Porównanie zachowania termicznego i efektywności energetycznej AC i DC ogrzewania elektrycznego w kolumnie destylacyjnej za pomocą analizy termografii podczerwieni

Summary

Niniejszy artykuł przedstawia porównawcze badanie zachowania termicznego i efektywności energetycznej elementu grzewczego w kotle kolumnowym destylacji, zasilanego prądem zmiennym (AC) i prądem stałym (DC), oceniając jego wydajność na podstawie wyników statystycznych, takich jak minimalna i maksymalna temperatura, średnia danych termicznych oraz współczynnik zmienności.

Abstract

Termografia podczerwieni (IRT) to szeroko stosowana technika bezkontaktowa do ilościowego określania wydajności termicznej w przemysłowych systemach grzewczych. Badanie to wykorzystuje IRT do analizy i porównania zachowania termicznego oraz sprawności elektrycznej rezystora grzewczego w kotle kolumnowym destylacji pod zasilaniem prądem zmiennym (AC) i prądem stałym (DC). Eksperymenty prowadzono z użyciem pilotażu destylacyjnego, który zawierał rezystor grzewczy o mocy 130 W zasilany przez źródło prądu przemiennego (60 Hz) oraz równoważne źródło prądu stałego, uwzględniając różne konfiguracje napięcia i prądu. Dynamikę termiczną rejestrowano za pomocą skalibrowanej kamery na podczerwień fal średnich (zakres spektralny od 7,5 do 13 μm), równolegle z pomiarami mocy elektrycznej z wbudowanego systemu kart do akwizycji danych.

Proponowana metodologia ustanawia protokół IRT do ilościowego określania odpowiedzi termicznych za pomocą obrazów IRT, umożliwiając mapowanie heterogeniczności temperatur 2D za pomocą termogramów skorygowanych emisywnością.

Analizy efektywności energetycznej wykazały, że DC zmniejsza straty dżulowe, podczas gdy AC wykazuje lepszą stabilność termiczną podczas długotrwałej pracy. To zintegrowane podejście IRT dostarcza praktycznych wniosków do optymalizacji systemów destylacji energii i jest zgodne z inicjatywami elektryfikacji przemysłowej. Protokół jest skalowalny do monitorowania procesów termoelektrycznych na podczerwień w zastosowaniach chemicznych, farmaceutycznych i odnawialnych źródeł energii.

Introduction

Systemy wymiany ciepła to podstawowe urządzenia w inżynierii chemicznej, wykorzystywane do ułatwiania transferu energii cieplnej między dwoma strumieniami procesowymi, nawet bez bezpośredniego kontaktu fizycznego. Ich zastosowanie w urządzeniach takich jak kolumny destylacyjne pozwala na optymalizację zużycia energii, poprawę efektywności separacji komponentów oraz utrzymanie stabilnych warunków pracy dzięki precyzyjnej kontroli profili temperaturowych¹.

Siłownik mocy w kolumnie destylacyjnej jest uważany za system wymiany ciepła, składający się z oporu elektrycznego, który zarówno w prądzie stałym (DC), jak i prądzie przemiennym (AC), spełnia prawo Ohma, ustanawiając bezpośrednią zależność między napięciem, prądem i rezystancją. Jednak zachowanie rezystora podczas pracy AC jest bardziej złożone ze względu na wpływ częstotliwości, impedancji oraz indukcyjnych i pojemnościowych efektów systemu. Jednak oferuje pewne zalety w konkretnych zastosowaniach przemysłowych ^2,3.

Zachowanie rezystora rzeczywistego różni się od jego ideału, ponieważ materiały fizyczne mogą wywoływać zjawiska takie jak indukcyjność pasożytnicza, a w niektórych przypadkach pojemność pasożytnicza⁴. Efekty te zależą od częstotliwości sygnału AC, rozróżniającej się na podstawie wartości częstotliwości. W jednym przypadku efekty reaktywne (indukcyjne lub pojemnościowe) są praktycznie pomijalne; dlatego rezystor zachowuje się liniowo i niemal idealnie przestrzega prawa Ohma. Dlatego jego reakcja jest porównywalna z rezystorem idealnym stosowanym w prądzie stałym, jeśli uwzględnimy niskie częstotliwości.

Dla wysokich częstotliwości rzeczywista rezystancja zaczyna wykazywać składową indukcyjną, zwłaszcza jeśli jej konstrukcja obejmuje elementy takie jak uzwojenia lub długie połączenia⁵. Nieprawidłowe użycie rezystorów elektrycznych w procesach destylacji może powodować wstrząsy termiczne w kotle kolumnowym, zwłaszcza gdy równowaga efektu termosyfonowego ulega zmianie, zjawisko to występuje w wyniku interakcji między transferem ciepła a naturalnym przepływem cieczy wywołanej różnicami gęstości⁶.

Szybkość wymiany ciepła w kotle jest określana przez efektywną długość stref grzewczych i parowych, a także przez geometryczny układ wymiennika⁷. Ponadto ta szybkość zależy znacząco od ciśnienia roboczego i zawartości par, ponieważ współczynnik przenikania ciepła w strefie parowania jest znacznie wyższy niż w strefie wstępnego podgrzewania⁸.

Praca ta proponuje porównawcze badanie pomiędzy zasilaczami prądu przemiennego i stałego (AC) i DC do zasilania rezystora grzewczego wewnątrz kolumny destylacyjnej, oceniając ich wpływ na efektywność cieplną procesu, profil temperaturowy w kotle, zużycie energii oraz stabilność podczas cyklu destylacji. Główne cechy zakładu to: płyta kotłowa o pojemności 2 L, rezystor grzewczy o mocy 300 W, wyciąg produktu od dna, podwójny spiralny skraplacz, zbiornik zbiornikowy L na produkty destylowane oraz zawór refluksowy włączany/wyłączany.

Protocol

1. Konfiguracja i procedury przygotowania mieszanki, realizacji procesu z lokalnego interfejsu oraz uruchamiania zasilania

1. Przygotowanie mieszanki do wykorzystania w procesie wewnątrz kotła (Rysunek 1).
   1. Umieść 1 L etanolu i 1 L wody destylowanej w osobnych kolbach.
   2. Umieść zawartość każdej kolby wewnątrz płytki kotłowej.
   3. Upewnij się, że przyrządy są prawidłowo ustawione.
      1. Sprawdź połączenia węży na skraplaczu z pompy wody chłodzącej.
      2. Sprawdź rozmieszczenie czujników na płytach korpusu kolumny destylacyjnej.
      3. Sprawdź stan siłowników pompy wody chłodzącej, rezystora grzewczego i siłownika refluksu.
2. Wykonaj lokalny interfejs na komputerze PC i karcie akwizycji danych (Rysunek 2).
   1. Na lokalnym komputerze otwórz oprogramowanie "kolumna destylacji".
   2. Podłącz kartę akwizycji danych do lokalnego komputera.
   3. Zweryfikowaj komunikację między kartą akwizycji danych a lokalnym komputerem.
      1. Zweryfikowaj przedmioty w oknie wyskakującym (pop up).
   4. Wybierz mieszaninę do wykorzystania w lokalnym interfejsie.
   5. Rozpocznij proces z lokalnego interfejsu, klikając przycisk Start .
      1. Zweryfikowaj otrzymanie informacji z lokalnych czujników w każdym z okien interfejsu na lokalnym komputerze.
         UWAGA: Chociaż eksperyment ogranicza się do mieszaniny binarnej etanolu i wody, interfejs pozwala na obserwację różnych mieszanin. Ponieważ wymiana ciepła między RTD a cieczą zależy od ogólnych właściwości termicznych, takich jak pojemność cieplna i przewodność, można założyć, że stosowana metodologia, oparta na danych eksperymentalnych do definiowania zachowania termicznego, jest prawidłowa dla innych mieszanin w warunkach kontrolowanych. Podejście to potwierdzają badania kolumn destylacyjnych, które dynamicznie modelują idealne mieszaniny binarne ^9,10,11.
3. Przygotowanie do zasilania rezystora grzewczego przez zasilacze prądu zmiennego lub stałego (AC) lub stałego prądu.
   1. Używając multimetru jako woltomierza, ustaw wartość napięcia wyjściowego z panelu przedniego zasilacza, zgodnie z tym (AC lub DC). Po skonfigurowaniu wyłącz zasilacz.
   2. Podłącz zasilanie napięciowe do termometru rezystancyjnego zamontowanego w płycie boiler.
   3. Zasil rezystor grzewczy, włączając zasilanie.
   4. Sprawdź monitorowanie prądu i napięcia z lokalnego interfejsu.
      UWAGA: Tabela 1 przedstawia wartości napięcia i prądu użyte w eksperymencie zarówno dla prądu przemiennego, jak i stałego.

2. Konfiguracja, pozyskiwanie i analiza termogramów oraz danych temperaturowych na płytce kotłowej w trakcie procesu

1. Montaż i pozyskiwanie termogramów za pomocą kamery termowizyjnej z płytą kotłową w trakcie produkcji.
   UWAGA: W ramach eksperymentu godziny pracy i pomiary wykonywano od 13:00 do 15:00, gdy temperatura otoczenia wewnątrz laboratorium wynosiła od 22° do 24,5 °C.
   1. Wybierz paletę kolorów Iron z menu kamery termowizyjnej.
   2. Ustaw wartość korekcji emisyjności na 0,95 w menu kamery termowizyjnej .
      UWAGA: Kamera może być samokalibrowana i okresowo kalibrowana przez wykwalifikowany personel. Wartość emisyjności jest wybierana na podstawie chropowatości, grubości i przezroczystości szkła tworzącego zbiornik kotła. Dlatego dla pomiaru termicznego¹³ brano pod uwagę wartość emisyjności 0,95. Ponieważ różnica jest minimalna, wpływ na szacunkowy pomiar temperatury jest znikomy w zakresie pracy eksperymentu.
   3. Umieść kamerę termowizyjną około 80 cm od płyty boiler.
      UWAGA: Pomiar w wersji 2.1.3 był rozpatrywany na podstawie minimalnej odległości roboczej aparatu (0,6 m) ze względu na rozdzielczość (140 x 140 pikseli) i pole widzenia (29° x 29°)¹², dlatego użyta odległość pozwala na uchwycenie istotnych szczegółów termicznych bez kompromisów w pomiarze ciśnienia na płytce bojowej.
   4. Trzymając kamerę termowizyjną około 60 cm nad podłogą, umieść ją skierowaną w stronę płyty kotłowej w kolumnie destylacyjnej.
      UWAGA: Pomiar w 2.1.4 został wybrany na podstawie wysokości kotła płytowego.
   5. Naciśnij przycisk zapisu , aby zarejestrować termogram w pamięci kamery termowizyjnej.
      UWAGA: Ponieważ stan przejściowy jest wolniejszy w zależności od spadku napięcia zasilania przyłożonego do rezystora grzewczego, działanie w kroku 2.1.5. można je wykonać z napięciem od 20 do 30, 50 lub 60 s dla 20 V (AC i DC).
      1. Rejestruj co 5 sekund podczas próbek od 1 do 1500 oznaczonych na lokalnym interfejsie, powtarzaj dla 20, 60 i 100 V zarówno dla AC, jak i DC.
      2. Dla 100 V (AC i DC) rejestruj co 10 sekund podczas próbek 1500 do 2800 wskazanych na lokalnym interfejsie, dla 20 V (AC i DC), rejestruj w interwale próbkowania 1500 do 5500, a dla 60 V (AC i DC), rejestruj co 15 s podczas próbek od 1500 do 4000.
      3. Dla 100 V (AC i DC) rejestruj co 20 sekund od próbki 2800 aż do osiągnięcia stanu stacjonarnego, dla 60 V (AC i DC), rejestruj co 30 sekund od próbki 4000 aż do osiągnięcia stanu stałego, a dla 20 V (AC i DC) co 20 sekund od próbki 5500 aż do osiągnięcia stanu stacjonarnego.
   6. Zarejestruj nazwę zarejestrowanego termogramu oraz wartość próbki temperatury płyty kotłowej wyświetlanej na lokalnym interfejsie.
2. Pozyskiwanie danych o temperaturze płyty kotłowej za pomocą lokalnego interfejsu procesowego.
   UWAGA: Rysunek 3D,E szczegółowo przedstawia proces opisany w 2.2.
   1. Przechowuj pliki tymczasowe wygenerowane przez interfejs.
   2. Przemianowanie i zapisywanie plików w aktualnym folderze procesów .
   3. Zbierz .csv plików wygenerowanych podczas testu i wygeneruj jeden plik ze wszystkimi danymi uzyskanymi podczas procesu.
      UWAGA: Interfejs przechowuje dane procesu co 1020 próbek, co odpowiada jednej sekcji procesu. Są to pliki tymczasowe, które muszą być przechowywane do późniejszego przetwarzania. 0,5 s to czas próbkowania dla każdej próbki. Zapisane dane numeryczne odpowiadają dynamicznemu zachowaniu procesu generowanemu przez czujnik temperatury mierzący parę wewnątrz kotła.
3. Przygotowywanie danych o temperaturze płyty kotłowej oraz zarejestrowanych termogramów procesowych.
   UWAGA: Rysunki 3A,B,C,F,G pokazują proces opisany w 2.3.
   1. Wyodrębnij termogramy z kamery termowizyjnej.
      UWAGA: Termogramy pokazują rozkład temperatur wynikający z ogrzewania RTD zgodnie z użytym napięciem.
   2. Przejrzyj termogramy i wyrzuć niechciane.
   3. Ręcznie zaznacz punkt odniesienia na termogramach.
   4. Stwórz wykres przeglądu temperatury procesu za pomocą pliku danych procesu wygenerowanego w wersji 2.2.3.
   5. Powiązaj dane o temperaturze kotła z lokalnego interfejsu z zarejestrowanymi termogramami procesu.

3. Analiza i przetwarzanie termogramów do procesu płyty kotłowej

1. Opracowanie algorytmu do przetwarzania termogramów.
   1. Przygotowanie wykresów do wizualizacji średnich trendów.
      1. Załaduj obraz do zmiennej.
      2. Zdefiniuj rozmiar wektorów dla osi grafu, używając zmiennej obrazu.
      3. Zdefiniuj obszar do wykrywania minimalnych i maksymalnych zakresów temperatur na podstawie obrazu analitycznego.
      4. Przygotuj figurę do wykresu.
2. Przetwarzanie termogramów (Rysunek 4).
   1. Załaduj obraz do zmiennej.
   2. Zdefiniuj obszar wyszukiwania dla punktu odniesienia oznaczonego w wersji 2.3.3.
   3. Wyizoluj punkt odniesienia i uzyskaj jego współrzędne.
   4. Wskaż obszar analizy za pomocą współrzędnych w wersji 3.2.3.
   5. Przekonwertuj obszar analizy na skalę szarości.
   6. Oblicz średnią powierzchni zdefiniowanej przez 3.2.5.
   7. Wyodrębnić obszary maksymalnej i minimalnej temperatury na obrazie.
   8. Przekonwertuj liczby graficzne na tekst numeryczny.
   9. Przelicz wartości średnie na skalowane temperatury maksymalne i minimalne zgodnie z zakresami obrazu.
   10. Zapisz całkowite wartości średnie i etykiety.
   11. Zrób wykres całkowitych średnich wyników.

Results

Wyniki pochodzą z sześciu testów opracowanych z wartościami wymienionymi w Tabeli 1. Do analizy brano pod uwagę informacje termiczne, a także dane uzyskane przez interfejs lokalny.

Analiza porównawcza napięcia zasilającego 100 V AC-DC
Dane uzyskane z procesu przy użyciu lokalnego interfejsu wskazywały, że dla zasilacza stałego pomiar temperatury zmienia się w trakcie procesu, podczas gdy przy użyciu prądu zmiennego (rysunek 5A

Discussion

Przedstawiona procedura daje ogólne pojęcie o znaczeniu prawidłowego wyboru paszy do procesu chemicznego, takiego jak kolumna destylacyjna; Jednak proces ten zawiera kilka kluczowych punktów, które należy uwzględnić z dużą ostrożnością, aby uniknąć negatywnych skutków.

Podczas rejestrowania termogramów ważne jest, aby rozważyć użycie statywu do lokalizacji aparatu. Zapobiega to przypadkowemu ruchowi podczas przechwytywania termogramów.

Pliki generowane przez lokalny...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Kamera	FLIR	i7	Sprzęt do przechwytywania termogramów
Zakład destylacji pilotażowy		EDF-1000	Zakład destylacji pilotażowy
Woda destylowana	Tecnologia y control ambiental	CAS-7732-18-5	Składnik mieszany
Etanol	JR		Składnik mieszany
Multimetr	FLUKE		Urządzenia pomiarowe
NI myRIO	Instrumenty narodowe	1900	Karta akwizycji danych
Zasilacz		SPS1203	Napięcie zasilacza stałego
Python		3.12	Oprogramowanie do przetwarzania obrazu
Czujnik temperatury		PT100	Czujniki zainstalowane w zakładzie do bezpośredniego pomiaru temperatury na niektórych płytach procesowych.
Opór termiczny	Sunny	SGH-380	Wartość 73 omów