Un equipo de investigadores ha propuesto un método óptico indirecto para determinar las temperaturas internas de lechos compactos opacos basado en la termometría de fósforo. Este método permite mediciones simultáneas de múltiples puntos utilizando una separación basada en imágenes de la luminiscencia superpuesta que se origina en fuentes en diferentes ubicaciones.
Combinado con la simulación de trazado de rayos, tiene el potencial de realizar mediciones en lechos de partículas empaquetados irregularmente con formas arbitrarias. Los resultados se pueden utilizar como entrada para una simulación de transferencia de calor de elementos finitos, lo que permite optimizar los parámetros de simulación y así obtener una distribución completa y precisa de la temperatura dentro del lecho.
El equipo de investigadores de la Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg publicó su trabajo en la revista particuología.
Los lechos empaquetados son los reactores industriales más comunes, típicamente compuestos de partículas de formas aleatorias, y las reacciones en ellos ocurren muy a menudo a alta temperatura. Por tanto, la medición y el control de la temperatura de las partículas de embalaje en los lechos son cruciales para optimizar la calidad del producto, la eficiencia energética de los sistemas y las emisiones contaminantes.
Dada la aleatoriedad inherente en el tamaño y la distribución de los poros dentro de un lecho empacado, junto con la opacidad del material de empaque, la medición precisa de la distribución global de la temperatura dentro del lecho plantea una dificultad significativa. Por lo tanto, los investigadores e ingenieros recurren con frecuencia a simulaciones numéricas para analizar las características de temperatura interna de los lechos empacados, lo que ofrece un medio para superar las limitaciones de las mediciones directas.
Sin embargo, la simulación numérica de procesos termoquímicos en lechos compactos también es un gran desafío debido al gran tamaño del dominio, la naturaleza multiescala del problema y los diferentes modos de transferencia de calor que se presentan, incluida la convección y la conducción de partícula a partícula. y radiación.
Incluso en ausencia de radiación, convección y reacciones químicas, la simulación de la transferencia de calor en lechos empacados sigue siendo particularmente compleja debido a la dificultad para resolver propiedades complejas de la superficie de las partículas en los puntos de contacto y la variabilidad inherente a la estructura del empaque debido al llenado de partículas. paso.
En particular, la rugosidad de la superficie puede influir significativamente en la transferencia de calor entre partículas cuando se trata de partículas de alta conductividad térmica y geometrías regulares como cubos. Aunque las implicaciones de tal rugosidad pueden modelarse teóricamente mediante un espacio de aire menor entre las partículas, una simulación efectiva requiere un conocimiento previo del tamaño de este espacio, que a menudo es inalcanzable debido a sus diversos determinantes, como los métodos de fabricación de partículas.
Por lo tanto, es crucial contar con mediciones locales precisas de la temperatura dentro del lecho empacado, especialmente para mediciones multipunto, que pueden proporcionar información sobre la dirección y magnitud de las tasas de transferencia de calor.
En su artículo reciente, el equipo de científicos desarrolló un método de termometría indirecta para medir experimentalmente la temperatura interna de lechos compactos. Este método se basó en una combinación de termometría de fósforo basada en la vida útil, simulaciones de trazado de rayos y asimilación de datos de temperatura mediante simulaciones de transferencia de calor con elementos finitos.
Los investigadores diseñaron un embalaje regular reproducible de esferas de aluminio de 6 mm de diámetro para establecer y validar el método, con una esfera en la capa superior calentada eléctricamente. Cuando las esferas dentro del empaque se recubrían con fósforos termográficos y la luz de excitación se dirigía hacia el empaque, los recubrimientos de fósforo se excitaban indirectamente a medida que el láser se propagaba a través del lecho al dispersarse entre las superficies de los gránulos del empaque.
En consecuencia, la luminiscencia del fósforo que sale del lecho se puede aprovechar para reconstruir la ubicación de origen y estimar la temperatura en la ubicación reconstruida.
Considerando múltiples partículas luminiscentes presentadas en lechos empaquetados, el campo de luminiscencia resultante es una suma de las contribuciones de las partículas individuales. El equipo de investigación propuso aislar las contribuciones relativas de cada partícula mediante una regresión lineal de su transferencia radiativa.
Para ello, el punto clave fue obtener las funciones de distribución de intensidad de las partículas individuales, que proporcionan la distribución espacial de la luminiscencia formada en la imagen de la cámara mientras solo una de las partículas internas emitía luz. En configuraciones simples donde el empaque era regular y repetible, estas funciones de distribución se podían medir fácilmente.
Para casos complejos de lechos empaquetados irregularmente, una alternativa eficiente para obtener las funciones era utilizar simulaciones de trazado de rayos en las que se podían "encender" y "apagar" partículas individuales a voluntad. Se utilizaron detecciones de temperatura multipunto como entrada para simulaciones de transferencia de calor de elementos finitos para determinar parámetros como la distancia del espacio de aire entre partículas. De este modo se pudo asimilar la distribución completa de la temperatura dentro de la cama a partir de los valores medidos.
"Este estudio proporciona una nueva opción para determinar la temperatura multipunto en lechos compactos opacos, lo que permite la validación experimental de simulaciones numéricas de alta resolución y ofrece información sobre las complejas interacciones entre reacciones químicas, calor y masa". dijo el autor Guangtao Xuan, Ph.D. Estudiante de la Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.
"Los próximos pasos incluyen aumentar la cantidad de partículas de las mediciones simultáneas, mejorar aún más la precisión de la simulación del trazado de rayos de la luminiscencia de las partículas y extender la demostración a lechos empaquetados irregulares". él dijo.
El equipo incluye a los científicos de Guangtao Xuan, Mirko Ebert, Simson Julian Rodrigues, Nicole Vorhauer-Huget, Christian Lessig y Benoît Fond de la Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Alemania. El investigador Benoît Fond trabaja actualmente en ONERA—El Laboratorio Aeroespacial Francés, Francia.