Mehrpunkt-Temperaturmessungen in Festbetten mittels Phosphorthermometrie und Raytracing-Simulationen

Ein Forscherteam hat eine indirekte optische Methode zur Bestimmung der Innentemperaturen undurchsichtiger Festbetten basierend auf der Phosphorthermometrie vorgeschlagen. Diese Methode ermöglicht gleichzeitige Mehrpunktmessungen durch eine bildbasierte Trennung der überlagerten Lumineszenz, die von Quellen an verschiedenen Orten stammt.

In Kombination mit der Raytracing-Simulation besteht das Potenzial, die Messungen in unregelmäßig gepackten Partikelbetten mit beliebigen Formen durchzuführen. Die Ergebnisse können als Eingabe für eine Finite-Elemente-Wärmeübertragungssimulation verwendet werden, wodurch die Simulationsparameter optimiert und so eine genaue vollständige Temperaturverteilung innerhalb des Bettes erhalten werden können.

Das Forscherteam der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg veröffentlicht ihre Arbeit in der Zeitschrift Partikuologie.

Festkörperbetten sind die am weitesten verbreiteten Industriereaktoren. Sie bestehen typischerweise aus Partikeln mit zufälliger Form und die Reaktionen in ihnen finden sehr häufig bei hohen Temperaturen statt. Die Messung und Steuerung der Packungspartikeltemperatur in den Betten ist daher entscheidend für die Optimierung der Produktqualität, der Energieeffizienz der Systeme und der Schadstoffemissionen.

Angesichts der inhärenten Zufälligkeit der Größe und Verteilung der Poren innerhalb eines gepackten Betts, gepaart mit der Undurchsichtigkeit des Packungsmaterials, stellt die genaue Messung der globalen Temperaturverteilung innerhalb des Betts erhebliche Schwierigkeiten dar. Daher greifen Forscher und Ingenieure häufig auf numerische Simulationen zurück, um die internen Temperatureigenschaften von Festbetten zu analysieren, was eine Möglichkeit bietet, die Einschränkungen direkter Messungen zu überwinden.

Allerdings ist die numerische Simulation thermochemischer Prozesse in Festbetten aufgrund der großen Domänengröße, der Multiskalennatur des Problems und der unterschiedlichen Wärmeübertragungsmodi, einschließlich Konvektion und Partikel-zu-Partikel-Leitung, ebenfalls eine große Herausforderung und Strahlung.

Auch ohne Strahlung, Konvektion und chemische Reaktionen bleibt die Simulation der Wärmeübertragung in Festbetten aufgrund der Schwierigkeit, komplexe Partikeloberflächeneigenschaften an Kontaktpunkten aufzulösen, und der der Packungsstruktur innewohnenden Variabilität aufgrund der Partikelfüllung besonders komplex Schritt.

Insbesondere kann die Oberflächenrauheit die Wärmeübertragung von Partikel zu Partikel erheblich beeinflussen, wenn es um Partikel mit hoher Wärmeleitfähigkeit und regelmäßigen Geometrien wie Würfeln geht. Obwohl die Auswirkungen einer solchen Rauheit theoretisch durch einen kleinen Luftspalt zwischen den Partikeln modelliert werden können, erfordert eine effektive Simulation eine vorherige Kenntnis dieser Spaltgröße, die aufgrund ihrer verschiedenen Determinanten, wie z. B. der Partikelherstellungsmethoden, oft unerreichbar ist.

Daher ist es von entscheidender Bedeutung, über genaue lokale Temperaturmessungen innerhalb des Festbetts zu verfügen, insbesondere bei Mehrpunktmessungen, die Informationen über die Richtung und Größe der Wärmeübertragungsraten liefern können.

In ihrer jüngsten Arbeit entwickelte das Wissenschaftlerteam eine indirekte Thermometriemethode, um die Innentemperatur von Festbetten experimentell zu messen. Diese Methode beruhte auf einer Kombination aus lebensdauerbasierter Phosphorthermometrie, Raytracing-Simulationen und Temperaturdatenassimilation mithilfe von Finite-Elemente-Wärmeübertragungssimulationen.

Um die Methode zu etablieren und zu validieren, entwarfen die Forscher eine reproduzierbare regelmäßige Packung aus Aluminiumkugeln mit 6 mm Durchmesser, wobei eine Kugel in der oberen Schicht elektrisch erhitzt wurde. Wenn Kugeln innerhalb der Packung mit thermografischen Leuchtstoffen beschichtet wurden und Anregungslicht auf die Packung gerichtet wurde, wurden die Leuchtstoffbeschichtungen indirekt angeregt, während sich der Laser durch das Bett ausbreitete, indem er zwischen den Oberflächen der Packungskörner gestreut wurde.

Folglich kann die aus dem Bett austretende Phosphorlumineszenz genutzt werden, um den Ursprungsort zu rekonstruieren und die Temperatur am rekonstruierten Ort abzuschätzen.

Betrachtet man mehrere lumineszierende Partikel, die in Festbetten präsentiert werden, ist das resultierende Lumineszenzfeld eine Summe der einzelnen Partikelbeiträge. Das Forschungsteam schlug vor, die relativen Beiträge jedes Teilchens durch lineare Regression seines Strahlungstransfers zu isolieren.

Dabei ging es vor allem darum, die einzelnen Partikelintensitätsverteilungsfunktionen zu erhalten, die die räumliche Verteilung der Lumineszenz liefern, die auf dem Kamerabild entsteht, während nur eines der internen Partikel Licht emittiert. In einfachen Aufbauten, in denen die Packung regelmäßig und wiederholbar war, konnten diese Verteilungsfunktionen leicht gemessen werden.

Bei komplexen Fällen unregelmäßig gepackter Schichten war die Verwendung von Raytracing-Simulationen, bei denen man einzelne Partikel nach Belieben ein- und ausschalten konnte, eine effiziente Alternative zum Erhalten der Funktionen. Mehrpunkt-Temperaturerfassungen wurden als Eingabe für Finite-Elemente-Wärmeübertragungssimulationen verwendet, um Parameter wie den Luftspaltabstand zwischen Partikeln zu bestimmen. Mit diesen konnte aus den Messwerten die vollständige Temperaturverteilung im Inneren des Bettes erfasst werden.

„Diese Studie bietet eine neue Option zur Bestimmung der Mehrpunkttemperatur in undurchsichtigen Festbetten, ermöglicht die experimentelle Validierung hochaufgelöster numerischer Simulationen und bietet Einblicke in die komplexen Wechselwirkungen zwischen chemischen Reaktionen sowie Wärme und Masse.“ sagte der Autor Guangtao Xuan, ein Ph.D. Student an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

„Zu den nächsten Schritten gehören die Erhöhung der Partikelmenge gleichzeitiger Messungen, die weitere Verbesserung der Genauigkeit der Raytracing-Simulation der Partikellumineszenz und die Ausweitung der Demonstration auf unregelmäßige Festbetten.“ er sagte.

Zum Team gehören die Wissenschaftler Guangtao Xuan, Mirko Ebert, Simson Julian Rodrigues, Nicole Vorhauer-Huget, Christian Lessig und Benoît Fond von der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Der Forscher Benoît Fond arbeitet derzeit am ONERA – The French Aerospace Lab, Frankreich.