Termovizní vizualizace teplotního pole neizotermního vzdušného proudu

S neizotermním prouděním se setkáváme v technické praxi běžně. Při teplovzdušném vytápění jde o základní jev, který je s tímto systémem spojen. Ale i při vytápění s převážně konvektivním přenosem tepla dochází k neizotermnímu proudění – u otopných těles vzniká proudění vzduchu vyvolané rozdílem teplot. Při výzkumu dynamického chování otopných těles na Ústavu techniky prostředí FS ČVUT byl na získaných termogramech mimo jiné viditelný i ohřátý vzdušný proud nad horním okrajem sledovaného otopného tělesa, což bylo impulsem k napsání tohoto článku.

Vizualizaci umožnilo polystyrenové obložení stěny za otopným tělesem; polystyren má nízkou hustotu i součinitel tepelné vodivosti (30 kg/m³, resp. 0,034 W/(m . K) [1]), a proto se teplota jeho povrchu velmi rychle vyrovnává s teplotou okolí.

Vizualizaci teplotního pole vzdušného proudu pomocí sítě elementů s vhodnými materiálovými vlastnostmi (nízká hustota a tepelná vodivost) popisuje ve své práci například Fišer a kol. [2]. V principu se jedná o relativně jednoduchou metodu s potenciálním přínosem.

Metodika experimentu
Při pilotním experimentu bylo využito běžně dostupného mobilního elektrického přímotopu pro domácnosti (obr. 2) a k vizualizaci nejprve sloužil arch papíru formátu A0 umístěný v ose vzdušného proudu (obr. 3). Termovizní záznam byl pořízen kamerou ThermaCAM S65 s vestavěným 35mm objektivem, jejíž snímač (nechlazený mikrobolometr typu FPA) má rozlišení 320 × 240 pixelů.

Na obr. 3 je vidět, že použití prostého archu papíru není příliš vhodné. Vlivem proudění vzduchu dochází k pohybu a vlnění papírové plochy, což má za následek nejasný a roztroušený obraz. V další fázi byla proto použita pevná kartonová deska o rozměrech 1,2 × 2,5 m, což vedlo k výraznému zlepšení (obr. 4).

Obr. 3 Termovizní zobrazení proudu vzduchu z mobilního elektrického přímotopu pomocí archu papíru	Obr. 4 Termovizní zobrazení proudu vzduchu z mobilního elektrického přímotopu pomocí kartonové desky

Základní zobrazení teplotního pole vzdušného proudu je tedy v popsaném případě realizovatelné. V dalších krocích byla sledována citlivost dané metody na změny rychlosti a teploty pozorovaného proudu vzduchu. Výsledné termogramy jsou na obr. 5 (navýšení výkonu ventilátoru cca o 50 %) a na obr. 6 (výkon ventilátoru opět o 50 % vyšší, teplota termostatu nastavena na maximum).

Obr. 5 Termovizní zobrazení proudu vzduchu – výkon ventilátoru navýšen o 50 %.	Obr. 6 Termovizní zobrazení proudu vzduchu – výkon ventilátoru navýšen o 50 % a termostat nastaven na maximum.

Změna parametrů byla provedena přibližně – regulátorem výkonu a termostatem přímotopu; přesnější stanovení charakteristik prou­du se nabízí jako téma k dalšímu výzkumu. Jak je z obr. 3, 4 a 5 patrné, změny nastavení přímotopu jsou na zobrazených termovizních snímcích teplotního pole jasně viditelné. V živém záznamu kamery se tyto změny projevily prakticky okamžitě, což by mělo znamenat, že papírová deska je k vizualizaci vhodná – díky své nízké tepelné vodivosti a hustotě okamžitě reaguje na změnu teploty okolního prostředí.

Teoretický rozbor
Literární rešerše zaměřená na termovizní vizualizaci vzdušného proudu ukazuje, že daná technologie je ve světě známa již poměrně dlouho [3] a autoři se shodují na její použitelnosti a možných přínosech. To vše ovšem za předpokladu respektování a dořešení určitých omezení vyplývajících jednak z podstaty termovizního měření a dále souvisejících s mírou ovlivnění proudu vzduchu vizualizačními elementy.

Řešené případy se pohybují od relativně jednoduchých případů podobných experimentu popsanému výše (např. zabývající se proudem ze zaplavovací vyústi [4]) až po velmi sofistikované metody [3] sloužící pro vizualizaci turbulencí nad profilem křídla. V tomto případě byl k vizualizaci použit značkovací plyn s emisivitou odlišnou od okolního vzduchu a kontrastní pozadí s proměnnou teplotou pro detekci turbulentních oblastí.
Pro účely tohoto článku a případné další experimenty jsou nejpřínosnější práce [4] a [5], které popisují principiálně velmi podobné případy a řeší zásadní otázky termovizní vizualizační metody: přesnost stanovení teploty termovizí, odchylku teploty sledovaného povrchu od teploty okolí a míru ovlivnění proudu vizualizačními elementy.

Úskalí termovizního měření
Termovizní měření teploty je obecně nutno provádět obezřetně, jedná se totiž o metodu nepřímou, a tudíž ovlivněnou dalšími parametry: především emisivitou povrchu, teplotou okolních ploch a součinitelem osálání. Problematika emisivity je podrobně řešena v [4]. Problém nastává v případě, kdy má materiál vizualizačních elementů nízkou emisivitu – výsledná měřená teplota je pak značně ovlivněna odraženým zářením okolních ploch. Naopak pokud je emisivita vysoká, materiál vyzařuje větší množství tepla do okolí a výsledná rovnovážná teplota nebude odpovídat teplotě okolního vzduchu. Ve zmíněné práci [4] je konstatováno, že pro teploty vzduchu okolo 17 až 18 °C a střední radiační teplotu 20 až 21 °C vyhovuje emisivita povrchu okolo 0,5.
–>–>
Ovlivnění vizualizačními elementy
Další problém při interpretaci získaných dat představuje ovlivnění vzdušného proudu vizua­lizačními elementy. Pro podélnou orientaci, která byla použita i v našem experimentu (obr. 3 až 6), se v dostupné literatuře většinou předpokládá pouze zanedbatelný vliv na prou­dové pole.

Příčné orientaci vizualizačního elementu (sítě) se věnuje Neely a Young, 2007 [5] (obr. 7). Na základě provedených měření a simulací je zde pro získání použitelných výsledků stanovena hodnota minimální plošné porozity vizualizační sítě na 85 %. Plošnou porozitou se rozumí poměr součtu ploch velmi malých otvorů (pórů) k celkové ploše použité vizualizační sítě. Míra ovlivnění proudu je vyjádřena změnou tzv. plné šířky v polovině výšky (anglicky FWHM – Full Width at Half Maximum), která definuje šířku obecné funkce určenou rozdílem extrémních hodnot nezávisle proměnné v bodech, kde je výsledná hodnota funkce rovna polovině její maximální hodnoty v celém definičním oboru [6]. V tomto případě byl princip aplikován na rychlostní profil a změna plné šířky činila 10 až 12 % při plošné porozitě 80 %.

Mezi materiály použitelné pro daný účel lze na základě výše popsaného experimentu zařadit papír a polystyren. V případě popsaném v [4] se používá také list papíru; pro tvorbu sítí k vizualizaci příčného teplotního profilu je dále popsáno použití nerezové oceli a nylonu [7]. 

Závěr
Studie ukazuje možnosti využití termovizní vizualizace teplotního pole neizotermního vzdušného proudu. Rešerše zahraniční literatury přinesla poznatky z praktických aplikací i pojednání o teoretických aspektech spojených s použitím této metodiky. Realizovaný experiment dokládá možnost provedení těchto měření v praxi.

Získání termovizního obrazu teplotního pole neizotermního proudu je sice relativně jednoduché, nicméně korektní interpretace získaných dat si vyžaduje podrobnější rozbor řešeného případu z hlediska tepelné bilance s okolním prostředím a emisivity vizualizačního elementu (doporučuje se emisivita elementů cca 0,5 pro běžné podmínky). Z důvodu ovlivnění proudu je doporučená plošná porozita příčné vizualizační sítě minimálně 85 % podle [5]. Jako materiál vizualizačních elementů lze pro základní aplikace použít například běžný papír či polystyren.

Ing. Luděk Jančík, prof. Ing. Jiří Bašta, Ph.D.
Recenzoval: doc. Ing. Jaroslav Horský, CSc.
Obrázky a foto: Korado, autor

Autoři působí v Ústavu techniky prostředí Fakulty strojní ČVUT v Praze.

Výzkum je financován grantem MSM 6840770011.

Literatura
1.    TZB – Info [online]. 6. prosince 2004 [cit. 2011-02-25]. Katalog materiálů. Dostupné z www: .
2.    Fišer, J. et al.: Measurements of Temperature Patterns in Ventilated Spaces by Novel Measurement Method. In: Experimental Fluid Mechanics 2008: Conference Proceedings. Liberec: TUL, 2008, s. 36–41.
3.    United States Patent. Jul 7, 1992. 6 s. Patent Number 5,127,264.
4.    Cehlin, M. – Moshfegh, B. – Sandberg, M.: Measurements of Air Temperatures Close to a Low-Velocity Diffuser in Displacement Ventilation Using an Infrared Camera. In: Energy and Buildings, 34, 2002, s. 687–698.
5.    Neely, A. J. – Young, J.: Upstream Influence of a Porous Screen on the Flow Field of a Free Jet. In: 16th Australasian Fluid Mechanics Conference, 2007, s. 174–179.
6.    Wikipedia, the free encyclopedia [online]. 2005, 22 December 2010 [cit. 2011-03-09]. Full width at half maximum. Dostupné z www: .
7.    Neely, A. J.: Mapping temperature distributions in flows using radiating high-porosity meshes. In: Exp Fluids, 45, 2008, s. 423–433.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.