Syntetiska Estrar eller Mineraloljor

Transkript

1 HV-Seminarium, Lastfordonsgruppen Stockholm Syntetiska Estrar eller Mineraloljor Egenskaper och prestanda som påverkar valet Karl-Erik Rydberg LiU/IEI/Flumes 1

2 Viktiga användningsområden för miljöoljor Miljöanpassade hydrauloljor i skogsindustrin sedan 1990 Miljö-oljor för vattenturbiner och fartyg sedan

3 Viktiga egenskaper hos hydraulvätskor Smörjegenskaper, smörjfilm med hög bärighet Viskositet, viskositetsindex (multigrade) Hög oxidationsstabilitet > lång livslängd Stort temperaturintervall Värmekapacitet Miljöanpassad klara miljökrav även efter anv. God filtrerbarhet Pris 3

4 Typisk specifikation för hydraulvätskor Viskositet och VI har störst inverkan på systemförlusterna 4

5 Hydraulvätskans viskositet och dess inverkan på systemförlusterna 5

6 Viskositetsdefinition och inverkan på förluster Kinematisk viskositet: n [m 2 /s] Dynamisk viskositet: h = r n [Ns/m 2 ] Exempel: ISO VG 46, innebär att vätskans kinematiska medelviskositet är 46 cst vid 40 o C. Viskositetens inverkan på förluster i hydraulsystem Laminär spaltläckning: q l 1 h Friktionskrafter i tätspalter: F f h Tryckförluster vid laminär strömning: p h 6

7 Teori för tryckförluster i ledningar Tryckförlust i rak ledning med längden L, diametern d och strömningshastigheten v m (= q/a) Laminär str.: Turbulent str.: p p Friktionsfaktor, : lam turb 64 Re 0,136 4 Re f, t f Re L d Re Lh v d p f, l 2 0,068 L r 1.25 d 2 r vm h m 0.25 Reynolds tal: d r v Re h v 1.75 m d v n h = dynamisk visk., [Ns/m 2 ] 7

8 Test-rigg för mätning av tryckförluster i ledningar, Flumes, LiU q p Valveblock n p ) ( q s ) ( P 1 Hose, 15 m, ø = 10 mm P 2 Loadvalve q = q p - q s T 1 T 2 8

9 Hose pressure drop, [bar/15 m] Beräknade och uppmätta tryckförluster Mineralolja, VG 46, VI = 98 Hose diam. = 10 mm, viscosity = cst, VI = 98 - Measurements (n 30 cst) Re = 2300 T = 40 o C n = 46 cst Re = 2300 Laminär str. T = 50 o C n 30 cst Max pressure drop, 46 cst Max pressure drop, 30 cst Flow velocity, [m/s] 9

10 Viskositets-diagram för hydraulvätskor log log( n c) n log( T) k n = kinematic visc. 1 cst = m 2 /s Hydraulic oil ISO VG cst at 40 o C VI = Viscosity index 10

11 Viskositet s f a temperatur (uppmätta värden för 6 fluider, VG 2 - VG 46) VI 98 VI 150 VI >

12 Optimal oljeviskositet för axialkolv-pumpar Modellbaserade verkningsgradsberäkningar Hydro-mechanical efficiency n p = 500 rpm p p e p Volumetric efficiency n p 75 cst Overall efficiency (e p = 1.0) 12 cst Overall efficiency n p = 3000 rpm Optimal viskositet: p p C h v opt np kv h opt µ Tryck Varvtal 12

13 Verkningsgrader för pump och ledning q p n p ) ( P 1 Hose, 15 m, ø = 10 mm P 2 Loadvalve h t,p h ledn (vm = 5.0 m/s) Ledningsverkningsgrad: h ledn p 1 p ledn p h tot Max efficiency at 8 cst q p = 24 l/min, d ledn = 10 mm p = 21 MPa h Pumpverkningsgrad: t, p hv, p hhm, p Totalverkningsgrad: tot ht, p hledn h 13

14 Viskositetens inverkan på systemverkningsgraden Hydrostatisk fordonstransmission: Låg viskositet förbättrar verkningsgraden vid höga motorvarvtal. 14

15 Viskositetsindex Inverkan på pumpverkningsgrad VI = 200 VI =

16 Något om olika hydraulväts-kors specifika egenskaper Hur välja lämpligaste vätskan? 16

17 Egenskaper hos mineraloljor och syntetiska estrar 17

18 Vad har hänt med de mineraloljebaserade hydrauloljorna? /Artikel i FLUID SCANDINAVIA, NR 2/2016, av Lennart Strandberg och Anders Nygren/ Bättre miljö- och hälsoegenskaper men försämrade tekniska egenskaper. I industriella hydraulsystem har noterats en försämrad oxidationsstabilitet hos oljorna, vilket lett till kraftigt reducerad livslängd på hydraulmaskiner och cylindrar. Oxidationspartiklarna ger avlagringar (varnish- eller hartsavlagringar) på metallytor. Ger slitage på rörliga metallytor och tätningar samt försämrar systemets kylförmåga. Oxidationspartiklarna bidrar till en accelererad oxidations-process som kan nå kritiska nivåer, alltså leda till haverier, på drifttider som är kortare än 1/5 av nominella drifttiden för en konventionell mineralolja. Oxidationsproblemen kan avhjälpas med avancerad filtrering. Oxidationspartiklarna är mycket små (< 1 mm), vilket kräver extremt fina filter med höga b-värden. Slutsatser, enligt K-E Rydberg: Byt hydraulvätska till syntetisk PAO eller ester och/eller installera ett avancerat filtersystem (för indust-riella system, typ HYDAC OXiStop). Se till att systemet har tillräcklig kylkapacitet. Höga temperaturer (> 60 o C, enligt gammal tumregel ) ger ökad oxidation i alla typer av hydraulvätskor. 18

19 Statoil s Environmentally Adapted Hydraulic Oils Källa: 19

20 CATERPILLAR Hydraulic Fluid (HEES) Biodegradable Hydraulic Oil (HEES) For Cat hydraulic systems requiring a biodegradable and non-toxic hydraulic oil Biodegradable Hydraulic Oil (HEES) For Cat hydraulic systems requiring a biodegradable and non-toxic hydraulic oil SAE 10W ISO 46 SAE 10W ISO 46 HEES: Hydraulic Environmental Ester Synthetic (fully saturated ) Developed, tested, and approved by Caterpillar, Cat Biodegradable Hydraulic Oil (HEES) is a readily biodegradable oil that resists oxidation, corrosion, and wear. It meets accepted standards Developed, tested, and approved by Caterpillar, to be considered biodegradable and nontoxic. Cat Biodegradable Hydraulic Oil (HEES) is a readily biodegradable oil that resists oxidation, corrosion, Recommended and wear. It use meets accepted standards to Application be considered biodegradable and nontoxic. Cat BIO HYDO (HEES) is recommended for Recommended Cat hydraulic systems use that require readily Application biodegradable and low-toxicity fluids, as well as: Cat Cat BIO hydraulic HYDO (HEES) systems is operating recommended over a for broad ambient temperature range (-32 C to 43 C) Cat hydraulic systems that require readily and at tank temperatures up to 100 C. biodegradable and low-toxicity fluids, as well as: For maximum performance and environmental Cat hydraulic systems operating over a broad compliance do not mix Cat BIO HYDO ambient temperature range (-32 C to 43 C) (HEES) with other oils. and at tank temperatures up to 100 C. The maximum recommended water content for For maximum performance and environmental hydraulic systems that are filled with compliance Caterpillar BIO do not HYDO mix Cat (HEES) BIO HYDO is 0.10%. If (HEES) the water with levels other exceed oils. 0.10%, the water The should maximum be removed recommended or the oil water should content be for hydraulic replaced. systems that are filled with Caterpillar BIO HYDO (HEES) is 0.10%. If Karl-Erik Rydberg the HV-Seminarium, water levels exceed 0.10%, the LFG water8/ We 20 should can help be removed you determine or the oil the should right oil befor CAT hydraulic systems operating over a broad ambient temperature range (-32 C to 43 C) and at tank temperatures up to 100 C.

21 Hur välja hydraulvätska? Några viktiga kriterier för val av hydraulvätska Systemtryck, pump/motor-varvtal, typ av hydraulmaskiner och ledningsdimensioner krävs för att specificera lämplig viskositet. Krav på viskositetsindex Mobilhydraulik: VI = VG 15, 22, 32 eller 46? I mobila applikationer är optimalt VG också beroende av VI-värdet. Hög oxidationsstabilitet är synnerligen viktigt för komponentlivslängden. Hög skjuvstabilitet. Säkerställer att viskositet och VI påverkas marginellt vid skjuvning av hydraulvätskan. Vatten- och luft-avskiljning. 21

22 Slutsatser framtidens hydraulvätskor Krav på framtidens hydraulvätskor minimera förlusterna i hydraulsystem vara miljöanpassade med avseende på nedbrytbarhet och giftighet hög stabilitet syratal/hydrolys, viskositet, viskositetsindex, skjuvning vattenresistens, luftavskiljning stort temperaturområde Den hydraulvätska som bäst klarar dessa krav är syntetiska mättade estrar 22