Экспериментальные исследования динамики энергозатрат при динамическом режиме нагрева битума

Для подтверждения предложенной гипотезы, что минимизировать энергозатраты при сохранении качества битума в процессе обезвоживания возможно за счет повышения коэффициента теплоотдачи от нагревателей к битуму при создании вынужденной конвекции, была разработана и изготовлена «виброрешетка» (рис. 1) и проведены экспериментальные исследования процесса обезвоживания битума при динамическом режиме нагрева (вынужденной конвекции).

Рис. 2.3. «Виброрешетка»

«Виброрешетка» устанавливалась в физическую модель котла обезвоживания таким образом, чтобы ее колебания в области расположения нагревателей обеспечивали перемещение масс битума относительно поверхностей нагрева, что позволило повысить коэффициент теплоотдачи от нагревателей к битуму и интенсифицировать процесс обезвоживания (рис. 2).

Рис. 2. Установка «виброрешетки» в физическую модель котла обезвоживания

Обезвоживание битума в физической модели котла при динамическом режиме нагрева осуществлялось при постоянной мощности нагревателя, равной 56 Вт. При этом для подбора наименее энергоемкого режима «виброобезвоживания» варьировались сочетания значений амплитуды (5 мм, 10 мм, 15 мм) и частоты (5 Гц, 8 Гц, 11 Гц) колебаний «виброрешетки». Изменение амплитуды колебаний производилось путем перемещения подвижной опоры коромысла, то есть изменением отношения длин плеч
коромысла от электролобзика до опоры и от опоры до штока «виброрешетки». Изменение частоты колебаний «виброрешетки» осуществлялось путем установки соответствующей «скорости» работы электролобзика.

Подготовка к эксперименту:

  • в физической модели котла устанавливались нагреватели мощностью 56 Вт;
  • в физическую модель котла в область нагрева устанавливалась «виброрешетка», амплитуда (5 мм, 10 мм или 15 мм) и частота (5 Гц, 8 Гц или 11 Гц) колебаний которой выбирались в зависимости от условий эксперимента;
  • битум массой 3,05 кг и вода массой 0,15 кг разогревались и термостатировались в различных тарах в сушильном шкафу при температуре 95°С;
  •  разогретый битум перемешивался, затем отбиралась и нумеровалась проба битума массой 0,2 кг;
  • из оставшегося битума путем добавления воды и перемешивания получалась смесь с 5% влаги;
  • обводненный битум термостатировался в сушильном шкафу в течение 10 минут при температуре 95°С, после чего 3 кг обводненного битума заливалось в физическую модель котла обезвоживания;
  •  включались нагреватели физической модели котла обезвоживания и «виброрешетка».

В течение эксперимента:

  • нагреватели физической модели котла обезвоживания, а также «виброрешетка» работали в непрерывном режиме;
  • через каждые 30 минут оператором фиксировалась температура битума в физической модели котла, а также визуально по наличию образующихся на поверхности битума пузырьков оценивалось наличие в битуме влаги;
  • при исчезновении видимых признаков кипения и пены на поверхности, битум считался обезвоженным.

После обезвоживания:

  • в физической модели отключались нагреватели и «виброрешетка»;
  • отбиралась и нумеровалась проба битума массой 0,2 кг.

У каждой пробы битума определялись следующие показатели:

  • обводненность;
  • глубина проникания иглы при 0°С и 25°С;
  • температура размягчения по кольцу и шару («КиШ»);
  • температура хрупкости.

Осредненные энергозатраты при обезвоживании битума с обводненностью 5% в физической модели котла при мощности нагревателей 56 Вт и при динамическом режиме нагрева (вынужденной конвекции) приведены в таблице 1 и на рис.3-5, а осредненные изменения качества битума приведены в таблице 2 и на рис. 6—8.

Таблица 1. Энергозатраты при обезвоживании битума в физической модели котла при динамическом режиме нагрева (вынужденной конвекции)

Режим нагреваСтатистический (свободная конвекция)Динамический (вынужденная конвекция)
Обводненность битума, %5
Мощность нагревателей, Вт56
Масса битума, кг2,85
Масса воды, кг0,15
Амплитуда колебаний, мм-   5   10   15
Частота колебаний, Гц-581158115811
Время работы нагревателей, час15,014,012,611,512,011,310,39,28,68,0
Время обезвоживагия битума, час15,014,012,611,512,011,310,39,28,68,0
Энергозатраты, Вт час840784706644672633577515482448

 Рис. 3. Энергозатраты при обезвоживании битума в физической модели котла при амплитуде колебаний «виброрешетки» 5 мм


Рис. 4. Энергозатраты при обезвоживании битума в физической модели котла при амплитуде колебаний «виброрешетки» 10 мм

Рис. 5. Энергозатраты при обезвоживании битума в физической модели котла при амплитуде колебаний «виброрешетки» 15 мм

Таблица 2. Изменение качества битума при обезвоживании битума с обводненностью 5% в физической модели котла при вынужденной конвекции

    Обезвоженный
Битум  БНД 60/90ИсходныйПри статистическом режиме нагрева (свободной конвекции)При динамическом режиме нагрева (вынужденной конвекции)
Обводненность битума, %-5
Мощность нагревателей, Вт-56
Масса битума, кг 2,85
Масса воды, кг 0,15
Амплитуда колебаний, мм -  510    15
Частота колебаний, Гц -581158115811
Начальная температура, °С           
95
Конечная температура, °С -150130130130130130130130130130
По, 0,1 мм23,7 21,92222,122,322,122,322,522,722,823
П25, 0,1 мм 82,478,178,378,678,778,678,979,281,281,381,5
Температура размягчения по «КиШ», °С 48,749,349,349,249,249,249,148,948,948,848,8
Температура хрупкости, °С-19,5-17,5-18,0-18,3-18,5-18,4-18,5-18,7-18,9-18,9-19,0
Интервал пластичности, 0,1 мм 68,267,167,367,567,767,667,667,667,867,767,8

Рис. 6.  Изменения пенетрации при 0°С при обезвоживании битума с обводненностью 5% в физической модели котла при мощности нагревателей 56 Вт и амплитуде колебаний «виброрешетки» 5 мм

Рис. 7. Изменения пенетрации при 25°С при обезвоживании битума с обводненностью 5% в физической модели котла при мощности нагревателей 56 Вт и амплитуде колебаний «виброрешетки» 5 мм

Рис. 8.  Изменения температуры размягчения по «КиШ» при обезвоживании битума с обводненностью 5% в физической модели котла при мощности нагревателей 56 Вт и при амплитуде колебаний «виброрешетки» 5 мм

Из результатов экспериментальных исследований по обезвоживанию битума при вынужденной конвекции следует, что наиболее выраженное влияние на минимизацию энергозатрат (в исследуемых диапазонах частот и амплитуд) оказывает увеличение амплитуды колебания «виброрешетки». Так при увеличении амплитуды колебаний виброрешетки до 15 мм достигается снижение энергозатрат на 40-45%, при этом время обезвоживания битума сокращается в 1,5-1,8 раза, а также минимизируются изменения пенетрации при 0°С и 25°С на 3-5%, температуры размягчения по «КиШ» на 0-1% и температуры хрупкости на 5-6%.

Разработанный метод минимизации энергозатрат при сохранении качества битума за счет интенсификации процесса обезвоживания путем передачи колебаний «виброрешетки» битуму и повышения коэффициента теплоотдачи от нагревателей (при создании вынужденной конвекции) универсален и может использоваться с любыми системами нагрева битума (электрическими нагревателями, жаровыми трубами, масляными или паровыми регистрами), причем температура процесса «виброобезвоживания» не превышает 130°С.

Таким образом, экспериментально было подтверждено, что для минимизации энергозатрат при сохранении качества битума в процессе обезвоживания на производственных предприятиях рекомендуется:

  • минимизировать обводнение битума на этапе хранения, что в дальнейшем сократит длительность процесса обезвоживания;
  • обеспечить теплоотдачу за счет вынужденной конвекции, например, путем введения «виброрешетки» в область нагрева битума и расположения
  • нагревателей, что позволит интенсифицировать процесс обезвоживания битума и снизить его температуру;
  • повысить мощность нагревателей при увеличении площади теплоотдающей поверхности, что обеспечит быстрый нагрев битума и дополнительно сократит длительность процесса обезвоживания.

Выводы:

  • С учетом необходимых и достаточных условий подобия разработана и изготовлена физическая модель котла обезвоживания, точно воспроизводящая процесс выпаривания влаги из битума при статическом режиме нагрева (свободная конвекция).
  • Методом физического моделирования проведены экспериментальные исследования процесса обезвоживания битума при статическом режиме нагрева и установлено, что минимизировать энергозатраты можно за счет увеличения мощности нагревателей в котле. Однако реализация «метода повышения мощностей нагревателей» в условиях производства затруднительна.
  • Предложена гипотеза - минимизация энергозатрат при сохранении качества битума в процессе обезвоживания может быть достигнута за счет повышения коэффициента теплоотдачи от нагревателей к битуму при динамическом режиме нагрева (вынужденной конвекции).
  • Для проверки предложенной гипотезы разработана и изготовлена «виброрешетка», позволяющая производить обезвоживание битума в физической модели котла при динамическом режиме нагрева (вынужденной конвекции).
  • Проведены экспериментальные исследования процесса обезвоживания битума при динамическом режиме нагрева и установлено, что предложенный метод обезвоживания позволяет снизить энергозатраты на 40- 45%, сократить время обезвоживания в 1,5-1,8 раза, а также минимизировать изменения пенетрации при 0°С и 25°С на 3-5%, температуры размягчения по «КиШ» на 0-1% и температуры хрупкости на 5-6%.