Sandra Wassink
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Bei unserer täglichen Arbeit arbeiten wir eng mit Hightech-Unternehmen und technischen Universitäten zusammen, die sich auf medizinische Anwendungen konzentrieren. Wir tauschen unsere Erfahrungen im Bereich der Durchflussmessung und -regelung sowohl für Flüssigkeits- als auch für Gasanwendungen aus. Unsere Flüssigkeits- und Gasdurchflussmesser spielen besonders im Bereich des niedrigen Durchflusses eine wichtige Rolle, da es in diesem Bereich auf präzise und zuverlässige Durchflussmessungen ankommt.

In diesen Top 3 stellen wir Ihnen unsere Beteiligung an drei verschiedenen medizinischen Anwendungen vor: Respirationsinstrumente, Gaschromatographie und Durchflussmessung von medizinischen Gasen.

1) Durchflussregler für die Qualitätskontrolle von Respirationsinstrumenten

Ivar Donker und Henk van Middendorp von Relitech zeigen uns wie sie mit einer zuverlässigen Technologie einen Stoffwechselsimulator entwickelt haben. Dieser kann zur Kalibrierung von Respirationsinstrumenten vor Ort eingesetzt werden. Lesen Sie ihren Blog und lernen Sie etwas über die Rolle unserer Massendurchflussregler in ihrem Prozess.

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2) MEMS-Technologie als Hilfsmittel beim Aufbau kompakter Gaschromatographen

Die Halbleiter-Chiptechnologie verändert unser Leben in vielerlei Hinsicht. Die MEMS-Chip-Technologie ist aus der Halbleitertechnologie hervorgegangen. Die MEMS-Technologie wird zunehmend auch in Analysegeräten für medizinische Anwendungen eingesetzt, da die Nachfrage nach Geräten mit geringem Platzbedarf steigt. Eines dieser Beispiele ist die Verwendung von MEMS-Gasdurchflussmessern in Gaschromatographen, die bei der Bestimmung der Antikörper gegen verschiedene Krankheiten und Viren hilfreich sind. Unser MEMS-Produktmanager erklärt uns von seinen Ideen.

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3) Gasverbrauchsmessungen in der Medizin – ein Hilfsmittel zur kosteneffizienten Nutzung von medizinischen Gasen in Krankenhäusern

Zu den größten Ausgaben eines Krankenhauses gehören die Kosten der Beschaffung oder Herstellung von medizinischen Gasen, wie medizinische Luft, Stickstoff, Sauerstoff und Lachgas. Gemeinsam mit unserem Kunden hat Bronkhorst eine Lösung mit Massendurchflussreglern geschaffen, die in Krankenhäusern eine kontinuierliche Datenerfassung der verwendeten Gase in Echtzeit und eine sofortige Fernalarmierung bei geringer Gasversorgung ermöglicht. Sehen Sie sich diesen Blog an.

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Möchten Sie über die neuesten Trends in der Durchflussregelung und -messung informiert werden? Melden Sie sich für unseren Newsletter an.

Johan van't Leven

Im Jahr 2018 besuchte ich ein Unternehmen, dass auf die Entwicklung und Gestaltung zuverlässiger Lösungen im Gesundheitswesen spezialisiert ist. Zu dieser Zeit sprach ich mit den beiden Geschäftsführern Ivar Donker und Henk van Middendorp über die Aktivitäten von Relitech in der medizinischen Industrie und ihren Stoffwechselsimulator. Sie zeigten mir die Bedeutung von Durchflussmessern in ihrem Prozess.

Relitech Directors

Stoffwechselsimulator: Qualitätskontrolle für Respirationsinstrumente

Es gibt viele Respirationsinstrumente, sowohl in der Beatmungstechnik als auch zum Beispiel in Lungenfunktionsuntersuchungen mittels Spirometrie- und Ergo-Spirometrie. Diese Instrumente werden weltweit eingesetzt. Um sicherzustellen, dass diese gut funktionieren und den Anforderungen der Kunden und den gesetzlichen Vorschriften entsprechen, müssen sie regelmäßig validiert werden. Aktuell ist es noch gängige Praxis, die verschiedenen Sensoren für O2, CO2 und anderen Durchfluss separat zu kalibrieren. Die kritische dynamische Wechselwirkung der Sensoren untereinander wird hierbei nicht mitberücksichtigt. Deshalb hat Relitech für seine Kunden von Beatmungsgeräten einen neuen Stoffwechselsimulator (Metabolic Simulator) entwickelt.

Der Stoffwechselsimulator kann vor Ort beim zu-testenden Gerät direkt eingesetzt werden. Das Gerät mischt N2 und CO2 und erzeugt so in Echtzeit Atemmuster. Aufgrund des intelligenten Designs können verschiedene menschliche Atemmuster präzise simuliert werden.

Cardiopulmonary Exercise Test

Verwendung thermischer Massendurchflussregler

Der Metabolic Simulator ist voll mobil, d.h. er ist leicht zu transportieren und daher ideal für Tests vor Ort. Das Gerät führt zwei reine Gase zusammen: Stickstoff und Kohlendioxid. Dies geschieht durch die Verwendung von zwei thermischen Massendurchflussreglern von Bronkhorst. Durch das Mischen dieser beiden Gase können Sie Atemgas-Austauschmuster erzeugen, die authentischen menschlichen Atemmustern ähneln. Die Ergebnisse sind so genannte Kapnographen, die denen eines Patienten ähneln. Auf dem Auslesedisplay des Metabolic Simulators sind die Kapnographenwerte sichtbar. V'CO2 steht für die ausgeatmete Menge Kohlendioxid und V'O2 für die eingeatmete Menge Sauerstoff. BF ist einfach eine Abkürzung für die Atemfrequenz (Breating Frequency).

"Die Verwendung von Massendurchflussreglern ist für mich nichts Neues..." sagt van Middendorp, "...da ich bereits an der Entwicklung von Lungenfunktionssystemen beteiligt war, lange bevor ich 2002 zu Relitech kam".

"Als wir hier bei Relitech mit der Entwicklung des Stoffwechselsimulators begannen, suchten wir nach kompakten und hochpräzisen Massendurchflussreglern und da kreuzten sich unser Weg mit Bronkhorst. Durch die Verwendung dieser kompakten thermischen Durchflussregler konnten wir also teilweise ein noch kompakteres Simulator-Design entwickeln".

Relitech Metabolic Simulator

Relitech - Reliable Technology

Mit Hingabe und Leidenschaft entwickelt Relitech zuverlässige Technologie, indem es sich auf Elektronik, Software und eingebettete Software konzentriert. In Kombination mit messtechnischer Beratung liegt ihre Kernkompetenz im medizinischen Bereich, wie z.B. in der Lungenfunktionsmessung, der Anästhesie- und in Hyperthermie-Anwendungen. Dafür wurde das Unternehmen nach ISO13485 zertifiziert. Durch die enge Zusammenarbeit mit verschiedenen Universitäten und akademischen Instituten, multinationalen Konzernen und kleinen Unternehmen haben sie ein beeindruckendes und sehr vielfältiges Kundenportfolio aufgebaut.

Relitech Logo

Die Rolle von Bronkhorst

Mit unserem eigenen Fachwissen über präzise und zuverlässige Massendurchflussmesser und -regler für Flüssigkeiten und Gase arbeiten wir eng mit Unternehmen der Hightech-Industrie und mit technischen Universitäten zusammen. Dies hilft uns dabei, Lösungen zu entwickeln, die Ihnen helfen Ihren Durchflussprozess zu optimieren.

Marnix Hanselmann
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Flüssigkeitszufuhr mit einem Druckbehälter

Bei der Durchflussregelung und -messung unterscheiden wir zwischen „niedrigen Durchflüssen“ und „hohen Durchflüssen“. Aber was heißt das genau? Bronkhorst liefert Durchflussmesser und Durchflussregler für niedrige Durchflüsse. Wissen Sie, was niedriger Durchfluss eigentlich bedeutet? In unserer Blogreihe erläutern wir den Unterschied und geben Tipps & Tricks für die Einrichtung eines Systems für niedrige Durchflüsse.

Die bereits veröffentlichten Einträge finden Sie hier:

  • Teil 1 "Was sind niedrige Durchflüsse?": In diesem Blog erläutern wir, was (extrem) niedrige Durchflüsse sind, beschreiben die Probleme, die auftreten können, und verraten Lösungen für eine optimale Performance ihres Systems.
  • Teil 2 "Tipps zur Auswahl des richtigen Durchflussmessers": Dieser Blog umfasst Ratschläge zur Optimierung der Stabilität und Leistung ihres Systems, sowie Empfehlungen zur Dimensionierung, zur Wahl des richtigen Materials und zu den besten Praktiken.

Flüssigkeitszufuhr – ein stabiler niedriger Durchfluss

Wie wir im vorherigen Blog bei den Tipps zur Auswahl eines geeigneten Durchflussmessers oder -reglers schon gezeigt haben, wird für einen Durchflussregler ein stabiler Eingangsdruck benötigt, um eine stabile, niedrige Durchflussrate zu erzielen. Während Gas ein kompressibles Medium darstellt, ist eine Flüssigkeit eher unelastisch. Obwohl Durchflussregler von Bronkhorst in der Lage sind, Druckschwankungen in einem gewissen Umfang auszugleichen, können rasche Änderungen des Eingangsdrucks den Durchfluss verändern.

Im Allgemeinen gibt es zwei Verfahren, die sich dazu eignen, einen stabilen Eingangsdruck für das Flüssigkeitssystem zu gewährleisten: entweder die Verwendung eines Druckbehälters mit Gasbeaufschlagung, um die Flüssigkeit unter Druck zu setzen, oder die Verwendung einer Pumpe. Für welche Option Sie sich entscheiden, ist eine praktische Entscheidung, die vom System-Setup des Kunden abhängt.

Druckbehälter
Ein Druckbehälter ist eine einfache Möglichkeit, für die weder Strom noch bewegliche Teile benötigt werden. Außerdem ist sie bei leicht flüchtigen Flüssigkeiten von Vorteil. Das Problem besteht allerdings darin, dass sich Gas in einer Flüssigkeit lösen kann und damit negativ auf die Durchflussstabilität wirkt.

Pumpe
Der Vorteil einer Pumpe besteht darin, dass Gas und Flüssigkeit im Grunde nicht in Kontakt miteinander kommen. Das bedeutet, dass kein Gas in die Flüssigkeit diffundieren kann. Außerdem können Pumpen kontinuierlich betrieben werden. Weiterhin ist damit zu rechnen, dass Pumpen aufgrund ihrer beweglichen Teile einem gewissen Verschleiß unterliegen und somit oft teurer als Druckbehälter sind.

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Das gesamte Setup der Förderung / Druckerhöhung von Flüssigkeiten sind unter verschiedenen Aspekten zu betrachten und als System auszulegen. Im Forschungslabor kann zur Druckerzeugung Helium eingesetzt werden, während in einer Produktionsumgebung eine andere – oft pumpenregulierte – Lösung gefunden werden muss. Lesen Sie den vierten Teil dieser Blogreihe, um mehr über die Verwendung einer Pumpe zur Gewährleistung eines stabilen Eingangsdrucks zu erfahren.

Umgang mit gelöstem Gas

Eine große Herausforderung bei der Verwendung eines Druckbehälters ist es, den Anteil des gelösten Gases in der Prozessflüssigkeit auf ein Minimum zu beschränken. Je kleiner die austauschende Grenzfläche und je kürzer die Verweilzeit zwischen Gas und Flüssigkeit, desto besser. Das Henry-Gesetz besagt, dass die Menge des in einer Flüssigkeit gelösten Gases proportional zum Druck des Gases steht, das sich in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit befindet. Das hat in mehrerlei Hinsicht konkrete Auswirkungen. Das bei der Druckerhöhung verwendete Gas, das sich in der Flüssigkeit gelöst hat, wird bei Absenken des Druckes im weiteren Verlauf des Prozesses in Form von Gasblasen wieder freigesetzt. Dieser Effekt ist in der Regel nicht erwünscht. Die Löslichkeit eines Gases sinkt in einer Flüssigkeit, während die Temperatur steigt. Ein Temperaturanstieg der Prozessflüssigkeit führt also ebenfalls dazu, dass Gasblasen freigesetzt werden.

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Prinzipiell wird empfohlen, dass Veränderungen des Drucks und der Temperatur im Verlauf der Flüssigkeitsführung so gering wie möglich bleiben.

1. Tipp) Verwendung eines Druckbehälters
Wenn Gas verwendet wird, um die Flüssigkeit unter Druck zu setzen, empfehlen wir prinzipiell zu verhindern, dass das Gas in direkten Kontakt mit der Flüssigkeit kommt. Sie sollten zum Beispiel einen Druckbehälter mit einer Membran verwenden, die die Flüssigkeit physisch vom Druckgas trennt – das ist vergleichbar mit einem Ausgleichsbehälter in Ihrer Zentralheizung Zuhause.

2. Tipp) Verwendung von Gasen mit niedriger Löslichkeit
Es gibt aber auch Lösungen für den Fall, dass es notwendig oder unvermeidlich sein sollte, dass Druckgas in direkten Kontakt mit der Flüssigkeit kommt. Dafür können Sie zum Beispiel Gase mit niedriger Löslichkeit verwenden. Helium ist in der Regel die beste Wahl für wasserbasierte Flüssigkeiten; an zweiter Stelle folgt Stickstoff. Nach Möglichkeit sollte so wenig Druck wie möglich auf die Flüssigkeit ausgeübt werden. Dies hängt selbstverständlich auch vom Arbeitsdruck des Systems ab. In diesem Zusammenhang kann es hilfreich sein, den Flüssigkeitsbehälter wesentlich höher als den Durchflussregler zu positionieren, um sich die Schwerkraft zunutze zu machen und so auf einen niedrigeren Gasdruck zu kommen.

3. Tipp) Verwendung eines Degassers
Als letzte Maßnahme kann ein Degasser eingesetzt werden, um die Gaskonzentration in der Flüssigkeit zu senken. Ein Degasser hat einen porösen Schlauch, der von außen vakuumiert wird. Durch das Druckgefälle zwischen Flüssigkeit und angelegtem Vakuum diffunidert das in der Flüssigkeit glöste Gas durch die Poren des Schlauches aus der Flüssigkeit. Standarddegasser lassen sich gut mit wasserähnlichen Medien verwenden. Für niedrige Durchflussmengen unter 50 g/h und je nach Typ der Anwendung empfehlen wir die Verwendung eines Degassers, wenn Stabilität und maximale Genauigkeit entscheidend sind und Störungen durch Gasblasen eliminiert werden müssen. Ein Degasser gilt allgemein als kostenintensiv, aber wenn Sie ein High-End-System aufbauen wollen, ist dies eine der besten Lösungsmöglichkeiten.

4. Tipp) Druckminderer oder Puffertank
Wenn der Durchflussregler die Eingangsdruckschwankungen des zuführenden Systems nicht kompensieren kann, weil sie zum Beispiel zu schnell aufeinander folgen, gibt es auch für dieses Problem Lösungen. Ein Druckminderer oder ein Puffertank zwischen dem Druckregler und dem Flüssigkeitsbehälter kann diese Schwankungen ausgleichen und einen stabilen Eingangsdruck gewährleisten.

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5. Tipp) Umgang mit Korrosion
Zur Verwendung von wasserbasierten Medien empfiehlt Bronkhorst einen einteiligen Behälter aus passiviertem Edelstahl, um Korrosion insbesondere an Schweißnähten zu verhindern. Wichtig in diesem Zusammenhang ist, dass bei sauren, wässrigen Lösungen keine Chlorid-Ionen vorhanden sind. Wenn organische Lösemittel wie Methanol, Toluol oder Aceton verwendet werden, stellt sich das Problem der Korrosion von Schweißnähten eines Behälters in der Regel nicht. Da die Flüssigkeitsregelung mit einem Druckbehälter üblicherweise im Batchverfahren erfolgt, sollten Sie sich vergewissern, dass der Behälter groß genug ist, um einen stabilen Durchfluss für einen ausreichenden Zeitraum zwischen den Wiederbefüllungen zu gewährleisten. Um Spritzer und Verschütten beim Befüllen zu vermeiden, sollten Sie am Eingang einen Einfülltrichter verwenden.

In Kürze folgt Teil 4! Im diesem Beirag haben wir Tipps dazu gegeben, wie ein stabiler Eingangsdruck bei Flüssigkeitssystemen gewährleistet werden kann. Im vierten Teil befassen wir uns mit Zuläufen für niedrige Durchflüsse mithilfe einer Pumpe. Der vierte Teil wird im April veröffentlicht.

Blogreihe: Handhabung niedriger Durchflüsse

Teil 4 - Flüssigkeitszufuhr mit einer Pumpe
Teil 5 - Handhabung von äußeren Bedingungen

James Walton
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Im medizinischen Bereich herrscht ein stetig steigender Druck hinsichtlich Kosteneffizienz und Budgets. Insbesondere wird darauf geachtet, wie Ressourcen besser und kosteneffizienter genutzt werden können. Ein großer Kostenfaktor in vielen medizinischen Einrichtungen ist die Beschaffung und Bereitstellung medizinischer Gase wie medizinische Luft, Stickstoff, Sauerstoff oder Lachgas. Häufig wird der Verbrauch solcher Gase weder überwacht noch gemessen oder, falls doch eher abgeschätzt und notiert. Die meisten Krankenhäuser schätzen den Verbrauch anhand der Zeit, bis eine Flasche leer ist.

Diese Methode gibt allerdings nur eine grobe Einschätzung wieder, weil:

  • Der Inhalt einer Gasflasche (sprich der Fülldruck) kann deutlich schwanken, auch wenn die Flaschen immer vom gleichen Lieferanten kommen.
  • Es kann nicht zwischen Gesamtverbrauch und aktuellem Verbrauch unterschieden werden. Eventuell vorhandene Peak-Zeiten sind nicht sichtbar.
  • Leckagen bleiben unbemerkt.
  • Der Verbrauchsort bleibt unbekannt.

All dies macht es sehr schwierig, die Kosten im Griff zu behalten und die entstandenen Kosten dort zu budgetieren, wo der Verbrauch auch tatsächlich stattfindet. Eine Abrechnung nach Abteilungen ist nicht möglich.

Eine britische Firma, die sich auf das Design, die Installation und die Wartung von Gasverteilsystemen spezialisiert hat, wurde beauftragt, ein neues Krankenhaus auszurüsten und hat in Kooperation mit Bronkhorst ein Konzept entwickelt, Gas-Messer in das Kommunikationsnetzwerk der Hausüberwachung zu integrieren.

Thermische Massendurchfluss Instrumente mit integrierten Multifunktionsdisplays wurden angeboten, um sowohl die Genauigkeit als auch die benötigte Zuverlässigkeit zu erfüllen. Mit dem gewählten Messprinzip der Durchflussmessung (Konstante-Temperatur-Anemometrie - CTA-Technologie) boten die thermischen Massendurchflussmesser zusätzliche Vorteile:

  • kein Verstopfungsrisiko
  • kein Verschleiß, keine beweglichen Teile im Gasfluss
  • eine minimale Behinderung des Gasflusses und daher ein extrem niedriger Druckabfall - durch lineares Sensordesign

Massendurchflussmesser

Zusätzlich können neben der lokalen Anzeige sowohl ein analoges (z.B. 4 …20 mA) als auch ein digitales Signal (z.B. RS-232) für die Kommunikation mit dem Überwachungssystem genutzt werden. Damit können alle Werte zentral überwacht und gespeichert werden. Der Nutzer kann damit in Echtzeit die Verbräuche überwachen und Maßnahmen ergreifen, wenn z.B. der Verbrauch außerhalb des Toleranzbereiches liegt. Zur doppelten Absicherung bieten die Instrumente sowohl Zähler als auch Minimum/Maximum-Alarm direkt am Instrument.

Die Installation von Massendurchflussmessern für Krankenhaus-Gasnetze bietet die folgenden Vorteile für den Anwender:

1. Hauptnetzwerk:

  • Getrennte Abrechnung für Krankenhaus-, Klinikums- und Laborbereiche, die über das Netz versorgt werden
  • Überwachung und Sammlung von Verbrauchsdaten
  • Leckagen in Gasleitungen, Sicherheitseinrichtungen und Versorgungseinheiten können detektiert werden

2. lokale Netzwerke:

  • Unabhängige Abrechnung des Verbrauches nach einzelnen Stationen
  • Detektion von Verbrauchsspitzen
  • Überwachung und Sammlung von Verbrauchsdaten
  • Detektion von Leckagen in Gasleitungen

In der Folgezeit wurden solche Systeme europaweit in Betrieb genommen. So ist es möglich, den Verbrauch medizinischer Gase nach Kostenstellen aufzuschlüsseln, indem Massendurchflussmesser den Gesamtverbrauch und Einzelverbrauch überwachen. Damit lässt sich einfach aufschlüsseln, wo Ursachen für steigende Verbräuche und damit auch steigende Kosten zu finden sind.

Sehen Sie sich jetzt unser Video über die Funktionsweise der MASS-STREAM™ an

Laden Sie den Applikationsbericht herunter, der den Einsatz von thermischen MASS-STREAM Massendurchflussinstrumenten in der Medizin beschreibt.

Lesen Sie mehr über die thermischen MASS-STREAM Massendurflussinstrumente.

Allard Overmeen
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Thermische Durchflussmessgeräte liefern bei laminarer Strömung die besten Ergebnisse, zumindest wenn man die thermischen Massendurchflussmesser und -regler mit Bypass-Sensor betrachtet.

In der Praxis treten allerdings häufig turbulente Strömungen auf. Eine turbulente Strömung kann durch Strömungshindernisse in einer Anlage, wie z.B. Ventile oder Adapter, in Kombination mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit der Fluide verursacht werden. Dieser Effekt wird als "Turbulenzeffekt" bezeichnet. Eine turbulente Strömung kann die Genauigkeit Ihrer Messung beeinträchtigen und das sollte bei der Verwendung von Bypass-Durchflussmessern möglichst verhindert werden.

Wie lassen sich nun Turbulenzeffekte verhindern? Beginnen wir mit der Erklärung, was der Turbulenzeffekt eigentlich ist:

“Die Turbulenz ist ein gewagtes Thema, das in den ihr gewidmeten wissenschaftlichen Tagungen oft Anlass zu heftigen Auseinandersetzungen gibt, da es sehr unterschiedliche Standpunkte vertritt, die alle ihre Komplexität und die Unfähigkeit, das Problem zu lösen, gemeinsam haben.” Marcel Lesieur, 1987

Turbulente Strömung versus laminare Strömung

Generell kann man sagen, dass es zwei Arten von Strömungen gibt: die laminare Strömung und die turbulente Strömung. In Bild 1 kann man die Unterschiede gut sehen, im laminaren Strömungsprofil fließt das Medium in Schichten, die sich nicht miteinander vermischen. Dies geschieht bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten, die Stromlinien sind parallel.

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Abb. 1: laminare Strömung und turbulente Strömung

Steigt die Geschwindigkeit des Mediums an, kommt es bei einer bestimmten Geschwindigkeit zu einer plötzlichen Veränderung. Im Strömungsprofil treten Verwirbelungen auf, es kommt zu einem Austausch der Teilchen entlang aller drei Raumachsen. Die Stromlinien sind chaotisch, also nicht mehr linear. Dies wird als turbulente Strömung bezeichnet.

Theoretisch ist das Strömungsmuster von 4 Variablen abhängig:

  • vom Durchmesser des Rohres (charakteristische Länge)
  • von der Strömungsgeschwindigkeit
  • von der Dichte des Fluids
  • von der dynamischen Viskosität des Fluids

Diese vier Faktoren zusammen ergeben die so genannte Reynoldszahl (Re). Die Reynoldszahl ist eine wichtige Kennzahl, die beschreibt, ob Strömungsverhältnisse zu laminarer Strömung oder turbulenter Strömung führen. Sie zeigt das Verhältnis von Trägheitskräften zu Reibungskräften innerhalb des Fluids.

Die zugehörige Formel lautet:

Bildbeschreibung

Generell kann gesagt werden, dass eine laminare Strömung bei einer niedrigen Reynoldszahl (≤ ca. 2300) und eine turbulente Strömung bei einer hohen Reynoldszahl (≥ ca. 3000) auftritt. Zwischen diesen beiden Zahlen (Re 2300-3000) befindet sich eine "Übergangsströmung", d.h. die Strömung kann laminar oder turbulent sein (die genannten Zahlen beziehen sich auf ein zylindrisches Rohr).

Wann tritt der Turbulenzeffekt auf?

Wie bereits erwähnt, ist der Turbulenzeffekt ein häufiger Effekt, der bei Anlagen mit (zu vielen) Einschränkungen, wie z.B. Ventilen oder Adaptern, in Kombination mit einer hohen Geschwindigkeit des verwendeten Fluids auftreten kann. In jeder Einschränkung wurde der Durchfluss unterbrochen und die Geschwindigkeit des Gases ändert sich (wie in Bild 2 dargestellt). Neben der Verwendung von Restriktionen ist auch die Rohrlänge zu berücksichtigen. Da es einige Zeit dauert, bis eine turbulente Strömung wieder laminar wird, ist es wichtig, die richtige Rohrlänge zu verwenden.

Eine turbulente Strömung sollten Sie am Eingang Ihres Durchflussmessgerätes unbedingt verhindern, weil sie die Messgenauigkeit stark beeinflusst. Eine laminare Strömung direkt vor dem Messgerät ist also deutlich besser geeignet. Das Instrument selbst, z.B. ein Durchflussregler mit einem Ventil hinter dem Messteil, kann allerdings auch selbst eine turbulente Strömung verursachen

Natürlich muss auch darauf hingewiesen werden, dass nicht alle Arten der Durchflussmesstechnik durch Turbulenz nachteilig beeinflusst werden. Durchflussmesser auf Coriolis-, CTA- (Constant Temperature Anemometry) oder Ultraschall-Prinzip sind unabhängig von Turbulenzen, bei thermischen Durchflussmessern mit Bypass-Prinzip ist der Einfluss allerdings nicht unerheblich.

Warum sind thermische Durchflussmesser mit Bypass-Sensor empfindlich auf Turbulenzeffekte?

Geräte mit einem Bypass-Sensor arbeiten auf Basis eines Hauptstroms, der durch eine Drossel und einen kleinen Teil des Stroms, der durch den eigentlichen Sensor fließt. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Strömungen wird durch den Druckabfall über dem Sensor und die Drosselung der laminaren Strömung bestimmt. Der Turbulenzeffekt stört dieses Verhältnis. Da die Geräte mit Bypass-Sensor häufig für sehr genaue Messungen eingesetzt werden, kann der Turbulenzeffekt einen großen Einfluss auf die Messergebnisse haben.

Benötigen Sie weitere Informationen über das Funktionsprinzip unserer Durchflussgeräte? Sehen Sie sich hier unsere Funktionsprinzipien an.

Was können Sie tun, um die nachteiligen Auswirkungen einer turbulenten Strömung zu minimieren? Bei Verwendung von thermischen Massendurchflussmessern mit Bypass-Sensor wird empfohlen, Folgendes zu tun:

1) Versuchen Sie, Einschränkungen in Ihrem Prozess zu vermeiden, wie z.B. Ventile, Adapter und Winkelkupplungen:

  • Montieren Sie den Durchflussmesser nicht direkt hinter einer Drossel, z.B. einem Ventil. Wenn dies jedoch nicht anders angeordnet werden kann, können Sie einen Turbulenzfilter zwischen Ventil und Durchflussmesser oder einen Durchflussmesser mit integriertem Turbulenzfilter verwenden. Die Verwendung einer Winkelkupplung in der Nähe eines Durchflussmessers sollte so weit wie möglich eingeschränkt werden.

2) Begrenzen Sie die Geschwindigkeit Ihres Durchflusses, indem Sie die richtige Rohrlänge verwenden. Generell wird empfohlen, eine minimale Rohrlänge von:

  • 10x der Rohrdurchmesser, am Eingang des Gerätes
  • 4x der Rohrdurchmesser, am Ausgang des Gerätes (nur Durchflussmesser)
  • Bei Gasdurchflüssen > 100 l/min ist es üblich, mindestens ein 12mm oder ½" Rohr zu verwenden.

LFE - laminar flow element als

Abb. 2: LFE - Laminar Flow Element als "Turbulenzfilter"

3) Verwenden Sie einen „Turbulenzfilter“ in Ihrem Strömungsprozess. Der Turbulenzfilter filtert die Strömung, bevor sie den Sensor erreicht, und laminarisiert sie. Heutzutage haben Durchflussmesser oft einen solchen Filter im Durchflussmesser integriert (z.B. Bronkhorst EL-FLOW Serie) oder haben einen erweiterten Durchflussweg innerhalb des Durchflussmessers (z.B. Bronkhorst Low delta P Durchflussmesser).

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Abb. 3: Strömungsverlauf in einem thermischen Massendurchflussmesser

Alles hängt von ihrem Prozess und ihrer Applikation ab!

Es hängt sehr stark von der Anwendung ab, was die Folgen von Turbulenzen sind. Zum Beispiel dürfen bei Halbleiterprozessen, insbesondere bei Beschichtungsprozessen wie der Layer Deposition (Schichtabscheidung), keinesfalls Turbulenzen auftreten. Ein stabiler Prozess ist hier unerlässlich, damit die Schichten sauber abgeschieden werden. Bei anderen Beschichtungsverfahren, wie z.B. der Flammsprühtechnik, ist der Einfluss von Turbulenzen durch den hohen Druck in der Strömung jedoch geringer. Es kommt also auch immer auf den Prozess und die Anwendung an, eine Pauschalaussage ist nicht machbar. Allerdings ist es grundsätzlich sinnvoll, für eine laminare Strömung zu sorgen, damit die Messgenauigkeit möglichst wenig beeinträchtigt wird.

Wenn Sie Hilfe bei der Installation Ihres Durchflussmessers benötigen, kontaktieren Sie uns oder rufen Sie uns an (02307/92512-0)!

Weitere Informationen über das Funktionsprinzip der Bronkhorst Durchflussgeräte finden Sie in den verschiedenen Funktionsprinzipien der von Bronkhorst verwendeten Durchflussmessgeräte.

Sie möchten mehr wissen? Schauen Sie auch in diese Blogbeiträge:

Warum ist die Verrohrung so wichtig beim Einsatz thermischer Massendurchflussmesser und -regler?

Bypass versus CTA - welches thermische Messprinzip ist besser geeignet für meine Applikation

Warum bieten thermische Massendurchflussmesser und Massendurchflussregler entscheidende Vorteile in der Bilanzierung von Prozessen

Yann LeGuenniou
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In diesem Blog möchte ich eine Anwendung bei einer Energieforschungsorganisation vorstellen. Dort wird die katalytische Reaktion einer Mischung von Kohlenwasserstoffverbindungen untersucht. Die Herausforderung war hier, dass diese Reaktion bei hoher Temperatur und hohem Druck durchgeführt werden musste. Um das zu lösen, haben wir dem Kunden eine solide funktionierende Lösung geboten, die aus einem Coriolis-Durchflussmesser mit einer Hochdruckpumpe bestand.

Was sind Katalysatoren?

Katalysatoren werden eingesetzt, um eine chemische Reaktion zu beschleunigen ohne selbst dabei verbraucht zu werden. Nur eine sehr geringe Menge Katalysator wird also benötigt, um fortlaufend eine große Menge Reaktionsprodukt herzustellen.

Feste Katalysatoren sind oft kleine, hochporöse Partikel mit einer großen Innenfläche in einem kleinen Volumen. Diese innere Oberfläche enthält aktive Stellen, auf denen die eigentliche Reaktion stattfindet. Gasförmige oder flüssige Chemikalien diffundieren in die Poren dieser Partikel und reagieren an den katalytisch aktiven Stellen zu Reaktionsprodukten, die aus dem Partikel diffundieren. Oft treten diese Reaktionen bei extremen Prozessbedingungen auf.

Welche Art von Durchflussmessern kann hier verwendet werden?

Eine relativ einfache und verlässliche Möglichkeit musste gefunden werden, um einen Flüssigkeitsstrom bei hohem Druck zu injizieren. Diese Injektion erfolgt bei einem Druck zwischen 30 und 60 bar und erfordert ein kontinuierliches Dosieren ohne Pulsation. Weiterhin muss der Flüssigkeitsstrom hochgenau kontrolliert werden, während des Prozesses muss genau bekannt sein, wie viel Flüssigkeit tatsächlich dosiert wurde. Hierfür ist der Einsatz eines Flüssigkeitsmessers mit Hochdruckpumpe eine gute Wahl.

Die Kombination aus Flüssigkeitsmesser und Hochdruckpumpe

Die Lösung besteht aus einem Coriolis-Flüssigkeitsmesser, der eine (HPLC) Hochdruck-Kolbenpumpe an der Einlassseite des Reaktors steuert und einen unabhängig betriebenen Gegendruckregler an der Auslassseite aufweist. Der hier benutzte Coriolis Massendurchflussmesser (Mini CORI-FLOW ML120) hat sich als sehr stabiler und präziser Massendurchflussmesser erwiesen. Die WADose HPLC Pumpe vermittelt einen sehr stabilen Durchfluss ohne Pulsation. Die Kombination aus einer Hochdruckpumpe und einem Massendurchflussmesser arbeitet als Massendurchflussregler. Das integrierte Steuerventil des Durchflussmessers ist nicht erforderlich, da die Pumpe als Stellantrieb verwendet wird.

Katalyse bei hohen Drücken

Die Pumpe kann für Medien bis zu einer dynamischen Viskosität von 40 mPa*s (upstream) eingesetzt werden, die maximale Betriebstemperatur des kombinierten Systems beträgt 70 °C. Die Ofentemperatur des Reaktors mit einer kleinen Testmenge Katalysator ist deutlich höher. Der Druck am Auslass des Reaktorröhrchens muss konstant auf hohem Druck gehalten werden. Hinter dem Reaktor befindet sich eine Kühlfalle um flüssige Kondensate wie Wasser und Kohlenwasserstoffe aus dem Gasstrom zu entfernen, sowie ein Vordruckregler mit einem Regelventil und einem Regelbereich bis 400 bar Druckdifferenz und einem Auslass für gasförmige Produkte. Der Druckregler ist für Gase, Flüssigkeiten und Mischphasen geeignet und ermöglicht einen sehr stabilen und geregelten Durchfluss. Insbesondere bei sehr geringen Durchflüssen hat dieser Druckregler eine sehr viel bessere Regelperformance als ein mechanischer Druckminderer. Der Auslass wird benutzt, um das in der Reaktion produzierte Gas abzuführen.

Die Pumpe verfügt über drei Kotrollmodi:

  1. Druck
  2. Volumen (wobei nur die Geschwindigkeit des Kolbens geregelt wird)
  3. Massenfluss

Der letzte ist eine Besonderheit, die angeboten werden kann und insbesondere für Chemiker sehr hilfreich. Da der Durchfluss direkt kontrolliert werden kann, ist auch die exakte Menge (in Mol) des injizierten Stoffes genau bekannt.

Lesen Sie unsere Application Note oder kontaktieren Sie uns für mehr Informationen.

Sie möchten mehr über Massenduchflussregelung in der Katalyseforschung wissen? Sehen Sie sich unser Webinar an.

Durchflussmesser mit Hochdruckpumpe