Thermisches Verhalten und Leistungseffizienzvergleich von Wechselstrom- und Gleichstromheizung in einer Destillationssäule mittels Infrarot-Thermografie-Analyse

Summary

Dieser Artikel präsentiert eine vergleichende Studie zum thermischen Verhalten und der Energieeffizienz eines Heizelements in einem Destillationssäulenkessel, das von Wechselstrom (Wechselstrom) und Gleichstrom (DC) betrieben wird, wobei seine Leistung anhand statistischer Ergebnisse wie Minimal- und Maximaltemperatur, des Mittelwerts der thermischen Daten und des Variationskoeffizienten bewertet wird.

Abstract

Die Infrarot-Thermographie (IRT) ist eine weit verbreitete kontaktlose Technik zur Quantifizierung der thermischen Leistung in industriellen Heizsystemen. Diese Studie verwendet IRT, um das thermische Verhalten und die elektrische Leistungseffizienz eines Heizwiderstands in einem Destillationssäulenkessel unter Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC) zu analysieren und zu vergleichen. Experimente wurden mit einer Destillationspilotanlage durchgeführt, die einen 130-W-Heizwiderstand mit einer Wechselstromquelle (60 Hz) und eine äquivalente Gleichstromquelle unter Berücksichtigung verschiedener Spannungs-Strom-Konfigurationen umfasste. Die thermische Dynamik wurde mit einer kalibrierten Mittelwellen-IR-Kamera (7,5 bis 13 μm Spektralbereich) parallel zu elektrischen Leistungsmessungen aus einem Datenerfassungskarten-eingebetteten System erfasst.

Die vorgeschlagene Methodik etabliert ein IRT-Protokoll zur Quantifizierung thermischer Antworten anhand von IRT-Bildern, das die Kartierung der 2D-Temperaturheterogenität durch emissivitätskorrigierte Thermogramme ermöglicht.

Energieeffizienzanalysen zeigten, dass Gleichstrom die Joule-Verluste reduzierte, während Wechselstrom bei längerem Betrieb eine überlegene thermische Stabilität zeigte. Dieser IRT-integrierte Ansatz liefert umsetzbare Erkenntnisse zur Optimierung von Destillationsenergiesystemen und steht im Einklang mit industriellen Elektrifizierungsinitiativen. Das Protokoll ist skalierbar für infrarotbasierte Überwachung thermoelektrischer Prozesse in chemischen, pharmazeutischen und erneuerbaren Energieanwendungen.

Introduction

Wärmetauschsysteme sind grundlegende Bauelemente im Chemieingenieurwesen, die verwendet werden, um den Transfer von thermischer Energie zwischen zwei Prozessströmen zu erleichtern, auch ohne direkten physischen Kontakt. Ihre Integration in Geräte wie Destillationssäulen ermöglicht die Optimierung des Energieverbrauchs, die Verbesserung der Effizienz der Komponententrennung und die Aufrechterhaltung stabiler Betriebsbedingungen durch präzise Steuerung der Temperaturprofile¹.

Ein Leistungsaktuator in einer Destillationssäule wird als Wärmetauschsystem betrachtet, das aus einem elektrischen Widerstand besteht, der sowohl im Gleichstrom (DC) als auch im Wechselstrom (AC) dem Ohmschen Gesetz folgt und eine direkte Beziehung zwischen Spannung, Strom und Widerstand herstellt. Das Verhalten des Widerstands bei der Verwendung von Wechselstrom ist jedoch aufgrund des Einflusses von Frequenz, Impedanz sowie den induktiven und kapazitiven Effekten des Systems komplexer. Es bietet jedoch bestimmte Vorteile in spezifischen industriellen Anwendungen ^2,3.

Das Verhalten eines realen Widerstands unterscheidet sich von seinem Ideal, da physikalische Materialien Phänomene wie parasitäre Induktivität und in bestimmten Fällen parasitäre Kapazität⁴ induzieren können. Diese Effekte hängen von der Frequenz des Wechselstromsignals ab und werden durch Frequenzwerte unterschieden. In einem Fall sind die reaktiven Effekte (induktiv oder kapazitiv) praktisch vernachlässigbar; daher verhält sich der Widerstand linear und folgt dem Ohmschen Gesetz nahezu perfekt. Daher ist seine Antwort vergleichbar mit der eines idealen Widerstands im Gleichstrom, wenn man niedrige Frequenzen betrachtet.

Bei hohen Frequenzen beginnt der tatsächliche Widerstand, eine induktive Komponente zu zeigen, insbesondere wenn seine Konstruktion Elemente wie Wicklungen oder lange Verbindungen^umfasst. Der unsachgemäße Einsatz elektrischer Widerstände in Destillationsprozessen kann thermische Schocks im Säulenkessel verursachen, insbesondere wenn das Gleichgewicht des Thermosiphoneffekts verändert wird – ein Phänomen, das durch die Wechselwirkung zwischen Wärmeübertragung und dem natürlichen Fluss der Flüssigkeit durch Dichteunterschiede⁶ verursacht wird.

Die Wärmeübertragungsrate im Kessel wird durch die effektive Länge der Heiz- und Verdampfungszonen sowie durch das geometrische Design des Wärmetauschers⁷ bestimmt. Darüber hinaus hängt diese Geschwindigkeit stark vom Betriebsdruck und Dampfgehalt ab, da der Wärmeübertragungskoeffizient in der Verdunstungszone deutlich höher ist als in der Vorwärmzone⁸.

Diese Arbeit schlägt eine vergleichende Studie zwischen Wechselstrom- und Gleichstromversorgungen vor, um einen Heizwiderstand in einer Destillationssäule zu speisen, deren Einfluss auf den thermischen Wirkungsgrad des Prozesses, das Temperaturprofil im Kessel, den Energieverbrauch und die Stabilität während des Destillationszyklus zu bewerten. Die Hauptmerkmale der Anlage sind: eine 2-Liter-Kesselplatte, ein 300-W-Heizwiderstand, Bodenproduktextraktion, ein doppelter Spiralkondensator, ein L-Reservoirtank für destillierte Produkte und ein Ein- und Aus-Refluxventil.

Protocol

1. Konfiguration und Verfahren zur Mischungsvorbereitung, Prozessausführung an der lokalen Schnittstelle und Start der Stromversorgung

1. Zubereitung des für den Prozess im Kessel verwendeten Gemisch (Abbildung 1).
   1. Geben Sie 1 Liter Ethanol und 1 Liter destilliertes Wasser in separate Flaschen.
   2. Platzieren Sie den Inhalt jedes Kolbens in die Kesselplatte der Platte.
   3. Stellen Sie sicher, dass die Instrumentierung korrekt positioniert ist.
      1. Überprüfe die Leitungen des Kondensators von der Kühlwasserpumpe.
      2. Überprüfen Sie die Platzierung der Sensoren auf den Platten des Destillationssäulenkörpers.
      3. Überprüfen Sie die Zustände der Kühlwasserpumpe-Aktuatoren, des Heizwiderstands und des Reflux-Aktuators.
2. Führen Sie die lokale Schnittstelle auf dem PC und der Datenerfassungskarte aus (Abbildung 2).
   1. Auf dem lokalen PC öffnen Sie die Software "Destillationssäule".
   2. Verbinden Sie die Datenerfassungskarte mit dem lokalen PC.
   3. Überprüfen Sie die Kommunikation zwischen der Datenerfassungskarte und dem lokalen PC.
      1. Validiere die Gegenstände im Pop-up-Fenster.
   4. Wählen Sie die Mischung aus, die in der lokalen Schnittstelle verwendet werden soll.
   5. Starte den Prozess über die lokale Schnittstelle, indem du auf die Start-Schaltfläche klickst.
      1. Überprüfen Sie den Empfang von Informationen von lokalen Sensoren in jedem der Schnittstellenfenster des lokalen PCs.
         HINWEIS: Obwohl das Experiment auf eine binäre Mischung aus Ethanol und Wasser beschränkt ist, ermöglicht die Grenzfläche die Beobachtung verschiedener Gemische. Da der Wärmetransfer zwischen RTD und Flüssigkeit von allgemeinen thermischen Eigenschaften wie Wärmekapazität und Leitfähigkeit abhängt, kann angenommen werden, dass die verwendete Methodik, die auf experimentellen Daten zur Definition des thermischen Verhaltens basiert, auch für andere Gemische unter kontrollierten Bedingungen gültig ist. Dieser Ansatz wird durch Studien an Destillationssäulen unterstützt, die ideale binäre Gemische ^9,10,11 dynamisch modellieren.
3. Ich bereite Wechselstrom- oder Gleichstromversorgung vor, um den Heizwiderstand zu versorgen.
   1. Mit einem Multimeter als Voltmeter wird der Ausgangsspannungswert von der Frontplatte des Netzteils entsprechend eingestellt (Wechselstrom oder Gleichstrom). Nach der Konfiguration schalten Sie die Stromversorgung aus.
   2. Verbinden Sie die Spannungsversorgung mit dem Widerstandsthermometer, das in der Kesselplatte installiert ist.
   3. Heizen Sie den Heizwiderstand, indem Sie das Netzteil einschalten.
   4. Überprüfe die Strom- und Spannungsüberwachung an der lokalen Schnittstelle.
      HINWEIS: Tabelle 1 zeigt die für das Experiment verwendeten Spannungs- und Stromwerte sowohl für Wechselstrom als auch für Gleichstrom.

2. Aufbau, Erfassung und Analyse von Thermogrammen und Temperaturdaten auf der In-Process-Kesselplatte

1. Aufbau und Erfassung von Thermogrammen mit der Thermokamera im Verfahren betrieben.
   HINWEIS: Für das Experiment wurden Betriebszeiten und Messungen von 13 bis 15 Uhr durchgeführt, bei der Umgebungstemperatur im Labor zwischen 22° und 24,5 °C lag.
   1. Wählen Sie die Farbpalette Iron aus dem Thermalkameramenü.
   2. Stellen Sie den Wert der Emissivitätskorrektur im Menü der Wärmebildkamera auf 0,95 ein.
      HINWEIS: Die Kamera kann selbst kalibriert werden und wird regelmäßig von geschultem Personal kalibriert. Der Emissivitätswert wird anhand der Rauheit, Dicke und Transparenz des Glases gewählt, aus dem der Kesseltank besteht. Daher wurde für die thermische Messung¹³ ein Emissivitätswert von 0,95 berücksichtigt. Da der Unterschied minimal ist, ist der Einfluss auf die Temperaturschätzung innerhalb des Betriebsbereichs des Experiments vernachlässigbar.
   3. Positioniere die Wärmebildkamera etwa 80 cm von der Kesselplatte entfernt.
      HINWEIS: Die Messung in 2.1.3 basierte auf dem minimalen Betriebsabstand der Kamera (0,6 m) aufgrund ihrer Auflösung (140 x 140 Pixel) und des Sichtfelds (29° x 29°⁾¹², daher ermöglicht die verwendete Entfernung die Erfassung relevanter thermischer Details, ohne die Druckmessung auf der Kesselplatte zu beeinträchtigen.
   4. Halten Sie die Wärmebildkamera etwa 60 cm über dem Boden und richten Sie die Kamera auf die Kesselplatte in der Destillationssäule.
      HINWEIS: Die Maßung in 2.1.4 wurde anhand der Höhe des Plattenkessels ausgewählt.
   5. Drücken Sie die Speichertaste , um das Thermogramm in den Speicher der Wärmebildkamera aufzunehmen.
      HINWEIS: Da der transiente Zustand langsamer ist, abhängig von der Abnahme der an den Heizwiderstand angelegten Versorgungsspannung, ist die Wirkung in Schritt 2.1.5. kann bei 20 bis 30, 50 oder 60 Sekunden für 20 V (Wechselstrom und Gleichstrom) gespielt werden.
      1. Alle 5 Sekunden während der Samples 1 bis 1500, die an der lokalen Schnittstelle angezeigt sind, wiederholen Sie dies für 20, 60 und 100 V sowohl für Wechselstrom als auch Gleichstrom.
      2. Für 100 V (AC und DC) wird alle 10 Sekunden während der Proben 1500 bis 2800 auf der lokalen Schnittstelle aufgenommen, für 20 V (AC und DC), während des Abtastintervalls 1500 bis 5500 und bei 60 V (AC und DC) alle 15 Sekunden während der Samples von 1500 bis 4000 aufgenommen.
      3. Für 100 V (AC und DC) werden alle 20 Sekunden von Stichprobe 2800 bis zum stationären Zustand aufgenommen, für 60 V (AC und DC), alle 30 Sekunden von Stichprobe 4000 bis zum stationären Zustand aufgenommen, und für 20 V (AC und DC) alle 20 Sekunden von Probe 5500 bis zum stationären Zustand.
   6. Erfassen Sie den Namen des aufgenommenen Thermogramms und den Wert der Boilerplate-Temperaturprobe, die in der lokalen Schnittstelle angezeigt wird.
2. Erfassung von Boilerplate-Temperaturdaten über die lokale Prozessschnittstelle.
   HINWEIS: Abbildung 3D, E zeigt den in 2.2 erwähnten Prozess im Detail.
   1. Speichere die temporären Dateien, die von der Schnittstelle generiert werden.
   2. Umbennen und speichern Sie die Dateien im aktuellen Prozessordner .
   3. Sammeln Sie die während des Tests erzeugten .csv Dateien und erstellen Sie eine einzelne Datei mit allen aus dem Prozess gewonnenen Daten.
      HINWEIS: Die Schnittstelle speichert Prozessdaten alle 1020 Proben, was einem Abschnitt des Prozesses entspricht. Dies sind temporäre Dateien, die für die spätere Verarbeitung gespeichert werden müssen. 0,5 s ist die Abtastzeit für jede Probe. Die gespeicherten numerischen Daten entsprechen dem dynamischen Verhalten des Prozesses, der von einem Temperatursensor erzeugt wird, der den Dampf im Kessel misst.
3. Erstellung von Temperaturdaten der Kesselplatte und erfassten Prozessthermogrammen.
   HINWEIS: Die Abbildungen 3A, B, C, F, G zeigen den in 2.3 erwähnten Prozess.
   1. Thermogramme aus der Wärmebildkamera extrahieren.
      HINWEIS: Die Thermogramme zeigen die Temperaturverteilung, die durch die RTD-Erhitzung entsprechend der verwendeten Spannung entsteht.
   2. Überprüfen Sie die Thermogramme und werfen Sie alle unerwünschten weg.
   3. Markiere manuell einen Bezugspunkt auf den Thermogrammen.
   4. Erstellen Sie den Prozesstemperatur-Übersichtsgraphen mit der in 2.2.3 generierten Prozessdatendatei.
   5. Beziehen Sie die Kesseltemperaturdaten von der lokalen Schnittstelle auf die erfassten Prozessthermogramme.

3. Analyse und Verarbeitung von Thermogrammen für das Kesselplattenverfahren

1. Entwicklung eines Algorithmus zur Thermogrammverarbeitung.
   1. Erstellung von Diagrammen zur Darstellung von Durchschnittstrends.
      1. Lade das Bild in eine Variable.
      2. Definiere die Größe der Vektoren für die Graphachsen mit der Bildvariable.
      3. Definieren Sie den Bereich zur Erkennung von Mindest- und Maximaltemperaturbereichen anhand des Analysebildes.
      4. Bereite die Abbildung für das Diagrammzeichnen vor.
2. Verarbeitung von Thermogrammen (Abbildung 4).
   1. Lade das Bild in eine Variable.
   2. Definieren Sie einen Suchbereich für den in 2.3.3 markierten Referenzpunkt.
   3. Isolieren Sie den Referenzpunkt und erhalten Sie seine Koordinate.
   4. Geben Sie das Analysegebiet anhand der Koordinaten in 3.2.3 an.
   5. Konvertiere den Analysebereich in Graustufen.
   6. Berechnen Sie den Mittelwert der durch 3.2.5 definierten Fläche.
   7. Isolieren Sie die Bereiche mit maximaler und niedriger Temperatur im Bild.
   8. Wandeln Sie die grafischen Zahlen in numerischen Text um.
   9. Rechnen Sie die Mittelwerte entsprechend den Bildbereichen in skalierte Maximal- und Minimaltemperaturen um.
   10. Speichern Sie die Gesamtmittelwerte und Bezeichnungen.
   11. Zeichnen Sie die Gesamtmittelwerte.

Results

Die Ergebnisse stammen aus sechs Tests, die mit den in Tabelle 1 genannten Werten entwickelt wurden. Für die Analyse wurden thermische Informationen berücksichtigt, ebenso wie Daten, die über die lokale Schnittstelle gewonnen wurden.

Vergleichende Analyse für eine 100 V AC-DC-Versorgungsspannung
Die vom Prozess über die lokale Schnittstelle gewonnenen Daten zeigten, dass bei einer Gleichstromversorgung die Temperaturmessung...

Discussion

Das dargestellte Verfahren vermittelt eine allgemeine Vorstellung von der Bedeutung der richtigen Auswahl des Futters für einen chemischen Prozess wie eine Destillationssäule; Der Prozess hat jedoch einige kritische Punkte, die mit großer Sorgfalt behandelt werden müssen, um ungünstige Ergebnisse zu vermeiden.

Bei der Aufnahme von Thermogrammen ist es wichtig, ein Stativ zur Lokalisierung der Kamera zu verwenden. Dies verhindert versehentliche Bewegungen beim ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Kamera	FLIR	i7	Thermogrammerfassungsausrüstung
Destillations-Pilotanlage		EDF-1000	Destillations-Pilotanlage
Destilliertes Wasser	Tecnologia y control ambiental	CAS-7732-18-5	Mischungskomponente
Ethanol	JR		Mischungskomponente
Multimeter	FLUKE		Messgeräte
NI myRIO	Nationale Instrumente	1900	Datenerfassungskarte
Stromversorgung		SPS1203	Gleichstromversorgungsspannung
Python		3.12	Software zur Bildverarbeitung
Temperatursensor		PT100	Sensoren sind in der Anlage für direkte Temperaturmessungen auf einigen Prozessplatten installiert.
Thermischer Widerstand	Sunny	SGH-380	73-Ohm-Wert