Auf dem gemeinsamen Jahrestreffen der DECHEMA- und VDI-Fachgruppen in Clausthal-Zellerfeld präsentierte Walter Schäfer das Poster „Optical Measurement Method for Monitoring Slurry Sprays“. Die Tagung fand vom 25. bis 27. März 2025 an der Technischen Universität Clausthal statt. Die Posterpräsentation war Teil des Programms der Partikelmesstechnik.
https://www.fg2025.tu-clausthal.de/
Warum ist das Monitoring von Slurry-Sprays wichtig?
Slurrys enthalten feste Partikel, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind. Ihre Partikelkonzentration und Partikelgrößenverteilung können die Zerstäubung, die Tropfenbildung, den Wärmeübergang, chemische Reaktionen und die Stabilität eines industriellen Prozesses stark beeinflussen.
Diese Eigenschaften sind besonders wichtig beim Recycling, bei der Sprühtrocknung, in der Energieumwandlung, bei Beschichtungen und in anderen Prozessen mit heterogenen Einsatzstoffen. Herkömmliche Laboranalysen erfordern jedoch häufig eine Probenahme und liefern keine unmittelbaren Informationen über Veränderungen in einem laufenden Prozess.
Ein optisches Monitoring-System für Slurry-Sprays könnte daher helfen, Änderungen der Zusammensetzung direkt während der Zerstäubung zu erkennen. Dies ermöglicht schnellere Prozessanpassungen, eine effizientere Nutzung von Rohstoffen und die Entwicklung nachhaltigerer industrieller Prozesse.
Optische Analyse einzelner Suspensionstropfen
Das vorgeschlagene Messverfahren analysiert das von einzelnen Suspensionstropfen gestreute Licht. Jeder Tropfen durchquert einen elliptischen Gaußschen Laserstrahl und erzeugt eine zeitaufgelöste Lichtstreusignatur.
Optische Detektoren erfassen diese Signale. Die Signalform und die Abfolge der detektierten Peaks enthalten Informationen über die optischen Eigenschaften des Tropfens. Dadurch kann das System zwischen semitransparenten und nicht transparenten Suspensionstropfen unterscheiden.
Das Verfahren nutzt das Time-Shift-Time-of-Flight-Verfahren, abgekürzt TSTOF. Dieses Messprinzip ermöglicht die zeitaufgelöste Erfassung und Analyse einzelner Tropfen in einem Spray.
Experimentelle Untersuchung verschiedener Slurry-Zusammensetzungen
Für die Experimente wurde eine gasunterstützte Koaxialdüse unter konstanten Betriebsbedingungen eingesetzt. So konnten die Forschenden untersuchen, wie sich Änderungen der Suspension auf die aufgezeichneten Lichtstreusignale auswirken.
Die untersuchten Suspensionen wiesen drei verschiedene Feststoffkonzentrationen auf:
- 5 Gew.-%,
- 10 Gew.-%,
- 20 Gew.-%.
Zusätzlich deckten die Experimente drei charakteristische Partikelgrößen ab:
- 4,0 µm,
- 9,4 µm,
- 18,7 µm.
Mikroskopaufnahmen auf dem Poster zeigen deutliche Unterschiede zwischen den untersuchten Suspensionen. Insbesondere Suspensionen mit höheren Konzentrationen erscheinen dunkler, da sie mehr Licht absorbieren und streuen.
Relative Tropfenrate und Sauterdurchmesser
Die Auswertung konzentrierte sich auf zwei wichtige Kenngrößen:
Relative Tropfenrate, Nrel:
Diese Kenngröße beschreibt den relativen Anteil der im Spray detektierten semitransparenten Tropfen.
Sauterdurchmesser, SMD:
Der SMD charakterisiert die Tropfengrößenverteilung der detektierbaren semitransparenten Tropfenfraktion.
Die experimentellen Ergebnisse zeigten einen deutlichen Zusammenhang zwischen diesen Kenngrößen und den Eigenschaften der Suspension. Höhere Feststoffkonzentrationen verringerten den Anteil semitransparenter Tropfen. Kleinere suspendierte Partikel erhöhten zudem die Lichtabsorption und verringerten die Transparenz der Tropfen.
Folglich können die relative Tropfenrate und der SMD im untersuchten Bereich Aufschluss über Änderungen sowohl der Partikelkonzentration als auch der Partikelgröße geben.
Ergebnisse der optischen Slurry-Spray-Messung
Die Messungen zeigten, dass sich die optischen Eigenschaften von Suspensionstropfen systematisch mit der Slurry-Zusammensetzung ändern.
Mit steigender Feststoffkonzentration erzeugten weniger Tropfen semitransparente Lichtstreusignaturen. Gleichzeitig veränderte sich der messbare SMD der semitransparenten Tropfenfraktion.
Die Experimente zeigten außerdem, dass die Partikelgröße die optische Antwort beeinflusst. Suspensionen mit kleineren Partikeln absorbierten mehr Licht und erzeugten daher einen geringeren Anteil semitransparenter Tropfen.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein optisches Monitoring-System für Slurry-Sprays Änderungen in der heterogenen Tropfenzusammensetzung erkennen kann, ohne dass jede Probe einzeln entnommen und analysiert werden muss.
Vereinfachter TSTOF-Messaufbau
Auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse schlägt das Poster ein vereinfachtes optisches Messgerät mit einer Lichtquelle und zwei Detektoren vor.
Diese Konfiguration reduziert die erforderlichen optischen und elektronischen Komponenten. Zudem vereinfacht sie die Signalverarbeitung, da sich die Auswertung auf die relativen Positionen charakteristischer Peaks im Lichtstreusignal konzentrieren kann.
Ein solches kompaktes System könnte das Monitoring folgender Anwendungen unterstützen:
- Slurry-Sprays,
- Lacksprays,
- partikelbeladene Tropfen,
- heterogene Flüssigkeiten,
- weitere industrielle Zerstäubungsprozesse.
Die vereinfachte Konfiguration könnte somit eine praxistaugliche Grundlage für kontinuierliche industrielle Messungen und eine Prozessüberwachung in Echtzeit bilden.
Maschinelles Lernen zur Tropfenklassifizierung
Methoden des maschinellen Lernens könnten die Auswertung weiter verbessern. Anstatt jede physikalische Eigenschaft einzeln zu berechnen, kann ein trainiertes Modell die vollständige Form eines Lichtstreusignals analysieren.
So könnte das Modell einen Tropfen beispielsweise als semitransparent oder nicht transparent klassifizieren. Dieser Ansatz könnte eine noch einfachere Konfiguration mit nur einer Lichtquelle und einem optischen Detektor ermöglichen.
Darüber hinaus könnte eine KI-gestützte Signalanalyse komplexe Zusammenhänge zwischen Signalform, Partikelkonzentration, Partikelgröße und Tropfenzusammensetzung erkennen. Jede industrielle Anwendung erfordert jedoch geeignete Trainings- und Validierungsdaten.
Potenzial für die industrielle Prozessüberwachung
Das vorgestellte Messverfahren bietet einen vielversprechenden Ansatz für das kontinuierliche Monitoring heterogener Sprays.
Zu seinen wichtigsten Vorteilen gehören:
- berührungslose optische Messung,
- Analyse einzelner Suspensionstropfen,
- Erkennung von Änderungen der Slurry-Zusammensetzung,
- Potenzial für kompakte Sensorkonfigurationen,
- Kompatibilität mit statistischen Methoden und Methoden des maschinellen Lernens,
- mögliche Integration in die Prozessüberwachung in Echtzeit.
Künftige Arbeiten können sich auf weitere Suspensionsmaterialien, größere Konzentrationsbereiche, industrielle Betriebsbedingungen und kundenspezifische Kalibriermodelle konzentrieren.
