print Seite drucken

Untersuchung der elektrostatischen Aufladung von Hydraulikflüssigkeiten bei der Durchströmung von Filtern

Die elektrostatische Aufladung von Komponenten ist ein bekanntes Phänomen, welches auch im Alltag anzutreffen ist. In der Hydraulik sind das Thema und die damit einhergehenden Herausforderungen von zunehmender Relevanz. Dies ist in der Tatsache begründet, dass in der Branche verstärkt Hydraulikflüssigkeiten Verwendung finden, die einen verringerten Zink- und Aschegehalt aufweisen. Im Vergleich zu den konventionellen Ölen ist dadurch die Leitfähigkeit der Fluide signifikant geringer. Der Ladungsabtransport wird dadurch vermindert und es besteht die Gefahr der Schädigung von Komponenten, insbesondere des Filterelements, durch Entladungen im Hydrauliksystem.

Ziele

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der elektrostatischen Aufladung in Folge der Durchströmung von Filterelementen mit Hydraulikflüssigkeiten. Außerdem gilt es ein Modell zur Erklärung der beobachteten Effekte zu erarbeiten. Eine maßgebliche Randbedingung des Forschungsvorhabens ist, dass die Ermittlung der Ladungsdichte möglichst flexibel bezüglich der Druckbereiche und Volumenströme ist. Im Weiteren soll die Messgröße, die Ladungsdichtedifferenz über einem Filterelement, unter verschiedenen Betriebsbedingungen ermittelt werden.

Modellierung

Für die Modellierung der elektrostatischen Aufladung der Hydraulikflüssigkeit bei der Durchströmung von Filtern wurde zunächst die Strömung am Filter näher betrachtet. Bild 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Filterelements. Anhand dieser Darstellung kann verdeutlicht werden, dass zwei verschiedene Anströmungssituationen an einem Filterelement vorliegt.

Zunächst wird das Filtervlies tangential angeströmt. Für die Modellierung der Aufladung dieser speziellen Anströmungssituation wird auf die Arbeit von Washabaugh (1997) zurückgegriffen. Die zweite Form, in der das Fluid mit dem Filtervlies interagiert, ist die Durchströmung. Um diesen Effekt zu modellieren, wird das von Klinkenberg (1956) erarbeitete Rohraufladungsmodell für die Verwendung an einem Vlies abgewandelt. Hierzu wird für das Vlies ein Ersatzmodell in der Form eines Rohrbündels erstellt. Dieses Modell weist dabei die gleiche Dicke, den gleichen mittleren Porendurchmesser und die gleiche innere Oberfläche wie das Vlies auf. Diese beiden Modelle werden anschließend mittels der Gl. 1 zusammengeführt. Es wird davon ausgegangen, dass die Ladungsdichte (ρ) mit entsprechenden Koeffizienten (βi), die zum Beispiel die Durchströmungsreihenfolge berücksichtigen, aufsummiert werden kann.

Für beide Modelle wird der turbulente Fall angenommen, da an keiner Stelle im Filter die notwendigen Einlauflängen für eine laminare Strömung gegeben sind.

Prüfstand

Bedingt durch die Anforderung die Messungen unter Betriebsbedingung durchzuführen, wird eine kontinuierliche Messmethode zur Bestimmung der Ladungsdichte benötigt. Zu diesem Zweck wurde ein Prüfstand mit neuartigem Messsystem entwickelt, siehe Bild 2. Dieser Prüfstand erlaubt es durch verschiedene Probenträger sowohl Flachprobe, als auch gefaltete Filterelemente zu untersuchen.

Das Messsystem zur Bestimmung der Ladungsdichte besteht aus einem Rohrkondensator, siehe Bild 3. Die Kapazität des Kondensators wird mittels eines Schwingkreises ermittelt. Für die Messung der Ladungsdichte des Öls wird dieses in einem nicht leitfähigen Schlauch durch den Rohrkondensator geführt. Zur Vorgabe des Nullpotentials muss die innere Elektrode, auch Influenzelektrode genannt, des Kondensators feldfrei geerdet werden können. Hierzu gibt es ein Schutzrohr, siehe Bild 3, das zwischen der Influenzelektrode und der Ölsäule eingebracht werden kann. Nur während der Messung wird das innere Schutzrohr entfernt. Dadurch kann das elektrische Feld des geladenen Öls auf die Influenzelektrode wirken. Durch die Feldeinwirkung kommt es auf der Influenzelektrode zur Ladungsverschiebung. Als Konsequenz der Ladungsverschiebung bildet sich ein Potentialunterschied zwischen den zwei Elektroden des Rohrkondensators aus. Mit einem Spannungsmesskopf auf einer Feldmühle kann diese Spannung nahezu verlustfrei bestimmt werden. Der Aspekt der verlustfreien Messung ist hier von besonderer Bedeutung, da sich auf dem Rohrkondensator eine relativ große Spannung aufbauen kann aber nur eine sehr geringe Ladung vorhanden ist. Würde mit herkömmlichen Messmethoden versucht werden die Spannung bzw. Ladung des Rohrkondensators zu bestimmen, würde sich der Kondensator innerhalb kürzester Zeit entladen ohne dass eine akkurate Messung der Ladung stattgefunden hätte.

Jede Ladungsmesszelle enthält einen Rohrkondensator, so wie er zuvor beschrieben wurde. Insgesamt wurden im Prüfstand, wie auch im Hydraulikschaltplan in Bild 4 zu sehen, drei dieser Ladungsmesszellen verbaut. Die erste Ladungsmesszelle ist in der Saugleitung der Pumpen angeordnet. Die zwei weiteren Ladungsmesszellen sind um den Probenträger positioniert. Dieser „inline“-Aufbau ermöglicht es einen Betriebszustand anzufahren und anschließend die eigentliche Messung ohne weitere Umschaltvorgänge durchzuführen. Durch diese Anordnung können potentielle Einlaufeffekte zum einen beobachtet aber auch gezielt vermieden werden.

Eine Messung beginnt mit dem Anfahren eines Betriebspunktes. Nachdem ein stationärer Betriebszustand erreicht wurde, wird zunächst die Influenzelektrode mit herabgelassenem Schutzschirm geerdet. Im nächsten Schritt wird der Schutzschirm angehoben, um das elektrische Feld auf die Influenzelektrode wirken zu lassen. Da sowohl die Kapazität des Kondensators als auch das Ölvolumen in der Ladungsmesszelle bekannt ist, kann mit der am Rohrkondensator gemessenen Spannung die Ladungsdichte des Öls berechnet werden. Bedingt durch die Messanordnung ist es somit möglich die Differenz der Ladungsdichte ohne Eingriff in den Betriebsablauf und ohne Beeinflussung des Betriebszustands zu bestimmen.

Ergebnisse

Um einen möglichst umfassenden Einblick in die zugrunde liegenden Mechanismen der Aufladung von Hydraulikflüssigkeiten zu erlagen, wurde zunächst eine vereinfachte Probenform untersucht. Bei dieser Probe handelt es sich um eine Filtervliesronde, siehe Bild 5. Es wurden mehrere verschiedene Vliese zu Beginn untersucht. Im weiteren Verlauf der Versuche wurde die Anzahl der Vliese auf zwei Vliesmaterialien reduziert. Hintergrund ist, dass nur ein Vliesparamter, nämlich die Porengröße, variiert werden sollte. Neben den einzelnen Vliesen wurde auch die Kombination der Vliese untersucht. Die Hydraulikflüssigkeit durchströmt in dieser Konstellation zunächst das grobe Vlies bevor das Fluid auf das feine Vlies trifft. Diese Reihenfolge entspricht der Anordnung in einem herkömmlichen Filterelement.

Für die Versuche wurden sowohl der Betriebsdruck, der Volumenstrom, die Betriebstemperatur als auch die Gehäuseerdung zwischen zwei Werten variiert. Bild 6 zeigt die Messergebnisse der oben beschriebenen Flachproben. Der Graph ist in vier Ebene unterteilt. In der ersten Ebene werden die Messergebnisse gemäß der zwei betrachteten Betriebstemperaturen gruppiert. Anschließend erfolgt eine Unterteilung gemäß dem Betriebsdruck. Die dritte Ebene stellt die Unterteilung der Volumenströme dar, bevor die letzte Unterteilung, die Zu- bzw. Abschaltung der Probenträgererdung, darstellt.

Die Messergebnisse für die einzelnen Proben zeigen deutliche Tendenzen bezüglich der Temperatur- und Volumenstromabhängigkeit. Eine steigende Temperatur führt zu einer geringeren Ladungsdichte. Die Erhöhung des Volumenstroms dagegen führt zu einer gesteigerten Ladungsdichte. Bezüglich der Probenträgererdung und des Betriebsdrucks kann allerdings keine eindeutige Beeinflussung der Ladungsdichte anhand der Messwerte identifiziert werden.

Die größere Ladungsdichte bei der Durchströmung der groben Vliesronde kann mit Hilfe des in der Modellierung erarbeiten Aufladungsmodells erklärt werden. An den Filtervliesronden wird die Ladungsdichte von der Durchströmung des Vlieses dominiert. Wird nun das zuvor erwähnte Rohraufladungsmodell betrachtet zeigt sich, dass für den turbulenten Fall die Ladungsdichte maßgeblich von der Reynolds-Zahl abhängt. Die mittlere Geschwindigkeit, mit der die Poren durchströmt werden, ist in beiden Fällen nahezu identisch. Somit hängt die Reynolds-Zahl und dadurch auch die Ladungsdichte von dem hydraulischen Durchmesser ab. Für das grobe Filtervlies ist dieser Durchmesser deutlich größer als für das feine Glasfaservlies, sodass eine stärkere Aufladung erwartet wird.

Im Anschluss an die Untersuchungen der Filtervliesronden sollten Filterelemente mit den gleichen Vlieskombinationen untersucht werden. Dabei hat sich allerdings herausgestellt, dass der aktuelle Prüfstandsaufbau, bedingt durch die verwendeten nicht leitfähigen Schläuche, nicht in der Lage ist zuverlässig die auftretenden Ladungsdichten zu vermessen. Dies liegt in den starken Feldern begründet, welche an den Kunststoffoberflächen unerwartete Entladungen verursachen. Somit kann lediglich das für die Entladungen notwendige elektrische Feld vermessen werden aber nicht das tatsächlich von der Hydraulikflüssigkeit emittierte Feld. Im nächsten Schritt wurde der Hydraulikflüssigkeit ein Additiv zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit zugegeben. Dadurch wurde die Leitfähigkeit von ehemals 10 pS/m auf ungefähr 500 pS/m angehoben. Im Anschluss war es nun möglich die Filterelemente zu vermessen. Allerdings war die gemessene Ladungsdichte so gering, dass sie ungefähr der Größenordnung eines leeren Probenträgers mit nicht additiviertem Öl entspricht. Dies belegt, dass die elektrische Ladungsdichte maßgeblich von der elektrischen Leitfähigkeit des Fluides beeinflusst werden kann.

Ausblick

Zum Zweck der Vertiefung der Thematik wurde ein Nachfolgeprojekt beantragt. Im Rahmen des Anschlussprojekts sollen die zuvor gewonnen Erkenntnisse auf weitere Systemkomponenten erweitert werden. Hierzu soll der Beitrag von Rohrleitungen und Schläuchen sowie von Kühlern und ventiltypischen Geometrien zur elektrostatischen Aufladung untersucht werden. Außerdem gilt es verstärkt auf die Fluideigenschaften einzugehen. Gegenwärtig liegt der Antrag für das Anschlussprojekt den Gutachtern zur Bewertung vor.

Zur Überbrückung der Zeit zwischen dem hier vorgestellten Projekt und dem beantragten Nachfolgeprojekt wurde darüber hinaus eine Zwischenfinanzierung durch den Forschungsfonds des Fachverbandes Fluidtechnik im VDMA und interessierten Arbeitskreismitgliedern ermöglicht. Die Aufgabenstellung für die Zwischenfinanzierung ist die Erweiterung der Wissensbasis bezüglich der elektrostatischen Aufladung an Filtern. Hierzu soll ein weiterer Volumenstrom betrachtet werden, sowie ein Öl einer anderen Viskositätsklasse. Die Betrachtung einer weiteren Viskositätsklasse wird wichtige Erkenntnisse zur Differenzierung zwischen dem Temperatureinfluss und dem Einfluss der kinematischen Viskosität liefern. Neben der Viskosität wird außerdem die kleinschrittige Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit betrachtet. Wie das Initialprojekt gezeigt hat, ist die vom Hersteller empfohlene Dosierung des Additivs und die damit einhergehende Erhöhung der Leitfähigkeit zu groß um noch signifikante Ladungsdichten zu detektieren. Daher ist es für die Quantifizierung des Effekts der elektrostatischen Aufladung unerlässlich das Fluid mit einer nur leicht erhöhten Leitfähigkeit zu untersuchen.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 17323 N/1 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. – FKM, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Seite drucken print