In ons dagelijks leven worden we omringd door dampen. Ze dringen onze neus binnen en we merken hun aanwezigheid bijvoorbeeld op in de vorm van een specifieke geur. Een ander herkenbaar voorbeeld is waterdamp als onderdeel van de lucht die ons omringt. Dit is merkbaar als de lucht in aanraking komt met een kouder oppervlak, zoals een raam. De ingesloten waterdamp kan condenseren op de ruit en zichtbaar en tastbaar worden als een vloeistof.
In industriële processen kunnen dampen een nuttige rol spelen. Tijd voor uitleg: wat zijn dampen, waar worden ze gebruikt en hoe kunnen ze op een gecontroleerde manier aan deze processen worden geleverd?
Damp CEM principe
Meer informatie over dampstroomregeling:
Wat is een damp?
Een damp lijkt erg op een gas – wat een fundamentele aggregatietoestand van materie is, net zoals vaste stoffen en vloeistoffen dat zijn. Gassen en dampen bestaan uit afzonderlijke moleculen die bewegen als vrije deeltjes. Er is echter een essentieel verschil tussen een gas en een damp. Als een verbinding vloeibaar is bij kamertemperatuur (ongeveer 20 °C) en normale druk (1 atmosfeer), dan noemen we de 'gasvormige' vorm van die verbinding een damp. Daarom noemen we de 'gasvormige' vorm van water een damp, terwijl de gasvormige vorm van zuurstof een gas is, omdat zuurstof bij kamertemperatuur nog steeds een gas is.
Hoe genereer je een damp?
Bij het verhogen van de temperatuur of het verlagen van de druk kan een vloeistof verdampen en veranderen in een damp. Op moleculair niveau zijn er bij elke temperatuur aan het vloeistofoppervlak altijd moleculen met voldoende snelheid om de vloeistof te verlaten. Boven een vloeistof bevindt zich dus altijd een damp van dezelfde vloeistof. Verdamping vindt plaats bij elke temperatuur en niet alleen bij de kooktemperatuur van de vloeistof. Deze kooktemperatuur is slechts een definitie: het is het punt waarop de dampdruk van de vloeistof gelijk is aan de omgevingsdruk.
Spelen met temperatuur en druk zijn twee manieren om de dampdruk te regelen en daardoor de hoeveelheid damp of – in een dynamische situatie – de damps flow. Een derde manier om de dampdruk te regelen – in feite te verlagen – is door de damp te verdunnen, bijvoorbeeld door een inert gas zoals stikstof aan de damp toe te voegen.
Waarom dampen gebruiken?
Er zijn omstandigheden waarin je een damp op een gecontroleerde manier aan een proces toe wil voegen. Denk bijvoorbeeld aan brandstofcellen - PEMFC - waarvan de elektrolyten in een gehydrateerde toestand (bevochtigd) moeten zijn om een hoge geleidbaarheid, en dus optimale prestaties, te behouden.
Een andere mogelijkheid is het leveren van nauwkeurige waterdampconcentraties voor het kalibreren en certificeren van vochtsensoren, zodat deze instrumenten de juiste vochtigheidswaarden weergeven.
Een ander type damp toelevering is de gecontroleerde toevoer van metaalorganische dampen naar een reactor. Deze dampverbindingen fungeren als precursoren in een chemische dampafzettingsreactie om een dunne laag op een voorwerp af te zetten, bijvoorbeeld om halfgeleidende dunne films af te zetten. Nauwkeurige damptoevoer is hier belangrijk om de laaggroei nauwkeurig te regelen - zelfs op complex gevormde objecten - en om te voorkomen dat dure metaalorganische precursoren worden gemorst.
Traditionele damp flow control met bubblers
Een traditionele manier om een damp aan het proces van een klant te leveren is met behulp van een bubblersysteem. Hierbij wordt een gas flow door een verwarmd vat, gevuld met een vloeibare verbinding, geblazen. Deze dragergas flow raakt geheel of gedeeltelijk verzadigd met de damp van de verbinding en deze damp flow wordt verder geleid door het dragergas naar het proces van de klant.
Hoewel dit een vrij eenvoudige opstelling is die veelzijdig kan worden gebruikt, zijn er een paar nadelen. Kleine veranderingen in de procesomstandigheden kunnen leiden tot grote variaties in de damp flow, waardoor het een relatief onnauwkeurige toedieningstechniek wordt met op de lange termijn een slechte stabiliteit. Aangezien de dampdruk grotendeels afhangt van de temperatuur van het vat, zal een kleine verandering in temperatuur resulteren in een vrij grote afwijking in dampdruk en dus damp flow. Bovendien moeten de totale druk en het debiet van het dragergas stabiel zijn om een stabiele damp flow te verkrijgen. Deze oplossing voor de damp flow is sterk afhankelijk van de temperatuur en de druk.
Draaggas door de vloeistof
Dampstroom oplossing
Verbeterde oplossing voor dampstroom via gecontroleerde verdamping en menging
Eén manier om bovenstaande hindernissen te overwinnen is door gebruik te maken van een CEM (Controlled Evaporation & Mixing) voor de toediening van damp. In dit dampsysteem zorgt een gasmassastroomregelaar (zoals een EL-FLOW Select model) voor een nauwkeurig geregeld transportgasdebiet, terwijl een vloeistofdebietmeter (zoals een mini CORI-FLOW of LIQUI-FLOW) het debiet meet van de vloeistof die verdampt moet worden, bijvoorbeeld uit een vloeistofvat op kamertemperatuur dat onder druk staat. De vloeistofregelklep, die ook functioneert als een 3-weg actuator, is belast met het mengen van minuscule vloeistofdruppeltjes met het transportgas.
De mengvloeistof komt in een verwarmde, temperatuurgeregelde meng- en verdampingskamer waar de vloeistof onmiddellijk volledig verdampt en er een homogeen damp/gasmengsel ontstaat.
Een compleet CEM-systeem kan worden bewaakt met een externe uitlees-/besturingsunit, inclusief voeding of met een pc door gebruik te maken van Bronkhorst software zoals Bronkhorst Flowsuite voor de bediening van de CEM-systeemcomponenten. Een CEM-systeem is een eenvoudige dampafgiftemodule die in veel opzichten beter presteert dan een bubbler. Het proces is onafhankelijk van druk en temperatuur omdat de gas- en vloeistofstromen worden geregeld met massastroomregelaars, waardoor een nauwkeurige regeling van de molaire verhouding wordt gegarandeerd dankzij de precisie en herhaalbaarheid van de massastroominstrumenten. Deze nauwkeurige regeling van de massastroom zorgt voor een aanzienlijke stabiliteit van de dampuitvoer uit de verdamper.
De directe injectie van de vloeistofstroom in de stroom dragergas zorgt voor een betere dispersie van de vloeistofmoleculen in het gas en verkort de responstijd aanzienlijk.
De verdampingskamer is ontworpen met een interne geometrische vorm die turbulentie genereert, waardoor de uniformiteit van het gas-vloeistofmengsel wordt verbeterd. Bovendien verwarmt de kamer de fijne vloeistofdruppeltjes die in de gasstroom worden gebracht, waardoor ze gemakkelijker verdampen.
De massastroom van vloeistof kan eenvoudig worden bepaald met de online Fluidat on the Net toepassing. Daarnaast kunnen ook de relatieve vochtigheid (%RH) en de molaire concentratie worden berekend, wat het gebruik van Bronkhorst's CEM verdampingssysteem vergemakkelijkt.
Voorkom condensatie in dampstroomtoepassingen
Voorkom condensatie in dampstroomtoepassingen
Voorbeelden van dampstroomtoepassingen
Dampafgifte met behulp van CEM-systemen komt gewoonlijk voor in toepassingen zoals oppervlaktebehandeling, voedsel- en drankindustrie, farmaceutische toepassingen, materiaalonderzoek en -testen en milieuonderzoek.
Damp- en vloeistofstroomregeling voor aseptische verpakkingen
Als voorbeeld werd een CEM-systeem gebruikt in een sterilisatieproces voor aseptische verpakkingen. Lees het verhaal van de klant.
Bevochtiging van brandstofcellen
Bovendien wordt CEM gebruikt om een atmosfeer met een gecontroleerde relatieve vochtigheid te leveren voor brandstofceltestbanken in de auto-industrie. Lees meer over deze toepassing.
Gerelateerde artikelen
Vindt undeze theoriepagina leuk? Misschien vindt u deze ook leuk.
Pressure control
Thermische mass flow meters
Coriolis meetprincipe