Kombinierte optische und Röntgen-Messungen einer überlaufenden Schaumströmung


Kombinierte optische und Röntgen-Messungen einer überlaufenden Schaumströmung

Lappan, T.; Herting, D.; Zamaraeva, E.; Stenzel, J.; Ziauddin, M.; Skrypnik, A.; Shevchenko, N.; Eckert, S.; Eckert, K.; Heitkam, S.

Schaum und dessen Strömungsverhalten sind von zentraler Bedeutung bei der Schaumflotation zur Mineralaufbereitung. Die zu gewinnenden Mineralpartikel lagern sich an aufsteigenden Gasblasen an und werden mit dem Schaum aus der Flotationszelle heraustransportiert. In industriellen Flotationsanlagen wird die Rückgewinnung von Feststoff- und Flüssigphase aus der überlaufenden Schaumströmung mittels optischer Messtechnik überwacht und ist daher auf die freie Oberfläche des partikelbeladenen Schaums beschränkt. Die vorliegende Arbeit untersucht das Strömungsverhalten eines wässrigen Schaums an einem Überlauf vergleichend mittels optischer und Röntgen-Messungen. Der Schaum wurde kontinuierlich erzeugt, strömte in vertikaler Richtung durch einen Kanal mit quadratischem Querschnitt und floss durch einen einseitigen horizontalen Überlauf in die freie Umgebung. Die bildgebenden Strömungsmessungen fokussierten sich auf den Schaum im Bereich des Überlaufs. Gleichzeitig wurde hier der Flüssigkeitsanteil des Schaums mittels Messung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen jeweils zwei Elektroden bestimmt. Die optischen Messungen erfolgten einerseits durch die transparente Kanalwand und andererseits an der freien Oberfläche des überlaufenden Schaums. Die dortigen Strömungsgeschwindigkeiten wurden mittels angepasster PIV-Algorithmen ausgewertet, welche Lichtreflexionen auf den Schaumblasen als Messinformation nutzten. Aufgrund der Undurchsichtigkeit des Schaums erfassen diese optischen Messungen nur die oberflächennahen Schaumblasen. Unsere Variante der Röntgen-Radiographie mit maßgeschneiderten Tracer-Partikeln (X-PTV) gibt Aufschluss über die drei-dimensionale Schaumströmung. Die in dieser Arbeit verwendeten Tracer bestanden aus einer 3D-gedruckten polymeren Trägerstruktur in Form eines Tetraeders mit insgesamt vier kleinen Metallkügelchen an dessen Ecken. Dank der Tetraeder-Form und des geringen Gewichts des Materialverbunds hafteten die Tracer in der Schaumstruktur und wurden in der Strömung mitgetragen. Die Röntgenbildsequenzen zeigen die Bewegungsbahnen der zu jedem Tracer gehörenden Metallkügelchen und bilden lokal die Stromlinien der Schaumströmung ab. Weiterhin visualisieren die Röntgenbilder des Schaums dessen Flüssigkeitsanteil im gesamten Bildfeld. Sie bestätigen und erweitern die lokalen Messungen des Flüssigkeitsanteils mittels der Elektrodenpaare, sind aber mit einer höheren Messunsicherheit behaftet. Die tracer-basierten Röntgenmessungen belegen die vergleichsweise hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Inneren des Kanals und unmittelbar am Überlauf, während die optischen Strömungsmessungen Wand- bzw. Oberflächeneffekten unterliegen, welche in tendenziell geringeren Geschwindigkeiten resultieren. Allerdings zeigen die Messergebnisse auch die Grenzen der Röntgenmessungen mit den Schaum-Tracern auf: ihr Folgevermögen ist in instabilem Schaum mit hohem Flüssigkeitsanteil und bei hoher Strömungsgeschwindigkeit stark vermindert.

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    29. Fachtagung "Experimentelle Strömungsmechanik", 06.-08.09.2022, Ilmenau, Deutschland
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    29. Fachtagung "Experimentelle Strömungsmechanik", 06.-08.09.2022, Ilmenau, Deutschland, 978-3-9816764-8-8, 16.1-16.12

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-34726
Publ.-Id: 34726