Un team di ricercatori ha proposto un metodo ottico indiretto per determinare le temperature interne di letti impaccati opachi basato sulla termometria dei fosfori. Questo metodo consente misurazioni multipunto simultanee utilizzando una separazione basata su immagini della luminescenza sovrapposta proveniente da sorgenti in posizioni diverse.
In combinazione con la simulazione del ray tracing, ha il potenziale per eseguire misurazioni in letti di particelle impaccati in modo irregolare con forme arbitrarie. I risultati possono essere utilizzati come input per una simulazione del trasferimento di calore a elementi finiti, consentendo di ottimizzare i parametri di simulazione e ottenere così un'accurata distribuzione completa della temperatura all'interno del letto.
Il team di ricercatori della Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg ha pubblicato il proprio lavoro sulla rivista Particuology .
I letti impaccati sono il reattore industriale più comune, tipicamente composti da particelle di forma casuale, e le reazioni al loro interno avvengono molto spesso ad alta temperatura. La misurazione e il controllo della temperatura delle particelle di imballaggio nei letti sono quindi cruciali per ottimizzare la qualità del prodotto, l'efficienza energetica dei sistemi e le emissioni inquinanti.
Data la casualità intrinseca nella dimensione e nella distribuzione dei pori all’interno di un letto impaccato, unita all’opacità del materiale di imballaggio, la misurazione accurata della distribuzione globale della temperatura all’interno del letto pone notevoli difficoltà. Pertanto, ricercatori e ingegneri ricorrono spesso a simulazioni numeriche per analizzare le caratteristiche della temperatura interna dei letti impaccati, che offrono un mezzo per superare i limiti delle misurazioni dirette.
Tuttavia, anche la simulazione numerica dei processi termochimici nei letti impaccati è molto impegnativa a causa delle grandi dimensioni del dominio, della natura multiscala del problema e delle diverse modalità di trasferimento del calore presentate, tra cui convezione e conduzione da particella a particella. e radiazioni.
Anche in assenza di radiazione, convezione e reazioni chimiche, la simulazione del trasferimento di calore nei letti impaccati rimane particolarmente complessa a causa della difficoltà nel risolvere proprietà superficiali complesse delle particelle nei punti di contatto e della variabilità inerente alla struttura dell'impaccamento dovuta al riempimento delle particelle. passo.
In particolare, la rugosità superficiale può influenzare in modo significativo il trasferimento di calore da particella a particella quando si ha a che fare con particelle ad elevata conduttività termica e geometrie regolari come i cubi. Sebbene le implicazioni di tale rugosità possano teoricamente essere modellate da un minore traferro tra le particelle, una simulazione efficace richiede una conoscenza preliminare di questa dimensione del traferro, che spesso è irraggiungibile a causa dei suoi vari determinanti, come i metodi di produzione delle particelle.
È quindi fondamentale disporre di misurazioni accurate della temperatura locale all'interno del letto impaccato, in particolare per misurazioni multipunto, che possono fornire informazioni sulla direzione e l'entità delle velocità di trasferimento del calore.
Nel loro recente articolo, il team di scienziati ha sviluppato un metodo di termometria indiretta per misurare sperimentalmente la temperatura interna dei letti impaccati. Questo metodo si basava su una combinazione di termometria ai fosfori basata sul ciclo di vita, simulazioni di ray tracing e assimilazione dei dati di temperatura utilizzando simulazioni di trasferimento di calore a elementi finiti.
I ricercatori hanno progettato un imballaggio regolare e riproducibile di sfere di alluminio del diametro di 6 mm per stabilire e convalidare il metodo, con una sfera nello strato superiore riscaldata elettricamente. Quando le sfere all'interno dell'imballaggio venivano rivestite con fosfori termografici e la luce di eccitazione veniva diretta verso l'imballaggio, i rivestimenti di fosforo verrebbero eccitati indirettamente mentre il laser si propagava attraverso il letto diffondendosi tra le superfici dei granuli dell'imballaggio.
Di conseguenza, la luminescenza del fosforo che esce dal letto può essere sfruttata per ricostruire la posizione originaria e stimare la temperatura nella posizione ricostruita.
Considerando più particelle luminescenti presentate in letti impaccati, il campo di luminescenza risultante è la somma dei contributi delle singole particelle. Il gruppo di ricerca ha proposto di isolare i contributi relativi di ciascuna particella mediante regressione lineare del loro trasferimento radiativo.
Il punto chiave è stato quello di ottenere le funzioni di distribuzione dell'intensità delle singole particelle, che forniscono la distribuzione spaziale della luminescenza formata sull'immagine della telecamera mentre solo una delle particelle interne emetteva luce. In configurazioni semplici in cui l'impaccamento era regolare e ripetibile, queste funzioni di distribuzione potevano essere facilmente misurate.
Per i casi complessi di letti impaccati in modo irregolare, un'alternativa efficiente per ottenere le funzioni era utilizzare simulazioni di ray tracing in cui si potevano accendere e spegnere le singole particelle a piacimento. I rilevamenti della temperatura multipunto sono stati utilizzati come input per le simulazioni del trasferimento di calore degli elementi finiti per determinare parametri come la distanza del traferro da particella a particella. Con questi, l'intera distribuzione della temperatura all'interno del letto potrebbe essere assimilata dai valori misurati.
"Questo studio fornisce una nuova opzione per determinare la temperatura multipunto in letti impaccati opachi, consentendo la convalida sperimentale di simulazioni numeriche ad alta risoluzione e offrendo approfondimenti sulle complesse interazioni tra reazioni chimiche, calore e massa." ha detto l'autore Guangtao Xuan, un Ph.D. studente presso Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.
"I prossimi passi includono l'aumento della quantità di particelle di misurazioni simultanee, il miglioramento ulteriore dell'accuratezza della simulazione del ray tracing della luminescenza delle particelle e l'estensione della dimostrazione a letti impaccati irregolari." ha detto.
Il team comprende gli scienziati di Guangtao Xuan, Mirko Ebert, Simson Julian Rodrigues, Nicole Vorhauer-Huget, Christian Lessig e Benoît Fond della Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Germania. Il ricercatore Benoît Fond lavora attualmente presso ONERA—The French Aerospace Lab, Francia.
Ulteriori informazioni: Guangtao Xuan et al, Misurazioni della temperatura multipunto in letti impaccati utilizzando termometria al fosforo e simulazioni di ray tracing, Particuologia (2023). DOI:10.1016/j.partic.2023.03.015
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