Vergelijking van thermisch gedrag en energie-efficiëntie van AC- versus DC-elektrische verwarming in een destillatiekolom met behulp van infrarood-thermografieanalyse

Samenvatting

Dit artikel presenteert een vergelijkende studie naar het thermisch gedrag en de energie-efficiëntie van een verwarmingselement in een destillatiekolomketel, aangedreven door wisselstroom (AC) en gelijkstroom (DC), waarbij de prestaties worden geëvalueerd op basis van statistische resultaten zoals minimum- en maximumtemperatuur, het gemiddelde van de thermische gegevens en de variatiecoëfficiënt.

Samenvatting

Infraroodthermografie (IRT) is een veelgebruikte niet-contacttechniek om thermische prestaties in industriële verwarmingssystemen te kwantificeren. Deze studie maakt gebruik van IRT om het thermisch gedrag en de elektrische energie-efficiëntie van een verwarmingsweerstand binnen een destillatiekolomketel onder wisselstroom (AC) en gelijkstroom (DC) voeding te analyseren en te vergelijken. Experimenten werden uitgevoerd met een destillatiepilotinstallatie, die een 130 W verwarmingsweerstand omvatte die werd aangedreven door een AC (60 Hz) bron en een equivalente DC-bron rekening houdend met verschillende spanning-stroom configuraties. Thermische dynamica werd vastgelegd met een gekalibreerde mid-wave IR-camera (spectraal bereik van 7,5 tot 13 μm), parallel met elektrische vermogensmetingen van een data-acquisitiekaart ingebed systeem.

De voorgestelde methodologie stelt een IRT-protocol vast voor het kwantificeren van thermische responsen via IRT-beelden, waardoor 2D-temperatuurheterogeniteit in kaart kan worden gebracht via emissiviteitsgecorrigeerde thermogrammen.

Energie-efficiëntieanalyses toonden aan dat gelijkstroom de jouleverliezen verminderde, terwijl wisselstroom bij langdurige werking superieure thermische stabiliteit vertoonde. Deze IRT-geïntegreerde aanpak biedt bruikbare inzichten voor het optimaliseren van destillatie-energiesystemen en sluit aan bij industriële elektrificatie-initiatieven. Het protocol is schaalbaar voor infraroodgebaseerde monitoring van thermo-elektrische processen in chemische, farmaceutische en hernieuwbare energietoepassingen.

Inleiding

Warmtewisselsystemen zijn fundamentele apparaten in de chemische technologie, die worden gebruikt om de overdracht van thermische energie tussen twee processtromen te faciliteren, zelfs zonder direct fysiek contact. Hun integratie in apparatuur zoals destillatiekolommen maakt het mogelijk om het energieverbruik te optimaliseren, de efficiëntie van componenten te verbeteren en stabiele bedrijfsomstandigheden te handhaven door nauwkeurige controle van temperatuurprofielen¹.

Een vermogensactuator in een destillatiekolom wordt beschouwd als een warmtewisselaarsysteem, bestaande uit een elektrische weerstand die, zowel in gelijkstroom (DC) als wisselstroom (AC), voldoet aan de wet van Ohm, en zo een directe relatie tussen spanning, stroom en weerstand vastlegt. Het gedrag van de weerstand bij gebruik van wisselstroom is echter complexer door de invloed van frequentie, impedantie en de inductieve en capacitieve effecten van het systeem. Het biedt echter bepaalde voordelen in specifieke industriële toepassingen ^2,3.

Het gedrag van een reële weerstand verschilt van zijn ideaal omdat fysische materialen fenomenen kunnen induceren zoals parasitaire inductantie en, in bepaalde gevallen, parasitaire capaciteit⁴. Deze effecten hangen af van de frequentie van het wisselstroomsignaal en worden onderscheiden aan de hand van frequentiewaarden. In één geval zijn de reactieve effecten (inductief of capacitief) praktisch verwaarloosbaar; daarom gedraagt de weerstand zich lineair en voldoet hij bijna perfect aan de wet van Ohm. De respons is dus vergelijkbaar met die van een ideale weerstand die in gelijkstroom wordt gebruikt, wanneer men lage frequenties beschouwt.

Voor hoge frequenties begint de daadwerkelijke weerstand een inductief component te vertonen, vooral als de constructie elementen omvat zoals wikkelingen of lange verbindingen⁵. Het onjuiste gebruik van elektrische weerstanden in destillatieprocessen kan thermische schokken veroorzaken in de kolomketel, vooral wanneer het evenwicht van het thermosifoneffect verandert, een fenomeen dat optreedt door de interactie tussen warmteoverdracht en de natuurlijke stroming van de vloeistof, veroorzaakt door dichtheidsverschillen⁶.

De warmteoverdrachtsnelheid in de ketel wordt bepaald door de effectieve lengte van de verwarmings- en verdampingszones, evenals door het geometrische ontwerp van de wisselaar⁷. Bovendien hangt deze snelheid aanzienlijk af van de werkdruk en dampgehalte, aangezien de warmteoverdrachtscoëfficiënt in de verdampingszone aanzienlijk hoger is dan in de voorverwarmingszone⁸.

Dit werk stelt een vergelijkende studie voor tussen AC- en DC-voedingen om een verwarmingsweerstand binnen een destillatiekolom te voeden, waarbij hun impact op de thermische efficiëntie van het proces, het temperatuurprofiel in de ketel, het energieverbruik en de stabiliteit tijdens de destillatiecyclus wordt geëvalueerd. De belangrijkste kenmerken van de installatie zijn: een 2 L ketelplaat, een 300 W verwarmingsweerstand, bodemproductextractie, een dubbele spiraalcondensator, een L-reservoirtank voor gedestilleerde producten en een aan-uit refluxventiel.

Protocol

1. Configuratie en procedures voor mengselvoorbereiding, procesuitvoering vanaf de lokale interface en het opstarten van de voeding

1. Bereiding van het mengsel dat in het proces in de ketel gebruikt zal worden (Figuur 1).
   1. Plaats 1 liter ethanol en 1 liter gedestilleerd water in aparte flessen.
   2. Plaats de inhoud van elke kolf in de boilerplate van de plaat.
   3. Zorg ervoor dat de instrumentatie correct is gepositioneerd.
      1. Controleer de slangaansluitingen van de condensor van de koelwaterpomp.
      2. Controleer de plaatsing van de sensoren op de platen van het destillatiekolomlichaam.
      3. Controleer de conditie van de actuatoren van de koelwaterpomp, de verwarmingsweerstand en de refluxactuator.
2. Voer de lokale interface uit op de pc en de gegevensverzamelkaart (Figuur 2).
   1. Open op de lokale pc de software "destillatiekolom".
   2. Verbind de dataverzamelingskaart met de lokale pc.
   3. Controleer de communicatie tussen de dataverzamelingskaart en de lokale pc.
      1. Valideer de items in het pop-upvenster.
   4. Selecteer het mengsel dat gebruikt moet worden in de lokale interface.
   5. Start het proces via de lokale interface door op de Startknop te klikken.
      1. Controleer de ontvangst van informatie van lokale sensoren in elk van de interfacevensters op de lokale pc.
         OPMERKING: Hoewel het experiment beperkt is tot een binaire mix van ethanol en water, maakt de interface het mogelijk om verschillende mengsels te observeren. Aangezien de warmteoverdracht tussen de RTD en de vloeistof afhangt van algemene thermische eigenschappen zoals warmtecapaciteit en geleidbaarheid, kan worden aangenomen dat de gebruikte methodologie, die gebaseerd is op experimentele gegevens om thermisch gedrag te definiëren, geldig is voor andere mengsels onder gecontroleerde omstandigheden. Deze benadering wordt ondersteund door studies naar destillatiekolommen die dynamisch ideale binaire mengsels ^9,10,11 modelleren.
3. Voorbereiding op AC- of DC-voedingen om de verwarmingsweerstand van stroom te voorzien.
   1. Met een multimeter als voltmeter stel je de uitgangsspanning in van het frontpaneel van de voeding, afhankelijk van de juiste situatie (AC of DC). Zodra het is ingesteld, zet je de voeding uit.
   2. Sluit de spanningsvoeding aan op de weerstandsthermometer die in de boilerplate is geïnstalleerd.
   3. Activeer de verwarmingsweerstand door de voeding aan te zetten.
   4. Controleer stroom- en spanningsmonitoring vanaf de lokale interface.
      OPMERKING: Tabel 1 geeft de spannings- en stroomwaarden aan die voor het experiment zijn gebruikt, zowel voor wisselstroom als gelijkstroom.

2. Opzetten, verzamelen en analyseren van thermogrammen en temperatuurgegevens op de in-process boilerplate

1. Opstelling en opname van thermogrammen met behulp van de in-process boilerplate thermische camera.
   OPMERKING: Voor het experiment werden de werktijden en metingen uitgevoerd van 13.00 tot 15.00 uur, wanneer de omgevingstemperatuur in het laboratorium 22° tot 24,5 °C was.
   1. Selecteer het Iron-kleurenpalet in het thermische cameramenu.
   2. Stel de emissiviteitscorrectiewaarde in op 0,95 in het thermische cameramenu .
      OPMERKING: De camera kan zelf worden gekalibreerd en wordt periodiek gekalibreerd door getraind personeel. De emissiviteitswaarde wordt gekozen op basis van de ruwheid, dikte en transparantie van het glas waaruit de keteltank bestaat. Daarom werd een emissiviteitswaarde van 0,95 overwogen voor de thermische meting¹³. Omdat het verschil minimaal is, is de impact op de temperatuurschatting verwaarloosbaar binnen het werkbereik van het experiment.
   3. Plaats de thermische camera ongeveer 80 cm van de boilerplate.
      OPMERKING: De meting in 2.1.3 werd beschouwd op basis van de minimale werkafstand van de camera (0,6 m) vanwege de resolutie (140 x 140 pixels) en het gezichtsveld (29° x 29°)¹², waardoor de gebruikte afstand het mogelijk maakt relevante thermische details vast te leggen zonder de drukmeting op de boilerplate te compromitteren.
   4. Houd de thermische camera ongeveer 60 cm boven de vloer en plaats de camera gericht op de ketelplaat in de destillatiekolom.
      OPMERKING: De meting in 2.1.4 is geselecteerd op basis van de hoogte van de plaatketel.
   5. Druk op de opslaanknop om het thermogram in het geheugen van de thermische camera op te nemen.
      OPMERKING: Omdat de transiënte toestand langzamer is afhankelijk van de afname van de voedingsspanning die op de verwarmingsweerstand wordt aangelegd, wordt de actie in stap 2.1.5. kan worden uitgevoerd op 20 tot 30, 50 of 60 seconden voor 20 V (AC en DC).
      1. Leg elke 5 seconden vast tijdens samples van 1 tot 1500 die op de lokale interface zijn aangegeven, herhaal dit voor 20, 60 en 100 V voor zowel AC als DC.
      2. Voor 100 V (AC en DC), capture elke 10 seconden tijdens samples 1500 tot 2800 aangegeven op de lokale interface, voor 20 V (AC en DC), capture tijdens het sampleinterval 1500 tot 5500, en voor 60 V (AC en DC), capture elke 15 s tijdens samples 1500 tot 4000.
      3. Voor 100 V (AC en DC) vangt u elke 20 seconden van sample 2800 tot steady state is bereikt, voor 60 V (AC en DC), capture elke 30 seconden van sample 4000 tot steady state is bereikt, en voor 20 V (AC en DC) capture elke 20 s vanaf sample 5500 tot steady state is bereikt.
   6. Noteer de naam van het vastgelegde thermogram en de waarde van het temperatuurmonster van de boilerplate die in de lokale interface wordt weergegeven.
2. Verkrijgen van boilerplate-temperatuurgegevens via de lokale procesinterface.
   OPMERKING: Figuur 3D,E toont het proces dat in 2.2 wordt genoemd in detail.
   1. Sla de tijdelijke bestanden op die door de interface worden gegenereerd.
   2. Hernoem en sla de bestanden op in de huidige procesmap .
   3. Verzamel de .csv bestanden die tijdens de test zijn gegenereerd en genereer één bestand met alle gegevens die uit het proces zijn verkregen.
      OPMERKING: De interface slaat procesgegevens op elke 1020 samples, wat overeenkomt met één sectie van het proces. Dit zijn tijdelijke bestanden die moeten worden opgeslagen voor latere verwerking. 0,5 s is de bemonsteringstijd voor elke steekproef. De opgeslagen numerieke gegevens komen overeen met het dynamische gedrag van het proces dat wordt gegenereerd door een temperatuursensor die de damp in de ketel meet.
3. Voorbereiding van temperatuurgegevens van boilerplate en vastgelegde procesthermogrammen.
   OPMERKING: Figuren 3A, B, C, F, G tonen het proces dat in 2.3 wordt genoemd.
   1. Haal thermogrammen uit de thermische camera.
      OPMERKING: De thermogrammen tonen de temperatuurverdeling die voortkomt uit de RTD-verwarming volgens de gebruikte spanning.
   2. Bekijk de thermogrammen en gooi eventuele ongewenste weg.
   3. Markeer handmatig een referentiepunt op de thermogrammen.
   4. Maak de grafiek over procestemperatuuroverzicht aan met behulp van het procesgegevensbestand dat in 2.2.3 is gegenereerd.
   5. Koppel de keteltemperatuurgegevens van de lokale interface aan de vastgelegde procesthermogrammen.

3. Analyse en verwerking van thermogrammen voor het boiler plate-proces

1. Ontwikkeling van een algoritme voor thermogramverwerking.
   1. Voorbereiding van grafieken om gemiddelde trends te visualiseren.
      1. Laad de afbeelding in een variabele.
      2. Definieer de grootte van de vectoren voor de graafassen met behulp van de afbeeldingsvariabele.
      3. Definieer het gebied voor het detecteren van minimale en maximale temperatuurbereiken op basis van het analysebeeld.
      4. Maak de figuur klaar voor het maken van grafieken.
2. Thermogrammen verwerken (Figuur 4).
   1. Laad de afbeelding in een variabele.
   2. Definieer een zoekgebied voor het referentiepunt dat in 2.3.3 is aangegeven.
   3. Isoleer het referentiepunt en verkrijg de coördinaten.
   4. Geef het analysegebied aan met de coördinaten in 3.2.3.
   5. Zet het analysegebied om naar grijstinten.
   6. Bereken het gemiddelde van het gebied gedefinieerd door 3.2.5.
   7. Isoleer de maximale en minimale temperatuurgebieden in de afbeelding.
   8. Zet de grafische cijfers om naar numerieke tekst.
   9. Zet de gemiddelde waarden om in geschaalde maximum- en minimumtemperaturen volgens de beeldbereik.
   10. Sla de totale gemiddelde waarden en labels op.
   11. Plot de totale gemiddelde resultaten.

Resultaten

De resultaten zijn afkomstig van zes tests die zijn ontwikkeld met de waarden die in Tabel 1 worden genoemd. Thermische informatie werd meegenomen voor de analyse, evenals gegevens verkregen via de lokale interface.

Vergelijkende analyse voor een 100 V AC-DC voedingsspanning
De gegevens verkregen van het proces via de lokale interface gaven aan dat bij een DC-voeding de temperatuurmeting gedurende het proces varieert, terwi...

Discussie

De gepresenteerde procedure geeft een algemeen idee van het belang van het correct selecteren van het voer voor een chemisch proces zoals een destillatiekolom; Het proces kent echter enkele kritieke punten die met grote zorg moeten worden aangepakt om ongunstige resultaten te voorkomen.

Bij het vastleggen van thermogrammen is het belangrijk om een statief te gebruiken om de camera te lokaliseren. Dit voorkomt onbedoelde beweging tijdens het vastleggen van ther...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Camera	FLIR	i7	Thermogramopnameapparatuur
Distillatie pilot plant		EDF-1000	Distillatie pilot plant
Gedestilleerd water	Tecnologia y control ambiental	CAS-7732-18-5	Mengselcomponent
Ethanol	JR		Mengselcomponent
Multimeter	FLUKE		Meetapparatuur
NI myRIO	National Instruments	1900	Data-acquisitiekaart
Voeding		SPS1203	DC-voedingspanning
Python		3.12	Software voor beeldverwerking
Temperatuursensor		PT100	Sensoren geïnstalleerd in de plant voor directe temperatuurmeting op sommige procesplaten.
Thermische weerstand	Sunny	SGH-380	73 ohm waarde