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Dr. Frank Barthel
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Ultraschneller Elektronenstrahl-Röntgentomograph ROFEX

In vielen technischen Anlagen der chemischen und energieerzeugenden Industrie ist die Kenntnis der Struktur der inhärenten Mehrphasenströmungen von großem Interesse. Der am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf entwickelte ultraschnelle Elektronenstrahl-Röntgentomograph „ROFEX“ (ROssendorf Fast Electron beam X-ray tomograph) stellt dafür ein leistungsfähiges, nichtinvasives, bildgebendes Messsystem dar. Das Gerät wurde speziell für Messungen an der vertikalen Testsektion DN50 der Experimentieranlage TOPFLOW konzipiert. Aufgrund seiner universellen Konstruktion ist das System darüber hinaus auch für andere Objekte der Strömungs- und Verfahrenstechnik bis zu einem Durchmesser von 120 mm anwendbar. Es wurden bisher Bildaufnahmeraten von bis zu 7.000 Schnittbildern pro Sekunde bei einer Ortsauflösung von ca. 1 mm erreicht.

MN

 


Messprinzip

Die für die Computertomographie essentielle Erfassung von Durchstrahlungsprojektionen aus unterschiedlichen Aufnahmewinkeln wird bei diesem Verfahren nicht durch die mechanische Drehung von Objekt oder Quelle-Detektor-Verbund erreicht. Stattdessen wird ein Elektronenstrahl auf ein teilkreisförmiges Wolframtarget fokussiert und gleichzeitig mit hoher Frequenz periodisch abgelenkt, so dass ein auf dem Target wandernder Brennfleck und damit eine um das Objekt rotierende Röntgenquelle erzeugt wird. Mit dieser wird das Untersuchungsobjekt aus einer Vielzahl von Winkeln durchstrahlt. Ein das Objekt umgebender, statischer Röntgendetektorring misst die durch das Objekt geschwächte Röntgenstrahlung mit hoher Frequenz synchron zur Strahlablenkung. Aus dem Datensatz von Projektionen einer Umdrehung des Elektronenstrahls kann ein überlagerungsfreies Schnittbild der Schwächungsverteilung im Objekt rekonstruiert werden. Aus diesen Schnittbildern lassen sich z.B. Phasengrenzflächen und prozentuale Gasgehalte extrahieren.

 
MN ROFEX_Prinzip_deu

 

TOPFLOW-Experimente

Der ultraschnelle Röntgentomograph ROFEX wurde primär für die berührungsfreie Messung von Phasenverteilungen innerhalb von Wasser-Luft- und Wasser-Wasserdampf-Strömungen in der Teststrecke DN50 an der Großversuchsanlage TOPFLOW entwickelt. Dafür wurde an der Teststrecke eine Traversiereinheit errichtet, die es erlaubt den Tomographen vertikal auf einer Länge von vier Metern zu verfahren. So kann durch Anfahren verschiedener Höhen die gesamte Entwicklung der Strömung im Rohr messtechnisch erfasst werden. Eine eigens dafür konstruierte variable Gaseinspeisung kann am oberen, bzw. unteren Ende der Teststrecke eingebaut werden. Dadurch lassen sich sowohl aufwärts-, als auch abwärts gerichtete Strömungen untersuchen.

ROFEX

Ultraschneller Röntgentomograph
ROFEX an der vertikalen Testsektion DN50 der TOPFLOW-Anlage

ROFEX_oben

ROFEX mit
Strahlenschutzeinhausung in
oberer Messposition

 

variable Gaseinspeisung

Variable Gaseinspeisung für die
Testsektion DN50

TPF-Details

 

Interessante Details aus dem zeitlichen Verlauf (Axialschnitte) von tomographierten Zweiphasenströmungen:

a) Blasencluster im Nachlauf einer großen Blase

b) Flüssigkeitslamellen, die große Blasen separieren

c) Einzelne Gasblase in einem Wasserschlauch zwischen zwei Blasen

d) Wassertropfen in einer großen Gasblase


Weitere Anwendungsbeispiele

Der schnelle Röntgentomograph ROFEX findet überall dort Anwendung, wo die innere Struktur dynamischer Prozesse nichtinvasiv und mit hoher zeitlicher Auflösung abgebildet werden soll. Neben Mehrphasenströmungen in industriellen Anlagen zählen vor allem Reaktionsprozesse der Chemieverfahrenstechnik sowie Online-Qualitätskontrollen zu den Hauptanwendungsgebieten.

Walnuss_ani

Tomographie von fallenden Walnüssen
(dynamische Qualitätskontrolle)

Peperoni

Tomographie einer fallenden Peperonischote
(dynamische Qualitätskontrolle)

FB_ROFEX

 

FluidizedBed

 

 

packung_bunt

Tomographie einer Wirbelschicht
(Säulendurchmesser 100 mm)

Flüssigkeitsverteilung am Flutpunkt
in einer Mellapak®-Strukturpackung


Zweiebenen-Tomographie

Aktuell wird der ultraschnelle Röntgentomograph ROFEX um eine zweite Messebene bestehend aus Target und Detektorring erweitert. Auf diese Weise können nicht nur Phasenverteilungen innerhalb der Strömung sondern auch Geschwindigkeiten gemessen werden. Dies stellt einen wichtigen Zugewinn an Informationen dar, da mit Kenntnis der Gasphasengeschwindigkeiten Blasengrößen genauer bestimmt und für die Validierung von CFD-Modellen herangezogen werden können.


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