Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
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 a 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.
Ústav počítačové a řídicí techniky VŠCHT Praha,
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