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Auf den ersten Blick ist es absolut sinnvoll, einen Massendurchfluss auch in einer Masseneinheit anzugegeben, z.B. in Gramm/ Stunde oder Milligramm/Minute etc. Allerdings sind die meisten Anwender gewohnt, in Volumina zu denken.
Nehmen wir mal ein Beispiel:
Wir stellen uns vor, wir haben einen Zylinder mit einem Volumen von einem Liter, der mit einem beweglichen Kolben von vernachlässigbarem Gewicht verschlossen ist. Dieser Zylinder enthält Luft bei Umgebungsdruck, also etwa 1 bar(a). Das Gewicht dieser Volumens Luft bei 0°C ist 1,293 g. Dies ist also die Masse der Luft.
Wenn wir nun den Kolben abwärts bis zur Hälfte der Zylinderhöhe bewegen, ist das Volumen nur noch ½ Liter, der Druck in diesem Volumen hat sich auf 2 bar(a) verdoppelt. Die Masse allerdings ist immer noch 1,293 g, denn es ist weder Masse entfernt worden noch ist welche dazu gekommen. Wenn wir uns nun dieses Beispiel anschauen, ist auch verständlich, warum Massendurchfluss eigentlich auch in einer Masseneinheit dargestellt werden sollte. Allerdings können wir uns z.B. 14 g Stickstoff nur schwer vorstellen und zu anderen Massen in Beziehung setzen. Wenn ich 14 g Stickstoff in einen roten Ballon fülle und 1 g Wasserstoff in einen völlig identischen blauen Ballon fülle und sie nebeneinander halte, sind dann beide Ballons gleich groß? Hier muss wohl jeder von uns erst mal kurz überlegen.
Es ist aber kein Problem, eine Masse auf ein Volumen umzurechnen, allerdings muss man die Rahmenbedingungen (Druck, Temperatur) dabei festlegen. Zur Umrechnung eines Massenflusses in einen Volumenfluss (bzw. eine Masse in ein Volumen) wird die Dichte des Mediums benötigt. Es müssen also definierte Bedingungen (Druck und Temperatur) gewählt werden, um eine Masse mittels der Dichte auf ein Volumen umzurechnen. Damit ergibt sich dann ein bestimmtes Volumen. Ändert sich die Randbedingung, ändert sich auch das Ergebnis.
Zum Verglich haben wir hier einige typische Referenzbedingungen
Die in der Tabelle genannten Bedingungen sind international anerkannte Referenzbedingungen. Man muss hier zwischen Norm- und Standardbedingungen nach europäischer oder US-amerikanischer Nomenklatur unterscheiden.
Referenz: Norm-Bedingungnen, Europa:
Nach der „europäischen“ Definition ist das Normalvolumen (oder Normvolumen) auf eine Temperatur von 0°C und einen Druck von 1013 mbar(a) (entspr. 1 atm) bezogen. Es wird mit einem tiefgestellten n gekennzeichnet: z.B. mln/min oder m³n/h Die direkte thermische Massendurchflussmethode basiert bei Bronkhorst immer auf diesen Referenzkonditionen, sofern der Kunde keine andere Normierung benötigt.
Beispielrechnung zur Umrechnung auf Norm-Bedingungen:
Der Massendurchfluss beträgt 100 g/h Luft
- Dichte Luft (@ 0°C) = 1.293 kg/m3
- X ln/m Luft = 100 g/h / (60 Minuten x 1.293 kg/m3)
- Flow = 1.29 ln/min Luft
Referenz: Standard-Bedingungnen, Europa:
Nach der „europäischen“ Definition ist das Standardvolumen auf eine Temperatur von 20°C und einen Druck von 1013 mbar(a) (entspr. 1 atm) bezogen. Es wird mit einem tiefgestellten s gekennzeichnet: z.B. mls/min oder m³s/h.
Beispielrechnung zur Umrechnung auf Standard-Bedingungen:
Der Massendurchfluss beträgt 100 g/h Luft
Dichte Luft (@ 20°C) = 1.205 kg/m3
X ls/m Luft = 100 g/h / (60 Minuten x 1.205 kg/m3)
*Flow = 1.38 ls/min Luft
Referenz: Standard-Bedingungnen, USA:
In der US-amerikanischen Referenzierung wird ebenfalls auf die dort definierten Standard-Bedingungen umgerechnet, die lauten 101,325 kPa (14,6959 psia = 1013 mbar(a) = 1 atm) und 0°C (32°F). Das Präfix ist ebenfalls s, allerdings nicht tief gestellt, sondern vorgestellt vor das jeweilige Volumen: z.B. sccm (standard cubic centimeters per minute), slm (standard liter per minute), scfh (standard cubic foot per hour). Dies entspricht wiederum den europäischen Norm-Bedingungen.
Hier muss der Anwender unbedingt beachten, auf welches System sich der Durchfluss bezieht.
Warum?
Die amerikanische und die europäische Definitionen der Standard-Bedingungen sind nicht identisch!! Durch die Unterschiede der Bezugsgrößen ergibt sich eine Differenz von etwa 7 %!!
Lesen Sie mehr über die Grundlagen von Massendurchflussmessungen
Ein Regelventil dient dazu, einen Durchfluss durch Änderung des Durchmessers einer Öffnung (Düse) zu regulieren, indem ein Stellsignal – z.B. durch einen integrierten PID-Controller in einem Durchflussmesser- angelegt wird. Das Regelventil ist das bei weitem am häufigsten verwendete Zubehör in der Durchflussregelung.
Regelventile können als integraler Teil von Massendurchflussreglern und Druckreglern oder als separates Bauteil in Kombination mit einem Durchfluss- oder Druckmessgerät geliefert werden. Zusammen mit einer Rückkopplungsschleife vom Massendurchflussregler oder Druckregler steuert das Ventil die Durchflussmenge, die durchläuft, um auf einen vorgegebenen Durchfluss- oder Drucksollwert zu gelangen.
Je nach Anwendung ist meistens sofort klar, ob Ihr Massendurchflussregler eine Absperrventil mit Auf/Zu-Funktion oder ein Regelventil benötigt oder ob ein normal geöffnetes oder normal geschlossenes Ventil benötigt wird. Innerhalb der Gruppe der Regelventile gibt es eine Reihe von verschiedenen Ventilen, die jeweils ihre eigenen Parameterbereiche, Vor- und Nachteile haben.
In unserem aktuellen Blog möchte ich einige Ventile vorstellen, die für hohe absolute Drücke oder Differenzdrücke geeignet sind und solche, die für große Durchflüsse bei sehr kleinen Differenzdrücken zum Einsatz kommen.
Das Direktregelventil
Dieses Ventil besteht aus einer Düse, das den Durchfluss reguliert und einer Dichtfläche, die die Größe der Düsenöffnung reguliert. Damit ergibt sich eine direkte Regelung des Durchflusses, der je nach Öffnungsgrad den Durchfluss durch das Ventil begrenzt. Ein Direktregelventil ist relativ schnell, kostengünstig und benötigt wenig Energie, um einen Durchfluss zu regeln. Der Nachteil ist allerdings, dass solche Ventile nur für begrenzte Druck- und Durchflussbereiche geeignet ist.
- Vorteil: ein solches Ventil reagiert schnell, ist kostengünstig und benötigt nur wenig energie, um den durchfluss zu kontrollieren.
- Der Nachteil ist, dass es Limitierungen im druckbereich und im durchflussbereich geben kann.
Nehmen wir mal ein elektromagnetisches Ventil als Beispiel:
Bei einem Ventil wird die zum Öffnen des Ventils benötigte Kraft (F) durch den Düsendurchmesser (d) und die Druckdifferenz (Δp) über das Ventil bestimmt (F ~ Δp ¼ d2). Wenn entweder die Druckdifferenz oder der Öffnungsdurchmesser höher wird, öffnet sich das Direktsteuerventil aufgrund dieser Kraft nicht ausreichend. Das sind z.B. > 15 N für einen 200 bar Differenzdruck über eine 1 mm Öffnung, die Kraft so groß, dass das Ventil zugedrückt wird.
Ein elektromagnetisches Ventil bringt etwa 5 N auf den Ventilstempel. Es ist natürlich eine Möglichkeit, eine stärkere Spule zu verwenden, damit mehr Kraft aufgebracht werden kann, allerdings wird dann auch mehr Energie benötigt. Massendurchflussregler haben häufig nur sehr begrenzte Spannungsversorgung, hinzu kommt außerdem, dass sich die Spule damit auch viel stärker erwärmt und dies kann die Messung und damit das Regelverhalten beeinflussen. Daraus resultiert ein begrenzter Durchflussbereich, der proportional zum Druck ist und quadratisch vom Düsendurchmesser abhängt.
Summa summarum sind diese Ventile auf Grund dieser Restriktionen nicht geeignet für hohe Durchflüsse, hohe Absolut- und Differenzdrücke. Das Direktregelventil ist geeignet für Durchflüsse von 1 mln/min bis etwa 50 ln/min.
Welche Alternativen gibt es?
1) Re-Design des Ventils für höhere Drücke
2) Wir benutzen ein 2-stufiges Ventil (indirektes Regelventil)
3) Wir benutzen ein druckkompensiertes Ventil, um große Durchflüsse bei kleinen Druckdifferenzen zu erreichen.
1) Direktregelventil für hohe Drücke
Die einfachste Lösung, um mit höheren Drücken fertig zu werden, ist eine Neugestaltung des direkten Regelventils. Da die Öffnungsgröße begrenzt ist, kann sie für relativ kleine Ströme (bis zu 20ln / min) verwendet werden. Um die größeren Druckunterschiede, bis zu 200 bar Differenzdruck (bar d) zu bewältigen, müssen der Ventil- und Massendurchflussreglerkörper robuster sein. Die meisten Ventile können nicht mit einem Druckstoß von 200 bar d umgehen; entweder kann das Dichtungsmaterial zerreißen, oder mechanische Teile können die plötzlichen Kraftpausen, die bei 200 bar d möglich sind, nicht bewältigen. Die Abmessungen dieses Ventils sind nur wenig größer als die eines Standardventils, das gilt auch für den gesamten Massendurchflussregler in Kompaktbauweise. Auf der anderen Seite sind sehr geringe Durchflüsse allerdings häufig begrenzt auf Grund von Leckage durch das Ventil bei hohen Druckdifferenzen.
2) Indirektes Regelventil, 2-stufiges Regelventil
Für höhere Drücke und höhere Durchflüsse bis zu 200ln/min müssen andere Ventile zum Einsatz kommen. Mit den so genannten indirekten Regelventilen (s. Bild 1) können höhere Durchflüsse und höhere Absolut- und Differenzialdrücke realisiert werden.
Ein indirektes Regelventil oder 2-stufiges Regelventil besteht aus:
einem Direktregelventil als Pilotventil (A) wie bereits oben beschrieben, das auch keine zusätzliche Stromversorgung benötigt einem zusätzlichen Ventil im Körper mit einer Druckkompensation (B), die für die Aufrechterhaltung ein konstanten Druckdifferenz (P1-P2) von nur wenigen bar über das Pilotventil (A). Damit ist es möglich, dass sich Eingangs- und Ausgangsdruck ändern, ohne dass es das Regelverhalten des Ventiles beeinflusst. Die Kraft über die Druckkompensation hält das Ventil geschlossen, nur wenn das Ventil selbst öffnet, wird die Druckkraft soweit reduziert, dass das eigentliche Regelventil öffnet und den Durchfluss regelt.
Das indirekte Regelventil besteht also aus zwei Ventilen in Serie (A+B) und sowohl der Druckabfall als auch die Düsengröße bestimmen den resultierenden Durchfluss.
Die Nachteile eines solchen Ventils sind seine Größe und seine relativ hohen Kosten. Außerdem ist eine gewisse minimale Druckdifferenz zwischen Vordruck und Nachdruck notwendig, um den druckkompensierenden Teil zu schließen. Die Düsengröße selbst ist ebenfalls limitiert, so dass zum Beispiel für einen Durchfluss von 200 ln/min ein Vordruck von > 150 bar a notwendig ist. Um diese Durchflüsse zu realisieren wird ein anderer Ventil-Typ benötigt, z.B. ein druckkompensiertes Ventil wie ein Faltenbalgventil.
3) Druckkompensierte Ventile
Es ist möglich, größere Düsenquerschnitte einzusetzen, um mit einem Direktregelventil höhere Durchflüsse zu regeln. Um dies zu erreichen muss die Druckkraft im Ventil reduziert werden. Das ist zum Beispiel mit einem druckkompensierten Faltenbalgventil passieren, bei dem die effektive Düsengröße für die Druckkraft signifikant reduziert ist (s. Bild 2). Mit dem Balgenventil können Durchflüsse von mehreren hundert Litern pro Minute mit einer minimalen Druckdifferenz geregelt werden. Allerdings ist hier der der Vordruck aufgrund der Bauart eingeschränkt und ein solches Ventil ist deutlich größer und kostenintensiver als ein normales direktgesteuertes Rregelventil.
Fazit: In Abhängigkeit vom Druck und vom Durchfluss haben Sie diese Möglichkeiten:
- Ein direktgesteuertes Hochdruckventil (bis 200 bar a und 20 ln/min), oder
- ein indirektes druckkompensiertes Ventil (bis 700 bar a und 200 ln/min)
- für hohe Durchflüsse bei geringem Druck ist ein druckkompensiertes Balgenventil die beste Lösung.
Erfahren Sie mehr über unsere Regelventile, die wir in unseren Durchflussreglern und Druckreglern einsetzen!
Frau Prof. Aufderheide arbeitet seit mehr als 30 Jahren im Bereich der zell-basierten Alternativmethoden mit Forschungsschwerpunkt Inhalationstoxikologie, das heisst, der Wirkung luftgetragener Wirkstoffe auf die Epithelzellen des Atemtraktes. Hierfür hat sie mit ihren Mitarbeitern spezielle Geräte entwickelt, die patentierten CULTEX RFS Module, die eine direkte Behandlung der kultivierten Zellen mit diesen Wirkstoffen erlauben. Die zunehmende Luftverschmutzung der Umwelt und des Arbeitsplatzes verlangen nach derartig neuen Prüfmethoden, um Vorhersagen zum Gefährdungsrisiko solcher Stoffe machen zu können. Die hohe Empfindlichkeit der biologischen Prüfsysteme erfordert einen stabilen und präzisen technischen Aufbau zur Testung der jeweiligen Atmosphäre, wobei neben der CULTEX Technologie die Massenflussregler zur Adjustierung und Kontrolle der Aerosolströme über den Zellen von ausschlaggebender Bedeutung sind.
Die E-Zigarette
Die Geschichte von uns Menschen ist geprägt von der Empfänglichkeit gegenüber Genussmitteln. Dazu gehören seit der Frühzeit sowohl berauschende Mittel wie z.B. Alkohol, aber auch das Rauchen.. Obwohl die gesundheitlichen Risiken jedem von uns bekannt sind, geben „die meisten Menschen ihre Laster erst dann auf, wenn sie ihnen Beschwerden bereiten“ (William Sommerset Maugham).
Insbesondere das Rauchen unterliegt dieser Devise. Es ist allgemein bekannt, dass übermäßiger Rauchkonsum das Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen bis hin zum Lungenkrebs erhöht und trotzdem erliegen wir der Versuchung des „blauen Qualms“. Epidemiologische Studien haben uns immer wieder die Schädlichkeit dieser Genusssucht vor Augen geführt, aber der versprochene Verzicht auf die Zigarette scheitert oftmals, trotz der Gewissheit, dass jede Zigarette eine zu viel sein kann.
Hier propagiert die Zigarettenindustrie die E-Zigarette als die Alternative. Bei der Verbrennung von Tabak entstehen tausende von Schadstoffen, die der Raucher natürlich auch einatmet. Bei der E-Zigarette hingegen wird ein Nebel eingeatmet, der keine gesundheitsgefährdenden Produkte eines Verbrennungsprozesses enthalten soll. Dieser „Dampf“ wird aus einer aromatisierten Flüssigkeit (Hauptinhaltsstoffe: Propylenglycol, Glycerin, Ethanol, diverse Aromastoffe und nach Bedarf Nikotin) mit Hilfe eines sogenannten Atomizers erzeugt.
Die elektronische Zigarette wird dementsprechend als „gesündere„ Alternative zur herkömmlichen Zigarette und zur Rauchentwöhnung von der Zigarettenindustrie gepriesen. Es wird sehr viel Geld investiert, um wissenschaftlich nachzuweisen, dass die Produkte der E-Zigarette nicht so schädlich sind wie die des Tabakproduktes. Im Prinzip ist diese Aussage richtig. Doch beantwortet sie nicht die Frage nach der Wirkung der „Dampfes“ an sich. Epidemiologische Studien wie zum Zigarettenrauch liegen uns nicht vor und deshalb kann niemand ausschließen, dass übermäßiger- oder Langzeitkonsum unsere Gesundheit gefährden kann.
In-Vitro-Untersuchungen
Wie kann ich mich nun einer solchen Frage nähern? Es bleibt nur die Durchführung von In-Vitro-Untersuchungen. Hierfür benutzen wir lebende Zellkulturen als Alternative zu Tierversuchen.
Inhalierte Wirkstoffe treffen in der Lunge zunächst auf die sie auskleidenden Epithelien. Diese sind aus einer Vielzahl von Zellen aufgebaut, die aufgrund ihrer speziellen Funktionen der Abwehr bzw. Inaktivierung der inhalierten Stoffe dienen. Hier finden wir Schleim-produzierende Zellen, die mit ihrem Sekret solche Schadstoffe „abfangen“, als auch Zilien- tragende Zellen, die diesen Schleim dann abtransportieren können. Andere Zellen dienen der Entgiftung und in einem intakten Körper verfügen wir über ausreichend Ersatzzellen, die geschädigte oder abgestorbene Zellen in ihren Funktionen ersetzen können. Im Bereich der Zell-basierten Forschung können wir derartige Zellpopulationen vom Menschen für die Forschung zur Verfügung stellen (siehe Abbildung 2A). Die Zellen werden in sogenannten Transwells auf mikroporösen Membranen kultiviert, wobei sie von der Unterseite über die Membran mit Nähstoffen versorgt werden, während der apikale (äußere) Teil der Kultur mit der umgebenden Atmosphäre reagieren kann.
Massendurchflussregler – Die Wächter der Zellexposition
Hier haben wir über Jahre effiziente Expositionssysteme für Zellen entwickelt, die sogenannten CULTEX®RFS Module, die eine direkte, stabile und reproduzierbare Exposition von kultivierten Lungenzellen an der Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht (Air-Liquid Interface - ALI) erlauben (siehe Abbildung 1A). Speziell diese Stabilität ist der Garant für aussagekräftige Ergebnisse und wird zum Einen durch das aerosolphysikalisch abgestimmte Design der CULTEX®RFS Module als auch durch den Einsatz der Computer-gesteuerten Massendurchflussregler (IQ+FLOW Serien und EL-FLOW Select Serien der Firma Bronkhorst) garantiert, die in Steuerung und Auslegung den Bedürfnissen einer zellbasierten Exposition angepasst sind. Die Durchflussregelung sorgt für eine genaue und reproduzierbare Atmosphäre zur Exposition der Zellen an den Testgasen. Erst diese Robustheit im Experimentalaufbau liefert uns Ergebnisse, die Rückschlüsse auf die Wirkung der jeweiligen Testatmosphäre ermöglichen. In diesem Fall wurde der E-Zigarettendampf (50 Züge pro Behandlung) und im Vergleich dazu normaler Zigarettenrauch (24 Züge pro Behandlung) druckfrei über die differenzierten Zellen gezogen, wobei die Zellen über 8 Tage der jeweiligen Behandlungsdosis ausgesetzt waren. Als Kontrolle dienten mit Reinluft behandelte Zellen.
Abbildung 1: A. CULTEX®RFS Compact mit 6 Transwell-Positionen, die separat mit der Testatmosphäre beaufschlagt werden. B. Die Testatmosphäre wird unter Steuerung über die Massendurchflussreglers zentral in das Modul geführt, radial zu den Zellkulturgefäßen verteilt und kontinuierlich über die Zellen gesaugt.
Die Ergebnisse sind in Abbildung 2 zusammengefasst und brachten erstaunliches zu Tage. Der Vergleich der histologischen Präparate der mit Rauch und E-Zigaretten Dampf behandelten Zellen zur Reinluftkontrolle zeigte, dass Zigarettenrauch – wie erwartet - eine deutliche Reduktion sowohl in der Schleimproduktion als auch der Zilienanzahl und -ausprägung erzeugte. Aber, ein vergleichbarer wenn auch weniger ausgeprägter Effekt konnte auch für das e-Liquid Aerosol nach dieser Behandlungsperiode beobachtet werden. Im Vergleich zu den mit Reinluft behandelten Zellen haben wir hier eine signifikante Wirkung, die uns auf jeden Fall zu denken geben muss. Die Aussage „der Dampf ist weniger wirksam als Rauch“ darf nicht mit der Schlussfolgerung assoziiert werden, das der Dampf keine Wirkung hat. In Zukunft muss man sich dieser Problematik annehmen, um Langzeitschäden prophylaktisch begegnen zu können.
Abbildung 2: Querschnitt durch Zellkultur-Insert-Membranen mit HE (Hematoxylin und Eosin) gefärbten, immortalisierten NHBE-Zellen (CL-1548). Nach 21 Tagen Kultivierung an der Luft-Flüssigkeits-Interface wurden die Zellen wiederholt (täglich für fünf Tage und nach einer Erholungsphase von zwei Tagen wieder an drei aufeinanderfolgenden Tagen, maximaler Expositionszyklus: 8 Rauchexpositionswiederholungen) sauberer Luft (CA), Mainstream-Zigarettenrauch (CS; 4x K3R4F-Zigaretten pro Lauf nach ISO 3308, University of Kentucky, Lexington, KY, USA) und E-Liquid Dampf (EC) ohne Nikotin (Tennessee Cured, Johnsons Creek, Hartland, WI, USA) ausgesetzt. K3R4F Zigaretten wurden von einem Rauchroboter geraucht und wie folgt bedient: 24 Züge mit einem Volumen von 35 mL in 2 s, einer Ausblaszeit von 7 s und einem Zugabstand von 10 s. Der elektronische Zigarettentyp InSmoke Reevo Mini (InSmoke Shop, Schweiz) wurde vergleichbar behandelt: 50 Züge (Volumen 35 mL, Zugdauer 2 Sekunden, Low-Out-Zeit von 7 Sekunden) mit einem Zugintervall von 10 s.
Mehr Informationen finden Sie auf der Webseite von Cultex Technology und im Blog.
Angesichts der Digitalisierung von Produktionsverfahren, ist Wartung ein wichtiges Thema für viele Unternehmen. Wartung lässt sich im weitesten Sinne als alles definieren, was mit der Funktionalität von Massendurchflussmessern und -reglern zu tun hat. Wartung umfasst korrektive Wartung, also notwendige Wartung, weil Geräte z.B. verschmutzt sind, aber auch präventive Wartung oder die regelmäßige Rücksendung von Instrumenten zu Überprüfungs- oder Kalibrationszwecken. Instrumente werden zunehmend auf die Zukunft vorbereitet und immer intelligenter. In diesem Zusammenhang spielt zustandsabhängige Wartung (condition-based maintenance) eine Rolle. Daher verlegen wir uns zunehmend auf vorausschauende Wartung (predictive maintenance), um außerplanmäßige Ausfälle und die damit verbundenen Probleme zu reduzieren. Der Einfluss von Gesetzen und Vorschriften auf die Wartung nimmt ebenfalls zu. Auf vielen Märkten nehmen die Anforderungen zu, die an die Wartung von Instrumenten gestellt werden.
Die Bedeutung einer angemessenen Wartung
Für die Kunden von Bronkhorst hat die Wartung ihrer Massendurchflussinstrumente eine erhebliche wirtschaftliche Bedeutung. Massendurchflussinstrumente von Bronkhorst sind äußerst robust designt und unter normalen Bedingungen verschleißunempfindlich. Wir stellen jedoch fest, dass Instrumente immer häufiger unter extremen Prozessbedingungen verwendet werden. Eine angemessene Wartung verringert die Wahrscheinlichkeit, dass ein Instrument unter vergleichbaren Bedingungen plötzlich und unerwartet ausfällt. Unerwartete Ausfälle verursachen unmittelbare Kosten, da die Mitarbeiter zusätzliche Zeit benötigen, um das Instrument kontrollieren und reparieren zu lassen. Aber auch der Gewinn oder die Produktionsqualität werden kurzfristig negativ beeinflusst, und das kann langfristig negative Auswirkungen auf das Image des Produktes oder des Herstellers haben.
In der Industrie 4.0 spielt die Wartung eine große Rolle. Nach der Erfindung der Dampfmaschine, der Massenproduktion mit Elektromotoren und der darauf aufbauenden Automatisierung befinden wir uns aktuell in der vierten industriellen Revolution. Kern der Industrie 4.0 ist, dass für Daten und ihren Austausch schnelle Netzwerkverbindungen genutzt werden, um industrielle Produktionstechniken noch effizienter und intelligenter zu machen. Diese Entwicklung wird daher auch als „smarte Industrie“ bezeichnet. Einer der wichtigsten Faktoren der Industrie 4.0 ist die Reduzierung der "cost of ownership". Mit diesen Digitaltechniken können Wartungskosten um mindestens 30 % reduziert werden, und ungeplante Ausfälle können um mindestens 70 % reduziert werden. *1) Diese Zahlen sind beträchtlich – es steht uns also noch viel bevor.
Wie sah die Wartung von Massendurchflussinstrumenten in der Vergangenheit aus, wie sieht sie heute aus, und wie sieht sie nach den Plänen von Bronkhorst in der Zukunft aus? Und welche Rolle spielt die Industrie 4.0 dabei?
Wartung im Lauf der Jahre
Gerätewartung vor Ort
Korrektive Wartung
In den Anfangsjahren von Bronkhorst war korrektive Wartung (corrective maintenance) die Norm. Die meisten Massendurchflussmesser und -regler waren noch analog und hatten keine Diagnoseparameter. Wenn ein solches Instrument einen Service benötigte, dann wurde es zu Bronkhorst geschickt, oder ein Servicetechniker besuchte den Kunden vor Ort. Dieses Verfahren kostete aufgrund der langen Ausfallzeiten viel Zeit und Geld. Später wurden ein globales Servicenetz mit 20 GSOs (Global Service Offices, autorisierte Serviceabteilungen weltweit) und ein Helpdesk eingerichtet, das rund um die Uhr verfügbar ist. Um einen schnellen Service gewährleisten zu können, sind immer Ersatzteile auf Lager.
Vorbeugende Wartungsmaßnahmen
Im digitalen Zeitalter, das nach der Jahrhundertwende begann und eigentlich noch immer andauert, kam die präventive Wartung (preventive maintenance) auf. Kunden schickten ihre Instrumente regelmäßig an eine Serviceabteilung von Bronkhorst, damit sie dort gewartet und kalibriert werden konnten. Das erforderte viel Planung und Zeit, aber es war immerhin ein geplanter Ausfall. So konnte zwar die Wahrscheinlichkeit eines ungeplanten Ausfalls reduziert werden, aber es gab keine Garantie, dass nicht doch noch etwas kaputt gehen könnte.
Unsere Service-Abteilung hilft weiter
Seit 2004 können Instrumente aus der Ferne ausgelesen werden; diesen Service nennen wir „Remote Support“. Wir können dabei aus der Ferne überprüfen, ob ein Prozess beim Kunden instabil ist. Der Kunde schließt sein Instrument an einen PC oder Laptop an, der mit dem Internet verbunden ist. Anhand der internen vorhandenen Diagnoseparameter kann der Status des Instruments ausgelesen werden. Mithilfe der Statusanzeige oder der Ergebnisse legen wir gemeinsam mit dem Kunden die Folgemaßnahmen fest. Unter anderem können wir die Regeleinstellung (PID-Werte) ändern, wenn wir feststellen, dass ein Prozess nicht wie gewünscht geregelt ist.
Ein gutes Beispiel dafür ist ein Kunde aus Kanada, der vor kurzem bei der World Wide Support Line anrief. Er erklärte, dass ein Analyzer, der bei ihm mit einem Dampfdosiersystem von Bronkhorst (CEM) angeschlossen war, Wasser nicht erkennen konnte. Im „Remote Support“ konnten wir mithilfe von Bronkhorst-Software feststellen, dass der Kunde seine Steuerung in einem Punkt nicht richtig eingestellt hatte: Der Flüssigkeitsregler von Bronkhorst erhielt nicht den richtigen Setpoint-Wert, sodass das Regelventil der Wasserzufuhr nicht aktiv war. Wie wurde das Problem gelöst? Gemeinsam mit dem Kunden haben wir die richtigen Einstellungen für sein Verfahren festgelegt. Dadurch konnten wir dem Kunden umgehend helfen. Es war also nicht notwendig, das Instrument an unsere Serviceabteilung zu schicken oder einen Servicetechniker zu entsenden. Auf diese Weise konnten kostbare Zeit und Mittel gespart werden.
Vorbereitung auf die Zukunft
Damit wir unsere Kunden mit unserem „Remote Support“ demnächst noch besser unterstützen können, bieten wir in Kürze den Service Bronkhorst Expert Eye an. Dabei handelt es sich um eine Smartphone-App mit Videounterstützung. Kunden und Servicetechniker von Bronkhorst können mit dieser App direkten Kontakt aufnehmen und Service in Echtzeit in Anspruch nehmen bzw. anbieten. Dank Bild- und Tonunterstützung können wir so unmittelbar Hilfe bieten.
In Zukunft wollen wir unsere Geräte noch intelligenter machen, um unseren Kunden weitere Sorgen abzunehmen. Unsere aktuellen Instrumente nutzen bereits Daten, die potenziell wertvolle Informationen über den Zustand eines Instruments oder die Prozessqualität des Systems bieten, zu dem der Massendurchflussregler gehört. Diese Daten wollen wir in Informationen für die präventive Wartung, Prozessüberwachung und Prozessoptimierung umwandeln.
Wir planen, diese Anwendung mit Ihnen gemeinsam weiterzuentwickeln. Wir freuen uns, Ihnen weitere Informationen zu spezifischen Datenlösungen für Massendurchflussregler, zustandsabhängige Wartung und Präventivwartung zukommen zu lassen
Jean-François Lamonier forscht und lehrt an der Universität Lille. Er beschäftigt sich insbesondere mit Katalysatoren für die Entfernung flüchtiger organischer Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOC) aus Abgasen. Jean-François Lamonier leitet die Forschungsgruppe zum Thema Sanierung und katalytische Materialien („Remédiation et Matériaux Catalytiques“, REMCAT) der Abteilung für Katalyse und Festkörperchemie („Unité de Catalyse et Chimie du Solide, UCCS). Die Arbeitsgruppe konzentriert sich auf die katalytische Entfernung von Luftschadstoffen aus Abgasen, die von festen Quellen (Industrie) und mobilen Quellen (Fahrzeugen) ausgestoßen werden. Im vorliegenden Blogbeitrag stellt er seine Forschungstätigkeit vor und erklärt die Funktion der von ihm verwendeten Instrumente für Durchflussmessung und -regelung.
Forschung bei REMCAT
Die Forschungsgruppe REMCAT („Remédiation et Matériaux Catalytiques“) der Abteilung Katalyse und Festkörperchemie („Unité de Catalyse et Chimie du Solide, UCCS)
Die Forschungsgruppe REMCAT besteht aus sechs in Forschung und Lehre tätigen Mitgliedern. Ihre Arbeit konzentriert sich auf die katalytische Nachbehandlung von Luftschadstoffen, insbesondere von Stickoxiden (NOx und N2O) sowie von flüchtigen organischen Verbindungen (FOV). Unsere Gruppe verfügt über vielfältige Kompetenzen im Bereich der heterogenen Katalyse: Katalysatorsynthese, Beschreibung neuer katalytischer Rezepturen, Leistungsbewertung in gründlichen katalytischen Tests, präzise Beschreibung der Katalysatoren mithilfe von Operando-Infrarotspektroskopie, Reaktionskinetik und Reaktorsimulation.
Wirksame Abluftreinigung durch die Kombination von nichtthermischem Plasma mit Katalyse
Auf Grundlage dieses umfassenden Portfolios an Kompetenzen im Bereich Umweltkatalyse entwickeln wir innovative Verfahren, die verschiedene Technologien umfassen und somit eine wirksamere, kostengünstigere und umweltfreundlichere Entfernung von Luftschadstoffen ermöglichen. Wir arbeiten mit verschiedenen nationalen und internationalen Forschungsgruppen zusammen, insbesondere mit der „Research Group Plasma Technology“ der Universität Gent, die auf die Entwicklung von Plasmareaktoren spezialisiert ist. Wir wiederum bringen unsere Kompetenzen im Bereich der heterogenen Katalyse ein, sodass wir gemeinsam Verfahren entwickeln können, die nichtthermisches Plasma mit Katalyse kombinieren. Diese Forschungsarbeit erfolgt im Rahmen des kürzlich von uns gegründeten internationalen gemeinsamen Laboratoriums „Plasma-Catalyse“ und des europäischen Interreg-V-Projekts „DepollutAir“, das unsere Forschung derzeit finanziert .
Einsatz der Adsorptionsfunktion im Transformationsverfahren der Plasmakatalyse
Die klassischen Verfahren der Plasmakatalyse zur Entfernung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) aus industriellen Abgasen erfordern eine ständige Energiezufuhr. Unser Ansatz integriert nun eine Funktion, die den Schadstoff im Transformationsverfahren durch Plasmakatalyse schon vorher adsorbiert. Dies ermöglicht eine sequenzielle Anwendung des Plasmas zur Entfernung von flüchtigen organischen Verbindungen sowie die Rückgewinnung des Adsorbens und damit deutliche Energieeinsparungen. Unsere Forschungsgruppe bringt ihre Kompetenzen in die Entwicklung neuer Adsorptions- und Katalysematerialien und in deren präzise Beschreibung ein.
Durchflussmesser und -regler in Anwendungen zur katalytischen Entfernung flüchtiger organischer Verbindungen (VOC)
Im Rahmen unserer Forschung müssen wir VOC-Mischungen herstellen, um industrielle Abgase zu simulieren. Diese Abgase sind je nach Art der industriellen Anlagen unterschiedlich, und wir müssen sie möglichst realistisch nachbilden. Daher müssen wir in der Lage sein, Abgase mit sehr unterschiedlichem VOC-Gehalt und mit ganz verschiedenen VOC – beispielsweise Formaldehyd, Toluol, Chlorbenzol, Trichlorethen und Butanal – zu produzieren.
Verdünnungssysteme mit Coriolis-Durchflussmesser
Zu diesem Zweck verwenden wir ein Verdünnungssystem von Bronkhorst, das einen Coriolis-Durchflussmesser, einen Druckregler (Überströmventil) und mehrere Massedruckregler umfasst. Wir brauchten eine Ausstattung, mit der sich geringe VOC-Konzentrationen erzielen lassen, denn die immer strengeren Vorschriften führen dazu, dass der VOC-Gehalt in den freigesetzten Abgasen abnimmt. Außerdem sollte das System möglichst flexibel sein und sich an die verschiedenen ins System eingespeisten und in Gas umgewandelten Flüssigkeiten sowie an den VOC-Gehalt der Abgase, der zwischen 10 und 1000 ppmv betragen kann, anpassen.
Katalytische Formulierungen
Die relative Feuchte der Abgase ist ein wichtiger Parameter, der bei der Entwicklung katalytischer Rezepturen zu berücksichtigen ist. Wenn Wasserdampf vorhanden ist, kann sich dies nämlich positiv oder negativ auf die Leistung des Katalyseverfahrens auswirken. Daher muss das System zur Abgasherstellung auch in der Lage sein, eine veränderliche relative Feuchte der Gasmischung zu generieren.
Damit wir dem jeweiligen Industriebetrieb eine passende Katalysatorrezeptur anbieten können, muss außerdem nicht nur sichergestellt sein, dass der Katalysator aktiv und selektiv ist (d. h. dass er das gewünschte Ergebnis erzielt), sondern auch, dass er im Zeitverlauf stabil bleibt. Denn natürlich wäre es praktisch unzumutbar, wenn ein Katalysator nur einen Tag funktionierte und danach ersetzt werden müsste. Deshalb müssen wir die nachgestellten industriellen Abgase konstant über mehrere Tage generieren. Wenn ein Katalysetest nur einen Tag dauert, können wir notfalls einen Ausströmer verwenden. Wenn wir jedoch die zeitliche Stabilität eines Katalysators prüfen müssen, führen wir lang andauernde Tests durch. Nur so erfahren wir, ob der Katalysator seine Aktivität über mehrere Tage beibehält. Mit einem klassischen System wäre es komplizierter, solche langen Tests durchzuführen, während wir mit dem System von Bronkhorst einen gleichmäßigen, dauerhaften Gasfluss ohne plötzliche VOC-Spitzen generieren können. Das ist definitiv ein großer Vorteil für die Validierung unserer Verfahren.
Hier erhalten Sie weitere Informationen zur Forschungstätigkeit von Jean-François Lamonier und der Forschungsgruppe REMCAT aus der Abteilung Katalyse und Chemie von Feststoffen (UCCS).
Unser Gastblogger ist diesmal Dr. Jornt Spit, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Forschungsgruppe Radius der belgischen Thomas More Fachhochschulgruppe. Er befasst sich vor allem mit Biochemie und Biotechnologie. Die Wissenschaftler der Forschungsgruppe Radius arbeiten an der Entwicklung einer erneuerbaren Biomasse aus eigens gezüchteten Algen und Insekten, die anschließend im Rahmen einer Bioökonomie zu wertvollen Rohstoffen weiterverarbeitet werden. Bei ihrer Arbeit nutzen sie Massendurchflussregler von Bronkhorst, um Kohlendioxid exakt dosiert hinzufügen zu können.
CO2 als wertvolle alternative Kohlenstoffquelle
ohlendioxid (CO2) hat in den vergangenen Jahren zunehmend an Bedeutung als wertvolle Kohlenstoffquelle gewonnen. Natürlich erhält auch die ansteigende CO2-Konzentration in der Atmosphäre immer mehr öffentliche Aufmerksamkeit. Da unsere Gesellschaft immer mehr Wert auf Nachhaltigkeit legt, arbeiten wir an der Thomas More Fachhochschule an der Weiterentwicklung der Kreislaufwirtschaft und der Bioökonomie. Das bedeutet, dass Materialien, Chemikalien und Energie aus erneuerbaren (Energie-)Quellen stammen und nicht aus fossilen Kraftstoffen. Alternative Biomasse kann in diesem Zusammenhang eine wichtige Quelle werden.
Unsere Forschungsgruppe befasst sich mit der Erzeugung von erneuerbarer Biomasse, unter anderem in Form von Algen. Die Zucht erfolgt unter kontrollierten Bedingungen in den großen horizontalen Röhren eines Fotobioreaktors (s. Bild). Als Quelle nutzen wir sauberes CO2. Die von uns angebauten Algen sind vielseitig einsetzbar. Zum Beispiel können sie in der Futtermittelbranche („Feed“), in der Lebensmittelindustrie („Food“), im Gesundheitswesen („Neutrazeutika“) oder in der Kosmetikbranche eingesetzt werden. Als Forschungsgruppe befassen wir weniger mit der Ausarbeitung dieser praktischen Anwendungen, sondern konzentrieren uns auf die Optimierung der Algenzucht, d.h. auf die verfahrenstechnischen Aspekte.
Umwandlung von Algen in wertvolle Rohstoffe
Mikroalgen bilden eine sehr große und diverse Gruppe. Bekannt sind über 50.000 verschiedene Arten, aber wahrscheinlich gibt es mehrere hunderttausend Arten. In der Regel handelt es sich um Einzeller, die in manchen Fällen auch Kolonien bilden können. Algen sind photoautotrophe Organismen, die CO2 als Kohlenstoffquelle nutzen und durch Photosynthese in Zucker umwandeln. Die von uns gezüchteten Mikroalgen enthalten besonders viele interessante Stoffe. An erster Stelle stehen Eiweiße, Zucker und Fette. Darüber hinaus produzieren Mikroalgen hochwertige Chemikalien wie Pigmente und Antioxidantien. Unter anderem züchtet Radius eine spezielle Alge, die den kostbaren roten Farbstoff Phycoerythrin produziert. Algen sind im Grunde kleine Fabriken, die viele dringend benötigte Stoffe herstellen. Um diese Stoffe synthetisch zu produzieren, müssen wir also nicht unbedingt das Rad neu erfinden. Algen bringen alle evolutionären Voraussetzungen mit, um diese Stoffe herzustellen, und brauchen dazu lediglich etwas Sonne, CO2 und diverse Nährstoffe. Es besteht also ein erhebliches Potenzial für die Verwendung dieser Stoffe.
Eine Algenkultur wächst und verdichtet sich durch Zellteilung. Wenn die Umstände dies zulassen, teilen sich die Algen, bis die Kultur ihre maximale Dichte erreicht hat. Ist dieser Punkt erreicht, werden die Algen geerntet: Die Algenbiomasse ist also selbst das Produkt. In unseren hermetischen Fotobioreaktoren erreichen wir eine Dichte von 1 bis 2 Gramm Trockenmasse pro Liter, die wir ernten können. Diese Biomasse kann unmittelbar als Nährstoff oder Futtermittel verwendet werden, aber wir können sie auch weiterverarbeiten, „aufbrechen“, und die gewünschten Stoffe mittels Bioraffinierung oder Extraktion isolieren. Der gesamte Prozess der Algenzucht, -ernte und -weiterverarbeitung ist eine große Herausforderung, bei der jeder Schritt wichtig ist und möglichst effizient umgesetzt werden muss, damit das Verfahren rentabel bleibt.
Massendurchflussregler für exakte Zufuhr
Um das Wachstum zu optimieren, ist es wichtig, Algen auszuwählen, die unter den hiesigen Bedingungen gut wachsen. Nicht alle Algen können CO2 mit der gleichen Effizienz speichern, und nicht alle Algen wachsen mit der gleichen Geschwindigkeit. Wir untersuchen, bei welchen Temperaturen die verschiedenen Algenarten am besten wachsen und wie viel Licht sie benötigen. Auf unserem Campus nutzen wir natürliches Sonnenlicht, da die Fotobioreaktoren in einem klimakontrollierten Treibhaus untergebracht sind. Tagsüber scheint die Sonne, sodass die Algen wachsen. In den Nächten findet kein Wachstum statt. Im Rahmen des Interreg-Projekts „EnOp“ arbeiten wir u.a. mit dem folgenden Forschungsauftrag: Wie viel schneller wachsen die Algen, wenn wir den Reaktor mit CO2 anreichern, und welche Algenarten sind besonders effizient beim Speichern von CO2? Dafür brauchen wir Massendurchflussregler, denn wir wollen genau wissen, wie viel CO2 wir zugeführt haben.
Das CO2 wird mit der Luft vermischt, die in den Reaktor geleitet wird, woraufhin sich das CO2 im flüssigen Kulturmedium auflöst, das auch die anderen Nährstoffe enthält. Da CO2 in Wasser Kohlensäure bildet und damit schwach sauer ist, sinkt der Säuregrad (pH) des Mediums immer weiter. Das sorgt für einen negativen Effekt, denn die meisten Algen wachsen am besten bei einem pH-Wert von etwa 7 bis 8. Aber wenn Algen wachsen, nehmen sie CO2 aus dem Medium auf, sodass der pH-Wert wieder steigt. Der Säuregrad ist äußerst kritisch. Wenn der pH-Wert in den gewünschten Bereich kommt, neigen die Algen zum Ausflocken. In diesem Fall können die Massendurchflussregler aktiviert werden, um das CO2 so zu dosieren, dass der pH-Wert stabil bleibt und den optimalen pH-Wert der Alge nicht überschreitet. Daher wird der pH-Wert im Dosiersystem eingestellt, damit CO2 je nach Bedarf zugeführt werden kann. So können wir die maximale Wachstumsgeschwindigkeit der Alge und die benötigte CO2-Menge ermitteln.
Wenn zu viel CO2 zugeführt wird, sinkt der pH-Wert des Mediums zu stark, was das Wachstum der Alge negativ beeinflusst. Wenn zu wenig CO2 zugeführt wird, ist das eigentlich kein Problem, aber die Algen wachsen dann langsamer, weil es an Kohlenstoff mangelt. Die zugeführte CO2-Menge muss also genau abgestimmt werden. Außerdem braucht das CO2 Zeit, um sich in Kohlensäure und anschließend in das biologisch verwertbare Carbotat bzw. Hydrogencarbonat umzuwandeln. Wenn sich das CO2 nicht umwandelt, dann entweicht es wieder aus dem Reaktor, und das ist Verschwendung. Die effektive Auflösung des CO2 ist also ein Faktor, der ebenfalls berücksichtigt werden muss. Die bauliche Planung des Reaktors ist also ebenfalls von Bedeutung.
Genauigkeit spielt eine große Rolle in diesem Prozess. Der Massendurchflussregler sorgt dafür, dass wir mit einem bestimmten pH-Wert arbeiten können und genau wissen, wie viel CO2 hinzugefügt wurde.
Wie sieht die Zukunft aus?
Wenn sich aus diesem Prozess tatsächlich eine Produktion entwickelt, dann ist die Logistik ausschlaggebend dafür, woher das CO2 kommt. Grundsätzlich können Rauchgase aus der Industrie verwendet werden, aber dann müssen Stoffe wie Schwefel- und Stickstoffoxid, die in diesen Rauchgasen enthalten sind und das Algenwachstum behindern, wenn sie in einer bestimmten Konzentration auftreten, entfernt werden. Das kann nur mit technischen Hilfsmitteln gelöst werden. Es bleibt die Frage, wie weit die Algenfabrik von der CO2-Quelle entfernt sein darf? Wenn die Entfernung zu groß ist, muss das CO2 in einer anderen oder kontrollierten Form transportiert werden, zum Beispiel als Bikarbonat. Außerdem können Air-Capture CO2-Units entwickelt werden, mit denen vor Ort zusätzliches CO2 aus der Luft entnommen wird. Zum Beispiel arbeitet die Universität Twente im Rahmen eines anderen Interreg-Projekts, IDEAL, zum Algenwachstum in Nordwesteuropa, an dem auch Radius Thomas More beteiligt ist, an der Entwicklung solcher Units. Die technologischen Voraussetzungen sind da, aber letztendlich kommt es immer darauf an, wie kostenintensiv die neue Technologie sein wird.
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Quelle: Für diesen Blogbeitrag wurde Jornt Spit von Eddy Brinkman (Betase/Bronkhorst) interviewt.