ANÁLISIS TERMOGRÁFICO DE PÉRDIDAS DE CALOR EN AISLAMIENTO DE

ANÁLISIS TERMOGRÁFICO DE PÉRDIDAS DE CALOR EN AISLAMIENTO DE CALDERAS 1 Manuel Hurtado, 2Jesús González, 3Humberto Loaiza, 4Hernán Benítez, 5 Jaime Millán 1.Universidad del Valle, Estudiante Ing. Electrónica, manuelh@univalle.edu.co, Cali. 2.Universidad del Valle, profesor Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, GICI., jegonza@univalle.edu.co , Cali 3.Universidad del Valle, profesor Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, PSI, hloaiza@univalle.edu.co, Cali. 4.Universidad del Valle, Estudiante Doctorado en Ing. Electrónica, PSI, hbenitez@univalle.edu.co, Cali, 5.Gerente General Anter Ltda., anterltda@emcali.net.co, Cali. Resumen: El presente artículo sugiere un procedimiento para calcular las pérdidas de calor a través de las paredes de aislamiento del hogar de una caldera acuotubular, utilizando el procesamiento de imágenes térmicas. Para esto, una herramienta software fue diseñada, la cual calcula el flujo térmico a través de una superficie usando un termograma, información de la superficie analizada, información característica de la cámara IR utilizada y un modelo unidimensional estable de transferencia de calor. La validación del procedimiento propuesto y de la herramienta software fue realizada comparando los datos calculados, con las mediciones hechas utilizando un flujómetro. Palabras Claves: Termográfia Infrarroja, Calderas, Transferencia de Calor, Medición de Flujo Térmico, Mapeo superficial de Temperatura. 1. INTRODUCCIÓN Usualmente, la medición de flujos térmicos involucra la medición de temperatura. En técnicas ordinarias, cuando la temperatura es medida por termocuplas, detectores de temperatura resistivos (RTDs), o pirómetros, el sensor proporciona el flujo local de calor en un punto (o un promedio espacial); así, el sensor puede ser considerado como cero dimensional. El uso de cristal líquido encapsulado (LCs) representa un primer paso hacia la superación de la limitación de las técnicas cero dimensiónales. Un LC podría en principio ser considerado como un sensor bidimensional, ya que permite la visualización de líneas constantes de temperatura. Sin embargo, La cuantificación de las pérdidas de calor en la industria es de creciente importancia debido a la enorme cantidad de energía consumida por los procesos industriales, y al alto costo subsecuente de la energía desperdiciada. La termografía provee una técnica relativamente no costosa para reunir los datos necesarios para determinar las pérdidas de calor. Cuando otra información relevante es recopilada al tiempo de la inspección y técnicas no muy complejas de procesamiento de datos son aplicadas, los resultados pueden ser cuantificados para establecer proyectos de ahorro de energía. (Mcintosh, 1981). para mediciones cuantitativas, es necesario usar LCs que cambien de color en un pequeño rango de temperatura. Así, en la práctica, aunque los LCs puedan visualizar una isoterma en un tiempo, el rango de trabajo del LC es relativamente limitado. La termografía infrarroja (TI) constituye un verdadero sensor bidimensional, pues permite la realización de un correcto mapeo superficial de temperaturas aun en la presencia de altos gradientes de temperatura espacial y/o flujo térmico. Desde hace mucho tiempo, la TI ha sido usada para una gran cantidad de análisis cualitativos, incluyendo pruebas no destructivas de materiales, conservación de la energía, mantenimiento en plantas, y control y optimización de procesos que involucran transferencia de calor. Efectivamente, el potencial de la TI aun parece poco explotado en lo concerniente a su utilización cuantitativa, especialmente para la medición de flujo térmico y la transferencia de calor convectiva. En particular la TI puede ser valiosamente empleada para la medición de flujo, tanto en estado estable como transitorio (Carlomagno, 2001). En este artículo se expone la aplicación del procesamiento de imágenes térmicas como instrumento para calcular las pérdidas de calor en las paredes de aislamiento del hogar de una caldera acuotubular. Inicialmente, se presentan algunos fundamentos básicos de la TI, después se describe la metodología empleada para el cálculo del flujo térmico a través de una superficie utilizando un termograma, luego se muestran las pruebas realizadas para validar el procedimiento y finalmente las conclusiones. 2. TEORÍA DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA espectro visible, la luz invisible después fue llamada infrarrojo. Desde esta observación y gracias a los estudios de muchos otros científicos en años sucesivos, la TI ha llegado a ser una técnica útil para encontrar la distribución de temperatura sobre una superficie. La TI básicamente incluye una cámara, equipada con una serie de lentes ópticos reemplazables y un computador. El núcleo de la cámara es el detector infrarrojo, el cual absorbe la energía IR emitida por el objeto (cuya temperatura superficial esta siendo medida) y convierte esta en un voltaje o una corriente eléctrica. Algunos objetos emiten energía proporcional a la temperatura de su superficie. Sin embargo, la energía realmente detectada (por el detector IR) depende del coeficiente de emisividad de la superficie bajo medición. La ley que describe la distribución espectral de la intensidad de radiación desde un cuerpo negro fue obtenida por Planck. La ley de Planck esta dada por la expresión: C (1) E λb = 5 C 2 / 1 T λ (e λ − 1) Donde Eλb es la intensidad de radiación monocromática del cuerpo negro, C1 y C2 son las constantes de radiación primera y segunda respectivamente, λ es la longitud de onda de la radiación siendo considerada y T es la temperatura absoluta del cuerpo negro. El espectro electromagnético está dividido en regiones de longitud de onda llamadas bandas (Fig. 1). Es conocido que un objeto a una temperatura sobre el cero absoluto (-273 ºC) emite radiación electromagnética que están dentro de la porción infrarroja (IR) y esta no puede ser vista por el ojo humano. La TI es una técnica de no contacto y no invasiva, que permite ver la energía térmica. De hecho un radiómetro transforma la energía radiada desde los objetos en la banda infrarroja del espectro electromagnético en una señal de video y finalmente en una imagen visible; donde cada nivel de energía es representado por un color o un nivel de gris. El origen de la TIviene desde inicio de 1800, cuando el físico ingles William Herschel descubrió la radiación termal fuera del rojo profundo en el Fig. 1. División del especto electromagnético. La banda de espectro infrarrojo es generalmente subdividida en cuatro bandas (con limites escogidos arbitrariamente): Infrarrojo cercano (0.75 – 3 µm), infrarrojo medio (3 – 6 µm), Infrarrojo lejano (6 – 15 µm) y infrarrojo extremo (15 – 1000 µm). Integrando la ley de Planck (ecuación (1)) sobre todo el espectro (λ = 0 - ∞), la intensidad de radiación total hemisférica es obtenida (Ley de StefanBoltzmann). Donde σ es la constante de StefanBoltzmann: E b = σT 4 (2) campos industriales o de investigación; obviamente, cada campo presenta características y requerimientos específicos, lo cual implica una elección específica del sistema IR, los procedimientos de prueba y el análisis de los datos. La primera elección considera el sistema de generación de imágenes: scanner o arreglo plano focal (FPA). Sistemas de scanner usan un detector unitario o una línea de detectores, la bidimensionalidad es lograda por rotación de espejos, o elementos refractivos oscilantes (prismas), los cuales realizan un barrido del campo de vista (FOV) en una o en ambas direcciones (horizontal y vertical). Sistemas FPA incluyen una matriz de detectores para cubrir el FOV (Meola 2004). 3. METODOLOGÍA PAR EL CÁLCULO DEL FLUJO TÉRMICO A PARTIR DE UN TERMOGRAMA Es necesario señalar que la ecuación (1) describe la radiación emitida por un cuerpo negro, que es el máximo valor radiado por un cuerpo a una temperatura dada. Objetos reales casi nunca cumplen con esta ley, aunque en ciertos intervalos del espectro pueden aproximarse al comportamiento de un cuerpo negro. Un objeto real generalmente emite solamente una parte Eλ de la radiación emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura y a la misma longitud de onda. De esta forma se introduce la cantidad: ελ = Eλ E λb (3) Que es llamada coeficiente de emisividad espectral. La ecuación (1) puede ser rescrita para objetos reales solo multiplicando su segundo término por ελ. Ya que la TI es una técnica de no contacto, la radiación IR necesita viajar cierta distancia desde el objeto a ser medido hasta el aparato de medición, a través de un medio con propiedades infraópticas que pueden afectar el resultado de la medida. En la mayoría de los casos, este medio es el aire, pero también pueden ser otros materiales. En el caso del aire, este tiene muchos componentes, tales como el vapor de agua y el dióxido de carbono que afectan la transmitancía IR de este. El nivel de transmitancía del aire es depende fuertemente de la longitud de onda. Rangos de alta atenuación que alternan con rangos de alta transmitancía, son llamados “ventanas atmosféricas”. Los detectores IR, generalmente realizan las mediciones en dos ventanas (Fig. 1): la banda de 8 a 14 µm usualmente es llamada “Onda Larga” (LW) y la banda entre 3 y 5 µm, se determina como “Onda Corta” (SW). De esta manera, la energía detectada realmente no solo depende del coeficiente de emisividad de la superficie bajo medición, esta también depende del medio ambiente. De hecho, una fracción puede ser absorbida por la atmósfera entre el objeto y la cámara, o agregada por la reflexión de la superficie de la energía irradiada desde los objetos a su alrededor. TI puede ser empleada exitosamente en muchos La TI constituye un verdadero sensor de temperatura bidimensional. Gracias a esta característica, la TI puede ser usada en el cálculo del flujo térmico a través de distintas superficies. Sin embargo, las mediciones correctas dependen del conocimiento de distintos factores tales como: el coeficiente de emisividad, la temperatura ambiente, etc. A continuación se presenta una metodología para obtener el flujo térmico a través de un termograma. En la Fig. 2 se enseña un diagrama donde se muestran tanto los pasos como la información necesaria para medir el flujo térmico de acuerdo con el procedimiento desarrollado. Fig. 2. Diagrama del diseño de la metodología. representa el flujo térmico que pasa por cada celda. Descripción general 1. En primera instancia se debe tener u obtener información característica de la cámara infrarroja utilizada, tal como FOV y la curva de calibración que relaciona los niveles de gris en la imagen con la temperatura calculada por la cámara. 2. Tomar la imagen térmica del objeto inspeccionado tanto en el rango como en la escala de temperaturas en las que fue obtenida la curva de calibración. 3. Contar con información de la superficie observada, a saber su emisividad, orientación y geometría (longitud característica), así como datos acerca de la toma del termograma, es decir, la temperatura ambiente y la distancia de la cámara al objeto. 4. Se obtiene una matriz de temperatura a partir del termograma y de la curva de calibración de la cámara. 5. Utilizando un modelo de transferencia de calor se calcula una matriz de flujo térmico a partir de la información obtenida en los punto 3 y 4 6. Finalmente se calcula el flujo total de calor sobre la superficie. Descripción especifica. La imagen térmica se puede ver como una cuadrícula (matriz), en la cual cada píxel tiene asociado un nivel en la escala de grises que corresponde o representa un valor de la temperatura sobre la celda (píxel) Ti,k. Gracias a la curva de calibración se puede extraer del termograma una buena aproximación de la distribución de temperaturas sobre la pared (Fig. 3). T k\i Ti,k Para encontrar el flujo térmico que aporta cada celda se utiliza un modelo unidimensional estable de transferencia de calor, dado por: q i ,k = q c + q rad 4 q i , k = hc Δ x Δ y (Ti , k − T fl ) + σε Δ x Δ y (Ti ,4k − T fl ) º º º º (4) (5) Convección Radiación Donde: hc = Coeficiente de convección natural del aire. ε = Emisividad de la pared σ = Constante de boltzmann. Tfl = Temperatura del ambiente donde se encuentra el objetivo inspeccionado Δx,Δy = dimensiones del área de la celda respecto a la superficie tomada en el termograma. Para el cálculo del coeficiente natural promedio del aire hc se utilizan correlaciones heurísticas, desarrolladas para geometrías comunes, el valor de la emisividad de la superficie analizada se puede encontrar de forma experimental o por medio de tablas, y los parámetros Δx,Δy se calculan con la ayuda del campo de visión (FOV) de la cámara, la resolución de la imagen térmica y la distancia a la que fue tomado el termograma. En (Hurtado 2006) se encuentra la descripción detallada para el cálculo de estos parámetros. Así, al realizar la sumatoria sobre todos los elementos de la matriz de flujos, da como resultado el flujo totalde calor que esta saliendo por el la superficie inspeccionada. A partir de la metodología descrita anteriormente se implemento una herramienta software denominada CALFLUX; esta se realizo usando MATLAB 6.5 y su entorno para el desarrollo de interfaz gráfica de usuario GUIDE (por sus siglas en ingles). Fig. 3. Matriz de temperaturas obtenida a partir de un termograma. A partir de la matriz de temperaturas obtenida (Fig. 3), es posible calcular el flujo de calor i,k que pasa por cada celda aplicando un modelo adecuado de transferencia de calor, obteniéndose de esta forma una nueva matriz (similar a la de la fig. 3) que 4. PRUEBAS EXPERIMENTALES Y DISCUSIÓN 4.2. Prueba De Cálculo De Flujo Térmico En El Aislamiento Del Hogar De Una Caldera. Estas pruebas se hicieron sobre una caldera auotubular, tipo A, de 18.000 libras de vapor por hora, con un porcentaje de carga de 75% y una presión de trabajo de 115 PSI. Medición De Flujo. Para validar el método implementado y la herramienta desarrollada (CALFLUX), se seleccionaron tres partes del aislamiento del hogar de la caldera acuotubular (Pared frontal, Pared Posterior y Techo del hogar). Sobre estas superficies se midió el flujo térmico en su punto central, se midieron las características geométricas de cada una de ellas y se tomó un termograma. La emisividad de la superficie se ajustó gracias a los datos de temperatura entregados por el flujómetro. Para poder realizar una comparación directa de los datos entregados por el flujómetro, con respecto a la información calculada por la herramienta CALFLUX, se realiza un análisis del termograma sobre una pequeña región cercana al punto donde se ubicó el sensor del flujómetro. Y finalmente se calcula el flujo total sobre toda la superficie analizada. En la fig. 4., el rectángulo interior representa el punto de ubicación del flujómetro y el rectángulo exterior la superficie bajo inspección (Hurtado 2006). El procedimiento diseñado depende de ciertos parámetros característicos de la cámara IR utilizada (MikronScan 7515), por lo que, se utiliza un método experimental para encontrar la curva de calibración de la cámara (Hurtado 2006), es decir, la correlación entre los niveles de gris del termograma y la temperatura calculada por la cámara. Obteniéndose que esta ecuación, para imágenes tomadas con la cámara MikroScan TH7515 en el rango de -40 ºC a 500 ºC y en la escala de -0.1ºC a 119.9 ºC es: T = 0.55479 ⋅ G − 6.69212 (6) Una vez obtenida la curva de calibración, esta información es ingresada a la herramienta diseñada y se procede a probarla; para esto se efectúan dos pruebas de medición de flujo. La primera, es realizada en el laboratorio, y se efectúa una comparación entre el flujo medido con un flujómetro sobre un banco de pruebas (superficie metálica térmica) y el calculado por la herramienta a través de un termograma de la superficie metálica térmica. Y la segunda, es una prueba de campo, efectuada sobre una caldera acuotubular, en la cual se compara el flujo térmico medido con un flujómetro, sobre algunas superficies del aislamiento del hogar de la caldera, con el calculado por la herramienta, a través del respectivo termograma de cada superficie analizada. 4.1. Prueba De Cálculo De Flujo Térmico En Laboratorio Para la toma de las imágenes térmicas fue usada una cámara Mikron Scan TH7515. Que trabaja en la banda espectral de 8.0 a 14.0 µm, con un detector FPA microbolométrico no refrigerado que tiene una sensibilidad de 0.08 ºC a una temperatura de 30 ºC. La temperatura y el flujo sobre cada superficie, fue medido utilizando un flujómetro marca KEM, referencia HFM-201 y un sensor de baja (TR2-B). Al realizar la comparación del flujo medido con el flujómetro (303.3 W/m2) sobre el banco de pruebas (plancha térmica de calentamiento uniforme), con el calculado utilizando la herramienta se tiene un error relativo porcentual igual a: FlujoMedid − FlujoCalcu o lado FlujoMedid o *100 = 303.3 − 283.3 303.3 *100 = 6.6% Fig. 4. Pared trasera caldera acuotubular. Regiones analizadas. En la tabla 1., son resumidos los errores relativos porcentuales obtenidos al comparar los datos entregados por el flujómetro, con los calculados por la herramienta, tomando como instrumento patrón las mediciones hechas con el flujómetro. (7) No se puede comparar los datos de flujo calculados por la herramienta sobre toda el área analizada, con los datos dados por el flujómetro, ya que esto no representa una comparación directa, debido a que las superficies inspeccionadas no presentan una distribución de temperaturas uniforme, y a que el flujo promedio encontrado es calculado sobre un área mucho más grande que el área de medición dada por el flujómetro. Tabla 1. Error relativo porcentual de medición de flujo térmico sobre las superficies del hogar de una caldera acuotubular. Superficie Pared Frontal Pared Trasera Techo Error relativo región cerca flujómetro (%) 15.1 3.3 1.9 última característica también elimina los errores a través de cables de las termocuplas o los RTD’s. 2. La TI constituye un verdadero sensor de temperatura bidimensional, pues permite la correcta medición del mapa de temperaturas superficial, a pesar de que exista presencia de gradientes espaciales de temperatura relativamente fuertes. Gracias a esta característica de la TI, esta puede ser usada en el cálculo del flujo térmico a través de distintas superficies. Sin embargo, las correctas mediciones dependen del conocimiento de distintos factores tales como: el coeficiente de emisividad, la temperatura ambiente, etc. 3. Se desarrolló satisfactoriamente un procedimitento que permite calcular las pérdidas de calor en las paredes del aislamiento del hogar de una caldera acuotubular, a través de la aplicación de técnicas de procesamiento y tratamiento de imágenes a termogramas. Utilizando como validación del procedimiento, la comparación de los datos medidos con un flujómetro con los calculados utilizando el método desarrollado. RECONOCIMIENTOS. A la empresa ANTER Ltda., al grupo PSI de la Universidad del Valle, a CONCIENCIAS con el proyecto Herramienta para el mantenimiento de equipos en subestaciones por inspección termográfica código: 1108-06-16838. REFERENCIAS Carlomagno G. and de Luca L., (2001). Infrared thermography convective heat transfer. Handbook of Flow Visualization, Ed. W J Yang (London), cap. 34, pp 547–575. Hurtado M. (2006). Procesamiento Electrónico De Imágenes Y Flujometría Aplicado Al Análisis Termográfico De Las Pérdidas De Calor En El Aislamiento De Una Caldera Acuotubular. Trabajo de grado Universidad Del Valle 2006. Mcintosh G., (1981). Recent advances in the quantification of industrial heat loss using thermography, Thermosense V, SPIE. 313, 213. Meola C. y Carlomagno G., (2004) Recent advances in the use of infrared thermography, Meas. Sci. Technol. 15, R27–R58. Debido a que los resultados obtenidos en los experimentos de validación sugieren un buen desempeño de todo el sistema, ya que en pruebas hechas en laboratorio se obtuvo un error máximo del 6% y en las pruebas de campo los errores fueron menores del 15%; utilizando la herramienta se encontró finalmente el flujo de calor a través de las tres superficies inspeccionadas. Aunque la curva de calibración encontrada fue bajo condiciones de laboratorio y las correlaciones empíricas para el cálculo del hc son para superficies _ isotérmicas, la metodología presentó un buen funcionamiento al cambio de estos factores, hallándose así a través de un termograma mediciones de flujo térmico comparables a las mediciones entregadas por un flujómetro. Esto se constituye en un primer paso para la cuantificación de las pérdidas globales en las superficies de aislamiento del hogar de una caldera, utilizando una técnica de no contacto y no invasiva como lo es la termografía infrarroja. 5. CONCLUSIONES 1. El uso de la TI como un sensor para medir el flujo de calor parece ventajoso, desde varios puntos de vista, comparado con sensores estándar. De hecho, la TI es un sensor bidimensional; permite la medición sobre pequeñas o grandes superficies sin importar su forma, permite la evaluación de errores debido a factores de forma; y es no invasiva. Esta