nghệ này sử dụng nhiệt độ để hóa mềm BTN thuận tiện cho việc trộn và bổ
Trang 2sung BTN mới để bù vào lượng BTN bị thất thoát
Hình 1 Sơ đồ công nghệ sửa chữa nóng mặt đường
Công nghệ này gồm các công đoạn, 1-Đốt nóng mặt đường, 2- Xới trộn mặt đường cũ, 3-Bổ sung vật liệu BTN mới, 4- Đầm hoàn thiện mặt đường như sau:
Bước 1: Quét sạch đất lỏng hoặc nước đọng từ khu vực được sửa chữa, sử dụng thiết bị vệ sinh và hút nước làm khô tại các vị trí ổ gá vết nứt
Hình 2 Vệ sinh mặt đường-đốt nóng mặt đường
Bước 2: Gia nhiệt mặt đường BTN: Di chuyển máy đến vị trí cần sửa chữa, đặt tấm gia nhiệt hồng ngoại, thời gian gia nhiệt 5-7 phút nhiệt độ mặt đường đạt 150-1700C đạt độ sâu 5 cm, trong quá trình gia nhiệt phải đảm bảo nhiệt độ không làm cháy lớp BTN đồng thời hóa mềm nhựa đường để đảm bảo quá trình sửa chữa trộn mặt đường BTN cũ Sau khi gia nhiệt mặt đường, tiến hành xới đều mặt đường cũ, sử dụng cào thủ công, hoặc sử dụng máy xới trộn
Bước 4: Bổ sung BTN mới: Sử dụng các máy trộn mini đi theo để bổ sung BTN cho mặt đường cũ nhằm đảm bảo chiều dày của mặt sửa chữa so với mặt đường hiện hữu
Trang 3
Hình 3 Xới trộn, bổ sung BTN mới
Bước 5: Đầm lèn hoàn thiện mặt đường: Sau khi bổ sung BTN mới và san sạt đều, sử dụng máy đầm nhỏ (máy đầm rung, máy đầm cóc…) hoặc máy lu mini để đẩm
bề mặt BTN được bổ sung
Hình 4 Đầm lèn và hoàn thiện mặt đường BTN
2.1.2 Thiết bị đốt nóng mặt đường
a) Sơ đồ cấu tạo tổng thể
Hình 5 Cấu tạo tổng thể của máy đốt nóng mặt đường
1.Thanh kéo, 2 Đồng hồ áp lực, 3 Giá bình gas, 4 Tấm gia nhiệt, 5 Khung di chuyển,
6,7 Bánh xe di chuyển
Trang 4- Nguyên lý làm việc của máy: Nguồn nhiên liệu đốt là khí Gas (propan) hoặc dầu Diezel, các chất đốt khác, nhóm nghiên cứu lựa chọn nguồn nhiên liệu khí gas để hạn chế ô nhiễm môi trường, bình gas được lắp ráp trên máy
- Hệ thống cung cấp nhiên liệu sẽ cung cấp lưu lượng khí gas phù hợp với quá trình đốt thông quá hệ thống các đường ống và ống venturi, bộ phập đánh lữa sẽ khởi động và làm ngọn lữa sẽ đốt nóng tấm gia nhiệt
- Tấm gia nhiệt được cấu tạo từ các vật liệu chịu nhiệt như: sợi thủy tinh, gốm chịu nhiệt, ống kim loại, khi ngọn lữa truyền đến các vật liệu này sẽ được đốt nóng lên nhiệt độ cao và giữ không cho ngọn lữa truyền thẳng xuống mặt đường
- Chiều cao thanh kéo được thiết kế phù hợp với tầm tay kéo của con người Việt Nam là 1,2 mét, chiều cao tấm gia nhiệt với mặt đường khoảng 2-3 cm và có thể điều chỉnh để phù hợp với các biến dạng của mặt đường
2.2 Xây dựng các điều kiện biên của quá trình truyền nhiệt
2.2.1 Cơ sở lý thuyết
Với đối tượng truyền nhiệt của thiết bị gia nhiệt là mặt đường BTN có đặc điểm mặt đường nằm trên nền đất được xem có chiều dày vô cùng, như vậy mô hình truyền nhiệt được khảo sát sẽ là mô hình truyền nhiệt 1 chiều không ổn định lên đối tượng có
1 mặt thoáng có chiều dày vô cùng, nhiệt độ phân bố trong nền đường được phân bố theo hàm vị trí và thời gian, T= f(x, ), [1]
Trong đó: T là nhiệt độ tại điểm x (mm), thời gian truyền nhiệt (s) qv mật độ dòng nhiệt, (W/m2); k là hệ số dẫn nhiệt (W/mK), điều kiện ban đầu: = 0, T(x,0) =
To; Điều kiện biên: tại x = 0, T(0, x) = Tw
Dùng phương pháp đổi biến kép, chuyển phương trình vi phân đạo hàm riêng thành phương trình vi phân thường [1]:
Để xây dựng phương trình truyền nhiệt từ máy gia nhiệt xuống mặt đường, đề tài đã sử dụng lý thuyết mô hình phần tử hữu hạn, truyền nhiệt qua vách có nguồn nhiệt, trước hết mô hình hóa mặt đường là vách phẳng
(1.1)
(1.2)
Trang 5Lớp BTNN mịn 4 cm Lớp BTNN thô 4 cm Lớp cấp phối đá dăm, 25 cm
Lớp nền 30 cm
Z
Surf
Hình 6 Mơ hình kết cấu mặt đường truyền nhiệt
Khảo sát kết cấu mặt đường gồm 3 lớp truyền nhiệt cơ bản, chiều dày lớp mặt đường δ (cm), hệ số dẫn nhiệt k(W/m°C), mật độ (kg/m) , nhiệt dung riêng c (J/kg°C) của hai lớp tương ứng như sau: δ1 = 4cm; δ2 = 4cm; δ3 = 22cm; k1= 1,0416;
k2= 1,265; k3= 1,375; k4= 1,265; 1= 2100; 2= 2200; 3= 2400; C1= 1666,6 (J/kg°C);
C2= 1215 (J/kg°C); C3= 1150 (J/kg°C); Mặt trên nhận bức xạ mặt trời và tỏa nhiệt với khơng khí Nhiệt độ khơng khí TK, bức xạ mặt trời E, tốc độ giĩ trung bỉnh w = 2,4 m/s
2.2.2 Điều kiện biên của quá trình truyền nhiệt
Ba loại điều kiện biên cơ bản ảnh hưởng đến bài tốn truyền nhiệt từ máy xuống mặt đường gồm: Nhiệt độ hiện hữu tại mặt đường, đối lưu nhiệt độ mặt đường
và năng lượng bức xạ giữa mặt đường và mơi trường xung quanh
a Nhiệt đối lưu
Dịng nhiệt đối lưu được chỉ định tác động lên một bề mặt tuân theo biểu thức chung [5]:
Với {η} là vectơ đơn vị pháp tuyến hướng ra ngồi ; q* - lưu lượng nhiệt quy định, là nhiệt đối lưu trên mặt đường được tính theo cơng thức [5] :
Với hf - hệ số đối lưu ; Tsur - nhiệt độ ở bề mặt của mặt đường ; Tair - nhiệt độ khối khơng khí giữa máy và mặt đường
b Nhiệt bức xạ : Trao đổi năng lượng bức xạ giữa một bề mặt của tấm gia nhiệt và
mơi trường xung quanh được tính theo biểu thức sau [5]:
(1.3)
(1.4)
(1.5)
Trang 6Trong đó σ - hệ số Stefan-Boltzman; ε- phát xạ hiệu quả; qr - cân bằng cường
độ bức xạ sóng dài
c Điều kiện về độ ẩm: Khí hậu của thành phố Hồ Chí Minh (theo tài liệu khí tượng thủy văn
khu vực thành phố Hồ Chí Minh lấy từ các trạm quan trắc và tổng hợp các điều kiện khí
tượng thủy văn) có các đặc trưng sau:
− Độ ẩm không khí tương đối trung bình năm: 79.4%
− Độ ẩm không khí tương đối cao nhất: 85%
− Độ ẩm không khí tương đối thấp nhất: 66%
− Độ ẩm không khí tương đối cao nhất vào các tháng mùa mưa (từ 82%-85%) và thấp nhất vào các tháng mùa khô (từ 71%-76%)
d.Điều kiện về bức xạ mặt trời
− Tổng lượng bức xạ trong năm: 145-152 kcal/cm2; Lượng bức xạ cao nhất:15,69 kcal/cm2 (vào tháng 3);
− Lượng bức xạ thấp nhất: 11,37 kcal/cm2 (vào các tháng mùa mưa);
− Số giờ nắng trong năm: 2.448 giờ;
− Số giờ nắng cao nhất bình quân trong ngày: 8 giờ;
− Số giờ nắng thấp nhất bình quân trong ngày: 5.5 giờ
e Điều kiện về gió: Trong vùng có 2 hướng gió chính (gió Đông-Nam, Tây-Tây Nam)
lần lượt xen kẽ nhau từ tháng 5-tháng 10, không có hướng gió nào chiếm ưu thế, tốc
độ gió trung bình năm 2.4m/s
Dòng nhiệt áp đặt vào vật thể nghiên cứu gồm có 3 thành phần chính là dòng nhiệt do bức xạ mặt trời qmt, dòng nhiệt do bức xạ không khí qbx và dòng nhiệt do đối lưu qđl, dòng nhiệt của thiết bị gia nhiệt qtb [5]
- Dòng nhiệt do bức xạ mặt trời được xác định thông qua phương trình sau [5]:
Trong đó: Imt là bức xạ tới của mặt trời, phụ thuộc vào vĩ độ và góc tới giữa tia sáng mặt trời với bề mặt đường và α là hệ số hấp thụ của vật liệu mặt đường
- Dòng nhiệt do bức xạ sóng dài từ môi trường bên ngoài được xác định theo phương trình sau [7]:
Trong đó: ; lần lượt là hệ số phát xạ của môi trường và của vật thể nghiên
bề mặt đường, dòng nhiệt do đối lưu được xác định theo phương trình sau [7]:
(1.6)
(1.7)
(1.8)
Trang 7
Trong đó: hc là hệ số đối lưu nhiệt phụ thuộc vào vận tốc gió, hệ số đối lưu nhiệt
V wind là vận tốc gió lưu thông ở bề mặt đường
Bài toán truyền nhiệt của mặt đường có thể được đưa về bài toán một chiều Phương trình vi phân truyền nhiệt bên trong mặt đường (2) được viết lại
trong đó z là chiều sâu Phương trình rời rác hóa có dạng:
Với [C] là ma trân nhiệt dung; [K] là ma trận độ cứng, {f} là véc tơ tải nhiệt
Thiết lập mô phỏng quá trình truyền nhiệt:
Hình 7 Sơ đồ phân lưới phần tử hữu hạn của mô hình truyền nhiệt cài đặt các điều
kiện biên như bức xạ, nhiệt độ, đối lưu,…
Nhập thông số Film Coefficient = 7,89 W/m2.0C Sau khi chạy được kết quả
Hình 8 Mô phỏng nhiệt độ mặt đường
(1.9)
(1.10)
(1.11)
(1.12)
Trang 8Sau khoảng thời gian gia nhiệt 300s , nhiệt độ giữa các lớp mặt đường có sự thay đổi Do tính chất của các lớp mặt đường khác nhau mà sự biến đổi nhiệt trong các lớp khác nhau Toàn bộ mặt đường đạt giá trị nhiệt độ thấp nhất là 65.2080C ,cao nhất 157.480C và giá trị trung bình khoảng 112.610C
Hình 9 Sự thay đổi nhiệt độ trong các lớp BTN
Hình 10 Nhiệt độ của các lớp BTN mịn và lớp BTN thô
Sau khoảng thời gian gia nhiệt từ 0-300s (5 phút) nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa mịn đạt giá trị nhiệt độ thấp nhất là 65.2080C, cao nhất 157.480C và giá trị trung bình 110.390C
Trang 90.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00
0 6 3 1 2 6 1 8 9 2 5 2 3 1 5 3 7 8 4 4 1 5 0 4 5 6 7
cHIỀU SÂU CỦA MẶT ĐƯỜNG, CM
Hình 11 Đồ thị phân bố nhiệt độ theo chiều sâu ứng với các nhiệt độ ban đầu
của thiết bị T1 = 200 0 C; T 2 = 180 0 C; T 1 = 120 0 C T 1 = 100 0 C
Nhận xét: Để đảm bảo cho mặt đường BTN không bị cháy do quá nhiệt >1800C,
và gia nhiệt không đủ hóa mềm BTN< 600C, ứng với chiều sâu cần cào trộn để thực hiện sửa chữa lại mặt đường là 5÷20 cm, theo kết quả từ đồ thị ta chọn chế độ gia nhiệt ban đầu là 1600C trong thời gian 0- 300 giây
3 KẾT LUẬN
Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt của máy đốt nóng xuống mặt đường là công việc cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn góp phần vào việc nâng cao chất lượng
và hiệu quả của việc đốt nóng mặt đường bê tông nhựa, làm cơ sở cho việc chế tạo máy tại Việt Nam Nội dung nghiên cứu đã đạt được các vấn đề sau:
- Tổng quan về đặc tính nhiệt của BTN, các điều kiện biên của bài toán nhiệt, công nghệ sửa chữa mặt đường và máy đốt móng mặt đường
- Tính toán và mô phỏng nhiệt độ của thiết bị gia nhiệt xuống mặt đường, khảo sát các khoảng nhiệt độ mặt đường phù hợp từ đó xác định được nguồn nhiệt ban đầu, thời gian gia nhiệt
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trịnh Văn Quang, Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn trong truyền nhiệt, NXB Thế giới 2013
[2] Cục quản lý đường bộ, Sổ tay kỹ thuật bão dưỡng đường bộ, 2014
[3] Trịnh Văn Quang, Trần Văn Bảy, “Khảo sát trạng thái nhiệt lớp BTN mặt cầu dưới tác động của thay đổi thời tiết bằng phương pháp phần tử hữu hạn”, Tạp chí KH GTVT số 05/2013
Trang 10[4] Nguyễn Thống Nhất, Trần Văn Thiện “Nhiệt độ tính toán lớp mặt đường BTN trong kết cấu áo đường mềm khu vực Nam bộ và một số kiến nghị”, Tạp chí Giao thông vận tải số 11/08/2016
[5] Nguyễn Huỳnh Tấn Tài, ThS Trần Thiện Nhân “Tính toán dự báo nhiệt độ mặt đường bằng phương pháp số và ứng dụng” Kỷ yếu hội thảo khoa học ĐH BK TP Hồ Chí Minh 2017
[6] Khalid S.Shibib, Dr.Qusay abduljabbar jawad, Haqi I Gattea, “Temperature distribution through asphalt pavement in tropical zone”, Anbar Journal for Engineering Sciences, 2012
[7] Dongdong Han, Yongli Zhao, Yuanyuan Pan, Guoqiang Liu, Tao Yang “Heating process monitoring and evaluation of hot in-place recycling of asphalt pavement using infrared thermal imaging” journal Automation in Construction 111 (2020)