Sebuah tim peneliti telah mengusulkan metode optik tidak langsung untuk menentukan suhu internal lapisan buram berdasarkan termometri fosfor. Metode ini memungkinkan pengukuran multi-titik secara simultan menggunakan pemisahan berbasis gambar dari pendaran yang ditumpangkan yang berasal dari sumber di lokasi berbeda.
Dikombinasikan dengan simulasi ray tracing, alat ini mempunyai potensi untuk melakukan pengukuran pada lapisan partikel yang tidak beraturan dengan bentuk yang berubah-ubah. Hasilnya dapat digunakan sebagai masukan untuk simulasi perpindahan panas elemen hingga, memungkinkan untuk mengoptimalkan parameter simulasi dan dengan demikian memperoleh distribusi suhu penuh yang akurat di dalam unggun.
Tim peneliti dari Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg menerbitkan karya mereka di jurnal Partikuologi.
Packed bed adalah reaktor industri yang paling umum, biasanya terdiri dari partikel-partikel dengan bentuk acak, dan reaksi di dalamnya sangat sering terjadi pada suhu tinggi. Oleh karena itu, pengukuran dan pengendalian suhu partikel pengepakan di lapisan sangat penting untuk mengoptimalkan kualitas produk, efisiensi energi sistem, dan emisi polutan.
Mengingat keacakan yang melekat dalam ukuran dan distribusi pori-pori di dalam lapisan yang dikemas, ditambah dengan opacity dari bahan kemasan, pengukuran akurat distribusi suhu global di dalam lapisan tersebut menimbulkan kesulitan yang signifikan. Oleh karena itu, para peneliti dan insinyur sering menggunakan simulasi numerik untuk menganalisis karakteristik suhu internal dari tempat tidur yang dikemas, yang menawarkan cara untuk mengatasi keterbatasan pengukuran langsung.
Namun, simulasi numerik proses termokimia di dalam packet bed juga sangat menantang karena ukuran domain yang besar, sifat multi-skala dari permasalahan, dan perbedaan mode perpindahan panas yang disajikan, termasuk konveksi, konduksi partikel-ke-partikel. , dan radiasi.
Bahkan tanpa adanya radiasi, konveksi, dan reaksi kimia, simulasi perpindahan panas pada lapisan yang dikemas tetap rumit karena kesulitan dalam menyelesaikan sifat permukaan partikel yang kompleks pada titik kontak dan variabilitas yang melekat pada struktur pengepakan akibat pengisian partikel. melangkah.
Khususnya, kekasaran permukaan dapat secara signifikan mempengaruhi perpindahan panas antar partikel ketika berhadapan dengan partikel dengan konduktivitas termal tinggi dan geometri teratur seperti kubus. Meskipun implikasi dari kekasaran tersebut secara teoritis dapat dimodelkan dengan adanya celah udara kecil antar partikel, simulasi yang efektif memerlukan pengetahuan sebelumnya mengenai ukuran celah ini, yang seringkali tidak dapat dicapai karena berbagai faktor penentunya, seperti metode pembuatan partikel.
Oleh karena itu, penting untuk melakukan pengukuran suhu lokal yang akurat di dalam packing bed, terutama untuk pengukuran multi-titik, yang dapat memberikan informasi mengenai arah dan besarnya laju perpindahan panas.
Dalam makalah terbaru mereka, tim ilmuwan mengembangkan metode termometri tidak langsung untuk mengukur suhu internal tempat tidur yang dikemas secara eksperimental. Metode ini mengandalkan kombinasi termometri fosfor berbasis seumur hidup, simulasi penelusuran sinar, dan asimilasi data suhu menggunakan simulasi perpindahan panas elemen hingga.
Para peneliti merancang kemasan reguler bola aluminium berdiameter 6 mm yang dapat direproduksi untuk membangun dan memvalidasi metode ini, dengan satu bola di lapisan atas dipanaskan dengan listrik. Ketika bola di dalam kemasan dilapisi dengan fosfor termografik dan cahaya eksitasi diarahkan ke kemasan, lapisan fosfor akan tereksitasi secara tidak langsung saat laser merambat melalui lapisan dengan menyebarkan di antara permukaan butiran kemasan.
Akibatnya, pendaran fosfor yang keluar dari lapisan dapat dimanfaatkan untuk merekonstruksi lokasi asal dan memperkirakan suhu di lokasi yang direkonstruksi.
Mengingat beberapa partikel luminescent disajikan dalam lapisan padat, bidang pendaran yang dihasilkan adalah jumlah dari kontribusi masing-masing partikel. Tim peneliti mengusulkan untuk mengisolasi kontribusi relatif setiap partikel dengan regresi linier transfer radiasinya.
Untuk ini, poin kuncinya adalah mendapatkan fungsi distribusi intensitas partikel individual, yang menyediakan distribusi spasial pendaran yang terbentuk pada gambar kamera sementara hanya satu partikel internal yang memancarkan cahaya. Dalam pengaturan sederhana dimana pengepakan dilakukan secara teratur dan berulang, fungsi distribusi ini dapat diukur dengan mudah.
Untuk kasus kompleks lapisan yang tidak teratur, alternatif yang efisien untuk mendapatkan fungsi tersebut adalah dengan menggunakan simulasi penelusuran sinar di mana seseorang dapat “menghidupkan” dan “mematikan” partikel individual sesuka hati. Deteksi suhu multi-titik digunakan sebagai masukan pada simulasi perpindahan panas elemen hingga untuk menentukan parameter seperti jarak celah udara partikel-ke-partikel. Dengan ini, distribusi suhu penuh di dalam lapisan dapat diasimilasikan dari nilai yang diukur.
“Studi ini memberikan opsi baru untuk menentukan suhu multi-titik dalam lapisan buram, memungkinkan validasi eksperimental simulasi numerik dengan resolusi tinggi dan menawarkan wawasan tentang interaksi kompleks antara reaksi kimia serta panas dan massa.” kata penulis Guangtao Xuan, seorang Ph.D. mahasiswa di Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.
“Langkah selanjutnya termasuk meningkatkan jumlah partikel pengukuran simultan, lebih meningkatkan akurasi simulasi ray tracing dari pendaran partikel, dan memperluas demonstrasi ke lapisan yang tidak beraturan.” dia berkata.
Tim tersebut terdiri dari ilmuwan Guangtao Xuan, Mirko Ebert, Simson Julian Rodrigues, Nicole Vorhauer-Huget, Christian Lessig, dan Benoît Fond dari Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Jerman. Peneliti Benoît Fond saat ini bekerja di ONERA—Laboratorium Dirgantara Prancis, Prancis.