FLUID SCANDINAVIA
Nya möjligheter med
OXiStop
Inom livsmedelshanteringen har det länge varit känt att
man måste vidta vissa åtgärder för att maten ska hålla
sig god, fräsch och ätbar. Vi kyler ned den och vi förvarar den i slutna förpackningar för att skydda den mot
oxidation. Det är inte heller ovanligt att vi tillsätter tillsatser av olika slag för att förlänga matens hållbarhet.
Vad har mat och hydraulik gemensamt?
Inom hydraulik används till största delen hydraulikvätskor av mineralolja.
Oljan har en naturlig nedbrytningsprocess som har många likheter
med livsmedel.
Oljans egenskaper förändras med nedbrytningsprocessen, vilket
innebär att vi får en olja som förändras med tiden beroende på nedbrytningens inverkan.
Dessutom påverkar mängden inblandad gas också oljan på många
fler sätt än just oxidation där syret till största delen är boven.
Hittills har de flesta åtgärderna som vidtagits, varit inriktade på
att behandla de problem som uppstår på grund av att man har luft/
vatten i oljan. Ingen har riktigt löst detta förrän nu; vi behandlar
det som är orsaken till problemen (luft och vatten som naturligt
finns inlöst i oljan).
Stora hydraulikoljetankar har länge varit en nagel i ögat på
användare av hydraulik.
Hydac Filtersystem GmbH presenterar ett helt nytt sätt att dimensionera ett tanksystem, som gör gamla tumregler överflödiga.
Den traditionella tanken har fått sin design/storlek efter ett antal
parametrar.
• Differensvolym i systemet.
• Luftavskiljningsförmåga, (fri luft måste hinna stiga till ytan innan
den sugs in i pumpen igen). Vilket är en relativt långsam process..
• Vattenavskiljningsförmåga (fritt vatten ska hinna sjunka till botten).
• Att till viss del, kunna kyla oljan.
• Sedimentera fasta partiklar.
Detta innebär att tankar har en relativt stor oljevolym av den
enkla anledningen att ju mer tid och ju långsammare oljan tar sig
genom tanken desto mer luftbubblor hinner stiga till ytan och desto
mer skum på ytan hinner lägga sig, samt att eventuellt fritt vatten
hinner sjunka till botten.
Om oljans avluftning enbart skulle tillfredsställas av en stor tank
behövs emellertid flera m3 stora tankar även för system med små
flöden.
Bild1: Kylförmåga hos hydraultankar.
Håkan Ahlgren, Productmanager, Redfox Oxistop /
Hydac Filtersystems.
Sten-Ove Claesson, Teknisk
chef, Hydacs Teknik Center
Sverige.
Om tanken ska kunna avskilja föroreningar måste den tid som
oljan ska finnas i tanken ofta vara flera dygn från inlopp till utlopp.
Med en stor yta i kontakt med den omgivande atmosfären kommer
olja alltid att vara mättad på inlöst luft och vatten.
En tanks förmåga att kyla oljan är så pass liten att man normalt
sett inte räknar med tankens kylförmåga vid dimensionering, (se
bild 1).
Man dimensionerar kylare efter vilka effektförluster man skapar i
systemet.
Således löser inte de storlekar på tankar som används i dag de
problem som kan uppstå med luft, vatten, problem med fasta föroreningar eller kylproblem.
I vårt OXiStop system, reduceras den inlösta luftmängden ner till
~1%.
Vi tar alltså bort 90% av den inlösta luften och minskar dessutom
det inlösta vatteninnehållet i oljan. Kvar blir enbart att tanken ska
fylla funktionen, differensvolym. Liknande funktion som expansionskärlet har i villan där hemma.
Luft förekommer i hydraulsystemet i olika former,
fri och inlöst
Inlöst mängd fri
luft är beroende på
omgivande tryck. (se
diagram i bild 2)
Det finns olika lösningar för att ta hand
om fri luft i system:
• Påskynda avskiljningen av fri luft
genom att montera
in skiljeväggar i
tanken för att leda
oljan så lång väg
som möjligt inne i
tanken.
Bild 2: Volymen inlöst luft i förhållande till
• Montera in nät i
trycknivån.
tanken som tvingar
fria luftbubblor att nå ytan snabbare.
• Köra oljan genom en cyklon, som sätter rotation på oljan och
gravimetriskt separera fri luft från oljan. (se bild 3)
Forts. på nästa sida
15
FLUID SCANDINAVIA
Forts. från föregående sida
Bild 3: Avskiljning av fri luft med en cyklon.
Det gemensamma för dessa olika lösningar är att de inte har
någon inverkan på den inlösta luft som förekommer i oljan. Den
inlösta luftmängden är ett resultat av vilket tryck oljan utsätts för.
Exempelvis en cyklon som behöver ett övertryck för att kunna
fungera kan göra att den inlösta luftmängden blir högre än vad
omgivningstrycket skulle innebära. Däremot är den effektiv på att
reducera mängden fri luft.
Dessa metoder att separera fri luft från oljan har inte heller någon
som helst inverkan på vattenhalten i oljan, varken fritt eller inlöst
vatten.
luftavskiljning minimeras. Så länge vi tar bort mer luft än vad som
tillförs (läcker in) i systemet kommer vi att arbeta med en olja som
innehåller mycket mindre inlöst luft än vad det omgivande trycket
skulle ge.
Luft är ju som alla känner till en blandgas och ungefär 20 procent
är syre. Syret är ju allmänt känt inom livsmedelstillverkning som
det som startar nedbrytningen, dvs. oxidation. Genom att reducera
den inlösta luften med minst 90 procent reduceras även syreinnehållet och oxidationshastigheten.
Finns det dessutom ett system som genom undertryck i ex. sugledningar till pumpar och andra komponenter skapar fri luft och tankens storlek inte hinner med att avskilja fri luft, så skapas mycket
höga lokala temperaturer. Med förbränning av oljan som resultat.
(dieseleffekter)
Temperaturer som uppnås under kompression av fria luftbubblor.
10 bar
ger T = + 487 grader C
50 bar
ger T = + 931 grader C
200 bar ger T = + 1516 grader C
Ingen kontakt mellan omgivande miljö och hydrauloljan
med OXiStop
OXiStop systemet är separerat från omgivningen med ett membran.
Det finns ingen kontakt mellan omgivande miljö och olja. Detta gör
att oljan förvaras ”gashungrig” under atmosfärstryck helt separerad från omgivningen.
Man uppnår lokalt inne i avgasningsenheten, ett så pass lågt tryck
att vatten förångas redan vid en temperatur på ~20 grader C. Vi
reducerar alltså även det inlösta vattnet i oljan.
Då olja har egenskapen att vid hög temperatur lösa in större mängder vatten och den i oljan inlösta luften kommer den att ha samma
relativa fukthalt som omgivande luft. Detta ger följande samband:
• Hög temperatur på oljan = oljans kapacitet att lösa in vatten är
stor
• Låg temperatur på oljan = oljans kapacitet att lösa in vatten är
lägre, fritt vatten kondenseras inne i tanken.
Bild 4: Skillnaden mellan en olja som är mättad på luft och en som är
undermättad. Fri luft bubblas in under 300 sekunder, och man mäter
tiden tills 95 procent av den fria luften försvunnit.
Diagrammet i bild 4 visar på skillnaden mellan en olja som är
mättad på luft och en olja som är undermättad. Man bubblar in
fri luft under 300 sekunder, och mäter tiden tills 95 procent av den
fria luften försvunnit.
Med en olja som är undermättad på luft (vilket är fallet med våra
OXiStop system) är vi nere i fem procent efter 10 sekunder, medan
en olja som är mättad på luft behöver 540 sekunder för att nå samma nivå. Anledningen till denna påtagliga skillnad är att i en olja
som är mättad på luft måste bubblorna stiga till ytan, i fallet med
en undermättad olja löser oljan i sig den fria luften.
Det påstås ibland att man genom att reducera mängden fri
luft i oljan kan minska risken för kavitation – detta är direkt
felaktigt
Kavitation uppstår t.ex. i en sugledning till en pump då trycket i
sugledningen är lägre än omgivningens, varvid fri luft frigörs och
gasbubblor bildas. Dessa gasbubblors förekomst i vätskan är momentana och försvinner då trycket stigit över vätskans mättnadsnivå eller över vätskans partiella ångtryck. Det uppstår också vid
strypningar och skarpa böjar i ett system då också fenomenet med
ett område med lägre tryck uppstår.
Kavitation reduceras genom rätt dimensionering av en sugledning
alternativt att man reducerar mängden inlöst luft.
Det är inte den snabba luftavskiljningen som är viktigast – det
viktiga är att reducera luftinnehållet (inlöst luft) så behovet av
16
Bild 5: Samband mellan oljetemperatur och ångtryck.
OxiStop bidrar till energieffektivisering
Idag går utvecklingen fram mot mer energieffektiva system och här
kan vi göra en stor skillnad i viktbesparing på mobila maskiner
genom­mindre mängd olja i systemet.
Detta är även av stor vikt för miljön när eventuella läckage inte
kan tillåtas vara så stora som idag ofta är förekommande.
Vi har dessutom möjlighet att på ett enkelt sätt övervaka partikel
och vatteninnehåll on-line i våra enheter.
Det vakuumtryck vi uppnår i avgasningsenheten är proportionellt
mot gasinnehållet i oljan. Vi får med andra ord en möjlighet att
kontinuerligt övervaka gasinnehållet.
Genom att använda OXiStop håller man en extremt ren olja i
systemet, detta beroende på att vi har separerat oljan från omgivningen och att vi har en mindre volym olja att behandla.
Dessutom når vi arbetstemperatur snabbare vilket i många fall
eliminerar behovet av en värmare för oljan.
Med vår OXiStop tank behandlar vi oljan kontinuerligt med hjälp
av en patenterad hydrauliskt driven vakuumpump, som är integrerad i oljebehållaren, samt separerar den från omgivningen med ett
membran, vilket innebär att oljan får ett lågt gasinnehåll, ~mindre
än 1 procent istället för det naturliga innehållet på 10 procent.
Forts. på sid 18
FLUID SCANDINAVIA
Forts. från sid 16
I och med att oljan är undermättad på gas, finns det ingen gas att
frigöra vid trycksänkningar i exempelvis sugledningar. Och tankens
behov att kunna ta hand om fri luft finns inte längre.
Oxitop gör att tanken kan dimensioners utifrån helt nya
kriterier
• D
ifferensvolym från systemets cylindrar, ackumulatorer o.s.v.
Detta måste beräknas från fall till fall.
• Differensvolym som uppstår på grund av termisk expansion av
olja. En volymökning med ~0,65% / 10 Grader C temperaturförändring.
• Differensvolym som uppstår på grund av oljans kompression
vid tryckuppbyggnad. En volymminskning med ~1% / 150 bar
tryckhöjning.
• Reservoljevolym
• Samt ev. behov för att kunna ta hand om ledningsvolymen tillbaka till tank, t.ex. vid service.
Användning av miljöanpassade hydraulvätskor underlättas
Vakuumförpackning underlättar användning av miljöanpassade
hydraulvätskor.
För att motverka oxidation av oljan tillsätts antioxidanter (additiv). Den enskilt största orsaken till oljans oxidation och nedbrytning är bunden/fri luft, följt av hög temperatur samt partiklar.
Kombineras dessa ökar oxidationen avsevärt. Med en olja som är
avgasad har vi tagit bort den enskilt största faktorn till oljans nedbrytning och det skapar möjligheter till helt andra val av oljor.
Hydrauliksystem som arbetar i närhet till känsliga miljöer såsom
hav och skog bör ha en miljöanpassad hydraulolja eftersom det alltid finns en risk för läckage. Om det inte finns behov av att ta hänsyn till oljans benägenhet att oxidera så kan man i vissa fall välja
en annan oljetyp eller en med mindre additiver (miljövänligare). Oljans förmåga att lösa in vatten är beroende på vilken typ av olja det
handlar om? Generellt sätt kan vegetabiliska oljor och estrar lösa in
mer vatten än mineral och syntetoljor (PAO).
teninblandningen och ger i sig också ett ökat slitage på mekaniska
komponenter. Vattnets viskositet är avsevärt mycket lägre än oljans
och kan ge upphov till direktkontakt mellan ytor med ett starkt
slitage som följd. Förslitning uppstår främst i komponenter med
ett mycket högt yttryck som i ett kuggingrepp eller i ett smort rull/
kullager. En ökad vatteninblandning i oljan innebär en tydlig försämring av oljans smörjande förmåga. Redan mycket små mängder
inlöst vatten har stor inverkan.
Konstruktion av ett vakuumförpackat system,
där man tar hänsyn till oljans förmåga att lösa in luft
Vakuumförpackning innebär att man med hjälp av en kontinuerligt
arbetande hydrauliskt driven vakuumpump Miniox behandlar oljan
i systemet. Miniox kräver endast ett matningstryck på min 8-10
bar, och förbrukar ungefär 8 l/min.
Den kan drivas av systemets huvudpump, eller av en separat
pump. I bästa fall en effektförbrukning på ungefär 100 Watt.
I expansionskärlet/tanken försluts oljan mot atmosfären med
hjälp av ett membran ovanpå oljan, av samma anledning som att vi
vakuumförpackar livsmedel, (reducerat syreinnehåll ger reducerad
oxidationshastighet). Man får ett lågt luft/syreinnehåll. Expansionskärlet/tanken har då ingen avluftande funktion.
Denna konstruktion förutsätter en kontinuerlig avgasning, och att
oljan har minimal kontakt med luften. Konstrueras ett sådant system korrekt har man ett system med en olja som innehåller mindre
än 1 volymprocent luft. Kavitationsproblem och nedbrytning av
oljan kommer då att minska avsevärt. Oljetankens volym beräknas
till de faktiska volymdifferenser som kan uppstå i ett system, plus en
extradifferensvolym för eventuella läckage och termisk expansion.
Så länge som avgasningskapaciteten överstiger inläckage så får
vi ett sjunkande gas­innehåll i oljan som kommer att stabiliseras på
en nivå som motsvarar gasintag/ läckage in i system. Med andra
ord om vi övervakar gasinne­håll, kommer vi att få en mycket tidig
varning för att något är på väg att hända i systemet, t.ex. sliten
axeltätning i en pump. Resultatet blir att oljan har minimal kontakt
med luften och således inte kan lösa in samma mängd luft som i ett
konventionellt system.
Vatten i hydrauloljan påverkar ett system negativt
Oljans förmåga att lösa in vatten är dess förmåga att emulgera vattnet, detta kan ändras med additiver (tillsatser i oljan). Vatten i oljan
kommer till stor del från kondensering av fuktig luft på väggarna
inne i oljetanken och även här är det luften som är orsaken.
Varm olja kan lösa in mer fukt men när den kallnar kan den inte
lösa in samma mängd och avger därmed fritt vatten. Vattnet skapar
korrosion på exponerade metallytor, samt accelererar oljans åldringstakt och fungerar som katalysator i den processen.
Vatten i oljan skapar dessutom nya föroreningar till följd av det
ökade slitaget. Det ökade slitaget uppstår dels av att vatteninblandningen, vilket gör att hydraulikvätskan får ett högre ångtryck och i
sin tur ökar risken för kavitation när det lokala trycket understiger
en viss nivå vilket resulterar i att bubblor uppstår i vätskan. Dessa
bubblors uppkomst kan bero på två orsaker – antingen att bunden
gas i vätskan frigörs då trycket sänks och vätskans mättnadsgrad
överstigs för den temperatur och tryck som momentant råder, eller
i det fallet då vätskans partiella ångtryck understigs och vätskan
börjar koka och övergå i gasform vilket bildar bubblor.
Dessa gasbubblors förekomst i vätskan är momentan och försvinner då trycket stigit över vätskans mättnadsnivå eller över
vätskans partiella ångtryck. Bieffekterna av kavitationen är ett ökat
slitage på komponenter som utsätts för detta. Kavitation ger också
upphov till en förhöjd ljudnivå, ökade temperaturer och sämre
volumetriskverkningsgrad. Den lägre verkningsgraden på pumpar
som kaviterar kan enkelt förklaras genom att den volymprocent av
massflödet fri gas som sugs in i pumpen blir en direkt volymförlust
på pumpens trycksida. Gasbubblorna imploderar till följd av den
höga tryckökningen och löses senare in i oljan på grund av det
ökade trycket. Detta medför att volymen som en pump levererar på
trycksidan blir mindre än den volym som pumpen suger in på sugsidan vid kavitation.
Smörjfilmens bärande förmåga påverkas också negativt av vat18
Bild 6: Hydraulaggregat
med OxiStop.
