Problemy wyznaczania prawdziwej wartości temperatury metodą termograficzną.
Problemy wyznaczania prawdziwej wartości temperatury metodą termograficzną
Technika termografii pozwala pomierzyć natężenie promieniowania podczerwonego odbieranego przez kamerę termograficzną. To promieniowanie jest sumą:
– promieniowania emitowanego przez obiekt – zależnego od temperatury i emisyjności powierzchni obiektu,
– promieniowania emitowanego przez otoczenie i odbitego od obiektu w kierunku kamery.
Temperatura powierzchni obiektu jest wyznaczana na podstawie pomierzonej wartości promieniowania i znanych wartości: współczynnika emisyjności powierzchni obiektu, temperatury otoczenia, temperatury i wilgotności atmosfery na drodze pomiędzy obiektem a kamerą oraz odległości obrazowania. Jeśli powyższe wielkości nie będą dokładnie znane, wyznaczona temperatura obarczona zostanie systematycznym błędem. Znacznie dokładniej wyznaczane są różnice temperatury pomiędzy różnymi punktami powierzchni obiektu.
Temperatura zewnętrznej powierzchni komina jest chwilowym stanem zależnym od ciepła doprowadzanego i odprowadzanego z niej. Ciepło doprowadzane pochodzi od gorących spalin i przewodzone jest przez ścianę komina do jej powierzchni zewnętrznej. Jeżeli izolacyjność termiczna przegrody będzie zróżnicowana, to należy spodziewać się niejednorodnego rozkładu temperatury na jej zewnętrznej powierzchni (rys. 1 i 2) [11].
Rys. 1. Termogram fragmentu trzonu komina o wyraźnie zróżnicowanej temperaturze w profilu pionowym [11]
Rys. 2. Termogram fragmentu trzonu komina
W ciągu dnia do zewnętrznej powierzchni komina jest również doprowadzane promieniowanie otoczenia: słońca, nieboskłonu i obiektów znajdujących się w sąsiedztwie komina. Promieniowanie pochodzące od słońca zawiera fale o różnej długości, które są w różnym stopniu absorbowane przez powierzchnie o różnych barwach. Ciała o ciemnej barwie powierzchni pochłaniają znacznie więcej promieniowania widzialnego niż ciała o barwie jasnej. A każde pochłonięte promieniowanie zamienia się na ciepło, a więc ciała ciemne nagrzewają się bardziej niż jasne na drodze promieniowania. To pochłonięte i zamienione na ciepło promieniowanie słoneczne nie zawiera w sobie informacji o budowie (izolacyjności) przegrody, a więc działa jak zakłócenie. Przy bezchmurnej pogodzie nieboskłon promieniuje jak ciało o temperaturze ok. minus 40oC. Dokładne uwzględnienie wpływu temperatury otoczenia na wartość temperatury obiektu wyznaczanej metodą termograficzną jest możliwe dla tzw. otoczenia jednoelementowego, czyli takiego, w którym wszystkie ciała tworzące otoczenie mają podobne wartości temperatury swoich powierzchni.
Dlatego pomiary termograficzne kominów mające na celu badanie stanu izolacji cieplnej najkorzystniej jest przeprowadzać w porze nocnej przy niskim pułapie chmur (niskie chmury mają temperaturę zbliżoną do temperatury powietrza i obiektów na powierzchni ziemi). Jest to szczególnie ważne w przypadku kominów malowanych w różne kolory.
Istotną i wiarygodną informacją uzyskaną z obrazowania termograficznego jest zróżnicowanie temperatury na powierzchni obiektu. Termografia nie rozstrzyga jednak, z jakiej przyczyny wynika to zróżnicowanie temperatury. Dlatego ważna jest wnikliwa interpretacja termogramów.
Interpretacja rozumiana jako proces wnioskowania dedukcyjnego, w którym na podstawie cech bezpośrednich widocznych na zobrazowaniu termalnym, informacji z innych zgromadzonych źródeł oraz wiedzy interpretatora dochodzi do zauważenia cech pośrednich obiektu (niewidocznych bezpośrednio na obrazie) i wyjaśnienia cech obiektu, a także zachodzących zjawisk. Interpretacja termogramów wymaga dodatkowej wiedzy związanej z przebiegiem różnorodnych zjawisk i procesów wymiany ciepła. W procesie interpretacji należy wyraźnie wyodrębnić obszary powierzchni komina, w których wartość i rozkład temperatury nie wynikają tylko z jego stanu technicznego, ale są również wynikiem oddziaływania cieplnego sąsiednich obiektów o temperaturze zdecydowanie różnej od temperatury otoczenia (rys. 3).
Rys. 3. Fragment płaszcza komina nagrzany przez gorący zbiornik
Na obrazie termograficznym kominów wykonanym w odpowiednio dużej skali można zauważyć szczegóły, takie jak spękania, nierówności powierzchni, zawilgocenia, pod warunkiem że szczegółom tym odpowiadać będzie lokalne zróżnicowanie temperatury. Spękania są widoczne, jeśli następuje w nich zasysanie zimnego powietrza lub wydmuch ciepłych spalin.
Podsumowanie
Współczesne kominy wymagają coraz bardziej zaawansowanej i precyzyjnej diagnostyki stanu konstrukcji oraz prognozowania ich trwałości. Im dobór metody diagnostycznej i wynik przeprowadzonej analizy będą precyzyjniejsze, tym ocena stanu technicznego będzie wiarygodniejsza i cenniejsza dla użytkownika.
Tradycyjne metody badań w postaci odwiertów koronowych i odkrywek wewnętrznych dają tylko punktowe informacje, zbyt skromne dla właściwej oceny aktualnego stanu technicznego. Termografia pozwala ocenić, bez kosztownych i inwazyjnych metod, stan i skuteczność izolacji termicznej na znacznych obszarach. Wykonanie punktowych odwiertów w połączeniu z termograficzną oceną stanu izolacji pozwala uogólnić wyniki z lokalnych badań in situ na całą powierzchnię.
Istotną i wiarygodną informacją uzyskaną z obrazowania termograficznego jest zróżnicowanie temperatury na powierzchni obiektu. Zróżnicowanie temperatury wynika jednak nie tylko z izolacyjności komina, ale także z wpływu otoczenia. Termografia nie rozstrzyga, z jakiej przyczyny wynika to zróżnicowanie temperatury.
Bardzo jest więc istotne, aby osoby przeprowadzające badania miały świadomość wpływu różnych czynników na pomiar i jego wyniki, eksperci zaś nie podchodzili bezkrytycznie do otrzymanych wyników, opierając się jedynie na otrzymanych termogramach – bez prześledzenia warunków, w jakich były wykonywane.
Kolejnym istotnym elementem branym pod uwagę w diagnostyce stanu konstrukcji komina jest kształt i wychylenie od pionu osi trzonu komina. Współczesne metody pomiarowe oraz dostępność bardzo precyzyjnego sprzętu pozwalają na przeprowadzanie pomiarów z bardzo dużą dokładnością. Należy mieć jednak na uwadze, iż wyniki omawianych badań są silnie zależne od warunków, w jakich się je wykonuje, i są bardzo podatne na oddziaływania otoczenia. Częstokroć wpływ czynników zewnętrznych (insolacja, zachmurzenie, wiatr, promieniowanie cieplne urządzeń przemysłowych itp.) może być wielokrotnie większy niż dokładność przeprowadzanych pomiarów. Jedyną możliwą metodą oszacowania stopnia nagrzania powierzchni komina z powodu nasłonecznienia i promieniowania cieplnego urządzeń przemysłowych lub wychłodzenia, np. z powodu zimnego wiatru, jest wykonanie pomiaru termograficznego.
Do interpretacji branżowej powinny być brane pod uwagę nie tylko same wyniki pomiarów, ale również warunki pomiarowe. Każdorazowo operat pomiarowy powinien zostać poszerzony o szczegółowy opis warunków pomiaru oraz parametrów otoczenia badanego obiektu. Obszary powierzchni komina, których temperatury mogą zostać zafałszowane wpływem otoczenia, muszą zostać wyraźnie oznaczone lub wręcz wyłączone z zakresu opracowania.
prof. Alina Wróbel
dr Andrzej Wróbel
Akademia Górniczo-Hutnicza
inż. Mariusz Kędzierski
PBP EMKA Sp. z o.o.
Praca niniejsza została wykonana w ramach badań statutowych nr AGH 11.11.150.949; 11.11.150.005.
Literatura
1. R. Ciesielski, O diagnostyce technicznej kominów przemysłowych, materiały z seminarium na temat remontów kominów żelbetowych, Kraków 1993.
2. Instrukcja ITB nr 323/1993 Ocena stanu technicznego i wzmacnianie kominów żelbetowych i murowanych.
3. Instrukcja ITB nr 459/2010 Wolno stojące kominy żelbetowe. Obliczanie i projektowanie według norm PN-EN.
4. R. Kocierz, E. Puniach, O. Sukta, Wpływ dobowych zmian temperatury na wyniki geodezyjnych pomiarów wychyleń trzonu komina przemysłowego, „Interdyscyplinarne zagadnienia w górnictwie i geologii”, tom II, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2011.
5. Norma PN-93/B-03201 Konstrukcje stalowe. Kominy. Obliczenia i projektowanie.
6. Norma PN-88/B-03004 Kominy murowane i żelbetowe. Obliczenia statyczne i projektowanie.
7. Norma PN-B-06200:1997 Konstrukcje stalowe budowlane. Warunki wykonania i odbioru. Wymagania podstawowe.
8. Norma PN-EN 13084-1 Kominy wolno stojące – Część 1: Wymagania ogólne.
9. Norma PN-EN 13084-4. Kominy wolno stojące – Część 4: Wykładziny murowe – Projektowanie i wykonanie.
10. Al. Wróbel, Wykorzystanie termowizji w pomiarach inżynierskich obiektów przemysłowych, rozprawa doktorska, AGH, Kraków 1987.
11. Al. Wróbel, M. Kędzierski, Przydatność badań termowizyjnych w diagnostyce żelbetowych kominów energetycznych, „Elektroinfo” nr 9/2008.
12. Warunki techniczne wykonania i odbioru robót budowlano-montażowych, tom IV Obmurza pieców przemysłowych i kotłów oraz kominy i chłodnie energetyczne, Arkady 1988.
13. M. Żak, Obsługa geodezyjna przemysłowego budownictwa wieżowego, Geodezja inżynieryjna, tom II (praca zbiorowa), PPWK, Warszawa 1994.
