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O+P Fluidtechnik 5/2020

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O+P Fluidtechnik 5/2020

ÖLKONDITIONIERUNG

ÖLKONDITIONIERUNG PRODUKTE UND ANWENDUNGEN TITEL 02 Hydraulik im geschlossenem Stahlblechschrank 03 Seitenansicht der Heißölkonditionierung „CondiTherm“ mit Zwischenkreis und zwei Öl-Primärkreisen Einsatzgrenzen abgeprüft und/oder – bei Langzeitversuchen – eine gewisse Zeitraffung gemäß der Arrhenius-Gleichung erreicht. Die durch die Temperaturerhöhung auf bis zu 180°C Medientemperatur erzielte Zeitraffung wirkt sich natürlich nicht nur auf die Prüflinge, sondern auch auf die Komponenten der Konditionierung und das Betriebsmedium aus. Ein häufig vorhandener hoher Anteil an ungelöster Luft, verursacht durch hohe Umwälzraten oder Verwirbelungen, beschleunigt die Alterung zusätzlich. Ein hoher Kontaminationsgrad durch Abrieb oder eine bewusst hinzugefügte Initialverschmutzung wirken sich ebenfalls auf die Alterung aus. Anspruchsvoll ist in diesem Zusammenhang die Anforderung an die Konditionierung, dass die Anlage möglichst wenig zur Alterung des Betriebsmediums beiträgt und die Alterung fast ausschließlich durch die Medienbelastung im angeschlossenen Prüfaufbau hervorgerufen wird. Je nach Kundenwunsch werden verschiedene Maßnahmen durchgeführt, um eine Ölalterung durch die Konditionieranlage zu reduzieren. Zunächst wird der Flächenleistungseintrag in elektrischen Durchlauferhitzern auf rund 1,0 bis 1,5 W/cm 2 für mineralölbasierte Medien begrenzt. Es wird die Durchströmung des Erhitzers derart realisiert, dass eine ausreichende Wärmeabfuhr und ein guter Wärmeübergang in der Grenzschicht zwischen Erhitzeroberfläche und Medium sichergestellt ist. In der Konsequenz steigt die Oberflächentemperatur des Erhitzers nur wenig höher an als die Grundtemperatur des Betriebsmediums. Wäre das nicht der Fall, würde das Entstehen von örtlich begrenzten Hitzefeldern im Medium die Ölalterung beschleunigen. Überstiege die Temperatur lokal die thermische Stabilitätsgrenze des Mediums, käme es zum Cracken der Kohlenstoffketten. Um diesen Effekt zu verhindern und die thermische Belastung des Öls bei der Erhitzung auf hohe Temperaturen zu begrenzen und zu kontrollieren, bietet sich die Verwendung eines Zwischenkreises an. In diesem wird ein thermisch stabiles Thermo-Öl durch einen Erhitzer gefördert und von diesem erhitzt. Anschließend durchströmt das Medium einen Wärmetauscher und überträgt die Energie in diesem auf das zu temperierende Prüf-Öl. Da die Temperatur des Mediums im Zwischenkreis eingestellt und begrenzt wird, kann der Leistungseintrag in das Betriebsmedium über einen großflächigen Wärmetauscher sehr schonend erfolgen. Lokale Hitzenester durch schlechten Wärmeübergang können hierbei maximal die Temperatur des Mediums im Zwischenkreis erreichen und sind so gut kontrollierbar. Nachteil dieser Lösung gegenüber einer direkten Erhitzung ist die höhere Anzahl an Komponenten. (siehe Bild 03). KALTÖLKONDITIONIERUNG Durch Kaltölkonditionierer wird das Betriebsmedium typischerweise auf bis zu -40°C abgekühlt. Diese Konditionierungen werden zur Überprüfung der Kaltstartfähigkeit von Komponenten und Systemen eingesetzt. Der Bedarf für diese Tests resultiert aus den niedrigen Umgebungstemperaturen an einigen Einsatzorten. Relevante Bereiche der Hydraulik sind hier die Luftfahrt, die Mobilhydraulik, die Rohstoffindustrie oder auch der Bereich der erneuerbaren Energien. Ein großer Kostenpunkt resultiert bei diesen Anlagen aus der Notwendigkeit, Wärmeenergie auf einem Temperaturniveau weit unter der Umgebungstemperatur aus dem System zu leiten. Neben der weniger verbreiteten Nutzung der Sublimationsenergie von Trockeneis (-78°C) oder alternativ der Verdampfungsenergie von Flüssigstickstoff (-196°C) ist hier die Verwendung von ein- oder zweikreisigen Kältekompressoren etabliert. Aufgrund der hohen Kosten für die Tieftemperaturkühlung lohnt sich eine genauere Betrachtung der Energieflüsse, die durch Energietransfer über die Systemgrenzen hervorgerufen werden oder durch Eigenverluste im System entstehen. Die daraus resultierende Temperaturverteilung muss ebenfalls betrachtet werden. Der mate- 14 O+P Fluidtechnik 2020/05 www.oup-fluidtechnik.de

ÖLKONDITIONIERUNG rielle Aufwand für die Kühlung hängt stark von dem Ort ab, an dem die Energie aus dem System geleitet wird. So ist es zum Beispiel effizienter, einen rückfließenden und durch einen Prüfling erwärmten Volumenstrom erst zu kühlen und ihn dann in den Tank einzuleiten. Würde der wärmere Volumenstrom zunächst im Tank mit dem dort befindlichen kälteren Medium gemischt und danach zum Beispiel in einem klassischen Nebenstrom gekühlt, müssten der Wärmetauscher und die Tieftemperaturkühlung zum Erzielen einer vergleichbaren Nettokühlleistung, bezogen auf das Gesamtsystem, größer ausgelegt werden. Weiter ist aufgrund der hohen Kosten für die Tieftemperaturkühlung das System thermisch gut von der Umgebung zu isolieren und hydraulisch möglichst effizient zu gestalten. Hier ist zu beachten, dass durch die in den Leitungen angestrebte laminare Strömung die Druckverluste proportional mit der Viskosität ansteigen. Die Richtwerte zur Auslegung der Hydraulikleitungen auf Basis der Strömungsgeschwindigkeiten gelten für diesen Viskositätsbereich nicht. Eine Druckleitung mit einer für hydraulische Standardanwendungen typischen Strömungsgeschwindigkeit von 5 m/s hätte bei -40°C und einer Viskosität von 10.000 cSt (VT-Verhalten entspricht Getriebeöl mit Pour-Point-Verbesserern) einen rechnerischen Druckabfall von 36 bar/m. Bei tiefen Temperaturen wird die Fließfähigkeitsgrenze eines flüssigen Mediums durch den Pour-Point definiert, welcher die Temperatur angibt, bei der das Öl unter bestimmten Bedingungen gerade noch fließt. Unterhalb des Punktes kristallisieren die enthaltenen Paraffine und vernetzen sich. Der Pour-Point kann durch eine Bearbeitung der Basisflüssigkeit (Entparaffinierung) und die Zugabe von Additiven zur Grundflüssigkeit abgesenkt werden. Während mineralölbasierte Hydrauliköle typischerweise einen Pour-Point zwischen 0 und -30°C haben, weisen Automotivegetriebe- und Schmieröle oftmals einen Pour-Point von unter -40 bis -60°C auf. Mit der stark ansteigenden Viskosität ändert sich auch das Verlustverhalten der Komponenten. In Verdrängerpumpen geht beispielsweise die interne Leckage gegen null, während die Scherverluste in den Spalten durch die Relativbewegung stark ansteigen. Um hier den Verlustleistungseintrag der Pumpen, die von den Spaltmaßen her in der Regel auf geringere Viskositäten optimiert sind, ins Medium zu reduzieren, ist eine Anpassung des Betriebspunktes an die geänderte Viskosität sinnvoll. Konkret heißt das eine Absenkung der Drehzahl auf Werte unterhalb von 400 1/min. Die hohe Viskosität hat aber auch einen starken Einfluss auf den Wärmeübergang in Wärmetauschern, da sie die Fließeigenschaften in der für den Wärmeübergang wichtigen Grenzschicht beeinflusst. Da diese Grenzschicht zudem der Ort mit der niedrigsten Temperatur im gesamten Hydrauliksystem ist, ergibt sich das Problem, dass gerade an dem Punkt an welchem der Wärmeübergang stattfindet, dieser am ehesten durch das Erreichen des Pour-Points begrenzt wird. In Bild 04 ist der sinnvolle Betriebsbereich einer Nebenstromkühlung bei sehr tiefen Betriebstemperaturen für ein Getriebeöl exemplarisch dargestellt. In der Skizze sind die zwei Freiheitsgrade, die sich für die Feineinstellung einer Nebenstromkühlung über ein Tieftemperatur-Temperiergerät ergeben, gegenübergestellt. Diese sind: 1. Einstellen des Volumenstroms auf der Warm-Ölseite über Drehzahlvariation der Nebenstrompumpe 2. Verändern der Zulauftemperatur auf der kalten Thermo-Öl-Seite über den Temperaturregelkreis des Temperiergerätes. Zur Erhaltung der Ziel-Öl-Temperatur müssen mindestens die Eigenverluste und Wärmezuflüsse aus der Umgebung (verusacht durch unvollkommene Isolierung) abgeführt werden. Deshalb muss die Zulauftemperatur auf der kalten Seite des Wärmetauschers geringer sein als die Zieltemperatur des Öls (entspricht 04 Betriebsbereich Tieftemperatur-Nebenstromkonditionierung Nettokühlleistung Zulauftemperatur kalte Seite -45,0°C Ölvolumenstrom warme Seite 5 l/min 10 l/min 15 l/min Nicht ausreichende Zulauftemperatur auf kalter Seite: > -40°C konnten nicht erreicht werden -47,5°C 57% 100% 62% -50,0°C 67% Leistungsgrenze -52,5°C Kristallisationsgrenze: > Zulauftemperatur kalte Seite kann zwar gehalten werden, aber Wärmeübertragung verschlechtert sich und deshalb erwärmt sich das Öl auf über -40°C Kälteversorgung: > Zulauftemperatur kalte Seite konnte nicht aufrecht erhalten bleiben, da Kühlleistung nicht ausreicht 05 Messergebnisse einer Nebenstrom-Tieftemperaturkonditionierung Mindesttemperaturgrenze). Häufig sollte auch eine Mindestvolumenstromgrenze, resultierend aus der installierten Hardware auf der Ölseite, beachtet werden. Je kälter das Medium wird und je mehr Ölvolumenstrom auf der Ölseite gefördert wird, desto größer sind auch die Strömungsverluste über den Wärmetauscher und die Rohrleitungen im Nebenstrom. Hier ist eine Grenze gegeben, bei der die Bruttokühlleistung den Eigenverlusten entspricht und die Nettokühlleistung somit zu Null wird (entspricht Verlustleistungsgrenze). Auch kann der sich über die Viskosität einstellende Druckabfall den zulässigen Systemdruck erreichen oder Kavitation in der Saugleitung der Nebenstrompumpe auftreten. Weshalb dann ebenfalls keine weitere Steigerung des Ölvolumenstroms mehr realisiert werden kann, es werden lediglich die Eigenverluste gesteigert (entspricht Druck- und Kavitationsgrenze). Zuletzt ist noch die Kristallisationsgrenze zu beachten. Wie oben bereits erwähnt, ist die Öltemperatur in der Grenzschicht des Wärmetauschers am geringsten. Erreicht die Temperatur hier die Fließfähigkeitsgrenze, findet eine Kristallisation statt. Das Resultat ist eine dünne Sperrschicht, welche den Wärmeübergangswiderstand deutlich erhöht und somit die Bruttokühlleistung stark reduziert. www.oup-fluidtechnik.de O+P Fluidtechnik 2020/05 15

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