Comparaison du comportement thermique et de l’efficacité énergétique du chauffage électrique AC vs. DC dans une colonne de distillation à l’aide d’une analyse thermographique infrarouge

Résumé

Cet article présente une étude comparative sur le comportement thermique et l’efficacité énergétique d’un élément chauffant au sein d’une chaudière à colonne de distillation, alimenté par courant alternatif (AC) et courant continu (DC), évaluant ses performances à partir de résultats statistiques tels que la température minimale et maximale, la moyenne des données thermiques et le coefficient de variation.

Résumé

La thermographie infrarouge (TRI) est une technique sans contact largement utilisée pour quantifier la performance thermique dans les systèmes de chauffage industriels. Cette étude utilise l’IRT pour analyser et comparer le comportement thermique et l’efficacité énergétique d’une résistance de chauffage au sein d’une chaudière à colonne de distillation sous alimentation en courant alternatif (CA) et en courant continu (DC). Des expériences ont été menées à l’aide d’une installation pilote de distillation, comprenant une résistance de chauffage de 130 W alimentée par une source AC (60 Hz) et une source DC équivalente en tenant compte de différentes configurations tension-courant. La dynamique thermique a été capturée à l’aide d’une caméra infrarouge calibrée en onde moyenne (plage spectrale de 7,5 à 13 μm), en parallèle avec des mesures de puissance électrique provenant d’un système embarqué par carte d’acquisition de données.

La méthodologie proposée établit un protocole IRT pour quantifier les réponses thermiques via des images IRT, permettant de cartographier l’hétérogénéité de température 2D via des thermogrammes corrigés par émissivité.

Les analyses d’efficacité énergétique ont montré que le courant continu réduisait les pertes en joules tandis que le courant alternatif présentait une stabilité thermique supérieure lors d’un fonctionnement prolongé. Cette approche intégrée à l’IRT fournit des informations exploitables pour optimiser les systèmes d’énergie de distillation et s’aligne sur les initiatives d’électrification industrielle. Le protocole est évolutif pour la surveillance infrarouge des procédés thermoélectriques dans les applications chimiques, pharmaceutiques et renouvelables.

Introduction

Les systèmes d’échange de chaleur sont des dispositifs fondamentaux en génie chimique, utilisés pour faciliter le transfert d’énergie thermique entre deux flux de procédé, même sans contact physique direct. Leur intégration dans des équipements tels que les colonnes de distillation permet d’optimiser la consommation d’énergie, d’améliorer l’efficacité de la séparation des composants et de maintenir des conditions de fonctionnement stables grâce à un contrôle précis des profils^{de température 1}.

Un actionneur de puissance dans une colonne de distillation est considéré comme un système d’échange thermique, composé d’une résistance électrique qui, en courant continu (DC) et en courant alternatif (AC), obéit à la loi d’Ohm, établissant une relation directe entre tension, courant et résistance. Cependant, le comportement de la résistance lors de l’utilisation de la CA est plus complexe en raison de l’influence de la fréquence, de l’impédance, ainsi que des effets inductifs et capacitifs du système. Cependant, elle offre certains avantages dans des applications industrielles^{spécifiques 2,3}.

Le comportement d’une résistance réelle diffère de son idéal car les matériaux physiques peuvent induire des phénomènes tels que l’inductance parasite et, dans certains cas, la capacité^{parasite 4}. Ces effets dépendent de la fréquence du signal alternatif, étant distinguée en termes de valeurs fréquentielles. Dans un cas, les effets réactifs (inductifs ou capacitifs) sont pratiquement négligeables ; par conséquent, la résistance se comporte de manière linéaire et obéit presque parfaitement à la loi d’Ohm. Ainsi, sa réponse est comparable à celle d’une résistance idéale utilisée en courant continu, lorsqu’on considère les basses fréquences.

Pour les hautes fréquences, la résistance réelle commence à présenter une composante inductive, surtout si sa construction inclut des éléments tels que des enroulements ou de longues^{connexions 5}. L’utilisation inappropriée de résistances électriques dans les processus de distillation peut provoquer des chocs thermiques dans la chaudière à colonne, notamment lorsque l’équilibre de l’effet thermosiphon est altéré, un phénomène qui se produit en raison de l’interaction entre le transfert de chaleur et l’écoulement naturel du liquide induit par les différences de^{densité 6}.

Le débit de transfert de chaleur dans la chaudière est déterminé par la longueur effective des zones de chauffage et d’évaporation, ainsi que par la conception géométrique de^{l’échangeur 7}. De plus, ce taux dépend considérablement de la pression de fonctionnement et de la teneur en vapeur, puisque le coefficient de transfert de chaleur dans la zone d’évaporation est nettement plus élevé que dans la zone de^{préchauffage 8}.

Ce travail propose une étude comparative entre les alimentations en courant alternatif et en courant continu pour alimenter une résistance de chauffage à l’intérieur d’une colonne de distillation, évaluant leur impact sur l’efficacité thermique du procédé, le profil thermique de la chaudière, la consommation d’énergie et la stabilité pendant le cycle de distillation. Les principales caractéristiques de l’usine sont : une chaufferie de 2 L, une résistance de chauffage de 300 W, une extraction de produit par le bas, un condenseur à double spirale, un réservoir en L pour les produits distillés, et une vanne de reflux marche-arrêt.

Protocole

1. Configuration et procédures pour la préparation du mélange, l’exécution des processus depuis l’interface locale et le démarrage de l’alimentation

1. Préparation du mélange à utiliser dans le procédé à l’intérieur de la chaudière (Figure 1).
   1. Placez 1 L d’éthanol et 1 L d’eau distillée dans des flasques séparées.
   2. Placez le contenu de chaque fiole à l’intérieur de la plaque de la plaque.
   3. Assurez-vous que l’instrumentation est correctement positionnée.
      1. Vérifiez les raccords des tuyaux du condenseur depuis la pompe à eau de refroidissement.
      2. Vérifiez l’emplacement des capteurs sur les plaques du corps de la colonne de distillation.
      3. Vérifiez l’état des actionneurs de la pompe à eau de refroidissement, de la résistance de chauffage et de l’actionneur de reflux.
2. Exécutez l’interface locale sur le PC et la carte d’acquisition de données (Figure 2).
   1. Sur le PC local, ouvrez le logiciel « colonne de distillation ».
   2. Connectez la carte d’acquisition de données au PC local.
   3. Vérifiez la communication entre la carte d’acquisition des données et le PC local.
      1. Validez les éléments dans la fenêtre contextuelle.
   4. Sélectionnez le mélange à utiliser dans l’interface locale.
   5. Commencez le processus depuis l’interface locale en cliquant sur le bouton Démarrer .
      1. Vérifiez la réception des informations provenant des capteurs locaux dans chacune des fenêtres d’interface du PC local.
         REMARQUE : Bien que l’expérience soit limitée à un mélange binaire d’éthanol et d’eau, l’interface permet d’observer différents mélanges. Puisque le transfert de chaleur entre le RTD et le liquide dépend de propriétés thermiques générales telles que la capacité thermique et la conductivité, on peut supposer que la méthodologie employée, qui s’appuie sur des données expérimentales pour définir le comportement thermique, est valable pour d’autres mélanges dans des conditions contrôlées. Cette approche est soutenue par des études sur les colonnes de distillation qui modélisent dynamiquement les mélanges binaires^{idéaux 9,10,11}.
3. Préparation pour des alimentations AC ou DC pour alimenter la résistance de chauffage.
   1. En utilisant un multimètre comme voltmètre, réglez la valeur de la tension de sortie depuis le panneau avant de l’alimentation, selon le cas (AC ou DC). Une fois configuré, coupez l’alimentation.
   2. Connectez l’alimentation en tension au thermomètre à résistance installé dans la plaque de la chaudière.
   3. Alimentez la résistance de chauffage en allumant l’alimentation.
   4. Vérifiez la surveillance du courant et de la tension depuis l’interface locale.
      REMARQUE : Le tableau 1 indique les valeurs de tension et de courant utilisées pour l’expérience, tant pour le courant alternatif que pour le courant continu.

2. Installation, acquisition et analyse des thermogrammes et des données de température sur la plaque de commande en cours

1. Installation et acquisition de thermogrammes à l’aide de la caméra thermique à boilerplate en cours de traitement.
   REMARQUE : Pour l’expérience, les heures d’ouverture et les mesures ont été effectuées de 13h à 15h, lorsque la température ambiante à l’intérieur du laboratoire était de 22° à 24,5 °C.
   1. Sélectionnez la palette de couleurs Fer dans le menu de la caméra thermique.
   2. Réglez la valeur de correction d’émissivité à 0,95 depuis le menu de la caméra thermique .
      REMARQUE : La caméra peut être auto-calibrée et est périodiquement calibrée par du personnel formé. La valeur d’émissivité est choisie en fonction de la rugosité, de l’épaisseur et des caractéristiques de transparence du verre qui compose le réservoir de la chaudière. Par conséquent, une valeur d’émissivité de 0,95 a été envisagée pour la mesure thermique¹³. Comme la différence est minime, l’impact sur l’estimation de la température est négligeable dans la plage de fonctionnement de l’expérience.
   3. Placez la caméra thermique à environ 80 cm de la plaque de chaufferie.
      REMARQUE : La mesure en 2.1.3 a été considérée en fonction de la distance minimale de fonctionnement de l’appareil (0,6 m) en raison de sa résolution (140 x 140 pixels) et de son champ de vision (29° x 29°⁾¹² ; par conséquent, la distance utilisée permet de capturer les détails thermiques pertinents sans compromettre la mesure de pression sur la plaque chaudière.
   4. En tenant la caméra thermique à environ 60 cm au-dessus du sol, placez la caméra pointée vers la plaque chaudière dans la colonne de distillation.
      REMARQUE : La mesure dans 2.1.4 a été choisie en fonction de la hauteur de la chaudière à plaques.
   5. Appuyez sur le bouton sauvegarder pour enregistrer le thermogramme dans la mémoire de la caméra thermique.
      REMARQUE : Comme l’état transitoire est plus lent selon la diminution de la tension d’alimentation appliquée à la résistance de chauffage, l’action de l’étape 2.1.5. peut être joué à 20 à 30, 50 ou 60 s pour 20 V (AC et DC).
      1. Capturez tous les 5 s lors des échantillons de 1 à 1500 indiqués sur l’interface locale, répétez pour 20, 60 et 100 V pour les courants alternatifs et continus.
      2. Pour 100 V (AC et DC), capture tous les 10 s lors des échantillons de 1500 à 2800 indiqués sur l’interface locale, pour 20 V (AC et DC), capture pendant l’intervalle d’échantillonnage de 1500 à 5500, et pour 60 V (AC et DC), capture tous les 15 s lors des échantillons de 1500 à 4000.
      3. Pour 100 V (AC et DC), capturez tous les 20 s à partir de l’échantillon 2800 jusqu’à l’état stationnaire, pour 60 V (AC et DC), capturez tous les 30 s à partir de l’échantillon 4000 jusqu’à l’état stationnaire, et pour 20 V (AC et DC), capturez tous les 20 s à partir de l’échantillon 5500 jusqu’à l’état stationnaire.
   6. Notez le nom du thermogramme capturé et la valeur de l’échantillon de température de la plaque affichée dans l’interface locale.
2. Acquisition des données de température des boilerplates via l’interface locale du procédé.
   REMARQUE : Les figures 3D et E montrent en détail le processus mentionné dans la 2.2.
   1. Stockez les fichiers temporaires générés par l’interface.
   2. Renommer et enregistrer les fichiers dans le dossier du processus actuel .
   3. Collectez les fichiers .csv générés lors du test et générez un seul fichier avec toutes les données obtenues lors du processus.
      REMARQUE : L’interface stocke les données de processus tous les 1020 échantillons, ce qui équivaut à une section du processus. Ce sont des fichiers temporaires qui doivent être stockés pour un traitement ultérieur. 0,5 s est le temps d’échantillonnage pour chaque échantillon. Les données numériques enregistrées correspondent au comportement dynamique du procédé généré par un capteur de température mesurant la vapeur à l’intérieur de la chaudière.
3. Préparation des données de température standard et des thermogrammes de procédé capturés.
   REMARQUE : Les figures 3A, B, C, F, G montrent le processus mentionné dans la 2.3.
   1. Extraire les thermogrammes de la caméra thermique.
      REMARQUE : Les thermogrammes montrent la distribution de température résultant du chauffage RTD selon la tension utilisée.
   2. Examinez les thermogrammes et jetez ceux qui ne sont pas désirés.
   3. Marquez manuellement un point de référence sur les thermogrammes.
   4. Créez le graphique d’aperçu de la température du procédé à l’aide du fichier de données du procédé généré en 2.2.3.
   5. Relier les données de température de la chaudière de l’interface locale aux thermogrammes de procédé capturés.

3. Analyse et traitement des thermogrammes pour le procédé à plaques standard

1. Développement d’un algorithme pour le traitement des thermogrammes.
   1. Préparation de graphiques pour visualiser les tendances moyennes.
      1. Chargez l’image dans une variable.
      2. Définissez la taille des vecteurs pour les axes du graphe, en utilisant la variable image.
      3. Définir la zone de détection des plages de température minimale et maximale à partir de l’image d’analyse.
      4. Préparez la figure pour le graphique.
2. Traitement des thermogrammes (Figure 4).
   1. Chargez l’image dans une variable.
   2. Définissez une zone de recherche pour le point de référence marqué dans la version 2.3.3.
   3. Isoler le point de référence et obtenir sa coordonnée.
   4. Indiquez la zone d’analyse à l’aide des coordonnées dans 3.2.3.
   5. Convertissez la zone d’analyse en niveaux de gris.
   6. Calculez la moyenne de la surface définie par 3.2.5.
   7. Isolez les zones de température maximale et minimale dans l’image.
   8. Convertissez les chiffres graphiques en texte numérique.
   9. Convertissez les valeurs moyennes en températures maximales et minimales mises à l’échelle selon les plages d’image.
   10. Stockez les valeurs moyennes totales et les labels.
   11. Tracez les résultats moyens totaux.

Résultats

Les résultats proviennent de six tests développés avec les valeurs mentionnées dans le tableau 1. Les informations thermiques ont été prises en compte pour l’analyse, ainsi que les données obtenues via l’interface locale.

Analyse comparative pour une tension d’alimentation AC-DC de 100 V
Les données obtenues du procédé via l’interface locale indiquent que pour une alimentation en courant continu, la mesure de la température...

Discussion

La procédure présentée donne une idée générale de l’importance de sélectionner correctement l’alimentation pour un procédé chimique tel qu’une colonne de distillation ; Cependant, le processus comporte certains points critiques qui doivent être traités avec beaucoup de soin afin d’éviter des résultats défavorables.

Lors de la capture de thermogrammes, il est important de considérer l’utilisation d’un trépied pour localiser l’appareil photo. Cela évite les mouv...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Caméra	FLIR	i7	Équipement de capture de thermogrammes
Usine pilote de distillation		EDF-1000	Usine pilote de distillation
Eau distillée	Technologie y control ambiental	CAS-7732-18-5	Composante du mélange
Éthanol	JR		Composante du mélange
Multimètre  ;	FLUKE		Équipement de mesure
NI myRIO	Instruments nationaux	1900	Carte d’acquisition de données
Alimentation électrique		SPS1203	Tension d’alimentation DC   ;
Python		3.12	Logiciels de traitement d’image
Capteur de température		PT100	Des capteurs installés dans l’usine pour la mesure directe de la température sur certaines plaques de procédé.
Résistance thermique	Sunny	SGH-380	Valeur de 73 ohms