Aktuální vydání

celé číslo

05

2019

komunikace a software pro snímače a akční členy

tlakoměry

celé číslo

Využití termografie ke studiu dynamiky kondenzátoru brýdových par

Miloš Kmínek, Karel Kadlec,
Iva Nachtigalová, Bohumil Jakeš
 
Příspěvek popisuje možnost využití termografie ke studiu dynamiky provozu trubkové­ho vodou chlazeného kondenzátoru. Cílem analýzy bylo zjistit příčinu neuspokojivé čin­nosti kondenzátoru a navrhnout vhodná opatření. Stále snazší dostupnost termografic­ké techniky umožňuje využít tento postup nejen ve školní laboratoři, ale i v praxi.
 
This article describes how to use thermography for analysis of dynamic behavior of tube water-cooled condenser. The aim of analysis was to recognize why the condenser opera­tes unsatisfactory, and to suggest appropriate measures. Considering ever easier acces­sibility of thermography, it is possible to use this method not in school laboratory only (as described here), but in industrial praxis too.
 
Klíčová slova: termografie, dynamické chování, kondenzátor brýdových par
 

1. Úvod

 
Ve studentské technologické laboratoři je instalována odparka firmy Armfield, kterou jsme vybavili počítačovým řídicím systémem s on-line databází pro sběr a zpracování dat [1]. Tato stanice je využívána k výuce i k vý­zkumu. Její součástí je trubkový vodou chla­zený kondenzátor brýdových par. Regulace teploty kondenzátu není uspokojivá, a proto jsme se zaměřili na důkladnou analýzu cho­vání kondenzátoru. Při ní jsme mimo jiné zjistili, že změny provozních parametrů mají vliv na průběh teploty podél povrchu aparátu. Ke kvantifikaci těchto vlivů a sledování změn jsme zkusili využít termografii a zde uvádíme stručný popis a výsledky.
 

2. Popis systému

 
Na obr. 1 je technologické schéma odpařo­vací stanice s okruhy měření a řízení. Konden­zátor brýdových par je v pravém horním rohu a je ohraničen tečkovanou fialovou čarou. Kon­strukčně je to trubkový výměník (obr. 2), kde trubkami protéká chladicí voda a do prostoru mezi trubkami je přiváděna brýdová pára. Vý­měník je vyroben z korozivzdorné oceli a jeho povrch není tepelně izolován. Pro potřebu bez­dotykového měření teploty byla na kovový po­vrch nalepena černá matná papírová páska.
 
Při měření jsme sledovali vliv základ­ních parametrů určujících provozní režim stanice na teplotní profil a teploty výstup­ních proudů.
 
Blokové schéma kondenzátoru s vyznače­ním sledovaných veličin je na obr. 3 a v obr. 1 jsou příslušné veličiny označeny červeným kroužkem. Význam vstupů a výstupů v obr. 3 je uveden v tab. 1.
 
Kaskádní regulace teploty TIC 04→FIC 24 byla při experimentech zrušena, pouze byl použit samotný obvod FIC 24 pro stabiliza­ci průtoku chladicí vody. Všechny naměřené hodnoty byly zaznamenávány s časovou pe­riodou 5 s. Povrch kondenzátoru byl termo­kamerou (obr. 4) snímán vždy po ustálení vý­stupních teplot.
 

3. Bezdotykové měření teploty a zpracování termogramů

 
K měření rozložení teploty na povrchu kondenzátoru brýdových par byla použita kompaktní termokamera Flir T 400 [2], která je vybavena nechlazeným maticovým mikro­bolometrickým detektorem typu FPA (rozli­šení 320 × 240 bodů), pracuje se spektrálním rozsahem 7,5 až 13 μm, teplotní rozsahy jsou (-20 až +120, 0 až +350 a +200 až +1 200) ºC, citlivost 0,06 K a přesnost ±2 K.
 
Teplotu povrchu měřeného objektu vy­počítává elektronika kamery na základě mě­ření infračervené energie vyzařované objek­tem. Avšak radiace měřená kamerou nezávisí pouze na teplotě objektu, ale také na dalších parametrech, zejména na emisivitě měřeného objektu, odraženém záření z okolních objektů a pohlcování záření při průchodu atmosférou. K přesnému měření teploty je proto nutné tyto rušivé vlivy kompenzovat. Kamera tep­lotu kompenzuje automaticky na základě za­dání příslušných parametrů. Emisivita objek­tu je nejdůležitější parametr, který musí být správně určen. Odražená teplota se využívá ke kompenzaci záření odraženého od objektu, teplota atmosféry ke kom­penzaci záření emitované­ho atmosférou mezi kamerou a objektem. Vzdálenost se používá ke kompenza­ci vlivu pohlcování záření v atmosféře mezi objektem a kamerou a údaj o relativ­ní vlhkosti pro kompenza­ci propustnosti atmosféry.
 
Emisivita černé papíro­vé pásky nalepené na po­vrchu kondenzátoru byla stanovena při porovná­ní údajů o teplotě měřené teploměrem s termočlán­kem typu K a IČ-teplomě­rem Fluke 576 a její hod­nota činila 0,96. Termoka­mera byla zaměřena kolmo na střed kondenzátoru. Při měření krajních poloh kon­denzátoru byla hodnota po­zorovacího úhlu, vyjádřená jako odchylka od kolmi­ce, menší než 10°, a neby­lo tedy nutné počítat s úh­lovou závislostí emisivity. Teplota stěn v technologic­ké hale byla měřena digi­tálním teploměrem Grei­senger typu GMH 3230 s termočlánkovou sondou typu K. K měření teploty atmosféry a vlhkosti byl použit pří­stroj Cometer THZ1 s teplotní a vlhkostní sondou. Zadání hodnot teplot a vlhkosti se měnilo podle konkrétních podmínek při měře­ní (např. při měření 21. 1. 2010 činila teplota stěn +10 °C a vlhkost byla 50 %, při měření 23. 3. 2010 byla teplota stěn +22 °C a vlhkost 33 %). Vzdálenost termokamery od měřené­ho objektu byla 1,5 m (poznámka k obr. 4 – pro pořízení fotografie termo­kamery a kondenzátoru byla termokamera posunuta blíže k aparatuře).
 
Na obr. 5 je viditelný sní­mek aparatury a termogram pořízený termokamerou. Roz­ložení teploty je znázorněno v barevné paletě „Iron“, při­řazení barvy v teplotní stup­nici je na termogramu vpravo. Rozložení teploty bylo vyhod­nocováno pomocí čáry měřicí­ho profilu, která je vyznačena v termogramu. Pro zpracová­ní termogramů byl použit pro­gram FLIR QuickReport [3].
 

4. Způsob vyhodnocování naměřených hodnot

 
Při zpracování teplotních profilů jsme vy­cházeli z dat, která byla vytvořena softwarem kamery (viz kap. 3) a exportována do tabul­kového kalkulátoru Excel. Pro každý sní­mek byl k dispozici sloupec hodnot teplo­ty (°C) v závislosti na poloze (souřadnici), vyjádřené v procentech délky kondenzátoru, přičemž hodnota souřadnice 0 % odpovídá místu vstupu brýdové páry do kondenzátoru a 100 % odpovídá místu výstupu kondenzátu. Při vyhodnocování profilu nás zajímala šířka přecho­du a jeho pozice. Ke kvan­tifikaci jsme využili apro­ximace přechodu pomo­cí tečny v inflexním bodě, jak je vyznačeno na obr. 6. Směrnice tečny určuje str­most (a tedy šířku) tep­lotního přechodu, polo­ha (souřadnice) inflexního bodu pozici přechodu. Při určování těchto paramet­rů jsme zpracovávali data teplotních profilů vyexpor­tovaná z programu FLIR QuickReport do Excelu.
 
Křivka teplotního pro­filu má (alespoň většinou, nepracuje-li systém blízko mezních stavů) tvar „S“, takže inflexní bod lze nalézt poměrně snadno a jed­noznačně. Zvolili jsme způsob založený na nume­rickém výpočtu derivace (pomocí tříbodové formu­le) teploty v celém teplot­ním profilu. Na obr. 6 jsou hodnoty derivace vynese­ny červeně. Poloha inflex­ního bodu je dána polohou minima průběhu derivace, hodnota derivace v inflex­ním bodě je směrnice teč­ny v tomto bodě. Tyto dva údaje poskytují in­formaci o tom, ve které části kondenzátoru se teplota mění nejvíce a jak strmá tato změna je. Zjištěné hodnoty jsme vynášeli do grafu proti veličině, jejíž vliv na teplotní profil jsme chtěli sledovat. Získali jsme jakousi obdobu statických charakteristik. Ukázky výsledků jsou na obr. 7, obr. 8 obr. 9.
 

5. Diskuse o výsledcích

 
Na obr. 7 je znázorněn vliv průtoku chla­dicí vody (FIC 24) na teplotní profil. Je zřej­mé, že poloha inflexního bodu vykazuje závislost na průtoku chladicí vody, ale není pří­liš velká. Inflexní bod se pohybuje v rozmezí dolní desetiny výšky kondenzátoru, tedy blíz­ko přívodu chladicí vody. Tvar závislosti lze považovat přibližně za lineární. Směrnice teč­ny v inflexním bodě je ovlivňována průtokem chladicí vody velmi silně a závislost je znač­ně nelineární.
 
Na obr. 8 je ukázán vliv tlaku v brýdovém prostoru odparky (PIC 12). Závislost polohy inflexního bodu nelze vzhledem k malému počtu měření považovat za prokázanou, ale jestliže existuje, je rozhodně malá. I zde pla­tí, že se pohybuje v dolní desetině výšky kon­denzátoru. Závislost směrnice tečny na tlaku v brýdovém prostoru prokazatelná je a lze ji považovat za zhruba lineární, není však tak výrazná jako u průtoku chladicí vody.
 
Na obr. 9 jsou výsledky měření vlivu tla­ku páry v topné komoře odparky (PIC 11) na teplotní profil. Poloha inflexního bodu se téměř nemění, rozptyl bodů je dán ne­přesností měření. Závislost velikosti směr­nice tečny je zřejmá, je opět zhruba lineární, má však opačný trend než v předchozích dvou případech. Je to logické, protože vyš­ší topný příkon má za následek tvorbu většího množství brýdových par a šíře přecho­du teplot v kondenzátoru se proto zvětšuje.
 

6. Závěr

 
V závěru lze konstatovat, že metoda sledo­vání průběhu kondenzace par s využitím ter­mokamery je použitelná, výsledky mají dob­rou přesnost a lze je použít k analýze chování aparatury. Předpokládáme, že některá měření ještě zopakujeme, zejména pro případy oko­lo mezních provozních hodnot. Nepředpoklá­dáme, že by údaje bylo možné využít přímo k řízení on-line (ostatně, bylo by to příliš dra­hé a naše kamera na takový způsob práce ani není zařízena), ale máme za to, že uvedený postup pomůže přesněji prozkoumat některé jevy, které způsobují neuspokojivou činnost prostředků určených k regulaci.
 
Poděkování
Práce je podporována výzkumným záměrem MŠMT ČR č. MSM 6046137306.
 
Literatura
[1] KMÍNEK, M. a kol.: Laboratorní systém pro výzkum a výuku řídicích a informačních technologií. Automatizace, 2002, 45, č. 12, s. 744–747.
[2] FLIR: FLIR T400. Manuál k termokamerám FLIR T-series. Publ. No. 1558795, June 2008.
[2] FLIR: FLIR QuickReport. Manuál k programu FLIR QuickReport, v.1.2, Publ. 1558625, Sep­tember 2008.
 
doc. Ing. Miloš Kmínek, CSc. (Milos.Kminek@vscht.cz),
Ing. Iva Nachtigalo­vá, Ph.D. (Iva.Nachtigalova@vscht.cz),
 doc. Ing. Bohumil Jakeš, CSc., VŠCHT Pra­ha (Bohumil.Jakes@vscht.cz),
Ústav počíta­čové a řídicí techniky VŠCHT Praha,
doc. Ing. Karel Kadlec, CSc. (Karel.Kad­lec@vscht.cz),
Ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha
 
Lektoroval: doc. Ing. Milan Honner, Ph.D., Nové technologie – výzkumné centrum, Zá­padočeská univerzita v Plzni
 
 
Obr. 1. Schéma měření a regulace stanice
Obr. 2. Kondenzátor
Obr. 3. Blokové schéma kondenzátoru
Obr. 4. Umístění termokamery
Obr. 5. Snímek aparatury (vlevo) a její termogram (vpravo)
Obr. 6. Princip vyhodnocování dat z termokamery
Obr. 7. Vliv průtoku chladicí vody FIC 24 (PIC 11 = 60 kPa, PIC 12 = 50 kPa, FC 21 = 100 %)
 
Tab. 1. Vstupy a výstupy v obr. 3