Flerpunkts temperaturmålinger i pakkede lejer ved hjælp af fosfortermometri og strålesporingssimuleringer

Et team af forskere har foreslået en indirekte optisk metode til bestemmelse af indre temperaturer i uigennemsigtige pakkede senge baseret på fosfortermometri. Denne metode muliggør samtidige flerpunktsmålinger ved hjælp af en billedbaseret adskillelse af den overlejrede luminescens, der stammer fra kilder på forskellige steder.

Kombineret med strålesporingssimuleringen har den potentialet til at udføre målingerne i uregelmæssigt pakkede lejer af partikler med vilkårlige former. Resultaterne kan bruges som input til en finite element varmeoverførselssimulering, hvilket giver mulighed for at optimere simuleringsparametrene og dermed opnå en nøjagtig fuld temperaturfordeling i sengen.

Holdet af forskere fra Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg offentliggjorde deres arbejde i tidsskriftet Particuology .

Pakkede lejer er den mest almindelige industrielle reaktor, typisk sammensat af partikler af tilfældige former, og reaktionerne i dem sker meget ofte ved høj temperatur. Måling og styring af pakningspartikeltemperaturen i sengene er således afgørende for at optimere produktkvaliteten, systemernes energieffektivitet og forurenende emissioner.

I betragtning af den iboende tilfældighed i størrelsen og fordelingen af ​​porer i et pakket leje, kombineret med pakningsmaterialets opacitet, udgør den nøjagtige måling af den globale temperaturfordeling inde i sengen betydelige vanskeligheder. Derfor tyr forskere og ingeniører ofte til numeriske simuleringer for at analysere de interne temperaturkarakteristika for pakkede senge, hvilket tilbyder et middel til at overvinde begrænsningerne ved direkte målinger.

Men den numeriske simulering af termokemiske processer i pakkede lejer er også meget udfordrende på grund af den store domænestørrelse, problemets multi-skala karakter og de forskellige varmeoverførselstilstande, der præsenteres, herunder konvektion, partikel-til-partikel-ledning og stråling.

Selv i fravær af stråling, konvektion og kemiske reaktioner forbliver simuleringen af ​​varmeoverførsel i pakkede lejer særligt indviklet på grund af vanskeligheden med at løse komplekse partikeloverfladeegenskaber ved kontaktpunkter og den variabilitet, der er iboende i pakningsstrukturen på grund af partikelfyldningen trin.

Især kan overfladeruhed påvirke partikel-til-partikel varmeoverførsel, når man har at gøre med partikler med høj termisk ledningsevne og regelmæssige geometrier som terninger. Selvom implikationerne af en sådan ruhed teoretisk kan modelleres ved en mindre luftspalte mellem partikler, kræver effektiv simulering forudgående viden om denne spaltestørrelse, som ofte er uopnåelig på grund af dens forskellige determinanter, såsom partikelfremstillingsmetoder.

Det er derfor afgørende at have nøjagtige lokale temperaturmålinger i den pakkede seng, især for flerpunktsmålinger, som kan give information om retningen og størrelsen af ​​varmeoverførselshastigheder.

I deres nylige papir udviklede holdet af videnskabsmænd en indirekte termometrimetode til eksperimentelt at måle den indre temperatur i pakkede senge. Denne metode byggede på en kombination af livstidsbaseret fosfortermometri, strålesporingssimuleringer og temperaturdataassimilering ved hjælp af finite element varmeoverførselssimuleringer.

Forskere designede en reproducerbar regulær pakning af aluminiumkugler med en diameter på 6 mm for at etablere og validere metoden, hvor en kugle i det øverste lag bliver elektrisk opvarmet. Når kugler inde i pakningen blev belagt med termografiske phosphorstoffer, og excitationslys blev rettet mod pakningen, ville phosphorbelægninger blive exciteret indirekte, når laseren forplantede sig gennem lejet ved at sprede sig mellem pakningsgranulatets overflader.

Som følge heraf kan fosforluminescensen, der forlader lejet, udnyttes til at rekonstruere oprindelsesstedet og estimere temperaturen på det rekonstruerede sted.

I betragtning af flere luminescerende partikler præsenteret i pakkede lejer, er det resulterende luminescensfelt en sum af de individuelle partikelbidrag. Forskerholdet foreslog at isolere hver partikels relative bidrag ved lineær regression af deres strålingsoverførsel.

Til dette var nøglepunktet at opnå de individuelle partikelintensitetsfordelingsfunktioner, som giver den rumlige fordeling af luminescensen dannet på kamerabilledet, mens kun en af ​​de interne partikler udsendte lys. I simple opsætninger, hvor pakningen var regelmæssig og gentagelig, kunne disse distributionsfunktioner let måles.

For komplekse tilfælde af uregelmæssigt pakkede senge var et effektivt alternativ til at opnå funktionerne at bruge strålesporingssimuleringer, hvor man kunne tænde og "slukke" individuelle partikler efter behag. Flerpunkts temperaturdetektion blev brugt som input til finite element varmeoverførselssimuleringer for at bestemme parametre såsom partikel-til-partikel luftspalteafstand. Med disse kunne den fulde temperaturfordeling inde i sengen assimileres ud fra de målte værdier.

"Denne undersøgelse giver en ny mulighed for at bestemme flerpunktstemperatur i uigennemsigtige pakkede senge, hvilket muliggør eksperimentel validering af højt opløste numeriske simuleringer og giver indsigt i de komplekse interaktioner mellem kemiske reaktioner og varme og masse." sagde forfatter Guangtao Xuan, en Ph.D. studerende ved Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

"Næste trin inkluderer at øge partikelmængden af ​​samtidige målinger, yderligere forbedre nøjagtigheden af ​​strålesporingssimulering af partikelluminescensen og udvide demonstrationen til uregelmæssigt pakkede senge." sagde han.

Holdet omfatter videnskabsmændene fra Guangtao Xuan, Mirko Ebert, Simson Julian Rodrigues, Nicole Vorhauer-Huget, Christian Lessig og Benoît Fond fra Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Tyskland. Forskeren Benoît Fond arbejder i øjeblikket hos ONERA—The French Aerospace Lab, Frankrig.

Flere oplysninger: Guangtao Xuan et al., Flerpunkts temperaturmålinger i pakkede senge ved hjælp af fosfortermometri og strålesporingssimuleringer, Particuology (2023). DOI:10.1016/j.partic.2023.03.015

Leveret af Particuology