O+P Fluidtechnik 6/2017

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VERBINDUNGSELEMENTE Ungelöste (freie) Luft in Druckflüssigkeit (Dispersion): Luft ist hier in Form frei verteilter Bläschen in die Flüssigkeit eingeschlossen, bei etwa über 30 % Luft im Hydrauliköl liegt Schaum vor. „Freie Luft“ beeinflusst die physikalischen Eigenschaften des Hydrauliköls [2]. Solange der Fluiddruck hoch genug ist, ist dieser Luftanteil so stark komprimiert, dass er keine Auswirkung auf die Eigenschaften des Fluids hat. Je niedriger der Druck im Fluid wird, umso stärker ist jedoch der Einfluss der ungelösten Luft auf die Eigenschaften des Fluids. Zum Beispiel wird hierdurch der effektive Kompressionsmodul des Fluids sehr stark reduziert, was bei der Berechnung des Druckschlages noch wichtig wird. Auf eine detaillierte Beschreibung zum Einfluss der ungelösten Luft wird an dieser Stelle verzichtet und zur vertiefenden Lektüre auf Murrenhoff [3] verwiesen. Ist das Fluid komplett „entspannt“ und es wird trotzdem noch weiter an ihm „gezogen“, dann entsteht im Bereich des niedrigen Drucks die in Bild 01 gezeigte kavitationsähnliche Zone. 02 Experimentell ermittelte Grenzkurve für die Zündung bei Kompression von einzelnen Luftblasen [9] Kavitation: Kavitation ist die Bildung und Auflösung von dampfgefüllten Hohlräumen (Dampfblasen) in Flüssigkeiten. Man unterscheidet zwei Grenzfälle, zwischen denen es viele Übergangsformen gibt. Bei der Dampfkavitation oder harten (transienten) Kavitation enthalten die Hohlräume hauptsächlich Dampf der umgebenden Flüssigkeit. Solche Hohlräume fallen unter Einwirkung des äußeren Drucks per Blasenimplosion zusammen (mikroskopischer Dampfschlag). Bei der weichen Gaskavitation treten in der Flüssigkeit gelöste Gase in die Kavitäten ein und dämpfen deren Kollaps [4]. Kavitationsähnlich: Kavitationsähnlich (oder Pseudokavitation), weil es sich streng genommen um eine Mischung aus etwas Ölkavitation (Dampfdruck viel höher als bei Wasser) und aber erheblichen, meistens überwiegenden Luftblasenwirkungen handelt [5]. In den beiden Textstellen zur Kavitation befinden sich zwei für die weitere Betrachtung von Druckschlägen in einer Tankleitung wichtige Punkte. Zum einen dämpfen im Fluid gelöste Gase den Kollaps der Kavitäten, also den Druckschlag, und zum anderen wird angedeutet, dass in diesen Kavitäten neben der Luft auch eine gewisse Menge Dampf des umgebenden Fluids enthalten ist. Dieser Dampf ist verantwortlich dafür, dass es bei Druckschlägen in der Tankleitung nicht nur zu Problemen durch die starken mechanischen Belastungen kommt, sondern auch zu thermischen Beschädigungen, da das Fluiddampf-Luft-Gemisch der Kavitationsblasen bei einer schnellen Kompression zündet. In der Hydraulik wird dieser Vorgang als Diesel-Effekt bezeichnet. Diesel-Effekt: Wenn man Mineralöl, das Luftbläschen enthält, sehr schnell verdichtet, werden die Bläschen so stark erhitzt, dass eine Selbstzündung des Luft-Gas-Gemisches auftreten kann. Dadurch entsteht örtlich ein sehr hoher Druck- und Temperaturanstieg – der auch Dichtungen beschädigen kann – sowie eine beschleunigte Alterung des Öls verursacht [6]. Der Diesel-Effekt und die dadurch verursachten Schäden sind bereits seit Jahrzehnten Forschungsgegenstand. Interessante Veröffentlichungen zu diesem Thema finden sich bereits in den 1970er Jahren. So präsentiert Lohrentz [7] eine Vorrichtung mit der der Diesel-Effekt visuell beobachtet werden konnte. Hörl [8] hat die Explosion in einem transparenten Zylinderrohr in einem Video festgehalten. In der nur wenig später erschienenen Dissertation von Lipphardt [9] findet sich dann bereits eine Grafik (Bild 02), die abhängig von der Druckanstiegsgeschwindigkeit eine experimentell ermittelte Grenzkurve für die Zündung bei Kompression von einzelnen Luftblasen zeigt. FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 03 Verlauf der mittleren Blasentemperatur bei unterschiedlichen Druckanstiegsgeschwindigkeiten [10] 40 O+P Fluidtechnik 6/2017
VERBINDUNGSELEMENTE Eine Veröffentlichung von Schmitz [10], über die simulative Analyse der Dynamik einer Gasblase zur Untersuchung des Dieseleffektes in hydraulischen Systemen, gibt einen Überblick zum aktuellen Stand der Forschung. Die genauen Systembedingungen, die zum Auftreten des Diesel-Effektes führen, sind zwar noch immer nicht vollständig bekannt, man weiß heute aber, dass die Zusammensetzung des Fluiddampf-Luft-Gemisches, das Temperaturniveau in der Blase und die Druckanstiegsgeschwindigkeit wesentliche Einflussgrößen sind. Die Erläuterungen zu Bild 01 haben bereits verdeutlicht, dass es zum Ende des Bremsvorgangs direkt hinter dem Ventil, also am Anfang der Tankleitung, eine kavitationsähnliche Zone geben kann. Der reinen Existenz der Einflussgröße „Fluiddampf-Luft-Gemisch“ ist also genüge getan, wobei es, je nach Vehemenz des Bremsvorgangs, sicherlich eine unterschiedlich große kavitationsähnliche Zone mit unterschiedlich großen Gemischblasen geben wird. Die praktische Erfahrung zeigt, dass mit Sicherheit einige der Blasen dann auch das bei Schmitz [10] beschriebene richtige Gemisch für die Selbstzündung haben. An dieser Stelle sei erwähnt, dass bereits Lohrentz [7] von erfolgreichen Experimenten berichtet, bei denen dem Hydrauliköl Superbenzin oder Bleitetraäthyl hinzugefügt wurde, um die Oktanzahl zu erhöhen und somit die Zündwilligkeit zu reduzieren. Was die Einflussgröße „Temperaturniveau in der Blase“ anbelangt, so zeigt ein Blick in den Motorenbau, dass es nur einer ausreichenden Kompression, also genügend Druck, bedarf, um das richtige Temperaturniveau für eine Selbstzündung zu erreichen. Bei modernen Diesel-Motoren mit Aufladung liegt das Kompressionsverhältnis unter 19:1 und ohne Aufladung zwischen 21:1 bis 23:1 [11]. Das sind Kompressionsverhältnisse, die die moderne Ölhydraulik locker schafft. Würde der Druck am Anfang der Tankleitung während des Bremsvorgangs bis auf 0,1 bar absolut abfallen, dann würde schon ein Druckschlag mit einer Amplitude von knapp über 2 bar für die notwendige Kompression ausreichen. Wie in Bild 03 bei Schmitz [10] und in Bild 02 bei Lipphardt [9] dargestellt, spielt die Einflussgröße „Druckanstiegsgeschwindigkeit“ eine bedeutende Rolle beim Diesel-Effekt. Der Druckanstieg muss abhängig von den anderen Einflussgrößen so schnell erfolgen, dass die Wärme, die während der Kompression entsteht, die zur Selbstzündung notwendige Temperatur von > 320 °C erreicht. Ist der Druckanstieg zu langsam, geht die Wärme von der Blase in das Fluid über und es erfolgt keine Zündung. Da die höchsten Druckgradienten während des Druckschlags auftreten, ist die genaue Kenntnis der dynamischen Vorgänge eine notwendige Voraussetzung, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Diesel-Effekts abschätzen zu können. ZURÜCKSTRÖMEN DER FLUIDSÄULE IN DER TANKLEITUNG Ist die Fluidsäule aus Bild 01 zum Stillstand gekommen und hat sich eine kavitationsähnliche Zone mit niedrigem Druck gebildet, dann wird die Fluidsäule anschließend aufgrund des höheren Druckes im Tank wieder zurück Richtung Ventil beschleunigt. Die Gemischblasen werden hierbei zunächst ohne viel Widerstand komprimiert. Es beginnen die thermodynamischen Vorgänge, die schlussendlich zur Selbstzündung führen. Was dies für die Dynamik in der Fluidsäule bedeutet, lässt sich stark vereinfacht wie folgt beschreiben. In den Gemischblasen steigt während der Kompression der Druck, wodurch auf die zurückströmende Fluidsäule eine stetig wachsende Bremskraft wirkt. Dies ist zunächst in etwa so, als wenn eine bewegte Masse in eine weiche Feder läuft. Aufgrund der Thermodynamik der Gemischblasen ist die Federrate jedoch nicht linear, sondern steigt während der Kompression progressiv. Dies ist die bereits in [4] erwähnte dämpfende Wirkung. Die in der Wasserhydraulik als etwas Positives empfundene dämpfende Wirkung hat jedoch eine fatale Auswirkung auf die Dynamik einer ölhydraulischen Fluidsäule. Bei der Richtungsumkehr der Fluidsäule aus Bild 01 gilt direkt wieder die Druckgleichung, nur dass die Volumenstrombilanz jetzt positiv ist und es zu einem Druckaufbau kommt. Wäre die kavitationsähnliche Zone komplett mit Fluid gefüllt, das einen geringen Volumenanteil ungelöster Luft enthält, so würde der Druckaufbau sofort mit einem relativ hohen Kompressionsmodul des Fluids starten. Die rückströmende Fluidmasse würde also direkt gegen eine stark progressive Feder anlaufen. Durch die Gemischblasen wird der effektive Kompressionsmodul des Fluids jedoch sehr stark reduziert und es bedarf erst einmal einer gewissen zurückströmenden Fluidmenge bis sich wieder ein effektiver Kompressionsmodul ergibt, der groß genug ist, einen nennenswerten Bremsdruck aufzubauen. Wiederum als mechanische Analogie ausgedrückt, läuft die rückströmende Fluidmasse zunächst gegen eine sehr weiche Feder. Die Fluidsäule beschleunigt hierdurch zu Beginn des Rückströmvorgangs viel länger, als es bei einer Tankleitung ohne kavitationsähnliche Zone möglich wäre. Am Ende des Vorgangs muss die Fluidsäule aus einer deutlich höheren Geschwindigkeit abgebremst werden. Durch dieses Abbremsen der Fluidsäule wird jetzt der Druckschlag in der Tankleitung eingeleitet und es sind alle Voraussetzungen erfüllt, dass es dabei auch zu einem Diesel-Effekt kommen kann. Um abzuschätzen, aus welcher Geschwindigkeit die Fluidsäule während des Druckschlags abgebremst wird, wird die vereinfachte Betrachtung aus Bild 01 erweitert. Relevant für die Dynamik in der Tankleitung ist nämlich nur der Teil der Fluidsäule, der sich in der Leitung befindet (Bild 04). Der Bremsweg reduziert sich hierdurch im Vergleich zu Bild 01 etwas, da bei konstantem Bremsdruck die Bremsbeschleunigung ansteigt, wenn die Masse in der Leitung abnimmt. Würde Reibung immer noch keine Rolle spielen und gäbe es keine kavitationsähnliche Zone, so würde die Fluidsäule mit der Geschwindigkeit auf das geschlossene Ventil prallen, mit der sie zu Beginn des Bremsvorgangs in die Tankleitung eingeströmt ist. Das Vorzeichen ist jetzt entgegengesetzt. Die voraussichtliche Amplitude des Druckschlags, und somit auch der zu erwarteten Druckgradient, können mit den in Bild 05 dargestellten Berechnungsgleichungen für den Druckstoß ermittelt werden. Druckstoß: Der Druckstoß (auch Wasserhammer, engl. Water hammer, pressure surge) wurde von Joukowsky im Jahre 1898 erkannt und von Allievi im Jahre 1905 theoretisch hergeleitet und bezeichnet die dynamische Druckänderung eines Fluids. Druckstöße sind in technischen Anlagen generell unvermeidlich (das wäre nur mit einer unendlich langen Schließzeit möglich), das Ausmaß eines Druckstoßes lässt sich jedoch mindern. Die Information „Druck“ wird dabei von longitudinalen Druckwellen weitergegeben [12]. Umgangssprachlich wird der Begriff Joukowsky-Stoß für den Druckanstieg in einer Rohrleitung verwendet, der beim zu raschen Schließen eines Ventils (oder Stellarmatur) auftritt. Die Gleichung in Bild 05 ist gültig für Rohrleitungen mit sehr kleiner Wandreibung, wenn die Geschwindigkeitsänderung unter der Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit liegt und der Zeitraum der Geschwindigkeitsänderung im Vergleich zur Reflexionszeit kurz ist. Der so berechnete Druckstoß unter Verwendung der Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums stellt die ideale physikalisch maximal mögliche Druckerhöhung bei einer unendlich steifen Rohrleitung dar [12]. Um realere Werte zu bekommen, müssen jedoch Einflussfaktoren wie die Elastizität der Rohrwand (Bild 05, rechter Teil) und der Luftgehalt im Fluid, durch den, wie bereits geschildert, der Kompressionsmodul des Fluids reduziert wird, bei der Berechnung der Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit berücksichtigt werden. Hierdurch wird die effektiv im Medium auftretende Wellenfort- O+P Fluidtechnik 6/2017 41
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