Latest Posts

1. Powietrze w układzie hydraulicznym

   8 sierpnia 2019 11:09 Możliwość komentowania Powietrze w układzie hydraulicznym została wyłączona

   

   Autorem artykułu jest mgr inż. Piotr Motyka, absolwent Politechniki Wrocławskiej. Ponad 40 lat pracy w przemyśle maszynowym. Konstruktor pierwszych obrabiarek CNC w Polsce.

   [latexpage] Zapowietrzone układy hydrauliczne transmisji mocy sprawiają w praktyce bardzo wiele problemów. Wiedza o niedoskonałościach takich systemów może być bezcenna, jeśli weźmie się pod uwagę możliwość uniknięcia awarii, zwiększanie wydajności, zmniejszenie kosztów eksploatacji, a także znaczne wydłużenie żywotności maszyn i urządzeń przy zmniejszonej stałej czasowej przekazu transmisji mocy. Dyspergencja powietrza w oleju nie jest szkodliwa, ale koagulacja tak. Drobne pęcherzyki powietrza pod wpływem ciśnienia i temperatury łączą się, co w konsekwencji doprowadza do powstania dużych pęcherzy powietrza o znacznie większej ściśliwości niż oleju, w którym są tworzone. Ściśliwość objawia się zmianą objętości gazu zachodzącą pod wpływem działania sił powierzchniowych i dla gazów jednoskładnikowych wyraża się wzorem:

   \[
   {Z} = \frac{PM}{\rho RT}
   \]

   M ? masa cząsteczkowa gazu
   P ? ciśnienie
   T ? temperatura
   ? ? gęstość
   Z ? współczynnik ściśliwości gazu
   R ? uniwersalna stała gazowa

   Tak więc w przypadku powietrza, czyli wieloskładnikowego gazu ściśliwość jest również zależna w dużym stopniu od wielkości ciśnienia i temperatury. Wewnątrz gazu pozostającego w równowadze panuje ciśnienie pochodzące od jego ciężaru właściwego zwane ciśnieniem aerostatycznym, które wyraża się wzorem:

   \[
   {p} = {h\gamma}
   \]

   h ? wysokość słupa gazu
   ?- średni ciężar właściwy gazu

   Dla powietrza ciężar właściwy ? w warunkach normalnych wynosi średnio 1,293 G/dcm³.

   Górna granica nasycenia powietrza w oleju zależy od ciśnienia. W miejscach, gdzie następuje spadek ciśnienia tworzą się pęcherzyki powietrza. Ma to miejsce najczęściej przy zaworach, cylindrach hydraulicznych, pod uszczelnieniami, w miejscach zakuwania węży gumowych, a także przede wszystkim w miejscach, gdzie pod wpływem ciśnienia następuje zwiększenie średnicy przelotu węży gumowych. Jest to bardzo istotne z uwagi na negatywny efekt końcowy objawiający się pękaniem węży hydraulicznych i niszczeniem uszczelek PTFE. Każdy impuls transmisji mocy powoduje przemieszczanie się drobinowych pęcherzyków powietrza, które w dogodnym dla nich miejscu tworzą koagulację dużej wielkości pęcherza. Tworzenie się pęcherzy o znacznej wielkości jest bardzo niebezpieczne dla trwałości węży hydraulicznych, uszczelnień oraz stabilnej pracy maszyn i urządzeń, a zwłaszcza wtryskarek.

   

   Pod wpływem zmian ciśnienia i temperatury dochodzi wewnątrz pęcherzy powietrza do kawitacji gazowej. Należy tutaj pamiętać o kawitacji zachodzącej w cieczy w obszarach turbulentnych, gdzie przepływ jest wielkością złożoną wielu czynników i stanowi tzw. przepływ wielofazowy, w tym przypadku oleju i powietrza. Jeżeli w obszarze turbulentnym w oleju znajduje się woda to wówczas w procesie kawitacji staje się ona katalizatorem procesu tworzenia pęcherzy powietrza. W wyniku tego działania dochodzi do depresji dynamicznej, czyli lokalnego gwałtownego spadku ciśnienia statycznego prowadzącego do wrzenia drobin wody, które przechodząc w stan gazowy katalizują pęcherze powietrza. W ten sposób tworzy się kawitacja gazowa, która w wyniku dyfuzji gazu znajdującego się w oleju do istniejących już w nim pęcherzyków powietrza wpływa na ich rozrost. Przy impulsach transmisji mocy olej jest cieczą o bardzo małej ściśliwości w stosunku do wytworzonych w nim pęcherzy gazowych, gdzie następuje gwałtowny wzrost ich objętości i ciśnienia. W końcowej fazie tego zjawiska dochodzi do implodowania pęcherzy gazowych objawiając się pękaniem węży gumowych, niszczeniem uszczelek, a także części metalowych maszyn i urządzeń. Jeżeli zapowietrzony olej dotrze do pompy, wówczas nastąpi sprężenie gazu, na skutek którego pompa zmniejszy swoją sprawność. Tak tłoczony olej w drodze transmisji mocy do mechanizmów wykonawczych np. cylindrów siłowników spowoduje to, że układ najpierw będzie musiał sprężyć powietrze, a dopiero później dojdzie do transmisji mocy i tym samym stała czasowej reakcji siłowników będzie znacznie wydłużona.

   Zapowietrzony układ hydrauliczny daje o sobie znać w postaci drgań, wibracji i hałasu. W celu zapobiegania zapowietrzenia układu hydraulicznego, należy stosować oleje zaliczane do wyższych klas jakości np. wg norm ISO/DIS 6743 klasy HM i HV. Są to oleje głęboko rafinowane, gdzie obok różnych dodatków uszlachetniających znajdują się inhibitory utleniania, a więc antyoksydanty oraz dodatki antypienne. Należy podkreślić, że większość maszyn i urządzeń w czasie pracy generuje różnego rodzaju drgania, które powodują absorpcję powietrza do oleju. Objawia się to powstawaniem piany w oleju. Na skutek utleniania oleju następuje jego degradacja. Tendencja do tworzenia piany uzależniona jest od napięcia powierzchniowego. Niższa lepkość kinematyczna oraz niższe napięcie powierzchniowe olejów mineralnych w stosunku do olejów syntetycznych utrudnia tworzenie się piany. Wysokie napięcie powierzchniowe olejów syntetycznych stabilizuje proces tworzenia się piany, a powstające pęcherze są bardzo małych rozmiarów. Dodatki antypienne oddziaływają na napięcie powierzchniowe oleju co pozwala na separację pęcherzyków powietrza. Tworzenie się piany w oleju stanowi zagrożenie dla prawidłowej pracy całego układu hydraulicznego i to zarówno o charakterze hydrokinetycznym jak i hydrostatycznym. Wysoka skłonność olejów syntetycznych do tworzenia piany, związana jest z dużym napięciem powierzchniowym tych olejów, a więc z energią przypadającą na jednostkę powierzchni co jest równoważne pracy potrzebnej do powiększenia powierzchni o tę jednostkę. Siły przyciągania między molekułami cieczy są miarą wielkości napięcia powierzchniowego. Hydrauliczne oleje syntetyczne dzięki wysokiemu napięciu faz termodynamicznych utrzymują wysoką wewnętrzną dla każdej fazy kohezję, a więc spójność wewnętrzną, która jest większa od adhezji, czyli siły przylegania na granicy faz termodynamicznych. Napięcie powierzchniowe jest zależne od pracy jaką trzeba wykonać by utworzyć jednostkową powierzchnię cieczy i wyraża się wzorem:

   \[
   {\gamma} = \frac{\Delta W}{\Delta S} [J/m^2]
   \]

   ? – napięcie powierzchniowe
   ?W ? praca potrzebna do utworzenia powierzchni ?S
   ?S ? pole powierzchni

   Napięcie powierzchniowe można również wyrazić jako zależność siły do długości odcinka, na którym ta siła działa:

   \[
   {\gamma} = \frac{F}{L} [N/m]
   \]

   ? – napięcie powierzchniowe
   F ? siła napięcia powierzchniowego działająca równolegle do powierzchni cieczy, dążąca do zmniejszenia powierzchni cieczy
   L ? długość odcinka, na którym działa siła

   Tak więc możemy precyzyjnie zdefiniować, że napięcie powierzchniowe to inaczej siła styczna do powierzchni oleju hydraulicznego, działająca na jednostkę długości obrzeża powierzchni tego oleju. Im większa jest ta siła, tym większa jest odporność oleju do zapowietrzania, a więc przenikania cząstek powietrza do oleju. W termodynamice napięcie powierzchniowe jest wprost proporcjonalne do entalpii swobodnej, a odwrotnie proporcjonalne do wielkości powierzchni i wyraża się wzorem:

   \[
   {\gamma} = \frac{\partial G}{\partial S}
   \]

   ? – napięcie powierzchniowe międzyfazowe
   G – entalpia swobodna (energia Gibbsa)
   S – wielkość powierzchni

   Napięcie powierzchniowe można zmniejszyć poprzez dodanie substancji powierzchniowo czynnych, czyli surfaktantów takich jak emulgatory czy detergenty. Zmniejszenie surfaktantów w oleju powoduje zwiększenie napięcia powierzchniowego co w efekcie utrudnia dyfuzję cząsteczek powietrza w oleju, a tym samym olej nie wykazuje tendencji do pienienia. W tym celu najczęściej stosuje się środek antypienny ?FoamFree 940? produkowany na bazie jonowych środków powierzchniowo czynnych, bez silikonów i olejów mineralnych. Znany jest też środek antypienny ?CHEDF 9022? produkowany na bazie 20% emulsji silikonowej oraz mieszaniny środków powierzchniowo czynnych.

   Reasumując należy jednoznacznie podkreślić, że pienienie będące objawem napowietrzenia wywołuje negatywne skutki w postaci spadku wydajności pomp, wypływania oleju ze zbiorników, pękania gumowych węży i nadmiernego utleniania oleju przyśpieszającego proces starzenia. Lepkość, gęstość i napięcie powierzchniowe charakteryzują skłonność oleju do napowietrzania. Oleje mineralne wykazują znacznie mniejszą skłonność do napowietrzania w stosunku do olejów syntetycznych. Poprzez dodawanie do oleju dodatków silikonowych znacznie obniżamy skłonność do napowietrzania, a tym samym do pienienia. Pomiar skłonności wyrażony jest w tzw. Trzech sekwencjach. Każda sekwencja ogranicza się do ściśle wyznaczonej temperatury pomiaru. Sekwencja pierwsza w temperaturze 25^oC, sekwencja druga w temperaturze 95^oC i sekwencja trzecia w temperaturze 25^oC, ale po próbie w temperaturze 95^oC. W każdej sekwencji wynik pomiaru przedstawiony jest w postaci dwóch liczb np. 15/0. Pierwsza liczba określa tendencję do pienienia w mililitrach, natomiast druga trwałość piany w mililitrach w określonym normą czasie. Należy pamiętać, że intensywne napowietrzanie zawsze wywołuje pienienie. Detergenty, inhibitory korozji, wiskozatory itp. dodatki zmniejszają napięcie powierzchniowe oleju. Pienienie oleju często wywołuję kawitację. Dodatki uszlachetniające powodują powstanie na powierzchni oleju cienką warstwę antypienną. W tym przypadku najsilniej działają dodatki na bazie silikonu. Pęcherzyki powietrza pękają pod wpływem działania mikro kropelek silikonu. Należy podkreślić, że działanie to jest tylko skuteczne w takich olejach, których baza olejowa nie rozpuszcza sylikonu, a więc przede wszystkim w olejach mineralnych. Tam, gdzie nie można ze względów eksploatacyjnych zastosować sylikonu stosuje się glikole i estry fosforanowe.

   Kończąc, należy dokładnie przeanalizować dobór oleju do maszyn i urządzeń, a w szczególności do wtryskarek, gdzie niezawodność pracy, trwałość gumowych węży hydraulicznych oraz niski poziom stałej czasowej poszczególnych cykli pracy przekłada się na wydajność, a tym samym na wymierne korzyści finansowe.

   mgr. inż. Piotr Motyka
   Industrial Engineering Manager

2. Oleje grzewcze i ich wymiana

   5 marca 2019 15:35 Możliwość komentowania Oleje grzewcze i ich wymiana została wyłączona

   

   Autorem artykułu jest mgr inż. Piotr Motyka, absolwent Politechniki Wrocławskiej. Ponad 40 lat pracy w przemyśle maszynowym. Konstruktor pierwszych obrabiarek CNC w Polsce.

   Postęp współczesnej technologii stwarza nieustanne wyzwania. Rozwój produkcji przemysłowej potrzebuje coraz lepszych rozwiązań, a w ślad za tym pojawia się pytanie jak produkować szybko i tanio. W dobie nieustannego poszukiwania nowych technologii wciąż kluczową rolę odgrywa olej grzewczy. Produkcja papy termozgrzewalnej, kształtek izolacyjnych, otulin termoizolacyjnych, tekstyliów, produktów chemii przemysłowej, itp. Oparta jest w większości na transmisji ciepła przenoszonego przez oleje grzewcze. Oleje te mają zastosowanie najczęściej w pracy ciągłej przy wysokich temperaturach dochodzących do 250^oC. Takie wymogi powodują, że produkcja tych olejów musi być oparta na bazie odpornej na proces krakingu, jak również na utlenianie i zmianę lepkości kinematycznej. Stwarza to możliwość utrzymania wysokiej sprawności układów grzewczych i zachowania dobrej tzw. pompowalności oleju. Oleje grzewcze zawierają w swoim składzie dodatki antyoksydacyjne dyspergująco-myjące i antypienne, co pozwala zachować wysoką odporność na degradację termiczną i utlenianie, zapobiegać procesowi rozkładu i wzrostu lepkości jak również zachować wysoki współczynnik wymiany ciepła. Ma to istotne znaczenie w układach olejowych do podgrzewania mas bitumicznych w drogownictwie jak również w dużych układach przemysłowych gdzie przepływ oleju następuje na bardzo dużych odległościach, a przewody olejowe posiadają zmienne średnice.

   Specyfika pracy olejów grzewczych wymaga jak największej odporności na tzw. kraking, a więc proces rozkładu długich węglowodorów alifatycznych na związki o krótszych łańcuchach węglowych. W wyniku pękania pojedynczych wiązań chemicznych typu węgiel-węgiel z wytworzeniem wolnych rodników następuje proces wtórnej reakcji, czego rezultatem jest wytworzenie metanu, nienasyconych węglowodorów i koksu. Tak więc kraking jest przeróbką destrukcyjną, polegającą na termicznym rozkładzie produktów naftowych w temperaturze około 400^oC. Nawet krótkotrwałe przekroczenie temperatury granicznej tzw. pik temperaturowy jest w stanie zapoczątkować nieodwracalny, postępujący proces coraz większego gromadzenia koksu i różnych związków chemicznych będących rezultatem aktywności wolnych rodników. W rzeczywistości olej grzewczy, który pierwotnie posiadał barwę bursztynową o lepkości kinematycznej około 25 cSt i gęstość 866 kg/m3, przekształca się w czarną gęstą maź zastygającą w miarę spadku temperatury. W efekcie oleista ciecz doznaje przemiany w ciało stałe, które bardzo trudno usunąć z przewodów transmisji ciepła. Nawet niewielkie ilości krystalizujących się związków chemicznych mogą doprowadzić do zwężenia przekroju przepływu, blokady zaworów, a w konsekwencji do zatorów przepływu, spadku temperatury i tworzenia tzw. stref martwych. Aby temu zapobiec należy zwrócić szczególną uwagę na prawidłowe działanie systemu kontrolno-pomiarowego całego układu, a zwłaszcza kotłów grzewczych.

   Większość układów pracuje w niskich temperaturach nie przekraczających 80^oC, ale są też i takie gdzie temperatura dochodzi do 250^oC. Powstanie pików temperaturowych lub podgrzewanie w temperaturach wyższych niż graniczne spowodowane jest najczęściej wadami techniczno-eksploatacyjnymi, np. powierzchniowy zarost grzałek kotła, związkami o wysokim współczynniku termoizolacji. W celu utrzymania prawidłowej pracy układów grzewczych, należy prowadzić okresowe badania laboratoryjne oleju. Wyniki tych badań pozwalają na określenie zawartości cząstek stałych, zmiany lepkości kinematycznej, gęstości oleju, a także co jest bardzo istotne na określenie wartości liczby kwasowej. Liczba kwasowa TAN (Total Acid Number) w nieprzepracowanych olejach grzewczych zwykle nie przekracza wartości 0,005 mg KOH/g. Na zwiększenie tzw. kwasowości ma wpływ przede wszystkim ilość powietrza dostającego się do układu. Obiegi szczelne, prawidłowo zabezpieczone i okresowo sprawdzane wydłużają w znacznym stopniu żywotność oleju. Liczba kwasowa jest ważnym parametrem, bo obrazuje nam ilość miligramów wodorotlenku potasu (KOH) niezbędnego do zobojętnienia kwaśnych związków zawartych w jednym gramie badanego oleju grzewczego. Liczba ta wyznaczana jest metodami znormalizowanymi, tj. kalorymetryczną ?C? oraz elektrometryczną ?E?. Liczba kwasowa TAN określa zarówno kwasy słabe ?WAN? nie powodujące korozji, jak również kwasy silne ?SAN? powodujące korozję. Należy podkreślić, że właśnie powstanie korozji może doprowadzić do nieszczelności układu, a tym samym do zwiększenia ilości powietrza w układzie, w konsekwencji czego liczba kwasowa zacznie wzrastać. W tym wypadku dochodzi do tzw. sprzężenia zwrotnego, co w konsekwencji powoduje progresywny wzrost pogarszania się jakości oleju grzewczego. Aby temu zapobiec, należy wprowadzić do układu takie związki, które nie zmieniają walorów eksploatacyjnych oleju grzewczego, natomiast spowodują spadek wartości liczby kwasowej. Związki te powinny wykorzystywać wysoką liczbę zasadową TBN (Total Base Number) wyrażaną w mg KOH/g. Liczba ta określa nam ilość wodorotlenku potasu, jaka jest równoważna pod względem zdolności neutralizacji kwasów dodatkom alkalicznym znajdujących się w jednym gramie oleju. Tak więc służy ona do oceny zawartości czynnych dodatków alkalicznych znajdujących się w oleju. Liczbę zasadową TBN wyznacza się podobnie jak kwasową dwiema metodami kalorymetryczną ?C? i elektrometryczną ?E? z tą różnicą, że miareczkowanie przeprowadza się roztworem kwasu solnego (HCl). Należy podkreślać, że oleje, które posiadają wysoką liczbę zasadową mają bardzo dobre własności myjąco-dyspergujące. Tak więc dolewanie do oleju grzewczego, w którym wytworzyły się wolne rodniki, oleju o wysokiej liczbie zasadowej nie tylko spowoduje neutralizację powstałych związków kwasowych, ale również zmniejszenie lepkości kinematycznej, zwiększenie ochrony antykorozyjnej, a także spowoduje zwiększenie działania myjąco-dyspergującego co w praktyce objawia się zwiększeniem drożności przepływu, odblokowaniem zaworów, a w następstwie zwiększeniem żywotności całego układu grzewczego. Przykładem takiego oleju jest Shell Refrigeration Oil S4 FR-V. Jest to olej syntetyczny na bazie benzenu alkilowanego, który wykazuje bardzo dużą rozpuszczalność, stabilność temperaturową i oksydacyjną, co pozwala na usuwanie tworzących się tzw. twardych osadów i szlamów. Olej ten nie reaguje z uszczelnieniami używanymi w układach olejowych, jest kompatybilny z olejami mineralnymi, alkilobenzenami i posiada liczbę neutralizacji na poziomie 0,04 mg KOH/g.

   Wymiana olejów grzewczych takich jak Shell Heat Transfer Oil S2, Orlen Iterm 6MB, Mobiltherm 32, Lotos G35 itp. musi być przeprowadzona w sposób niezwykle dokładny, pod nadzorem wysoko wykwalifikowanych specjalistów. Przed wymianą należy olej odpowiednio przygotować i w zależności od stopnia jakości oleju w układzie, poprzez wprowadzenie kompatybilnych środków w odpowiedniej ilości, prowadzić co najmniej kilkunastu godzinną pracę układu w warunkach roboczych. Spust oleju powinien być ściśle kontrolowany tak, aby nie dopuścić do zbyt szybkiego ubywania oleju w układzie, stale kontrolując temperaturę, aby nie przekroczyć granicznej dolnej temperatury, po której następuje progresywna przemiana cieczy oleistej w ciało stałe. Reasumując, należy zawsze pamiętać o tym, że zbyt szybki spust oleju może doprowadzić do gwałtownego spadku temperatury oleju w układzie, a to z kolei powoduje przyśpieszoną przemianę stanu skupienia oleju doprowadzając w końcowej fazie do przemiany w ciało stałe. Tak więc obniżanie temperatury oleju doprowadza do wzrostu jego gęstości, lepkości, a tym samym do obniżenia parametrów tzw. pompowalności. Nadrzędną zasadą jest jak najwolniejszy spust oleju ze stabilnym utrzymaniem temperatury minimalnej. Podobnie należy postępować przy zalewaniu układu nowym olejem. W trakcie napełniania należy odpowietrzać układ wymiany ciepła gdyż powietrze musi być całkowicie usunięte z oleju zanim osiągnie on temperaturę pracy.

   Ogrzewanie oleju do stanu parametrów eksploatacyjnych należy przeprowadzić poprzez jego bardzo powolne podgrzewanie. W układach cyrkulacyjnych w czasie eksploatacji oleju zalecany jest przepływ turbulentny, a różnica temperatur pomiędzy objętością oleju, a filmem olejowym otaczającym element grzewczy nie powinna być nie wyższa niż 15^oC do 30^oC. Z uwagi na rozszerzalność cieplną olejów mineralnych, przy podgrzewaniu systemem cyrkulacji, układ powinien zawierać zbiornik wyrównawczy kompensujący zmiany objętości oleju. Jest to jedyne miejsce kontaktu oleju z atmosferą. Pomimo bardzo dobrej odporności na utlenianie, w przypadku temperatury oleju w zbiorniku kompensacyjnym przekraczającej 50^oC, należy podjąć działania minimalizujące kontakt oleju z powietrzem. W tym celu można użyć np. tzw. zamknięcia pływającego bądź też oddzielić powierzchnię oleju od atmosfery za pomocą zamknięcia gazem obojętnym. Oleje grzewcze, jako nośniki ciepła powinny być używane tylko w układach z obiegiem wymuszonym, gdyż układy wykorzystujące tylko konwekcję ciepła nie zapewniają wystarczająco szybkich przepływów dla zapobiegania miejscowego przegrzania i rozkładu oleju.

    

   mgr. inż. Piotr Motyka
   Industrial Engineering Manager

4