Een team van onderzoekers heeft een indirecte optische methode voorgesteld voor het bepalen van de interne temperaturen van ondoorzichtige gepakte bedden op basis van fosforthermometrie. Deze methode maakt gelijktijdige meerpuntsmetingen mogelijk met behulp van een op afbeeldingen gebaseerde scheiding van de over elkaar heen geplaatste luminescentie afkomstig van bronnen op verschillende locaties.

Gecombineerd met de ray tracing-simulatie heeft het de potentie om metingen uit te voeren in onregelmatig gepakte bedden van deeltjes met willekeurige vormen. De resultaten kunnen worden gebruikt als input voor een eindige elementen warmteoverdrachtssimulatie, waardoor de simulatieparameters kunnen worden geoptimaliseerd en zo een nauwkeurige volledige temperatuurverdeling binnen het bed kan worden verkregen.

Het team van onderzoekers van Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg publiceerde hun werk in het tijdschrift Particuology .

Gepakte bedden zijn de meest voorkomende industriële reactor, doorgaans samengesteld uit deeltjes met willekeurige vormen, en de reacties daarin vinden zeer vaak plaats bij hoge temperaturen. Het meten en controleren van de temperatuur van de pakkingdeeltjes in de bedden is dus cruciaal voor het optimaliseren van de productkwaliteit, de energie-efficiëntie van de systemen en de uitstoot van verontreinigende stoffen.

Gegeven de inherente willekeur in de grootte en verdeling van de poriën binnen een gepakt bed, gekoppeld aan de ondoorzichtigheid van het pakkingmateriaal, levert de nauwkeurige meting van de mondiale temperatuurverdeling binnen het bed aanzienlijke problemen op. Daarom nemen onderzoekers en ingenieurs vaak hun toevlucht tot numerieke simulaties om de interne temperatuurkarakteristieken van gepakte bedden te analyseren, wat een manier biedt om de beperkingen van directe metingen te overwinnen.

De numerieke simulatie van thermochemische processen in gepakte bedden is echter ook een grote uitdaging vanwege de grote domeingrootte, de meerschalige aard van het probleem en de verschillende warmteoverdrachtsmodi die worden gepresenteerd, waaronder convectie, deeltjes-naar-deeltjesgeleiding. en straling.

Zelfs bij afwezigheid van straling, convectie en chemische reacties blijft de simulatie van warmteoverdracht in gepakte bedden bijzonder ingewikkeld vanwege de moeilijkheid bij het oplossen van complexe deeltjesoppervlakte-eigenschappen op contactpunten en de variabiliteit die inherent is aan de pakkingstructuur als gevolg van de deeltjesvulling. stap.

Met name de oppervlakteruwheid kan de warmteoverdracht van deeltjes naar deeltjes aanzienlijk beïnvloeden bij het omgaan met deeltjes met een hoge thermische geleidbaarheid en regelmatige geometrieën zoals kubussen. Hoewel de implicaties van een dergelijke ruwheid theoretisch kunnen worden gemodelleerd door een kleine luchtspleet tussen deeltjes, vereist effectieve simulatie voorafgaande kennis van deze spleetgrootte, die vaak onhaalbaar is vanwege de verschillende determinanten ervan, zoals de productiemethoden van deeltjes.

Het is daarom van cruciaal belang om nauwkeurige lokale temperatuurmetingen binnen het gepakte bed te hebben, vooral voor meerpuntsmetingen, die informatie kunnen verschaffen over de richting en omvang van de warmteoverdrachtssnelheden.

In hun recente artikel ontwikkelde het team van wetenschappers een indirecte thermometriemethode om de interne temperatuur van gepakte bedden experimenteel te meten. Deze methode was gebaseerd op een combinatie van op levensduur gebaseerde fosforthermometrie, ray tracing-simulaties en assimilatie van temperatuurgegevens met behulp van simulaties van warmteoverdracht met eindige elementen.

Onderzoekers ontwierpen een reproduceerbare, regelmatige pakking van aluminium bollen met een diameter van 6 mm om de methode vast te stellen en te valideren, waarbij één bol in de toplaag elektrisch werd verwarmd. Wanneer bollen binnen de pakking werden gecoat met thermografische fosforen en excitatielicht naar de pakking werd gericht, zouden fosforcoatings indirect worden geëxciteerd terwijl de laser zich door het bed voortplantte door verstrooiing tussen de oppervlakken van de pakkingkorrels.

Bijgevolg kan de fosforluminescentie die het bed verlaat, worden benut om de oorspronkelijke locatie te reconstrueren en de temperatuur op de gereconstrueerde locatie te schatten.

Als we meerdere luminescerende deeltjes in gepakte bedden beschouwen, is het resulterende luminescentieveld een som van de individuele deeltjesbijdragen. Het onderzoeksteam stelde voor om de relatieve bijdragen van elk deeltje te isoleren door lineaire regressie van hun stralingsoverdracht.

Hiervoor was het belangrijkste punt het verkrijgen van de individuele deeltjesintensiteitsverdelingsfuncties, die de ruimtelijke verdeling verschaffen van de luminescentie die op het camerabeeld wordt gevormd terwijl slechts één van de interne deeltjes licht uitstraalde. In eenvoudige opstellingen waarbij de pakking regelmatig en herhaalbaar was, konden deze distributiefuncties eenvoudig worden gemeten.

Voor complexe gevallen van onregelmatig gepakte bedden was een efficiënt alternatief om de functies te verkrijgen het gebruik van ray tracing-simulaties waarbij men individuele deeltjes naar believen "aan" en "uit" kon zetten. Meerpuntstemperatuurdetecties werden gebruikt als input voor simulaties van warmteoverdracht met eindige elementen om parameters zoals de luchtspleetafstand van deeltjes tot deeltjes te bepalen. Hiermee kon de volledige temperatuurverdeling in het bed uit de gemeten waarden worden afgeleid.

"Deze studie biedt een nieuwe optie om de meerpuntstemperatuur in ondoorzichtige gepakte bedden te bepalen, waardoor experimentele validatie van zeer opgeloste numerieke simulaties mogelijk wordt en inzicht wordt geboden in de complexe interacties tussen chemische reacties en warmte en massa." zei auteur Guangtao Xuan, een Ph.D. student aan de Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

"Volgende stappen omvatten het vergroten van de deeltjeshoeveelheid bij gelijktijdige metingen, het verder verbeteren van de nauwkeurigheid van de ray tracing-simulatie van de deeltjesluminescentie, en het uitbreiden van de demonstratie naar onregelmatig gepakte bedden." zei hij.

Het team bestaat uit de wetenschappers van Guangtao Xuan, Mirko Ebert, Simson Julian Rodrigues, Nicole Vorhauer-Huget, Christian Lessig en Benoît Fond van de Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Duitsland. De onderzoeker Benoît Fond werkt momenteel bij ONERA, het Franse Aerospace Lab, Frankrijk.

Meer informatie: Guangtao Xuan et al, Multi-point temperatuurmetingen in gepakte bedden met behulp van fosforthermometrie en ray tracing-simulaties, Particuologie (2023). DOI:10.1016/j.partic.2023.03.015

Aangeboden door Particuologie