Bronkhorst

Regelung von Dampfströmen

In unserem täglichen Leben sind wir von Dämpfen umgeben. Sie gelangen in unsere Nase, und wir nehmen ihre Anwesenheit in Form eines spezifischen Geruchs wahr. Ein weiteres tiefgehendes Beispiel ist Wasserdampf als Bestandteil der Luft, welcher uns in unseren Häusern umgibt. Dieser macht sich bemerkbar, wenn die Luft auf eine kühlere Oberfläche trifft, wie zum Beispiel einem Fenster. Der enthaltene Wasserdampf kann auf der Fensterscheibe kondensieren und wird als Flüssigkeit sichtbar und fühlbar.

Auch in industriellen Prozessen spielen Dämpfe eine wichtige Rolle. Zeit zu erklären: Was sind Dämpfe, wo werden sie verwendet und wie können sie kontrolliert in diese Prozesse eingebracht werden?

 

afbeelding

Zunächst einmal: Was ist Dampf?

Ein Dampf ist dem Gas sehr ähnlich - es handelt sich um einen grundlegenden Zustand der Materie, genauso wie Feststoffen und Flüssigkeiten. Gase und Dämpfe bestehen aus getrennten Molekülen, die sich als freie Teilchen bewegen. Es gibt jedoch einen wesentlichen Unterschied zwischen einem Gas und einem Dampf. Wenn eine Verbindung bei Raumtemperatur (ungefähr 20°C) und normalem Druck (1 Atmosphäre) flüssig ist, dann nennen wir die 'gasförmige' Form dieser Verbindung ‚Dampf‘. Daher nennen wir die 'gasförmige' Form von Wasser Dampf, während die gasförmige Form von Sauerstoff ein Gas ist, da Sauerstoff unter diesen Umgebungsbedingungen stets ein Gas bleibt.

Wie erzeugt man Dampf?

Durch Erhöhen der Temperatur oder Verringern des Drucks kann eine Flüssigkeit verdampfen und sich in einen Dampf umwandeln. Auf molekularer Ebene gibt es bei jeder Temperatur an der Oberfläche der Flüssigkeit immer Moleküle mit ausreichender Geschwindigkeit, um die Flüssigkeit zu verlassen. Über einer Flüssigkeit befindet sich also immer ein Dampf derselben Flüssigkeit. Die Verdunstung erfolgt bei jeder Temperatur und nicht nur bei der Siedetemperatur der Flüssigkeit. Diese Siedetemperatur ist nur eine Definition: Es ist ein Punkt, an dem der Dampfdruck der Flüssigkeit dem Umgebungsdruck entspricht.

Mit Temperatur und Druck hat man zwei Parameter, den Dampfdruck und damit die Menge des Dampfes oder - in einer dynamischen Situation - den Dampfstrom zu kontrollieren. Eine dritte Möglichkeit, den Dampfdruck zu kontrollieren - ihn tatsächlich zu verringern - besteht darin, den Dampf zu verdünnen, beispielsweise durch Zugabe eines Inertgases wie Stickstoff.

Warum verwendet man Dämpfe?

Es gibt Umstände, unter denen Sie Dampf auf kontrollierte Weise einem Prozess hinzufügen möchten. Betrachten Sie beispielsweise Brennstoffzellen - PEMFC -, bei denen die Elektrolyte in einem hydrierten Zustand (befeuchtet) sein müssen, um eine hohe Leitfähigkeit und damit optimale Leistung zu gewährleisten. Lesen Sie mehr darüber in unserem Anwendungsbericht.

Alternativ möchten Sie möglicherweise genaue Wasserdampfkonzentrationen für die Kalibrierung und Zertifizierung von Feuchtigkeitssensoren liefern, damit diese Geräte die korrekten Werte anzeigen können.
Ein weiterer Typ der Dampfzufuhr erfolgt bei der kontrollierten Zufuhr von metallorganischen Dämpfen zu einem Reaktor. Diese Dampfverbindungen wirken als Vorläufer in einer chemischen Gasphasenabscheidungsreaktion, um eine dünne Schicht auf ein Objekt abzuscheiden, beispielsweise um halbleitende Dünnschichten abzuscheiden. Eine genaue Dampfzufuhr ist hier notwendig, um das Schichtwachstum präzise zu kontrollieren - auch auf komplex geformten Objekten - und um das Verschütten teurer metallorganischer Vorläufer zu vermeiden.

Traditionelle Dampfstromregelung mit Blasenbildnern

Eine traditionelle Methode, einen Dampf dem Prozess des Kunden zuzuführen, besteht darin, ein Blasensystem zu verwenden („Bubbler“). Hierbei wird ein Gasstrom durch ein beheiztes Gefäß geleitet, das mit der zu verdampfenden Flüssigkeit gefüllt ist. Dieser Trägergasstrom wird vollständig oder teilweise mit dem Dampf der Verbindung gesättigt, und dieser Dampfstrom wird vom Trägergas zum Prozess des Kunden weitergeleitet. Obwohl dies ein recht einfacher Aufbau ist, der vielseitig eingesetzt werden kann, gibt es einige Nachteile. Kleine Änderungen der Prozessbedingungen können zu großen Variationen im Dampfstrom führen, was diese Methode relativ ungenau und langfristig instabil macht. Da der Dampfdruck weitgehend von der Gefäßtemperatur abhängt, führt eine leichte Temperaturänderung zu einer recht großen Abweichung im Dampfdruck und somit im Dampfstrom. Darüber hinaus müssen der Gesamtdruck und die Durchflussrate des Trägergases stabil sein, um einen stabilen Dampfstrom zu erzeugen. Diese Dampfstromlösung ist stark von Temperatur und Druck abhängig.

Verdampferprozess
Trägergas durch die Flüssigkeit
Dampfdosierlösung
Dampfdosierlösung

Verbesserte Dampfstromlösung durch CEM („Controlled Evaporation & Mixing“)

Eine Möglichkeit, die oben genannten Hürden zu überwinden, besteht darin, ein CEM-System für die Dampfzufuhr zu verwenden. In diesem Dampfsystem liefert ein Massen-Gasdurchflussregler (wie zum Beispiel ein EL-FLOW Select) eine genau gesteuerte Trägergasdurchflussrate, während ein Flüssigkeitsdurchflussmesser (wie zum Beispiel ein mini CORI-FLOW oder LIQUI-FLOW) den Durchfluss der zu verdampfenden Flüssigkeit misst, die zum Beispiel aus einem bei Raumtemperatur druckbeaufschlagten Flüssigkeitsbehälter entnommen wird.

Anschließend ermöglicht ein Mischregelventil, dass winzige Tropfen des Flüssigkeitsflusses in den Trägergasfluss eingebracht werden, der in eine beheizte, temperaturgeregelte Misch- und Verdampfungskammer gelangt, in der die Flüssigkeit vollständig verdampft und eine Dampf-/Gasgemisch erzeugt wird.
Ein vollständiges CEM-System enthält auch eine Anzeige-/Steuerungseinheit einschließlich Stromversorgung für den Betrieb der Komponenten des CEM-Systems.

Ein CEM-System ist ein unkompliziertes Dampfzufuhrmodul, welches einen Bubbler in vielerlei Hinsicht übertrifft. Da die Temperaturverteilung innerhalb der Verdampfungskammer viel besser kontrolliert wird, ist die Dampfzufuhr - also die Menge des vom Trägergas mitgeführten Dampfes - viel genauer und reproduzierbarer. Dies führt zu einer durchgehend stabilen Dampfzufuhr. Durch die Nutzung von Gas- und Flüssigkeitsdurchflussreglern ist das System praktisch temperatur- und druckunabhängig und hat eine schnelle Reaktionszeit.

Für Dampfstromanwendungen: Kondensation vermeiden

Ein Dampf kann relativ leicht wieder in eine Flüssigkeit umgewandelt werden, indem der Druck erhöht oder die Temperatur gesenkt wird - etwas, das bei einem „echten“ Gas nicht vorkommen würde. Eine erhebliche Herausforderung bei der Arbeit mit Dämpfen besteht darin, die Kondensation zu verhindern, da dies zu Tropfen führen kann, die den laufenden Prozess stören oder schädigen können.

Daher sollte ohne Änderung des Systemdrucks die Temperatur hinter des CEM-Systems mindestens so hoch gehalten werden wie die Temperatur innerhalb des CEM. Alternativ dazu sollte ohne Änderung der Temperatur der Druck jenseits des CEM immer niedriger gehalten werden als der Druck innerhalb des CEM.

Beispiele für Dampfstromanwendungen

Die Dampfzufuhr mittels CEM-Systemen erfolgt typischerweise in Anwendungen wie Oberflächenbehandlung, Lebensmittel- und Getränkeindustrie, pharmazeutischen Anwendungen und Energieforschung.

  • Als Beispiel wurde ein CEM-System in einem Sterilisationsprozess für aseptische Verpackungen eingesetzt. Lesen Sie den Anwendungsbericht.
  • Darüber hinaus wird ein CEM verwendet, um eine Atmosphäre mit kontrollierter relativer Feuchtigkeit für Brennstoffzellen-Teststände in der Automobilindustrie bereitzustellen. Lesen Sie mehr über diese Anwendung.
     

Benötigen Sie Unterstützung?

Sind Sie an unseren Technologien interessiert und möchten Sie mehr über die Messung von Dampfströmungen erfahren?

Unsere Verdämpfer Kontaktieren Sie uns

Bronkhorst Deutschland nord gmbh

Südfeld 1b
59174 Kamen (GER)
Tel. +49 230792512-0
[email protected]

         Verantwortung und Nachhaltigkeit
Copyright © 2024 Bronkhorst. Alle Rechte vorbehalten.     Sitemap     Haftungsausschluss     Datenschutz     Impressum