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Luft im Öl Keine Blasen – Kein Problem?
Carsten Heine Rüdiger Krethe
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Luft im Öl: Ursachen Gelöste Luft
Ungelöste Luft
In die Molekülstruktur aufgenommen (Mineralöl: ca. _%)
Nicht in die Molekülstruktur aufgenommen
Keine „freie“ Luft Keine Luftblasen vorhanden
„Freie“ Luft Luftblasen vorhanden Ursachen
Durch den Kontakt mit der Umgebungsluft (Henry-Dalton-Gesetz); Gehalt primär abhängig von Druck und Temperatur
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Durch Eintrag von Luftblasen, z.B. durch Eintauchen von Maschinenteilen, Rücklauf des Öles in den Sammelbehälter, Ansaugen von Luftblasen etc.
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Das Propeller-Experiment
Warum erzeugt der Schiffs-Propeller eine deutlich sichtbare Blasen-Spur? Wo kommen die Blasen plötzlich her?
Finale Frage: Können auch in unserem Öl plötzlich Luftblasen entstehen, obwohl keine einzige Luftblase eingetragen wurde? ©OilDoc GmbH – Alle Rechte vorbehalten
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Luft im Öl: Ursachen und Folgen Gelöste Luft
Ungelöste Luft
In die Molekülstruktur aufgenommen (Mineralöl: ca. 9%)
Nicht in die Molekülstruktur aufgenommen
Keine „freie“ Luft Keine Luftblasen vorhanden
„Freie“ Luft Luftblasen vorhanden Ursachen
Durch den Kontakt mit der Umgebungsluft (Henry-Dalton-Gesetz); Gehalt primär abhängig von Druck und Temperatur
Durch Eintrag von Luftblasen, z.B. durch Eintauchen von Maschinenteilen, Rücklauf des Öles in den Sammelbehälter, Ansaugen von Luftblasen etc.
Folgen
Unproblematisch
?
(Druck- und Temperaturschwankungen kann gelöste Luft frei werden lassen, wird dann zu ungelöster Luft (Luft-Blase)
???
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Luft – gelöst oder frei
Wo ist das Problem?
Wenn sich die spontan nach dem Druckabfall entstandene freie Luft bei nachfolgenden Anstieg des Druckes wieder löst?
Das tut sie auch! ABER:
Die Geschwindigkeit des Aus-der-Lösung-Gehens der Luftblase ist deutlich höher als die des Wieder-Hinein-Lösens!
Wie auch in der Cola-Flasche!
Schütteln erzeugt sofort viele Blasen & Schaum Es dauert eine ganze Weile, bis sich die Sache wieder „beruhigt hat“ und ich die Flasche ohne Schaumbad öffnen kann
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Luft im Öl Folgen
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Mögliche Folgen eines erhöhten Luftgehalts
Steigende Kompressibilität des Öls
Sinkende Förderleistung von Pumpen Beeinträchtigte Schmierwirkung bis hin zur Mangelschmierung Dichtungsverschleiß Sinkende Kühlleistung (Schaum!) Erhöhte Öloxidation (Gas-)Kavitation Dieseleffekt (Microdieseling)
…
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Luft im Öl: Ursachen und Folgen Gelöste Luft
Ungelöste Luft
In die Molekülstruktur aufgenommen (Mineralöl: ca. 9%)
Nicht in die Molekülstruktur aufgenommen
Keine „freie“ Luft Keine Luftblasen vorhanden
„Freie“ Luft Luftblasen vorhanden Ursachen
Durch den Kontakt mit der Umgebungsluft (Henry-Dalton-Gesetz); Gehalt primär abhängig von Druck und Temperatur
Durch Eintrag von Luftblasen, z.B. durch Eintauchen von Maschinenteilen, Rücklauf des Öles in den Sammelbehälter, Ansaugen von Luftblasen etc.
Folgen
Unproblematisch
Problematisch
(Druck- und Temperaturschwankungen können gelöste Luft freisetzen, diese wird dann zu ungelöster Luft)
Öl wird kompressibel, Schmierwirkung und Kühlleistung werden beeinträchtigt Führt zu beschleunigter Öloxidation, (Gas-)Kavitation, Dieseleffekt etc.
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Berechnungsmethoden
ASTM D 2779
Standard Test Method for Estimation of Solubility of Gasis in Petroleum Liquids
Standardisierte Prüfmethode zur Abschätzung der Löslichkeit von Gasen in mineralölbasischen Flüssigkeiten
ASTM D3827
Standard Test Method for Estimation of Solubility of Gasis in Petroleum or oand Other Organic Liquids
Standardisierte Prüfmethode zur Abschätzung der Löslichkeit von Gasen in mineralölbasischen oder anderen organischen Flüssigkeiten
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Luft im Öl Messmethoden
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Eine ernsthafte (?) Frage:
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Kann man im Weltraum (Schwerelosigkeit) CO2-haltige Coca-Cola trinken?
Anders gefragt: Sind die Bilder echt oder ein „Fake“?
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Luftgehalt
Ist der Gehalt an gelöster Luft direkt messbar?
Ja Sehr aufwändig Von vielen Faktoren abhängig, z.B. Druck, Temperatur des Öls Luftdruck, Luft-Temperatur
Wird in der Praxis nur selten gemacht
z.B. bei neuen Stoßdämpferölen
Oft wird dagegen gemessen, wie das Öl mit freier Luft umgeht
Schaumverhalten Luftabscheidevermögen ©OilDoc GmbH – Alle Rechte vorbehalten
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Schaum und Luftabscheidevermögen
Luftabscheidevermögen
Ort: unterhalb der Öloberfläche Geschwindigkeit, mit der die Luftblasen aufsteigen, d.h. vom Öl abgeschieden werden
Schaum
Ort: Grenzfläche Öl – Luft Aufgestiegene Luftblasen Von „Haut“ aus Öl umgeben Zerplatzen nicht oder nur langsam
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Luftabscheidevermögen
Abhängig von
Viskosität Temperatur Größe der Luftblasen Polare Additive Polare Verunreinigungen
Deshalb: Öltyp-spezifisch!
Grundöltyp Viskosität, V-T-Verhalten Additivierung
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Luftabscheidevermögen
Ø > 5.10-2 cm
Oberflächenschaum
Wabenblasen Ø < 5.10-2 bis 10-2 cm
Ø < 10-2 cm
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Luft in Öl Dispersion Kugelblasen
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Luftabscheidevermögen 10-2 cm
Aufstiegszeit (min/m)
60
Luft in Öl Dispersion
40
Luftblasendurchmesser
20 5·10-2 cm
0 0
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50 100 Ölviskosität (cSt)
Oberflächenschaum
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Luftabscheidevermögen (LAV)
Einbringen vorgeheizter Luft in das temperierte Öl (200 ml)
50°C = Standard-Prüftemperatur für Hydraulik- und Turbinenöle
Über die Dichte-Messung wird das Entweichen der Luftblasen überwacht
LAV = Zeit bis zum Wieder-Erreichen der Ausgangsdichte in Minuten
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Luftabscheidevermögen (LAV)
Abweichende Prüftemperatur für hochviskose Getriebe- und Umlaufschmieröle möglich, z.B. 75°C
Spezial-Verfahren von VOITH, z.B. für Strömungsgetriebeöle
80°C Überwachungsbeginn schon nach 30 Sekunden (Luftgehalt)
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Luft im Öl Anforderungsnormen Grenzwerte
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Luftabscheidevermögen für Frischöle Grenzwerte klassischer Anforderungsnormen ISO VG / Typ
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68
100
(150)
(>320)
Turbinenöl, DIN 51515, ISO 8068
5
5
6
-
-
-
Hydraulikflüssigk. HLP/HM, DIN 51524/2, ISO 11158
5
10
13
21
32
-
Schmieröl CLP/CKC, DIN 51517/3, ISO 12925/1
-
-
-
-
-
-
OEM verschärfen die Mindestanforderungen der DIN-/ISO-/ASTM-Norm je nach Erfordernis in deren Hausnormen, Spezifikationen oder Freigabebedingungen
Oft sind auch Grenzwerte für Gebrauchtöle festgelegt, z.B. im Kraftwerksbereich durch Richtlinien des VGB
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Luft im Öl Mögliche Veränderungen während des Betriebes
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Luftabscheidevermögen und Alterung
Ölalterung
Öloxidation produziert Polymere Additive werden abgebaut Viskosität kann ansteigen
Verunreinigungen
Wasser, Partikel Vermischung unterschiedlicher Öltypen Verunreinigung mit Korrosionsschutzmittel, Schmierfetten o.ä.
Folge
LAV steigt!
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Luftabscheidevermögen verbessern
LAV ist durch Additive nicht zu verbessern
Eine erhöhte Konzentration von Entschäumer-Additiven ist eher kontra-produktiv
Mögliche Abhilfemaßnahmen
Ggf. hilft Reinigung des Öles Ansonsten bleiben Ölwechsel
Teilaustausch
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Luft im Öl Folgen im Detail
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Betriebsbedingte Störungen durch erhöhten Luftgehalt im Öl Hauptsächlich bezogen auf ungelöste Luft Beobachtete Phänomene
Punktueller Materialabtrag und Geräusche (Gas-)Kavitation Plötzliche Grau- oder Schwarzfärbung des Öles Dieseleffekt
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Kavitation „cavitare“ = (lat) aushöhlen, tritt z.B. in Hydrauliksystemen, Gleitlagern und an Turbinenschaufeln auf
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Prinzip Luft (oder Wasser) stets in gelöster Form in Öl vorhanden Starker plötzlicher Druckabfall führt zur lokalen Bildung von Luftblasen (bzw. Wasserdampf) im Öl Blasen implodieren (bzw. kondensieren) nach dem Entspannungsvorgang spontan Bemerkung Ein gewisser Grad an Kavitation ist je nach Betriebszustand nicht zu vermeiden, z.B. beim Auslenken einer Axialkolben-Einheit, nach scharfen Kanten oder Drosselstellen Kavitation wird auch nützlich angewandt, z.B.: Ultraschall-Reinigung Funken-Erodieren 27 von 45
Kavitation im Detail
Unterscheidung in Gas- und Dampf-Kavitation Gas-Kavitation: durch Luft o.a. Gase Dampf-Kavitation: durch Feuchtigkeit Ausbildung eines „MicroJet“ in einer Gasblase und nachfolgende Implosion: 1. Starker plötzlicher Druckabfall führt zur lokalen Bildung von Luftblasen (bzw. Wasserdampf) 2. Gasblase wächst sehr schnell im Bereich fallenden Drucks 3. Im Bereich steigenden Drucks wird Gasblase komprimiert, Mikro-Jet entsteht 4. Gasblase implodiert plötzlich Mögliche Folgen Erosionsartiger Materialabtrag, wenn in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche Erzeugung von Vibrationen bzw. starken Geräuschen
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Bilder: 1: Randall W. Whitesides, P.E 2: www.lawrencepumps.com
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Dieseleffekt
Starke Komprimierung von Luftblasen
Erhitzung der Luftblase bis zur „Selbstzündung“ Luftblase verbrennt zu Rußpartikel Öl wird plötzlich grau/schwarz
Mögliche Ursachen:
Erhöhter Eintrag ungelöster Luft durch Undichtigkeiten Schlechtes LAV Vermischung Verunreinigungen Starke Ölalterung
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Dieseleffekt im Detail
Blasen ungelöster Luft erhitzen sich bei starker Kompression bis zur Zündung (vgl. Dieselmotor)
Abhängig von Blasengröße und Geschwindigkeit des Druckanstiegs
(Diagramm: Leichnitz, J.: ISBN 978-3-8332-6779-7) ©OilDoc GmbH – Alle Rechte vorbehalten
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Luft im Öl Beispiele
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Beispiel 1: Turbinenöl Dampfturbine
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Beispiel 2: Hydraulik-Prüfstand
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Beispiel 3: Lager-Schmieröl Lüfterantrieb Ölsorte angegeben: Mobil DTE Light (???)
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Beispiel 4: Sauerstoff-Kompressor Schmieröl TD 68
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Gas im Öl Kältemittel- und Gaskompressoren
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Strategie für Kältemittelverdichter
Kontakt Kältemittel – Schmieröl konstruktiv gegeben!
Schmieröl und Kältemittel laufen gemeinsam um Kreislauf hat „kalte“ und „heiße“ Seite!
Wahl eines geeigneten Schmieröles
Basisöl:
Gute Löslichkeit Kältemittel und Gas unter allen Temperaturen angestrebt, um das Öl mit dem Kältemittel gut aus dem Kältekreislauf zurück zu transportieren
Keine schädlichen Reaktionen zwischen Basisöl und Kältemittel zur Vermeidung von Schlamm, Ablagerungen etc.
Additive
keine schädlichen Reaktionen mit dem Kältemittel zur Vermeidung von Schlamm, Ablagerungen etc.
Prüfung muss den gesamten Temperaturbereich „kalt – warm“ abdecken Mögliche Ölverdünnung muss bei Ölauswahl berücksichtigt werden ©OilDoc GmbH – Alle Rechte vorbehalten
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Kältemaschinenöl: Mischbarkeit
Quelle: Fuchs Europe Schmierstoffe GmbH, Wolfgang Bock ©OilDoc GmbH – Alle Rechte vorbehalten
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Kältemaschinenöl: pVT-Diagramm
Quelle: Fuchs Europe Schmierstoffe GmbH, Wolfgang Bock ©OilDoc GmbH – Alle Rechte vorbehalten
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Strategie für Gasverdichter
Wenn möglich und vom Aufwand her vertretbar
Kontakt Gas – Schmieröl konstruktiv verhindern bzw. minimieren, z.B. durch
Wahl eines Verdichtertyps ohne Kontakt Gas – Schmieröl
Ausführung als „Trockenläufer“
Einbringung eines Schutzgases als Trennschicht
Schmieröl auf das Gas und den Verdichter abgestimmt
Basisöl:
Gas nicht darin löslich, um Viskositätsabsenkung zu vermeiden und Gas-Strom nicht mit Öl zu verunreinigen
Keine schädlichen Reaktionen zwischen Basisöl und Gas zur Vermeidung von Schlamm, Ablagerungen etc.
Additive
keine schädlichen Reaktionen mit dem Gas zur Vermeidung von Schlamm, Ablagerungen etc.
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Hinweise für Gasverdichter
Beispiele für aggressive Gase
Ammoniak Chloridhaltige Gase (z.B. Methyl- oder Vinylchloride) Andere saure Gase, z.B. gasförmige Säuren Schwefelwasserstoff (H2S)
Gesamte Gaszusammensetzung berücksichtigen
Gasanalyse vorhanden? Zusammensetzung konstant?
Auch Verunreinigungen und Bestandteile an aggressiven Gasen berücksichtigen, wie z.B.
Klär- und Bio-Gase Chlor- oder schwefelhaltige Verbindungen wie z.B. Schwefelwasserstoff (H2S) oder Chloride
Größere Anteile an Sauerstoff ©OilDoc GmbH – Alle Rechte vorbehalten
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Online-Training „Partikel im Öl“
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Online-Training „Überwachung von Getriebeölen“
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Online-Training „Überwachung von Hydraulikölen“
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