赤外線サーモグラフィー解析を用いた蒸留カラムにおける交流と直流電気加熱の熱挙動および電力効率の比較

サマリー

本稿では、交流(AC)および直流(DC)で駆動される蒸留塔ボイラー内の加熱要素の熱挙動とエネルギー効率に関する比較研究を紹介し、最低温度および最高温度、熱データの平均、変動係数などの統計的結果からその性能を評価します。

要約

赤外線サーモグラフィー(IRT)は、産業用暖房システムにおける熱性能を定量化するために広く使われている非接触技術です。本研究では、交流(AC)および直流(DC)電源下で蒸留塔ボイラー内の加熱抵抗器の熱挙動と電力効率を分析・比較するためにIRTを用いています。実験は蒸留パイロットプラントを用いて行われました。これには交流(60Hz)電源で駆動される130Wの加熱抵抗器と、異なる電圧-電流構成を考慮した同等の直流電源が含まれていました。熱力学は、7.5〜13μmスペクトル範囲の校正済み中波赤外線カメラと、データ取得カード組み込みシステムからの電力測定と並行して撮影されました。

提案された手法は、IRT画像 による 熱応答を定量化するためのIRTプロトコルを確立し、放射率補正されたサーモグラムを通じて2次元の温度異質性をマッピングすることを可能にします。

電力効率解析では、直流はジュール損失を低減し、交流は長時間運転時に優れた熱安定性を示しました。このIRT統合アプローチは蒸留エネルギーシステムの最適化に向けた実用的な洞察を提供し、産業電化の取り組みと整合しています。このプロトコルは、化学、医薬品、再生可能エネルギーの分野で熱電プロセスの赤外線ベースのモニタリングにもスケーラブルです。

概要

熱交換システムは化学工学における基本的な装置であり、直接の物理的接触がなくても、2つのプロセスストリーム間で熱エネルギーの伝達を促進するために使用されます。蒸留カラムなどの装置に組み込むことで、エネルギー消費の最適化、部品分離効率の向上、温度プロファイルの精密な制御による安定した運転状態の維持が可能となります^。

蒸留塔内のパワーアクチュエータは熱交換系とみなされ、直流(DC)および交流(AC)の両方でオームの法則に従い、電圧、電流、抵抗の間に直接的な関係が確立されます。しかし、交流を使用した場合の抵抗の挙動は、周波数、インピーダンス、そしてシステムの誘導性および容量性の影響により複雑になります。しかし、特定の産業用途においては一定の利点もあります ^2,3.

実際の抵抗の挙動は理想とは異なります。なぜなら物理材料は寄生インダクタンスや場合によっては寄生静電容量4などの現象を誘起する^{からです。}これらの効果は交流信号の周波数に依存し、周波数値で区別されます。一方の場合、反応効果(誘導効果または容量効果)はほとんど無視できるほどです。したがって、抵抗は線形に振る舞い、オームの法則にほぼ完全に従う。したがって、低周波を考慮すると、その応答は直流で使われる理想的な抵抗に相当します。

高周波の場合、実際の抵抗は誘導成分を示し始めます。特に巻線や^{長い接続などの}要素が構造されている場合に顕著です。蒸留過程での電気抵抗器の不適切な使用は、特に熱シフォン効果の平衡が変化した際に、熱伝達と^{密度差による}液体の自然な流れの相互作用によって起こる現象として、カラムボイラー内で熱ショックを引き起こすことがあります。

ボイラー内の熱伝達速度は、加熱および蒸発ゾーンの有効長さ、および交換器⁷の幾何学的設計によって決まります。さらに、この速度は運転圧力や蒸気含有量に大きく依存します。なぜなら、蒸発ゾーンの熱伝達係数は予熱ゾーン⁸よりもかなり高いからです。

本研究は、蒸留塔内の加熱抵抗器に供給するための交流電源と直流電源の比較研究を提案し、プロセスの熱効率、ボイラー内の温度プロファイル、エネルギー消費、蒸留サイクル中の安定性に与える影響を評価します。プラントの主な特徴は、2Lボイラープレート、300W加熱抵抗器、底部製品抽出装置、二重螺旋コンデンサー、蒸留製品用のL型リザーバータンク、オン・オフリフラックスバルブです。

プロトコル

1. 混合気の準備、ローカルインターフェースからのプロセス実行、電源起動の設定および手順

1. ボイラー内で使用される混合気の準備(図1)。
   1. 別々のフラスコにエタノール1Lと蒸留水1Lを入れます。
   2. 各フラスコの中身をプレートボイラープレートの中に置きます。
   3. 計器の位置が正しく整っていることを確認してください。
      1. 冷却水ポンプからコンデンサーのホース接続を確認してください。
      2. 蒸留塔本体の板上にあるセンサーの配置を確認してください。
      3. 冷却水ポンプアクチュエーター、加熱抵抗器、リフラックスアクチュエーターの状態を確認してください。
2. PCとデータ取得カードでローカルインターフェースを実行します(図2)。
   1. ローカルPCで「蒸留カラム」ソフトウェアを開きます。
   2. データ取得カードをローカルPCに接続します。
   3. データ取得カードとローカルPC間の通信を確認しましょう。
      1. ポップアップウィンドウでアイテムを検証してください。
   4. ローカルインターフェースで使用する混合気を選択します。
   5. ローカルインターフェースから スタート ボタンをクリックしてプロセスを開始してください。
      1. ローカルPCの各インターフェースウィンドウでローカルセンサーからの情報受信を確認しましょう。
         注:実験はエタノールと水の二元混合物に限定されますが、界面により異なる混合物の観察が可能です。RTDと液体間の熱伝達は熱容量や伝導率などの一般的な熱特性に依存するため、実験データに基づいて熱挙動を定義する手法は、制御条件下の他の混合物にも有効であると考えることができます。このアプローチは、理想的な二元混合気9,10,11を動的にモデル化する蒸留カラムの研究によって支持されています。
3. 加熱抵抗に電力を供給するための交流または直流電源の準備。
   1. マルチメーターをボルトメーターとして使い、電源の前面パネルから適切な交流または直流の出力電圧値を設定します。設定が済んだら電源を切ります。
   2. 電圧供給をボイラープレートに設置された抵抗温度計に接続してください。
   3. 電源をオンにして加熱抵抗に通電させてください。
   4. ローカルインターフェースからの電流と電圧の監視を確認してください。
      注: 表1は 、交流および直流の両方で実験で使用された電圧と電流の値を示しています。

2. サーモグラムおよび温度データの設置、取得、分析

1. 進行中のボイラープレートサーマルカメラを用いたサーモグラムの設置および取得。
   注:実験では、実験室内の周囲温度が22°から24.5°Cである午後1時から3時まで、作業時間と測定が行われました。
   1. サーマルカメラのメニューから Iron カラーパレットを選択します。
   2. サーマルカメラのメニューから放射系補正値を0.95に設定してください。
      注:カメラは自己キャリブレーション可能で、訓練を受けたスタッフによって定期的に校正されています。放射率の値は、ボイラータンクを構成するガラスの粗さ、厚さ、透明度の特性に基づいて選択されます。したがって、熱測定¹³では放射率0.95が考慮されました。差が最小であるため、実験の動作範囲内では温度推定への影響は無視できるほどです。
   3. サーマルカメラはボイラープレートから約80cm離れた位置に設置してください。
      注:2.1.3の測定は、解像度(140×140ピクセル)と画角(29°×29^°)によるカメラの最小動作距離(0.6 m)に基づいて考慮されているため、使用された距離はボイラープレート上の圧力測定を損なうことなく関連する熱的詳細を捉えることができます。
   4. サーマルカメラを床から約60cmの位置に置き、蒸留塔のボイラープレートを指す位置に置きます。
      注:2.1.4の測定値はプレートボイラーの高さに基づいて選択されました。
   5. 保存ボタンを押してサーモグラムをサーマルカメラのメモリに記録します。
      注:加熱抵抗に印加される供給電圧の低下に応じて過渡状態が遅くなるため、ステップ2.1.5の動作は以下の通りです。20V(交流・直流)で20〜30秒、50秒、または60秒で実行可能です。
      1. ローカルインターフェースで示されたサンプル1から1500までは5秒ごとにキャプチャし、ACとDCの両方で20、60、100Vを繰り返します。
      2. 100 V(交流・直流)では、ローカルインターフェースで示されたサンプル1500から2800の間は10秒ごとにキャプチャし、20 V(交流・直流)ではサンプル間隔1500から5500の間にキャプチャ、60 V(交流・直流)では15秒ごとに15秒ごとにキャプチャします。
      3. 100 V(交流・直流)の場合は、定常状態に達するまで20秒ごとにサンプル2800から取得し、60 V(交流および直流)では定常状態に達するまで30秒ごとにサンプル4000から取得し、20 V(交流および直流)では定常状態に達するまで20秒ごとにサンプル5500から取得します。
   6. キャプチャされたサーモグラムの名前と、局所インターフェースに表示されるボイラープレート温度試料の値を記録します。
2. 局所プロセスインターフェースを通じてボイラープレート温度データの取得。
   注:図3D,Eは2.2で言及されたプロセスを詳細に示しています。
   1. インターフェースによって生成された一時ファイルを保存します。
   2. 現在のプロセスフォルダ内のファイル名を変更して保存してください。
   3. テスト中に生成された.csvファイルを収集し、プロセスで得られたすべてのデータをまとめた単一のファイルを作成します。
      注:インターフェースは1020サンプルごとにプロセスを保存し、これはプロセスの1セクションに相当します。これらは後で処理するために保存しなければならない一時ファイルです。0.5秒は各サンプルのサンプリング時間です。保存された数値データは、ボイラー内の蒸気を測定する温度センサーによって生成されるプロセスの動的な挙動に対応します。
3. ボイラープレート温度データおよび取得したプロセスサーモグラムの準備。
   注: 図3A、B、C、F、G は2.3で言及されたプロセスを示しています。
   1. サーマルカメラからサーモグラムを抽出してください。
      注:サーモグラムは、使用電圧に応じたRTD加熱による温度分布を示しています。
   2. サーモグラムを見直し、不要なものは捨ててください。
   3. サーモグラムに手動で基準点をマークしてください。
   4. 2.2.3で生成されたプロセスデータファイルを使ってプロセス温度概要グラフを作成します。
   5. 局所界面からのボイラー温度データを取得したプロセスサーモグラムと関連付けます。

3. ボイラープレートプロセス用のサーモグラムの分析および処理

1. サーモグラム処理のアルゴリズムの開発。
   1. 平均トレンドを可視化するためのグラフ作成。
      1. 画像を変数に読み込みます。
      2. グラフ軸のベクトルのサイズを画像変数を用いて定義します。
      3. 解析画像に基づいて最低温度範囲と最高温度範囲を検出する領域を定義します。
      4. 図を用意してグラフを描く。
2. サーモグラムの処理(図4)。
   1. 画像を変数に読み込みます。
   2. 2.3.3で示された参照点の探索領域を定義します。
   3. 基準点を特定し、その座標を取得します。
   4. 3.2.3の座標を使って解析領域を示してください。
   5. 解析領域をグレースケールに変換してください。
   6. 3.2.5で定義される面積の平均を計算します。
   7. 画像内の最大温度と最低温度領域を分離してください。
   8. グラフィックな数字を数値テキストに変換してください。
   9. 画像範囲に応じて平均値をスケールした最大・最低温度に変換します。
   10. 平均值とラベルの合計を保存します。
   11. 平均結果の総プロットをする。

結果

結果は 表1に記載された値に基づいて作成された6つのテストによるものです。解析には熱情報と局所インターフェースを通じて得られたデータも考慮されました。

100 V AC-DC電源電圧の比較解析
ローカルインターフェースを用いたプロセスから得られたデータは、直流電源の場合、温度測定がプロセス全体を通じて変動する一方、交流(図5A)では測定がより安定していることを示しました。

特に、この過程で過渡状態に到達するまでの時間は両者で同じで(約6000サンプル)、しかし、ボイラープレート内の熱変化には変動があり、これはVDCの 図6A 、VACの 図6C で観察できます。

ディスカッション

提示された手順は、蒸留カラムなどの化学プロセスにおいて供給物を正しく選択する重要性の一般的なイメージを提供します。しかし、このプロセスには不利な結果を避けるために慎重に対処しなければならない重要なポイントがあります。

サーモグラムを撮影する際は、カメラの位置を特定するために三脚を使うことが重要です。これにより、サーモグラムを撮影する際の誤動を防ぎます。

ローカルインターフェースで生成されたファイルは、削除前に保存または一般ファイルにコピーしなければならず、これによりデータ損失の原因となる可能性があります。

各サーモグラムで示される温度範囲を考慮することが重要です。これによりボイラープレート内の加熱増加傾向が失われる可能性があります。

各画像の温度範囲を検出するために(3.2.7で言及されているように)、数値検出ゾーンを完全に可視化することが重要です。...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
カメラ	FLIR	i7	サーモグラムキャプチャ装置
蒸留パイロットプラント		EDF-1000	蒸留パイロットプラント
蒸留水	Tecnologia y control ambiental	CAS-7732-18-5	混合成分
エタノール	JR		混合成分
マルチメーター	フルーク		測定機器
NI myRIO	ナショナル・インストゥルメンツ	1900	データ取得カード
電源供給		SPS1203	直流電源電圧
パイソン		3.12	画像処理用のソフトウェア
温度センサー		PT100	プラント内に設置されたセンサーで、一部のプロセスプレート上で直接温度測定が可能になりました。
熱抵抗	サニー	SGH-380	73オームの値