Regelung von Dampfströmen

In unserem Alltag sind wir von Dämpfen umgeben. Wir atmen sie ein und können sie unter den richtigen Bedingungen sehen und berühren. Ein praktisches Beispiel ist der uns ständig umgebene Wasserdampf; Wenn wir auf eine kalte Fläche, zum Beispiel eine kalte Glasscheibe, hauchen, sehen wir den kondensierenden Wasserdampf und können das nun flüssige Wasser auch berühren.

Auch in Anwendungen der Industrie und der Forschung spielt Dampf eine wichtige Rolle. Daher wollen wir hier aufklären: Wie sind Dämpfe definiert, wie und wo werden sie eingesetzt und wie kann ich sie möglichst kontrolliert produzieren und meinem Prozess zufügen?

Erfahren Sie mehr über die Regelung von Dampfströmungen:

Zunächst einmal: Was ist Dampf?
Wie erzeugt man Dampf?
Warum verwendet man Dämpfe?
Traditionelle Dampfstromregelung mit Bubblern
Verbesserte Dampfstromlösung durch Controlled Evaporation & Mixing
Für Dampfstromanwendungen: Kondensation vermeiden
Beispiele für Dampfstromanwendungen

Finden Sie Ihren Verdämpfer

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.

Trägergas durch die Flüssigkeit

Dampfdosierlösung

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

Eine Möglichkeit, die oben genannten Hindernisse zu überwinden, besteht darin, ein CEM (Controlled Evaporation & Mixing)-System für die Dampfzufuhr zu verwenden. In diesem Dampfsystem stellt ein Gas-Massenstromregler (wie das EL-FLOW Select-Modell) einen genau gesteuerten Trägergasfluss bereit, während ein Flüssigkeits-Durchflussmesser mit PID-Regelung (wie ein mini CORI-FLOW oder LIQUI-FLOW) den Durchfluss der zu verdampfenden Flüssigkeit misst und steuert, zum Beispiel aus einem Druckbehälter als Vorlage.

Das Flüssigkeitsregelventil, das auch als 3-Wege-Aktuator fungiert, ist dafür verantwortlich, winzige Flüssigkeitsmengen zu dispergieren und mit dem Trägergas zu vermischen. Das Mischfluid gelangt in eine beheizte, temperaturgesteuerte Misch- und Verdampfungskammer, wo die Flüssigkeit sofort vollständig verdampft und somit homogenes Dampf-/Gas-Mischung erzeugt wird. Ein vollständiges CEM-System kann mit einer externen Anzeige-/Steuerungseinheit, einschließlich Stromversorgung, oder mit einem PC über Bronkhorst-Software wie der Bronkhorst Flowsuite überwacht werden, um die CEM-Systemkomponenten zu betreiben.

Ein CEM-System ist ein unkompliziertes Modul um Damp kontrolliert zuzufügen, welches auf viele Arten einem klassischen Bubbler überlegen ist. Der Prozess ist unabhängig von Druck und Temperatur, da Gas- und Flüssigkeitsströme mithilfe von Massenstromreglern gesteuert werden, was eine präzise Steuerung des molaren Verhältnisses aufgrund der Präzision und Wiederholbarkeit der Massenstrominstrumente gewährleistet. Diese präzise Massenstromsteuerung sorgt für eine erhebliche Stabilität der Dampfausgabe aus dem Verdampfer.

Die direkte Injektion des Flüssigkeitsstroms in den Trägergasstrom ermöglicht eine bessere Dispersion der Flüssigkeit im Gas und reduziert signifikant die Reaktionszeit. Die Verdampfungskammer ist mit einer Form gestaltet, welche Turbulenzen erzeugt und somit die Homogenität der Gas-Flüssigkeitsmischung verbessert. Darüber hinaus dient sie dazu, die feinen Flüssigkeitstropfen, die in den Gasstrom eingeführt werden, zu erhitzen und ihre Verdampfung zu erleichtern.

Die Massenflussrate der Flüssigkeit kann leicht mithilfe der Online-Anwendung Fluidat on the Net bestimmt werden. Darüber hinaus können auch die relative Feuchtigkeit (%RH) und die molare Konzentration berechnet werden, was die Nutzung des CEM-Verdampfungssystems von Bronkhorst erleichtert.

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 mit einem „trockenen“ Gas nicht funktionieren würde. Eine bedeutende Herausforderung beim Umgang mit Dämpfen besteht darin, die Kondensation zu verhindern, da dies zu Tropfen führen kann, die den laufenden Prozess stören oder beeinträchtigen können.

Daher sollte die Temperatur außerhalb des CEM immer höher als die Temperatur innerhalb des CEM und höher als die Taupunkttemperatur gehalten werden, ohne den Systemdruck zu ändern. Alternativ sollte der Druck außerhalb des CEM immer niedriger als der Druck innerhalb des CEM gehalten werden, ohne die Temperatur zu ändern.

Beispiele für Dampfstromanwendungen

Die Dampfzufuhr mithilfe von CEM-Systemen wird typischerweise in Anwendungen wie Oberflächenbehandlung, Lebensmittel- und Getränkeindustrie, pharmazeutische Anwendungen, Materialstudien und -tests sowie Umweltforschung eingesetzt.

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.