Termografía Infrarroja Aérea: Una Herramienta en el Manejo de Propiedades Para Operadores de Sistemas de Calentamiento de un Distrito Determinado
Por: Greg Stockton
Stockton Infrared Thermographic Services, Inc.
8472 Adams Farm Road
Randleman, NC 27317-7331
(336) 498-4734
greg@stocktoninfrared.com
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Resumen
Las imágenes infrarrojas de las inspecciones realizadas en las edificaciones, grupos de instalaciones, bases militares y ciudades se pueden usar para muchos fines. Sistemas tales como el suministro de vapor de agua, los conductos de retorno, tuberías de agua caliente, tuberías de agua fría, tuberías principales, tuberías de distribución, cañerías, desagues de aguas pluviales, cloacas y tuberías de aguas negras se pueden monitorear observando los patrones de temperatura de la superficie. En el caso de los sistemas de calefacción del distrito, el sistema de distribución puede volarse rápida y económicamente para proveer información para la planificación del manejo de las propiedades y su mantenimiento preventivo. Como resultado de encontrar y reparar las fugas del sistema de vapor de agua, se puede reducir la cantidad de energía a usar con todos los beneficios que ello conlleva.
Introducción
Las fallas y fugas del sistema de aislamiento en los sistemas externos de vapor de agua así como en las tuberías subterráneas del sistema de vapor de agua (las tuberías que están directamente enterradas bajo la superficie, y los túneles del sistema de vapor), pueden ocasionar una eficiencia energética por debajo de lo deseable, especialmente cuando las fugas del sistema de vapor de agua, así como las pérdidas de calor (ver Figura 1) no se hayan detectado, sean inaccesibles ó difíciles de encontrar dada la vasta extensión de algunas instalaciones. Mientras más tiempo hayan fugas, pérdida excesiva de calor en una tubería, ó drenaje de líquidos sin detectar; mayor será la pérdida de energía, y mayor será la cantidad de químicos necesarios que tendrán que agregarse para solventar el problema, y mayor será el potencial para el impacto negativo en el ambiente.
Figura 1) Típicas pérdidas de calor en un sistema de vapor.
(Rojo es mas pérdida de calor que amarillo y verde indica que el aparato está funcionando normalmente.)
Figura 2) Tubería del sistema de vapor filtrándose por sobre la superficie del suelo.
Comprendiendo la Termografía Aérea
La termografía infrarroja puede ayudar a monitorear el sistema de distribución del vapor de agua de forma que aquéllos que tengan esa tarea puedan manejar mejor sus propiedades. Las tareas de inspección de los generadores de vapor, las tuberías y sifones de vapor dentro de los edificios y dentro de los túneles del sistema de vapor son mejor realizadas en la superficie, pero los conductos de distribución y condensado se examinan mejor desde el aire. El contraste térmico entre las tuberías activas y la superficie de su alrededor usualmente es bueno, dependiendo de la profundidad de la tubería, la temperatura, la corriente y los materiales que cubran las tuberías. El sistema entero puede sobrevolarse y producir una imagen panorámica térmica y las áreas donde se sospeche que hay problemas pueden ser señaladas y documentadas. Las inspeccones de termografía infrarroja que se realizan en la superficie, con cámaras de mano, en todas las áreas -menos en las más pequeñas- dentro de un sistema, requieren mucho tiempo, mucho trabajo y producen imágenes de pequeño campo de visión ó de pintura en la superficie. Debido a recientes avances dentro de la tecnología infrarroja, a la diponibilidad de sistemas de imágenes de alta sensibilidad térmica, y de sistemas de imágenes térmicas de formato espacial grande (alta resolución) montados en una plataforma aérea, las inspecciones en tierra son ahora obsoletas.
La metodología para tomar imágenes infrarrojas aéreas se parece mucho a la toma de fotografías aéreas. Para reunir la información, el avión vuela sobre un área determinada con una cámara montada en el fuselaje del avión y orientada directamente hacia abajo sobre la superficie a fotografiar. Las imágenes se guardan en el disco duro de una computadora y son procesadas después. En lo que la termografía infrarroja difiere de la fotografía aérea visible es en la hora del día en la cual ocurre la inspección y en la longitud de onda de las imágenes que obtiene el detector. La termografía infrarroja de objetos en tierra se realiza de noche. La termografía revela fuentes de calor y las diferencias relativas de calor de un objeto a otro.
Las imágenes infrarrojas consisten en una foto de degradación cuyas escalas (o tonos de grís) representan las diferencias de temperatura y la emisividad de los objetos de la imagen. Típicamente los objetos de la imagen que se ven más claros están más calientes, y aquéllos que se ven más oscuros están más fríos...los objetos de color blanco brillante son los más calientes y los objetos negros son los más fríos.
Cualquier objeto con una temperatura por encima de cero absoluto (0 Kelvin ó 273 grados Celsius) emite radiación infrarroja. Una foto infrarroja sólo muestra objetos que emiten longitud de ondas comprendidas en un radio de acción entre 3.000 y 5.000 nanómetros (onda de mediana longitud) ó entre un radio de acción entre 8.000 y 14.000 (onda larga). Los objetos de luz visible que aparecen en la longitud de ondas comprendidas entre 400 y 700 nanómetros se detectan, pero sólo porque ellos también emiten calor. Un ejemplo de esto sería un poste de luz del alumbrado eléctrico público que se puede ver en las imágenes infrarrojas porque el poste y el bombillo están tibios.
Las imágenes infrarrojas usualmente se graban en un instrumento digital y luego se copian en forma de video ó video-DVD ó se archivan como imágenes digitales. Las imágenes entonces se pueden modificar de varias formas para mejorar su apariencia cuando el cliente las use, tales como crear imágenes de colores falsos ó ajustando la brillantez y el contraste de la imagen de la escala de degradación que se va a usar en el informe escrito.
Inspeccionando las fugas en los sistemas de vapor de agua
Los sistemas de vapor de agua y los conductos del condensado son casi siempre fácilmente visibles con la termografía infrarroja, aún cuando no existan problemas resaltantes. Esto se debe al hecho de que no importa que tan bueno sea el material de aislamiento, siempre hay pérdida de calor en las tuberías, la cual llega hasta la superficie. Las áreas problemáticas generalmente son completamente evidentes ya que presentan impresiones infrarrojas más brillantes (ver Figuras 3) que exceden la norma.
Figuras 3a y 3b) Imagen infrarroja e imagen visual de un
sistema de vapor de agua con fuga coloreada en rojo.
Los defectos en las tuberías de un sistema de vapor normalmente aparecen como una tubería recalentada ó como un punto caliente grande en forma de protuberancia ó globo a lo largo de la tubería. Las tuberías recalentadas a menudo ocurren cuando la tubería de vapor de agua se encuentra en un conducto ó en un túnel. Si hay una fuga en la tubería, el tubo que tenga el escape se calentaría. Si la tubería del vapor está enterrada directamente bajo la superficie y tiene una cubierta de aislamiento, la fuga usualmente saturará dicha cubierta de aislamiento, inutilizándola en gran parte, y haciendo que comience a transferir calor dentro de la superficie alrededor del escape, produciendo, por lo tanto, la protuberancia clásica ó un área caliente en forma de globo el cual se extendería por la tubería.
Algunas fugas se presentan como una tapa ó cubierta de pozo sobrecalentada. Las alcantarillas ó las cubiertas que contienen los controles de la maquinaria del sistema de vapor, que presentan fugas, a menudo calentará́n las cubiertas hasta llegar a temperaturas por encima de lo normal. A menos que estos escapes sean lo suficientemente severos para elevar en una forma significante la temperatura ligeramente más alta de lo normal de las alcantarillas, estas fugas son difíciles de identificar.
De hecho, las imágenes infrarrojas de un sistema de vapor pueden ser un poco engañosas, a menos que uno entienda e interprete correctamente el brillo relativo y la temperatura de una tubería determinada. Por ejemplo, una tubería de un sistema de vapor que tiene la misma temperatura de un extremo al otro y que pasa bajo diferentes superficies y materiales puede exhibir una variedad real y percibida de variaciones de temperatura. Cinco temperaturas aparentemente diferentes pueden aparecer en la misma tubería que pasa por debajo de un campo cubierto de grama, una carretera de asfalto, un embarcadero de cargar concreto, un estacionamiento de concreto, o un camino de un peladero.
Figuras 4a y 4b) Mosaico visual e imágenes infrarrojas de un sistema
de distribucion de vapor de una ciudad.
Trazamiento de Mapas Térmicos, Orto-rectificación y Procesamiento Posterior
Usando una cámara infrarroja de alta resolución,-no montada-se puede hacer la inspección de un par de edificios ó unos cuantos miles de pies de tuberías subterráneas, volando sobre los blancos y localizando las imágenes, grabando la información y organizándola en un informe. Esto funciona con áreas muy pequeñas, pero no es posible para hacer mapas térmicos precisos de grupos completos de edificios, universidades, ciudades, bases militares (ver las Figuras 4) sin orto-rectificación de las imágenes. Para producir mapas térmicos orto-rectificados, se debe reunir mucha más información, y pegársele a las imágenes infrarrojas. Durante el vuelo, el avión vuela directamente sobre líneas rectas en una cuadrícula pre-planificada, permitiendo intersección de las imágenes. El operador de termografía infrarroja controla el sensor de adquisición de información siguiendo una lista de verificación estructurada para el manejo metódico del archivo de la información. Las imágenes se deben reunir con un sistema exacto, directo y digital, en el momento preciso, con un giroscópo con anillo de laser de tres ejes y un sistema de navegación inercial, el cual está estrechamente acoplado a un sistema de posicionamiento de satélite GPS (sistema de posicionamiento global) diferencial en tiempo real que provee posicionamiento x, y, z del sensor todo el tiempo.
Después de obtener la información se procesan las imágenes infrarrojas digitales y se convierten en una serie de imágenes orto-rectificadas en forma de cuadrados, los cuales se colocan juntos para crear una composición en forma de imagen gigantesca. Un sistema de computadora organiza esta información usando un modelo de elevación digital (DEM en Inglés̱) del área, que consiste en una cuadrícula uniforme de valores de puntos de elevación de la posición y orientación de la cámara con respecto a un sistema de rendimiento tridimensional coordinado. El resultado se presenta como una imagen térmica de alta resolución en forma de geo-TIFF (ver Figura 5), el cual es compatible con un sistema de soporte geológico GIS tal como los siguientes programas de diseño de mapas: ESRI ArcViewTM, Map 3D, AutoCAD®, Global Mapper, MapInfoTM, etc. Una vez creados los mapas de alta calidad digital-térmica junto con las fotografías orto-rectificadas, estos pueden ser añadidos como nuevas capas de información a los CAD existentes ó nuevos, y al sistema GIS. La información digital también se puede procesar luego en otras formas, como a través de la creación de imágenes de colores falsos para resaltar las áreas de interés, añadiendo información de temperaturas ó creando informes gráficos (Ver Figura 6).
Figuras 5) Mosaico de imagen infrarroja (geo-TIFF) de una universidad pequeña .
Figura 6) Imágenes térmicas coloreadas y ejemplo de procesamiento posterior.
Evaluaciones cualitativas, versus evaluaciones cuantitativas
El enfoque de las imágenes descritas anteriormente es cualitativo. Este enfoque identifica y localiza los problemas existentes en los sistemas de vapor de agua, basados en sus rasgos de calor anómalos. Esta es la fruta bajita en cuanto a la ganancia de nuestra inversión. Ahora bien, este método no cuantifica la cantidad de pérdida de calor. Para desarrollar la información cuantitativa, si se desea, se necesitaría realizar un trabajo adicional, en forma de un esfuerzo de trabajo de campo extra en la fase de adquisición de la información infrarroja, combinado con un análisis de la transferencia del calor en el sistema de distribución del vapor de agua.
Para entender el enfoque cuantitativo, es necesario entender como se moviliza el calor y cuales son los factores que afectan su transferencia, tanto como los conocimientos de Física implicados en la información infrarroja adquirida. Para saber exactamente cual es la energía emitida por un objeto, se deben tomar en cuenta varios factores como las características del sensor, la atmósfera y el objeto en cuestión así como conocer la transmisión, las características de la emisividad del concreto,del asfalto, de la grama, del suelo, del lodo, etc. La habilildad de obtener medidas cuantitativas se basa en un sistema de imágenes radiométricas, de forma que uno debe usar una cámara infrarroja radiométrica para reunir las imágenes y de forma que puedan procesarse a posteriori.
La energía calórica se mobiliza por medio de conducción, convección y radiación. Para hacer cálculos cuantitativos térmicos significantes, la(s) temperatura(s) del contenido del tubo o tuberías, las propiedades de aislamiento y todas las propiedades térmicas de todos los materiales de la superficie
donde se encuentran, (específicamente la capacidad calórica, la conductividad térmica, y la densidad) deben conocerse y tomarse en cuenta al hacer los cálculos. Ya que los dibujos hechos y las propiedades térmicas no siempre están disponibles rápidamente, si es que están disponibles. Esto generalmente significa que los cálculos aproximados de pérdida de calor, las implicaciones de los valores de temperaturas obtenidos, y la evaluación cuantitativa del rendimiento de la tubería sólo se puede revelar como ya se dijo antes: como un cálculo aproximado.
Aún cuando algunos sistemas de imágenes térmicas de formato grande son completamente capaces de producir rápidas medidas radiométricas exactas, cuadro por cuadro de temperaturas digitales en la acquisición de cada pixel, de cada imagen infrarroja, el costo de la obtención de medidas cuantitativas, y el uso de cálculos del análisis regular y del análisis de transferencia temporal del calor (las cuales se hacen típicamente con un análisis de elemento final (FEA, en Inglés), hacen que las medidas cuantitativas constituyan un paso más caro, que simplemente usar la información para hacer juicios basados en la experiencia de la persona que esté analizando la información térmica. La mayoría del tiempo, el proceso de identificación de fugas y de pérdida excesiva de calor en las tuberías, es directo, pero el realizar los cálculos que tengan que ver con la eficacia y con otras cualidades; es un paso adicional que añade costo, el cual puede añadir valor, pero puede también ofrecer una ganancia más baja de la inversión. En otras palabras, agarre la fruta bajita primero al identificar los escapes, y si tiene un problema conocido, (o lo encuentra) que requiera cuantificación, entonces haga el análisis posteriormente. Si piensa que va a necesitar cuantificación, es prudente que planifique de antemano ya que ello afectará ligeramente los métodos usados para la acquisición de las imágenes infrarrojas.
Figures 7) Imagen térmica de un techo plano (las áreas mojadas aparecen mas claras).
Beneficios Secundarios
La seguridad mejora, la confiabilidad en los bienes raíces debido a su monitoreo, se puede lograr y se puede evitar malgastar energía a través del uso de imágenes infrarrojas aéreas, y del empleo del análisis y reparación de los sistemas de distribución del vapor de agua. El crear un “mapa térmico” de un área dada tiene beneficios que van mucho más allá del sistema de vapor. Un mapa térmico ayuda a los gerentes en el análisis de otros tipos de sistemas tales como tuberías de agua caliente de alta temperatura, (HTHW-en Inglés-), tuberías de agua caliente de temperatura media, (LTHW-en Inglés-), suministro de agua fría , (CHWS-en Inglés-), tuberías de suministro principal de agua, desague de aguas pluviales, cañerías de cloacas, y de aguas negras y cualquier otra tubería de distribución de agua. Las redes del alumbrado eléctrico, así como las subestaciones también se pueden inspeccionar para informar al personal de mantenimiento de cualquier problema eléctrico que existiera en las instalaciones.
El hecho de dibujar la humedad atrapada de los techos planos o inclinados usando un dibujo de CAD con precisión provee un beneficio significante en el mantenimiento de pronóstico. Los techos constituyen bienes caros y onerosos de mantener. La humedad atrapada (ver Figura 7) en el material de aislamiento y en otros materiales de soporte indican que existen filtraciones en las otras capas del techo, uniones y en el vierteaguas.
Sin embargo, las encuestas de pérdida de calor al por mayor no pueden realizarse por medio de una encuesta térmica NADIR, (método que permite observar un objeto directamente hacia abajo) principalmente porque la mayoría de los techos de los edificios están desconectados de la pérdida de calor del edificio, ya sea con ventilación, o con materiales de aislamiento o reflejan tanto la luz que la pérdida de calor no se puede medir a través de la termografía infrarroja. Las inspecciones aéreas o inspecciones en tierra en ángulo recto de las paredes serían necesarias para lograr encuestas de pérdida de calor.
Biografía del Autor
Gregory R. Stockton es presidente de Stockton
Agradecimientos
A
Eric Raymond Stockton de Stockton
A Jack M Kleinfeld, PE. (Ingeniero Profesional) de Kleinfeld Technical Services, Inc., Bronx, NY; por su asistencia en la preparación de este trabajo en la aplicación de los temas relacionados con el análisis de transferencia de calor.
A
Publicado en Junio, 2007 en la conferencia de la Asociación Internacional de Energía Distrital en Scottsdale, Arizona
Copyright© 2007
Stockton Infrared Thermographic Services, Inc.