Comparación de comportamiento térmico y eficiencia energética de la calefacción eléctrica de CA vs. CC en una columna de destilación mediante análisis de termografía infrarroja

Resumen

Este artículo presenta un estudio comparativo sobre el comportamiento térmico y la eficiencia energética de un elemento calefactor dentro de una caldera de columna de destilación, alimentada por corriente alterna (CA) y corriente continua (CC), evaluando su rendimiento a partir de resultados estadísticos como la temperatura mínima y máxima, la media de los datos térmicos y el coeficiente de variación.

Resumen

La termografía infrarroja (TIR) es una técnica sin contacto ampliamente utilizada para cuantificar el rendimiento térmico en sistemas de calefacción industrial. Este estudio emplea la IRT para analizar y comparar el comportamiento térmico y la eficiencia energética de una resistencia de calentamiento dentro de una caldera de columna de destilación bajo fuentes de alimentación de corriente alterna (CA) y corriente continua (CC). Se realizaron experimentos utilizando una planta piloto de destilación, que incluía una resistencia de calentamiento de 130 W alimentada por una fuente de CA (60 Hz) y una fuente equivalente de corriente continua considerando diferentes configuraciones voltaje-corriente. La dinámica térmica se capturó utilizando una cámara IR calibrada de onda media (rango espectral de 7,5 a 13 μm), en paralelo con mediciones de potencia eléctrica de un sistema embebido con tarjeta de adquisición de datos.

La metodología propuesta establece un protocolo IRT para cuantificar respuestas térmicas mediante imágenes IRT, permitiendo mapear la heterogeneidad de temperatura 2D mediante termogramas corregidos por emisividad.

Los análisis de eficiencia energética mostraron que la corriente continua redujo las pérdidas en julios, mientras que la corriente alterna mostró una estabilidad térmica superior durante operaciones prolongadas. Este enfoque integrado en IRT proporciona conocimientos prácticos para optimizar los sistemas de energía de destilación y se alinea con las iniciativas de electrificación industrial. El protocolo es escalable para la monitorización basada en infrarrojos de procesos termoeléctricos en aplicaciones químicas, farmacéuticas y de energías renovables.

Introducción

Los sistemas de intercambio de calor son dispositivos fundamentales en ingeniería química, utilizados para facilitar la transferencia de energía térmica entre dos corrientes de proceso, incluso sin contacto físico directo. Su incorporación a equipos como columnas de destilación permite optimizar el consumo energético, mejorar la eficiencia de separación de componentes y mantener condiciones de funcionamiento estables mediante un control preciso de los perfiles^{de temperatura 1}.

Un actuador de potencia en una columna de destilación se considera un sistema de intercambio de calor, compuesto por una resistencia eléctrica que, tanto en corriente continua (DC) como en corriente alterna (AC), cumple la ley de Ohm, estableciendo una relación directa entre tensión, corriente y resistencia. Sin embargo, el comportamiento de la resistencia al usar CA es más complejo debido a la influencia de la frecuencia, la impedancia y los efectos inductivos y capacitivos del sistema. Sin embargo, ofrece ciertas ventajas en aplicaciones industriales^{específicas 2,3}.

El comportamiento de una resistencia real difiere de su ideal porque los materiales físicos pueden inducir fenómenos como inductancia parásita y, en ciertos casos, capacitancia^{parásita 4}. Estos efectos dependen de la frecuencia de la señal AC, distinguiéndose en términos de valores de frecuencia. En un caso, los efectos reactivos (inductivos o capacitivos) son prácticamente insignificantes; por lo tanto, la resistencia se comporta de forma lineal y obedece casi perfectamente la ley de Ohm. Por tanto, su respuesta es comparable a la de una resistencia ideal usada en CC, considerando las bajas frecuencias.

Para frecuencias altas, la resistencia real comienza a mostrar un componente inductivo, especialmente si su construcción incluye elementos como bobinados o conexiones^{largas 5}. El uso inadecuado de resistencias eléctricas en procesos de destilación puede causar choques térmicos en la caldera de columna, especialmente cuando se altera el equilibrio del efecto termosifón, fenómeno que ocurre debido a la interacción entre la transferencia de calor y el flujo natural del líquido inducida por diferencias de^{densidad 6}.

La tasa de transferencia de calor en la caldera está determinada por la longitud efectiva de las zonas de calentamiento y evaporación, así como por el diseño geométrico del^{intercambiador 7}. Además, esta tasa depende significativamente de la presión de funcionamiento y del contenido de vapor, ya que el coeficiente de transferencia de calor en la zona de evaporación es considerablemente mayor que en la zona de^{precalentamiento 8}.

Este trabajo propone un estudio comparativo entre fuentes de alimentación de CA y CC para alimentar una resistencia de calentamiento dentro de una columna de destilación, evaluando su impacto en la eficiencia térmica del proceso, el perfil de temperatura de la caldera, el consumo energético y la estabilidad durante el ciclo de destilación. Las principales características de la planta son: una caldera de 2 L, una resistencia de calentamiento de 300 W, extracción de producto en el fondo, condensador de doble espiral, depósito en L para productos destilados y válvula de reflujo de encendido-apagado.

Protocolo

1. Configuración y procedimientos para la preparación de la mezcla, ejecución de procesos desde la interfaz local y arranque de la fuente de alimentación

1. Preparación de la mezcla que se usará en el proceso dentro de la caldera (Figura 1).
   1. Coloca 1 L de etanol y 1 L de agua destilada en frascos separados.
   2. Coloca el contenido de cada matraz dentro de la placa de la placa de la caldera.
   3. Asegúrate de que la instrumentación esté correctamente posicionada.
      1. Revisa las conexiones de la manguera del condensador desde la bomba de agua de refrigeración.
      2. Comprueba la colocación de los sensores en las placas del cuerpo de la columna de destilación.
      3. Revisa las condiciones de los actuadores de la bomba de agua de refrigeración, la resistencia de calefacción y el actuador de reflujo.
2. Ejecuta la interfaz local en el PC y la tarjeta de adquisición de datos (Figura 2).
   1. En el PC local, abre el software de "columna de destilación".
   2. Conecta la tarjeta de adquisición de datos al PC local.
   3. Verifica la comunicación entre la tarjeta de adquisición de datos y el PC local.
      1. Valida los elementos en la ventana emergente.
   4. Selecciona la mezcla que se va a usar en la interfaz local.
   5. Inicia el proceso desde la interfaz local haciendo clic en el botón Iniciar .
      1. Verifica la recepción de información de los sensores locales en cada una de las ventanas de interfaz del PC local.
         NOTA: Aunque el experimento se limita a una mezcla binaria de etanol y agua, la interfaz permite observar diferentes mezclas. Dado que la transferencia de calor entre el RTD y el líquido depende de propiedades térmicas generales como la capacidad calorífica y la conductividad, se puede suponer que la metodología empleada, que se basa en datos experimentales para definir el comportamiento térmico, es válida para otras mezclas bajo condiciones controladas. Este enfoque está respaldado por estudios sobre columnas de destilación que modelan dinámicamente mezclas binarias^{ideales 9,10,11}.
3. Preparando fuentes de alimentación de CA o DC para alimentar la resistencia de calefacción.
   1. Usando un multímetro como voltímetro, ajusta el valor de la tensión de salida desde el panel frontal de la fuente de alimentación, según corresponda (CA o CC). Una vez configurado, apaga la fuente de alimentación.
   2. Conecte el suministro de tensión al termómetro de resistencia instalado en la placa de la caldera.
   3. Encienda la resistencia de calentamiento encendiendo la fuente de alimentación.
   4. Verifica la monitorización de corriente y voltaje desde la interfaz local.
      NOTA: La Tabla 1 indica los valores de voltaje y corriente utilizados para el experimento tanto para CA como para CC.

2. Configuración, adquisición y análisis de termogramas y datos de temperatura en la placa de control en proceso

1. Instalación y adquisición de termogramas utilizando la cámara térmica de boiler plate en proceso.
   NOTA: Para el experimento, las horas de operación y las mediciones se realizaron de 1 a 3 de la tarde, cuando la temperatura ambiente dentro del laboratorio era de 22° a 24,5 °C.
   1. Selecciona la paleta de colores de Hierro en el menú de la cámara térmica.
   2. Establece el valor de corrección de emisividad en 0,95 desde el menú de la cámara térmica .
      NOTA: La cámara puede autocalibrarse y es calibrada periódicamente por personal capacitado. El valor de emisividad se selecciona en función de la rugosidad, grosor y transparencia del vidrio que compone el depósito de la caldera. Por lo tanto, se consideró un valor de emisividad de 0,95 para la medición térmica¹³. Dado que la diferencia es mínima, el impacto en la estimación de temperatura es insignificante dentro del rango operativo del experimento.
   3. Coloca la cámara térmica aproximadamente a 80 cm de la placa de la caldera.
      NOTA: La medición en 2.1.3 se consideró en función de la distancia mínima de operación de la cámara (0,6 m) debido a su resolución (140 x 140 píxeles) y campo de visión (29° x 29°)¹², por lo tanto, la distancia utilizada permite capturar detalles térmicos relevantes sin comprometer la medición de presión en la placa de la caldera.
   4. Sosteniendo la cámara térmica aproximadamente a 60 cm sobre el suelo, sitúala apuntando hacia la placa de la caldera en la columna de destilación.
      NOTA: La medida en 2.1.4 se seleccionó en función de la altura de la caldera de placas.
   5. Pulsa el botón de guardar para grabar el termograma en la memoria de la cámara térmica.
      NOTA: Debido a que el estado transitorio es más lento dependiendo de la disminución del voltaje de alimentación aplicado a la resistencia de calentamiento, la acción en el paso 2.1.5. puede realizarse a 20 a 30, 50 o 60 s para 20 V (CA y CC).
      1. Captura cada 5 s durante las muestras del 1 a 1500 indicadas en la interfaz local, repite durante 20, 60 y 100 V tanto para CA como para DC.
      2. Para 100 V (CA y CC), captura cada 10 s durante las muestras de 1500 a 2800 indicadas en la interfaz local, para 20 V (CA y DC), captura durante el intervalo de muestra de 1500 a 5500, y para 60 V (CA y CC), captura cada 15 segundos durante las muestras de 1500 a 4000.
      3. Para 100 V (CA y CC), captura cada 20 s desde la muestra 2800 hasta alcanzar el estado estacionario; para 60 V (CA y DC), captura cada 30 s desde la muestra 4000 hasta alcanzar el estado estacionario; y para 20 V (CA y DC), captura cada 20 s desde la muestra 5500 hasta alcanzar el estado estacionario.
   6. Registra el nombre del termograma capturado y el valor de la muestra de temperatura de la placa de la boiler mostrada en la interfaz local.
2. Adquisición de datos de temperatura de la placa de control a través de la interfaz local del proceso.
   NOTA: Las figuras 3D y E muestran el proceso mencionado en 2.2 en detalle.
   1. Guarda los archivos temporales generados por la interfaz.
   2. Renombra y guarda los archivos en la carpeta del proceso actual .
   3. Recoge los archivos .csv generados durante la prueba y genera un solo archivo con todos los datos obtenidos del proceso.
      NOTA: La interfaz almacena los datos del proceso cada 10¹ª muestras, lo que equivale a una sección del proceso. Estos son archivos temporales que deben almacenarse para su procesamiento posterior. 0,5 s es el tiempo de muestreo para cada muestra. Los datos numéricos guardados corresponden al comportamiento dinámico del proceso generado por un sensor de temperatura que mide el vapor dentro de la caldera.
3. Preparación de datos de temperatura en boilerplate y termogramas de proceso capturados.
   NOTA: Las figuras 3A, B, C, F, G muestran el proceso mencionado en la 2.3.
   1. Extrae los termogramas de la cámara térmica.
      NOTA: Los termogramas muestran la distribución de temperatura resultante del calentamiento RTD según el voltaje utilizado.
   2. Revisa los termogramas y descarta los que no quieras.
   3. Marca manualmente un punto de referencia en los termogramas.
   4. Crea el gráfico de visión general de temperatura de proceso usando el archivo de datos de proceso generado en 2.2.3.
   5. Relacionar los datos de temperatura de la caldera desde la interfaz local con los termogramas de proceso capturados.

3. Análisis y procesamiento de termogramas para el proceso de boilerplate

1. Desarrollo de un algoritmo para el procesamiento de termogramas.
   1. Preparación de gráficos para visualizar tendencias medias.
      1. Carga la imagen en una variable.
      2. Define el tamaño de los vectores para los ejes del grafo, usando la variable imagen.
      3. Define el área para detectar rangos de temperatura mínima y máxima basándose en la imagen de análisis.
      4. Prepara la figura para la gráfica.
2. Procesando termogramas (Figura 4).
   1. Carga la imagen en una variable.
   2. Define un área de búsqueda para el punto de referencia marcado en 2.3.3.
   3. Aísla el punto de referencia y obtén su coordenada.
   4. Indica el área de análisis usando las coordenadas en 3.2.3.
   5. Convierte el área de análisis a escala de grises.
   6. Calcula la media del área definida por 3.2.5.
   7. Aísla las áreas de temperatura máxima e mínima en la imagen.
   8. Convierte los números gráficos en texto numérico.
   9. Convierte los valores medios a temperaturas máximas y mínimas escaladas según los rangos de imagen.
   10. Almacena los valores medios totales y las etiquetas.
   11. Grafica la media total de resultados.

Resultados

Los resultados proceden de seis pruebas desarrolladas con los valores mencionados en la Tabla 1. Se consideró información térmica para el análisis, así como datos obtenidos a través de la interfaz local.

Análisis comparativo para una tensión de alimentación CA-CC de 100 V
Los datos obtenidos del proceso mediante la interfaz local indicaban que, para una fuente de alimentación de corriente continua, la medición de temperatur...

Discusión

El procedimiento presentado ofrece una idea general de la importancia de seleccionar correctamente el alimento para un proceso químico como una columna de destilación; Sin embargo, el proceso tiene algunos puntos críticos que deben abordarse con gran cuidado para evitar resultados desfavorables.

Al capturar termogramas, es importante considerar usar un trípode para localizar la cámara. Esto evita movimientos accidentales al capturar termogramas.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Cámara	FLIR	i7	Equipo de captura de termogramas
Planta piloto de destilación		EDF-1000	Planta piloto de destilación
Agua destilada	Tecnología y control ambiental	CAS-7732-18-5	Componente de mezcla
Etanol	JR		Componente de mezcla
Multímetro	FLUKE		Equipos de medición
NI myRIO	Instrumentos Nacionales	1900	Tarjeta de adquisición de datos
Suministro eléctrico		SPS1203	Tensión de alimentación de corriente continua
Python		3.12	Software para procesamiento de imágenes
Sensor de temperatura		PT100	Sensores instalados en la planta para la medición directa de la temperatura en algunas placas de proceso.
Resistencia térmica	Sunny	SGH-380	Valor de 73 ohmios