利用红外热成像分析比较蒸馏塔中交流电与直流电加热的热行为与能效

摘要

本文对蒸馏塔锅炉内由交流电（AC）和直流电（DC）供电的加热元件的热行为和能效进行了比较研究，并根据最低温度和最高温度、热数据平均值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，用于量化工业供暖系统中的热性能。本研究利用IRT分析和比较蒸馏塔锅炉内在交流电（AC）和直流（DC）电源下的加热电阻的热行为和电能效率。实验使用蒸馏试验装置进行，该装置包括一个由交流电（60 Hz）电源供电的130瓦加热电阻，以及考虑不同电压-电流配置的等效直流电源。热动力学使用校准的中波红外相机（7.5至13微米光谱范围）捕捉，同时通过数据采集卡嵌入式系统进行电功率测量。

该方法建立了一种 通过 IRT图像量化热响应的IRT协议，允许通过发射率修正热图绘制二维温度异质性。

能效分析显示，直流电减少焦耳损耗，而交流电在长时间运行下表现出优异的热稳定性。这种IRT集成方法为优化蒸馏能源系统提供了可作的见解，并与工业电气化举措相契合。该协议可扩展用于基于红外的热电过程监测，应用于化学、制药和可再生能源领域。

引言

热交换系统是化学工程中的基本设备，用于促进两个过程流之间的热能传递，即使没有直接的物理接触。将其集成到蒸馏塔等设备中，可优化能耗、提高组分分离效率，并通过精确控制温度轮廓维持稳定工作条件^。

蒸馏塔中的动力执行器被视为热交换系统，由电阻组成，在直流（DC）和交流电（AC）中都遵循欧姆定律，建立了电压、电流和电阻之间的直接关系。然而，由于频率、阻抗以及系统的电感和电容效应，电阻使用交流电阻时的行为更为复杂。然而，它在特定工业应用中具有一定优势 ^2,3.

真实电阻的行为与其理想不同，因为物理材料可以诱导诸如寄生电感，在某些情况下还会产生寄生电容等^现象。这些效应取决于交流信号频率，通过频率值区分。在一种情况下，反应效应（感应或电容）几乎可以忽略不计;因此，电阻表现线性，几乎完全遵守欧姆定律。因此，在考虑低频时，其响应可与直流中理想电阻相媲美。

对于高频，实际电阻开始表现出感性分量，尤其是当其结构包含绕组或^长连接等元件时。在蒸馏过程中不当使用电阻器可能导致柱锅炉产生热冲击，尤其是在热虹吸效应平衡发生变化时，这种现象是由热传递与^{密度差引起的}液体自然流动相互作用所致。

锅炉内的热传递速率由加热和蒸发区的有效长度以及7号^{交换器的几何}设计决定。此外，该速率显著依赖于工作压力和蒸气含量，因为蒸发区的传热系数远高于预热区⁸。

本研究提出了交流和直流电源的比较研究，用于供给蒸馏塔内的加热电阻，评估它们对过程热效率、锅炉温度分布、能耗及蒸馏周期稳定性的影响。该厂的主要特点包括：2升锅炉板、300瓦加热电阻、底部产物提取、双螺旋冷凝器、用于蒸馏产品的L型储罐，以及开关回流阀。

方案

1. 混合物制备、本地接口工艺执行及电源启动的配置与程序

1. 锅炉内工艺中的混合物准备（见图1）。
   1. 分别在烧瓶中放入1升乙醇和1升蒸馏水。
   2. 将每个烧瓶中的内容物放入板式样板内。
   3. 确保仪器位置正确。
      1. 检查冷凝器和冷却水泵的软管连接。
      2. 检查传感器在蒸馏塔本体板上的位置。
      3. 检查冷却水泵执行器、加热电阻和回流执行器的状况。
2. 在PC和数据采集卡上执行本地接口（见图2）。
   1. 在本地电脑上，打开“蒸馏柱”软件。
   2. 将数据采集卡连接到本地电脑。
   3. 验证数据采集卡与本地电脑之间的通信。
      1. 验证弹窗中的物品。
   4. 选择用于本地界面的混合物。
   5. 通过点击 开始 按钮，从本地界面启动进程。
      1. 确认本地PC每个接口窗口中本地传感器的信息接收情况。
         注意：虽然实验仅限于乙醇和水的二元混合物，但界面允许观察不同混合物。由于RTD与液体之间的热传递取决于一般热性质，如热容和导热率，可以推测所采用的方法依赖实验数据定义热行为，在受控条件下适用于其他混合物。这一方法得到了对蒸馏塔动态建模理想二元混合物^9、10、11的研究支持。
3. 为交流或直流电源准备供热电阻。
   1. 使用万用表作为电压表，根据情况设定电源前面板的输出电压值（交流或直流）。配置好后，关闭电源。
   2. 将电压电源连接到安装在锅炉板上的电阻温度计。
   3. 通过打开电源来给加热电阻通电。
   4. 验证本地接口的电流和电压监测。
      注： 表1 表示实验中使用的交流和直流电压和电流值。

2. 在工艺锅炉板上设置、获取和分析热成像和温度数据

1. 使用工艺中锅炉板热成像相机设置和获取热图。
   注：实验中，作时间和测量时间为下午1点至3点，实验室内环境温度为22°至24.5°C。
   1. 在热成像相机菜单中选择 铁 色调色板。
   2. 在 热成像相机 菜单中将发射率修正值设置为0.95。
      注意：相机可自我校准，并由受过培训的人员定期校准。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¹³的发射率值被考虑为0.95。由于差异很小，在实验运行范围内对温度估计的影响可以忽略不计。
   3. 将热成像相机距离锅炉板约80厘米。
      注意：2.1.3 中的测量基于相机的最小工作距离（0.6 米），这是由于其分辨率（140 x 140 像素）和视场（29° x 29°）¹² 所用，因此所用距离可以在不影响锅炉板压力测量的情况下捕捉相关热成像细节。
   4. 将热成像相机置于距地面约60厘米处，将相机指向蒸馏塔的锅炉板。
      注：2.1.4中的测量是基于板式锅炉的高度选择的。
   5. 按下 保存 按钮，将热成像记录到热成像相机的记忆中。
      注意：由于瞬态会根据施加给加热电阻的电源电压降低而变慢，步骤2.1.5中的作用。对于20伏（交流和直流）可以以20到30、50或60秒执行。
      1. 在本地接口指示的1至1500个样本间每5秒捕获一次，重复20、60和100V交流和直流电压。
      2. 对于100 V（交流和直流），在本地接口指示的样本1500至2800期间每10秒捕获一次;对于20 V（交流和直流），在采样间隔1500至5500期间采集一次;对于60 V（交流和直流），在样本1500至4000之间每15秒捕获一次。
      3. 对于100 V（交流和直流），从样品2800中每20秒采集一次直到达到稳态;对于60 V（交流和直流），从样品4000中每30秒采集一次直到达到稳态;对于20 V（交流和直流），从样品5500中每20秒采集一次直到达到稳态。
   6. 记录捕获热图的名称以及在局部界面显示的样板温度样品的数值。
2. 通过局部工艺界面获取样板温度数据。
   注意：图3D，E详细展示了2.2中提到的过程。
   1. 存储由接口生成的临时文件。
   2. 将文件重新命名并保存到 当前进程 文件夹中。
   3. 收集测试过程中生成的.csv文件，生成一个包含过程所有数据的单一文件。
      注意：该接口每1020个采样存储一次工艺数据，相当于工艺的一个部分。这些是临时文件，必须存储以备后处理。0.5秒是每个采样时间。保存的数值数据对应于由温度传感器测量锅炉内部蒸汽产生的过程动态行为。
3. 准备锅炉板温度数据和采集的工艺热图。
   注： 图3A、B、C、F、G 显示了2.3中提到的过程。
   1. 从热成像相机提取热成像。
      注意：热图显示了RTD加热根据所用电压产生的温度分布。
   2. 检查热成像图，丢弃不需要的。
   3. 手动在热成像上标记一个参考点。
   4. 使用2.2.3中生成的工艺数据文件创建过程温度概览图。
   5. 将锅炉本地接口的温度数据与捕获的过程热图相关联。

3. 锅炉板工艺中热图的分析与处理

1. 热图处理算法的开发。
   1. 用于可视化平均趋势的图表。
      1. 把图片加载到一个变量里。
      2. 用图像变量定义图轴向量的大小。
      3. 根据分析图像定义用于探测最低和最高温度范围的区域。
      4. 准备图形绘制。
2. 热图处理（见图4）。
   1. 把图片加载到一个变量里。
   2. 定义2.3.3中标记的参考点的搜索区域。
   3. 隔离参考点并获得其坐标。
   4. 请使用3.2.3中的坐标标明分析区域。
   5. 将分析区域转换为灰度。
   6. 计算由3.2.5定义的面积的平均值。
   7. 隔离图像中的最高温度和最低温度区域。
   8. 将图形数字转换为数字文本。
   9. 根据图像范围将平均值转换为比例最高的和最低温度。
   10. 存储总平均值和标签。
   11. 绘制总平均结果。

结果

结果来自六个基于 表1中数值开发的测试。分析时考虑了热信息以及通过本地界面获得的数据。

100 V 交流-直流电源电压的比较分析
通过局部接口获得的过程数据表明，对于直流电源，温度测量在整个过程中变化，而使用交流电（见图5A）时，测量更为稳定。

值得注意的是，两种情况下达到瞬态的时间相同（约6000个样本）。然而，锅炉板内部的热演变存在变化，这可见 图6A （VDC）和 图6C （VAC）。

通过测量每个热图的最低和最高温度值，观察温度最高和最低的点。此外，还获得了热数据的平均值，以观察感兴趣区域的平均温度。最后，获得了变异系数，以比较不同区域间的离散情况...

讨论

所展示的程序大致说明了正确选择化学工艺（如蒸馏塔）进料的重要性;然而，这一过程存在一些关键点，必须格外谨慎处理，以避免不利的结果。

拍摄热图时，考虑使用三脚架定位相机非常重要。这样可以防止在采集热图时意外移动。

本地接口生成的文件必须先存储或复制到通用文件后再删除，否则可能导致数据丢失。

需要考虑每个热图中显示的温度范围，因为这可能导致锅炉板加热增加的趋势丧失。

为了检测每幅图像中的温度范围（如3.2.7所述），定义完全可见的数值检测区极为重要。设计过程中观察到，如果不考虑该区域，会产生与热图不同值的数值。

在所展示的热图分析中，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变化，如 图12所示。作者们对这一变化有所了...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
相机	FLIR	i7	热图捕获设备
蒸馏中试工厂		地球防卫军-1000	蒸馏中试工厂
蒸馏水	Tecnologia y control ambiental	CAS-7732-18-5	混合分量
乙醇	JR		混合分量
万用表	偶然		测量设备
NI myRIO	国家仪器	1900	数据采集卡
电源		SPS1203	直流电源电压
蟒蛇		3.12	图像处理软件
温度传感器		PT100	工厂内安装了传感器，用于部分工艺板上的直接温度测量。
热阻	桑尼	SGH-380	73欧姆值