Une équipe de chercheurs a proposé une méthode optique indirecte pour déterminer les températures internes des lits opaques, basée sur la thermométrie au phosphore. Cette méthode permet des mesures multipoints simultanées en utilisant une séparation basée sur l'image de la luminescence superposée provenant de sources situées à différents emplacements.

Combiné à la simulation de lancer de rayons, il a le potentiel d’effectuer des mesures dans des lits de particules irrégulièrement remplis et de formes arbitraires. Les résultats peuvent être utilisés comme entrée dans une simulation de transfert de chaleur par éléments finis, permettant d'optimiser les paramètres de simulation et d'obtenir ainsi une distribution complète précise de la température dans le lit.

L'équipe de chercheurs de l'Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg a publié ses travaux dans la revue Particuology .

Les lits garnis sont le réacteur industriel le plus courant, généralement composés de particules de formes aléatoires, et les réactions qui s'y déroulent se produisent très souvent à haute température. La mesure et le contrôle de la température des particules de compactage dans les lits sont ainsi cruciaux pour optimiser la qualité des produits, l'efficacité énergétique des systèmes et les émissions polluantes.

Compte tenu du caractère aléatoire inhérent à la taille et à la répartition des pores dans un lit garni, associé à l'opacité du matériau de garnissage, la mesure précise de la répartition globale de la température à l'intérieur du lit pose des difficultés importantes. Par conséquent, les chercheurs et les ingénieurs ont fréquemment recours à des simulations numériques pour analyser les caractéristiques de température interne des lits garnis, ce qui offre un moyen de surmonter les limites des mesures directes.

Cependant, la simulation numérique des processus thermochimiques dans des lits garnis est également très difficile en raison de la grande taille du domaine, de la nature multi-échelle du problème et des différents modes de transfert de chaleur présentés, notamment la convection, la conduction de particule à particule. , et les radiations.

Même en l'absence de rayonnement, de convection et de réactions chimiques, la simulation du transfert de chaleur dans des lits garnis reste particulièrement complexe en raison de la difficulté de résoudre les propriétés complexes de la surface des particules aux points de contact et de la variabilité inhérente à la structure du garnissage due au remplissage des particules. étape.

Notamment, la rugosité de la surface peut influencer considérablement le transfert de chaleur entre particules lorsqu’il s’agit de particules à haute conductivité thermique et à géométries régulières comme les cubes. Bien que les implications d'une telle rugosité puissent théoriquement être modélisées par un entrefer mineur entre les particules, une simulation efficace nécessite une connaissance préalable de la taille de cet espace, qui est souvent inaccessible en raison de ses divers déterminants, tels que les méthodes de fabrication des particules.

Il est donc crucial de disposer de mesures précises de la température locale au sein du lit garni, en particulier pour les mesures multipoints, qui peuvent fournir des informations sur la direction et l'ampleur des taux de transfert de chaleur.

Dans leur récent article, l’équipe de scientifiques a développé une méthode de thermométrie indirecte pour mesurer expérimentalement la température interne des lits garnis. Cette méthode reposait sur une combinaison de thermométrie au phosphore basée sur la durée de vie, de simulations de traçage de rayons et d'assimilation de données de température à l'aide de simulations de transfert de chaleur par éléments finis.

Les chercheurs ont conçu un emballage régulier reproductible de sphères en aluminium de 6 mm de diamètre pour établir et valider la méthode, une sphère dans la couche supérieure étant chauffée électriquement. Lorsque les sphères à l'intérieur de l'emballage étaient recouvertes de luminophores thermographiques et que la lumière d'excitation était dirigée vers l'emballage, les revêtements de phosphore étaient excités indirectement lorsque le laser se propageait à travers le lit par diffusion entre les surfaces des granulés d'emballage.

Par conséquent, la luminescence du phosphore sortant du lit peut être exploitée pour reconstruire l'emplacement d'origine et estimer la température à l'emplacement reconstruit.

En considérant plusieurs particules luminescentes présentées dans des lits garnis, le champ de luminescence résultant est la somme des contributions individuelles des particules. L'équipe de recherche a proposé d'isoler les contributions relatives de chaque particule par régression linéaire de leur transfert radiatif.

Pour cela, le point clé était d’obtenir les fonctions de distribution d’intensité des particules individuelles, qui fournissent la distribution spatiale de la luminescence formée sur l’image de la caméra alors qu’une seule des particules internes émettait de la lumière. Dans des configurations simples où le conditionnement était régulier et reproductible, ces fonctions de distribution pouvaient être facilement mesurées.

Pour les cas complexes de lits irréguliers, une alternative efficace pour obtenir les fonctions consistait à utiliser des simulations de lancer de rayons où l'on pouvait activer et désactiver des particules individuelles à volonté. Des détections de température multipoints ont été utilisées comme entrée dans des simulations de transfert de chaleur par éléments finis pour déterminer des paramètres tels que la distance entre les particules. Grâce à ceux-ci, la répartition complète de la température à l'intérieur du lit pourrait être assimilée à partir des valeurs mesurées.

"Cette étude offre une nouvelle option pour déterminer la température multipoint dans des lits opaques, permettant la validation expérimentale de simulations numériques hautement résolues et offrant un aperçu des interactions complexes entre les réactions chimiques et la chaleur et la masse." a déclaré l'auteur Guangtao Xuan, titulaire d'un doctorat. étudiant à l'Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

"Les prochaines étapes consistent à augmenter la quantité de particules dans les mesures simultanées, à améliorer encore la précision de la simulation par traçage de rayons de la luminescence des particules et à étendre la démonstration à des lits garnis irréguliers." dit-il.

L'équipe comprend les scientifiques de Guangtao Xuan, Mirko Ebert, Simson Julian Rodrigues, Nicole Vorhauer-Huget, Christian Lessig et Benoît Fond de l'Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, en Allemagne. Le chercheur Benoît Fond travaille actuellement à l'ONERA – The French Aerospace Lab, France.

Plus d'informations : Guangtao Xuan et al, Mesures de température multipoints dans des lits garnis à l'aide de simulations de thermométrie au phosphore et de lancer de rayons, Particuologie (2023). DOI :10.1016/j.partic.2023.03.015

Fourni par Particuologie