Multi-point temperature measurements in packed beds using phosphor thermometry and ray tracing simulations (Open Access)
Guangtao Xuan（禤广涛）, Mirko Ebert, Simson Julian Rodrigues, Nicole Vorhauer-Huget, Christian Lessig, Benoît Fond*
Keywords: Packed beds; Phosphor thermometry; Ray tracing; Heat transfer simulation; Data assimilation
DOI: 10.1016/j.partic.2023.03.015
填充床作为一种反应器已被广泛应用于工业领域中，床内填充颗粒温度的测量与控制对于优化产品质量、提高系统效率以及降低污染物排放至关重要。但由于填充床复杂的几何、光学特性，导致利用传统的接触以及非接触式方法测量床内温度存在较大的局限性。
德国马格德堡大学和法国巴黎萨克雷大学合作在PARTICUOLOGY 发表研究论文，提出一种基于磷光测量技术的非接触式方法，用于测量填充床内颗粒温度。该方法利用磷光颗粒发光衰变时间对温度的依赖性，通过间接的激发和检测方式，并结合光线追踪技术与传热模拟，对填充床内部多点磷光颗粒的复合发光进行分离和重构，从而推测各点温度。
本文已OA，收录于1st International Workshop on Reactive Particle-Gas Systems—Special issue organized by the Collaborative Research Centre BULK-REACTION专刊，并在美国科学促进会AAAS主办的全球科技新闻网站EurekAlert!上进行新闻发布。欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！
研究背景
填充床是工业领域中最常见的反应器。由于床内热化学反应通常在高温下进行，准确测量和调控床内颗粒温度对于优化产品质量、提高系统效率和减少污染物排放至关重要。考虑到填充床内复杂的几何和光学特性导致直接测量床内全局温度分布存在较大难度，研究人员通常采用数值模拟来分析床内温度特性。然而，由于设备体积大、模拟维度多，以及受不同传热模式（如对流、颗粒间传导和辐射）的影响，导致对填充床中热化学过程的数值模拟有极大的挑战。为此，在填充床内进行精确的局部温度测量，尤其是多点温度测量，可以为模拟过程提供更多传热速率大小与方向等方面的信息，并为数值模拟提供对比验证。
迄今为止，关于填充床内部温度测量的实验数据较少。由于受热电偶、颗粒以及气体之间的热传递影响，导致传统的接触式测温法（如热电偶测温）存在较大的不确定性，而且，接触式探头本身会对测量环境存在一定影响，甚至可能会与测量目标发生化学反应。非接触式方法可以避免上述问题。其中，X光测温法目前已应用于含氪气混合物的多孔介质燃烧器中气相温度分布的测量，但不能提供颗粒的温度信息。激光热成像技术可用于颗粒的成像，但由于填充颗粒通常是不透明的，因此一定程度上也限制了激光测温技术的直接成像。透明的填充颗粒可以解决光学透视性问题，但透明颗粒与气体界面会产生严重的光束偏转和多次反射，虽然使用折射率匹配的透明颗粒和液体可以避免这种偏转和反射，但由于颗粒与液体的折射率通常很难保持同步的温度变化率，从而导致上述液体/颗粒系统只适用于冷态非反应体系研究。因此，针对上述问题，本文提出一种基于磷光测量技术且非接触式的方法用于测量填充床内颗粒的温度，并结合光线追踪技术与传热模拟，对填充床内部多点磷光颗粒的复合发光进行分离和重构，从而推测各点温度。
论文亮点
1. 将二维磷光热成像技术应用于填充床内颗粒的温度测量，克服了传统光学测温的局限性，同时也扩展了磷光测温的应用范围。
2. 提出了一种基于最小二乘法的信号分离方法，可以从多个发光颗粒形成的复合发光图像中提取出单个发光颗粒的温度信息，实现填充床内多点温度测量。
3. 利用光线追踪技术生成单个磷光颗粒发光的空间分布函数，为实际应用中获取不规则填充床结构数据提供了一种可行的解决方案。
4. 结合有限元传热模拟和数据同化技术，从多点温度测量结果推断出填充床内的温度分布，为研究填充床内传热机理和参数提供了依据。
要点精读
1 磷光热成像测温
图1. 小型规则填充床内部光学测温装置示意图
为在测量过程中进行重复实验时填充床结构和填充颗粒位置保持一致，作者采用一种简单的小型规则填充床作为内部光学测温装置（俯视图如图1所示）。该装置中填充床由107个直径6毫米的铝球按3层5 x 5、2层4 x 4交替叠加构成。当顶层的一个球被加热时，填充结构内部会形成一定的温度分布。利用激光照射填充体，部分激光会在填充结构内发生多次反射后渗透整个填充体。当部分激光到达有磷光粉涂层的铝球并激发涂层，由此产生的红移激发光会在多次反射后离开填充床，随后被相机收集记录。
由相机记录的激发光图像，可获得与发光球位置相关联的空间特征信息。而且，当结构内部有多个发光球时，复合发光图像上表现的空间特性和单个发光球发光图像的空间特性存在线性相关性。由此表明，利用线性回归方法处理复合发光图像能够将多个发光球信号分离，得到各个发光球体瞬时且独立的发光图像，从而推测各个球体的瞬时温度。作者使用三个发光球为例对该测温方法进行研究，并利用嵌入在球体中的热电偶读数验证测试结果，如图2所示。
图2. 使用线性回归方法获得的温度-时间关系图
2 光线追踪与有限元传热模拟
上述方法可以对多个发光体复合发光进行分离，但前提是需要预先获得对应的每个发光体单独存在于填充床内所形成发光图像的空间特性。实验中采用的是规则结构的填充床，且只有3个发光球体，它们各自的发光特性可通过拆卸与重新组装填充床进行重复实验获得。考虑到实际工业填充床中填充结构的不规则性与不可重复性，而且有可能同时存在多个发光体，导致重复测量单独发光体对应发光图像的空间特性是不现实的。因此，作者利用光线追踪技术生成计算机模拟发光图像（如图3所示），获得各个位置对应发光图像的空间特性，然后将多点测温结果输入有限元传热模型，进一步确定颗粒间空气间隙距离等参数，从而更精确的模拟填充床内部的温度分布。
图3. 仅单个发光球位于填充床中心时的测量图像与模拟图像
总结
本文利用由铝球交替叠加构成的规则填充床，通过磷光热测量技术获得不同位置球形颗粒的瞬时温度。并与光线追踪技术结合，提供了将这种测温方法应用于实际情况（即不规则填充床）的可能性。最后，将测量数据导入有限元传热模型，重构填充床内的温度分布，并分析了填充颗粒间气隙和涂层对传热的影响。
本文提供了一种测量填充床内颗粒温度的新方法，为进一步研究填充床内传热和反应过程奠定了基础。
作者简介
第一作者，禤广涛，德国马格德堡公立大学在读博士生。主要研究方向为利用离散发光颗粒在高散射固液系统中的二维高光学测温和测速。
通讯作者，Benoît Fond，Dr. Benoît Fond is a senior research scientist in the Department of Aerodynamics at ONERA, the French Aerospace Lab. He obtained his MSc at the University of Florida in 2009, and his PhD at Imperial College London in 2014. Before joining ONERA, he worked as Junior Professor at the University of Magdeburg in Germany from 2016 to 2021. His research focuses on the development and applications of optical measurement methods to thermal and fluid science. He has authored over 30 peer-reviewed publications, and received several research grants from the German Science Foundation (DFG).
供稿：原文作者
编辑：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Xuan, G., Ebert, M., Rodrigues, S. J., Vorhauer-Huget, N., Lessig, C., & Fond, B. (2024). Multi-point temperature measurements in packed beds using phosphor thermometry and ray tracing simulations. Particuology, 85, 77-88. https://doi.org/10.1016/j.partic.2023.03.015