מאמר שיטה

השוואה בין התנהגות תרמית ויעילות אנרגטית בין חימום חשמלי AC ל-DC בעמודת זיקוק באמצעות ניתוח תרמוגרפיה אינפרא-אדום

DOI:

10.3791/69373

⸱

5 בדצמבר 2025

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

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מאמר זה מציג מחקר השוואתי על ההתנהגות התרמית והיעילות האנרגטית של גוף חימום בתוך דוד עמוד זיקוק, המופעל על ידי זרם חילופין (AC) וזרם ישר (DC), ומעריך את ביצועיו מתוצאות סטטיסטיות כגון טמפרטורה מינימלית ומקסימלית, ממוצע נתוני התרמים ומקדם השונות.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

תרמוגרפיה אינפרא-אדומה (IRT) היא טכניקה נפוצה ללא מגע לכימות ביצועים תרמיים במערכות חימום תעשייתיות. מחקר זה עושה שימוש ב-IRT לניתוח והשוואת התנהגות תרמית ויעילות החשמל של נגד חימום בתוך דוד עמוד זיקוק תחת זרם חילופין (AC) וזרם ישר (DC). ניסויים נערכו באמצעות מתקן פיילוט לזיקוק, שכלל נגד חימום בהספק של 130 וואט שמופעל על ידי מקור AC (60 הרץ) ומקור DC מקביל בהתחשב בתצורות מתח-זרם שונות. הדינמיקה התרמית תועדה באמצעות מצלמת אינפרא-אדום בגל בינוני מכויילת (טווח ספקטרלי של 7.5 עד 13 מיקרון), במקביל למדידות הספק חשמלי ממערכת משובצת עם כרטיס רכישת נתונים.

המתודולוגיה המוצעת קובעת פרוטוקול IRT לכימות תגובות תרמיות באמצעות תמונות IRT, ומאפשר מיפוי הטרוגניות של טמפרטורות דו-ממדיות באמצעות תרמוגרמות מתוקנות פליטה.

ניתוחי יעילות הספק הראו כי DC מפחית את אובדן הג'ול בעוד ש-AC הפגין יציבות תרמית גבוהה יותר במהלך פעולה ממושכת. גישה משולבת ב-IRT מספקת תובנות מעשיות לאופטימיזציה של מערכות אנרגיית זיקוק ומתיישבת עם יוזמות החשמול התעשייתי. הפרוטוקול ניתן להרחבה לניטור מבוסס אינפרא אדום של תהליכים תרמו-חשמליים ביישומים כימיים, פרמצבטיים ואנרגיה מתחדשת.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מערכות חילוף חום הן מכשירים בסיסיים בהנדסה כימית, המשמשים להקל על העברת אנרגיה תרמית בין שני זרמי תהליך, גם ללא מגע פיזי ישיר. שילובם בציוד כמו עמודי זיקוק מאפשר אופטימיזציה של צריכת האנרגיה, שיפור יעילות הפרדת רכיבים ושמירה על תנאי תפעול יציבים באמצעות שליטה מדויקת בפרופילי טמפרטורה1.

מפעיל הספק בעמודת זיקוק נחשב למערכת חילוף חום, המורכבת מהתנגדות חשמלית, אשר הן בזרם ישר (DC) והן בזרם חילופין (AC), מצייתת לחוק אוהם, ומבססת קשר ישיר בין מתח, זרם והתנגדות. עם זאת, התנהגות הנגד בעת שימוש ב-AC מורכבת יותר בשל השפעת התדר, ההתנגדות וההשפעות האינדוקטיביות והקיבוליות של המערכת. עם זאת, היא מציעה יתרונות מסוימים ביישומים תעשייתייםספציפיים 2,3.

ההתנהגות של נגד ממשי שונה מהאידיאל שלו, משום שחומרים פיזיקליים יכולים לגרום לתופעות כמו אינדוקטיביות טפילית, ובמקרים מסוימים, קיבול טפילי4. השפעות אלו תלויות בתדר אות ה-AC, ומובחנים במונחים של ערכי תדר. במקרה אחד, ההשפעות הריאקטיביות (אינדוקטיביות או קבליות) הן כמעט זניחות; לכן, הנגד מתנהג בצורה ליניארית ומציית לחוק אוהם כמעט באופן מושלם. לכן, תגובתו דומה לזו של נגד אידיאלי המשמש ב-DC, כאשר בוחנים תדרים נמוכים.

בתדרים גבוהים, ההתנגדות בפועל מתחילה להראות רכיב אינדוקטיבי, במיוחד אם הבנייה כוללת אלמנטים כמו סלילים או חיבורים ארוכים5. שימוש לא נכון בנגדים חשמליים בתהליכי זיקוק עלול לגרום לזעזועים תרמיים בדוד העמודה, במיוחד כאשר שיווי המשקל של אפקט התרמסויפון משתנה, תופעה המתרחשת בשל האינטראקציה בין העברת החום לזרימה הטבעית של הנוזל הנגרמת על ידי הבדלי צפיפות6.

קצב העברת החום בדוד נקבע על ידי האורך האפקטיבי של אזורי החימום והאידוי, וכן על ידי העיצוב הגיאומטרי של המחליף7. יתרה מזאת, קצב זה תלוי משמעותית בלחץ הפעולה ובתכולת האדים, שכן מקדם העברת החום באזור האידוי גבוה משמעותית מאשר באזור החימוםהמקדים 8.

עבודה זו מציעה מחקר השוואתי בין ספקי כוח AC ו-DC להזנת נגד חימום בתוך עמודת זיקוק, תוך הערכת השפעתם על היעילות התרמית של התהליך, פרופיל הטמפרטורה בדוד, צריכת האנרגיה והיציבות במהלך מחזור הזיקוק. המאפיינים העיקריים של המפעל הם: לוח דוד בנפח 2 ליטר, נגד חימום של 300 וואט, חילוץ מוצר תחתון, מעבה ספירלי כפול, מיכל מאגר של L למוצרים מזוקקים, ושסתום ריפלוקס הפעלה-כיבוי.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. תצורה ונהלים להכנת תערובת, ביצוע תהליך מהממשק המקומי והפעלת ספק הכוח

  1. הכנת התערובת לשימוש בתהליך בתוך הדוד (איור 1).
    1. שים 1 ליטר אתנול ו-1 ליטר מים מזוקקים בבקבוקים נפרדים.
    2. הניחו את תכולת כל בקבוק בתוך לוח הדוד של הצלחת.
    3. ודא שהמכשור ממוקם נכון.
      1. בדוק את חיבורי הצינור במעבה ממשאבת המים המקוררת.
      2. בדוק את מיקום החיישנים על לוחות גוף עמוד הזיקוק.
      3. בדוק את תנאי מפעילי משאבת הקירור, נגד החימום ומפעיל הריפלוקס.
  2. הפעל את הממשק המקומי במחשב ובכרטיס איסוף הנתונים (איור 2).
    1. במחשב המקומי, פתח את תוכנת "עמודת הזיקוק".
    2. חבר את כרטיס איסוף הנתונים למחשב המקומי.
    3. אמת את התקשורת בין כרטיס רכישת הנתונים למחשב המקומי.
      1. אמת את הפריטים בחלון הקופץ.
    4. בחר את התערובת שתשמש בממשק המקומי.
    5. התחל את התהליך מהממשק המקומי על ידי לחיצה על כפתור התחל .
      1. אמת קבלת מידע מחיישנים מקומיים בכל אחד מחלונות הממשק במחשב המקומי.
        הערה: למרות שהניסוי מוגבל לתערובת בינארית של אתנול ומים, הממשק מאפשר תצפית על תערובות שונות. מכיוון שהעברת החום בין ה-RTD לנוזל תלויה בתכונות תרמיות כלליות כגון קיבולת חום ומוליכות, ניתן להניח שהמתודולוגיה שבה משתמשים, המבוססת על נתונים ניסיוניים להגדרת התנהגות תרמית, תקפה לתערובות אחרות בתנאים מבוקרים. גישה זו נתמכת על ידי מחקרים על עמודות זיקוק המדגמים דינמית תערובות בינאריות אידיאליות 9,10,11.
  3. מתכונן לספקי חשמל AC או DC להפעלת נגד החימום.
    1. באמצעות מולטימטר כוולטמטר, הגדר את ערך מתח היציאה מהפאנל הקדמי של ספק הכוח, לפי הצורך (AC או DC). לאחר ההגדרה, כבה את ספק הכוח.
    2. חבר את אספקת המתח למדחום ההתנגדות המותקן בלוח הדוד.
    3. הפעל את נגד החימום על ידי הפעלת ספק הכוח.
    4. אמת את ניטור הזרם והמתח מהממשק המקומי.
      הערה: טבלה 1 מציינת את ערכי המתח והזרם ששימשו לניסוי עבור AC ו-DC.

2. הקמה, רכישה וניתוח של תרמוגרמות ונתוני טמפרטורה על פלטת הדוד בתהליך

  1. הקמה ורכישת תרמוגרמות באמצעות מצלמת התרמית של לוח הדוד בתהליך.
    הערה: לניסוי, שעות הפעולה והמדידות בוצעו בין 13:00 ל-15:00, כאשר טמפרטורת הסביבה בתוך המעבדה הייתה 22° עד 24.5 °C.
    1. בחר את פלטת הצבעים Iron מתפריט המצלמה התרמית.
    2. הגדר את ערך תיקון הפליטות ל-0.95 מתפריט המצלמה התרמית .
      הערה: המצלמה ניתנת לכייל עצמי והיא מכויילת מדי פעם על ידי אנשי צוות מיומנים. ערך הפליטה נבחר על פי החספוס, העובי והשקיפות של הזכוכית שמרכיבה את מיכל הדוד. לכן, ערך פליטה של 0.95 נלקח בחשבון למדידה תרמית13. מכיוון שההבדל מינימלי, ההשפעה על הערכת הטמפרטורה זניחה בטווח הפעולה של הניסוי.
    3. מקם את המצלמה התרמית במרחק של כ-80 ס"מ מהפלטה.
      הערה: המדידה בגרסה 2.1.3 נבחנה בהתבסס על מרחק הפעולה המינימלי של המצלמה (0.6 מ') בשל הרזולוציה (140 על 140 פיקסלים) ושדה הראייה (29° x 29°)12, ולכן המרחק מאפשר ללכוד פרטים תרמיים רלוונטיים מבלי לפגוע במדידת הלחץ על פלטת הדודים.
    4. החזקת המצלמה התרמית כ-60 ס"מ מעל הרצפה, מקם את המצלמה כשהיא פונה לכיוון לוח הדוד בעמודת הזיקוק.
      הערה: המדידה ב-2.1.4 נבחרה על פי גובה דוד הלוח.
    5. לחץ על כפתור השמירה כדי להקליט את התרמוגרם לזיכרון של המצלמה התרמית.
      הערה: מכיוון שהמצב הזמני איטי יותר בהתאם לירידה במתח האספקה המופעל על נגד החימום, הפעולה בשלב 2.1.5. ניתן לבצע ב-20 עד 30, 50 או 60 שניות עבור 20 וולט (AC ו-DC).
      1. ללכוד כל 5 שניות במהלך דגימות 1 עד 1500 כפי שמצוין בממשק המקומי, חזור על הפעולה עבור 20, 60 ו-100 וולט עבור AC ו-DC.
      2. עבור 100 וולט (AC ו-DC), לכוד כל 10 שניות במהלך דגימות 1500 עד 2800 כפי שמצוין בממשק המקומי, עבור 20 וולט (AC ו-DC), לכידה במהלך מרווח הדגימה 1500 עד 5500, ול-60 וולט (AC ו-DC), ללכוד כל 15 שניות במהלך דגימות 1500 עד 4000.
      3. ל-100 וולט (AC ו-DC), ללכוד כל 20 שניות מדגימה 2800 עד שמגיעים למצב יציב, עבור 60 וולט (AC ו-DC), לכד כל 30 שניות מדגימה 4000 עד שמגיעים למצב יציב, ועבור 20 וולט (AC ו-DC), ללכוד כל 20 שניות מהדגימה 5500 עד להגעה למצב יציב.
    6. רשמו את שם התרמוגרם שנתפס ואת ערך דגימת הטמפרטורה של לוח הדוד המוצגת בממשק המקומי.
  2. רכישת נתוני טמפרטורת לוח הדוד דרך ממשק התהליך המקומי.
    הערה: איור 3D,E מציג בפירוט את התהליך המוזכר ב-2.2.
    1. אחסן את הקבצים הזמניים שנוצרים על ידי הממשק.
    2. שנה את השם ושמור את הקבצים בתיקיית התהליך הנוכחית .
    3. אסוף את קבצי .csv שנוצרו במהלך הבדיקה ויצר קובץ אחד עם כל הנתונים שהתקבלו מהתהליך.
      הערה: הממשק מאחסן נתוני תהליך כל 1020 דגימות, שזה שווה ערך לחלק אחד בתהליך. אלו קבצים זמניים שיש לאחסן לעיבוד מאוחר יותר. 0.5 שניות הוא זמן הדגימה לכל דגימה. הנתונים המספריים השמורים תואמים להתנהגות הדינמית של התהליך הנוצרת על ידי חיישן טמפרטורה המודד את האדים בתוך הדוד.
  3. הכנת נתוני טמפרטורת לוח הדוד ותרמוגרמות תהליכי תפיסה.
    הערה: איורים 3A, B, C, F, G מציגים את התהליך המוזכר ב-2.3.
    1. להוציא תרמוגרמות מהמצלמה התרמית.
      הערה: התרמוגרמות מציגות את התפלגות הטמפרטורה הנובעת מחימום ה-RTD בהתאם למתח בו השתמשו.
    2. בדוק את התרמוגרמות ודחה כל תרמוגרפיה לא רצויה.
    3. סמן ידנית נקודת ייחוס על התרמוגרמות.
    4. צור את גרף סקירת טמפרטורת התהליך באמצעות קובץ נתוני התהליך שנוצר בגרסה 2.2.3.
    5. קשר את נתוני טמפרטורת הדוד מהממשק המקומי לתרמוגרמות התהליך שנלכדו.

3. ניתוח ועיבוד תרמוגרמות לתהליך לוח הדוד

  1. פיתוח אלגוריתם לעיבוד תרמוגרפי.
    1. הכנת גרפים להצגת מגמות ממוצעות.
      1. טען את התמונה למשתנה.
      2. הגדר את גודל הווקטורים עבור צירי הגרף, באמצעות משתנה התמונה.
      3. הגדר את האזור לזיהוי טווחי טמפרטורה מינימליים ומקסימליים בהתבסס על תמונת הניתוח.
      4. הכן את הדמות לגרף.
  2. תרמוגרמות עיבוד (איור 4).
    1. טען את התמונה למשתנה.
    2. הגדר אזור חיפוש לנקודת ייחוס המסומנת ב-2.3.3.
    3. בודד את נקודת ההתייחסות וקבל את הקואורדינטה שלה.
    4. הצביעו על אזור הניתוח באמצעות הקואורדינטות ב-3.2.3.
    5. המור את אזור הניתוח לגווני אפור.
    6. חשב את ממוצע השטח המוגדר על ידי 3.2.5.
    7. בודד את אזורי הטמפרטורה המקסימלית והמינימלית בתמונה.
    8. המרו את המספרים הגרפיים לטקסט מספרי.
    9. המור את הערכים הממוצעים לטמפרטורות מקסימליות ומינימליות מותאמות לפי טווחי התמונה.
    10. שמרו את ערכי הממוצע והתוויות הכוללות.
    11. שרטט את סך התוצאות הממוצעות.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

התוצאות הן משישה מבחנים שפותחו עם הערכים המוזכרים בטבלה 1. נלקח בחשבון מידע תרמי לניתוח, וכן נתונים שהושגו דרך הממשק המקומי.

ניתוח השוואתי למתח אספקה של 100 וולט AC-DC
הנתונים שהתקבלו מהתהליך באמצעות הממשק המקומי הצביעו על כך שעבור ספק כוח DC, מדידת הטמפרטורה משתנה לאורך התהליך, בעוד שבאמצעות AC (איור 5A), המדידה יציבה יותר.

ראוי לציין כי הזמן להגיע למצב המעבר בתהליך...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ההליך המוצג מספק מושג כללי על חשיבות הבחירה הנכונה של המזון לתהליך כימי כגון עמוד זיקוק; עם זאת, לתהליך יש נקודות קריטיות שיש לטפל בהן בזהירות רבה כדי למנוע תוצאות שליליות.

בעת צילום תרמוגרפיות, חשוב לשקול להשתמש בחצובה כדי לאתר את המצלמה. זה מונע תנועה מקרית בעת צילום תרמוגרמות.

קבצים שנוצרים על ידי הממשק המקומי חייבים להישמר או להיות מועתקים לקובץ הכללי לפני מחיקתם, שכן הדבר עלול לגרום לאובדן נתונים.

חש...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מודים לתוכנית התואר השני של TecNM על מתן המעבדות במהלך הבדיקות, וכן למימון שסיפקו Secihti ו-TecNM.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מצלמהפלירi7ציוד לכידת תרמוגרמה
מפעל פיילוט לזיקוקEDF-1000מפעל פיילוט לזיקוק
מים מזוקקיםטקנולוגיה ושליטה סביבתיתCAS-7732-18-5רכיב תערובת
אתנולJRרכיב תערובת
מולטימטר פלוקציוד מדידה
NI myRIOכלים לאומיים1900כרטיס איסוף נתונים
אספקת חשמלSPS1203מתח ספק כוח DC 
פייתון3.12תוכנה לעיבוד תמונה
חיישן טמפרטורהPT100חיישנים מותקנים במפעל למדידת טמפרטורה ישירה על חלק מלוחות התהליך.
התנגדות תרמיתסאניSGH-380ערך 73 אוהם

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Infrared ThermographyThermal BehaviorPower EfficiencyDistillation ColumnAC HeatingDC HeatingThermal CameraEmissivity CorrectionJoule LossesTemperature Mapping

מאמרים קשורים