Bronkhorst

Handhabung niedriger Durchflüsse - Eine Blogreihe in 5 Teilen: Teil1 - Was sind niedrige Durchflüsse?

21. Januar 2020 Ron Tietge
Laboratory tubes

Was haben Mikroreaktoren, Katalyseforschung und Dosierung von Odorierungsmitteln gemeinsam? Sie alle benötigen niedrige Durchflüsse. Bei der Durchflusskontrolle & -messung unterscheiden wir zwischen „niedrigen Durchflüssen“ und „hohen Durchflüssen“. Aber was heißt das genau? Bronkhorst High-Tech ist für seine Durchflussmesser und Durchflussregler für „niedrige Durchflüsse“ bekannt. In diesem Zusammenhang soll erläutert werden, was wir bei Bronkhorst unter „niedrigem Durchfluss“ verstehen.

Daher haben wir eine Blogreihe erstellt, in der wir Tipps zur Einrichtung eines Systems für niedrige Durchflüsse geben. Außer einer Definition des Begriffs „niedriger Durchfluss“ und Tipps zur Auswahl des richtigen Durchflussmessers finden Sie in dieser Blogreihe Empfehlungen zu Systemanordnung, Verbindungsmaterialien und Flüssigkeitszufuhrsystemen. Da Durchflusssysteme und Prozessbedingungen in den unterschiedlichen Anwendungen in der Regel nicht identisch sind, gibt es keine allgemein gültige Lösung. Vernünftige Tipps erfordern Einblicke und allgemeine Kenntnisse im Hinblick auf das spezifische System des Anwenders. 
 

Was sind (extrem) niedrige Durchflüsse?

Die Definition von „niedrig“ ist ungenau und branchenabhängig. In der industriellen Produktion gelten Durchflüsse weit unter 500 kg/h als niedrig, aber in der Forschung wird der Begriff auf Durchflüsse angewendet, die unter 100 g/h liegen. In den aktuellen Blogs konzentrieren wir uns auf die Handhabung – d.h. Messung sowie Regelung – von Durchflussmengen bis zu 100 g/h. Ferner werden auch extrem niedrige Durchflüsse berücksichtigt, die im Bereich < 5 g/h liegen.

Das lässt sich am besten anhand eines Wassertropfens veranschaulichen. Wenn ein Wassertropfen einen durchschnittlichen Durchmesser von einem halben Zentimeter hat, entsprechen 100 Gramm pro Stunde etwa 2.000 Wassertropfen pro Stunde, was in der Tat sehr niedrig ist. Und 100 Wassertropfen entsprechen 5 Gramm innerhalb einer Stunde.
 

Exakte Instrumente zur Messung und Regelung niedriger Durchflüsse haben ihre Nützlichkeit für viele verschiedene Anwendungszwecke bewiesen. hier sind ein paar Beispiele:

  • Die Zuführung von etwa 100 g/h Bohröl als Schmiermittel wird während des Bohrens von Löchern bei der Herstellung von Flugzeugrumpfteilen überwacht. Erfahren Sie mehr in unserem Applikationsbericht.
  • Ein extrem geringer Durchfluss von 2 g/h Ethanol wird verdampft, um einen stabilen Durchfluss von Ethanol als Kohlenstoffquelle in der Forschung & Entwicklung im Bereich der Herstellung von hochwertigem Graphen zu erzeugen. Hier können Sie weiter lesen! 
  • Viele wirtschaftlich relevante katalytische Prozesse laufen bei hohen Drücken und hohen Temperaturen ab. Für die Katalyseforschung müssen (sehr) geringe Durchflüsse verschiedener Kohlenwasserstoffe stabil und pulsationsfrei dosiert werden. Hier geht es zum Appplikationsbericht!
  • Labs-on-Chips und andere mikrofluidische Systeme, die in Pharmazeutik und Biotechnologie eingesetzt werden, reduzieren den Einsatz von Chemikalien und die Versuchszeiten im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erheblich. Erfahren Sie mehr! 
  • Der typische Geruch von Erd- oder Biogas entsteht durch einen „Warnstoff“, der dem Gas nachträglich durch Injektion einer geringen, aber beständigen Flüssigkeitsmenge hinzugefügt wird. Das ist der Grund, warum wir sagen können, es stinkt nach Gas.

Geringer Durchfluss von Flüssigkeiten: Schmiermitteldosierung bei der Flugzeugherstellung
Schmiermitteldosierung bei der Herstellung von Flugzeugen
geringer Durchfluss mit Gas
Kommerzielles Gas
Massendurchfluss gegen Volumendurchfluss

Massendurchfluss und Volumendurchfluss

Im vorherigen Absatz wurde der Durchfluss in Masseeinheiten wie g/h oder mg/s dargestellt. Aber viele Benutzer denken und arbeiten mit Volumeneinheiten, insbesondere bei Gasen ist das viel leichter für unsere Vorstellungskraft. Das ist kein Problem, solange wir über dieselben Referenzbedingungen sprechen. Ist das nicht der Fall, so vergleichen wir quasi Äpfel mit Birnen. In unserem Blog „Referenzbedingungen in der Im vorherigen Absatz wurde der Durchfluss in Masseeinheiten wie g/h oder mg/s dargestellt. Aber viele Benutzer denken und arbeiten mit Volumeneinheiten, insbesondere bei Gasen ist das viel leichter für unsere Vorstellungskraft. Das ist kein Problem, solange wir über dieselben Referenzbedingungen sprechen. Ist das nicht der Fall, so vergleichen wir quasi Äpfel mit Birnen. In unserem Blog „Referenzbedingungen in der Durchflussmessung - warum eigentlich?“ erfahren Sie mehr über Referenzbedingungen.  

Referenzbedingungen

Was ist typisch für niedrige Durchflüsse?

Wie unterscheidet sich ein geringer Durchfluss von unter 100 g/h von einem „normalen“ oder hohen Durchfluss? Anwendungen für (extrem) geringe Durchflüsse zeichnen sich durch bestimmte Phänomene aus, die im Zusammenhang mit größeren Durchflüssen nicht auftreten oder irrelevant sind. Aufgrund der (äußerst) geringen Flüssigkeitsmenge, die bewegt wird, sind (extrem) geringe Durchflüsse so empfindlich, dass schon minimale Störungen des Prozesses oder der Umgebungsbedingungen erhebliche Auswirkungen auf die Durchflussstabilität haben können. Entscheidend sind also der Einfluss der äußeren Bedingungen und die Mittel, mit denen diese äußeren Bedingungen gesteuert werden können. Zum Beispiel haben bereits kleine Lecks, bei denen Flüssigkeiten oder Gase in den Prozess gelangen oder aus dem Prozess austreten, erheblichen Einfluss auf den gewünschten Durchfluss. Ferner ist zu berücksichtigen, dass Behinderungen durch feste Partikel oder Verunreinigungen der kleinen Durchflussleitungen den Durchfluss ungewollt stören. Insbesondere bei der Dosierung geringer Durchflüsse führen instabile Druckwerte zu instabilen Durchflüssen. Abweichungen beim Vordruck, Pulsation aufgrund zu großer Pumpenhubvolumen im Vergleich zur Durchflussmenge und Auflösung von Gasen (Druckluft) beim Unterdrucksetzen der zu dosierenden Flüssigkeit führen zu instabilen Durchflüssen. 

Kenntnisse der Anwendung sowie der physische Transport im Rahmen des Prozesses sind für komplexe Vorgänge wie die Handhabung geringer Durchflüsse entscheidend. Die Optimierung der Durchflussstabilität und die Leistung von Flüssigkeitssystemen erfordern umfassende Kenntnisse der Eigenschaften von Flüssigkeiten und Systemkomponenten unter vielen verschiedenen Bedingungen. Jede Komponente, die in einem Flüssigkeitssystem zum Einsatz kommt, kann das Verhalten einer Flüssigkeit beeinflussen oder mit anderen Komponenten interagieren, insbesondere bei niedrigen Durchflüssen.
 

Lösungen für eine optimale Leistung

Das Sortiment von Bronkhorst bietet mit den auf thermischen Messprinzipien basierenden μ-FLOW und LIQUI-FLOW Massendurchflussmessern und -reglern sowie den Coriolis-basierten Mini CORI-FLOW ML120 und Mini CORI-FLOW M12 Geräten Lösungen, die insbesondere für Anwendungen mit (extrem) geringen Durchflüssen geeignet sind. Ein Massendurchflussmesser beinhaltet einen Sensor, der nur die Durchflussmenge des Mediums misst, während ein Massendurchflussregler zusätzlich zu diesem Sensor ein Regelventil enthält, um die Durchflussmenge des Mediums zu regeln. Hier erfahren Sie mehr zur „Massendurchflussreglertheorie“. 

Durchflussregler werden üblicherweise eingesetzt, um einen stabilen Durchfluss zu garantieren. Allerdings ist für eine optimale Leistung wesentlich mehr als nur ein ausgezeichneter Durchflussregler nötig. Unter anderem müssen Sie sich davon überzeugen, dass das System keine Lecks aufweist, und Leitungen verwenden, die für kleine Durchflussmengen geeignet sind. Ferner dürfen Sie in Druckluftbehältern kein Gas verwenden, das sich in Flüssigkeit auflöst, oder versuchen, das Gas zu entfernen. Im nächsten Teil der Blogreihe befassen wir uns genauer mit diesen und anderen Themen und geben praktische Tipps zur Auswahl des richtigen Geräts für geringe Durchflüsse.


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