Aplicación de la termografía infrarroja a la observación y medición de flujos de aire

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Application of infrared thermography to observation and measurement of airflows

Resumen

La termografía infrarroja, como herramienta de apoyo y obtención de datos para el mantenimiento o para la adquisición de elementos de valoración de la situación, tiene un gran potencial dado que posee una capacidad inmensa para apreciar el calor de las superficies de cuerpos opacos a la radiación infrarroja con gran precisión y altísimas sensibilidades (una cámara con una resolución de 320 x 240 píxeles alcanza a diferenciar en su imagen temperaturas de 0,05 °C). Esto hace que los conocimientos del proceso observado, capaces de explicar la presencia de temperaturas y/o patrones térmicos en la superficie del objeto inspeccionado, permitan la aportación de datos valiosísimos para la valoración de la situación de dicho objeto. En este artículo se propone un método para observar en tiempo real y sin grandes paramentas de humo y láseres la forma de un flujo de aire así como su temperatura a lo largo de dicho flujo en el caso de difusores por desplazamiento. Esto permitiría realizar tales mediciones directamente en las instalaciones y equilibrar velocidades, comprobar difusores, etc.

Palabras clave

Termografía, radiación infrarroja, flujos de aire, instalaciones, aire acondicionado.

Abstract

Infrared thermography, as a tool for supporting and obtaining data for maintenance or for the acquisition of elements of assessment of the situation, has great potential given that it has an immense capacity to appreciate the heat of the surfaces of opaque bodies to infrared radiation with high precision and high sensitivities (a camera with a resolution of 320 x 240 pixels can differentiate in its image temperatures of 0.05 °C). In consequence, the knowledge of the observed process, capable of explaining the presence of temperatures and/or thermal patterns on the surface of the inspected object, allows the input of valuable data for the assessment of the situation of that object. In this article we propose a method to observe in real time and without much smoke and lasers the form of an air flow as well as its temperature along that flow in the case of displacement diffusers. This would allow to carry out such measurements directly on the premises and to balance speeds, check diffusers, and so on.

Keywords

Thermography, infrared radiation, airflow, installations, air conditioning.

Recibido / received: 21.05.201. Aceptado / accepted: 28.06.2017.


Introducción

Los termógrafos definen la termografía infrarroja como la “ciencia” encargada de obtener y analizar la información térmica obtenida mediante dispositivos de adquisición de imágenes térmicas a distancia.

Es decir, se puede obtener información térmica a distancia de un cuerpo, lo cual ocurre gracias a que todos los sólidos emiten radiación infrarroja desde su superficie, siempre que se encuentren a una temperatura superior al 0 absoluto (0 K = -273 °C) cosa que afortunadamente ocurre siempre1.

Actualmente, la termografía infrarroja es una herramienta de gran utili-dad en auditorías energéticas, edificación, electricidad, automatización de procesos, etc.

Gracias a la capacidad de ver y “fotografiar” la distribución del calor en una superficie, poder hacerlo a distancia y además poder medir la temperatura con alta precisión en cualquier punto de la imagen, esta técnica per-mite obtener gran cantidad de datos muy útiles para la detección de anomalías, el diagnóstico y el mantenimiento en todas sus tipologías (figuras 1 y 2).

Se puede decir que la termografía es una tecnología con un alto grado de madurez ya que se lleva investigando y desarrollando desde hace tiempo.

Antes del año 1800, no se conocía la región infrarroja del espectro electromagnético. Fue Sir William Herschel, astrónomo real del rey Jorge III, quien descubrió por accidente la radiación infrarroja probando muestras de cristales de colores para reducir el brillo de la imagen del Sol y permitir así hacer observaciones solares. Determinó que algunas muestras dejaban pasar tanto calor que podían producir daños oculares.

Repitiendo el ensayo de prismas de Newton buscando el efecto calorífico y mediante un termómetro con el bulbo oscurecido encontró que al llevar el termómetro más allá del extremo rojo del espectro, en la parte oscura, la temperatura y, por tanto el calor, seguían aumentando, de ahí el término de “infrarrojo”.

Tras este hallazgo se siguió investigando e incluso se obtuvo la primera imagen térmica; posteriormente se descubrió el bolómetro en 1880 (precursor del sistema actual de detección más extendido).

Ya en el siglo XX, el desarrollo por parte de la tecnología militar dio el último impulso para llegar a la situación actual en la que existen ya cámaras portátiles de resolución de 1.024 x 768 píxeles, con capacidad de grabar vídeo, etc.

Actualmente, dentro del espectro infrarrojo, que se sitúa aproximadamente entre los 0,7 μm y los 1.000 μm (como se aprecia en la figura 3), las cámaras termográficas trabajan en me-nor medida con la onda corta (de 2 a 5 μm) y en mayor medida con la onda larga (de 7 a 14 m aproximadamente1).

Esto es así puesto que en el resto de frecuencias se producen en situaciones que no son de utilidad para la detección del calor como ocurre entre los 5 y los 7 μm, en los que la atmósfera es opaca a la radiación infrarroja y, por tanto, tan solo podríamos conseguir una imagen de la lámina de aire en contacto con la lente de la cámara, circunstancia que condiciona su uso en sistemas de ventilación. Su uso en este sector es el que ha motivado el experimento descrito en el presente artículo.

Pero, ¿por qué se pueden medir temperaturas con una cámara termográfica?

Como dijimos al principio, todos los cuerpos emiten radiación infrarroja desde su superficie siempre que su temperatura superficial sea mayor que el “cero absoluto”. Además, lo hacen en una cantidad determinada, relacionada directamente con la temperatura, lo que se manifiesta claramente en la ecuación de Stefan-Boltzman para la potencia emisiva superficial de radiación de un cuerpo negro2:


donde es una constante (5,67 x 10-8 W/m2K4) y Te es la temperatura de la superficie.

Teniendo en cuenta que un cuerpo negro es un emisor perfecto y que ningún cuerpo emitirá más radiación que él, la ley de Stefan-Boltzman habrá que corregirla en función de la capacidad real del cuerpo de emitir radiación:


donde es el factor de la emisividad, que es una propiedad de la superficie de los objetos que caracteriza la capacidad de emitir radiación a una temperatura determinada en comparación con un cuerpo negro y depende de varias propiedades de la superficie del cuerpo como el tipo de material, la estructura superficial, la geometría, el ángulo y la temperatura2.

Es decir, podemos relacionar directamente la potencia de la radiación emitida por el cuerpo con su temperatura superficial y, teniendo en cuenta que las cámaras termográficas lo que detectan es la radiación, conociendo la emisividad de la superficie del cuerpo observado, podemos medir temperaturas.

¿Y todo esto para medir temperaturas?

Sí, pero también mucho más.

Las cámaras actuales consiguen generar imágenes térmicas en las que cada píxel es una traducción a color de la cantidad de radiación que ha recibido la cámara en ese punto de la imagen, esto es, tenemos un “mapa de radiaciones” tan preciso cuanto más pequeños y abundantes sean los píxeles en la imagen, es decir, de su resolución.

Al final nuestro “mapa de radiacio-nes” acaba siendo un “mapa de patrones térmicos” o “mapa de distribución del calor” en la superficie de los objetos capturados en la imagen y esto aporta en multitud de aplicaciones una cantidad de datos importantísima que pueden ser muy útiles por sí solos o para complementar datos en otras técnicas de ensayo.

Es así como llegamos a las aplicaciones de la termografía, bien sea para medir temperaturas o para ver una imagen de la distribución de calor, donde esta ciencia proporciona conocimientos en todo tipo de sectores como detección de anomalías eléctricas, ensayos e información térmica en edificación, aplicaciones veterinarias y un largo etcétera2.

¿Qué interés especial podría tener la termografía en la difusión del aire?

La distribución superficial del calor nos da una información relevante en cualquier sólido y para una infinita cantidad de procesos, pero ¿podría dar información de procesos relacionados con las corrientes de aire?

Ya hemos visto que las longitudes de onda con las que se puede trabajar en termografía son aquellas en las que la atmósfera (es decir, el aire) es transparente a la radiación, lo que supone que de forma directa mediante la toma de imágenes de los equipos de impulsión, retorno o difusión no es posible.

Sin embargo, en inspecciones termográficas de edificación y energía y, por tanto, en las que la detección de infiltraciones de aire tiene gran interés, es habitual la utilización de métodos indirectos para la visualización de pequeñas corrientes de aire de infiltración o exfiltración a través de grietas, juntas o rendijas.

Simplemente, el uso de un papel o cualquier material de alta emisividad situado de forma que la corriente de aire incida directamente en el mismo permite verificar la presencia de estas corrientes de aire.

Por tanto, con los elementos adecuados cabría pensar que es posible visualizar el flujo de aire que sale por un difusor y puede ser alternativa al láser y al humo que se usa actualmente permitiendo plantear metodologías para la detección de flujos de aire, su visualización y la medición de temperaturas en su recorrido3.

La nueva aplicación

Recientemente, el profesor Fernández Gutiérrez, del Departamento de Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos de la Universidad de Málaga (UMA), consultando artículos científico-técnicos que apostaban por el uso de la termografía, ha realizado ensayos experimentales para cuantificar la temperatura de flujos de aire de sistemas de climatización a baja velocidad.

Estas referencias bibliográficas incluían experimentos en los que se medía la temperatura de un flujo de aire sobre una pantalla situada paralela a la dirección del propio flujo de aire que, en las condiciones adecuadas, era muy similar (por no decir igual) a la de la distribución del flujo de aire4,5.

Efectivamente, si el aire es casi transparente a la radiación infrarroja para los equipos comercializados en general, la única forma de visualizar su flujo y medir su temperatura es de forma indirecta tomando imágenes de un cuerpo expuesto a la corriente de aire.

Así pues, uno de los puntos clave del experimento fue encontrar un cuerpo que no alterara el flujo de aire significativamente y que tuviera una alta emisividad para medir temperaturas de forma precisa y sencilla, así como que estuviera hecho de un material que reaccionara rápidamente a la temperatura superficial, pero que no condujera el calor con mucha rapidez, lo que supondría una pérdida de información ya que la temperatura se homogeneizaría rápidamente en todo el cuerpo y no sabríamos su diferencia en distintos puntos del flujo.

Según las ecuaciones vistas, la fórmula que relaciona la temperatura y la radiación para cuerpos distintos a un cuerpo negro se ve corregida por un factor entre 0 y 1 llamado emisividad. Esto significa que un cuerpo con baja emisividad, por ejemplo 0,3, tendrá una capacidad de emisión del 30% en comparación con un cuerpo negro.

En el primer ensayo experimental se usa una cámara termográfica de 320 x 240 píxeles de resolución y un equipo de climatización al que se le acopló un conducto circular y un difusor por desplazamiento similar al de la figura 6.

La primera pantalla que se probó fue una plancha metálica lacada en blanco con un resultado bueno. Gracias a la pantalla de la cámara Flir serie
T335 con frecuencia de imagen en
su display de 30Hz, se pudo apreciar el
movimiento del flujo de aire en tiempo
real, incluso sus alteraciones en las
capas más alejadas cuando la velocidad
del aire era sensiblemente mayor.

También se pudo comprobar la
facilidad para visualizar el flujo en
materiales como papel o cartón, circunstancia
esta coherente con la alta
emisividad de dichos materiales.

Con esta primera aproximación
para la visualización del flujo con distintos
materiales se planificó la composición
de la pantalla que utilizar en
los ensayos.

El principal montaje experimental
de difusión se trataba de un modelo a
escala reducida de un difusor por desplazamiento
con caudal y velocidad de
aire variable, de forma que se pudiera
medir el flujo y la temperatura del
mismo. Todo el sistema se encontraba
en una urna aislada del ambiente exterior
para evitar alteraciones en el flujo.
Como pantalla de visualización se
utilizó cartulina negra dada su alta
emisividad y de pequeño espesor para
que no modificara el flujo.

La pantalla se situaba rígida y anexa
al difusor, con el flujo de aire tangente
a ambas caras y visualizando en una
de ellas la modificación de la temperatura.

Con este sistema se disponía de una
superficie cuyo comportamiento térmico
sería de acción inmediata y con
una superficie de alta emisividad que
permitiera la medición de temperaturas
con la mayor exactitud posible.

Se dispusieron termómetros en varios
puntos de la zona ensayada para
tener medidas de referencia con las
que comparar las temperaturas obtenidas
con la cámara térmica.

El experimento fue todo un éxito
ya que no solo se podían visualizar las
venas de aire de forma inmediata al
comienzo de la impulsión, sino que se
consiguió medir temperaturas con las
imágenes térmicas con una precisión
similar a la de los termómetros, con lo
que se concluyó que se puede obtener
la temperatura del aire en cualquier
punto del flujo y, además, visualizar su
forma tan solo con una pantalla y una
cámara térmica.

Se probaron distintos caudales de
aire y en todos los termogramas la
forma del flujo coincidía con la visualización del humo. También se
comprobó la fiabilidad de las temperaturas
que se podían medir en los
termogramas. Respecto a los puntos
donde se situaron los termómetros, las
temperaturas medidas con la cámara
térmica sobre la pantalla difieren
en +-2 oC de precisión, que es la que
proporciona el fabricante de la cámara
como precisión de lectura (no confundir
con los 50 mK que tiene la cámara
usada como sensibilidad térmica a 30
oC y que se refiere a la capacidad de
asignar colores a los píxeles según su
nivel de radiación).

Resultados de los ensayos

Q = 10 l/min (tabla 1). En la figura 13
se pueden observar tres puntos que
indican las temperaturas de referencia
y también una línea horizontal en
la base del difusor que indica cómo la
temperatura aumenta a medida que
nos alejamos.

Q = 15 l/min (tabla 2). En la figura
14 se pueden observar tres puntos que
indican las temperaturas de referencia
y también una línea horizontal en la
base del difusor que indica cómo la
temperatura aumenta a medida que
nos alejamos.

Q = 20 l/min (tabla 3 y figura 15).

Q = 25 l/min (tabla 4 y figura 16).

Como podemos observar en la tabla
5 que se muestra a continuación,
la diferencia de temperatura media
menor la tenemos en la temperatura
de impulsión 0,85 oC, por lo que consideramos
bastante aproximada a la
realidad la temperatura en la imagen
termográfica, la temperatura del suelo,
1,27 oC, también está muy próxima a
la realidad, la variación más alta la tenemos
en la medida que nos indica la
temperatura superior de la urna, 1,85
oC, esto se debe a que es la temperatura
que permanece más inestable a lo largo
del desarrollo del ensayo debido a las
condiciones externas de la urna.

Conclusiones

Después de la realización de los experimentos
y tras analizar los resultados
obtenidos a través de las imágenes termográficas,
se obtienen las siguientes
conclusiones:

• La finalidad de este artículo es
transmitir al lector la posibilidad
de visualizar y medir de una forma
sencilla y precisa el campo de
temperatura del aire en aplicaciones
como la ventilación, climatización,
infiltraciones y exfiltraciones.
Con la utilización de la termografía
comprobamos que los resultados
son instantáneos, ya que podemos
ver la imagen en tiempo real, es fácil
de realizar teniendo definidas las
pautas y económico ya que solo necesitamos
la cámara termográfica y
una pantalla.

• Es posible visualizar el campo de
temperatura del aire a través de
una cámara termográfica y utilizando
como pantalla una cartulina
negra, cuya emisividad tiene un
valor de 0,91. Cuanto más elevada
sea la emisividad, es decir cuanto
más cercana esté a la unidad, mejores
resultados obtendremos en la
medición de temperaturas y menor
será el error.

• La diferencia en las mediciones indirectas
de temperatura respecto a
las directas, es decir, las medidas
que realizamos a través de las imágenes
térmicas y en comparación
con las mediciones directas obtenidas
por las sondas PT 100, está
dentro de los parámetros previstos
por el fabricante de la cámara, a
pesar de la dificultad existente para
obtener la temperatura exacta en
los distintos puntos de la pluma de
aire. Calificamos de aceptable la diferencia
de 2 oC, dado que en difusión
de aire no es una variación de
temperatura importante sobre todo
considerando la dificultad existente
en identificar la pluma de aire para
medir su temperatura, así como la
precisión de los medidores disponibles
en el mercado.

• Las posibilidades que abre esta solución
al mayor conocimiento de la
difusión de aire son amplias. Desde
ideas tan sencillas como aportar
datos técnicos y comerciales de los
productos, acompañados de una
atractiva imagen térmica, hasta
mejorar los datos técnicos del comportamiento
del aire impulsado y
su temperatura para caracterizar el
flujo de aire, lo que puede ayudar
tanto a las ventas como al desarrollo
de estos productos e incluso a su
correcta instalación y diagnóstico
de anomalías.

• En cualquier instalación, desarrollando
una pantalla adecuada, se
podría determinar con facilidad el
estado de funcionamiento de cualquier
difusor, ya que se sabría la
temperatura del flujo de aire y con
la imagen de la vena se podría estimar
su alcance.

Bibliografía

1. Öhman, Claes (2014). Measurement in Thermography, Flir Systems and the Infrared Training Center. Sweden 2014 (ISBN 978-91-637-6802-6).

2. Vollmer, Michael and Möllmann, Klaus-Peter (2010). Infrared Thermal Imaging: Fundamentals, Research and Applications (ISBN 978-3-527-40717-0).

3. Experimental investigation of a new supply diffuser in an office room. Enero de 2009.

4. M. Cehlin et al. (2002). Measurements of air temperatures close to a low-velocity diffuser in displacement ventilation using infrared camera. Energy and Buildings, 24 (7): 687-698.

5. M. Cehlin, B. Moshfegh, M. Sandberg (2010). Numerical modeling of a complex diffuser in a room with displacement ventilation. Building and Environment, 45 (10): 2240–2252.

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