Confronto del comportamento termico e dell'efficienza energetica tra il riscaldamento elettrico AC e DC in una colonna di distillazione utilizzando l'analisi termografica a infrarossi

Summary

Questo articolo presenta uno studio comparativo sul comportamento termico e sull'efficienza energetica di un elemento riscaldante all'interno di una caldaia a colonna di distillazione, alimentata da corrente alternata (AC) e corrente continua (DC), valutandone le prestazioni a partire da risultati statistici come la temperatura minima e massima, la media dei dati termici e il coefficiente di variazione.

Abstract

La termografia a infrarossi (IRT) è una tecnica ampiamente utilizzata senza contatto per quantificare le prestazioni termiche nei sistemi di riscaldamento industriale. Questo studio impiega l'IRT per analizzare e confrontare il comportamento termico e l'efficienza energetica elettrica di una resistenza di riscaldamento all'interno di una caldaia a colonna di distillazione sotto alimentazioni a corrente alternata (AC) e corrente continua (DC). Gli esperimenti furono condotti utilizzando un impianto pilota di distillazione, che includeva una resistenza di riscaldamento da 130 W alimentata da una sorgente AC (60 Hz) e una sorgente DC equivalente considerando diverse configurazioni tensione-corrente. La dinamica termica veniva catturata utilizzando una telecamera IR a media onda calibrata (intervallo spettrale da 7,5 a 13 μm), in parallelo con misurazioni di potenza elettrica provenienti da un sistema embedded a scheda di acquisizione dati.

La metodologia proposta stabilisce un protocollo IRT per quantificare le risposte termiche tramite immagini IRT, permettendo di mappare l'eterogeneità della temperatura 2D tramite termogrammi corretti per emissività.

Le analisi dell'efficienza energetica hanno mostrato che la corrente continua ha ridotto le perdite in joule, mentre la corrente alternata ha mostrato una stabilità termica superiore durante il funzionamento prolungato. Questo approccio integrato IRT fornisce informazioni utili per ottimizzare i sistemi di energia per distillazione e si allinea con le iniziative di elettrificazione industriale. Il protocollo è scalabile per il monitoraggio basato sull'infrarosso di processi termoelettrici in applicazioni chimiche, farmaceutiche e di energie rinnovabili.

Introduction

I sistemi di scambio termico sono dispositivi fondamentali nell'ingegneria chimica, utilizzati per facilitare il trasferimento di energia termica tra due flussi di processo, anche senza contatto fisico diretto. La loro integrazione in apparecchiature come le colonne di distillazione consente di ottimizzare il consumo energetico, migliorare l'efficienza nella separazione dei componenti e mantenere condizioni operative stabili attraverso un controllo preciso dei profili^{di temperatura 1}.

Un attuatore di potenza in una colonna di distillazione è considerato un sistema di scambio termico, composto da una resistenza elettrica che, sia in corrente continua (DC) che in corrente alternata (AC), rispetta la legge di Ohm, stabilendo una relazione diretta tra tensione, corrente e resistenza. Tuttavia, il comportamento della resistenza quando si utilizza la corrente alternata è più complesso a causa dell'influenza della frequenza, dell'impedenza e degli effetti induttivi e capacitivi del sistema. Tuttavia, offre alcuni vantaggi in specifiche applicazioni^{industriali 2,3}.

Il comportamento di una resistenza reale differisce dal suo ideale perché i materiali fisici possono indurre fenomeni come l'induttanza parassita e, in certi casi, la capacità^{parassitaria 4}. Questi effetti dipendono dalla frequenza del segnale AC, distinguendosi in termini di valori di frequenza. In un caso, gli effetti reattivi (induttivi o capacitivi) sono praticamente trascurabili; pertanto, la resistenza si comporta in modo lineare e obbedisce quasi perfettamente alla legge di Ohm. Pertanto, la sua risposta è paragonabile a quella di un resistore ideale usato in corrente continua, considerando le basse frequenze.

Per le alte frequenze, la resistenza effettiva inizia a mostrare una componente induttiva, specialmente se la sua costruzione include elementi come avvolgimenti o lunghe^{connessioni 5}. L'uso improprio delle resistenze elettriche nei processi di distillazione può causare scosse termiche nella caldaia della colonna, specialmente quando l'equilibrio dell'effetto termosifone è alterato, fenomeno che si verifica a causa dell'interazione tra il trasferimento di calore e il flusso naturale del liquido indotto dalle differenze di^{densità 6}.

La velocità di trasferimento di calore nella caldaia è determinata dalla lunghezza effettiva delle zone di riscaldamento ed evaporazione, nonché dal design geometrico dello^{scambiatore 7}. Inoltre, questo tasso dipende in modo significativo dalla pressione operativa e dal contenuto di vapore, poiché il coefficiente di trasferimento di calore nella zona di evaporazione è considerevolmente più alto rispetto alla zona di^{preriscaldamento 8}.

Questo lavoro propone uno studio comparativo tra alimentatori AC e DC per alimentare un resistore di riscaldamento all'interno di una colonna di distillazione, valutando il loro impatto sull'efficienza termica del processo, il profilo termico della caldaia, il consumo energetico e la stabilità durante il ciclo di distillazione. Le principali caratteristiche dell'impianto sono: una caldaia da 2 L, una resistenza di riscaldamento da 300 W, estrazione del prodotto sul fondo, un condensatore a doppia spirale, un serbatoio a L per i prodotti distillati e una valvola di reflusso on-off.

Protocol

1. Configurazione e procedure per la preparazione della miscela, esecuzione del processo dall'interfaccia locale e avvio dell'alimentatore

1. Preparazione della miscela da utilizzare nel processo all'interno della caldaia (Figura 1).
   1. Mettere 1 L di etanolo e 1 L di acqua distillata in fiaschette separate.
   2. Inserire il contenuto di ogni fiaschetta all'interno della piastra del boiler plate.
   3. Assicurati che la strumentazione sia posizionata correttamente.
      1. Controlla i collegamenti dei tubi del condensatore dalla pompa dell'acqua di raffreddamento.
      2. Controlla la posizione dei sensori sulle piastre del corpo della colonna di distillazione.
      3. Controlla le condizioni degli attuatori della pompa dell'acqua di raffreddamento, della resistenza di riscaldamento e dell'attuatore a reflusso.
2. Esegui l'interfaccia locale sul PC e sulla scheda di acquisizione dati (Figura 2).
   1. Sul PC locale, apri il software "distillation column".
   2. Collega la scheda di acquisizione dati al PC locale.
   3. Verifica la comunicazione tra la scheda di acquisizione dati e il PC locale.
      1. Convalida gli elementi nella finestra pop-up.
   4. Seleziona la miscela da utilizzare nell'interfaccia locale.
   5. Avvia il processo dall'interfaccia locale cliccando sul pulsante Start .
      1. Verifica la ricezione delle informazioni dai sensori locali in ciascuna delle finestre di interfaccia del PC locale.
         NOTA: Sebbene l'esperimento sia limitato a una miscela binaria di etanolo e acqua, l'interfaccia consente l'osservazione di diverse miscele. Poiché il trasferimento di calore tra RTD e liquido dipende da proprietà termiche generali come capacità termica e conducibilità, si può presumere che la metodologia impiegata, che si basa su dati sperimentali per definire il comportamento termico, sia valida per altre miscele in condizioni controllate. Questo approccio è supportato da studi sulle colonne di distillazione che modellano dinamicamente miscele binarie^{ideali 9,10,11}.
3. Preparare alimentatori AC o DC per alimentare la resistenza di riscaldamento.
   1. Utilizzando un multimetro come voltmetro, imposta il valore della tensione di uscita dal pannello frontale dell'alimentatore, a seconda di ogni caso (AC o DC). Una volta configurato, spegni l'alimentatore.
   2. Collega l'alimentazione di tensione al termometro a resistenza installato nella piastra caldaia.
   3. Alimenta la resistenza di riscaldamento accendendo l'alimentatore.
   4. Verifica il monitoraggio di corrente e tensione dall'interfaccia locale.
      NOTA: La Tabella 1 indica i valori di tensione e corrente utilizzati per l'esperimento sia per AC che per DC.

2. Impostazione, acquisizione e analisi di termogrammi e dati di temperatura sulla piastra termica in processo

1. Installazione e acquisizione di termogrammi utilizzando la termocamera boilerplate in processamento.
   NOTA: Per l'esperimento, gli orari di apertura e le misurazioni sono stati effettuati dalle 13 alle 15, quando la temperatura ambiente all'interno del laboratorio era tra 22° e 24,5 °C.
   1. Seleziona la palette di colori Iron dal menu della camera termica.
   2. Imposta il valore di correzione dell'emissività a 0,95 dal menu della termocamera .
      NOTA: La telecamera può essere autocalibrata ed è periodicamente calibrata da personale addestrato. Il valore di emissività viene selezionato in base alla rugosità, allo spessore e alle caratteristiche di trasparenza del vetro che compone il serbatoio della caldaia. Pertanto, per^{la misurazione} termica è stato considerato un valore di emissività di 0,95. Poiché la differenza è minima, l'impatto sulla stima della temperatura è trascurabile all'interno dell'intervallo operativo dell'esperimento.
   3. Posizionare la telecamera termica a circa 80 cm dalla piastra termica.
      NOTA: La misurazione in 2.1.3 è stata considerata in base alla distanza minima di funzionamento della fotocamera (0,6 m) dovuta alla sua risoluzione (140 x 140 pixel) e al campo visivo (29° x 29°⁾¹²; pertanto, la distanza utilizzata consente di catturare dettagli termici rilevanti senza compromettere la misurazione della pressione sulla piastra termica.
   4. Tenendo la termocamera a circa 60 cm dal pavimento, posizionare la telecamera puntata verso la piastra termica nella colonna di distillazione.
      NOTA: La misura in 2.1.4 è stata selezionata in base all'altezza della caldaia a piastra.
   5. Premi il pulsante di salvataggio per registrare il termogramma nella memoria della termocamera.
      NOTA: Poiché lo stato transitorio è più lento a seconda della diminuzione della tensione di alimentazione applicata alla resistenza di riscaldamento, l'azione nel passo 2.1.5. può essere eseguito a 20-30, 50 o 60 secondi per 20 V (AC e DC).
      1. Cattura ogni 5 secondi durante i campioni da 1 a 1500 indicati sull'interfaccia locale, ripeti per 20, 60 e 100 V sia per AC che per DC.
      2. Per 100 V (AC e DC), cattura ogni 10 secondi durante i campioni da 1500 a 2800 indicati sull'interfaccia locale, per 20 V (AC e DC), cattura durante l'intervallo di campione da 1500 a 5500, e per 60 V (AC e DC), cattura ogni 15 secondi durante i campioni da 1500 a 4000.
      3. Per 100 V (AC e DC), cattura ogni 20 s dal campione 2800 fino al raggiungimento dello stato stazionario, per 60 V (AC e DC), cattura ogni 30 s dal campione 4000 fino al raggiungimento dello stato stazionario, e per 20 V (AC e DC), cattura ogni 20 s dal campione 5500 fino al raggiungimento dello stato stazionario.
   6. Registra il nome del termogramma catturato e il valore del campione di temperatura della boilerplate visualizzato nell'interfaccia locale.
2. Acquisizione dei dati sulla temperatura delle piastre caldaie tramite l'interfaccia locale del processo.
   NOTA: Le Figure 3D e E mostrano in dettaglio il processo menzionato in 2.2.
   1. Memorizza i file temporanei generati dall'interfaccia.
   2. Rinomina e salva i file nella cartella del processo corrente .
   3. Raccogli i file .csv generati durante il test e genera un singolo file con tutti i dati ottenuti dal processo.
      NOTA: L'interfaccia memorizza i dati di processo ogni 1020 campioni, equivalenti a una sezione del processo. Questi sono file temporanei che devono essere archiviati per un elaborato successivo. 0,5 s è il tempo di campionamento per ogni campione. I dati numerici salvati corrispondono al comportamento dinamico del processo generato da un sensore di temperatura che misura il vapore all'interno della caldaia.
3. Preparazione dei dati di temperatura delle piastre caldaie e dei termogrammi di processo raccolti.
   NOTA: Le Figure 3A, B, C, F, G mostrano il processo menzionato in 2.3.
   1. Estrai i termogrammi dalla termocamera.
      NOTA: I termogrammi mostrano la distribuzione della temperatura risultante dal riscaldamento RTD in base alla tensione utilizzata.
   2. Rivedi i termogrammi e scarta quelli indesiderati.
   3. Segna manualmente un punto di riferimento sui termogrammi.
   4. Crea il grafico panoramico della temperatura di processo utilizzando il file dati di processo generato in 2.2.3.
   5. Collegare i dati sulla temperatura della caldaia dall'interfaccia locale ai termogrammi di processo catturati.

3. Analisi e lavorazione dei termogrammi per il processo boilerplate

1. Sviluppo di un algoritmo per l'elaborazione dei termogrammi.
   1. Preparazione di grafici per visualizzare le tendenze medie.
      1. Carica l'immagine in una variabile.
      2. Definisci la dimensione dei vettori per gli assi del grafo, usando la variabile immagine.
      3. Definire l'area per rilevare intervalli di temperatura minima e massima basandosi sull'immagine di analisi.
      4. Prepara la figura per la rappresentazione grafica.
2. Elaborazione dei termogrammi (Figura 4).
   1. Carica l'immagine in una variabile.
   2. Definisci un'area di ricerca per il punto di riferimento segnato in 2.3.3.
   3. Isola il punto di riferimento e ottieni la sua coordinata.
   4. Indica l'area di analisi usando le coordinate in 3.2.3.
   5. Converti l'area di analisi in scala di grigi.
   6. Calcola la media dell'area definita da 3.2.5.
   7. Isola le aree di temperatura massima e minima nell'immagine.
   8. Converti i numeri grafici in testo numerico.
   9. Converti i valori medi in temperature massime e minime scalate in base agli intervalli dell'immagine.
   10. Memorizza i valori medi totali e le etichette.
   11. Traccia i risultati medi totali.

Results

I risultati provengono da sei test sviluppati con i valori indicati nella Tabella 1. Per l'analisi sono state considerate le informazioni termiche, così come i dati ottenuti tramite l'interfaccia locale.

Analisi comparativa per una tensione di alimentazione AC-DC di 100 V
I dati ottenuti dal processo tramite l'interfaccia locale indicano che per un alimentatore DC, la misurazione della temperatura varia durante tutto il pro...

Discussion

La procedura presentata fornisce un'idea generale dell'importanza di selezionare correttamente l'alimento per un processo chimico come una colonna di distillazione; Tuttavia, il processo presenta alcuni aspetti critici che devono essere affrontati con grande attenzione per evitare risultati sfavorevoli.

Quando si catturano termogrammi, è importante considerare l'uso di un treppiede per localizzare la fotocamera. Questo previene movimenti accidentali durante la...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Fotocamera	FLIR	i7	Apparecchiature per la cattura dei termogrammi
Impianto pilota di distillazione		EDF-1000	Impianto pilota di distillazione
Acqua distillata	Tecnologia y control ambiental	CAS-7732-18-5	Componente di miscela
Etanolo	JR		Componente di miscela
Multimetro	FLUKE		Apparecchiature di misura
NI myRIO	Strumenti Nazionali	1900	Scheda di acquisizione dati
Alimentazione elettrica		SPS1203	Tensione di alimentazione DC
Python		3.12	Software per l'elaborazione delle immagini
Sensore di temperatura		PT100	Sensori installati nello stabilimento per la misurazione diretta della temperatura su alcune lastre di processo.
Resistenza termica	Sunny	SGH-380	Valore di 73 ohmi