Experimentelle Untersuchung von Strömungsfeldern in den Zwischenräumen von Schüttgutpartikeln mit Hilfe optischer Messverfahren

Das Strömungsverhalten der Gasphase in einer Schüttschicht hat wichtige Auswirkungen auf die im Bett stattfindenden Massen- und Energietransportprozesse . Es ist daher auch ein zentraler Parameter für die Prozessoptimierung solcher Systeme. Derzeit gibt es jedoch nur sehr wenige Daten über die Gasströmung in Schüttbetten, da der Zugang zu den Partikelzwischenräumen sowohl mit sondenbasierten als auch mit optischen Messmethoden sehr schwierig ist. Darüber hinaus wurden die vorhandenen Ergebnisse in der Regel durch Brechungsindexanpassung gewonnen und sind daher auf Flüssigkeiten beschränkt. Für gasförmige Strömungen liegen hauptsächlich Schlussfolgerungen vor, die mit Hilfe der Ähnlichkeitstheorie gewonnen wurden, was den möglichen Anwendungsbereich einschränkt.

In der ersten Förderperiode dieses Projekts haben wir die optische Particle Image Velocimetry (PIV) der Geschwindigkeitsfelder in der Gasphase innerhalb gepackter Betten um Raytracing-Rekonstruktionen erweitert. Dazu haben wir Betten aus transparentem Schüttgut verwendet, so dass die Geschwindigkeitsfeldbestimmung durch eine numerische Simulation der Lichtausbreitung durch das Bett unterstützt werden kann. Die Simulation wurde mit Raytracing durchgeführt, und die daraus resultierenden Informationen wurden zur Korrektur der PIV-Partikel-Rohbilder der Strömung verwendet. Diese Technik ermöglichte dann die direkte Messung von Geschwindigkeitsfeldern in der Gasphase von transparenten Füllkörperbetten.

In der zweiten Förderperiode wird der Schwerpunkt auf der Ausweitung der optischen Messungen auf andere Größen wie Temperatur und Dispersion liegen. Außerdem wird eine neue Versuchsanordnung verwendet, die aus parallelen transparenten Stäben besteht, die in drehbaren Schichten angeordnet sind und eine polyedrische Packung bilden. Sie ist weit weniger regelmäßig als die Referenzkonfiguration von FP1, ermöglicht aber dennoch einen direkten optischen Zugang ohne nennenswerte optische Verzerrungen. Mit Hilfe von thermografischen Phosphorpartikeln werden gleichzeitig Messungen der Gastemperatur und -geschwindigkeit durchgeführt. Außerdem wird die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) von Anisol zur Bestimmung der Gasdispersion im Füllkörperbett verwendet. Der Multikameraaufbau aus FP1 wird zu einer Matrixanordnung der Kameras erweitert, um dreidimensionale 3D3C-Geschwindigkeits- und gleichzeitige Temperaturfelder in den Zwischenräumen der neuen Referenzkonfiguration zu erfassen. Eine systematische Evaluierung der Brechungsindexanpassung für den Einsatz in komplexen, auch bewegten transparenten Füllkörpern wird auf der Grundlage von Dimensionsanalysen durchgeführt, um die Ergebnisse von flüssigen und gasförmigen Strömungen zu vergleichen. Diese Ergebnisse werden für das 3. RP von besonderem Interesse sein, wenn bewegliche Betten betrachtet werden.
Nach der Entwicklung der vorgenannten Messmethoden wird der vorgeschlagene Ansatz eine effektive Bestimmung von Konzentration/Dispersion, Temperatur und Gasströmungsgeschwindigkeiten im Schüttbett ermöglichen. Eine breite Palette von Parametern wie Packungsdichte, Packungsgröße, Art und Richtung der Anströmung kann auf diese Weise untersucht werden. Die gemessenen Daten werden dann in anderen Projekten verwendet, z. B. zur Validierung numerischer Berechnungen oder zur Modellentwicklung, insbesondere in Bezug auf Dispersion und Wärmeübertragung. Darüber hinaus sind die bereitgestellten Daten räumlich und zeitlich hoch aufgelöst, was die Ableitung von Turbulenzgrößen zur weiteren Verarbeitung und Nutzung in den Partnerprojekten ermöglicht.

Experimental investigation of flow fields in the interstices of bulk particles using optical measurement techniques

The flow behaviour of the gas phase in a packed bed has important effects on mass and energy transport processes that are taking place in the bed. It is hence also a central parameter for process optimisation of such systems. Currently, however, only very limited data on the gas flow in packed beds exists, since the access to the particle interstices is very challenging with both probe-based and optical measurement methods. Furthermore, the existing results were typically obtained using refractive index matching, and are hence limited to liquids. For gaseous flows, mainly conclusions obtained using similarity theory are available, which limits the potential range of application.

In the first funding period of this project, we extended optical particle image velocimetry (PIV) of the velocity fields in the gas phase within packed beds by ray tracing reconstructions. For this, we used beds consisting of transparent bulk material so that the velocity field determination can be aided with a numerical simulation of light propagation through the bed. The simulation was performed with ray tracing, and the resulting information was used to correct the raw PIV particle images of the flow. This technique then allowed for the direct measurement of velocity fields in the gas phase of transparent packed beds.

The main emphasis in the second funding period will be on extending the optical measurements to other quantities, such as temperature and dispersion. Also a new experimental configuration will be used that consists of parallel transparent bars arranged in rotatable layers modelling a polyhedral packing. It will be far less regular than the reference configuration of FP1, while still providing direct optical access without considerable optical distortion. Simultaneous measurements of gas temperature and velocity will be performed using thermographic phosphor particles. Further, laser induced fluorescence (LIF) of Anisole will be used for the determination of gas dispersion in the packed bed. The multi-camera set-up from FP1 will be further extended to a matrix arrangement of the cameras for the acquisition of three dimensional three component (3D3C) velocity and simultaneous temperature fields in the interstices of the new reference configuration. A systematic evaluation of refractive index matching for the use in complex, also moving transparent packed beds will be done on the basis of dimensional analysis to compare results from liquid and gaseous flows. These results will be of particular interest for FP3 when moving beds will be considered.
After the development of the aforementioned measurement methods, the proposed approach will enable an effective determination of concentration/dispersion, temperature and gas flow velocities in the packed bed. A wide range of parameters, such as packing density, packing size, inflow type and direction can be explored in this way. The measured data will then be used in other projects, e.g. to validate numerical calculations or for model development, especially concerning dispersion and heat transfer. Furthermore, the data provided is spatially and temporally highly resolved, allowing for the derivation of turbulence quantities for further processing and use in the partner projects.