Uma equipe de pesquisadores propôs um método óptico indireto para determinar temperaturas internas de leitos compactados opacos com base na termometria de fósforo. Este método permite medições multiponto simultâneas usando uma separação baseada em imagem da luminescência sobreposta originada de fontes em locais diferentes.



Combinado com a simulação de traçado de raios, tem o potencial de realizar medições em leitos irregularmente compactados de partículas com formatos arbitrários. Os resultados podem ser utilizados como entrada para uma simulação de transferência de calor por elementos finitos, permitindo otimizar os parâmetros de simulação e, assim, obter uma distribuição precisa de temperatura completa dentro do leito.

A equipe de pesquisadores da Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg publicou seu trabalho na revista Particuology .

Os leitos empacotados são os reatores industriais mais comuns, normalmente compostos de partículas de formatos aleatórios, e as reações neles ocorrem muito frequentemente em altas temperaturas. A medição e o controle da temperatura das partículas de empacotamento nos leitos são, portanto, cruciais para otimizar a qualidade do produto, a eficiência energética dos sistemas e as emissões de poluentes.

Dada a aleatoriedade inerente ao tamanho e distribuição dos poros dentro de um leito compactado, juntamente com a opacidade do material de empacotamento, a medição precisa da distribuição da temperatura global dentro do leito apresenta uma dificuldade significativa. Portanto, pesquisadores e engenheiros recorrem frequentemente a simulações numéricas para analisar as características da temperatura interna de leitos compactados, o que oferece um meio de superar as limitações das medições diretas.

No entanto, a simulação numérica de processos termoquímicos em leitos empacotados também é muito desafiadora devido ao grande tamanho do domínio, à natureza multiescala do problema e aos diferentes modos de transferência de calor apresentados, incluindo convecção, condução partícula a partícula. e radiação.

Mesmo na ausência de radiação, convecção e reações químicas, a simulação da transferência de calor em leitos empacotados permanece particularmente complexa devido à dificuldade em resolver propriedades complexas da superfície das partículas nos pontos de contato e à variabilidade inerente na estrutura do empacotamento devido ao enchimento das partículas. etapa.

Notavelmente, a rugosidade da superfície pode influenciar significativamente a transferência de calor entre partículas ao lidar com partículas de alta condutividade térmica e geometrias regulares, como cubos. Embora as implicações de tal rugosidade possam teoricamente ser modeladas por um pequeno intervalo de ar entre as partículas, a simulação eficaz necessita de conhecimento prévio deste tamanho de intervalo, que muitas vezes é inatingível devido aos seus vários determinantes, tais como métodos de fabricação de partículas.

É, portanto, crucial ter medições precisas de temperatura local dentro do leito compactado, especialmente para medições multiponto, que podem fornecer informações sobre a direção e magnitude das taxas de transferência de calor.

Em seu artigo recente, a equipe de cientistas desenvolveu um método de termometria indireta para medir experimentalmente a temperatura interna de leitos compactados. Este método contou com uma combinação de termometria de fósforo baseada na vida útil, simulações de traçado de raios e assimilação de dados de temperatura usando simulações de transferência de calor de elementos finitos.

Os pesquisadores projetaram um empacotamento regular reproduzível de esferas de alumínio de 6 mm de diâmetro para estabelecer e validar o método, com uma esfera na camada superior sendo aquecida eletricamente. Quando as esferas dentro do empacotamento eram revestidas com fósforos termográficos e a luz de excitação era direcionada para o empacotamento, os revestimentos de fósforo seriam excitados indiretamente à medida que o laser se propagasse através do leito, espalhando-se entre as superfícies dos grânulos de empacotamento.

Consequentemente, a luminescência do fósforo que sai do leito pode ser explorada para reconstruir o local de origem e estimar a temperatura no local reconstruído.

Considerando múltiplas partículas luminescentes apresentadas em leitos compactados, o campo de luminescência resultante é uma soma das contribuições individuais das partículas. A equipe de pesquisa propôs isolar as contribuições relativas de cada partícula por meio de regressão linear de sua transferência radiativa.

Para isso, o ponto chave foi obter as funções individuais de distribuição de intensidade das partículas, que fornecem a distribuição espacial da luminescência formada na imagem da câmera enquanto apenas uma das partículas internas emitia luz. Em configurações simples onde o empacotamento era regular e repetível, essas funções de distribuição poderiam ser facilmente medidas.

Para casos complexos de leitos irregularmente compactados, uma alternativa eficiente para obter as funções era usar simulações de traçado de raios, onde era possível “ligar” e “desligar” partículas individuais à vontade. Detecções de temperatura multiponto foram usadas como entrada para simulações de transferência de calor de elementos finitos para determinar parâmetros como a distância do entreferro entre partículas. Com estes, a distribuição completa da temperatura dentro do leito pôde ser assimilada a partir dos valores medidos.

"Este estudo fornece uma nova opção para determinar a temperatura multiponto em leitos compactados opacos, permitindo a validação experimental de simulações numéricas altamente resolvidas e oferecendo insights sobre as interações complexas entre reações químicas e calor e massa." disse o autor Guangtao Xuan, Ph.D. estudante na Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

"As próximas etapas incluem aumentar a quantidade de partículas em medições simultâneas, melhorar ainda mais a precisão da simulação do traçado de raios da luminescência das partículas e estender a demonstração para leitos compactados irregulares." ele disse.

A equipe inclui os cientistas Guangtao Xuan, Mirko Ebert, Simson Julian Rodrigues, Nicole Vorhauer-Huget, Christian Lessig e Benoît Fond da Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Alemanha. O pesquisador Benoît Fond trabalha atualmente no ONERA – The French Aerospace Lab, França.

Mais informações: Guangtao Xuan et al, Medições de temperatura multiponto em leitos empacotados usando termometria de fósforo e simulações de traçado de raios, Particuologia (2023). DOI:10.1016/j.partic.2023.03.015
Fornecido por Particuologia