Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von
Trägergas/Dampf-Gemischen mit definierter Zusammensetzung, deren
Dampfkomponente als Flüssigkeit vorliegt. Damit sollen typische Trägergase wie z. B.
Stickstoff, Luft, Sauerstoff, Helium mit den Dämpfen von Flüssigkeiten wie z. B. Wasser,
Deuteriumoxid, Methanol, Ethanol, HCl angereichert werden. Dieses findet in Geräten
Anwendung, welche beispielsweise in der physikalisch-chemischen Analytik und
Werkstoffforschung zur Konditionierung geringer Substanzmengen in einer definierten
Wasserdampf/Trägergas-Atmosphäre benutzt werden. Auch setzen Untersuchungen
zur Hydratisierung von Biomolekülen oft deren definierte Wasserbeladung voraus.
Diese kann über den Feuchtegehalt der die Probe umgebenden Atmosphäre eingestellt
werden.
Die Ausgangsstoffe des Verfahrens, das Trägergas und die zu dosierende
Komponente, welche im flüssigen Zustand vorliegt, werden im folgenden als das Gas und die
Flüssigkeit bezeichnet.
Die allgemeine Prozeßführung zur Erstellung von Gas/Dampf-Gemischen mit definierter
Zusammensetzung gliedert sich zum einen in einen Dosierungsprozeß zum Festlegen
der Mengenanteile von Gas und Flüssigkeit im entstehenden Stoffgemisch und in einen
Homogenisierungs- und Verdampfungsprozeß zum Überführen der Flüssigkeit in den
gasförmigen Zustand sowie deren gleichmäßige Verteilung.
Zur Realisierung des Dosierungsprozesses für Gas und Flüssigkeit sind
Durchflußmengenregler oder Dosierpumpen unterschiedlichen Aufbaus bekannt. Diese Vorrichtungen
enthalten in der Regel bewegte mechanische Bauelemente zur Erfassung und/oder
Regulierung des Volumendurchsatzes des strömenden Stoffes. Eine teilweise
diskontinuierliche Arbeitsweise schränkt den Einsatzbereich in Fällen ein, in welchen
stetige Stoffströme gefordert sind.
Eine gleichmäßige Vermischung von Trägergas und Flüssigkeit kann ohne Erwärmung
mittels Zerstäubung an entsprechenden Düsenanordnungen oder durch Anwendung
der Ultraschallzerstäubung erreicht werden. Ein dadurch entstehendes großes
Oberflächen/Volumenverhältnis führt zu einer zügigen Verdunstung der Flüssigkeit im
Gas.
Alternativ dazu dienen Verdampfungsreaktoren der Verdampfung der Flüssigkeit mittels
Temperaturerhöhung sowie der Vermischung des Gases mit dem entstandenen Dampf
der Flüssigkeit. Eine Kombination des Dosierungsprozesses mit dem Misch- und
Verdampfungsprozeß ist dabei möglich.
Wesentliche Bestandteile von Vorrichtungen nach diesem kombinierten Verfahren sind
ein steuerbarer Verdampfer und Sensoren zur Charakterisierung des erzeugten
Gas/Dampf-Gemisches.
Kennzeichnend für steuerbare Verdampfungsreaktoren ist, daß das durchströmende
Gas sich mit dem Dampf der Flüssigkeit vermischt, welcher sich kontinuierlich an
bestehenden Flüssigkeitsoberflächen innerhalb des Reaktors bildet. Dies kann durch
Einleiten des Gases in ein Flüssigkeitsreservoir mit entsprechender Gasblasenbildung
oder anderweitig erfolgen. Wesentlich ist, daß eine Vielzahl von Einflußfaktoren wie
z. B. die Verdampfertemperatur, die Gasgeschwindigkeit oder die Menge der Flüssigkeit
im Verdampfungsreaktor den resultierenden Anreicherungsgrad des Gases mit dem
Flüssigkeitsdampf mitbestimmen. Der Anreicherungsgrad muß mittels Sensorik auf den
gewünschten Wert geregelt werden.
Allen diesen bekannten Verfahren und den zum Einsatz kommenden Vorrichtungen ist
gemeinsam, daß zur Durchführung des Verfahrens, zur Einhaltung einer hinreichenden
Genauigkeit des Mischungsverhältnisses des Gas/Dampf-Gemisches und
gegebenenfalls zu dessen definierter Veränderung ein hoher technischer Aufwand erforderlich ist.
Sowohl Durchflußmengenregler als auch gesteuerte Verdampfungsreaktoren stellen
komplexe Vorrichtungen dar, welche im Allgemeinen durch eine gas/dampf-spezifische
Sensorik ergänzt werden müssen, um die Genauigkeit der eingestellten Mengenanteile
im erzeugten Gas/Dampf-Gemisch sicherzustellen. Insbesondere ist es auf Grund der
Vielzahl der beeinflussenden Faktoren ein Problem, steuerbare
Verdampfungsreaktoren zu konstruieren, welche durch Variation nur eines Parameters in einem
weiten Arbeitsbereich bei hoher Genauigkeit steuerbar sind.
In der DE-OS 21 63 707 wird eine Zumischeinrichtung beschrieben, welche abhängig
vom Druckunterschied beidseits des porösen Körpers Flüssigkeitsteilchen dem
Gasstrom zufügt. Dieser Druckunterschied ist stark von der Größe des Gasstromes und
dem geometrischen Aufbau der Mischeinrichtung abhängig. Das anreichernde Gas
durchdringt den porösen Körper und bläst ihn zumindest teilweise leer. Ohne
Vorkehrungen bezüglich der Gasführung im Innenraum des porösen Elementes kommt
es zur Vermischung trockener und feuchter Teilströme deren resultierende Feuchte am
Ausgang nicht vorhersagbar ist. Für Kalibrierzwecke ist diese Vorrichtung deshalb nicht
geeignet.
Der Dampfgenerator aus der US-PS 44 19 302 besitzt eine in Temperatur und Größe
definierte Verdampfungsoberfläche. Die Vorrichtung ist zur Verdampfung größerer
Flüssigkeitsmengen geeignet, nicht jedoch zur Herstellung definierter
Mischungsverhältnisse mit dem Trägergas. Durch die verschiedenen Temperaturen der
Verdampfungsoberfläche und im Verdampfergehäuse kommt es nicht zur Ausbildung
eines nahezu gesättigten Gas/Dampf-Gemische mit Taupunkten oberhalb der
Gehäusetemperatur. Somit kommt es zur Vermischung trockener und feuchter
Teilströme, deren resultierende Feuchte am Ausgang trotz eines temperierten
Verdampferelementes nicht vorhersagbar ist. Für Kalibrierzwecke ist diese Vorrichtung
deshalb nicht geeignet.
In dem in der US-PS 47 38 805 ausgeführten Befeuchter dienen kapillarwirkende
Bauelemente der Zuführung von Flüssigkeit an eine Verdampfungsoberfläche, welche
sich in einem Luftstrom befindet. Die Vorrichtung ermöglicht die Verdampfung von
Flüssigkeiten ohne das Mischungsverhältnis im Luftstrom stabil auf einen bestimmten
Wert einstellen zu können.
Das Verdampferverfahren mit Vorrichtung aus der US-PS 49 97 598 nutzt einen
porösen Körper zur Verteilung einer Flüssigkeit, welche mit Überdruck in diesen
hineingepreßt wird. Die Verdampfung findet an einer Oberfläche des porösen
Elementes statt. Eine Flüssigkeitsdosierung findet nicht durch diese Vorrichtung statt
sondern lediglich die Verdampfung dosiert injizierter Flüssigkeitsmengen.
Die Feuchtereglung (US-PS 50 14 908) bezieht sich auf einen Verdampfungsapparat,
welcher einen variablen Luftstrom über einen porösen Körper leitet. Ohne weitere
Vorkehrungen bezüglich der Gasführung im Innenraum kommt es zur Vermischung
trockener und feuchter Teilströme, deren resultierende Feuchte am Ausgang nicht
vorhersagbar ist. Für Kalibrierzwecke ist diese Vorrichtung deshalb nicht geeignet.
Die Kalibrierapparatur nach US-PS 52 94 378 A nutzt die Dampfdiffussion durch eine
temperierte Flourpolymerfolie aus, um definierte kleine Feuchteströme einem Gasstrom
hinzuzufügen. Die erzeugten Feuchteströme sind temperaturabhängig und dadurch
einstellbar. Die Apparatur hat den Nachteil, daß hohe Dampf-Sättigungsgrade nicht
erreichbar sind, wodurch sich deren Einsatz auf den Spurenfeuchtebereich beschränkt.
Der erzielte Sättigungsgrad ist invers proportional zum Gasfluß, d. h. verschiedene
Gasströme haben keinen Einfluß auf die erzeugten Feuchteströme (Feuchtemengen
pro Zeiteinheit). Dadurch ist es nicht möglich, mittels der Apparatur konstante
Sättigungsgrade unabhängig vom Gasstrom zu erzeugen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren
darzustellen, mit dem es möglich ist, typische Trägergase wie z. B. Stickstoff, Luft,
Sauerstoff, Helium mit den Dämpfen von Flüssigkeiten wie z. B. Wasser, Deuteriumoxid,
Methanol, Ethanol, HCl anzureichern. Die Vorrichtung soll in der Lage sein, kleinere
Gasströme in einem weiten Temperatur- und Feuchtebereich kontinuierlich zu erzeugen
sowie den eingestellten Anreicherungswert bei Bedarf schnell und präzise zu
verändern. Um den konstruktiven Aufwand zu vermindern und mechanischen
Verschleiß zu vermeiden, soll die Vorrichtung ohne den Einsatz von bewegten
mechanischen Bauelementen auskommen. Schließlich soll auch eine interne
Kalibrierung der Vorrichtung möglich sein.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren
und durch die im Anspruch 5 beschriebene Vorrichtung gelöst. Das Verfahren wird
weiter vorteilhaft ausgestaltet durch die Ansprüche 2 bis 4, die Vorrichtung durch die
Ansprüche 6 bis 8.
Die Erfindung führt die bekannten Lösungen weiter, bei denen die Flüssigkeit einem
festen, temperierten und porösen Bauelement zugeführt wird, darin durch
Kapillarwirkung verteilt und über dessen, von dem Trägergas umströmte Oberfläche verdampft
wird. Wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Art und Weise der Einbringung der
zu verdampfenden Flüssigkeit in das Trägergas unter Ausnutzung der Kapillarwirkung
eines porösen Bauelementes mit dem angegebenen Verhältnis zwischen Oberfläche
des Bauelementes und Strömungsquerschnitt. Das Bauelement füllt bei erstmaligem
Kontakt mit der Flüssigkeit selbstwirkend sein Porenvolumen mit der Flüssigkeit und
stellt somit innerhalb des Verdampfers eine mit Flüssigkeit benetzte Gas/Flüssigkeits-
Grenzfläche bereit, welche in Größe und Lokalisation durch die äußere Form des
porösen Bauelementes vorgegeben und stabilisiert ist. Der Einsatz eines derartigen
kapillarwirkenden Bauelementes ermöglicht durch Verzicht auf mechanisch
verschleißende Bauelemente, zusätzliche interne Regelkreise (Durchflußmengenregler,
Niveaustandsregler in Verdampfungsreaktoren) und kompaktere Bauweise eine
vergleichsweise deutlich kostengünstigere Realisierung. Darüber hinaus ist eine
gasartunabhängige Eigenkalibrierung zur Dosierung von Stoffkomponenten möglich,
für welche keine Sensoren der geforderten Art verfügbar sind. Schließlich ergeben sich
folgende Vorteile:
- - Ein hoher Gas/Dampf-Durchsatz sowie ein hoher Anreicherungsgrad des Gases
bedingt durch relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Gases an der
Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche.
- - Mechanische Erschütterungen oder Druckschwankungen haben keinen Einfluß auf
die Lage der Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche und die Verdampfungseigenschaften.
- - Eine präzise Niveauregelung des Flüssigkeitsstandes der Gas/Flüssigkeits-
Grenzfläche, wie sie ohne den Einsatz des porösen Bauelements notwendig wäre,
erübrigt sich.
Das Verfahren und die Vorrichtung arbeiten in weiten Grenzen zuverlässig und von
möglichen Einflußfaktoren unabhängig. Ein unkontrolliertes Eindringen der Flüssigkeit
kann nur dann erfolgen, wenn der Gasdruck im Innenraum des Verdampfungsreaktors
kleiner wird als der Druck, unter dem die Flüssigkeit im Flüssigkeitsreservoir steht.
Andererseits trocknet das poröse Bauelement nur dann aus, wenn die Differenz
zwischen dem Gasdruck und dem Druck der Flüssigkeit im Flüssigkeitsreservoir größer
als der Kapillardruck der Flüssigkeit im porösen Bauelement ist. Der Kapillardruck ist
zum einen durch eine mittlere Porengröße des porösen Bauelementes und zum
anderen durch die Grenzflächenspannung an der Grenzfläche der Flüssigkeit am
porösen Bauelement vorgegeben. Eine insbesondere bei größeren Verdampfungsraten
eintretende Limitierung ergibt sich durch den Strömungsdruck der Flüssigkeit, welcher
sich aufbaut, wenn das poröse Bauelement von der Flüssigkeit durchströmt wird. Da
dieser Strömungsdruck dem Kapillardruck entgegen gerichtet ist, ergibt sich der
Druckarbeitsbereich im wesentlichen aus dem oben genannten Kapillardruck
vermindert um den Strömungsdruck.
Damit ergeben sich eine Reihe von vorteilhaften Anwendungen. Eine spezielle
Anwendung stellt die Mikrotitrationskalorimetrie dar. Dabei wird einer Probensubstanz
eine dampfförmige Komponente zugeführt und die bei deren Sorption frei werdende
Wärme gemessen. Der Dampfgehalt des zugeführten Trägergases muß dabei
sprungartig verändert werden, um einen Wärmeeffekt registrieren zu können. Eine
weitere Anwendungsmöglichkeit ist durch die Gravimetrie gegeben. Dabei wird die
sorptionsbedingte Massenänderung einer Probensubstanz in einer Atmosphäre
variablen Dampfgehaltes bestimmt. Für diese Analysenmethode ist es von Vorteil, den
Dampfgehalt kontinuierlich, mit einer frei wählbaren Änderungsrate erhöhen oder
vermindern zu können. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, in ein solches Gerät
eine interne Kalibrierungsmethode einzufügen, was einen wesentlichen Vorteil
gegenüber Geräten darstellt, deren Genauigkeit nur über einen gewissen Zeitraum
oder/und eine bestimmte Trägergas/Dampfart-Kombination garantiert werden kann.
Die konstruktive Gestaltung ermöglicht einen Verdampfungsreaktor mit einstellbarem
Sättigungsgrad des erzeugten Gas/Dampf-Gemisches, der ohne den Einsatz von
bewegten mechanischen Bauelementen auskommt. Dadurch ist es möglich, den
konstruktiven Aufwand gering zu halten und mechanischen Verschleiß zu vermeiden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden
nachfolgend in Ausführungsbeispielen erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen
zeigen:
Fig. 1 Schematische Darstellung der Vorrichtung zum Herstellen von
Trägergas/Dampf-Gemischen
Fig. 2 Perspektivische Ansicht der Verdampfungszone
Fig. 3 Schematische Darstellung eines Gas/Dampf-Generators mit
Gemischcharakterisierung bei Verdampfertemperatur
Fig. 4 Schematische Darstellung eines Gas/Dampf-Generators mit
Gemischcharakterisierung bei Ausgangstemperatur
Fig. 5 Darstellung des Sättigungsgrades des Trägergas/Dampf-Gemisches in
Abhängigkeit von der Länge der Verdampferzone
Fig. 6 Darstellung des typischen Verlaufs des Dampfdruckes einer Flüssigkeit als
Funktion der Temperatur mit pS als Partialdruck des gesättigten Dampfes und
p als Partialdruck des ungesättigten Dampfes
Beispiel 1
In Fig. 1 ist der Verdampfer dargestellt, welcher aus dem temperierten
Verdampfergehäuse 1 mit einem Innenraum, der Zuführung 2 für das Trägergas G und der
Zuführung 3 für die flüssige Komponente F, dem Reservoir 5 für die zu verdampfende
Flüssigkeit F sowie der Abführung 4 für das entstandene Gas/Dampf-Gemisch GD
besteht. Die Zuführung 3 für die Flüssigkeit F besteht aus dem kapillar wirkenden
porösen Bauelement P. Dieses füllt bei erstmaligem Kontakt mit der Flüssigkeit F
selbstwirkend sein Porenvolumen mit der Flüssigkeit F und stellt somit innerhalb des
Verdampfers eine mit der Flüssigkeit F benetzte Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche GF
bereit, welche in Größe und Lokalisation durch die äußere Form des porösen
Bauelementes P vorgegeben und stabilisiert ist.
In Fig. 2 ist die Gestaltung der Verdampferzone im Verdampfergehäuse 1 zwischen
einer den Wärmekontakt des Verdampfungsreaktors herstellenden Platte M und dem
porösen Bauelement P als flacher Kanal K der Länge KL, der Höhe KH sowie der Breite
KB dargestellt. Daraus ergeben sich folgende wesentliche funktionelle Abhängigkeiten
bei der Dimensionierung: Je größer das Verhältnis Länge KL zu Höhe KH, desto größer
ist auch der erreichbare Sättigungsgrad des Gas/Dampf-Gemisches GD, aber auch der
Strömungswiderstand des Kanales K. Je größer die Breite KB gewählt wird, desto
geringer wird der Strömungswiderstand. Fig. 5 zeigt den Sättigungsgrad des
Gas/Dampf-Gemisches GD in Abhängigkeit von der Länge KL der Verdampferzone.
In Abhängigkeit vom beabsichtigen Einsatzzweck ergeben sich verschiedene
Gestaltungsmöglichkeiten für die Vorrichtung zur Herstellung von Gas/Dampf-
Gemischen. Die Fig. 3 und die Fig. 4 zeigen zwei Ausführungsformen für einen
Feuchtgasgenerator.
Beiden Ausführungsformen gemeinsam ist, daß die Vorrichtung aus dem temperierten
Verdampfungsreaktor 1, der sich bei der Arbeitstemperatur TV befindet, der
Gaszuführung 2, der Zuführung 3 der Flüssigkeit F aus dem Reservoir 5, der Gas/Dampf-
Abführung 4 mit temperiertem Ausgangsteil 6 sowie der Regeleinheit 8 besteht. Der
Vorgabeparameter ist in beiden Fällen die relative Luftfeuchtigkeit des zu erzeugenden
Gas/Wasserdampf-Gemisches RHA* am Ort des Ausgangsteiles 6 bei der dort
eingestellten Temperatur TA. Unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit des
Sättigungspartialdruckes pS(T) für Wasser nach Fig. 6 ergibt sich aus dem
Vorgabewert RHA* folgender im Verdampfungsreaktor zu erzeugende Partialdruck des Dampfes
im Gas/Dampf-Gemisch GD:
p = pS(TA).RHA*/100%
Der Unterschied zwischen beiden Ausführungsformen besteht darin, daß zum einen der
Sensor 7 RHV innerhalb des Innenraumes des Verdampfergehäuses 1 bei der
Verdampfertemperatur TV erfaßt, während er zum anderen RHA innerhalb des
Ausgangsteils 6 bei der Temperatur TA mißt. Daraus ergeben sich zwei unterschiedliche
Betriebsmodi.
In dem in Fig. 3 gezeigten Schema erzeugt der Verdampfungsgenerator bei der
Temperatur TV ein nahezu gesättigtes Gas/Dampf-Gemisch GD. Die Temperatur TV
wird hierbei so eingestellt, daß sich die Feuchte bei der höheren Temperatur TA auf den
Vorgabewert RHA* verringert. Die Verdampfertemperatur TV ist die Temperatur, bei
welcher der Sättigungspartialdruck für Wasser pS(TV) den Wert von p annimmt. Insoweit
die Generierung von gesättigtem Dampf bei der Temperatur TV gewährleistet ist,
benötigt dieses Verfahren keinen Feuchtesensor 7. TV entspricht in diesem Falle der
Taupunkttemperatur des herzustellenden Gas/Dampf-Gemisches GD. Der Einbau
eines Feuchtesensors 7 im Verdampfer dient der Kontrolle des erreichten
Sättigungsgrades RHV, des Gas/Dampf-Gemisches GD. ist RHV zu gering bzw. zu instabil, kann
durch leichte Erhöhung der Verdampfertemperatur TV auf TV + ΔT der Zustand der
vollständigen Sättigung des Gas/Dampf-Gemisches GD, also p = ps(TV), ausgeregelt
werden.
Im Gegensatz zu dem eben beschriebenen Betriebsmodus ist der Feuchtesensor 7nach dem in der Fig. 4 dargestellten Funktionsschema in jedem Falle unverzichtbar.
Er befindet sich innerhalb des temperierten Ausgangsteils 6 bei der
Ausgangstemperatur TA und erfaßt somit die dort vorliegende Feuchte RHA. Da die Feuchte RHV
bei der Verdampfertemperatur TV im oben angegebenen funktionellen Zusammenhang
mit RHA steht, führt die Korrektur der Verdampfertemperatur TV im Rahmen eines
Regelkreises zur Einregelung von RHA auf den Vorgabewert RHA*.
Wird der in Fig. 3 dargestellte Betriebsmodus mit einem Sensor 7 im Ausgangsteil 6
nach dem in der Fig. 4 dargestellten Betriebsmodus kombiniert, so ist die Möglichkeit
der geräteinternen Kalibrierung dieses Sensors 7 gegeben.
Beispiel 2
Kalibriergasgenerator
Absolut wirkende Kalibriergasgeneratoren werden zur Kalibrierung von Gassensoren
eingesetzt, welche den Gehalt bestimmter Dampfkomponenten in einem Gas/Dampf-
Gemisch messen. Das Vorhandensein eines Vergleichsgassensors einer höheren
Genauigkeitsklasse ist hierbei nicht erforderlich.
Eine Vorrichtung, welche bezüglich des verwendeten Trägergases und der Flüssigkeit
universell als Kalibriergasgenerator einsetzbar ist, besteht entsprechend Fig. 3 aus
dem temperierten Verdampfungsreaktor 1 bei der Arbeitstemperatur TV, der
Gaszuführung 2, der Flüssigkeitszuführung 3 der Flüssigkeit F aus dem Reservoir 5, der
Gas/Dampf-Abführung 4 mit temperiertem Ausgangsteil 6 sowie der Regeleinheit 8. Der
Sättigungssensor 7 ist nicht erforderlich.
Der Verdampfungsreaktor ist mit einem porösen Bauelement P ausgestattet und besitzt
ein Flächenverhältnis zwischen 500 und 10000.
Für den Zweck eines Kalibriergasgenerators ist eine hohe Konstanz des
Dampfpartialdruckes wichtiger als dessen Einstellzeit. Die Kombination aus einem hohen
Flächenverhältnis und einem Gasstrom kleiner 0.1 l/min ermöglicht einen
Sättigungsgrad zwischen 95 und 100% des erzeugten Gas/Dampf-Gemisches bei Einstellzeiten
kleiner 20 min. Ein langzeitstabiler Sättigungsgrad zwischen 97 und 98% ermöglicht
eine erreichbare Kalibriergenauigkeit von besser 1%.
Beim Durchströmen des Gases im Verdampfer findet gleichzeitig ein Temperatur- und
Partialdruckausgleichsvorgang statt. Das heißt, das Gas nimmt die Temperatur des
Verdampfers und den Dampfpartialdruck der dort befindlichen Flüssigkeit
weitestgehend an. Im Moment des Ausströmens aus dem Verdampfer ist es also hinsichtlich
dieser beiden Parameter definiert und konditioniert. Eine Erhöhung der Temperatur im
weiteren Strömungsverlauf auf die Temperatur des zu kalibrierenden Sensors hat
keinen Einfluß auf den Dampfpartialdruck. Diese Eigenschaft ist folglich nutzbar für den
Zweck der absoluten Sensorkalibrierung, d. h. einer Kalibriermethode ohne Verwendung
von Vergleichssensoren einer höheren Genauigkeitsklasse.
Beispiel 3
Feuchtgasgenerator
Feuchtgasgeneratoren werden zur Konditionierung von physikalisch-chemischen
Probensubstanzen hinsichtlich des Feuchtegehaltes eingesetzt.
Eine Vorrichtung, welche aufgrund eines großen Einstellbereiches der relativen
Gasfeuchte für diese Zwecke einsetzbar ist, besteht entsprechend Fig. 4 aus dem
temperierten Verdampfungsreaktor 1 bei der Arbeitstemperatur TV, der Gaszuführung
2, der Flüssigkeitszuführung 3 der Flüssigkeit F aus dem Reservoir 5, der Gas/Dampf-
Abführung 4 mit temperiertem Ausgangsteil 6 sowie einer Regeleinheit 8. Ein Sensor
7 zum Bestimmen der relativen Gasfeuchte befindet sich in dem temperierten
Ausgangsteil 6.
Der Verdampfungsreaktor ist mit dem porösen Bauelement P ausgestattet und besitzt
ein Flächenverhältnis zwischen 5 und 500.
Die Genauigkeit und der Einstellbereich eines solchen Feuchtgasgenerators wird durch
den verwendeten Sensor 7 festgelegt, während die Einstelldynamik im wesentlichen
von der Größe des Gasstromes abhängt. Bei Gasströmen von 0.1 bis 10 l/min sind
Einstellzeiten von 0.5 bis 10 min erreichbar.
Beim Durchströmen des Gases im Verdampfer findet gleichzeitig ein Temperatur- und
Partialdruckausgleichsvorgang statt, welcher aber unvollständig ist. Das heißt, das Gas
nähert sich der Temperatur des Verdampfers und dem Dampfpartialdruck der dort
befindlichen Flüssigkeit an. Im Moment des Ausströmens aus dem Verdampfer weicht
es aber hinsichtlich dieser beiden Parameter noch deutlich ab. Durch eine Charakterisierung
des Gases in Ausgangsteil 6 mit dem Sensor 7 ist es aber möglich, die
Temperatur und die relative Feuchte bzw. den Dampfpartialdruck des Gas/Dampf-
Gemisches GD zu erfassen und im Rahmen eines Regelkreises auf einen Vorgabewert
zu regeln. Stellgröße ist hierbei die Verdampfertemperatur.
Diese kann auch kleiner als die Schmelztemperatur der Flüssigkeit sein. Bedingt durch
den weiten erreichbaren Verdampfertemperaturbereich von -20°C bis 95°C ergibt sich
ein Einstellbereich des Dampfpartialdruckes von über 1 : 1000.
Beispiel 4
Erweiterung auf mehrere Dampfkomponenten
Eine Vorrichtung zur Generierung von Gas/Dampf-Gemischen mit mehreren
Dampfkomponenten läßt sich aus mehreren Vorrichtungen der oben beschriebenen Art
des Kalibriergasgenerators aufbauen. Dazu werden die einzelnen Vorrichtungen
bezüglich der Gasströme parallel angeordnet. Das heißt, der gesamte Mischgasstrom
ergibt sich aus der Summe der Teilgasströme der einzelnen Vorrichtungen, welche
jeweils eine Dampfkomponente definierten Partialdruckes generieren.
Beispiel 5
Verwendung verunreinigter Flüssigkeiten
Vorrichtungen zur Generierung von Gas/Dampf-Gemischen unterliegen einem
Verschleiß, welcher sich aus der Ablagerung von gelösten festen Bestandteilen der
Flüssigkeit innerhalb des porösen Bauelementes ergibt. Eine Reduzierung dieses
Verschleißes ist durch eine Veränderung der Anordnung einzelner Baugruppen der
Vorrichtung möglich, welche entsprechend Fig. 3 aus dem temperierten
Verdampfungsreaktor 1 bei der Arbeitstemperatur TV, der Gaszuführung 2, der
Flüssigkeitszuführung 3 der Flüssigkeit F aus dem abgeschlossenen Reservoir 5, der Gas/Dampf-
Abführung 4 mit dem temperierten Ausgangsteil 6 sowie der Regeleinheit 8 bestehen.
Die Flüssigkeitszuführung 3 über das poröse Bauelement P ist so gestaltet, daß das
Bauelement P nicht in die Flüssigkeit F innerhalb des Reservoirs 5 eintaucht. Die
Zuführung 3 in Verbindung mit dem Reservoir 5 gliedert sich in drei unabhängig
voneinander temperierbare Zonen: die Verdampfungszone innerhalb des Verdampfers
mit der Temperatur TV sowie die Kondensations- und Verdampfungszone innerhalb des
Flüssigkeitsreservoirs 5 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels mit der Temperaturen TKR
und TVR. Diese sind derart gewählt, daß die Temperatur der Flüssigkeit im Reservoir 5
kleiner als TVR und größer als TKR ist.
Die Folge sind zwei Stofftransportvorgänge über die Dampfphase innerhalb des nach
außen abgeschlossenen Flüssigkeitsreservoirs 5. Zum einen verdampft Flüssigkeit von
ihrer Oberfläche im Reservoir 5 und kondensiert an der Kondensationszone des
porösen Bauelementes P und zum anderen entsteht ein zirkulärer Dampfstrom von der
Verdampferzone zur Kondensationszone des porösen Bauelementes P.
Der erste Vorgang entspricht dem Verfahren der Destillation, wobei gelöste Feststoffe
in der flüssigen Phase verbleiben. Der zweite Vorgang bewirkt eine Aufkonzentrierung
jeglicher, in dem porösen Bauelement P nicht gebundener Stoffe innerhalb der
Verdampfungszone bei TVR. Beide Vorgänge können jeder für sich oder in Kombination
genutzt werden.
