Bulleurs versus systèmes de mélange et d'évaporation contrôlés pour les applications de génération d’humidité

Le système CEM offre une approche plus directe que les systèmes de bulleurs conventionnels pour créer des faibles concentrations d’air humide.

Ric Besseling
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Dans différents types de procédés, tels que les procédés de vieillissement, les tests de validation et/ou la recherche sur la croissance des plantes, un débit d'air humide précis est souvent nécessaire pour obtenir des conditions ambiantes spécifiques dans une chambre d'essai. Aujourd'hui, nous disposons de multiples solutions pour ces types d'applications, l'une d'elles faisant appel aux systèmes de mélange et d'évaporation contrôlés. Permettez-moi de vous expliquer les avantages que représentent ces systèmes par rapport aux systèmes de bulleurs plus classiques.

Comment fonctionne un système de bulleur ?

De petites concentrations d'air humide peuvent être générées en utilisant un système de bulleur. Cette méthode classique nécessite un contrôle optimal de la pression et de la température. Un système complet de mesure du niveau de bulleur se compose donc d'une source d'air comprimé, d'une vanne de régulation de débit, d'un tube plongeur associé à un transmetteur de pression. Ce dernier convertit la baisse de pression du tube en mesure de la baisse du niveau du liquide et permet ainsi de calculer le débit de vapeur. La qualité de l'air humide dépend entièrement du calcul théorique du degré de saturation de l'air qui passe dans le liquide et de la précision de la régulation de la pression et du contrôle de la température. Cette approche classique permet difficilement de parvenir à une valeur spécifique de l'air humide.

Système de bulleur

Figure 1. Mise en place d'un système de bulleur classique

Systèmes d'évaporation Bronkhorst

Outre cette approche, Bronkhorst a développé un système CEM de mélange et d'évaporation contrôlés qui peut être utilisé pour ces applications. Ce système CEM est une solution de génération de vapeur innovante basé sur un régulateur de débit liquide (LIQUI-FLOW ou mini CORI-FLOW), un régulateur de débit de gaz et une chambre de mélange et d'évaporation régulée en température.

Le système CEM de Bronkhorst offre une approche plus directe que les systèmes de bulleurs conventionnels. La méthode employée est très simple et, en théorie, n'importe quelle concentration peut être obtenue en quelques secondes avec une grande précision et de manière répétée. Il est par ailleurs possible de régler l'humidité relative de 5 à 95%.

Système d'évaporation contrôlé

Figure 2. Mise en place d'un système CEM Bronkhorst

La teneur en humidité est contrôlée avec précision par le régulateur de débit liquide et le débit d'air peut être ajusté par le régulateur de débit de gaz. Sur le dessus du système, une vanne de mélange permet une bonne atomisation de l'eau dans le débit d'air. En raison du taux de compression relativement faible de la vapeur d'eau dans le débit d'air, l'eau peut s'évaporer à basse température dans le tube chauffant en spiral à la sortie de la vanne de mélange.

Précisions sur le système CEM

Pour l'essentiel, un système CEM se compose des éléments suivants :

  1. Un régulateur de débit massique pour mesurer et réguler le débit du gaz porteur (de la gamme EL-FLOW Select, par exemple).
  2. Un débitmètre massique pour mesurer le débit de la source de liquide (de la gamme LIQUI-FLOW ou mini CORI-FLOW, par exemple).
  3. Une chambre de mélange et d'évaporation régulée en température (CEM) pour contrôler le débit de la source de liquide et le mélange du liquide avec le gaz porteur entraînant une évaporation totale, complétée par l'échangeur thermique régulé en température pour chauffer le mélange. Les systèmes CEM de base de Bronkhorst sont disponibles sous forme de solution complète (électronique de commande incluse) et offrent une flexibilité totale pour la réalisation d'une solution de vaporisation dans pratiquement tout type de situation.

Vous voulez en savoir plus sur la technologie CEM ? Visitez la rubrique Générateurs de vapeur de notre site web et lisez tout ce qu'il y a à savoir sur nos différents produits et applications de régulation de la vapeur.

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Connaissez-vous Fluidat ? Un logiciel pour accéder à d’innombrables propriétés pour les débitmètres ou les régulateurs de débit massiques

Fluidat: logiciel en ligne de calculs des propriétés physiques des gaz et des liquides. Accédez gratuitement aux propriétés de plus de 800 fluides.

Adam Mumford
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Qu’est-ce que FLUIDAT ?

FLUIDAT est le logiciel de calcul en ligne de Bronkhorst. Grâce à lui, les utilisateurs peuvent procéder à de nombreux calculs théoriques pour leurs instruments, mais aussi accéder aux propriétés de plus de 1800 fluides.

Travailler avec les fluides dans des conditions toujours différentes n’est pas un long fleuve tranquille, surtout quand on s’efforce de comprendre le comportement d’un fluide en fonction de la pression et de la température du procédé. En plus de comprendre ces données, il est capital de choisir un instrument qui réponde à la fois à vos attentes et aux besoins de votre application. Dans ce cas, si le choix initial est primordial, comprendre ce dont votre instrument sera capable par la suite peut être tout aussi important.

C’est ici que FLUIDAT intervient, en aidant nos utilisateurs à comprendre pleinement les capacités de leurs instruments. Qu’il s’agisse de travailler à des conditions de pression différentes ou d’utiliser un tout autre fluide, FLUIDAT vous permet de choisir en connaissance de cause un instrument qui convient à la tâche en question. Évidemment, il faut parfois se résigner à renvoyer l’instrument pour une nouvelle calibration, mais avec FLUIDAT pour vous épauler, vous pouvez faire un choix en ayant toutes les cartes en main.

Les données sur les fluides ont toujours été conservées dans des manuels techniques avec des graphiques et des tableaux listant leurs propriétés et leurs coefficients. Mais ce format rigide ne permet pas d’accéder aux changements de comportement (relatifs à des facteurs externes) sans procéder à des calculs parfois complexes.

Conscient que cette situation a parfois été source de problèmes pour nos utilisateurs, Bronkhorst a lancé son programme en ligne de gestion des fluides pour mieux les aider. Ce logiciel en ligne permet d’accéder instantanément à des calculs et des données relatives au comportement de milliers de fluides dans différentes conditions.

Notre système CEM (Contrôle de l’Evaporation et du Mélange) est un bon exemple. Pour connaître la concentration et la température du point de rosée en sortie du procédé, il faut calculer les propriétés thermodynamique du mélange et de sa vaporisation, à différents débits et températures. Notre logiciel de calcul CEM vous facilite la tâche d’un seul clic.

La toute nouvelle ligne interactive « Vapeur-Pression » permet aux utilisateurs de déterminer la phase d’un fluide à une température et une pression données simplement en survolant le graphique correspondant. Autre atout : la capacité à créer et enregistrer vos propres mélanges, qui vous épargne des heures de calcul et de recherche pour chaque projet.

Voyons à présent plus en détail certains outils de calcul disponibles dans FLUIDAT.

Facteur de conversion pour gaz :

Ici, l’utilisateur peut choisir un gaz pur ou un mélange gazeux et calculer le facteur de conversion pour passer à un autre gaz sur un type d’instrument. Comme sur la plupart des régulateurs de débit massique (RDM) thermique, le signal de sortie du régulateur est déterminé pour le gaz pour lequel il est étalonné. Avec le logiciel de calcul du facteur de conversion il est possible d’en obtenir la valeur en sélectionnant les conditions d’étalonnage d’origine et les nouvelles conditions: gaz, pression et température. Vous pouvez choisir votre modèle d’instrument afin que la conversion gagne en précision. Le facteur de conversion peut ensuite être appliqué à la sortie mesure du RDM pour connaître le débit réel d’un nouveau gaz.

Exemples de calculs réalisés dans FLUIDAT :

Calcul du facteur de conversion des Gaz dans Fluidat

Système de Contrôle de l’Evaporation et du Mélange (CEM) :

Le CEM est un système polyvalent pour n’importe quel besoin en génération de vapeur. FLUIDAT permet à l’utilisateur de faire différents calculs, non seulement pour connaître la température exacte du CEM, mais aussi le débit nécessaire pour les instruments pour gaz et liquide, et l’humidité relative de la vapeur générée. Il est aussi possible de calculer les débits massiques de gaz sec et de liquide nécessaires à l’humidité relative de votre vapeur. Toutes les données relatives aux fluides sont stockées dans le logiciel FLUIDAT, notamment la capacité thermique, la conductivité thermique et l’enthalpie de vaporisation. Ces données sont également accessibles dans l’onglet « Propriétés des fluides ».

L’outil de calcul du CEM a des possibilités illimitées, par exemple : il permet de connaître les pressions nécessaires pour alimenter les RDM pour liquide et gaz, calculer la température de sortie du mélange de vapeur, ou encore connaître le débit de la vapeur de sortie et pouvoir choisir entre des milliers de fluides pour vos calculs. Toutes ces fonctions font de FLUIDAT un outil incontournable pour les clients de Bronkhorst qui utilisent nos systèmes CEM pour générer de la vapeur.

Exemple d’un calcul CEM dans FLUIDAT :

Calcul du système CEM dans Fluidat

Calculs de la perte de charge :

Pour la plupart des applications, il est important pour l’utilisateur de comprendre la perte de charge de l’instrument. Par ailleurs, il peut aussi s’avérer essentiel de connaître la pression nécessaire à son bon fonctionnement, surtout en présence de vannes de régulation.

Dans FLUIDAT, il est possible de calculer la perte de charge à la fois de nos instruments pour gaz et ceux de notre série mini Coriolis. Avec FLUIDAT, calculer la perte de charge devient facile : tout ce qu’il vous faut, c’est choisir le bon outil de calcul. Vous avez le choix entre les outils pour MASS-STREAM, EL-FLOW/IN-FLOW ou Coriolis.

L’outil d’aide à la configuration des instruments Coriolis s’appelle « CoriCalc », tandis que pour les autres instruments, il s’appelle « Pressure Difference D-6300 » ou « Pressure Difference LOW-dP-FLOW & EL-FLOW ». Lorsque vous avez choisi les bons outils et les types d’instrument, vous pouvez choisir le fluide et le débit ; il ne vous reste plus qu’à appuyer sur le bouton « Calculer ». Vous pouvez choisir de lire la perte de charge dans de nombreuses unités, par exemple des millibars aux psi. Pour les débitmètres, la procédure est assez simple : la perte de charge est affichée pour les capteurs et les raccords. Et si vous vous posiez la question : oui, vous pouvez généralement choisir le type et la taille des raccords.

Cet outil de calcul peut aussi afficher la pression amont requise pour le fluide que vous souhaitez, au débit que vous souhaitez. Dégagée des contraintes de la vanne de régulation pour les débitmètres, cette procédure devient un jeu d’enfant. Lorsque vous procédez à des calculs impliquant à la fois un débitmètre et une vanne de régulation (par exemple dans un régulateur), il est important de veiller à ce que vos calculs tiennent compte de l’orifice adapté à votre régulateur, et pour cela, le plus simple est de connaître les pressions amont et aval à utiliser.

Exemple d’un calcul de perte de charge avec FLUIDAT :

Calcul de la perte de charge des régulateurs de débit dans Fluidat

FLUIDAT est d’une aide précieuse pour les utilisateurs des instruments Bronkhorst. Il leur permet d’accéder à des informations supplémentaires à même d’améliorer le potentiel de nos instruments et de leur donner une longueur d’avance sur la concurrence et de comprendre le débit massique. Les exemples ci-dessus ne sont qu’un aperçu des outils disponibles.

Inscrivez-vous sur www.fluidat.com pour bénéficier de tous les avantages de ce logiciel en ligne gratuit.

Le CEM: une technique innovante de production de vapeur

Produire de la vapeur est un procédé complexe et coûteux. Il existe cependant des solutions pour générer de la vapeur de manière précise et contrôlée.

James Walton
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Souvent l’innovation donne lieu à une évolution profitable à de nombreux secteurs d'activité. La production de vapeur en est un parfait exemple. La technologie de régulation de débit massique permet par exemple de réguler les procédés de revêtement de surface, de dépôt de couche mince, ou de créer des mélanges d'étalonnage de concentration stable. La génération de vapeur a toujours été un procédé complexe et coûteux consistant à faire passer un gaz porteur dans un bain de liquide thermostaté : le bulleur. On obtient ainsi une vapeur de composition changeante ni régulée en masse ni en pression partielle directement.

Cette technique a été utilisée pendant de nombreuses années dans un grand nombre d'industries. Si l'on considère les principes sur lesquels la méthode décrite ci-dessus est basée, on imagine bien les défis que cela comporte et les coûts que cela engendre.

Système classique de bulleur

Système de bulleur traditionnel

Si l'on devait modifier ce système, la première chose que l'on éliminerait serait le bain de liquide thermostaté. Il est à l'origine de plusieurs sources d’instabilité :

  • L'évaporation du fluide peut entraîner des changements de concentration de vapeur
  • La modification des niveaux de liquide crée des différences de contre-pression
  • Les fluctuations du débit liées au niveau de liquide entraînent une modification des conditions d’utilisation
  • Les l’incertitudes du thermostat peuvent rajouter des instabilités à température du liquide
  • Le chauffage d'un bain thermostaté demande en outre une forte consommation énergétique

En éliminant ces sources d’instabilité du procédé et en combinant les régulations du débit du liquide à l'aide d'un débitmètre massique Coriolis et celle du gaz grâce à la régulation de débit massique thermique, il est possible de bénéficier des performances suivantes :

  • Rapidité de réaction du changement des concentrations
  • Consommation réduite des liquides à évaporer
  • Précision du contrôle de la température du point de rosée
  • Rapidité de traitement du substrat en CVD
  • Possiblité de commande du système en concentration : ppm, ppb, mole ou de conditions de sortie comme le point de rosée à une pression donnée.

L'application d'une régulation en boucle fermée et l'association de différentes technologies de capteur d’hygrométrie donnent la possibilité d'élaborer une solution qui permet de générer une concentration de vapeur précise et régulée.

Système d'évaporation CEM

CEM : Contrôle de l'Évaporation et du Mélange

Les régulations directes des débits de liquide et de gaz dans une conduite à température contrôlée facilitent les changements des conditions de service de l’expérience . Le débitmètre massique Coriolis pour le liquide et le régulateur de débit massique thermique pour gaz sont directement reliés à une vanne de mélange 3 voies au dessus d'un échangeur thermique à température contrôlée. En faisant passer le liquide par un injecteur et en l’entrainant avec un flux gazeux, un spray est généré à température ambiante et est conduit dans l’échangeur thermique, ce qui permet d’avoir une vaporisation totale du liquide et d’obtenir un mélange complétement gazeux en sortie.

Si vous avez un projet d’évaporation de liquide et que vous souhaitez faire des calculs d’étude, consultez Fluidat, notre logiciel de calcul en ligne avec sa large base de données de fluide disponible gratuitement. Pour cela, allez sur Fluidat on the Net, inscrivez-vous et utilisez ses fonctionnalités.