Comparação de comportamento térmico e eficiência energética do aquecimento elétrico AC vs. DC em uma coluna de destilação usando análise de termografia infravermelha

Resumo

Este artigo apresenta um estudo comparativo sobre o comportamento térmico e a eficiência energética de um elemento de aquecimento dentro de uma caldeira de coluna de destilação, alimentada por corrente alternada (CA) e corrente contínua (CC), avaliando seu desempenho a partir de resultados estatísticos como temperatura mínima e máxima, a média dos dados térmicos e o coeficiente de variação.

Resumo

A termografia infravermelha (TRI) é uma técnica sem contato amplamente utilizada para quantificar o desempenho térmico em sistemas industriais de aquecimento. Este estudo utiliza a IRT para analisar e comparar o comportamento térmico e a eficiência energética de um resistor de aquecimento dentro de uma caldeira de coluna de destilação sob fontes de energia de corrente alternada (CA) e corrente contínua (DC). Experimentos foram realizados usando uma planta piloto de destilação, que incluía um resistor de aquecimento de 130 W alimentado por uma fonte AC (60 Hz) e uma fonte DC equivalente considerando diferentes configurações voltagem-corrente. A dinâmica térmica foi capturada usando uma câmera IR calibrada de onda média (faixa espectral de 7,5 a 13 μm), em paralelo com medições de energia elétrica de um sistema embutido com cartão de aquisição de dados.

A metodologia proposta estabelece um protocolo IRT para quantificar respostas térmicas via imagens IRT, permitindo mapear a heterogeneidade da temperatura 2D por termogramas corrigidos pela emissividade.

Análises de eficiência energética mostraram que a corrente contínua reduziu as perdas em Joule, enquanto a corrente alternada demonstrou estabilidade térmica superior durante operações prolongadas. Essa abordagem integrada à IRT fornece insights acionáveis para otimizar sistemas de energia de destilação e está alinhada com iniciativas de eletrificação industrial. O protocolo é escalável para monitoramento baseado em infravermelho de processos termoelétricos em aplicações químicas, farmacêuticas e de energia renovável.

Introdução

Sistemas de troca de calor são dispositivos fundamentais na engenharia química, usados para facilitar a transferência de energia térmica entre dois fluxos de processo, mesmo sem contato físico direto. Sua incorporação em equipamentos como colunas de destilação permite otimizar o consumo de energia, melhorar a eficiência da separação de componentes e manter condições operacionais estáveis por meio do controle preciso dos perfis^{de temperatura 1}.

Um atuador de potência em uma coluna de destilação é considerado um sistema de troca de calor, composto por uma resistência elétrica que, tanto em corrente contínua (DC) quanto em corrente alternada (AC), obedece à lei de Ohm, estabelecendo uma relação direta entre tensão, corrente e resistência. No entanto, o comportamento do resistor ao usar CA é mais complexo devido à influência da frequência, impedância e dos efeitos indutivos e capacitivos do sistema. No entanto, oferece certas vantagens em aplicações industriais^{específicas 2,3}.

O comportamento de um resistor real difere de seu ideal porque materiais físicos podem induzir fenômenos como indutância parasitária e, em certos casos, capacitância^{parasita 4}. Esses efeitos dependem da frequência do sinal AC, sendo distinguidos em termos de valores de frequência. Em um caso, os efeitos reativos (indutivos ou capacitivos) são praticamente desprezíveis; portanto, o resistor se comporta linearmente e obedece quase perfeitamente à lei de Ohm. Assim, sua resposta é comparável à de um resistor ideal usado em DC, considerando as baixas frequências.

Para altas frequências, a resistência real começa a apresentar um componente indutivo, especialmente se sua construção incluir elementos como enrolamentos ou conexões^{longas 5}. O uso inadequado de resistores elétricos em processos de destilação pode causar choques térmicos na caldeira da coluna, especialmente quando o equilíbrio do efeito termossifão é alterado, fenômeno que ocorre devido à interação entre a transferência de calor e o fluxo natural do líquido induzida pelas diferenças de^{densidade 6}.

A taxa de transferência de calor na caldeira é determinada pelo comprimento efetivo das zonas de aquecimento e evaporação, bem como pelo design geométrico do trocador⁷. Além disso, essa taxa depende significativamente da pressão de operação e do conteúdo de vapor, já que o coeficiente de transferência de calor na zona de evaporação é consideravelmente maior do que na zona de^{pré-aquecimento 8}.

Este trabalho propõe um estudo comparativo entre fontes de alimentação AC e DC para alimentar um resistor de aquecimento dentro de uma coluna de destilação, avaliando seu impacto na eficiência térmica do processo, perfil de temperatura na caldeira, consumo de energia e estabilidade durante o ciclo de destilação. As principais características da usina são: uma caldeira de 2 L, um resistor de aquecimento de 300 W, extração de produto no fundo, condensador duplo em espiral, reservatório em L para produtos destilados e válvula de refluxo liga-desligado.

Protocolo

1. Configuração e procedimentos para preparação da mistura, execução do processo a partir da interface local e início da fonte de alimentação

1. Preparação da mistura a ser usada no processo dentro da caldeira (Figura 1).
   1. Coloque 1 L de etanol e 1 L de água destilada em frascos separados.
   2. Coloque o conteúdo de cada cantil dentro da placa do boiler da placa.
   3. Certifique-se de que a instrumentação esteja posicionada corretamente.
      1. Verifique as conexões das mangueiras do condensador da bomba de água de resfriamento.
      2. Verifique a posição dos sensores nas placas do corpo da coluna de destilação.
      3. Verifique as condições dos atuadores da bomba de água de resfriamento, do resistor de aquecimento e do atuador de refluxo.
2. Execute a interface local no PC e na placa de aquisição de dados (Figura 2).
   1. No PC local, abra o software "coluna de destilação".
   2. Conecte o cartão de aquisição de dados ao PC local.
   3. Verifique a comunicação entre o cartão de aquisição de dados e o PC local.
      1. Valide os itens na janela pop-up.
   4. Selecione a mistura a ser usada na interface local.
   5. Inicie o processo pela interface local clicando no botão Iniciar .
      1. Verifique o recebimento de informações dos sensores locais em cada uma das janelas de interface do PC local.
         NOTA: Embora o experimento seja limitado a uma mistura binária de etanol e água, a interface permite a observação de diferentes misturas. Como a transferência de calor entre o RTD e o líquido depende de propriedades térmicas gerais, como capacidade calorífica e condutividade, pode-se supor que a metodologia empregada, que se baseia em dados experimentais para definir o comportamento térmico, é válida para outras misturas sob condições controladas. Essa abordagem é apoiada por estudos em colunas de destilação que modelam dinamicamente misturas binárias^{ideais 9,10,11}.
3. Preparando-se para fontes de alimentação AC ou DC para alimentar o resistor de aquecimento.
   1. Usando um multímetro como voltímetro, ajuste o valor da tensão de saída a partir do painel frontal da fonte de alimentação, conforme apropriado (CA ou DC). Uma vez configurado, desligue a fonte de alimentação.
   2. Conecte a fonte de tensão ao termômetro de resistência instalado na placa da caldeira.
   3. Energize o resistor de aquecimento ligando a fonte de alimentação.
   4. Verifique o monitoramento de corrente e tensão a partir da interface local.
      NOTA: A Tabela 1 indica os valores de tensão e corrente usados para o experimento, tanto para CA quanto para DC.

2. Montagem, aquisição e análise de termogramas e dados de temperatura na boilerplate em processo

1. Instalação e aquisição de termogramas usando a câmera térmica boilerplate em processo.
   NOTA: Para o experimento, as horas de funcionamento e as medições foram realizadas das 13h às 15h, quando a temperatura ambiente dentro do laboratório variava de 22° a 24,5 °C.
   1. Selecione a paleta de cores Ferro no menu da câmera térmica.
   2. Defina o valor de correção de emissividade para 0,95 no menu da câmera térmica .
      NOTA: A câmera pode ser autocalibrada e periodicamente calibrada por pessoal treinado. O valor de emissividade é selecionado com base na rugosidade, espessura e características de transparência do vidro que compõe o tanque da caldeira. Portanto, foi considerado um valor de emissividade de 0,95 para a medição térmica¹³. Como a diferença é mínima, o impacto na estimativa de temperatura é desprezível dentro da faixa operacional do experimento.
   3. Posicione a câmera térmica aproximadamente 80 cm de distância da placa do boiler.
      NOTA: A medição na 2.1.3 foi considerada com base na distância mínima de operação da câmera (0,6 m) devido à sua resolução (140 x 140 pixels) e campo de visão (29° x 29°⁾¹², portanto, a distância usada permite capturar detalhes térmicos relevantes sem comprometer a medição de pressão na placa do boiler.
   4. Segurando a câmera térmica aproximadamente 60 cm acima do chão, posicione-a apontada para a placa do boiler na coluna de destilação.
      NOTA: A medição em 2.1.4 foi selecionada com base na altura da caldeira de placas.
   5. Pressione o botão de salvar para gravar o termograma na memória da câmera térmica.
      NOTA: Como o estado transitório é mais lento dependendo da diminuição da tensão de alimentação aplicada ao resistor de aquecimento, a ação no passo 2.1.5. pode ser executado em 20 a 30, 50 ou 60 s para 20 V (CA e CC).
      1. Capture a cada 5 s durante as amostras de 1 a 1500 indicadas na interface local, repita por 20, 60 e 100 V tanto para AC quanto para DC.
      2. Para 100 V (AC e DC), capture a cada 10 s durante amostras de 1500 a 2800 indicadas na interface local, para 20 V (AC e DC), captura durante o intervalo de amostragem de 1500 a 5500, e para 60 V (AC e DC), captura a cada 15 s durante amostras de 1500 a 4000.
      3. Para 100 V (CA e CC), capture a cada 20 s da amostra 2800 até o estado estacionário; para 60 V (AC e DC), capture a cada 30 s da amostra 4000 até o estado estacionário; e para 20 V (AC e DC), capture a cada 20 s da amostra 5500 até o estado estacionário.
   6. Registre o nome do termograma capturado e o valor da amostra de temperatura da placa de caldeira exibida na interface local.
2. Aquisição de dados de temperatura de boilerplate através da interface local do processo.
   NOTA: As figuras 3D e E mostram o processo mencionado no 2.2 em detalhes.
   1. Armazene os arquivos temporários gerados pela interface.
   2. Renomeie e salve os arquivos na pasta do processo atual .
   3. Colete os arquivos .csv gerados durante o teste e gere um único arquivo com todos os dados obtidos no processo.
      NOTA: A interface armazena dados do processo a cada 1020 amostras, o que equivale a uma seção do processo. São arquivos temporários que precisam ser armazenados para processamento posterior. 0,5 s é o tempo de amostragem para cada amostra. Os dados numéricos salvos correspondem ao comportamento dinâmico do processo gerado por um sensor de temperatura que mede o vapor dentro da caldeira.
3. Preparação de dados de temperatura em boilerplate e termogramas de processo capturados.
   NOTA: As figuras 3A, B, C, F, G mostram o processo mencionado na 2.3.
   1. Extraia termogramas da câmera térmica.
      NOTA: Os termogramas mostram a distribuição de temperatura resultante do aquecimento RTD de acordo com a voltagem utilizada.
   2. Revise os termogramas e descarte os que não desejam.
   3. Marque manualmente um ponto de referência nos termogramas.
   4. Crie o gráfico de visão geral da temperatura do processo usando o arquivo de dados do processo gerado na versão 2.2.3.
   5. Relacione os dados de temperatura da caldeira da interface local aos termogramas de processo capturados.

3. Análise e processamento de termogramas para o processo boilerplate

1. Desenvolvimento de um algoritmo para processamento de termogramas.
   1. Preparação de gráficos para visualizar tendências médias.
      1. Carregue a imagem em uma variável.
      2. Defina o tamanho dos vetores para os eixos do grafo, usando a variável imagem.
      3. Defina a área para detectar faixas mínimas e máximas de temperatura com base na imagem de análise.
      4. Prepare a figura para o gráfico.
2. Processamento de termogramas (Figura 4).
   1. Carregue a imagem em uma variável.
   2. Defina uma área de busca para o ponto de referência marcado na 2.3.3.
   3. Isole o ponto de referência e obtenha sua coordenada.
   4. Indique a área de análise usando as coordenadas em 3.2.3.
   5. Converta a área de análise para escala de cinza.
   6. Calcule a média da área definida por 3.2.5.
   7. Isole as áreas de temperatura máxima e mínima na imagem.
   8. Converta os números gráficos em texto numérico.
   9. Converta os valores médios para temperaturas máximas e mínimas escaladas de acordo com os intervalos da imagem.
   10. Armazene os valores médios totais e os rótulos.
   11. Plote os resultados médios totais.

Resultados

Os resultados são de seis testes desenvolvidos com os valores mencionados na Tabela 1. Informações térmicas foram consideradas para a análise, assim como dados obtidos pela interface local.

Análise comparativa para uma tensão de alimentação AC-DC de 100 V
Os dados obtidos do processo usando a interface local indicaram que, para uma fonte de alimentação DC, a medição de temperatura varia ao longo do processo, enquanto usando...

Discussão

O procedimento apresentado fornece uma ideia geral da importância de selecionar corretamente o alimento para um processo químico, como uma coluna de destilação; No entanto, o processo tem alguns pontos críticos que devem ser tratados com muito cuidado para evitar resultados desfavoráveis.

Ao capturar termogramas, é importante considerar o uso de um tripé para localizar a câmera. Isso evita movimentos acidentais ao capturar termogramas.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Câmera	FLIR	i7	Equipamento de captura de termogramas
Planta piloto de destilação		EDF-1000	Planta piloto de destilação
Água destilada	Tecnologia y controle ambiental	CAS-7732-18-5	Componente de mistura
Etanol	JR		Componente de mistura
Multímetro	FLUKE		Equipamentos de medição
NI myRIO	Instrumentos Nacionais	1900	Cartão de aquisição de dados
Fonte de alimentação		SPS1203	Tensão da Fonte de Alimentação DC
Python		3.12	Software para processamento de imagens
Sensor de temperatura		PT100	Sensores instalados na planta para medição direta de temperatura em algumas placas de processo.
Resistência térmica	Sunny	SGH-380	Valor de 73 ohms