Ett team av forskare har föreslagit en indirekt optisk metod för att bestämma interna temperaturer hos ogenomskinliga packade bäddar baserat på fosfortermometri. Denna metod möjliggör samtidiga flerpunktsmätningar med en bildbaserad separation av den överlagrade luminescensen som härrör från källor på olika platser.
I kombination med strålspårningssimuleringen har den potential att utföra mätningarna i oregelbundet packade bäddar av partiklar med godtyckliga former. Resultaten kan användas som input till en värmeöverföringssimulering med finita element, vilket möjliggör optimering av simuleringsparametrarna och på så sätt erhåller en exakt full temperaturfördelning i bädden.
Teamet av forskare från Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg publicerade sitt arbete i tidskriften Particuology .
Packade bäddar är den vanligaste industriella reaktorn, vanligtvis sammansatt av partiklar med slumpmässiga former, och reaktionerna i dem sker mycket ofta vid hög temperatur. Mätning och kontroll av packningspartikeltemperaturen i bäddarna är därför avgörande för att optimera produktkvaliteten, systemens energieffektivitet och föroreningsutsläpp.
Med tanke på den inneboende slumpmässigheten i storleken och fördelningen av porer inom en packad bädd, tillsammans med opaciteten hos packningsmaterialet, utgör den exakta mätningen av den globala temperaturfördelningen inuti bädden betydande svårigheter. Därför tar forskare och ingenjörer ofta till numeriska simuleringar för att analysera de interna temperaturegenskaperna hos packade sängar, vilket erbjuder ett sätt att övervinna begränsningarna med direkta mätningar.
Emellertid är den numeriska simuleringen av termokemiska processer i packade bäddar också mycket utmanande på grund av den stora domänstorleken, problemets flerskaliga karaktär och de olika värmeöverföringslägen som presenteras, inklusive konvektion, partikel-till-partikel-ledning och strålning.
Även i frånvaro av strålning, konvektion och kemiska reaktioner förblir simuleringen av värmeöverföring i packade bäddar särskilt komplicerad på grund av svårigheten att lösa komplexa partikelytegenskaper vid kontaktpunkter och variabiliteten som är inneboende i packningsstrukturen på grund av partikelfyllningen steg.
Speciellt kan ytjämnhet avsevärt påverka värmeöverföring från partikel till partikel när man hanterar partiklar med hög värmeledningsförmåga och regelbundna geometrier som kuber. Även om implikationerna av sådan grovhet teoretiskt sett kan modelleras av ett mindre luftgap mellan partiklar, kräver effektiv simulering förkunskaper om denna gapstorlek, som ofta är ouppnåelig på grund av dess olika bestämningsfaktorer, såsom partikeltillverkningsmetoder.
Det är därför avgörande att ha noggranna lokala temperaturmätningar i den packade bädden, särskilt för flerpunktsmätningar, som kan ge information om värmeöverföringshastigheternas riktning och storlek.
I sin senaste artikel utvecklade forskarteamet en indirekt termometrimetod för att experimentellt mäta den inre temperaturen i packade sängar. Denna metod förlitade sig på en kombination av livstidsbaserad fosfortermometri, strålspårningssimuleringar och assimilering av temperaturdata med hjälp av finita element värmeöverföringssimuleringar.
Forskare designade en reproducerbar vanlig packning av 6 mm diameter aluminiumsfärer för att etablera och validera metoden, med en sfär i det översta lagret som värms upp elektriskt. När sfärer inuti packningen belades med termografiska fosforer och excitationsljus riktades mot packningen, skulle fosforbeläggningar exciteras indirekt när lasern fortplantade sig genom bädden genom spridning mellan packningsgranulats ytor.
Följaktligen kan fosforluminescensen som lämnar bädden utnyttjas för att rekonstruera ursprungsplatsen och uppskatta temperaturen vid den rekonstruerade platsen.
Med tanke på flera luminescerande partiklar presenterade i packade bäddar, är det resulterande luminescensfältet en summa av de individuella partikelbidragen. Forskargruppen föreslog att man skulle isolera varje partikels relativa bidrag genom linjär regression av deras strålningsöverföring.
För detta var nyckelpunkten att erhålla de individuella partikelintensitetsfördelningsfunktionerna, som tillhandahåller den rumsliga fördelningen av luminescensen som bildas på kamerabilden medan endast en av de inre partiklarna avgav ljus. I enkla inställningar där packningen var regelbunden och repeterbar kunde dessa distributionsfunktioner lätt mätas.
För komplexa fall av oregelbundet packade bäddar var ett effektivt alternativ för att erhålla funktionerna att använda strålspårningssimuleringar där man kunde slå på och "av" enskilda partiklar efter behag. Flerpunktstemperaturdetekteringar användes som indata till simuleringar av finita element värmeöverföring för att bestämma parametrar som luftgapavstånd partikel-till-partikel. Med dessa kunde hela temperaturfördelningen inuti bädden assimileras från de uppmätta värdena.
"Denna studie ger ett nytt alternativ för att bestämma flerpunktstemperatur i ogenomskinliga packade sängar, vilket möjliggör experimentell validering av högupplösta numeriska simuleringar och ger insikter i de komplexa interaktionerna mellan kemiska reaktioner och värme och massa." sa författaren Guangtao Xuan, en Ph.D. student vid Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.
"Nästa steg inkluderar att öka partikelmängden av samtidiga mätningar, ytterligare förbättra noggrannheten i strålspårningssimulering av partikelluminescensen och utvidga demonstrationen till oregelbundet packade bäddar." sa han.
I teamet ingår forskarna från Guangtao Xuan, Mirko Ebert, Simson Julian Rodrigues, Nicole Vorhauer-Huget, Christian Lessig och Benoît Fond från Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Tyskland. Forskaren Benoît Fond arbetar för närvarande på ONERA—The French Aerospace Lab, Frankrike.
Mer information: Guangtao Xuan et al, Flerpunktstemperaturmätningar i packade bäddar med användning av fosfortermometri och strålspårningssimuleringar, Partikuologi (2023). DOI:10.1016/j.partic.2023.03.015
Tillhandahålls av Particuology
