DE4215147A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines nichtkontaminierenden Stickstoff-Wasserdampf-Nebels, insbesondere zum Sichtbarmachen von Strömungsverläufen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeu­ gen eines nichtkontaminierenden Stickstoff-Wasserdampf-Ne­ bels, insbesondere zum Sichtbarmachen von Strömungsverläu­ fen, bei dem zur Erzeugung des Stickstoff-Wasserdampf-Nebels flüssiger Stickstoff und Reinstwasserdampf gemischt werden, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vor­ richtung zum Erzeugen eines derartigen Stickstoff-Wasser­ dampf-Nebels nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Allgemein befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Erzeugung eines nichtkontaminierenden und nichtgiftigen Stickstoff-Wasserdampf-Nebels zur Sicht­ barmachung von Strömungsverläufen und Verfolgung von Druck­ gradienten sowie zur detaillierten Untersuchung lokaler Strömungsfelder. Anwendungsgebiete derartiger Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von Nebel sind das Sichtbarma­ chen von Strömungsverläufen in Reinräumen oder bei reinen Technologien, bei denen es nicht zulässig ist, einen konta­ minierenden Nebel einzusetzen, da dies zur Deposition von schädigenden Rückständen auf der Ausrüstung und den Produkt­ oberflächen führen würde.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen von nichtkonta­ minierendem Stickstoff-Wasserdampf-Nebel zur Sichtbarmachung von Strömungen ist im Handel erhältlich und bezüglich seiner Struktur in der U.S.-A 4,771,608 geoffenbart. Bei der be­ kannten Vorrichtung wird der Nebel dadurch erzeugt, daß Reinstwasserdampf in einen mit flüssigem Stickstoff gefüll­ ten Behälter eingeleitet wird. Hierdurch entsteht der Nebel, der durch die Expansion des verdampfenden Stickstoffes das System schwallartig verläßt. Eingeleitet in das zu unter­ suchende Gebiet ermöglicht der Nebel die Sichtbarmachung von Strömungsrichtungen. Bedingt durch diese Art der Nebeler­ zeugung tritt der Nebel bei großer Zufuhr des Wasserdampfes mit hoher Geschwindigkeit in der Größenordnung von 3 m/s schwallartig aus der Austrittsöffnung aus, wodurch in diesem Fall eine detaillierte Untersuchung von lokalen Strömungs­ feldern nicht möglich ist. Bei niedriger Wasserdampfzufuhr besitzt der Nebel eine geringe Sichtbarkeit und löst sich nach wenigen Sekunden auf, so daß er nur eine Reichweite von wenigen Zentimetern hat. Für viele Anwendungsfälle kann daher die bekannte Vorrichtung nicht befriedigen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß der erzeugte Stickstoff-Wasserdampf-Nebel dicht und gut sichtbar ist und mit niedriger, gleichbleibender Strömungs­ geschwindigkeit in ein zu untersuchendes System einbringbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patenantspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 4 gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ohne tech­ nischen Mehraufwand gegenüber dem Stand der Technik die beim Stand der Technik auftretenden Probleme dadurch ausgeräumt werden können, daß der flüssige Stickstoff in den Reinstwas­ serdampf dosiert zugeführt wird, um den Stickstoff-Wasser­ dampf-Nebel zu erzeugen.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeich­ nung ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung näher erläutert. Es zeigt: die einzige Figur eine Prinzipdarstellung einer Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines nichtkontaminierenden Stickstoff-Wasserdampf-Nebels.

Wie in der Fig. gezeigt ist, umfaßt die Vorrichtung ein Ge­ häuse 1 mit einem wärmeisolierten Behälter 2 für flüssigen Stickstoff 2a und einen Reinstwasserbehälter 3 für Reinst­ wasser 3a. Der Stickstoffbehälter 2 ist über ein Stickstoff­ einlaßrohr 4 mit flüssigem Stickstoff 2a befüllbar. Das Stickstoff-Flüssigkeitsniveau im Behälter 2 ist über zwei Stickstoff-Füllstandssensoren 5a, 5b für minimalen bzw. maximalen Füllstand erfaßbar und über optische Anzeigevor­ richtungen 6a, 6b an der Außenseite des Gehäuses 1 anzeig­ bar. Ein Stopfen 7 dient zur Wärmeisolation der Einlaßöff­ nung des Stickstoffeinlaßrohres 4, welcher jedoch aus Sicherheitsgründen nicht vollständig abdichtend ausgeführt ist. Am Boden des Stickstoffbehälters 2 befinden sich zwei Stickstoffauslaßrohre 8, 9. Über eines der beiden Stick­ stoffauslaßrohre 8 kann nach Gebrauch eine etwaige Restmenge unverbrauchten flüssigen Stickstoffes durch Öffnen eines Stickstoffauslaßventiles 10 über einen Schlauch 11 mit na­ türlichem Gefälle außerhalb des Gehäuses 1 abgelassen werden.

Der Reinstwasserbehälter 3 ist unterhalb des Behälters 2 für flüssigen Stickstoff angeordnet. Der Reinstwasserbehälter 3 ist über ein Reinstwassereinlaßrohr 12 nach Öffnen eines Reinstwassereinlaßventiles 13 mit dem Reinstwasser befüll­ bar. Das Flüssigkeitsniveau in dem Reinstwasserbehälter 3 ist über zwei Reinstwasserfüllstandssensoren 14a, 14b für minimalen bzw. maximalen Füllstand erfaßbar und über opti­ sche Anzeigevorrichtungen 15a, 15b an der Außenseite des Gehäuses 1 anzeigbar. Über ein Auslaßrohr 16, das mit einem Wasserauslaßventil 17 versehen ist, kann nach Gebrauch eine etwaige Restmenge unverbrauchten Reinstwassers über den Wasserablaßschlauch 18 mit natürlichem Gefälle außerhalb des Gehäuses 1 abgelassen werden.

Unterhalb des minimalen Füllstandsniveaus ist in dem Reinst­ wasserbehälter 3 eine elektrische Heizvorrichtung 19 ange­ ordnet, deren Heizleistung über eine Versorgungsspannungs­ einstellvorrichtung 19a in Abhängigkeit von Steuersignalen einer Steuervorrichtung 28 steuerbar ist. Aus Sicherheits­ gründen ist im Deckel des Wasserbehälters 3 ein Überdruck­ ventil 20 angeordnet. Die Heizvorrichtung 19 dient dazu, das Reinstwasser soweit zu erwärmen, daß dieses teilweise ver­ dampft. Das bereits genannte Stickstoffauslaßrohr 9 des Behälters 2 für flüssigen Stickstoff steht über ein Stick­ stoffdurchflußsteuerventil 23, das von der Steuervorrichtung 28 angesteuert wird, über ein Stickstoffzuführrohr 22 mit der sich oberhalb des Reinstwasserniveaus ausbildenden Was­ serdampfphase 21 im Reinstwasserbehälter 3 in Verbindung, so daß eine von der Ansteuerung des Stickstoffdurchflußsteuer­ ventils 23 abhängige Stickstoffzuflußrate in die Wasser­ dampfphase 21 eindosiert werden kann.

Die Regelung der Dosierung ist bei dem hier gezeigten Aus­ führungsbeispiel durch das Stickstoffdurchflußsteuerventil 23 dargestellt, kann jedoch auch auf andere Art und Weise realisiert werden. Zum Beispiel ist es möglich, die Durch­ flußrate des flüssigen Stickstoffs dadurch zu steuern, daß der freie Querschnitt der Auslaßöffnung des Stickstoffaus­ laßrohres 9 durch einen in seiner Höhe verstellbaren Kegel verändert wird.

Durch die wohldosierte Zugabe des flüssigen Stickstoffes in die Wasserdampfphase 21 entstehen durch Kondensation des Wasserdampfes an dem tiefkalten Stickstoff kleinste Wasser­ tröpfchen, die einen dichten, gut sichtbaren Stickstoff-Was­ serdampf-Nebel bilden. Durch den Übergang des flüssigen Stickstoffes in die Gasphase bedingt durch die Erwärmung am heißen Wasserdampf und der damit verbundenen Expansion sowie Druckerhöhung innerhalb des Reinstwasserbehälters 3 wird der erzeugte Stickstoff-Wasserdampf-Nebel über ein Auslaßrohr 24 aus dem Gehäuse 1 getrieben. Durch eine geeignete Zuführung (nicht dargestellt) wird der Stickstoff-Wasserdampf-Nebel in das zu untersuchende Gebiet eingeleitet.

Mit Hilfe eines Reglers 25 an der Gehäusewand kann die ge­ wünschte Nebelmenge zwischen einem minimalen und einem maxi­ malen Wert eingestellt werden. Der vorgewählte Stellwert am Regler 25 wird mit den Meßwerten eines Druckmeßgerätes 26, das den Druck in der Dampfphase 21 des Reinstwasserbehälters 3 mißt, und mit den Meßwerten eines Temperaturmeßgerätes 27, das die Temperatur des Stickstoff-Wasserdampf-Nebels im Aus­ laßrohr 24 mißt, in der Steuervorrichtung 28 korreliert. Diese Steuervorrichtung, die als Steuerlogik ausgebildet sein kann, liefert als Ausgangssignale die Stellwerte für die einstellbare Heizvorrichtung 19 und für das Stickstoff­ durchflußsteuerventil 23. Die Regelung erfolgt derartig, daß die gewünschte Nebelmenge bei optimaler Qualität des abzu­ gebenden Stickstoff-Wasserdampf-Nebels abgegeben wird. Unter Nebelqualität sei eine gute Sichtbarkeit und zeitliche Beständigkeit des Stickstoff-Wasserdampf-Nebels sowie eine möglichst geringe Beeinflussung der Umgebungsparameter, wie Temperatur und Luftströmung, durch den austretenden Stick­ stoff-Wasserdampf-Nebel verstanden. Insbesondere soll die Regelung derart erfolgen, daß der Stickstoff-Wasserdampf-Ne­ bel mit geringer Ausströmgeschwindigkeit das Nebelauslaßrohr 24 verläßt und Raumtemperatur besitzt.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der er­ findungsgemäßen Vorrichtung ist nicht auf den beschriebenen Anwendungsfall beschränkt. Anwendungen des Verfahrens und der Vorrichtung ergeben sich überall dort, wo eine Konta­ minierung einer zu untersuchenden Umgebung durch ein Ver­ fahren zur Sichtbarmachung von Strömungsverläufen nicht zu­ lässig ist. Dies gilt für die Reinraumtechnik und andere hochsensible Anwendungsgebiete, wie beispielsweise die Halb­ leitertechnik, die Medizin, die Pharmazie und die Lebensmit­ teltechnik.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht sowohl ein groß­ flächiges Sichtbarmachen von Strömungsverläufen beispiels­ weise im Bereich der turbulenzarmen Verdrängungsströmung von Reinräumen als auch die detaillierte Untersuchung lokaler Strömungsbereiche, wie beispielsweise von Abrißkanten und im Nahbereich von Wärmequellen.

Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugbare dichte und gut sichtbare Stickstoff-Wasserdampf-Nebel eignet sich besonders zur Dokumentation des Strömungsbildes durch Foto- und Video-Techniken.

Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugbare Stick­ stoff-Wasserdampf-Nebel ist nicht giftig und daher auch im Zusammenhang mit biologischen Systemen anwendbar.

Claims (4)

1. Verfahren zum Erzeugen eines nichtkontaminierenden Stickstoff-Wasserdampf-Nebels, insbesondere zum Sicht­ barmachen von Strömungsverläufen, bei dem zur Erzeugung des Stickstoff-Wasserdampf-Nebels flüssiger Stickstoff und Reinstwasserdampf gemischt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Stickstoff dem Reinstwasserdampf dosiert zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß Reinstwasser in einem Reinstwasserbehälter (3) zur Bildung von Reinstwasserdampf gesteuert erwärmt wird, so daß der Reinstwasserbehälter in seinem nicht von Reinst­ wasser eingenommenen Bereich mit Reinstwasserdampf an­ gefüllt wird,
daß der flüssige Stickstoff in den mit Reinstwasserdampf angefüllten Bereich des Reinstwasserbehälters (3) do­ siert zugeführt wird, und
daß der hierdurch erzeugte Stickstoff-Wasserdampf-Nebel aus dem mit Reinstwasserdampf angefüllten Bereich des Reinstwasserbehälters (3) abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführrate des flüssigen Stickstoffs und die Heizleistung zur Erwärmung des Reinstwassers in Ab­ hängigkeit von dem Druck des Reinstwasserdampfes in dem Reinstwasserbehälter (3) und von der Temperatur des austretenden, erzeugten Stickstoff-Wasserdampf-Nebels derart gesteuert werden, daß die Temperatur des austre­ tenden Stickstoff-Wasserdampf-Nebels der Umgebungstem­ peratur entspricht und daß sich eine niedrige Nebelaus­ trittsgeschwindigkeit einstellt.

4. Vorrichtung zur Erzeugung eines nichtkontaminierenden Stickstoff-Wasserdampf-Nebels, insbesondere zur Sicht­ barmachung von Strömungsverläufen und insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch
einen wärmeisolierten Behälter (2) für flüssigen Stick­ stoff (2a),
einen Reinstwasserbehälter (3),
eine elektrische Heizvorrichtung (19) für das Reinst­ wasser (3a) in dem Reinstwasserbehälter (3),
eine Zuführleitung (9, 22) von dem Behälter (2) für flüssigen Stickstoff (2a) zu dem Reinstwasserbehälter (3) über eine Dosiervorrichtung (23),
ein im Reinstwasserdampfbereich des Reinstwasserbehäl­ ters (3) angeordnetes Auslaßrohr (24) für Stickstoff- Wasserdampf-Nebel,
einen im Reinstwasserdampfbereich des Reinstwasser­ behälters (3) angeordneten Drucksensor (26),
einen im Auslaßrohr (24) für den Stickstoff-Wasserdampf- Nebel angeordeten Temperatursensor (27), und
eine Steuervorrichtung (28) für die Steuerung der Heiz­ leistung der elektrischen Heizvorrichtung (19) und die Steuerung der über die Dosiervorrichtung (23) einstell­ baren Zufuhrrate des flüssigen Stickstoffes (2a) zu dem Reinstwasserbehälter (3) in Abhängigkeit von den Sig­ nalen des Drucksensors (26) und des Temperatursensors (27).