Kızılötesi termografi analizi kullanılarak bir damıtma kolonunda AC ile DC elektrik ısıtıcılığının ısınmasının termal davranışı ve güç verimliliği karşılaştırması

Özet

Bu makale, alternatif akım (AC) ve düz akım (DC) ile çalışan bir distillasyon kolon kazanında ısıtma elementinin termal davranışı ve enerji verimliliği üzerine karşılaştırmalı bir çalışma sunar; minimum ve maksimum sıcaklık, termal verilerin ortalaması ve varyasyon katsayısı gibi istatistiksel sonuçlardan performansını değerlendirir.

Özet

Kızılötesi termografi (IRT), endüstriyel ısıtma sistemlerinde termal performansı nicelendirmek için yaygın olarak kullanılan temassız bir tekniktir. Bu çalışma, alternatif akım (AC) ve doğruakım (DC) güç kaynağı altında bir damıtım kolonu kazanında ısıtma direncinin termal davranışını ve elektrik güç verimliliğini analiz etmek ve karşılaştırmak için IRT kullanmaktadır. Deneyler, AC (60 Hz) kaynağıyla çalışan 130 W ısıtma direnci ve farklı voltaj-akım konfigürasyonlarını dikkate alan eşdeğer bir DC kaynağını içeren bir damıtma pilot tesisi kullanılarak gerçekleştirildi. Termal dinamikler, veri toplama kartı gömülü sistemden yapılan elektrik güç ölçümleriyle paralel olarak kalibre edilmiş orta dalga IR kamera (7,5 ila 13 μm spektral aralık) kullanılarak yakalanmıştır.

Önerilen metodoloji, IRT görüntüleri aracılığıyla termal yanıtların nicelendirilmesini sağlayan bir IRT protokolü oluşturur ve emisivite düzeltilmiş termogramlarla 2B sıcaklık heterojenliğinin haritalanmasına olanak tanır.

Güç verimliliği analizleri, DC'nin Joule kayıplarını azalttığını, AC'nin ise uzun süreli çalışma sırasında üstün termal stabiliteye sahip olduğunu gösterdi. Bu IRT entegre yaklaşım, damıtma enerji sistemlerinin optimize edilmesi için uygulanabilir içgörüler sağlar ve endüstriyel elektrifikasyon girişimleriyle uyum sağlar. Protokol, kimyasal, ilaç ve yenilenebilir enerji uygulamalarında termo-elektrik süreçlerin kızılötesi tabanlı izlenmesi için ölçeklenebilir.

Giriş

Isı değişim sistemleri, kimya mühendisliğinde temel cihazlardır ve doğrudan fiziksel temas olmadan bile iki süreç akışı arasında termal enerjinin transferini kolaylaştırmak için kullanılır. Damıtma kolonları gibi ekipmanlara entegre edilmeleri, enerji tüketiminin optimize edilmesini, bileşen ayrım verimliliğini artırmaya ve sıcaklık profillerinin hassas kontrolüyle stabil çalışma koşullarının korunmasını^{sağlar 1}.

Bir damıtma kolonundaki güç aktüatörü, hem doğruakımda (DC) hem de alternatif akımda (AC) Ohm yasasına uyan ve voltaj, akım ve direnç arasında doğrudan bir ilişki kuran elektrik direncinden oluşan bir ısı değişim sistemi olarak kabul edilir. Ancak, AC kullanıldığında direnç davranışı frekans, empedans ve sistemin endüktif ve kapasitif etkileri nedeniyle daha karmaşıktır. Ancak, belirli endüstriyel uygulamalarda bazı avantajlar sunar ^2,3.

Gerçek bir direncin davranışı, fiziksel malzemelerin parazitik endüktans ve bazı durumlarda parazitik kapasitans gibi olayları^{tetikleyebilmesi nedeniyle idealinden farklıdır.} Bu etkiler, frekans değerleri açısından ayırt edilen AC sinyal frekansına bağlıdır. Bir durumda, tepkisel etkiler (tümevarımcı veya kapasitif) neredeyse önemsizdir; bu nedenle, direnç doğrusal davranır ve Ohm yasasına neredeyse mükemmel şekilde uyar. Bu nedenle, düşük frekanslar düşünüldüğünde yanıtı, DC'de kullanılan ideal bir dirençle karşılaştırılabilir.

Yüksek frekanslarda, özellikle yapısında sargılar veya uzun bağlantılar gibi elementler varsa, gerçek direnç endüktif bir bileşen göstermeye^{başlar 5}. Damıtım süreçlerinde elektriksel dirençlerin yanlış kullanımı, özellikle termosifon etkisinin dengesi bozulduğunda, sütun kazanında termal şoklara neden olabilir; bu olmen, ısı transferi ile yoğunluk farkları nedeniyle sıvının doğal akışı arasındaki etkileşim sonucu meydana^{gelir 6}.

Kazandaki ısı transfer hızı, ısıtma ve buharlaşma bölgelerinin etkin uzunluğu ile^{değiştiricinin geometrik tasarımı ile belirlenir.} Ayrıca, bu oran çalışma basıncı ve buhar içeriğine önemli ölçüde bağlıdır, çünkü buharlaşma bölgesindeki ısı transfer katsayısı, ön ısıtma bölgesi^8'e göre oldukça yüksektir.

Bu çalışma, bir damıtım kolonunun içinde ısıtma direncini beslemek için AC ve DC güç kaynakları arasında karşılaştırmalı bir çalışma önermekte; bunların sürecin termal verimliliği, kazandaki sıcaklık profili, enerji tüketimi ve damıtım döngüsü sırasında stabilitesi üzerindeki etkilerini değerlendirmektedir. Santralin temel özellikleri şunlardır: 2 L kazan plakası, 300 W ısıtma direnci, alt ürün çıkarımı, çift spiral kondansatör, damıtılmış ürünler için L rezervuar tankı ve açma-kapama reflü valfi.

Protokol

1. Karışım hazırlama, yerel arayüzden süreç yürütme ve güç kaynağı başlatma için yapılandırma ve prosedürler

1. Kazan içinde işlem için kullanılacak karışımın hazırlanması (Şekil 1).
   1. 1 litre etanol ve 1 litre damıtılmış suyu ayrı şişelere yerleştirin.
   2. Her maşirenin içeriğini plaka kazan plakasının içine yerleştirin.
   3. Enstrümantasyonun doğru konumlandırıldığından emin olun.
      1. Soğutma suyu pompasından kondenserdeki hortum bağlantılarını kontrol edin.
      2. Sensörlerin damıtma kolonunun gövdesinin plakalarındaki konumunu kontrol edin.
      3. Soğutma suyu pompası aktüatörlerinin, ısıtma direncinin ve reflü aktüatörünün durumunu kontrol edin.
2. PC ve veri toplama kartında yerel arayüzü çalıştırın (Şekil 2).
   1. Yerel bilgisayarda "damıtma sütunu" yazılımını açın.
   2. Veri toplama kartını yerel bilgisayara bağlayın.
   3. Veri alma kartı ile yerel bilgisayar arasındaki iletişimi doğrulayın.
      1. Açılır penceredeki ürünleri doğrulayın.
   4. Yerel arayüzde kullanılacak karışımı seçin.
   5. Süreci yerel arayüzden başlatmak için Başlat butonuna tıklayın.
      1. Yerel PC'deki her bir arayüz penceresinde yerel sensörlerden alınan bilgileri doğrulayın.
         NOT: Deney etanol ve suyun ikili karışımıyla sınırlı olsa da, arayüz farklı karışımların gözlemlenmesine olanak tanır. RTD ile sıvı arasındaki ısı transferi, ısı kapasitesi ve iletkenlik gibi genel termal özelliklere bağlı olduğundan, kullanılan yöntemin, termal davranışı tanımlamak için deneysel verilere dayanan yöntemin, kontrollü koşullardaki diğer karışımlar için geçerli olduğu varsayılabilir. Bu yaklaşım, ideal ikili^{karışımları dinamik olarak modelleyen damıtma kolonları üzerine yapılan çalışmalarla desteklenmektedir 9,10,11}.
3. Isıtma direncini beslemek için AC veya DC güç kaynaklarına hazırlanıyorum.
   1. Voltmetre olarak multimetre kullanarak, güç kaynağının ön panelinden çıkış voltaj değerini uygun şekilde (AC veya DC) ayarlayın. Ayarlandıktan sonra güç kaynağını kapatın.
   2. Voltaj beslemesini kazan plakasına monte edilen direnç termometresine bağlayın.
   3. Isıtma direncini güç kaynağını açarak enerji verin.
   4. Yerel arayüzden akım ve voltaj izlemeyi doğrulayın.
      NOT: Tablo 1, hem AC hem de DC için deneyde kullanılan voltaj ve akım değerlerini göstermektedir.

2. Süreçteki kazan plakasında termogram ve sıcaklık verilerinin kurulumu, elde edilmesi ve analizi

1. Süreçteki kazan plakalı termal kamera kullanılarak termogramların kurulumu ve alınması.
   NOT: Deney için çalışma saatleri ve ölçümler saat 13:00'den 15:00'e kadar yapıldı; laboratuvar içindeki ortam sıcaklığı 22° ile 24,5 °C arasında değişti.
   1. Termal kamera menüsünden Iron renk paletini seçin.
   2. Termal kamera menüsünden emisyon düzeltme değerini 0.95'e ayarlayın.
      NOT: Kamera kendi kendine kalibre edilebilir ve eğitimli personel tarafından periyodik olarak kalibre edilir. Emisivity değeri, kazan tankını oluşturan camın pürüzlülüğü, kalınlığı ve şeffaflık özelliklerine göre seçilir. Bu nedenle, termal^{ölçüm 13} için 0.95 emisivlik değeri dikkate alınmıştır. Fark minimum olduğundan, deneyin çalışma aralığı içinde sıcaklık tahmini üzerindeki etkisi önemsizdir.
   3. Termal kamerayı kazan levhasından yaklaşık 80 cm uzakta konumlandırın.
      NOT: 2.1.3'teki ölçüm, kameranın minimum çalışma mesafesi (0,6 m) çözünürlüğü (140 x 140 piksel) ve görüş alanı (29° x 29°)¹² nedeniyle değerlendirildi; bu nedenle kullanılan mesafe, kazan levhasındaki basınç ölçümünden ödün vermeden ilgili termal detayların yakalanmasına olanak tanır.
   4. Termal kamerayı yerden yaklaşık 60 cm yukarıda tutarak, damıtma kolonunundaki kazan plakasına doğru kamerayı konumlandırın.
      NOT: 2.1.4'teki ölçüm, plaka kazanın yüksekliğine göre seçilmiştir.
   5. Termogramı termal kameranın hafızasına kaydetmek için kaydetme düğmesine basın.
      NOT: Geçici durum, ısıtma direncine uygulanan besleme voltajının azalmasına bağlı olarak daha yavaş olduğundan, 2.1.5. adımdaki etki. 20 V (AC ve DC) için 20 ila 30, 50 veya 60 saniyede gerçekleştirilebilir.
      1. Yerel arayüzde belirtilen 1'den 1500'e kadar olan örneklerde her 5 saniyede bir yakalayın, hem AC hem de DC için 20, 60 ve 100 V için tekrarlayın.
      2. 100 V (AC ve DC) için, yerel arayüzde belirtilen 1500 ila 2800 arası örneklerde her 10 saniyede bir yakalayın, 20 V için (AC ve DC) örnekleme aralığında 1500 ile 5500 arasında, 60 V (AC ve DC) için ise 1500 ile 4000 arası örneklerde her 15 saniyede bir yakalayın.
      3. 100 V (AC ve DC) için, örnek 2800'den sabit duruma ulaşana kadar her 20 saniyede bir yakalayın; 60 V (AC ve DC) için örnek 4000'den sabit duruma ulaşana kadar her 30 saniyede bir yakalayın; 20 V (AC ve DC) için ise 5500 örnekten sabit duruma ulaşana kadar her 20 saniyede bir yakalayın.
   6. Yakalanan termogramın adını ve yerel arayüzde gösterilen kazan plakası sıcaklık örneğinin değerini kaydedin.
2. Yerel süreç arayüzü üzerinden kazan levhası sıcaklık verilerinin edinilmesi.
   NOT: Şekil 3D,E, 2.2'de bahsedilen süreci ayrıntılı olarak gösterir.
   1. Arayüz tarafından oluşturulan geçici dosyaları depolayın.
   2. Dosyaları mevcut süreç klasörüne yeniden adlandırıp kaydedin.
   3. Test sırasında üretilen .csv dosyaları toplayın ve süreçten elde edilen tüm verilerle tek bir dosya oluşturun.
      NOT: Arayüz, süreç verilerini her 1020 örnekte bir depolar, bu da sürecin bir bölümüne eşdeğerdir. Bunlar, ileride işlemek üzere saklanması gereken geçici dosyalardır. 0.5 saniye, her örneklem için örnekleme süresidir. Kaydedilen sayısal veriler, kazanın içindeki buharı ölçen bir sıcaklık sensörü tarafından üretilen sürecin dinamik davranışına karşılık gelir.
3. Kazan levhası sıcaklık verilerinin hazırlanması ve yakalanan süreç termogramları.
   NOT: Şekiller 3A,B,C,F,G 2.3'te bahsedilen süreci göstermektedir.
   1. Termal kameradan termogram çıkar.
      NOT: Termogramlar, kullanılan voltaja göre RTD ısıtmasından kaynaklanan sıcaklık dağılımını gösterir.
   2. Termogramları gözden geçirin ve istenmediklerini atın.
   3. Termogramlarda bir referans noktasını manuel olarak işaretleyin.
   4. 2.2.3'te oluşturulan süreç veri dosyasını kullanarak süreç sıcaklığı genel grafiği oluşturun.
   5. Yerel arayüzden alınan kazan sıcaklığı verilerini, yakalanan süreç termogramlarına bağlı.

3. Kazan levhası işlemi için termogramların analizi ve işlenmesi

1. Termogram işleme için bir algoritmanın geliştirilmesi.
   1. Ortalama trendleri görselleştirmek için grafiklerin hazırlanması.
      1. Görüntüyü bir değişkene yükleyin.
      2. Grafik eksenleri için vektörlerin boyutunu görüntü değişkeni kullanılarak tanımlayın.
      3. Analiz görüntüsüne göre minimum ve maksimum sıcaklık aralıklarının tespit edileceği alanı tanımlayın.
      4. Grafik çizilmek üzere şekili hazırlayın.
2. İşleme termogramları (Şekil 4).
   1. Görüntüyü bir değişkene yükleyin.
   2. 2.3.3'te işaretlenen referans noktası için bir arama alanı tanımlayın.
   3. Referans noktasını izole edin ve koordinatını alın.
   4. 3.2.3'teki koordinatlarla analiz alanını belirtin.
   5. Analiz alanını gri tonlamaya dönüştürün.
   6. 3.2.5 ile tanımlanan alanın ortalamasını hesaplayın.
   7. Görüntüdeki maksimum ve minimum sıcaklık alanlarını izole edin.
   8. Grafiksel sayıları sayısal metne dönüştürün.
   9. Ortalama değerleri görüntü aralıklarına göre ölçeklenmiş maksimum ve minimum sıcaklıklara dönüştürün.
   10. Toplam ortalama değerleri ve etiketleri sakla.
   11. Toplam ortalama sonuçları çizin.

Sonuçlar

Sonuçlar, Tablo 1'de belirtilen değerlerle geliştirilen altı testten alınmıştır. Analiz için termal bilgiler ve yerel arayüz üzerinden elde edilen veriler dikkate alındı.

100 V AC-DC besleme voltajı için karşılaştırmalı analiz
Yerel arayüz kullanılarak elde edilen veriler, bir DC güç kaynağı için sıcaklık ölçümünün süreç boyunca değiştiğini, AC ile ise (Şekil 5A) ölçümün daha stabil olduğunu gö...

Tartışma

Sunulan prosedür, damıtma kolonu gibi kimyasal bir süreç için yemin doğru seçilmesinin önemine genel bir fikir sunar; Ancak, olumsuz sonuçlardan kaçınmak için sürecin büyük dikkatle ele alınması gereken bazı kritik noktalar vardır.

Termogram yakalarken, kamerayı bulmak için tripod kullanmak önemlidir. Bu, termogram yakalarken kazara hareketi önler.

Yerel arayüz tarafından oluşturulan dosyalar, silinmeden önce genel dosyaya depolanma...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Kamera	FLIR	i7	Termogram yakalama ekipmanı
Damıtma pilot tesisi		EDF-1000	Damıtma pilot tesisi
Distile su	Tecnologia y control ambiental	CAS-7732-18-5	Karışım bileşeni
Etanol	JR		Karışım bileşeni
Multimetre	FLUKE		Ölçüm ekipmanı
NI myRIO	Ulusal Enstrümanlar	1900	Veri toplama kartı
Güç kaynağı		SPS1203	DC Güç Kaynağı Voltajı
Python		3.12	Görüntü işleme yazılımı
Sıcaklık sensörü		PT100	Bazı işlem plakalarında doğrudan sıcaklık ölçümü için tesise yerleştirilen sensörler.
Termal direnç	Sunny	SGH-380	73 ohm değeri