Методическая статья

Термическое поведение и энергоэффективность: сравнение переменного и постоянного тока электрического нагрева в колонке дистилляции с использованием инфракрасного термографического анализа

DOI:

10.3791/69373

⸱

5 декабря 2025 г.

 ,  , 
1Tecnológico Nacional de México, Instituto Tecnológico de Morelia Morelia

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В этой статье представлено сравнительное исследование теплового поведения и энергоэффективности нагревательного элемента в котле с колонной перегонной колонны, питаемого переменным током (AC) и постоянным током (DC), оценивая его характеристики по статистическим данным, таким как минимальная и максимальная температура, среднее значение тепловых данных и коэффициент вариации.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Инфракрасная термография (IRT) — это широко используемая бесконтактная техника для количественной оценки тепловых характеристик в промышленных системах отопления. В этом исследовании используется IRT для анализа и сравнения теплового поведения и электрической энергоэффективности нагревательного резистора в котле с дистилляционной колонной при питании переменного тока (AC) и постоянного тока (DC). Эксперименты проводились с использованием пилотной установки дистилляции, включавшей нагревательный резистор мощностью 130 Вт, питаемый от источника переменного тока (60 Гц), и эквивалентный источник постоянного тока с учётом различных конфигураций напряжения и тока. Термическая динамика фиксировалась с помощью калиброванной средневолновой ИК-камеры (спектральный диапазон 7,5–13 мкм), параллельно с измерениями электрической мощности с встроенной системы с картой сбора данных.

Предлагаемая методология устанавливает протокол IRT для количественной оценки тепловых откликов с помощью IRT-изображений, позволяя отображивать двухмерную температурную гетерогенность с помощью термограмм, корректируемых на эмиссивность.

Анализ энергоэффективности показал, что постоянный ток снижает потери Джоулей, а переменный ток демонстрирует лучшую тепловую стабильность при длительной эксплуатации. Этот интегрированный с IRT подход предоставляет практические данные для оптимизации систем дистилляционной энергии и соответствует инициативам по промышленной электрификации. Протокол масштабируем для инфракрасного мониторинга термоэлектрических процессов в химических, фармацевтических и возобновляемых источниках энергии.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Системы теплообмена являются фундаментальными устройствами в химической инженерии, используемыми для облегчения передачи тепловой энергии между двумя технологическими потоками даже без прямого физического контакта. Их внедрение в оборудование, такое как колонны дистилляции, позволяет оптимизировать энергопотребление, повысить эффективность разделения компонентов и поддерживать стабильные условия работы за счёт точного контроля температурныхпрофилей 1.

Силовой привод в дистилляционной колонке считается теплообменной системой, состоящей из электрического сопротивления, которое как при постоянном (DC), так и при переменном токе (AC) подчиняется закону Ома, устанавливая прямую связь между напряжением, током и сопротивлением. Однако поведение резистора при использовании переменного тока сложнее из-за влияния частоты, импеданса, а также индуктивных и ёмкостных эффектов системы. Однако она предлагает определённые преимущества в конкретных промышленныхприложениях 2,3.

Поведение реального резистора отличается от его идеального тем, что физические материалы могут вызывать такие явления, как паразитная индуктивность и, в некоторых случаях, паразитнаяёмкость 4. Эти эффекты зависят от частоты переменного сигнала, различаясь по значениям частоты. В одном случае реактивные эффекты (индуктивные или ёмкостные) практически незначительны; поэтому резистор ведёт себя линейно и почти полностью подчиняется закону Ома. Таким образом, его отклик сопоставим с идеальным резистором, используемым в постоянном токе, при рассмотрении низких частот.

Для высоких частот фактическое сопротивление начинает проявлять индуктивную составляющую, особенно если его конструкция включает такие элементы, как обмотки или длинныесоединения 5. Неправильное использование электрических резисторов в процессах дистилляции может вызвать тепловые разряды в колонном котле, особенно при нарушении равновесия эффекта термосифона — явление, возникающее из-за взаимодействия теплообмена и естественного течения жидкости, вызванного разностямиплотностей 6.

Скорость теплопередачи в котле определяется эффективной длиной зон нагрева и испарения, а также геометрической конструкцией обменника7. Кроме того, эта скорость значительно зависит от рабочего давления и содержания пара, поскольку коэффициент теплопередачи в зоне испарения значительно выше, чем в зоне предварительногонагрева 8.

В данной работе предлагается сравнительное исследование между источниками питания переменного и постоянного тока для подачи нагревательного резистора внутри колонны дистилляции, оценивая их влияние на тепловую эффективность процесса, температурный профиль котла, энергопотребление и стабильность в цикле перегонки. Основные характеристики установки: 2-литровый котельный панель, нагревательный резистор мощностью 300 Вт, двойная спиральная конденсаторная конструкция, L-резервуарный бак для дистиллированных продуктов и клапан включения-выключения.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Конфигурация и процедуры подготовки смеси, выполнения процессов с локального интерфейса и запуска блока питания

  1. Подготовка смеси для использования в процессе внутри котла (рисунок 1).
    1. Положите 1 литр этанола и 1 литр дистиллированной воды в отдельные колби.
    2. Поместите содержимое каждой фляжки внутрь пластины.
    3. Убедитесь, что приборы правильно расположены.
      1. Проверьте соединения шлангов конденсатора от насоса охлаждающей воды.
      2. Проверьте расположение датчиков на пластинах корпуса колонны дистилляции.
      3. Проверьте состояние приводов насоса охлаждения воды, нагревательного резистора и привода рефлюкса.
  2. Выполните локальный интерфейс на ПК и карту сбора данных (рисунок 2).
    1. На локальном ПК откройте программу «колонка дистилляции».
    2. Подключите карту сбора данных к локальному ПК.
    3. Проверьте связь между картой сбора данных и локальным ПК.
      1. Проверьте элементы в всплывающем окне.
    4. Выберите смесь для использования в локальном интерфейсе.
    5. Запустите процесс с локального интерфейса, нажав кнопку Start .
      1. Проверьте получение информации от локальных датчиков в каждом окне интерфейса локального ПК.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Хотя эксперимент ограничен бинарной смесью этанола и воды, интерфейс позволяет наблюдать разные смеси. Поскольку теплопередача между RTD и жидкостью зависит от общих тепловых свойств, таких как теплоёмкость и проводимость, можно предположить, что используемая методика, основанная на экспериментальных данных для определения теплового поведения, действует и для других смесей в контролируемых условиях. Этот подход подтверждается исследованиями дистилляционных колонн, которые динамически моделируют идеальные бинарныесмеси 9,10,11.
  3. Подготовка к питанию переменного или постоянного тока для питания нагревательного резистора.
    1. Используя мультиметр в качестве вольтметра, установите выходное напряжение с передней панели блока питания по мере необходимости (переменного или постоянного тока). После настройки отключите блок питания.
    2. Подключите питание напряжения к термометру сопротивления, установленному в котельной плите.
    3. Включите нагревательный резистор, включив источник питания.
    4. Проверьте мониторинг тока и напряжения с локального интерфейса.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В таблице 1 указаны значения напряжения и тока, используемые в эксперименте как для переменного, так и для постоянного тока.

2. Установка, сбор и анализ термограмм и температурных данных на процессуемой котловой плите

  1. Установка и получение термограмм с помощью термокамеры с использованием термокамеры boiler plate, находящейся в процессе.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для эксперимента рабочие часы и измерения проводились с 13:00 до 15:00, когда температура окружающей среды внутри лаборатории составляла от 22° до 24,5 °C.
    1. Выберите цветовую палитру Iron из меню тепловизора.
    2. Установите значение коррекции эмиссивности на 0,95 из меню тепловизора .
      ПРИМЕЧАНИЕ: Камера может быть самокалибровочна и периодически калибровывается обученным персоналом. Значение эмиссивности выбирается на основе шероховатости, толщины и характеристик прозрачности стекла, из которого состоит резервуар котла. Поэтому для тепловогоизмерения 13 рассматривалось значение эмиссивности 0,95. Поскольку разница минимальна, влияние на оценку температуры незначительно в пределах рабочего диапазона эксперимента.
    3. Разместить тепловизорную камеру примерно в 80 см от котла.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Измерение в версии 2.1.3 рассматривалось на основе минимального рабочего расстояния камеры (0,6 м) благодаря её разрешению (140 x 140 пикселей) и угла обзора (29° x 29°)12, поэтому используемое расстояние позволяет фиксировать важные тепловые детали без ущерба для измерения давления на котле.
    4. Держа тепловизионную камеру примерно на высоте 60 см над полом, найдите камеру, направленную на котельную плиту в колонне дистилляции.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Измерение в версии 2.1.4 было выбрано на основе высоты латного котла.
    5. Нажмите кнопку сохранения , чтобы записать термограмму в память тепловизора.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку переходное состояние медленнее в зависимости от снижения напряжения питания на нагревательный резистор, действие на шаге 2.1.5. может выполняться при 20–30, 50 или 60 секундах при 20 В (переменный ток и постоянного тока).
      1. Захватывайте каждые 5 секунд во время образцов от 1 до 1500, указанных на локальном интерфейсе, повторяйте при 20, 60 и 100 В для переменного и постоянного тока.
      2. Для 100 В (переменного и постоянного тока) захватывайте каждые 10 секунд во время образцов с 1500 по 2800, указанных на локальном интерфейсе, для 20 В (переменный и постоянный ток), захватывайте в интервале выборки от 1500 до 5500, а при 60 В (переменный ток и постоянного тока) захватывайте каждые 15 секунд во время образцов с 1500 по 4000.
      3. Для 100 В (переменного и постоянного тока) захватывайте каждые 20 с с образца 2800 до достижения устойчивого состояния, для 60 В (переменный и постоянный ток) — каждые 30 с с образца 4000 до достижения устойчивого состояния, а при 20 В (переменный и постоянный ток) — каждые 20 с с образца 5500 до достижения устойчивого состояния.
    6. Запишите название захваченной термограммы и значение пробы температуры на шаблонной пластине, отображаемой в локальном интерфейсе.
  2. Получение данных о температуре котловых пластин через локальный интерфейс процесса.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Рисунок 3D,E подробно показывает процесс, упомянутый в 2.2.
    1. Храните временные файлы, сгенерированные интерфейсом.
    2. Переименуйте и сохраните файлы в текущей папке процессов .
    3. Соберите .csv файлы, сгенерированные во время теста, и сгенерируйте единый файл со всеми данными, полученными в процессе.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Интерфейс хранит данные процесса каждые 1020 образцов, что эквивалентно одной части процесса. Это временные файлы, которые необходимо хранить для последующей обработки. 0,5 с — это время дискретизации для каждого сэмпла. Сохранённые числовые данные соответствуют динамическому поведению процесса, созданному датчиком температуры, измеряющим пар внутри котла.
  3. Подготовка данных о температуре котла и зафиксированных технологических термограмм.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Рисунки 3A, B, C, F, G показывают процесс, упомянутый в 2.3.
    1. Извлекайте термограммы из тепловизора.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Термограммы показывают распределение температуры, возникающее при нагреве RTD в зависимости от используемого напряжения.
    2. Проверьте термограммы и отбросьте нежелательные термограммы.
    3. Отметьте точку отсчёта вручную на термограммах.
    4. Создайте график обзора температуры процесса с использованием файла данных процесса, сгенерированного в версии 2.2.3.
    5. Сопоставьте данные о температуре котла с локального интерфейса с захваченными термограммами процесса.

3. Анализ и обработка термограмм для процесса с котловой пластиной

  1. Разработка алгоритма обработки термограмм.
    1. Подготовка графиков для визуализации средних тенденций.
      1. Загрузите изображение в переменную.
      2. Определите размер векторов для осей графа, используя переменную изображения.
      3. Определите область для обнаружения минимальных и максимальных температурных диапазонов на основе анализируемого изображения.
      4. Подготовьте фигуру к построению графиков.
  2. Обработка термограмм (рисунок 4).
    1. Загрузите изображение в переменную.
    2. Определите область поиска для точки отсчёта, отмеченной в версии 2.3.3.
    3. Изолировать точку отсчёта и получить её координату.
    4. Укажите область анализа с помощью координат из 3.2.3.
    5. Преобразуйте область анализа в оттенки серого.
    6. Вычислим среднее значение площади, определённое 3.2.5.
    7. Изолируйте максимальную и минимальную температурные области на изображении.
    8. Преобразуйте графические номера в числовой текст.
    9. Преобразуйте средние значения в масштабируемые максимальные и минимальные температуры в зависимости от диапазонов изображения.
    10. Храните общие средние значения и метки.
    11. Постройте общий средний график результатов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Результаты взяты из шести тестов, разработанных с использованием значений, указанных в Таблице 1. Для анализа учитывалась тепловая информация, а также данные, полученные через локальный интерфейс.

Сравнительный анализ для напряжения питания 100 В переменного тока и постоянного тока
Данные, полученные с помощью локального интерфейса, показали, что для источника питания постоянного тока измерение температуры меняется в течени...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Представленная процедура даёт общее представление о важности правильного выбора подачи для химического процесса, такого как колонка дистилляции; Однако в процессе есть несколько важных моментов, которые необходимо решать с большой осторожностью, чтобы избежать неблагоприятных последствий.

При записи термограмм важно использовать штатив для поиска камеры. Это предотвращает случайное движение при захвате термограмм.

Файлы, сгенерирова...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы благодарят аспирантуру TecNM за предоставление лабораторий во время испытаний, а также за финансирование, предоставленное Secihti и TecNM.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
КамераФЛИРi7Оборудование для термограммы
Пилотный завод по дистилляцииEDF-1000Пилотный завод по дистилляции
Дистиллированная водаTecnologia y control ambientalCAS-7732-18-5Компонент смеси
ЭтанолJRКомпонент смеси
Мультиметр ФЛЮКИзмерительное оборудование
Не мой РИОНациональные инструменты1900Карта сбора данных
Источник питанияSPS1203Напряжение питания постоянного тока 
Python3.12Программное обеспечение для обработки изображений
Датчик температурыPT100Датчики установлены на заводе для прямого измерения температуры на некоторых технологических пластинах.
Термическое сопротивлениеСанниSGH-38073 Ом

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Heras-Cervantes, M., Anzurez-Marin, J., Téllez-Anguiano, A. D. C., García-Ramírez, M., Correa-Gómez, J. Modelling a heating-power actuator for a distillation column boiler. IEEE Int. Autumn Meet. Power Electron. Comput. (ROPEC). , https://www.proceedings.com/content/033/033329webtoc.pdf (2016).
  2. Mendoza, D. F., Riascos, C. A. M. Methodology for design, analysis and thermodynamic optimization of distillation columns with internal heat exchangers. Rev. Mex. Ing. Quím. 14 (2), 523-542 (2015).
  3. Cervantes Vallejo, F., Gómez, K., Soto, G., Navarro, C., Mendoza, H. Optimization of the heating system by electrical resistances in a rapid thermal response mold based on MSR-PSO-FEM. Rev. Int. Métod. Numér. Cálc. Dis. Ing. 35 (3), 1-12 (2019).
  4. Demurie, S. N., De Mey, G. Parasitic capacitance effects of planar resistors. IEEE Trans. Compon. Hybrids Manuf. Technol. 12 (3), 348-351 (2002).
  5. Calor y Control. Tendencias tecnológicas en las resistencias eléctricas industriales. , Calor y Control. (2025).
  6. Arneth, S., Stichlmair, J. Characteristics of thermosiphon reboilers. Int. J. Therm. Sci. 40 (4), 385-391 (2001).
  7. Pinto, F. S., Zemp, R., Jobson, M., Smith, R. Thermodynamic optimisation of distillation columns. Chem. Eng. Sci. 66 (13), 2920-2934 (2011).
  8. Goedecke, R., Scholl, S. Modelling and simulation of a pillow plate thermosiphon reboiler. Heat Mass Transf. 55 (1), 95-104 (2019).
  9. Melkikh, A., Skripov, P. Thermal conductivity of liquid mixtures: Model of the dependence on concentration. Int. J. Thermophys. 44 (2), 23(2023).
  10. Mancera-Apolinar, J. A., Mendoza, D. F., Andersson, R., Riascos, C. A. Heat and mass transfer study of top-heat-integrated distillation column (T-HIDiC) using CFD. Chem. Eng. Trans. 117, 871-876 (2025).
  11. Ränger, L. M., Halvorsen, I. J., Grützner, T., Skogestad, S. Understanding temperature profiles of distillation columns. Ind. Eng. Chem. Res. 63 (10), 4533-4546 (2024).
  12. de Azpeitia, F. I. P. P. The thermographic camera: A fascinating view of physics. Rev. Esp. Fís. 35 (2), (2021).
  13. Emissivity of common surfaces. , Fluke Process Instruments. https://www.flukeprocessinstruments.com/es/servicio-y-soporte/centro-de-conocimiento/ir/emisividad-superficies-comunes (2025).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Infrared ThermographyThermal BehaviorPower EfficiencyDistillation ColumnAC HeatingDC HeatingThermal CameraEmissivity CorrectionJoule LossesTemperature Mapping

Похожие статьи