Lösungs- und Entlösungsverhalten von Luft in Hydraulikölen

  Kavitationserscheinung hinter einer Blende Urheberrecht: ifas

Gaskavitation stellt seit jeher ein Problem in hydraulischen Systemen da, weil sie zur Kavitationserosion führt, die zum Versagen der Komponenten und damit ganzer Hydrauliksystem führt.Ihre Vorhersage und Vermeidung erfordert die Kenntnis der Lösungsgeschwindigkeit von gelöster Luft im Fluid in das Innere von bereits im Fluid vorhandenen Luftblasen.Dies erfordert die Kenntnis über fluidspezifische Eigenschaften wie Diffusionskoeffizient, Bunsenkoeffizient und der Konzentrationsgrenzschicht um die Blasen herum, welche um Rahmen eines von der DFG geförderten Projekts untersucht werden.

 

Nutzen

Vorgehen
Berechnung der Luftgehalts im Öl Experimentelle Ermittlung Bunsenkoeffizient
Berechnung der Aus- und Eingasungsgeschwindigkeit Experimentelle Ermittlung Diffusionskoeffizient
Vorhersage und Minderung der Gaskavitation Simulative Abbildung der Blasengrößenänderung aufgrund von Gaskavitation
Vermeidung von Kavitationserosion im Hydrauliksystem Validierung am Prüfstand

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Gaskavitation

Jede Flüssigkeit kann eine bestimmte druck- und temperaturabhängige Menge an Gas lösen. Je höher der Druck ist, desto mehr Gas kann in einer Flüssigkeit gelöst werden. Bei der Temperatur verhält es sich reziprok, je kühler eine Flüssigkeit ist, desto mehr Gas kann darin gelöst werden. Beim Aufmachen einer Bierflasche wird die Löslichkeit des im Bier gespeicherten Kohlenstoffdioxids herabgesetzt, weil der Druck abfällt. Dadurch wird das Bier übersättigt und das Kohlenstoffdioxid löst sich in Form von Bläschen aus dem flüssigen Bier heraus. Das sorgt für ein angenehmes Trinkerlebnis.

Hydrauliköle können nicht unerheblich große Mengen an Luft lösen. Bei Änderungen der Systemparameter wie Temperatur und Druck bilden sich mit Luft gefüllte Blasen und sorgen für enorme Schäden, wenn diese in einen Bereich höheren Drucks gelangen und in der Nähe von Wänden implodieren. Dieser Schadensmechanismus wird als Kavitationserosion bezeichnet und ist seit Jahrzenten bekannt. Die mathematische Beschreibung dieses Mechanismus und damit dessen Vorhersage ist jedoch extrem komplex und bis heute nur mit begrenzter Genauigkeit möglich.

 

Bunsenkoeffizient und Diffusionskoeffizient

Für eine genauere Berechnung ist es zunächst notwendig das Schrumpfen und Wachsen einer Blase in der Hydraulikflüssigkeit zu berechnen. Das setzt jedoch voraus, dass die folgenden zwei Stoffgrößen bekannt sind: Diffusionskoeffizient von Luft im Hydrauliköl und die maximale Luftlöslichkeit des Öls, welche auch als Bunsenkoeffizient bekannt ist. Des Weiteren ist es notwendig das Konzentrationsprofil der gelösten Luft in der Blasenwandnähe mathematisch beschreiben zu können.

  Bunsenkoeffizient und Diffusionskoeffizient Urheberrecht: ifas Schematischer Aufbau der Prüfstände für die Vermessung des Bunsenekoeffizienten (links) und des Diffusionskoeffizienten (rechts)
 
 

In einem von der DFG geförderten Projekt werden der Bunsen- und Diffusionskoeffizient von Hydraulikölen untersucht und ein mathematisches Modell für die Berechnung der Blasengrößenänderung entwickelt. Damit soll es ermöglicht werden den ungelösten Luftanteil im Öl bei der Vorauslegung zu errechnen und damit das Auftreten von Kavitationsschäden bereits in der Auslegungsphase eines hydraulischen Systems vorherzusagen.

 

Danksagung

Das Projekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unter der Projektnummer MU 1225/41-1 gefördert. Das ifas bedankt sich herzlich bei der DFG für die Ermöglichung dieses Vorabens.