Photonics 2025 – Monitoring von Slurry-Sprays mit optischer Spray-Messtechnik

Dieser wissenschaftliche Artikel stellt ein optisches Spray-Messverfahren für das Monitoring von Slurry-Sprays mit hoher Massenkonzentration vor. Im Mittelpunkt stehen dynamische Slurry-Tropfen, die aus einer Basisflüssigkeit und suspendierten Feststoffpartikeln bestehen.

In vielen industriellen Prozessen sind Slurry-Sprays schwer zu messen. Die Tropfen können Kohlepartikel, Pigmente, Zuschlagstoffe oder andere suspendierte Feststoffe enthalten. Daher liefern klassische Spray-Messverfahren oft nicht genügend Informationen über die Materialzusammensetzung im Inneren der Tropfen.

Das vorgestellte Verfahren analysiert die Transparenz einzelner Slurry-Tropfen. Auf diese Weise lässt sich die Massenkonzentration der Feststoffpartikel abschätzen und eine Aussage über die mittlere Partikelgröße in den Tropfen treffen.

Slurry-Spray-Prozesse sind für Verbrennung, Vergasung, Recycling, Beschichtungstechnik und weitere industrielle Anwendungen relevant. In diesen Prozessen transportiert das Spray nicht nur Flüssigkeit, sondern auch suspendierte Partikel.

Deshalb ist die Qualität des Slurry-Mischprozesses von großer Bedeutung. Partikelgröße, Partikelkonzentration und Sprayverhalten können die Prozessstabilität und -effizienz beeinflussen. In Verbrennungs- und Vergasungsprozessen können diese Parameter zudem das Reaktionsverhalten und die Brennstoffumsetzung beeinflussen.

Das Verfahren beruht auf der Lichtstreuung an einzelnen Suspensionstropfen, während diese einen geformten Lichtstrahl durchqueren. Je nach Partikelkonzentration und Partikelgröße können sich diese Tropfen semitransparent oder nicht transparent verhalten.

Bei niedrigen Feststoffkonzentrationen kann gebrochenes Licht den Tropfen noch durchdringen. In diesem Fall lässt sich der Tropfen als semitransparent klassifizieren. Bei höheren Konzentrationen blockieren oder streuen die suspendierten Partikel das gebrochene Licht. Der Tropfen verhält sich dann eher wie ein nicht transparenter Tropfen.

Durch Zählen des relativen Anteils semitransparenter und nicht transparenter Tropfen liefert das Verfahren Informationen über die Zusammensetzung der Slurry.

Für die Experimente wurde ein Time-Shift-Time-of-Flight-Messsystem eingesetzt. Dieser TSTOF-basierte Aufbau arbeitet im Rückstreubereich. Lichtquelle und Detektoren können daher auf derselben Seite des Sprays angeordnet werden.

Das ist für die industrielle Spray-Messung von Vorteil, da viele reale Prozesse nur einen begrenzten optischen Zugang bieten.

In der experimentellen Studie wurden Slurry-Sprays mit unterschiedlichen Massenkonzentrationen und unterschiedlichen Partikelgrößenverteilungen untersucht. Kohlepartikel wurden in Monoethylenglykol dispergiert. Es wurden drei Partikelgrößenverteilungen mit Sauter-Durchmessern der Partikel von 4.0 µm, 9.4 µm und 18.7 µm hergestellt.

Die Partikel-Massenkonzentration wurde in den Stufen 5%, 10% und 20% variiert. Insgesamt wurden fünf Slurry-Zusammensetzungen getestet.

Das Slurry-Spray wurde mit einer gasunterstützten Koaxialdüse erzeugt. Die Experimente wurden am Spray-Prüfstand ATMO am KIT/ITC durchgeführt. Die Messposition lag fest bei 120 mm unterhalb des Düsenaustritts.

Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Korrelation zwischen den optischen Signalen und der Zusammensetzung der Slurry. Bei niedrigeren Partikelkonzentrationen wurden mehr semitransparente Tropfen detektiert. Zudem führten größere Partikel bei gleicher Massenkonzentration zu einer höheren Anzahl semitransparenter Tropfen.

Die Studie identifizierte zwei geeignete Kenngrößen für das Monitoring von Slurry-Sprays: die relative Tropfenrate semitransparenter Tropfen und den Sauter-Durchmesser (Sauter Mean Diameter) semitransparenter Tropfen.

Mit diesen Kenngrößen lassen sich Änderungen der Massenkonzentration und der Partikelgrößenverteilung erkennen. Das Verfahren kann daher auch dabei helfen, Fehler im Slurry-Mischprozess oder im Mahlprozess vor der Zerstäubung zu erkennen.

Der Artikel schlägt außerdem ein vereinfachtes Messkonzept vor. Für viele Überwachungsaufgaben kann es ausreichen, semitransparente und nicht transparente Tropfen zu zählen. In diesem Fall muss das System nicht in jedem Schritt Tropfengröße und -geschwindigkeit messen.

Das eröffnet den Weg zu kompakten und kostengünstigen Spray-Messgeräten. Ein vereinfachter Aufbau mit einer Lichtquelle und zwei Detektoren könnte ausreichen. Zudem könnte ein Modell des maschinellen Lernens die Transparenz der Tropfen anhand des Lichtstreusignals klassifizieren.

Ein solches kompaktes System könnte das Echtzeit-Monitoring von Slurry-Sprays, Lacksprays und anderen Sprays mit heterogenen Tropfen unterstützen.

Das Verfahren ist relevant für das Monitoring von Slurry-Sprays mit hoher Massenkonzentration, die Verbrennungsforschung, die Flugstromvergasung, Recyclingprozesse, partikelbeladene Flüssigkeiten und die industrielle Prozessregelung.

Es kann zudem die Entwicklung künftiger optischer Spray-Messsysteme für komplexe Tropfen unterstützen. Solche Systeme helfen Forschenden und Ingenieuren zu verstehen, wie Massenkonzentration, Partikelgröße und Zerstäubungsbedingungen das Sprayverhalten beeinflussen.

Schaefer, W., Fleck, S., Haas, M., & Jakobs, T. (2025). Optical Measurement Method for Monitoring High-Mass-Concentration Slurry Sprays: An Experimental Study. Photonics, 12(7), 673. https://doi.org/10.3390/photonics12070673