Mit der Inbetriebnahme der Versuchshalle TOPFLOW+ im Jahr 2014 stehen für fluiddynamische Experimente und Messkampagnen auf 750 m² Fläche sieben variable Versuchsfelder, sowie ein strahlendicht abgeschirmtes Röntgenlabor zur Verfügung. Während in der TOPFLOW-Versuchshalle hauptsächlich Experimente unter Druck bei hohen Temperaturen durchgeführt werden, ist die Versuchshalle TOPFLOW+ vornehmlich für mesoskalige, drucklose Experimente vorgesehen, welche dafür aber zum großen Vorteil vollparallel betrieben werden können.
Hierfür verfügt jedes der sieben Versuchsfelder über ein separates Medienterminal, welches neben den elektrischen Anschlüssen auch Netzwerk, Wasser, Druckluft und technische Gase (Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid) bereitstellt. Die Druckluftversorgung ist untergliedert in eine kleine Hilfsdruckluft, die an jedem Versuchsstand separat geregelt werden kann und zwei weitere Stränge (DN80) für die beiden Seiten der Halle, welche über Durchflussregler zentral angesteuert werden und maximal bis zu 900 Nm3 Luft zur Verfügung stellen können. Die einzelnen Versuchsfelder sind darüber hinaus entweder mit Fußbodeneinläufen (für Luft/Wasser Experimente) oder speziellen Bodenwannen mit Gitterrost ausgerüstet, welche sämtliche gewässergefährdenden Substanzen sicher auffangen. An den Medienterminals sind darüber hinaus flexible Absaugarme installiert, um Gase und Aerosole sicher abzuleiten.
Das Röntgenlabor verfügt über ein ultraschnelles Elektronenstrahl-Röntgen-Computertomographie-System (ROFEX III), welches bis zu 8000 Schnittbilder pro Sekunde erfassen kann und damit dynamische Daten über Fluidverteilungen aus verschiedensten Experimenten ermöglicht. Der ROFEX III ist an einer Traversiereinrichtung montiert, welche auf der Kranbahn läuft, wodurch nahezu jede Position und Lage im Labor mit den Bildebenen des Scanners erreicht werden kann. Außerdem verfügt das Labor über eine Mikrofokus-CT-Anlage mit Feinfokus-Röhre, mit welcher mikrotomographische 3D-Scans von beliebigen Objekten und Strömungen mit Auflösungen im Mikrometer-Bereich möglich sind. Sowohl die Versuchshalle selbst als auch das Röntgenlabor sind mit Hallenkränen (7,5 t und 5 t) ausgestattet, um auch große und schwere Objekte sicher manipulieren zu können. Eine kleine mechanische Werksstatt erlaubt schnelle Auf- und Umbauten der fluiddynamischen Experimente.
Die Bandbreite der Versuchsanlagen reicht von generischen Experimenten zu Strömungsstrukturen und -phänomenen in Rohrleitungen mit Armaturen und Hindernissen über Experimente an Destillationskolonnen und Mehrphasenreaktoren mit Stofftransportuntersuchungen bis hin zu Studien zur effizienten Begasung in der Abwasseraufbereitung.
Ausgewählte experimentelle Untersuchungen in der Experimentalhalle TOPFLOW+
Grundlegende fluiddynamische Untersuchungen
Zur experimentellen Analyse von komplexem Strömungs- und Mischverhalten in Blasensäulen werden neuste nichtinvasive Bildgebungsverfahren, die ultraschnelle Röntgentomographie und das radioaktive Partikel-Tracking, eingesetzt, die zueinander komplementäre zeitaufgelöste Messdaten bereitstellen.
Ziel des Teilprojektes „Einfluss lokaler Transportprozesse auf chemische Reaktionen in Blasenströmungen“ ist die experimentelle Charakterisierung der Hydrodynamik und die Untersuchung deren Einflusses auf die chemische Absorption in einer Laborblasensäule (DN 100).
Ziel der Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses von verschiedenen Rohranordnungen und -größen in Wärmeübertragern auf die Hydrodynamik, d.h. Blasengrößenverteilung, Stoffaustauschfläche, Geschwindigkeitsprofile und Gasgehalt.
Offenporige Schäume als Katalysatorträger für Strukturreaktoren
Im Rahmen der Helmholtz-Energie-Allianz „Energieeffiziente chemische Mehrphasenprozesse“ wurden verschiedene Ansätze verfolgte, um den großskaligen Beispielprozess der Hydrierung von Nitrobenzol zu Anilin unter Einsatz von offenzelligen Feststoffschäumen als Katalysatorträger zu optimieren.
Fluiddynamik und Stofftrennverhalten von Anstaupackungen
Im Rahmen des durch die DFG geförderten Projekts erfolgt am HZDR die umfängliche Charakterisierung der Strömungsvorgänge in Anstaupackungen (Ø = 100 mm), die zunächst mit Modell-Stoffsystemen betriebenen werden. Die ultraschnelle Röntgentomographie als nichtinvasives Messverfahren liefert Einblicke in die komplexen und hochdynamischen Strömungsformen im Inneren der Packungen.
Mithilfe neuer Bildgebungstechnik werden sich ausbildende Strömungsstrukturen und der Grad der Flüssigphasenvermischung in Bodenkolonnenn mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung untersucht. Dazu wurde eine Siebbodenkolonne mit Gittersensorik instrumentiert und die hydraulischen Daten zur Entwicklung neuer Modellansätze für die Bewertung der Trenneffizienz herangezogen.
In experimentellen Grundlagenstudien wird die Entstehung von Gasblasen an flexiblen und starren Öffnungen verschiedener Materialien untersucht. Dabei werden sowohl kontinuierliche als auch dynamische Strömungsregime in Betracht gezogen.
The project aims on developing new concepts of the use of natural porous loofa materials as biocatalyst carrier and the use of oxidative enzymes as biochemical catalysts for the treatment of contaminated water.