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方法文章

交流与直流电加热在蒸馏塔中的热行为及功率效率比较：基于红外热成像分析

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DOI：

10.3791/69373

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2025年12月5日

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

本文内容

摘要

本文对蒸馏柱锅炉中由交流电（AC）和直流电（DC）驱动的加热元件的热行为和能效进行了比较研究，通过最小温度、最大温度、热数据均值以及变异系数等统计结果评估其性能。

摘要

红外热成像（IRT）是一种广泛使用的非接触式技术，用于量化工业加热系统中的热性能。本研究采用 IRT 分析并比较在交流（AC）和直流（DC）电源供电下，蒸馏塔锅炉内加热电阻器的热行为及电能效率。实验在一套蒸馏中试装置上进行，该装置包含一个130 W的加热电阻器，分别由交流电源（60 Hz）和等效的直流电源供电，并考虑了不同的电压-电流配置。热动态过程通过一台经过校准的中波红外相机（光谱范围7.5至13 µm）进行捕捉，同时利用嵌入式数据采集卡系统同步记录电功率数据。

所提出的实验方法建立了一种用于量化热响应的红外热成像（IRT）方案 通过 IRT 图像，通过发射率校正的热成像图实现二维温度异质性的映射。

能效分析表明，直流电可降低焦耳损耗，而交流电在长时间运行中表现出更优的热稳定性。这种集成红外热成像的方法为优化蒸馏能源系统提供了可操作的见解，并符合工业电气化倡议。该方案可扩展用于化学、制药及可再生能源应用中基于红外的热电过程监测。

引言

换热系统是化学工程中的基础设备，用于促进两个工艺物流之间的热能传递，即使两者没有直接物理接触也能实现。将换热系统集成到精馏塔等设备中，可通过精确控制温度分布来优化能耗、提高组分分离效率，并维持稳定的运行条件1。

蒸馏塔中的动力执行器被视为一种换热系统，该系统由一个电阻元件构成，在直流（DC）和交流（AC）条件下均遵循欧姆定律，建立起电压、电流与电阻之间的直接关系。然而，当使用交流电时，由于频率、阻抗以及系统中电感和电容效应的影响，电阻的行为更为复杂。尽管如此，它在某些特定的工业应用中仍具有优势2,3。

实际电阻器的行为与其理想情况不同，因为物理材料可能引入寄生电感等现象，在某些情况下还可能引入寄生电容4。这些效应取决于交流信号的频率，并可通过频率值加以区分。在某些情况下，电抗效应（电感性或电容性）实际上可以忽略不计；因此，电阻器呈线性行为，并几乎完全遵循欧姆定律。因此，在考虑低频时，其响应与直流电路中使用的理想电阻器相似。

对于高频情况，实际电阻开始表现出感性分量，特别是当其结构包含绕组或长导线连接等元件时5。在蒸馏过程中不当使用电阻器可能导致精馏柱加热釜产生热冲击，尤其是在热虹吸效应的平衡被破坏时，该现象是由于传热与由密度差异引起的液体自然流动之间相互作用所致6。

锅炉中的传热速率由加热区和蒸发区的有效长度以及换热器的几何设计决定7。此外，该速率在很大程度上取决于运行压力和蒸汽含量，因为蒸发区的传热系数明显高于预热区8。

本研究提出了一种交流电源与直流电源的对比实验，用于为蒸馏塔内的加热电阻丝供电，评估两种电源对过程热效率、再沸器温度分布、能耗以及蒸馏循环期间稳定性的影响。装置的主要特征包括：2 L的再沸器、300 W的加热电阻丝、塔底产物采出、双螺旋冷凝器、用于收集蒸馏产物的L型储液罐，以及开关式回流阀。

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方案

1. 混合物制备、通过本地界面执行流程及电源启动的配置与操作步骤

  1. 在锅炉内准备用于该过程的混合液（图1）。
    1. 将1 L乙醇和1 L蒸馏水分别放入不同的烧瓶中。
    2. 将各烧瓶中的内容物倒入板式锅炉的加热板中。
    3. 确保仪器正确就位。
      1. 检查冷凝器上来自冷却水泵的软管连接。
      2. 检查蒸馏柱本体各塔板上传感器的安装位置。
      3. 检查冷却水泵执行器、加热电阻和回流执行器的工作状态。
  2. 在PC上运行本地界面并连接数据采集卡（图2）。
    1. 在本地PC上，打开"distillation column"软件。
    2. 将数据采集卡连接至本地PC。
    3. 验证数据采集卡与本地PC之间的通信。
      1. 确认弹出窗口中的各项内容。
    4. 在本地界面中选择将要使用的混合液。
    5. 通过点击启动按钮，从本地界面启动过程。
      1. 验证本地PC各界面窗口中是否接收到本地传感器的信息。
        注：尽管本实验仅限于乙醇和水的二元混合物，但该界面允许观察其他不同混合物。由于RTD与液体之间的传热依赖于比热容和导热系数等总体热力学性质，因此可以认为，基于实验数据定义热行为的所用方法在受控条件下也适用于其他混合物。这一观点得到了关于蒸馏柱动态建模理想二元混合物研究的支持9,10,11。
  3. 准备交流或直流电源以供电给加热电阻。
    1. 使用万用表作为电压表，根据需要（交流或直流）在电源前面板上设定输出电压值。配置完成后，关闭电源。
    2. 将电压源连接至安装在锅炉加热板中的电阻温度计。
    3. 开启电源，使加热电阻通电。
    4. 通过本地界面验证电流和电压的监测情况。
      注：表1列出了实验中交流和直流电源所使用的电压和电流值。

2. 在运行中的样板锅炉上进行热成像图和温度数据的设置、采集与分析

  1. 使用在线锅炉板热像仪设置并采集热图像。
    注意：实验在下午1至3点之间进行操作和测量，此时实验室内的环境温度为22°C至24.5°C。
    1. 从热像仪菜单中选择铁红色谱。
    2. 在热像仪菜单中将发射率校正值设为0.95。
      注意：该热像仪可自行校准，并由经过培训的人员定期进行校准。发射率值的选择基于构成锅炉罐的玻璃的粗糙度、厚度和透明度特性。因此，热测量采用0.95的发射率值13。由于差异极小，在实验运行范围内对温度估算的影响可忽略不计。
    3. 将热像仪放置在距离锅炉板约80 cm的位置。
      注意：步骤2.1.3中的测量距离是根据热像仪的最小工作距离（0.6 m）确定的，该距离受限于其分辨率（140 × 140像素）和视场角（29° × 29°）12，因此所选距离可在不影响锅炉板压力测量的前提下捕捉到关键的热细节。
    4. 将热像仪保持在距地面约60 cm的高度，使其对准蒸馏柱中的锅炉板。
      注意：步骤2.1.4中的测量位置是根据锅炉板的高度确定的。
    5. 按下保存按钮，将热图像记录到热像仪的存储器中。
      注意：由于瞬态过程的持续时间随施加于加热电阻的供电电压降低而变慢，因此步骤2.1.5的操作可在20 V（交流和直流）条件下每隔20至30秒、50秒或60秒执行一次。
      1. 在本地界面显示的样本1至1500期间，每5秒采集一次，对20 V、60 V和100 V的交流与直流条件重复此操作。
      2. 对于100 V（交流和直流），在本地界面显示的样本1500至2800期间每10秒采集一次；对于20 V（交流和直流），在样本1500至5500期间采集；对于60 V（交流和直流），在样本1500至4000期间每15秒采集一次。
      3. 对于100 V（交流和直流），从样本2800开始每20秒采集一次，直至达到稳态；对于60 V（交流和直流），从样本4000开始每30秒采集一次，直至达到稳态；对于20 V（交流和直流），从样本5500开始每20秒采集一次，直至达到稳态。
    6. 记录所捕获热图像的名称以及本地界面中显示的锅炉板温度样本值。
  2. 通过本地过程界面采集锅炉板温度数据。
    注意：图3D、E详细展示了步骤2.2中所述的过程。
    1. 存储由界面生成的临时文件。
    2. 将文件重命名并保存至当前过程文件夹中。
    3. 收集测试期间生成的.csv文件，并整合生成一个包含所有过程数据的单一文件。
      注意：界面每1020个样本存储一次过程数据，相当于过程的一个区段。这些是必须保存以供后续处理的临时文件。每个样本的采样时间为0.5秒。所保存的数值数据对应于由温度传感器测量锅炉内部蒸汽所产生的过程动态行为。
  3. 准备锅炉板温度数据及采集到的过程热图像。
    注意：图3A、B、C、F、G展示了步骤2.3中所述的过程。
    1. 从热像仪中导出热图像。
      注意：热图像显示了根据所用电压下RTD加热所产生的温度分布。
    2. 检查热图像，并剔除任何不需要的图像。
    3. 在热图像上手动标记一个参考点。
    4. 使用步骤2.2.3中生成的过程数据文件创建过程温度概览图。
    5. 将本地界面获取的锅炉温度数据与采集到的过程热图像相关联。

3. 锅炉板工艺热成像图的分析与处理

  1. 开发热成像图处理算法。
    1. 准备用于可视化平均趋势的图表。
      1. 将图像加载到变量中。
      2. 利用图像变量定义图表坐标轴向量的大小。
      3. 基于分析图像，定义用于检测最低和最高温度范围的区域。
      4. 准备绘图用的图形。
  2. 处理热成像图（图4）。
    1. 将图像加载到变量中。
    2. 定义用于标记在2.3.3中参考点的搜索区域。
    3. 分离参考点并获取其坐标。
    4. 使用3.2.3中的坐标标示分析区域。
    5. 将分析区域转换为灰度图像。
    6. 计算由3.2.5定义区域的平均值。
    7. 在图像中分离出最高温和最低温区域。
    8. 将图形中的数值转换为数字文本。
    9. 根据图像的温度范围，将平均值转换为对应比例的最高和最低温度。
    10. 存储总的平均值及其标签。
    11. 绘制总平均值结果图。

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结果

结果来自根据表1中所述数值开发的六项测试。分析时考虑了热信息以及通过本地接口获得的数据。

100 V 交流-直流供电电压的比较分析
通过本地接口获取的数据显示，在使用直流电源供电时，温度测量值在整个过程中存在波动；而使用交流电时（图5A），测量结果更为稳定。

值得注意的是，两种情况下达到瞬态所需的时间相同（约6000个样本）。然而，锅炉板内的热演化过程存在差异，在图6A（VDC）和图6C（VAC）中可以观察到这一现象。

获取每张热成像图的最低和最高温度值，以观察温度最高和最低的点。此外，获取热数据的平均值，以观察感兴趣区域的平均温度。最后，计算变异系数，以比较不同区域之间的离散程度。各热成像图孤立区域的统计结果（

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讨论

本文所述方法概述了在化学过程（如精馏塔）中正确选择进料的重要性；然而，该过程存在一些关键环节，必须谨慎处理，以避免产生不利结果。

拍摄热成像图时，应考虑使用三脚架固定相机，以防止拍摄过程中发生意外移动。

由本地接口生成的文件在删除前必须先存储或复制到通用文件中，否则可能导致数据丢失。

在分析每个热成像图时，必须考虑其所呈现的温度范围，因为这可能导致无法观察到加热板温度持续升高的趋势。

为了检测每幅图像中的温度范围（如3.2.7节所述），必须明确定义完全可见的数值检测区域。在设计过程中发现，若不考虑该区域，可能导致测得的数值与热成像图中显示的数值不同。

在所呈现的热分析图谱分析中，可以观察到一个光标；在平均值分析中，该光标在图形响应中表现为温度的变化，如图12所示。作者已注意到这一变化，因此在测试过程中已...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢TecNM研究生项目在测试期间提供其实验室，以及Secihti和TecNM提供的资金支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
相机FLIRi7热成像采集设备
蒸馏中试装置EDF-1000蒸馏中试装置
蒸馏水Tecnologia y control ambientalCAS-7732-18-5混合物组分
乙醇JR混合物组分
万用表 FLUKE测量设备
NI myRIONational Instruments1900数据采集卡
电源SPS1203直流电源电压 
Python3.12图像处理软件
温度传感器PT100安装在装置上的传感器，用于对部分工艺塔板进行直接温度测量。
加热电阻SunnySGH-38073 欧姆阻值

参考文献

  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).

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