مقالة منهجية

مقارنة السلوك الحراري وكفاءة الطاقة بين التسخين الكهربائي بالتيار المتردد والتيار المستمر في عمود التقطير باستخدام تحليل التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء

DOI:

10.3791/69373

⸱

ديسمبر 5, 2025

 ,  , 
1Tecnológico Nacional de México, Instituto Tecnológico de Morelia Morelia

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تقدم هذه المقالة دراسة مقارنة حول السلوك الحراري وكفاءة الطاقة لعنصر تسخين داخل غلاية عمود التقطير، يعمل بالتيار المتردد (AC) والتيار المستمر (DC)، حيث يتم تقييم أدائه من نتائج إحصائية مثل درجات الحرارة الدنيا والعظمى، ومتوسط بيانات الحرارة ومعامل التغير.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء (IRT) هو تقنية غير تلامسية مستخدمة على نطاق واسع لقياس الأداء الحراري في أنظمة التدفئة الصناعية. تستخدم هذه الدراسة تقنية IRT لتحليل ومقارنة السلوك الحراري وكفاءة الطاقة الكهربائية لمقاومة التسخين داخل غلاية عمود التقطير تحت مزود الطاقة التيار المتردد (AC) والتيار المستمر (DC). أجريت التجارب باستخدام محطة تجريبية للتقطير، والتي شملت مقاومة تسخين بقوة 130 واط تعمل بمصدر تيار متردد (60 هرتز) ومصدر تيار مستمر مكافئ مع مراعاة تكوينات الجهد-التيار المختلفة. تم التقاط الديناميكا الحرارية باستخدام كاميرا تحت الحمراء متوسطة الموجة معايرة (نطاق طيفي من 7.5 إلى 13 ميكرومتر)، بالتوازي مع قياسات الطاقة الكهربائية من نظام مدمج ببطاقة جمع البيانات.

تؤسس المنهجية المقترحة بروتوكول IRT لقياس الاستجابات الحرارية عبر صور IRT، مما يسمح برسم خريطة تباين درجات الحرارة ثنائية الأبعاد من خلال مخططات الحرارة المصححة بانبعاثية.

أظهرت تحليلات كفاءة الطاقة أن التيار المستمر يقلل من خسائر الجول بينما أظهر التيار المتردد استقرارا حراريا فائقا أثناء التشغيل المطول. يوفر هذا النهج المدمج مع IRT رؤى قابلة للتنفيذ لتحسين أنظمة طاقة التقطير ويتماشى مع مبادرات الكهربة الصناعية. البروتوكول قابل للتوسع للمراقبة القائمة على الأشعة تحت الحمراء للعمليات الحرارية الكهربائية في تطبيقات الكيمياء والصيدلانية والطاقة المتجددة.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

أنظمة التبادل الحراري هي أجهزة أساسية في الهندسة الكيميائية، تستخدم لتسهيل نقل الطاقة الحرارية بين تيارين للعملية، حتى بدون وجود اتصال مباشر فيزيائي. دمجها في معدات مثل أعمدة التقطير يسمح بتحسين استهلاك الطاقة، وتحسين كفاءة فصل المكونات، والحفاظ على ظروف تشغيل مستقرة من خلال التحكم الدقيق في ملفات درجة الحرارة1.

يعتبر مشغل الطاقة في عمود التقطير نظام تبادل حراري، يتكون من مقاومة كهربائية، في كل من التيار المستمر (DC) والتيار المتردد (AC)، تتبع قانون أوم، مما يؤسس علاقة مباشرة بين الجهد والتيار والمقاومة. ومع ذلك، فإن سلوك المقاومة عند استخدام التيار المتردد أكثر تعقيدا بسبب تأثير التردد والممانعة والتأثيرات الحثية والسعوية للنظام. ومع ذلك، فإنه يقدم بعض المزايا في تطبيقات صناعية محددة2،3.

يختلف سلوك المقاومة الحقيقية عن مثاليها لأن المواد الفيزيائية يمكن أن تسبب ظواهر مثل الحث الطفيلي، وفي بعض الحالات، السعة الطفيلية4. تعتمد هذه التأثيرات على تردد إشارة التيار المتردد، ويتم تمييزها من حيث قيم التردد. في إحدى الحالات، التأثيرات التفاعلية (الحثية أو السعوية) تكاد تكون معدومة؛ لذلك، يتصرف المقاوم بشكل خطي ويلتزم بقانون أوم بشكل شبه كامل. لذا، فإن استجابته مشابهة لمقاومة مثالية تستخدم في التيار المستمر عند النظر إلى الترددات المنخفضة.

بالنسبة للترددات العالية، تبدأ المقاومة الفعلية في إظهار مكون حثي، خاصة إذا كان بناؤها يتضمن عناصر مثل اللفات أو الوصلات الطويلة5. الاستخدام غير الصحيح للمقاومات الكهربائية في عمليات التقطير يمكن أن يسبب صدمات حرارية في غلاية العمود، خاصة عندما يتغير توازن تأثير الترموسيفون، وهي ظاهرة تحدث نتيجة التفاعل بين انتقال الحرارة والتدفق الطبيعي للسائل الناتج عن اختلافات الكثافة6.

يتم تحديد معدل انتقال الحرارة في الغلاية من خلال الطول الفعلي لمناطق التسخين والتبخر، وكذلك من خلال التصميم الهندسي للمبادل7. علاوة على ذلك، يعتمد هذا المعدل بشكل كبير على ضغط التشغيل ومحتوى البخار، حيث أن معامل نقل الحرارة في منطقة التبخر أعلى بكثير من منطقة التسخينالمسبق 8.

يقترح هذا العمل دراسة مقارنة بين مزودات الطاقة التيار المتردد والتيار المستمر لتغذية مقاومة تسخين داخل عمود التقطير، لتقييم تأثيرها على الكفاءة الحرارية للعملية، وملف درجة الحرارة في الغلاية، واستهلاك الطاقة، والاستقرار أثناء دورة التقطير. الخصائص الرئيسية للمحطة هي: لوحة غلاية بسعة 2 لتر، مقاومة تسخين بقوة 300 واط، استخراج المنتج السفلي، مكثف حلزوني مزدوج، خزان لتر للمنتجات المقطرة، وصمام ارتجاع تشغيل-إيقاف.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. التكوين والإجراءات لتحضير الخليط، تنفيذ العمليات من الواجهة المحلية، وبدء تشغيل مزود الطاقة

  1. تحضير الخليط المستخدم في العملية داخل الغلاية (الشكل 1).
    1. ضع 1 لتر من الإيثانول ولتر واحد من الماء المقطر في قارورة منفصلة.
    2. ضع محتويات كل قارورة داخل صفيحة الغلاية.
    3. تأكد من أن الأجهزة موضوعة بشكل صحيح.
      1. تحقق من وصلات الخرطوم على المكثف من مضخة ماء التبريد.
      2. تحقق من موقع الحساسات على ألواح جسم عمود التقطير.
      3. تحقق من حالة مشغلات مضخة ماء التبريد، ومقاومة الحرارة، ومشغل الارتجاع.
  2. نفذ الواجهة المحلية على الكمبيوتر وبطاقة جمع البيانات (الشكل 2).
    1. على الكمبيوتر المحلي، افتح برنامج "عمود التقطير".
    2. قم بتوصيل بطاقة جمع البيانات بجهاز الكمبيوتر المحلي.
    3. تحقق من التواصل بين بطاقة جمع البيانات والكمبيوتر المحلي.
      1. تحقق من العناصر في نافذة النوافذ المنبثقة.
    4. اختر الخليط المستخدم في الواجهة المحلية.
    5. ابدأ العملية من الواجهة المحلية بالنقر على زر البدء .
      1. تحقق من استلام المعلومات من الحساسات المحلية في كل نافذة واجهة على الكمبيوتر المحلي.
        ملاحظة: على الرغم من أن التجربة محدودة بمزيج ثنائي من الإيثانول والماء، إلا أن الواجهة تسمح بملاحظة خلطات مختلفة. نظرا لأن انتقال الحرارة بين RTD والسائل يعتمد على الخصائص الحرارية العامة مثل السعة الحرارية والتوصيلية، يمكن افتراض أن المنهجية المستخدمة، والتي تعتمد على بيانات تجريبية لتعريف السلوك الحراري، صالحة لخلطات أخرى تحت ظروف مضبوطة. يدعم هذا النهج دراسات على أعمدة التقطير التي تقوم بنمذجة خلطات ثنائية مثالية 9,10,11 ديناميكيا.
  3. التحضير لتزويد مصادر الطاقة AC أو DC لتشغيل مقاومة التسخين.
    1. باستخدام جهاز قياس متعدد كفولتميتر، اضبط قيمة جهد الخرج من اللوحة الأمامية لمزود الطاقة، حسب الحاجة (AC أو DC). بعد التهيئة، قم بإيقاف مزود الطاقة.
    2. وصل مصدر الجهد إلى مقياس حرارة المقاومة المثبت في لوحة الغلاية.
    3. قم بتشغيل مقاومة التسخين بتشغيل مصدر الطاقة.
    4. تحقق من مراقبة التيار والجهد من الواجهة المحلية.
      ملاحظة: يشير الجدول 1 إلى قيم الجهد والتيار المستخدمة في التجربة لكل من التيار المتردد والتيار المستمر.

2. إعداد واكتساب وتحليل بيانات الترموغرامات ودرجة الحرارة على النسخة الجاهزة أثناء العملية

  1. إعداد واكتساب التصوير الحراري باستخدام كاميرا الحرارة ذات الغلاية أثناء العملية.
    ملاحظة: في التجربة، أجريت ساعات العمل والقياسات من الساعة 1 إلى 3 ظهرا، عندما كانت درجة الحرارة المحيطة داخل المختبر من 22° إلى 24.5 درجة مئوية.
    1. اختر لوحة ألوان الحديد من قائمة الكاميرا الحرارية.
    2. اضبط قيمة تصحيح الانبعاثية إلى 0.95 من قائمة الكاميرا الحرارية .
      ملاحظة: يمكن معايرة الكاميرا ذاتيا ويتم معايرتها بشكل دوري بواسطة أفراد مدربين. يتم اختيار قيمة الانبعاثية بناء على خشونة وسمك وخصائص شفافية الزجاج الذي يشكل خزان الغلاية. لذلك، تم النظر في قيمة الانبعاثية 0.95 للقياس الحراري13. وبما أن الفرق ضئيل، فإن التأثير على تقدير درجة الحرارة يكون ضئيلا ضمن نطاق تشغيل التجربة.
    3. ضع الكاميرا الحرارية على بعد حوالي 80 سم من اللوحة الغلاية.
      ملاحظة: تم النظر في القياس في 2.1.3 بناء على الحد الأدنى لمسافة تشغيل الكاميرا (0.6 متر) بسبب دقتها (140 × 140 بكسل) ومجال رؤيتها (29° × 29°)، لذلك تسمح المسافة المستخدمة بالتقاط التفاصيل الحرارية ذات الصلة دون التأثير على قياس الضغط على لوحة الغلاية.
    4. عند حمل الكاميرا الحرارية على ارتفاع حوالي 60 سم فوق الأرض، حدد موقع الكاميرا موجهة نحو لوحة الغلاية في عمود التقطير.
      ملاحظة: تم اختيار القياس في 2.1.4 بناء على ارتفاع غلاية اللوحة.
    5. اضغط زر الحفظ لتسجيل الترموغرام في ذاكرة الكاميرا الحرارية.
      ملاحظة: لأن الحالة العابرة أبطأ اعتمادا على انخفاض جهد التزويد المطبق على مقاومة التسخين، فإن الفعل في الخطوة 2.1.5. يمكن تنفيذها عند 20 إلى 30 أو 50 أو 60 ثانية لجهد 20 فولت (AC وDC).
      1. التقط كل 5 ثوان خلال العينات من 1 إلى 1500 المشار إليها على الواجهة المحلية، وكرر ذلك لجهود 20 و60 و100 فولت لكل من التيار المتردد والتيار المستمر.
      2. بالنسبة ل 100 فولت (تيار متردد وتيار مستمر)، التقط كل 10 ثوان خلال العينات من 1500 إلى 2800 المشار إليها على الواجهة المحلية، ولل 20 فولت (تيار متردد وتيار مستمر)، والتقاطها خلال فترة العينة من 1500 إلى 5500، وللتيار المتردد والمستمر 60 فولت (تيار متردد وتيار مستمر)، التقط كل 15 ثانية خلال العينات من 1500 إلى 4000.
      3. بالنسبة ل 100 فولت (AC و DC)، التقط كل 20 ثانية من العينة 2800 حتى الوصول إلى الحالة المستقرة، ولل 60 فولت (AC وDC)، والتقط كل 30 ثانية من العينة 4000 حتى الوصول إلى الحالة المستقرة، ولل 20 فولت (AC وDC)، التقط كل 20 ثانية من العينة 5500 حتى الوصول إلى الحالة المستقرة.
    6. سجل اسم الترموغرام الملتقط وقيمة عينة درجة حرارة لوحة الغلاية المعروضة في الواجهة المحلية.
  2. الحصول على بيانات درجة حرارة الألواح الجاهزة من خلال واجهة العملية المحلية.
    ملاحظة: يوضح الشكل 3D,E العملية المذكورة في 2.2 بالتفصيل.
    1. تخزين الملفات المؤقتة التي تولدها الواجهة.
    2. أعد تسمية الملفات واحفظها في مجلد العملية الحالي .
    3. اجمع ملفات .csv التي تم إنشاؤها أثناء الاختبار وأنشئ ملفا واحدا يحتوي على جميع البيانات التي تم الحصول عليها من العملية.
      ملاحظة: الواجهة تخزن بيانات العملية كل 1020 عينة، وهو ما يعادل جزءا واحدا من العملية. هذه ملفات مؤقتة يجب تخزينها للمعالجة لاحقا. 0.5 ثانية هو وقت أخذ العينة لكل عينة. البيانات الرقمية المحفوظة تتوافق مع السلوك الديناميكي للعملية الناتج عن مستشعر درجة الحرارة الذي يقيس البخار داخل الغلاية.
  3. إعداد بيانات درجة حرارة اللوحة الجاهزة والتقاط جرميات الحرارة للعملية.
    ملاحظة: الأشكال 3A، B، C، F، G تظهر العملية المذكورة في 2.3.
    1. استخرج الترموغرامات من الكاميرا الحرارية.
      ملاحظة: تظهر مخططات الحرارة توزيع درجة الحرارة الناتج عن تسخين RTD حسب الجهد المستخدم.
    2. راجع الترموغرامات وتخلص من أي غير مرغوب فيه.
    3. ضع علامة يدوية على نقطة مرجعية على الترموغرامات.
    4. أنشئ رسم بياني لنظرة عامة على درجة حرارة العملية باستخدام ملف بيانات العملية الذي تم إنشاؤه في الإصدار 2.2.3.
    5. ربط بيانات درجة حرارة الغلاية من الواجهة المحلية بمخططات الحرارة التي تم التقاطها.

3. تحليل ومعالجة الترموغرامات لعملية الألواح الزجاجية

  1. تطوير خوارزمية لمعالجة الثرموغرام.
    1. إعداد الرسوم البيانية لتصور الاتجاهات المتوسطة.
      1. قم بتحميل الصورة في متغير.
      2. حدد حجم المتجهات لمحاور الرسوم البيانية باستخدام متغير الصورة.
      3. حدد المنطقة اللازمة لاكتشاف نطاقات درجات الحرارة الدنيا والعظمى بناء على صورة التحليل.
      4. جهز الشكل للرسم البياني.
  2. معالجة الترموغرامات (الشكل 4).
    1. قم بتحميل الصورة في متغير.
    2. حدد منطقة بحث لنقطة المرجع المحددة في 2.3.3.
    3. عزل نقطة المرجع واحصل على إحداثيها.
    4. حدد منطقة التحليل باستخدام الإحداثيات في 3.2.3.
    5. حول منطقة التحليل إلى التدرج الرمادي.
    6. احسب متوسط المساحة المعرفة ب 3.2.5.
    7. عزل مناطق درجة الحرارة العظمى والأدنى في الصورة.
    8. حول الأرقام الرسومية إلى نص رقمي.
    9. حول القيم المتوسطة إلى درجات حرارة قصوى وصغرى مدرجة حسب نطاقات الصور.
    10. خزن القيم المتوسطة الكلية والتسميات.
    11. ارسم المتوسط الإجمالي للنتائج.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

النتائج من ستة اختبارات تم تطويرها باستخدام القيم المذكورة في الجدول 1. تم النظر في المعلومات الحرارية للتحليل، بالإضافة إلى البيانات التي تم الحصول عليها من خلال الواجهة المحلية.

تحليل مقارنة لجهد تيار AC-DC بجهد 100 فولت
أشارت البيانات التي تم الحصول عليها من العملية باستخدام الواجهة المحلية إلى أن قياس درجة الحرارة يختلف طوال العملية في مزود الطاقة التيار المستمر، بينما باستخدام التيار المتردد (الشكل...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الإجراء المعروض يوفر فكرة عامة عن أهمية اختيار التغذية بشكل صحيح لعملية كيميائية مثل عمود التقطير؛ ومع ذلك، هناك بعض النقاط الحرجة التي يجب معالجتها بعناية كبيرة لتجنب النتائج السلبية.

عند التقاط التصوير الحراري، من المهم التفكير في استخدام حامل ثلاثي لتحديد موقع الكاميرا. هذا يمنع الحركة العرضية أثناء التقاط الترموغرامات.

يجب تخزين أو نسخ الملفات التي تولدها الواجهة المحلية إلى الملف العام قبل حذفها، لأن ذلك قد يؤدي إلى فقدان البيا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يشكر المؤلفون برنامج الدراسات العليا في TecNM على توفير مختبراته أثناء الاختبارات، بالإضافة إلى التمويل المقدم من Secihti وTecNM.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
الكاميراFLIRi7معدات التقاط الطباعة الحرارية
مصنع التقطير التجريبيEDF-1000مصنع التقطير التجريبي
الماء المقطرالتقنية والتحكم في البيئةCAS-7732-18-5مكون الخليط
الإيثانولجي آرمكون الخليط
المقياس المتعدد حظمعدات القياس
NI myRIOالآلات الوطنية1900بطاقة جمع البيانات
مصدر الطاقةSPS1203جهد مزود الطاقة المستمر  
بايثون3.12برامج معالجة الصور
حساس درجة الحرارةPT100تم تركيب حساسات في المصنع لقياس درجة الحرارة مباشرة على بعض ألواح العمليات.
المقاومة الحراريةسانيSGH-380قيمة 73 أوم

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Heras-Cervantes, M., Anzurez-Marin, J., Téllez-Anguiano, A. D. C., García-Ramírez, M., Correa-Gómez, J. Modelling a heating-power actuator for a distillation column boiler. IEEE Int. Autumn Meet. Power Electron. Comput. (ROPEC). , https://www.proceedings.com/content/033/033329webtoc.pdf (2016).
  2. Mendoza, D. F., Riascos, C. A. M. Methodology for design, analysis and thermodynamic optimization of distillation columns with internal heat exchangers. Rev. Mex. Ing. Quím. 14 (2), 523-542 (2015).
  3. Cervantes Vallejo, F., Gómez, K., Soto, G., Navarro, C., Mendoza, H. Optimization of the heating system by electrical resistances in a rapid thermal response mold based on MSR-PSO-FEM. Rev. Int. Métod. Numér. Cálc. Dis. Ing. 35 (3), 1-12 (2019).
  4. Demurie, S. N., De Mey, G. Parasitic capacitance effects of planar resistors. IEEE Trans. Compon. Hybrids Manuf. Technol. 12 (3), 348-351 (2002).
  5. Calor y Control. Tendencias tecnológicas en las resistencias eléctricas industriales. , Calor y Control. (2025).
  6. Arneth, S., Stichlmair, J. Characteristics of thermosiphon reboilers. Int. J. Therm. Sci. 40 (4), 385-391 (2001).
  7. Pinto, F. S., Zemp, R., Jobson, M., Smith, R. Thermodynamic optimisation of distillation columns. Chem. Eng. Sci. 66 (13), 2920-2934 (2011).
  8. Goedecke, R., Scholl, S. Modelling and simulation of a pillow plate thermosiphon reboiler. Heat Mass Transf. 55 (1), 95-104 (2019).
  9. Melkikh, A., Skripov, P. Thermal conductivity of liquid mixtures: Model of the dependence on concentration. Int. J. Thermophys. 44 (2), 23(2023).
  10. Mancera-Apolinar, J. A., Mendoza, D. F., Andersson, R., Riascos, C. A. Heat and mass transfer study of top-heat-integrated distillation column (T-HIDiC) using CFD. Chem. Eng. Trans. 117, 871-876 (2025).
  11. Ränger, L. M., Halvorsen, I. J., Grützner, T., Skogestad, S. Understanding temperature profiles of distillation columns. Ind. Eng. Chem. Res. 63 (10), 4533-4546 (2024).
  12. de Azpeitia, F. I. P. P. The thermographic camera: A fascinating view of physics. Rev. Esp. Fís. 35 (2), (2021).
  13. Emissivity of common surfaces. , Fluke Process Instruments. https://www.flukeprocessinstruments.com/es/servicio-y-soporte/centro-de-conocimiento/ir/emisividad-superficies-comunes (2025).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

Infrared ThermographyThermal BehaviorPower EfficiencyDistillation ColumnAC HeatingDC HeatingThermal CameraEmissivity CorrectionJoule LossesTemperature Mapping

مقالات ذات صلة