Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní Katedra hydromechaniky a hydraulických zařízení
Sylabus předmětu
VLASTNOSTI TEKUTIN
Lukáš Dvořák
Ostrava 2010
Obsah Předmluva ..............................................................................................................................3 1. Úvod...............................................................................................................................4 1.1 Rozdělení tekutin ..........................................................................................................4 2. Fyzikální vlastnosti pracovních kapalin hydraulických systémů ......................................5 2.1 Hustota kapalin a její měření.........................................................................................5 2.2 Viskozita kapalin, její závislost na teplotě a měření.......................................................7 2.3 Stlačitelnost kapalin ....................................................................................................17 2.4 Teplotní roztažnost .....................................................................................................21 2.5 Měrná tepelná kapacita ...............................................................................................22 2.6 Bod tuhnutí .................................................................................................................23 3. Chemické vlastnosti......................................................................................................23 3.1 Bod vzplanutí, hoření a samovznícení .........................................................................23 3.2 Oxidační stálost ..........................................................................................................25 3.3 Korozívní působení na kovy........................................................................................27 3.4 Vliv pracovních kapalin na elastomery........................................................................28 4. Provozní vlastnosti kapalin ...........................................................................................29 4.1 Mazací schopnost........................................................................................................29 4.2 Vliv vzduchu v kapalině.............................................................................................31 4.3 Vliv vody v pracovní kapalině ....................................................................................33 5. Vlastnosti nenewtonských kapalin ................................................................................34 5.1 Rozdělení nenewtonských kapalin ..............................................................................34 5.2 Reometrie a reologické modely...................................................................................39 6. Vlastnosti a parametry stlačeného vzduchu ...................................................................40 6.1 Kvalita vzduchu ..........................................................................................................40 6.2 Stav vzduchu – stavová rovnice ..................................................................................40 6.3 Tlak vzduchu ..............................................................................................................41 6.4 Teplota .......................................................................................................................42 6.5 Normální (normovaný) stav ........................................................................................42 6.6 Rovnice kontinuity, hmotnostní průtok, objemový průtok ...........................................42 6.7 Hustota .......................................................................................................................43 6.8 Viskozita ....................................................................................................................44 6.9 Vratné děje (stavové změny) .......................................................................................46 6.10 Nevratné děje............................................................................................................48 6.11 Vlhkost vzduchu ......................................................................................................49 7. Hydraulické oleje..........................................................................................................49 7.1 Výroba základních olejů .............................................................................................49 7.2 Minerální oleje............................................................................................................51 8. Těžkozápalné kapaliny..................................................................................................53 9. Ekologické kapaliny a ekologické vlastnosti .................................................................58 Literatura..............................................................................................................................62
2
Předmluva Kapaliny a stlačený vzduch lze považovat za významné konstrukční prvky tekutinových mechanismů. Znalost fyzikálních vlastností pracovních kapalin hydraulických systémů a vlastností stlačeného vzduchu je nezbytná pro správný výpočet a bezchybný provoz hydraulických, resp. pneumatických mechanismů. Rovněž je důležité mít přehled o chemických a ekologických vlastnostech, protože ne všechny používané materiály jsou s pracovními kapalinami kompatibilní a případné úniky kapalin mohou způsobit závažné ekologické problémy. Cílem tohoto textu je seznámit studenty nejen s uvedenými vlastnostmi, ale i s řadou dalších věcí a poukázat na rozdíly mezi vlastnostmi kapalin a plynů. Tento sylabus je určen pro studenty 3. ročníku bakalářského studia oboru Hydraulické a pneumatické stroje a zařízení, vyučovaném na FS VŠB-TU Ostrava, ale i jako doplňkový text pro jiné obory FS.
Autor:
Ing. Lukáš Dvořák, Ph.D. Katedra hydromechaniky a hydraulických zařízení, FS Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
Recenzoval: prof. Ing. Jaroslav Kopáček, CSc.
3
1.
Úvod
1.1 Rozdělení tekutin Tekutina je společný název pro kapaliny a vzdušiny. Obě tyto skupiny, resp. skupenství, látek se vyznačují „tekutostí“, tedy tím, že nemají vlastní tvar. To je způsobeno menšími mezimolekulárními silami a tekutiny tedy na rozdíl od pevných látek nevytvářejí krystalickou mřížku (výjimku za jistých okolností tvoří plastické kapaliny). Jak kapaliny tak i vzdušiny lze rozdělit na ideální (dokonalé) a skutečné. Ideální kapalina je nestlačitelná bez vnitřního tření, ideální plyn je naopak dokonale stlačitelný a rovněž bez vnitřního tření. Tyto pojmy a představa ideálních tekutin byly zavedeny pro snazší odvození a pochopení základních fyzikálních zákonů. V tekutinových mechanismech však pracujeme s tekutinami skutečnými, které se vyznačují vnitřním třením a větší či menší stlačitelností. V tekutinových mechanismech jsou tekutiny využívány především pro přenos energie, v některých případech však i k přenosu informace a dále např. k mazání vzájemně se pohybujících částí. Na obr. 1.1 je uvedeno rozdělení tekutin. tekutiny
kapaliny
newtonské
vzdušiny
plyny
nenewtonské
páry
obr. 1.1 Základní rozdělení tekutin
Kapaliny se vyznačují tím, že nemají vlastní tvar, shromáždí se je spodní části nádoby a tvoří volnou hladinu. Newtonské kapaliny jsou ty, které se v oblasti laminárního prodění chovají podle Newtonova zákona viskozity (poměr tečného napětí a gradientu rychlosti, tedy dynamická viskozita, je konstantní). Kapaliny, které se tímto zákonem neřídí, se nazývají nenewtonské. Sem patří kapaliny dilatantní, pseudoplastické a plastické. Vlastnosti obou skupin kapalin budou podrobně probrány v příslušných kapitolách. 4
Vzdušina je v podstatě souhrnné označení pro látky v plynném skupenství. Ty se vyznačují tím, že nemají vlastní tvar a zaujímají celý objem nádoby, ve které jsou uzavřeny. Vzdušiny se rozdělují na páry a plyny podle toho, jak jsou dané látky vzdáleny od bodu (teploty) zkapalnění. Označení pára se v technické praxi nejčastěji používá pro plynné skupenství vody, tady vodní pára. Ta se používá především v energetice a proto se jí nebudeme dále věnovat. V pneumatických (pneumostatických) mechanismech se nejčastěji jako pracovní médium používá stlačený vzduch. Jedná se o mechanickou směs plynů a malého dílu vodní páry. Vlastnostem stlačeného vzduchu bude věnována samostatná kapitola.
2.
Fyzikální vlastnosti pracovních kapalin hydraulických systémů Znalost fyzikálních veličin pracovních kapalin je důležitá zejména při výpočtech
hydraulických mechanismů, např. při zjišťování tlakových ztrát. Neméně důležité je ale znát vlastnosti i při volbě pracovní kapaliny. Nevhodně zvolená kapalina může mít vliv na funkci a případně i životnost mechanismů. Mezi nejvýznačnější fyzikální vlastnosti z pohledu uvedených hledisek patří hustota, viskozita a její závislost na teplotě, bod tuhnutí, stlačitelnost a měrná tepelná kapacita kapaliny.
2.1 Hustota kapalin a její měření Hustota kapaliny ρ je definována jako její hmotnost m vztažená na jednotku objemu V
r=
m V
[kg × m ] -3
(2.1)
Hustota kapalin klesá s teplotou a roste s tlakem. To lze vysvětlit změnou objemu při konstantní hmotnosti. Při zahřívání kapaliny vzroste vlivem tepelné roztažnosti její objem a nepřímo úměrně této změně se zmenší hustota, což vyplývá z rov. 2.1. Naopak při zvyšujícím se tlaku se vlivem stlačitelnosti kapalin objem zmenšuje a tím roste hustota. Pozn.: Výjimku tvoří voda při zahřívání z 0°C na teplotu 3,98°C, při které má nejvyšší hustotu (999,973 kg × m -3 při atmosférickém tlaku). Mezi uvedenými teplotami se i přes zahřívání objem vody zmenšuje, čímž roste hustota. Tento jev se nazývá teplotní anomálie vody.
5
V tab. 2.1 jsou pro příklad uvedeny hustoty některých kapalin. tab. 2.1 Hustota vybraných kapalin
kapalina voda
r [kg × m -3 ] (při 20°C) 998,2
minerální oleje
800 - 950
kapalina HFC
1040 - 1090
kapalina HFD
1140 - 1450
Způsobů a přístrojů pro měření hustoty je celá řada. Nejjednodušší zařízení je ponorný hustoměr, obr. 2.1. Podle hloubky ponoření hustoměru se zjistí hustota kapaliny. Měření je založeno na vyrovnání tíhové síly hustoměru a vztlakové síly kapaliny. Podobně pracují i další měřidla, např. Mohrovy vážky, obr. 2.2. Měrné tělísko, které je umístěno na konec delšího ramene vah, je zcela ponořeno do kapaliny a je nadlehčováno vztlakovou sílou. Ramena vah se uvedou do rovnováhy pomocí závaží, která se umisťují na delší rameno. Hustota je potom dána hmotností jednotlivých závaží a jejich polohou na rameni. Na principu Archimédova zákona pracuje i hustoměr na obr. 2.3. Plovák hustoměru je spojen s feromagnetickým jádrem, který se posouvá v cívce. V závislosti na vztlakové síle se mění poloha plováku (jádra) a tím se mění i velikost elektrického výstupu, který je potom úměrný hustotě kapaliny. Tento hustoměr lze použít i jako provozní měřidlo.
obr. 2.1 Hustoměr
obr. 2.2 Mohrovy vážky
obr. 2.3 Vztlakový hustoměr s elektrickým výstupem
Dalším poměrně jednoduchým způsobem měření hustoty je měření pomocí pyknometru, obr. 2.4. Jedná se o nádobu známého objemu s broušenou zátkou, ve které je kapilára. Nádoba se naplní kapalinou, uzavře zátkou a kapilárou se nechá přetéct přebytečná kapalina. Po osušení se zjistí hmotnost naplněného pyknometru. 6
obr. 2.4 Pyknometr [14]
Hustota se potom zjistí ze vztahu
r=
m2 - m1 V
[kg × m ] -3
(2.2)
kde m2 je hmotnost pyknometru naplněného měřenou kapalinou, m1 je hmotnost prázdného pyknometru a V je jeho objem. Další snímače, kterých je celá řada, jsou založeny na hydrostatickém principu, vážení protékající kapaliny, dále to mohou být snímače vibrační, ultrazvukové, s radioaktivním zářičem atd.
2.2 Viskozita kapalin, její závislost na teplotě a měření Lze říci, že viskozita je mírou vnitřního tření kapalin. Mezi dvěma vrstvami kapaliny, které se pohybují různou rychlostí, vzniká tečné napětí t . Podle Newtonova zákona rov. 2.3 je toto napětí lineárně úměrné gradientu rychlosti ve směru kolmém na pohyb kapaliny.
t =h ×
du dy
[Pa ]
(2.3)
V rovnici je t tečné napětí, du dy je gradient rychlosti a h je dynamická viskozita, které vyjadřuje směrnici přímky (konstantu úměrnosti) v grafu závislosti tečného napětí na gradientu rychlosti, obr. 2.6 t
t
obr. 2.5 Rychlostní profil
obr. 2.6 Závislost
7
t na du dy
Pozn. Newtonův zákon viskozity platí pouze pro newtonské kapaliny v oblasti laminárního proudění. V tomto případě je viskozita konstantní (při daném tlaku a teplotě). U nenewtonských kapalin viskozita konstantní není a závislost t na du dy má křivkový charakter. O těchto kapalinách bude pojednáno v kapitole 5. Z Newtonova zákona tady můžeme zjistit dynamickou viskozitu kapaliny podle vztahu
t du dy
h=
[Pa × s]
(2.4)
V hydraulických výpočtech se často vyskytuje podíl dynamické viskozity h a hustoty kapaliny r . Pro tento poměr bylo zavedeno označení kinematická viskozita.
n=
h r
[m
2
× s -1 ]
(2.5)
Kromě uvedené jednotky [m 2 × s -1 ] se často setkáme i kinematickou viskozitou uvedenou v
[mm
2
× s -1 ] . Dříve byla používána jednotka [cSt ] (centistokes), kde 1 cSt = 1 mm 2 × s -1 .
Viskozita kapalin je silně závislá na teplotě! Změna viskozity může mít podstatný vliv na správnou funkci hydraulického mechanismu, proto je na místě této problematice věnovat větší pozornost. Při práci hydraulického mechanismu dochází k zahřívání pracovní kapaliny a viskozita klesá. Zmenšení viskozity má tyto důsledky: -
s klesající viskozitou klesají tlakové ztráty (kapalina klade menší odpor proti proudění)
-
s klesající viskozitou rostou průtokové ztráty (kapalina se snadněji protlačí netěsnostmi)
-
s klesající viskozitou se zhoršuje mazání (klesá únosnost kapalinného mazacího filmu a hrozí např. zadření hydrogenerátoru) Závislost viskozity na teplotě lze matematicky vyjádřit několika vztahy. Pro minerální
oleje, které jsou nejpoužívanější kapalinou hydraulických mechanismů, lze použít následující rovnice [13]:
h = h 0 × e - a( T -T0 )
(2.6)
kde h 0 je dynamická viskozita při teplotě T0 [K ] , a je parametr závislý na druhu pracovní kapaliny [K -1 ] ,
8
nebo æt ö h = h0 × ç 0 ÷ ètø
c
(2.7)
kde h 0 je dynamická viskozita při teplotě t 0 [°C ] a parametr c pro minerální oleje leží v rozmezí c = 2,5 až 3,4 pro teplotní rozsah t = 21 až 54°C . Výrobci olejů většinou udávají dvě hodnoty viskozity a to při 40°C a 100°C. Z těchto hodnot lze potom zjistit příslušný parametr a tím i průběh viskozity v žádaném teplotním rozmezí. Průběh viskozity může být rovněž dán tabulkou, nebo častěji graficky pomocí tzv. viskózní křivky, obr. 2.7.
obr. 2.7 Viskózní křivky pro minerální oleje – mezní hodnoty viskozity dle ISO 3448
Na obr. 2.7 je uvedeno několik viskózních křivek pro různé hydraulické oleje. Ty se podle normy ISO 3448 rozdělují do tzv. viskózních tříd. Číslo třídy znamená střední viskozitu při 40°C. Podle viskózních křivek lze potom zvolit správnou viskózní třídu oleje pro požadované rozmezí teplot. Jak již bylo uvedeno výše, viskozita může ovlivnit např. tlakové a průtokové ztráty či mazání pohybujících se částí. Při nízkých teplotách, kdy je viskozita vysoká vznikají velké tlakové ztráty, což může mít za následek pomalejší chod mechanismu, případně jeho úplné zastavení. Tlakové ztráty ovlivňují vstupní tlak do hydromotoru a tím jeho pracovní 9
parametry. Dále může v sacím potrubí docházet k vylučování rozpuštěného vzduchu z oleje, který má nepříznivý vliv na funkci mechanismu především vznikem kavitace, o čemž bude pojednáno dále. Vysoká viskozita může zapříčinit i to, že vůbec nedojde k nasátí kapaliny do hydrogenerátoru. Proto výrobci hydraulických prvků uvádějí v katalozích maximální viskozitu, při které ještě hydrogenerátor může pracovat, tzv. startovací viskozitu. Ta se pro pístová
hydrogenerátory
pohybuje
kolem n = 1000 mm 2 × s -1 ,
pro
lamelové
do
n = 800 mm 2 × s -1 a pro zubové a šroubové až do n = 2500 mm 2 × s -1 Naopak při vysokých teplotách se viskozita kapaliny sníží, dochází k velkým průtokovým ztrátám, zhoršuje se mazání, zvyšuje opotřebení a hrozí až zadření hydrogenerátoru. Proto je zaveden pojem krátkodobá minimální viskozita, která je dle výrobců nejčastěji n = 10 mm 2 × s -1 . Viskozita kapaliny na tuto hodnotu může krátkodobě poklesnout, zařízení při ní ale nesmí být trvale provozováno. Rozsah n = 16 ¸ 150 mm 2 × s -1 bývá označován jako provozní viskozita. Při nižších hodnotách viskozity v uvedeném rozsahu jsou optimálně vyváženy tlakové a průtokové ztráty a dá se říci, že je při provozu dosaženo nejlepší účinnosti. Optimální viskozita se nachází v rozmezí n = 16 ¸ 36 mm 2 × s -1 . S ohledem na předpokládanou teplotu pracovního prostředí a mechanismu a podle uvedených limitních hodnot viskozity je třeba správně zvolit viskózní třídu oleje. Viskózních tříd je více, ale nejpoužívanějších je šest - VG 10, 22, 32, 46, 68 a 100, tab. 2.2. Jak je uvedeno v [13], třída VG 22 je určena pro provoz v arktických podmínkách, VG 32 pro zimní provoz ve střední Evropě, VG 46 pro letní provoz, VG 68 a 100 pro tropické podmínky nebo pro obvody s velkým vývinem tepla. tab. 2.2 Viskózní třídy
viskózní třída dle ISO 3448
střední viskozita při 40°C
[mm
2
× s -1 ]
vistozitní rozmezí při 40°C
[mm
2
× s -1 ]
ISO VG 10
10
9,0 – 11,0
ISO VG 22
22
19,8 – 24,2
ISO VG 32
32
28,8 – 35,2
ISO VG 46
46
41,4 – 50,6
ISO VG 68
68
61,2 – 74,8
ISO VG 100
100
90 – 110
10
Viskozitní index (VI) je bezrozměrné číslo, vyjadřující závislost viskozity kapaliny na teplotě. Čím vyšší číslo, tím menší závislost viskozity na teplotě, tzn. že viskózní křivka je plošší a kapalinu tak lze použít pro větší rozmezí teplot. VI se určuje srovnáváním viskozity zkoušeného oleje s viskozitou olejů o VI 0 a 100 dle normy ČSN ISO 2909. Ke zjištění VI je třeba znát kinematickou viskozitu zkoušeného oleje při 40°C a 100°C. Další hodnoty potřebné k výpočtu (L a H) se odečtou z tabulky.
VI =
L -U × 100 L-H
(2.8)
Ve vzorci je L viskozita [mm 2 × s -1 ] referenčního oleje s VI=0 při 40°C , jehož viskozita při 100°C je stejná jako viskozita zkoušeného oleje při téže teplotě, U viskozita [mm 2 × s -1 ]
zkoušeného oleje při 40°C , H viskozita [mm 2 × s -1 ] referenčního oleje s VI=100 při 40°C , jehož viskozita při 100°C je stejná jako viskozita zkoušeného oleje při téže teplotě, obr. 2.8.
obr. 2.8 Určení viskozitního indexu [15]
VI se zaokrouhluje na celé číslo. Pokud je VI vyšší než 100, je třeba jej přepočítat dle vztahu
10 N - 1 VI = + 100 0,00715
kde N =
(2.9)
log H - log U , přičemž Y je kinematická viskozita měřeného oleje při 100°C [16]. log Y
11
Viskozita je rovněž závislá na tlaku. U většiny kapalin viskozita s tlakem roste a tato závislost je výraznější při nižších teplotách, obr. 2.9. Viskozita se výrazněji zvyšuje až při vyšších tlacích, a proto se do 100 MPa tato závislost většinou neuvažuje.
obr. 2.9 Závislost viskozity min. oleje HLP 46 na tlaku a teplotě [13]
Závislost viskozity na tlaku lze aproximovat vztahem [13]
h = h 0 × e b ( p - p0 )
(2.10)
kde h 0 je dynamická viskozita při tlaku p0 a b je součinitel závislý na druhu kapaliny a její teplotě. Pro minerální oleje se pohybuje v rozmezí b = (1,5 až 3) ×10 -8 Pa -1 . Pro nižší teploty platí vyšší hodnoty součinitele (při 20°C je b = 2 ,4 ×10 -8 Pa -1 , při 50°C je b = 2 ,05 ×10 -8 Pa -1 a při 100°C je b = 1,47 × 10 -8 Pa -1 ) [5]. Měření viskozity K měření viskozity se nejčastěji používají následující viskozimetry: -
průtokové (kapilární),
-
výtokové,
-
tělískové,
-
rotační. Měření viskozity pomocí kapilárních viskozimetrů je založeno na Hagen-
Poiseuilově zákoně. Při laminárním proudění kapaliny měrnou kapilárou o známém poloměru R a délce L je dynamická viskozita h úměrná tlakovému spádu na kapiláře p z a nepřímo
úměrná objemovému průtoku Q . Viskozitu potom lze vypočítat ze vztahu
h=
p × pz × R 4 8×Q × L
(2.11)
U kapilárních viskozimetrů se používá provedení s konstantním tlakovým spádem. Ten lze dosáhnout např. pomocí tlakového inertního plynu nad hladinou kapaliny v nádobě, ze které 12
kapalina vytéká kapilárou. Další možností je použít viskozimetry s konstantním průtokem. Ty jsou konstrukčně složitější, konstantní průtok se vyvozuje pomocí čerpadla. Existuje velké množství konstrukcí kapilárních viskozimetrů, např. Ostwaldův, Ubbelohdův a Vogel-Ossag. Princip měření je podobný, proto jmenujme za všechny pouze Ubbelohdův viskozimetr, obr. 2.10. Pomocí hadičky se do pravé trubice natáhne tolik kapaliny, aby hladina v nádobce D ležela mezi ryskami c a d . Po vytemperování na požadovanou teplotu uzavřeme prostřední trubici a natáhneme měřenou kapalinu do levé trubice tak, aby baňka A byla z poloviny plná. Všechny trubice se uvolní, kapalina se nechá volně protékat kapilárou K a měří se čas průchodu hladiny mezi ryskami Z1 a Z 2 . Viskozita se potom vypočte z upravené Bernoulliho rovnice, viz. např. [10], nebo po jejím zjednodušení a kalibraci daného viskozimetru z rovnice
n = A ×t -
B t
(2.12)
kde A je kalibrační konstanta, B je korekce na kinetickou energii, t doba výtoku kapaliny.
obr. 2.10 Ubbelohdův viskozimetr
obr. 2.11 Englerův viskozimetr
Výtokové viskozimetry jsou založeny na vztahu mezi objemem kapaliny, který proteče při daném přetlaku kruhovou kapilárou za jednotku času, a mezi viskozitou kapaliny. Kapilára je v tomto případě vzhledem k průměru krátká, proto se velká část polohové nebo tlakové energie mění v kinetickou energii kapaliny v důsledku změny rychlosti na vstupu do kapiláry. Vzhledem k tomu, že velikost kinetické energie nelze přesně určit, viskozita se zjišťuje jako poměrná veličina vzhledem k viskozitě referenční kapaliny při určité teplotě [10]. Takovou kapalinou může být např. destilovaná voda o teplotě 20°C .
13
Do této skupiny viskozimetrů patří Englerův viskozimetr, obr. 2.11, kterým se měří viskozita v Englerových stupních [° E ] . Zařízení se skládá z pozlacené válcové nádoby
f106 mm , v jejímž dně je výtoková trubička (kapilára) délky 20 mm . Kapilára má kruhový průřez, přičemž se zužuje od horního průřezu o průměru f 2,9 mm na průměr f 2,8 mm . Kapilára je uzavřena zátkou (tyčinka s kuželovým koncem). Nádoba na měřenou kapalinu je obklopena lázní, pomocí které lze kapalinu zahřát na požadovanou teplotu. Do nádoby se nalije 240cm 3 měřené kapaliny (hladina potom sahá do výše tří hrotů v nádobě). Viskozita ve
[°E ] se
zjišťuje jako poměr doby t výtoku 200cm 3 měřené kapaliny (měřeno od vytažení
zátky) a doby t v výtoku stejného množství destilované vody o teplotě 20°C . Doba výtoku vody je t v = 50 až 52 s .
E=
t tv
(2.13)
Pro přepočet viskozity ze [° E ] na kinematickou viskozitu uvedenou v jednotkách SI je možno použít empirický vztah
6,31ù é × 10 -6 n = ê7 ,31 × ° E ú °E û ë
[m
2
× s -1 ]
(2.14)
Tělískové viskozimetry jsou založeny na rychlosti pádu tělíska (nejčastěji kuličky) ve zkoušeném médiu. Pro tyto viskozimetry platí s určitými úpravami Stokesův vztah pro rovnoměrnou konstantní pádovou rychlost kuličky v kapalině 2 × r 2 × g × (r k - r m ) 2 × r 2 × g × (r k - r m ) = h= ×t 9× w 9× L
kde w je rychlost pádu kuličky,
[Pa × s ]
(2.15)
r k hustota kuličky, r m hustota zkoumaného média,
r poloměr kuličky, L dráha pádu kuličky a t je doba průchodu kuličky dráhou. V měřicím přístroji ale nelze dosáhnout ideálních podmínek, proto je do výpočtu viskozity třeba zahrnout opravný koeficient, který zohledňuje vliv průměru koule, průměru zkušební nádoby a délku dráhy pádu. Opravný koeficient se určuje kalibrací měřením kapalin o známé viskozitě. Mezi nejpoužívanější tělískové viskozimetry patří Höpplerův viskozimetr, obr. 2.12. Hlavní částí je kalibrovaná trubice skloněná o 10° vůči vertikále. Trubice se naplní zkoumanou kapalinou a měří se doba pádu kuličky mezi dvěma ryskami vzdálenými 100 mm .
14
Dynamická viskozita se potom vypočítá z upravené rovnice 2.15
h = k1 × ( r k - r m ) ×t
[Pa × s ]
(2.16)
kde k1 je konstanta viskozimetru určená výrobcem pro každou kuličku nebo cejchováním pomocí kapaliny o známé viskozitě. Höpplerův viskozimetr se vyznačuje vysokou přesností (nejistota měření je dle použité kuličky max. ± 2% . Lze jej použít pro kapaliny i plyny o viskozitě 0,6 až 80000 mPa × s . Měrná trubice je umístěna v lázni, pomocí které lze měřený vzorek temperovat v rozsahu teplot - 60 až 150 °C .
obr. 2.12 Höpplerův viskozimetr
obr. 2.13 Höpplerův Rheo-viskozimetr
Na stejném principu pracuje i Höpplerův Rheo-viskozimetr, obr. 2.13, který lze použít pro měření velkých viskozit ( 0,004 až 4000 Pa × s ). Kulička je pevně spojena s vahadlem, na které lze zavěsit různá závaží, která umožňují překonat zvýšený odpor kapaliny. Opět se zjišťuje doba průchodu kuličky předepsanou drahou. Viskozita se potom vypočítá podle podobného vzorce jako v předchozím případě, pouze je zde dalším koeficientem zohledněna velikost závaží. Rotační viskozimetry Princip činnosti těchto viskozimetrů vychází z Couetteova proudění v mezikruží mezi dvěma souosými válci, z nichž jeden se otáčí. Měří se zde úhlová rychlost nebo otáčky za čas a krouticí moment, který vzniká v důsledku odporu proudící kapaliny. V libovolném místě mezery na poloměru r se moment vypočítá
M = 2 ×p × r 2 × h ×t
(2.17)
Ve vztahu je h hloubka ponoření vnitřního válce do kapaliny a t tečné napětí 15
t =h×
r × dw dr
(2.18)
Spojením obou rovnic a úpravami získáme vztah pro výpočet dynamické viskozity
h=
é1 M 1 ù ×ê 2 - 2 ú 4 × p × h × w ë R1 R2 û
[Pa × s ]
(2.19)
kde w je úhlová rychlost a R1 a R2 jsou poloměry válců (mezery mezi válci).
obr. 2.14 Rotační viskozimetr a) typ Searle, b) typ Couett
Pomocí rotačních viskozimetrů lze měřit viskozitu newtonských i nenewtonských kapalin. U nenewtonských kapalin se zjišťuje tzv. toková křivka (reogram) a viskozimetry se v tomto případě označují jako reometry. Existuje několik variant rotačních viskozimetrů. Typ CS – reometry s řízením smykového napětí (zajišťují konstantní krouticí moment a měří se otáčky) a typ CR - reometry s řízením smykové deformace (zajišťují konstantní rychlost otáčení, měří se krouticí moment). Reometry CR lze navíc rozdělit podle toho, zda se otáčí vnitřní nebo vnější válec, obr. 2.14. Kromě toho se lze setkat i s reometry, které mají místo válečků jiná tělíska, např. válec s kuželovým zakončením, kužel, pouze desku apod.
16
2.3 Stlačitelnost kapalin Je to schopnost kapaliny zmenšit svůj objem při zvýšení tlaku. Jedná se o velmi významnou vlastnost, se kterou je třeba počítat jak při návrhu, tak při provozu hydraulických mechanismů. Stlačování kapalin je termodynamický děj. Podle rychlosti stlačování se lze setkat s izotermickým dějem (pomalé stlačování), nebo adiabatickým (izoentropickým) dějem (rychlé stlačování). Rozdíl v poměrné změně objemu při obou dějích v závislosti na tlaku a teplotě je uveden na obr. 2.15.
obr. 2.15 Vliv tlaku a teploty na poměrnou změnu
obr. 2.16 Určení sečného a tečného modulu pružnosti
objemu min. oleje [5]
kapaliny [5]
Stlačitelnost kapalin může být vyjádřena modulem objemové pružnosti nebo součinitelem stlačitelnosti. Objemový modul pružnosti může být definován jako sečný modul pružnosti, obr. 2.16, který je definován rovnicí 2.20, nebo jako tečný definovaný rovnicí 2.21.
K = Ks =
Vo × Dp Vo × Dp = DV V0 - V
[Pa ]
(2.20)
Kde V0 je původní objem kapaliny, V je objem po stlačení a Dp je změna tlaku. Kt = V
¶p ¶V
[Pa ]
(2.21)
Pro minerální oleje je poměr K t K s = 1,13 . Stejná hodnota platí i pro poměr adiabatického a izotermického modulu pružností K ad K it = 1,13 . Pro praxi je zbytečné rozlišovat čtyři moduly pružnosti, proto bylo na základě výzkumu zavedeno označení statický modul pružnosti K s , který je identický se sečným izotermickým modulem pružnosti a dynamický modul pružnosti K d , který je identický s tečným adiabatickým modulem pružnosti [5].
17
Přibližné hodnoty statických modulů objemové pružnosti vybraných kapalin jsou uvedeny v tab. 2.3. tab. 2.3 Statický modul objemové pružnosti kapalin
druh kapaliny
statický modul pružnosti K s
minerální a rostlinné oleje
(1,4 ¸1,8)×10
syntetické kapaliny HFD
2 × 10 9
voda
2 × 10 9
kapaliny HFC
3×10 9
[Pa ]
9
Jak již bylo uvedeno, stlačitelnost kapalin lze vyjádřit i součinitelem stlačitelnost, který je pouze obrácenou hodnotou modulu objemové pružnosti.
bp =
1 K
[Pa ] -1
(2.22)
Modul stlačitelnosti není látkovou konstantou, ale mění se s teplotou a tlakem (se zvyšující se teplotou modul pružnosti klesá, se zvyšujícím se tlakem roste). Příklad je uveden na obr. 2.17.
obr. 2.17 Závislost modulu stlačitelnosti minerálního oleje HLP 46 na tlaku a teplotě (bez obsahu volného vzduchu) [13]
Mimo uvedenou závislost modulu objemové stlačitelnosti na tlaku a teplotě má na jeho velikost podstatný vliv obsah volného (nerozpuštěného) vzduchu v kapalině. Volný vzduch (nebo jiný plyn) výrazně snižuje modul objemové pružnosti kapalin. Volným vzduchem je myšlen vzduch v podobě bublinek. Kapalina s obsahem volného vzduchu již není homogenním prostředím, ale jedná se o suspenzi plynu v kapalině. Modul objemové 18
stlačitelnosti vzduchu za normálních podmínek je K = 1,4 ×10 6 Pa , což je o tři řády méně než u kapalin. Modul pružnosti suspenze potom klesá v závislosti na množství volného vzduchu. Na obr. 2.18 jsou uvedeny přibližné průběhy poměrů modulu pružnosti K * provzdušněného oleje a K neprovzdušněného oleje v závislosti na tlaku.
obr. 2.18 Poměr modulů pružnosti minerálního oleje [5] a) statický modul pružnosti – obsah vzduchu: 1 – 0,1%; 2 – 1%; 3 – 2%; 4 – 4%; 5 – 8% b) dynamický modul pružnosti – obsah vzduchu: 1 – 0,1%; 2 – 0,2%; 3 – 0,4%; 4 – 0,8%
Z grafů je zřejmé, že volný vzduch má největší vliv na objemový modul pružnosti při nižších tlacích, tzn. že v případě nízkotlaké hydrauliky jsou mechanismy méně tuhé. Proto je vhodné navrhovat mechanismy na vyšší pracovní tlak. Obsah volného vzduchu v oleji není jednoduché zjistit. Při výpočtech je však třeba počítat s tím, že modul pružnosti jím bude ovlivněn. Pro přibližné určení modulu objemové pružnosti směsi oleje a vzduchu lze použít vztah [13]
1+
K* = K ×
Vp
Vk p V K 1+ 0 × p × p Vk p
[Pa ]
(2.23)
kde K * je statický objemový modul pružnosti suspenze [Pa ], K objemový modul pružnosti oleje bez vzduchu [Pa ], Vk objem kapaliny [m 3 ] ve směsi při tlaku p0 , V p objem plynu [m 3 ] ve směsi při tlaku p0 , p tlak (pracovní) směsi [Pa ], p0 atmosférický tlak [Pa ]. Přítomnost vzduchu v oleji má kromě snížení modulu pružnosti i jiné nepříznivé účinky, jako např. oxidace a tím stárnutí oleje, vznik kavitace a pěnění. O tom však bude pojednáno dále.
19
Na tomto místě je třeba vysvětlit jak bublinky volného vzduchu v pracovní kapalině vznikají. Možností je několik. Jedna z nich je např. nevhodná konstrukce konce zpětného vedení kapaliny. Pokud je tento nad hladinou kapaliny v nádrži, při výtoku kapalina strhává vzduch a ten potom tvoří bubliny. Častější příčinou vzniku bublin je ale vylučování rozpuštěného vzduchu z kapaliny. Každá kapalina má větší či menší schopnost rozpustit (absorbovat) určité množství vzduchu, případně jiného plynu. Toto množství záleží na vlastnostech kapaliny, plynu, tlaku a teplotě. Vzduch proniká do kapaliny na jejich rozhraní, tedy na hladině. Rozpustnost je přímo úměrná absolutnímu tlaku plynu na hladině a naopak mírně klesá s teplotou oleje. Závislost rozpustnosti na tlaku u různých kapalin je uvedena na obr. 2.19
obr. 2.19 Rozpustnost vzduchu v hydraulických kapalinách [4]
Množství rozpuštěného vzduchu lze vyjádřit rovnicí 2.24.
V p = Vk × a p ×
p p0
(2.24)
kde V p je objem rozpuštěného plynu [m 3 ] , Vk objem kapaliny [m 3 ] ,
p absolutní tlak na
hladině [Pa ] , p0 atmosférický tlak [Pa ] a a p je součinitel rozpustnosti plynu v kapalině. Součinitel rozpustnosti a p záleží na vlastnostech kapaliny a plynu. Tak např. oleje s menší viskozitou absorbují více vzduchu než oleje s větší viskozitou a podobně oleje o menší hustotě absorbují více plynu než oleje hustší. Přibližná hodnota součinitele rozpustnosti pro minerální oleje je a p = 0,08 ¸ 0 ,09 a pro vodu a p = 0,02 , tzn. že v jednom litru minerálního oleje se rozpustí téměř 0,1 litru vzduchu. Rozpuštěný vzduch neovlivňuje stlačitelnost kapalin a tím práci hydraulického mechanismu. Problém nastává až v okamžiku, kdy se rozpuštěný vzduch začne uvolňovat a 20
tvořit bublinky. K vylučování vzduchu dochází za sníženého tlaku (podtlaku). Nejčastějším místem v hydraulickém mechanismu kde dochází k podtlaku je sací potrubí. Podtlak vzniká vlivem tlakových ztrát (třecích, místních) ve vedení. Množství uvolněného vzduchu závisí na velikosti podtlaku. Při velkém odporu v sacím potrubí může dojít až k tomu, že se vytvoří pěna. Bublinky putují s kapalinou do hydrogenerátoru, kde se směs stlačována a dochází ke kavitačnímu opotřebení hydrogenerátoru, což je jeden z nežádoucích jevů způsobených volným (nerozpuštěným) vzduchem. Přestože je směs kapaliny a vzduchu v hydrogenerátoru stlačována, nedojde za vysokého tlaku k úplnému rozpuštění vzduchu zpět do kapaliny. Rozpouštění vzduchu je děj časově náročnější, obr. 2.20, než uvolňování, a proto část bublin pokračuje spolu s kapalinou dále do obvodu.
obr. 2.20 Rozpustnost vzduchu v závislosti na tlaku a času [4]
Sací potrubí není jediným místem, kde může k vylučováni vzduchu z kapaliny dojít. Podtlak a tím také podmínky pro uvolnění vzduchu mohou vzniknout i za hranami ventilů a šoupátek např. při rychlém uzavírání rozváděče. Bublinky které projdou celým hydraulickým systémem je třeba od oleje odloučit v nádrži pomocí různých sít a přepážek vhodně umístěných mezi sací a zpětné vedení.
2.4 Teplotní objemová roztažnost Kapaliny podobně jako jiné látky mění s teplotou svůj objem. Tuto změnu lze charakterizovat součinitelem objemové roztažnosti b T v závislosti na teplotě
bT =
1 dV × V dT
[K ] -1
kde V je původní objem a T teplota [K ] .
21
(2.25)
Součinitel teplotní roztažnosti se mírně mění s teplotou a tlakem. Přibližné hodnoty součinitelů teplotní objemové roztažnosti pro vybrané kapaliny jsou uvedeny v tab. 2.4 tab. 2.4 Součinitelé teplotní objemové roztažnosti
druh kapaliny
souč. teplotní roztažnosti b T [K -1 ]
minerální oleje
(5 ¸ 7 ,7 )×10
kapaliny HFC
7 ×10 -4
kapaliny HFD
7 ,4 ×10 -4
voda (20°C; 50°C)
-4
2 × 10 -4 ; 4,57 ×10 -4
Je třeba si uvědomit, že při každém výšení teploty o 10°C se objem kapaliny zvětší a cca 0,7%. S touto vlastností kapalin je třeba počítat např. při dimenzování nádrží.
2.5 Měrná tepelná kapacita Je to schopnost přijímat a akumulovat teplo. Můžeme ji vyjádřit známým vztahem, který platí i pro pevné a plynné látky c=
dW m × dT
[J × kg
-1
× K -1 ]
(2.26)
Měrná tepelná kapacita se mění s teplotou, závislost na tlaku je zanedbatelná. Přibližné hodnoty při 20°C pro vybrané kapaliny a materiály jsou uvedeny v tab. 2.5 tab. 2.5 Měrná tepelná kapacita
druh kapaliny a materiálu
měrná tepelná kapacita c [J × kg -1 × K -1 ]
minerální oleje
1900
syntetické oleje
1500
kapaliny HFC
3000
voda
4180
ocel
470
litina
540
měď
390
hliník
900
plasty
2300
22
Měrná tepelná kapacita má význam při tepelném výpočtu hydraulického obvodu, tzn. výpočet ohřevu prvků obvodu a kapaliny, návrh chlazení apod.
2.6 Bod tuhnutí Na rozdíl např. od vody, která má pevný bod tuhnutí, oleje tuhnou postupně. To lze vysvětlit tak, že se snižující se teplotou roste jejich viskozita, až při určité hodnotě (okolo
1 m 2 × s -1 ) přestávají téci. Bod tuhnutí (pour point) u olejů je nejnižší teplota, při které olej ještě teče. Bod tuhnutí se udává ve °C . Zkouška probíhá tak, že se kapalina zahřeje do úplné tekutosti, předepsanou rychlostí se ochlazuje a při snížení teploty o každé 3°C se zjišťuje tekutost (pozn. podle zrušené normy ČSN 656072 nakláněním hranaté zkumavky s vodorovnou ryskou). V současné době je bod tuhnutí definován normou DIN ISO 3016. Bod tuhnutí u minerálních olejů závisí především na množství zbytkového parafinu, který krystalizuje jako první, syntetické oleje tuhnou při nižších teplotách. Teplotu tuhnutí lze upravit přísadami zvanými depresanty. Bod tuhnutí výrazně ovlivňuje volbu pracovní kapaliny. Teplota systému při startu (ale i během provozu) by měla být minimálně 8°C nad bodem tuhnutí. Samozřejmě je třeba brát v úvahu i doporučenou maximální viskozitu hydrogenerátoru! U olejů pro hydraulické mechanismy se uvádí bod tuhnutí max. -30 až -40°C.
3.
Chemické vlastnosti Mezi chemické vlastnosti kapalin lze zařadit ty, při nichž dochází k nějaké chemické
reakci (mění se podstata původní látky). Mezi tyto vlastnosti patří i bod vzplanutí, hoření a samovznícení, které jsou vyjádřeny fyzikální veličinou – teplotou. Mezi chemické vlastnosti dále patří působení na materiály hydraulického systému včetně těsnění (např. koroze) a naopak působení ostatních látek na kapalinu samotnou (např. oxidace).
3.1 Bod vzplanutí, hoření a samovznícení Hoření je chemická reakce, při které částice hořlavé látky oxidují za vzniku tepla a světla. Je ovšem třeba si uvědomit, že nehoří látka v kapalném ale v plynném skupenství, tedy její páry. K tomu aby látka hořela je zapotřebí aby se vytvořila směs hořlavých par se vzduchem a to v určitém poměru a dále je nutná přítomnost zdroje tepla, který iniciuje hoření. 23
Minerální oleje, které jsou nejpoužívanější pracovní kapalinou, jsou z chemického hlediska dlouhé řetězce uhlovodíků. Stejně jako ostatní ropné produkty jsou hořlavé a proto je třeba s nimi nakládat jako s nebezpečnou látkou, dodržovat bezpečnostní předpisy a nepoužívat je v těch aplikacích, kde hrozí nebezpečí požáru. Nebezpečnost hořlavých látek se klasifikuje podle bodu vzplanutí. Bod (teplota) vzplanutí (Flash point) je teplota, při které se po přiblížení plamene ke zkušební nádobce s olejem jeho páry vznítí, ale nezačnou trvale hořet. Zkouška dle normy ČSN EN ISO 2592 probíhá tak, že zkušební kelímek s 60 ml oleje je postupně zahříván a v určitých intervalech se nad hladinou přechází s malým plamenem. Nejnižší teplota při níž olejové páry vzplanou je hledaný bod vzplanutí. Podle budu vzplanutí se kapaliny dělí do čtyř tříd nebezpečnosti, tab. 3.1. tab. 3.1 Třídy nebezpečnosti kapalin
třída
bod vzplanutí kapaliny
příklad
I. třída
do 21°C
aceton -18°C , benzín - 8°C , etylalkohol +12°C
II. třída
nad 21°C do 55°C
petroleje od 25°C , nafta Diesel 55°C
III. třída
nad 55°C do 100°C
topný olej nad 65°C
IV. třída
nad 100°C do 250°C
Hydraulické oleje mají bod vzplanutí v rozmezí asi 95 ¸ 250°C a většina z nich tedy patří do IV. třídy nebezpečnosti. Další významnou teplotou je bod hoření. Je to taková teplota, při níž směs par kapaliny a vzduchu trvale hoří (alespoň 5 s) i po oddálení pomocného plamene. To lze vysvětlit tak, že při hoření dochází k takovému vývinu tepla, které je zapotřebí k odpaření dalších par kapaliny. Zkouška je rovněž definována normou ČSN EN ISO 2592. Teplota samovznícení je taková teplota, při níž se hořlavá látka spontánně vznítí pouze při styku se vzduchem bez přítomnosti plamene či jiskry. Tato teplota je ovšem pouze orientační (pro dané podmínky), protože závisí na spoustě okolností. Při procesu samovznícení dochází k biologickým, fyzikálním a chemickým změnám uvnitř samotné látky. Jedná se o okysličování molekul par hořlaviny, přičemž vzniká teplo. To se akumuluje v látce a způsobuje další vypařování. Samovznícení pak závisí i na tlaku, okolních materiálech atd.
24
3.2 Oxidační stálost Oxidační (též termooxidační) stálost je odolnost proti stárnutí vlivem účinku kyslíku, tepla, světla a různých chemických látek. Kyslík se váže na řetězce uhlovodíků oleje (olej oxiduje) a mění se tím chemické složení základního oleje, ve kterém vznikají látky kyselé povahy, olejový kal, lepkavé a mazlavé látky a v některých případech (za vysokých teplot) asfaltovité látky, které mohou být plastické až tvrdé. Tyto produkty oxidace jsou v oleji samozřejmě nežádoucí, protože mohou zalepit nejen filtry, ale i ventily a rozváděče. Jak již bylo uvedeno, na oxidaci, tedy na stárnutí oleje, mají vliv i další faktory, jako je teplota oleje, přítomnost vody, kovového otěru atd. Uvádí se, že při teplotě nad 70°C se rychlost oxidace zvýší dvojnásobně při každém zvýšení teploty o 10°C . Oxidaci urychlují i kovové částice (otěr) a obecně styk s kovovými (především měděnými) částmi systému, které působí jako katalyzátor oxidace oleje. S oxidací (stárnutím) oleje má souvislost i pojem číslo kyselosti. To udává míru stárnutí oleje. Většina nových olejů je mírně zásaditá a oxidací přechází do kyselé fáze. Číslo kyselosti potom udává množství hydroxidu draselného KOH v [mg ] potřebného pro neutralizaci 1g oxidačně zestárlého oleje. Zkoušky oxidační stálosti se provádějí podle normy ČSN 656235. Hodnotí se doba, za jakou se při podmínkách předepsaných normou zvýší kyselost na 2 mg KOH / g . Zkouška probíhá následně. Do zkušební aparatury se nalije olej, do kterého se vloží katalyzátory (ocelový a měděný drát), olej se zahřeje na teplotu 95°C a po dosažení této teploty se do oleje začne vhánět kyslík. Po každých 160 hodinách se zjišťuje číslo kyselosti až do dosažení
2 mg KOH / g (maximální doba zkoušky 1200 h). Pro zvýšení oxidační stálosti se do oleje přidávají tzv. antioxidanty (inhibitory oxidace). Ty zabraňují rychlé oxidaci oleje, ale časem se „spotřebovávají“. V hydraulických mechanismech se nejčastěji používá adialkyldithiofosfát zinečnatý (Zn DDF). Po vyčerpání antioxidantů (poklesu jejich množství pod kritickou mez) nastává rychlá oxidace uhlovodíků oleje. Stárnutím se nemění pouze chemické vlastnosti oleje, ale i fyzikální vlastnosti, např. viskozita. Na obr. 3.1 je uvedeno porovnání stárnutí kapalin bez a s antioxidačními přísadami.
25
obr. 3.1 Průběh stárnutí oleje [4]
Některé oleje, zvláště se zvýšeným obsahem některých aditiv (oleje HM a HV), mohou být mírně kyselé již z výroby. U těchto olejů je potom problém se zjištěním zestárnutí pomocí čísla kyselosti. Proto se stále častěji využívá infračervené spektrometrie. Jedná se o spektrální analytickou metodu, při které se využívá vlastnosti molekul látek absorbovat světlo v infračervené oblasti spektra. Většina chemických vazeb se vyznačuje charakteristickými absorpčními pásy při určitých vlnových délkách. Množství např. antioxidantů se potom zjišťuje porovnáním spektra nového a použitého oleje, obr. 3.2 (oblast 620 ¸ 680 cm -1 odpovídá absorpční oblasti aditiva Zn DDF).
obr. 3.2 Část infračerveného spektra oleje [4]
26
3.3 Korozívní působení na kovy Pracovní kapaliny mohou více či méně reagovat s použitými kovovými částmi hydraulického mechanismu. Voda, vodní emulze a roztoky působí korozívně na konstrukční, uhlíkové a nízkolegované oceli. Při použití těchto kapalin je nutné do nich přidat tzv. antikorodanty. Jsou to látky, které zlepšují ochranu železných i neželezných částí před vodní i vzdušnou korozí. Přestože oleje korozívně nepůsobí, přidávají se antikorodanty i do nich, protože do oleje může proniknout voda. Antikorodanty se chemicky spojí s kovovým povrchem, vytvoří ochrannou vrstvu a brání tak vzniku a rozvoji koroze. Lze je rozdělit do dvou skupin: -
inhibitory rezivění – zlepšují ochrannou schopnost železných částí před stykem s vodou, atmosférickým kyslíkem a kyselými zplodinami v oleji.
-
inhibitory koroze – zlepšují ochrannou schopnost železných i neželezných částí před stykem s vodou, atmosférickým kyslíkem a kyselými zplodinami v oleji. Inhibitory se spojí se všemi kovovými částmi, tzn. i s kovovým otěrem. Tyto drobné
částice, stejně jako funkční plochy, jsou potom „obaleny“ ochrannou vrstvou a nemohou působit jako katalyzátor oxidace oleje. Antikorodanty tedy působí i jako tzv. pasivátory kovů. Pro zjištění korozívního působení ropných produktů na kovy se používají dvě normy: ČSN 65 6074 Ropné výrobky - Stanovení korozivního působení na kovy a ČSN EN ISO 2160 (65 6075) Ropné výrobky - Korozivní působení na měď - Zkouška na měděné destičce. Při zkoušce ochranné schopnosti proti rezivění se hodnotí schopnost oleje chránit vyleštěný povrch zkušebního ocelového tělíska proti rezivění v přítomnosti vody při mírně zvýšené teplotě. Zkouška trvá 24 hodin a ze vzhledu vzorku se potom usuzuje na schopnost ochrany proti rezivění. Při zkoušce korozívního působení na měď se zjišťuje působení sirných sloučenin v oleji na měď. Vyleštěný kovový pásek se ponoří obvykle na 3 hodiny do oleje o teplotě 100°C a po vytažení se podle etalonů hodnotí změna vzhledu vzorku. Nepřípustné je
vytvoření sytě černého povlaku, hraniční je vznik zelených skvrn, ještě únosné je modré zabarvení.
27
3.4 Vliv pracovních kapalin na elastomery Pracovní kapaliny mohou nepříznivě působit na ty části hydraulického mechanismu, které jsou vyrobeny z eleastomerů, tedy zejména na těsnění a hadice. O tom, zda kapalina nějakým způsobem reaguje s eleastomery, rozhoduje chemické složení jak kapaliny, tak elastomeru. Obecně lze říci, že např. v případě minerálních olejů rozhoduje o působení uhlovodíkové složení oleje a způsob jeho rafinace. Snášenlivost minerálních olejů s eleastomery lze zhruba vyjádřit velikostí anilínového bodu. Anilínový bod je nejnižší teplota, při které je olej dokonale rozpustný v anilínu v objemovém poměru 1:1, je mírou obsahu aromatických uhlovodíků v oleji a charakterizuje rozpouštěcí schopnost základového oleje. Pracovní kapalina může způsobit dvě protichůdné reakce. Olej difunduje do elastomeru, tím dochází k bobtnání a měknutí pryže. Tímto se vyznačují oleje s vyšším obsahem aromátů (naftenické oleje), pro které je charakteristický nižší anilínový bod. Naproti tomu oleje s vyšším anilínovým bodem naopak způsobují smršťování tvrdnutí a deformaci pryže v důsledku extrakce změkčovadel elastomeru. Kompatibilita kapalin a eleastomerů se zkouší podle normy ČSN ISO 1817. Vzorky pryže se vloží do kapaliny, který se zahřeje na 100°C . Zkouška trvá 1000 hodin (42 dnů). Hodnotí se hmotnostní nebo objemový přírůstek či úbytek pryže. Limitními hodnotami je + 5% a - 1% objemové změny. Za stejných podmínek pouze za kratší dobu (168 hodin – 7
dnů) se provádí tzv. DVI test (Dichtungsverträglichkeits – Index) nebo též ECI (Elastomer Compatibility Index) dle normy ISO 6072. V tab. 3.2 a na obr. 3.3 jsou uvedeny příklady výsledků měření snášenlivosti řepkového oleje (EKOHYD 64) s běžně používanou nitril-butadienovou pryží (80NBR878) a sírou sesíťovaným HNBR(S) materiálem [9]. tab. 3.2 Změna objemu pryže při působení řepkového oleje
změna objemu pryže [%] čas [dnů]
80NBR878
HNBR(S)
7
-1,8
0,62
14
-2,06
0,82
28
-2,39
1,23
42
-3,21
1,68
28
změna objemu [%]
2 1 0 -1
0
10
20
30
čas [dnů]
-2
40
50
80NBR878 HNBR(S)
-3 -4
obr. 3.3 Změna objemu pryží při působení řepkového oleje
Z uvedeného je zřejmé, že pro řepkový olej není vhodné používat těsnění a hadice z obyčejné nitril-butadienové pryže (smrštění překračuje limit -1% změny objemu). Pracovních kapalin je velké množství, stejně jako pryží, které se v hydraulických mechanismech používají, a proto je třeba se na kompatibilitu použitých pryží a kapalin informovat u příslušných výrobců.
4.
Provozní vlastnosti kapalin V této kapitole budou popsány další podstatné vlastnosti kapalin které mají vliv na
provoz hydraulického mechanismu, ale nelze je jednoznačně zařadit mezi fyzikální či chemické.
4.1 Mazací schopnost Na úvod tohoto odstavce je třeba vysvětlit základní pojmy. Při provozu hydraulických mechanismů (ale i jiných) dochází k vzájemnému pohybu částí prvků, zejména v hydromotorech a hydrogenerátorech. Je žádoucí, aby byly funkční plochy odděleny vrstvou kapaliny, a tak mohlo ve spáře vzniknout kapalinné tření. Toto tření vzniká za přítomnosti jakékoliv kapaliny ve spáře a velikost třecích sil závisí na viskozitě kapaliny. Toto tření je z hlediska mechanických ztrát a prakticky nulového opotřebení nejvýhodnější a při mazání je cílem tohoto stavu dosáhnout (např. hydrodynamická ložiska). Při zvýšení přítlačné síly na 29
pohybující se plochy dochází ke zmenšování spáry, vytlačování maziva a tření přechází z kapalinného na smíšené, mezní, nebo dokonce suché (kov na kov). To je samozřejmě nežádoucí, protože dochází k velkému opotřebení, případně např. k zadření převodníku. Nyní k pojmu mazací schopnost. Je to schopnost kapaliny vytvořit na kluzné ploše souvislou tenkou a dostatečně pevnou vrstvu, které odděluje třecí plochy (vrcholky nerovností) při vzájemném kontaktu. Tento „obal“ bývá nazýván mazací film. Ne každá kapalina má schopnost mazací film vytvořit. Například voda je při zvýšené přítlačné síle ze spáry zcela vytlačena a dojde ke kontaktu kov na kov. Voda tedy nemá žádnou mazací schopnost. Naproti tomu oleje mají do určitého zatížení přirozenou mazací schopnost a vznik mazacího filmu lze vysvětlit následně. Oleje jsou tvořeny polarizovanými molekulami uhlovodíků, které se svými polárními konci přichytí k mazaným plochám. Tomuto jevu se říká fyzikální adsorpce – spojení molekul oleje a mazaného povrchu má fyzikální základ. Mazací film má tloušťku jedné molekuly, má dobrou smykovou pevnost a odděluje kluzné plochy. Molekuly se mohou při zatížení deformovat, ale film zůstane neporušen do určitého zatížení. Přirozená mazací schopnost ropných olejů bez zušlechťujících přísad je dostačující pro hydraulické mechanismy do tlaku cca 16 MPa . Pro vyšší tlaky je třeba použít oleje s tzv. mazivostními nebo protioděrovými přísadami. Jedná se o organické látky tvořené vysoce polarizovanými molekulami, které rovněž vytvářejí mazací film na základě fyzikální adsorpce. Pro vysoké tlaky a extrémní namáhání kapaliny je třeba použít oleje s tzv. vysokotlakými VT (též EP – Extrem Pressure) přísadami. Tyto organokovové látky s obsahem síry a fosforu se s kluznými plochami spojí chemicky (chemická adsorpce – chemisorpce) a vytvoří tenkou tvrdou a hladkou „slupku“. Ta brání zadření i při extrémním namáhání a proto se přísadám také říká protizáděrové. Mezi tyto přísady patří např. Zn DDF, který byl uveden již jako antioxidant. Mazací schopnost se nejčastěji hodnotí tzv. Vickers testem, který je uznáván i organizací ISO. Test se provádí na vybraném lamelovém hydrogenerátoru firmy Vickers a zjišťuje se při něm opotřebení lamel a statorového kroužku. Po dobu 250 hodin je hydrogenerátor zatěžován tlakem 14 MPa při viskozitě oleje 13 mm 2 × s -1 . Ve stanovených časových intervalech se zjišťuje úbytek hmotnosti lamel a kroužku, z čehož se potom usuzuje na mazací schopnost. Povolené opotřebení je 200 mg po 250 hodinách zkoušky. Oleje bez zušlechťujících přísad této hodnoty dosáhnou již po cca 10 hodinách.
30
4.2 Vliv vzduchu v kapalině Kromě již dříve zmíněného vlivu vzduch na objemový modul pružnosti a stárnutí kapaliny, má vzduch v kapalině další nežádoucí účinky, jako snížení pevnosti mazací vrstvy, kavitaci apod. Proto je třeba, aby olej dobře odlučoval vzduch a pokud možno, aby se vzduchem netvořil pěnu. Vzduchové bubliny se mohou v kapalině vytvářet uvolňováním rozpuštěného vzduchu v místech se sníženým tlakem a dále např. přisáváním netěsnostmi v potrubí, nevhodnou konstrukcí odpadního vedení v nádrži apod. Již bylo uvedeno, že k odloučení vzduchu a uklidnění kapaliny slouží nádrž a v ní vhodně umístěné přepážky nebo síta. Odlučitelnost vzduchu z oleje se zkouší podle normy ČSNISO 9120. Kapalina o teplotě 25 °C, 50 °C nebo 75 °C se profukuje stlačeným vzduchem. Následně se vyhodnocuje únik dispergovaných bublin a to tak, že se zjišťuje hustota oleje. Z grafu hustoty v závislosti na čase se zjistí doba, za kterou se obsah dispergovaného vzduchu sníží na 0,2 % (V/V). (Zkouška se provádí i podle německé normy DIN 51 381, podle které musí hydraulický olej odloučit vzduch nejpozději do 10 min.). V tab.4.1 jsou uvedeny příklady odlučitelnosti vzduchu různých druhů olejů o různých viskozitách [1]. Na obr. 4.1 jsou uvedeny průběhy rychlosti odlučování vzduchových bublin za klidu při různém tlaku a při teplotě 50°C. Na obr.4.1 je uvedena stoupavost bublin v závislosti na jejich průměru a viskozitě oleje. tab. 4.1 Doba poklesu obsahu vzduchu na 0,2% při teplotě 50°C
viskózní třída VG
olej HL
olej HLP
olej HLPD
32
2 min
3 min
6 min
46
3 min
5 min
9 min
68
4 min
7 – 9 min
12 – 15 min
obr. 4.1 Rychlost odlučování vzduchových bublin z hydraulického oleje [1]
31
obr.4.2 Stoupavost bublin v minerálním oleji [1]
Pěnivost kapalin Pěnivost je důsledkem povrchového napětí kapaliny vůči vzduchu. Na tvorbu pěny má vliv také vlhkost. K pěnění mají větší sklon oleje s vyšší viskozitou a oxidačně zestárlé oleje, u kterých je vylučování vzduchu pomalejší [2]. Pro snížení pěnivosti se do kapalin přidávají protipěnovostní přísady (např. malé množství metylsilikonového oleje), které zmenšují povrchové napětí. Díky tomu tyto přísady zabraňují tvorbě pěny, případně rozrušují již vzniklou pěnu. Použití protipěnivostních přísad je důležité zejména u hydraulických obvodů s vysokými oběhovými čísly (např. u mobilních strojů), tedy tam, kde kapalina nemá možnost dostatečného uklidnění v nádrži. Dále je nutné tyto přísady použít v hydrodynamických převodech (spojky, měniče). Pěnivost mazacích olejů se zkouší podle normy ČSN ISO 6247. Kavitace a nepravá kavitace Kavitace je nepříznivý jev, který může vést až k úplné destrukci některých částí hydraulického systému. Protože se jedná o velmi složitý proces, který je popsán v odborné literatuře např. [12], budeme se na tomto místě zabývat pouze základními principy vzniku kavitace a jejím důsledkům, tedy kavitačnímu opotřebení. Za určitých podmínek vznikají v proudící kapalině dutiny, které jsou vyplněny parami proudící kapaliny nebo plynem, nejčastěji vzduchem. K touto dochází především za sníženého tlaku, svoji roli zde ale sehrává i teplota kapaliny. Nejčastějším místem v hydraulickém systému, kde může ke vzniku dutin (bublin) dojít je sací potrubí, nebezpečná jsou však 32
z tohoto pohledu i zúžení průtočného průřezu jako clony, hrany řídicích prvků, mezery apod. U hydraulických strojů pracujících s vodou případně s vodními emulzemi jsou dutiny vyplněny vodní párou. V těchto případech je podmínkou vzniku kavitace pokles tlaku kapaliny pod tlak nasycených par při dané teplotě. U olejů, případně jiných pracovních kapalin, dochází v místech se sníženým tlakem k vylučování rozpuštěného vzduchu a dutiny jsou tedy tvořeny převážně vzduchem. V těchto případech hovoříme o tzv. nepravé kavitaci či aeraci. Vzniklé bubliny potom putují spolu s kapalinou do oblasti s vyšším tlakem, např. ze sacího potrubí do hydrogenerátoru. Zde jsou bubliny prudce stlačovány, páry kondenzují, část plynů difunduje do kapaliny, bubliny se rychle smršťují, tzv. implodují. Do uvolněného prostoru vniká okolní kapalina a zbytek plynů je déle stlačován. Předpokládá se, že setkáním stěn deformované bubliny dochází k rázům a vzniku tlakových vln. Maximální hodnota takto vzniklých tlakových vln může dosáhnout až 3×10 9 Pa [12]. K zániku bublin dochází nejčastěji na nerovnostech stěn. Tlakové vlny tedy působí bezprostředně na materiál stěn hydrogenerátoru apod., přičemž vyvolávají změnu tvaru, struktury a složení povrchových vrstev. Dochází zde ke změnám napětí v materiálu, vzniku trhlin a následně k oddělování částic, čemuž se říká kavitační eroze. Jak již bylo uvedeno, kavitace je složitý děj a kromě uvedených vlivů mechanických se ve větší či menší míře projevují i vlivy chemické, tepelné, elektrochemické atd. Tím se již však dále nebudeme zabývat. V případě nepravé kavitace (především u olejů) ale dochází ještě k dalšímu nežádoucímu jevu. Bubliny vzniklé v oblasti nižšího tlaku obsahují kromě vzduchu i těkavé uhlovodíky uvolněné z oleje. Při prudkém stlačení bublin se jejich vnitřní teplota může zvýšit až na 4000°C . Část tepla je odvedena do okolní kapaliny, ale vlivem zvýšené teploty dojde ke vznícení směsi uhlovodíků a kyslíku obsaženého ve vzduchu. Výsledkem hoření jsou kyselé zplodiny (saze), které mají vliv na stárnutí kapaliny. Navíc mohou saze zalepit filtry, případně jiné části mechanismu jako šoupátka řídicích prvků apod.
4.3 Vliv vody v pracovní kapalině Voda se v pracovních kapalinách může vyskytovat jako rozpuštěná nebo nerozpuštěná ve formě emulze, suspenze nebo kondenzátu. Pokud není voda s jinou kapalinou smíšena záměrně (vodní emulze), pak je v pracovní kapalině nežádoucí, protože způsobuje celou řadu problémů. Všechny pracovní kapaliny hydraulických mechanismů mají schopnost absorbovat vodu (podobně jako vzduch). Množství absorbované vody je závislé na základní surovině 33
kapalin, viskozitě, komplexních přísadách a teplotě. Maximální množství vody, které se v kapalině rozpustí se nazývá saturační hladina. Tato roste s teplotou a pro hydraulické oleje je 200 až 300 ppm [4]. Jestliže se olej nasytí vodou a při stejné vzdušné vlhkosti klesne teplota oleje, dojde k desorpci vody a začnou se vytvářet kapky. Voda je v podstatě nečistota, protože urychluje oxidaci pracovních kapalin, může mít rozkladný účinek na aditiva. Reakcemi vznikají pryskyřice a kaly, které mohou zanést nebo zalepit některé části mechanismu. Voda navíc podporuje růst mikroorganismů. Dalším problémem je, že voda působí korozívně na kovové části mechanismu, zhoršuje mazání, bublinky vodní páry zvyšují riziko kavitace atd. Voda s olejem vytváří emulzi, proto se do olejů přidávají deemulgační přísady, které tvorbě emulze zabraňují. Pokud je použitou pracovní kapalinou emulze, pak se naopak přidávají přísady podporující tvorbu a stálost emulze, tzv. emulgátory.
5.
Vlastnosti nenewtonských kapalin V první kapitole již bylo uvedeno rozdělení kapalin podle závislosti tečného napětí na
gradientu rychlosti a byly probrány vlastnosti newtonských kapalin. V této kapitole se zaměříme na kapaliny nenewtonské a jejich specifické vlastnosti při proudění.
5.1 Rozdělení nenewtonských kapalin Poměr tečného napětí a gradientu rychlosti u newtonských kapalin je při laminárním proudění konstantní a vyjadřuje dynamickou viskozitu. U nenewtonských kapalin tento poměr není konstantní a zavádí se pro něj název zdánlivá viskozita.
mA =
t du dy
(5.1)
Protože zdánlivá viskozita není látkovou konstantou, je třeba v případě nenewtonských kapalin uvádět grafickou závislost tečného napětí na gradientu rychlosti, tedy tzv. tokovou křivku nebo též reogram, obr. 5.1.
34
tp
tp
t
obr. 5.1 Reogramy nenewtonských kapalin
Kapaliny označované jako pseudoplastické se vyznačují poklesem zdánlivé viskozity s rostoucím gradientem rychlosti, říká se jim rovněž řídnoucí kapaliny. Mezi tyto kapaliny patří např. suspenze nesouměrných částic, suspenze papíru, kaly, pasty, taveniny, kaučuky, barvy, mazadla atd. t
mA
obr. 5.2 Toková křivka pseudoplastické kapaliny
obr. 5.3 Změna zdánlivé viskozity pseudoplastické kapaliny v závislosti na gradientu rychlosti
Řídnutí těchto kapalin lze vysvětlit následně. V klidu jsou nesouměrné částice náhodně rozmístěny, přičemž orientace jejich hlavních os je různá. S rostoucím rychlostním gradientem se částice (nebo molekuly) vyrovnávají a orientují se hlavními osami do směru pohybu, obr. 5.4. S rostoucím gradientem rychlosti zdánlivá viskozita klesá až k hodnotě, při níž je dosaženo dokonalého uspořádání částic. Od této hodnoty se zdánlivá viskozita již dále nemění a závislost tečného napětí na gradientu rychlosti je dále lineární. 35
obr. 5.4 Řídnoucí kapaliny
Hypotéza pseudoplastického chování předpokládá, že změna orientace částic nastane okamžitě nebo ve velmi krátké době. Jestliže je však při namáhání kapaliny konstantním smykovým napětím ke zmenšování zdánlivé viskozity potřebná určitá doba, nazývají se tyto kapaliny jako tixotropní. Pokud pak kapalinu necháme v klidu, původní struktura se pomalu obnoví a zdánlivá viskozita se asymptoticky blíží původní hodnotě, obr. 5.5. U některých pseudoplastických, ale i skutečných plastických kapalin, je tixotropní chování zřetelně pozorovatelné na tokové křivce, kde se objeví hysterezní smyčka, obr. 5.6. Průběh tokové křivky při zvyšování napětí je jiný, než při jeho snižování. To lze vysvětlit jednoduše tak, že kapalina se při zvyšování napětí promíchá, zdánlivá viskozita poklesne a kapalina již při snižování neklade tak velký odpor. mA
t
t
obr. 5.5 Změna zdánlivé viskozity tixotropní kapaliny
obr. 5.6 Hystereze na tokové křivce tixotropní
v čase
kapaliny
Opačným chováním oproti pseudoplastickým kapalinám se vyznačují kapaliny dilatační. Ty jsou charakteristické zvyšováním zdánlivé viskozity v závislosti na tečném napětí. Říká se jim rovněž kapaliny houstnoucí. Jsou to např. některé tiskařské barvy, rozpouštědla barev, škrobové mazy, beton, arabská guma, med atd.
36
mA
t
obr. 5.7 Toková křivka dilatační kapaliny
obr. 5.8 Změna zdánlivé viskozity dilatační kapaliny v závislosti na gradientu rychlosti
Zvyšování zdánlivé viskozity lze vysvětlit následně. Za klidu je objem dutin mezi částicemi suspenze minimální a objem okolní kapaliny dostačuje právě k vyplnění těchto mezer. Při malých rychlostech pohybu (malém rychlostním gradientu) kapalina působí jako mazivo a tečné napětí je malé. Se zvyšujícím se rychlostním gradientu se uspořádání částic změní na vrstvovité, suspenze se mírně roztáhne (dilatuje) a prostor mezi částicemi se zvětší, obr. 5.9. Následkem je nedostatek „mazací kapaliny“, dochází k přímému kontaktu částic a zvyšuje se tečné napětí [3]. Dilatace suspenze tedy způsobuje rychlý nárůst zdánlivé viskozity kapaliny v závislosti na gradientu rychlosti, obr. 5.8. Výskyt těchto kapalin v technické praxi je velmi malý.
obr. 5.9 Dilatační kapalina za klidu a pohybu
Jestliže nárůst zdánlivé viskozity bude nastávat s časovým zpožděním, nazývá se tento jev reopexie. V tomto případě tedy nastává postupné zvyšování zdánlivé viskozity v čase. Pokud potom kapalinu ponecháme v klidu, zdánlivá viskozita se navrátí na původní hodnotu. V grafu závislosti tečného napětí na gradientu rychlosti se reopexie projeví hysterezní smyčkou, podobně jako u tixotropie. Rozdíl je ale ve směru nárůstu a poklesu tokové křivky, v tomto případě proti směru hodinových ručiček.
37
t
obr. 5.10 Hystereze na tokové křivce reopektické kapaliny
Posledními nenewtonskými kapalinami jsou kapaliny plastické. Ty lze rozdělit na ideální nebo též Binghamovi kapaliny a skutečné plastické kapaliny (nebinghamovské).
tp
tp
t
obr. 5.11 Tokové křivky ideální a skutečné plastické kapaliny
Plastické kapaliny se vyznačují tím, že v klidu mají trojrozměrnou strukturu a chovají se jako pevné látky. Jsou schopny odolávat napětí do určité hodnoty, která je nazývána mez toku nebo počáteční napětí t p . Teprve po překročení této hodnoty začíná kapalina téct. U ideální plastické kapaliny je potom závislost tečného napětí na gradientu rychlosti lineární. Zdánlivá viskozita má konstantní hodnotu a je nazývána Binghamova viskozita. U skutečných plastických maziv je průběh tokové křivky po překročení t p nelineární, podobně jako u pseudoplastických kapalin. Do kategorie plastických kapalin patří např. kašovité a zrnité suspenze, průmyslové a odpadní kaly, bahno, pasty, plastická maziva apod.
38
5.2 Reometrie a reologické modely Vlastnosti nenewtonských kapalin nelze určit výpočtem, ale je třeba provést měření. Tím se zabývá reometrie a k měření jsou využívány především rotační reometry, které již byly popsány v kapitole 2. Měřením zjistíme řadu bodů závislosti tečného napětí na gradientu rychlosti, které je poté třeba proložit vhodným reologickým modelem, pomocí něhož lze následně provádět další výpočty. Reologických modelů je v odborné literatuře uvedena celá řada, zde však budou uvedeny jen základní. Nejstaršími reologickými modely jsou mocninné rovnice toku, z nichž je nejčastěji používána formulace dle Ostwalda a de Waelea æ du ö t = k × çç ÷÷ è dy ø
n
(5.2)
kde k je součinitel konzistence a n je index toku (pro newtonské kapaliny n = 1 , pseudoplastické n < 1 , dilatační n > 1 jak bylo uvedeno na obr. 5.1). Obě hodnoty se zjišťují z naměřených hodnot. Mocninný model není vhodný pro plastické kapaliny. Chováním plastických kapalin se zabýval mimo jiné Bingham, který formuloval model pro ideální plastickou kapalinu, tzv. Binghamův model æ du ö t = t p + m B × çç ÷÷ è dy ø
(5.3)
kde t p je počáteční tečné napětí a m B je tzv. binghamova viskozita. Je to vlastně směrnice přímky podobně jako u newtonské kapaliny. Pro většinu skutečných plastických kapalin ale uvedený model nevyhovuje, proto byla sestavena řada jiných, z nichž nejpoužívanější je Bulkley-Herschelův model æ du ö t = t p + k × çç ÷÷ è dy ø
n
(5.4)
kde t p je počáteční tečné napětí, k součinitel konzistence a n index toku.
39
6.
Vlastnosti a parametry stlačeného vzduchu Stlačený vzduch, který se používá jako pracovní
médium v pneumatických
mechanismech, má oproti kapalinám řadu rozdílných vlastností. Tyto rozdíly je třeba si vždy uvědomit, protože mohou vést ke značným chybám nejen při výpočtech pneumatických mechanismů, ale také při jejich měření.
6.1 Kvalita vzduchu Pro správnou funkci pneumatických mechanismů je třeba, aby byl stlačený vzduch zbaven mechanických nečistot a vody. S rozvojem materiálů pneumatických prvků se v posledních letech upouští od mazání stlačeného vzduchu. Kvalita stlačeného vzduchu je předepsána normou ČSNISO 8573-1, která stanovuje 7 tříd znečištění pevnými částicemi, množství vlhkosti a oleje, tab. 6.1. Pro pneumatické mechanismy je dostačující třída 4, případně 5. tab. 6.1 Tabulka kvality stlačeného vzduchu
třída
1 2 3 4 5 6 7
mechanické částice obsah vody max. max. koncentrace max. rosný velikost částic bod částic [ [ °C ] mg × m -3 ] [mm] 0,1 0,1 -70 1 1 -40 5 5 -20 15 8 +3 40 10 +7 +10 nedefinováno
obsah oleje max. koncentrace oleje [mg × m -3 ] 0,01 0,1 1 5 25 -
6.2 Stav vzduchu – stavová rovnice Stav vzduchu je určen dvěma ze tří určujících stavových veličin, jimiž jsou tlak p , teplota T a měrný objem v (příp. hustota r ). Při všech výpočtech pneumatických mechanismů je třeba mít na paměti, že zde dochází k termodynamickým dějům a je tedy třeba respektovat termodynamické zákony. Užití těchto všeobecně platných zákonů je však složité a často i zbytečné. Pro inženýrské výpočty lze s dostatečnou přesností považovat vzduch za ideální plyn (stlačitelný bez vnitřního tření a vlhkosti) a pneumatický mechanismus za ·
uzavřený systém (hmotnostní tok m je konstantní). 40
Stavovou rovnici lze vyjádřit několika způsoby – a) pro 1 kg plynu, b) pro hmotnost plynu m, nebo c) po vydělení rovnice hmotností pro měrný objem v/m, což je hustota plynu ρ: a)
pa × v = r × T ;
b)
pa = r ×T r
pa ×V = m × r × T ; c)
(6.1)
kde r je plynová konstanta a pro vzduch má hodnotu r = 286 ,9 J × kg -1 × K -1 . Zbývající parametry jsou vzájemně vázány funkčními závislostmi. Pro další zjednodušení se vždy jedna z hodnot považuje za konstantní.
6.3 Tlak vzduchu V technice stlačených plynů je důležité správně rozlišovat tlak absolutní a relativní, čili přetlak či podtlak, obr. 6.1. Absolutní tlak p a – je udáván od absolutního vakua. Atmosférický (též barometrický) tlak p atm – je absolutní tlak atmosféry, používá se jako relativní nula – vztažná hodnota pro přetlak a podtlak. Přetlak p – je udáván přírůstkem tlaku vzhledem k atmosférickému tlaku p = p a - p atm . Podtlak (vakuum) pvk – je udáván vzhledem k atmosférickému tlaku, nejčastěji v % vakua, což je hodnota
pvk ×100 . patm
absolutní tlak p a
relativní tlak - přetlak p
atmosférický tlak patm
(relativní nula)
(absolutní tlak atmosféry)
0
vakuum (absolutní nula)
0
relativní tlak - podtlak p vk
absolutní tlak p a
obr. 6.1 Označení tlaku
Do termodynamických výpočtů se dosazuje tlak absolutní ( p a = p atm + p ), zatímco v parametrických výpočtech pneumatických mechanismů se nejčastěji počítá s přetlakem p a u vakuových mechanismů s podtlakem pvk . Při výpočtech se neuvažuje kolísání atmosférického tlaku. Ten se považuje za konstantní.
41
6.4 Teplota Teplota je druhou stavovou veličinou plynu. Do termodynamických výpočtů se dosazuje teplota absolutní T , jejíž jednotkou je Kelvin [K ] . Vztah mezi Kelvinovou a Celsiovou stupnicí je T = t + 273,15 ( 0°C = 273,15 K ) . Pro zjednodušení výpočtů se právě teplota často považuje za konstantní. Stejně jako tlak, je teplota důležitá při definování normálního stavu.
6.5 Normální (normovaný) stav Vzhledem k závislosti objemu a objemového průtoku na tlaku a teplotě, je nutné jej uvádět přepočten na normální (normovaný) stav. Normální stav je určen tlakem a teplotou. Jsou definovány dva normální stavy: fyzikální a technický. Hodnoty tlaku a teploty pro fyzikální normální stav jsou p N = 101325 Pa a TN = 273,15 K . Tento stav je definován např. normou DIN 1343. Pro výpočty pneumatických mechanismů se častěji používá technický normální stav, definovaný např. normou DIN 1945, kde p n = 1 × 10 5 Pa a Tn = 293,15 K .
6.6 Rovnice kontinuity, hmotnostní průtok, objemový průtok Protože vzduch je stlačitelné médium, je pro vyčíslení protékajícího množství vhodné používat hmotnostní průtok, který samozřejmě není závislý na tlaku a teplotě vzduchu a nemůže zde tedy dojít k záměně či chybě při přepočtu na aktuální pracovní podmínky. Hmotnostní průtok lze vyjádřit rovnicí ·
m=
dm dt
[kg × s ] -1
(6.2)
Pokud známe objemový průtok daným průřezem a hustotu v tomto místě, lze rovnici hmotnostního průtoku (rovnici kontinuity pro stlačitelné médium) napsat ve tvaru ·
[kg × s ]
m = Q × r = S ×v× r
-1
(6.3)
Pro parametrické výpočty pneumatických mechanismů však není toto vyjádření vhodné. Proto se používá hodnota objemového průtoku přepočteného na normální stav, tedy normální objemový průtok. Ten vychází z rovnice kontinuity a stavové rovnice ·
m = konst . =
p a × Q p n × Qn = R ×T R × Tn
[kg × s ] -1
odkud bude
42
(6.4)
Qn = Q ×
p a × Tn pn × T
[m
3 n
× s -1 ]
(6.5)
Takto jsou uváděny např. hodnoty průtoků u pneumatických prvků v katalozích výrobců ( Q N , Qn , qn ). Tyto hodnoty také uvádějí tzv. jmenovitý průtok, na který jsou prvky konstruovány a jehož hodnota se používá při projektování pneumatických obvodů. Velikost průtoku přepočteného na normální podmínky je uváděna např. v normálních metrech krychlových za sekundu [mn3 × s -1 ] nebo jiné jednotce průtoku s indexem „n“ u jednotky objemu. Stejně jako průtok lze vypočítat i normální objem Vn , kde jednotkou je normální metr krychlový, tedy
[m ] nebo jiné jednotky objemu např. normální litr [l ] . 3 n
n
Vn = V ×
p a × Tn pn × T
[m ]
(6.6)
3 n
6.7 Hustota Hustota vzduchu je určována stavovou rovnicí (6.1), z níž plyne i složitost její závislosti na teplotě a zejména na tlaku. Pro výpočet hustoty při jiných než normálních podmínkách lze napsat vztah
r = rn ×
p a × Tn pn × T
[kg × m ] -3
(6.7)
Ve vzorci (6.7) je hustota vzduchu za normálních podmínek r n = 1,189 kg × m -3 při tlaku p n = 1× 10 5 Pa a teplotě Tn = 293,15 K . Na obr. 6.2 jsou uvedeny průběhy hustoty v závislosti na tlaku při dvou různých teplotách. Z průběhů lze vyčíst silnou lineární závislost hustoty na pracovním tlaku a pouze mírnou závislost na teplotě. (Pozn. Pokud zanedbáme změnu teploty, potom se je hustota pouze funkcí tlaku a dojdeme ke vztahu r = r n × pa , kde tlak p a je
Hustota vzduchu ρ [kg.m-3 ]
absolutní pracovní tlak dosazený v [bar ] .) 25
r t=0°C
20
r t=20°C
15 10 5 0 1
6
11
16 5
Tlak p a [10 Pa ]
obr. 6.2 Graf závislosti hustoty vzduchu na tlaku 43
21
V tab. 6.2 jsou uvedeny hodnoty hustoty vzduchu pro vybrané hodnoty tlaku a teploty. Pneumatické mechanismy pracují nejčastěji při teplotách blízkých normálnímu stavu ( 20°C ). Jak již bylo uvedeno, změna hustoty vzduchu s teplotou není příliš výrazná a proto ji lze pro obvyklé pracovní tlaky do p = 1× 10 6 Pa z důvodu zjednodušení výpočtů zanedbat.
[
tab. 6.2 Hustota vzduchu v kg × m
-3
] v závislosti na tlaku a teplotě
teplota t [°C ]
abs. tlak p a [10 5 Pa ]
0
20
50
100
1
1.276
1.189
1.079
0.934
1.01325
1.293
1.205
1.093
0.946
5
6.380
5.945
5.393
4.670
10
12.761
11.890
10.786
9.341
15
19.141
17.835
16.179
14.011
20
25.521
23.780
21.572
18.682
6.8 Viskozita Viskozita je důsledkem vnitřního tření při pohybu částic a vrstev tekutin. Jak dynamická, tak i kinematická viskozita je opět závislá na tlaku a teplotě. Pro technický normální stav ( p n = 1× 10 5 Pa a Tn = 293,15 K ) je hodnota dynamické viskozity vzduchu
h n = 18,49 × 10 -6 Pa × s . Pro teploty do T = 325 K je možné provést přepočet dynamické viskozity podle následujícího vzorce [7]:
æT h = h n × çç è Tn
ö ÷÷ ø
0,75
[Pa × s ]
(6.8)
Na obr. 6.3 jsou uvedeny průběhy dynamické viskozity v závislosti na tlaku při teplotách t = 0°C a t = 20°C . Protože se dynamická viskozita pro tlaky běžně používané
v pneumatických mechanismech příliš nemění (do p = 1× 10 6 Pa ), lze její změnu pro běžné výpočty zanedbat a považovat ji tak při dané teplotě za konstantní.
44
Dynamická vis kozita η [10 -6 Pa.s ]
19.5 19 18.5 18 17.5 17
ηt=20°C ηt=0°C 1
6
11
16
21
Tlak p a [105 Pa ]
obr. 6.3 Graf závislosti dynamické viskozity na tlaku
Kinematická viskozita je závislá na hustotě podle vztahu n =
h a po dosazení za hustotu do r
stavové rovnice lze psát
n =h ×
R ×T pa
[m
2
× s -1 ]
(6.9)
odkud plyne, že kinematická viskozita vzduchu roste s teplotou a klesá s tlakem. Její hodnota pro technický normální stav je n n = 15,56 × 10 -6 m 2 × s -1 . Pokud, jak již bylo uvedeno, budeme dynamickou viskozitu považovat pro běžné tlaky za konstantní, lze pro výpočet hodnoty kinematické viskozity při jiném, než barometrickém tlaku napsat vztah
n =nn ×
pn × T p a × Tn
[m
2
× s -1 ]
(6.10)
Na obr. 6.4 je zobrazen graf závislosti kinematické viskozity na tlaku při teplotách t = 0°C a t = 20°C . Z průběhů je opět zřejmá pouze mírná závislost na teplotě a proto ji i v tomto
Kinem atická viskozita n [10 -6 m 2.s -1 ]
případě lze pro zjednodušení výpočtů zanedbat. 16 12 8
nt=0°C
4
nt=20°C
0 1
6
11
16
21
5
Tlak p a [10 Pa ]
obr. 6.4 Graf závislosti kinematické viskozity na tlaku
Z předchozího je zřejmé, že průtok, hustota, a viskozita jsou závislé především na pracovním tlaku. Protože pneumatické mechanismy jsou provozovány za teplot blízkých normální teplotě, lze závislost na teplotě zanedbat. 45
6.9 Vratné děje (stavové změny) Jak již bylo uvedeno mohou nastat jevy, při nichž jedna ze stavových veličin zůstává konstantní a další se mění. Těmto jevům se říká stavové změny, nebo změny stavu plynu a jsou uvedeny v tab. 6.3. Pro popis pomalu probíhajících dějů lze u pneumatických mechanismů použít rovnici izotermického děje. Naopak pro rychlé změny lze použít rovnici adiabatického děje, kde
k = 1,4 , nebo rovnici polytropického děje. Křivka polytropy leží mezi izotermou a adiabatou (v obr. 6.5 vyznačena čerchovaně). Na obr. 6.5 jsou znázorněny průběhy všech uvedených stavových změn v p - V diagramu. p
izochorický děj
izobarický děj izotermický děj polytropický děj adiabatický děj v
obr. 6.5 Stavové změny
V tab. 6.3 jsou uvedeny i vztahy pro absolutní a technickou práci. Absolutní (vnější) práce je dána změnou objemu dV při tlaku p . Expanduje-li plyn z objemu V1 na V2 , vykoná se práce 2
Aa = ò p × dV
(6.11)
1
Pokud platí V2 > V1 je Aa absolutní prací expanzní, pokud je V2 < V1 je Aa absolutní prací kompresní. Technickou práci obdržíme při expanzi plynu z tlaku p1 na p 2 2
At = ò V × dp
(6.12)
1
obr. 6.6 Absolutní a technická práce 46
tab. 6.3 Stavové změny
47
6.10 Nevratné děje Příkladem nevratného děje může být např. škrcení plynu, které nastává při průtoku vzduchu pneumatickými prvky. Škrcení je složitý proces, při kterém se entalpie soustavy h mění, ale na vstupu a výstupu ze soustavy má stejnou hodnotu, takže se škrcení ideálního plynu jeví jako izotermický děj, obr. 6.7. V důsledku nevratné expanze v místě zúžení a nevratné komprese za místem zúžení však dochází ke změně entropie soustavy s , což se projeví úbytkem tlaku Dp . 1
h
p1
p2
1
2
2
w1
w2
izotermický děj
škrcení s
p p1
Dp
p
2
x
b)
a)
obr.6.7 Škrcení plynu a) h-s diagram, b) tlaková ztráta
Při škrcení skutečných plynů se teplota na rozdíl od ideálních plynů mění, ačkoliv součet energií je stálý a tento jev se označuje jako Joule-Thompsonův efekt. Tento jev má význam při strojním chlazení, zkapalňování a dělení plynů: pokud je výchozí teplota plynu nižší, než je jeho tzv. teplota inverzní (pro vzduch + 377°C ), po seškrcení teplota klesá a obráceně. V oblasti pneumatických mechanismů lze ale poměrně složité případy škrcení plynu jen s malou chybou považovat za škrcení plynu ideálního. Pro popis tohoto jevu je potom postačující rovnice pro výpočet místních tlakových ztrát w12 pz = z × × r1 2
[Pa]
(6.13)
kde z je součinitel místní ztráty, který vyjadřuje vliv odporu proti proudění vzduchu, w1 a
r1 jsou hodnoty rychlosti proudění a hustoty před odporem.
48
6.11 Vlhkost vzduchu Vlhkost vzduchu je rovněž významná vlastnost. Vzduch dodávaný kompresorem obsahuje vodní páru, která může v pneumatickém systému kondenzovat. Voda potom může negativně ovlivnit funkci mechanismu, způsobovat korozi apod., proto je nutné vodní páru ze vzduchu odstranit. Vlhkost nasávaného vzduchu závisí na tlaku a teplotě. Čím je tlak vzduchu nižší, tím více vodní páry muže obsahovat. Snižuje-li se teplota při konstantním tlaku, dosáhne se kritického bodu nasycení vodními parami, při které začne vodní pára kondenzovat. Tato teplota je označována jako rosný bod. Se zvyšujícím se tlakem rosný bod roste. Např. rosný bod 3°C při tlaku 0,7MPa (tlakový rosný bod) odpovídá při atmosférickém tlaku rosnému bodu -21°C (atmosférický rosný bod). Relativní vlhkost vzduchu je v procentech vyjádřený poměr mezi aktuálním obsahem vody ve vzduchu k obsahu vody při rosném bodu. tab. 6.4 Obsah vody ve vzduchu při daném rosném bodu
7.
Hydraulické oleje Za tímto obecným názvem se skrývají pracovní kapaliny vyrobené různým způsobem
a z různých surovin. Je proto třeba dále rozlišit, zda se jedná o oleje minerální, polosyntetické, syntetické, nebo rostlinné. Každá tato skupina má svá specifika a různé vlastnosti. V této kapitole budou probrány především oleje minerální, které jsou v současné době nejpoužívanější.
7.1 Výroba základních olejů Základní, nebo též základové oleje, jsou produkty rafinace, nebo jiného výrobního postupu. Pro dosažení požadovaných vlastností jsou potom do základních olejů přidávány různé přísady.
49
Minerální oleje (rafináty) Minerální oleje jsou získávány z ropy rafinací. Při rafinaci jsou od sebe odděleny jednotlivé frakce ropy podle délky uhlovodíků. Prvním krokem je destilace. Při té se ropa zahřeje při atmosférickém tlaku. Jednotlivé frakce se odpařují a následně při různých teplotách kondenzují. Takto lze z ropy získat benzín (C5 – C12 – počet uhlíku v molekule), naftu a lehký topný olej (C10 – C20). Delší uhlovodíky se již neodpaří a následuje další krok, kterým je vakuová destilace. Proces je stejný jako v prvním kroku, pouze za sníženého tlaku. Výsledkem jsou především oleje o různé viskozitě (C20 – C35 mazací oleje, C35 – C80 těžký topný olej). Zbytkem je potom ropný asfalt. Oleje jsou dále zušlechťovány – rafinovány. V tomto kroku jsou odstraněny nežádoucí příměsi a upravena struktura uhlovodíků, čímž dojde ke zlepšení vlastností olejů. Čtvrtým krokem je odparafinování – odstranění parafínů, které zhoršují nízkoteplotní vlastnosti. Hydrokrakované oleje Hydrokrakované oleje jsou vyráběny z delších uhlovodíků (C35 a více). Prvním krokem je rozštěpení (krakování) dlouhých řetězců uhlovodíků a vložení atomů vodíku na místa štěpení (hydratace). Vakuovou destilací se potom produkt hydrokrakování rozdělí na oleje o různých viskozitách a posledním krokem je odparafinování. Syntetické uhlovodíky Jsou vyráběny syntézou (slučováním) krátkých uhlovodíkových molekul. Prvním krokem je rozštěpení molekul benzínu na eten (C2H2) nebo buten (C4H8). Z těchto základních stavebních jednotek je potom slučováním sestaven Poly-alfa-Olefin (PAO), resp. Poly-iso-Buten (PIB). Následuje vakuová destilace a u PAO ještě hydrogenace, čímž se zlepší vlastnosti oleje. Ve srovnání s ropnými oleji mají následující výhody: 1) mohou pracovat v širokém rozsahu teplot a to i při extrémně nízkých (až -50°C) 2) vysoká termooxidační stálost i za vysokých teplot 3) 2 až 5 krát větší životnost v závislosti na pracovních podmínkách 4) lepší mazací schopnost Dále lze zdůraznit i kompatibilitu s ropnými oleji a s nátěry a těsněním, které jsou používány v systémech s minerálními oleji. Je však nutno konstatovat, že jsou ve srovnání s minerálními oleji dražší.
50
Syntetické oleje Jsou to obecně produkty chemických reakcí, jejichž základem ve většině případů nejsou uhlovodíky, řadí se sem ale i syntetické uhlovodíky. Jedná se především o organické estery, estery kyseliny fosforečné, polyglykoly, silikáty atd. O některých z nich bude pojednáno dále. Rostlinné oleje Jak již z názvu vyplývá, jedná se o oleje přírodního původu, které je ale třeba ještě upravit. U nás je nejvíce používán řepkový olej a to především tam, kde hrozí riziko znečištění životního prostředí. Těmto olejům bude věnována samostatná kapitola.
7.2 Minerální oleje Výroba minerálních olejů byla popsána výše. Podle vlastností a obsahu aditiv se minerální oleje rozdělují do tříd. Oleje různých tříd jsou pak vhodné pro určité aplikace. V Evropě se nejčastěji používá klasifikace podle norem ISO (stejné jako doporučení CETOP) a DIN, tab. 7.1. tab. 7.1 Výkonové třídy minerálních olejů
ISO/DIS 6743/4
DIN 51 524
obsah aditiv
CETOP RP 91 H HH
-
bez přísad
HL
HL
HR
-
jako HL + modifikátor viskozity
HM
HLP
jako HL + protioděrové přísady
HV
HLPV
HG
-
přísady proti oxidaci a korozi
jako HM + modifikátor viskozity jako HM + přísady proti stisk-slipu
Dle normy DIN se dále některé oleje označují doplňujícími písmeny: HLP-D
jako HLP + detergenty (rozpouštědla usazenin) + disperzanty (rozptylovače)
HLP-M
jako HLP, ale s plošší viskózní křivkou
HLP-S
jako HLP, ale s velmi plochou viskózní křivkou
Jak již bylo uvedeno v kap. 2, v každé výkonové třídě je osm viskózních tříd, z nichž nejpoužívanější jsou ISO VG 10, 22, 32, 46, 68, 100. 51
Použití vybraných tříd: HH – oleje neobsahují přísady, proto jsou náchylné k oxidaci a rovněž mazací schopnost je omezena. Proto se tyto oleje používají v nenáročných mechanismech malých výkonů při nízkých až středních tlacích. HL – obsahují přísady proti oxidaci a korozi, proto je lze použít v mechanismech s vyšším vývinem tepla (obvody se škrticími ventily, celodenní provoz, vyšší oběhová čísla). I u těchto olejů je ale omezena mazací schopnost, proto se nehodí tam kde jsou vyšší požadavky na mazání. Lze je použít v obvodech s pístovými hydromotory do 16 MPa a se zubovými do 25MPa . HM – obsahují přísady proti oxidaci, korozi a protioděrové přísady, čímž je zlepšena mazací schopnost a to i při vyšších teplotách a vysokém mechanickém namáhání. Lze je použít pro vysokotlaké mechanismy (s axiálními pístovými hydrogenerátory 16 - 45MPa , s lamelovými hydrogenerátory 10 - 17 ,5MPa a s radiálními pístovými hydrogenerátory až 75MPa ). Kromě uvedených přísad mohou být v oleji zastoupeny i přísady proti pěnění,
tvorbě emulze, detergenty apod. Celkový obsah přísad v oleji bývá 1 - 2% , což postačuje pro většinu aplikací. Pro náročné mechanismy však může být obsah aditiv až 20% , např. u olejů s vysokým viskozitním indexem (oleje HV). Na obr. 7.1 je uvedeno relativní zastoupení jednotlivých aditiv v oleji HM (HLP).
obr. 7.1 Relativní obsah přísad z celkového množství aditiv v oleji HLP [8]
HV – tyto oleje obsahují stejná aditiva jako oleje HM, ale navíc obsahují ještě modifikátory viskozity. Díky tomu mají plošší viskózní křivku (viskozitní index min. 165) a mohou tedy pracovat ve větším rozmezí teplot a v nechráněném prostředí. Používají se např. u mobilních pracovních strojů jako celoroční olejová náplň.
52
Kromě uvedených základních druhů olejů nabízejí výrobci i celou řadu olejů s vlastnostmi dle přání zákazníka. Výrobci dále dodávají speciální hydraulické oleje pro hydrodynamické převody (spojky, měniče). V současné době je vývoj hydraulických olejů zaměřen především na prodlužování jejich životnosti a zlepšení protioděrových vlastností při vysokém namáhání. Tyto požadavky splňují např. hluboce rafinované minerální oleje nebo kapaliny na syntetické bázi (PAO, syntetické estery). Dalším způsobem dosažení požadovaných vlastností je účinnější aditivace. Na druhou stranu jsou na pracovní kapaliny kladeny stále větší nároky na ekologickou nezávadnost. To vede např. k náhradě aditiv obsahující zinek za aditiva bez něj.
8.
Těžkozápalné kapaliny Jedná se o kapaliny, jejichž podstatou odolnosti proti hoření je obsah vody, nebo
chemický základ kapaliny. Někdy se pro ně používá název nehořlavé kapaliny, což ovšem není přesné, protože např. u emulzí tvořených vodou a olejem může dojít vlivem zvýšené teploty k odpaření vody a olejová složka začne hořet. Proto je v těchto případech přesnější označení kapaliny s omezenou hořlavostí. Používají se v zařízeních a prostředích, kde je zvýšené riziko vzniku požáru jako např. v hlubinných dolech a hutích, ale i v letectví apod. Základní rozdělení těchto kapalin podle normy ISO 6071 je následující: HFA – emulze oleje ve vodě HFB – emulze vody v oleji HFC – vodní roztoky polymerů HFD – syntetické bezvodé kapaliny Na tomto místě je třeba upozornit na specifika provozu mechanismů pracujících s vodními emulzemi a roztoky. V první řadě je to rozmezí teplot. U kapalin HFA a HFB nesmí teplota klesnout pod bod mrazu a u všech kapalin obsahujících vodu pak teplota nesmí přesáhnout horní hranici, která je asi 50°C. Při vysokých teplotách dochází ke zvýšenému odpařování vody, čímž se značně zvyšuje riziko kavitace. Vzhledem k tomu, že voda působí korozívně, je třeba pravidelně sledovat a doplňovat obsah antikorodantů. Ty se používají v kapalné formě, ale přidávají se i antikorodanty těkavé, které chrání proti korozi např. stěny a víko nádrže. V poslední době se části mechanismů pracujících s emulzemi stále častěji vyrábějí z antikorozních materiálů : legované oceli, pryže, plasty, barevné kovy, keramika apod. 53
Výraznou nevýhodou vody je, že nemá prakticky žádnou mazací schopnost, proto je životnost použitých zařízení výrazně kratší v porovnání s provozem zařízení v oleji. Z tohoto důvodu je omezen rozsah použitých tlaků a otáček hydrogenerátorů a hydromotorů. V tab. 8.1 jsou uvedeny vybrané vlastnosti těžkozápalných kapalin. tab. 8.1 Vybrané vlastnosti těžkozápalných kapalin
druh kapaliny
HFA
HFB
HFC
HFD
velmi dobrá
dobrá
velmi dobrá
dobrá
1000
950
1040-1090
1150-1450
provozní rozsah teplot [°C ]
30 – 50
30 – 50
30 – 50
70 – 90
maximální rozsah teplot [°C ]
3 – 55
3 – 55
-30 – 50
-25 – 150
20 – 70
15 – 70
odolnost proti hoření hustota [kg × m -3 ]
kinematická viskozita při 40°C
[mm
2
1–2
× s -1 ]
(není Newt. kap.)
obsah vody [% ] životnost
nestanoveno
ložisek
v
[% ]
normální životnosti cenový index vzhledem k oleji HLP
80 – 98
40 – 60
35 – 60
0
5 – 10
6 – 15
6 – 18
50 – 100
0,1 – 0,25
<2
1,5 – 2
2–5
Kapaliny HFA Jedná se o emulzi oleje ve vodě. Obsah oleje ve směsi se pohybuje nejčastěji do 10%, v některých případech však může obsah oleje dosáhnout i 20%. Olejové koncentráty, které se pro výrobu emulze používají, mohou být buď na bázi minerální s emulgačními přísadami (označení HFA-E) nebo na bázi syntetické (HFA-S). Emulzi lze v obou případech použít v rozsahu teplot 3 až 55°C 3 a pro pracovní tlaky do 10 MPa , výjimečně i vyšší. Tyto kapaliny se vyznačují poměrně nízkou cenou a jsou prakticky nehořlavé. Fyzikálními vlastnostmi jsou velmi blízké vodě. Koncentráty na bázi minerálního oleje jsou nerozpustné ve vodě. Za přítomnosti emulgátorů lze vytvořit emulzi s omezenou stabilitou. Stabilita emulze je ovlivněna jak vlastnostmi oleje, tak chemickým složením použité vody. Ta by měla být demineralizovaná, čímž se dosáhne delší stálosti. Ta se pohybuje od jednoho do cca sedmi dnů. U olejů tvořících
54
s vodou mikroemulzi je stálost i větší. Kromě emulgátorů se do kapalin přidávají ještě inhibitory koroze, baktericidní a protipěnivostní přísady. Do této skupiny kapalin se řadí např. u nás používaný Emulzín H. V koncentraci
2,5 až 3% se používá v hydraulických stojkách v hlubinných dolech a v koncentraci 3 až 7% v mechanizovaných výztužích. Koncentráty syntetických olejů vytvoří s vodou při koncentraci 1 až 2% (max. 10% ) mikroemulzi - koloidní suspenzi vysokoviskózních olejových kapiček, která je velmi stabilní. Běžně se do těchto emulzí přidávají mimo jiné i protioděrové přísady, takže kapalina má i lepší mazací schopnost. Emulze ze syntetických olejů mají lepší vlastnosti než z minerálních, jsou ale dražší. Kapaliny HFB Jedná se o emulzi vody v oleji. Obsah vody ve směsi je min. 40% , v některých případech až 60% . Používá se tam, kde jsou kladeny vyšší nároky na mazací schopnost, navíc také působí méně korozívně. Nevýhodou ale je, že díky vyššímu obsahu oleje jsou hořlavější než kapaliny HFA. Lze je použít v rozmezí 5 až 60°C v nízkotlakých a středotlakých mechanismech do cca 16 MPa . Z aplikací této kapaliny lze jmenovat použití v lisech a kovacích lisech, na britských ostrovech jsou používány při ražbě černého uhlí. V nás se v dolech nepoužívají, protože nesplňují přísné požadavky báňského předpisu na nehořlavost. V Německu jsou tyto kapaliny zakázané. Kapalina HFC Jedná se především o roztoky vyšších polyethylglykolů s 35 až 60% vody. Oproti emulzím odpadají problémy se stabilitou roztoku. Vyznačují se velmi dobrou odolností proti hoření a vysokým viskozitním indexem (až 150). Při vyšším obsahu polyglykolu snesou i nižší teploty, proto je lze použít v rozmezí již od –30°C do 50°C. Vzhledem k vyšší viskozitě a hustotě vznikají větší tlakové ztráty a v sacím potrubí může dojít ke vzniku kavitace. Pro zlepšení vlastností se do roztoku přidávají inhibitory koroze, antioxidanty, případně i protioděrové přísady, mazací schopnost je ale i přes to nízká. Koncentrace kyselých produktů oxidace nesmí přesáhnout 0,15% . Kapaliny HFC lze použít pro středotlaké mechanismy do 16 MPa . Z aplikací lze jmenovat tlakové licí stroje a roztoky s vyšším podílem vody se
používají v dolech.
55
K těsnění těchto kapalin lze použít NBR nebo SBR pryž, Viton aj., není ale vhodná polyuretanová pryž. Kapaliny HFC jsou agresivní na běžné druhy nátěrů, zinek a kůži. Rovněž změna olejové náplně na HFC je komplikovaná, protože HFC nejsou mísitelné s jinými kapalinami. Protože polyglykoly nejsou toxické, používají se také jako ekologická kapalina. Kapaliny HFD Jedná se o syntetické kapaliny bez obsahu vody. Jsou prakticky nehořlavé a v závislosti na obsahu aditiv je lze použít i pro vyšší tlaky. Těchto kapalin je více druhů a dle označení je lze rozdělit následně: HFDR – estery kyseliny fosforečné HFDS – chlorované bifenyly (v současné době jsou zakázané vzhledem ke karcinogenním účinkům, jinak ale mají výborné vlastnosti) HFDT – kombinace HFDR a HFDS HFDU – jiné složení (silikonové oleje, speciální estery kyseliny uhličité) Z uvedených druhů má největší význam kapalina HFDR, tedy estery kyseliny fosforečné. Protože neobsahuje vodu, lze ji použít v širokém rozsahu teplot, - 25 až 150°C . Nevýhodou této kapaliny je strmá závislost viskozity na teplotě. Má ale antikorozní účinky a výborné mazací schopnosti. Kapalina reaguje i kovovými povrchy a se železem vytváří fosfidy a fosfáty s protioděrovými účinky. Podobně jako ostatní kapaliny HFD je náchylná na přítomnost vody, se kterou hydrolyzuje. Kyselost kapaliny nesmí stoupnout nad
0,3 mgKOH / g . Působí agresivně na NBR pryž, proto je třeba použít např. těsnění z fluorované pryže (Viton). Fyziologicky je málo závadná a je biologicky dobře odbouratelná, proto se používá i jako ekologická kapalina. Především vzhledem k vysoké ceně je její použití omezené. Lze ji ale nalézt v hydraulice letadel, regulátorů parních turbín, svařovacích strojů ale i strojů důlních. Pro snížení ceny a rovněž pro vylepšení viskozitních vlastností se někdy mísí s minerálními oleji. Na obr. 8.1 až obr. 8.3 jsou uvedeny průběhy viskozity a hustoty v závislosti na teplotě pro vybrané kapaliny .
56
obr. 8.1 Závislost kinematické viskozity na teplotě různě
obr. 8.2 Závislost kinematické viskozity na
koncentrovaných kapalin HFA
teplotě pro různé kapaliny
obr. 8.3 Závislost hustoty na teplotě pro různé kapaliny
57
9.
Ekologické kapaliny a ekologické vlastnosti V České republice se ročně spotřebuje 10 – 15 tisíc tun pracovních kapalin. Podíl olejů
na ropné bázi je cca 99%. V posledních letech je ale z ekologických důvodů stále větší tlak na náhradu minerálních olejů za kapaliny šetrné k životnímu prostředí. To platí zejména tam, kde při havárii hrozí přímé riziko znečištění vod a půdy a nepříznivé působení na floru a faunu. Ekologické kapaliny jsou vyžadovány především u zemědělských, lesnických a stavebních strojů, zařízení vodních elektráren a dalších vodních staveb a rovněž u důlních a dobývacích strojů. Voda je fyziologicky a ekologicky neškodná, ostatní pracovní kapaliny mohou více či méně působit na organismy. Z důsledků škodlivého působení na člověka lze jmenovat: -
kožní onemocnění
-
dráždivý účinek na dýchací a jiné orgány
-
karcinogennost
Nejčastější jsou kožní onemocnění. Agresivitu minerálních olejů, polyglykolů a zejména syntetických kapalin nelze podceňovat. Dráždivý účinek mohou mít kyselé zplodiny a saze, aditiva a řada uhlovodíků. Dráždivý účinek na dýchací orgány se projevuje zejména tam, kde se kapalina intenzívně vypařuje. Rovněž některá aditiva jsou těkavé látky a uvolňují se z oleje. Kapaliny s karcinogenními účinky jsou jako pracovní kapaliny zakázané. Zde lze uvést již např. zmíněné polychlorované bifenyly (PCB). Minimální množství karcinogenních látek je obsaženo i v minerálních olejích a mimo jiné i proto je třeba s nimi nakládat jako s kapalinou nebezpečnou pro životní prostředí. Ekologické či biologicky snadno rozložitelné kapaliny by měly splňovat určitá kritéria, která jsou dána zákony a vyhláškami. Pracovní kapaliny které splní požadavky jsou potom označeny ochrannou známkou „Ekologický výrobek“, nebo evropskou eko-vinětou „European Eco-Label“. Při testování kapalin se hodnotí, kolik procent látky se rozloží za stanovenou dobu. K rozkladu dochází působením mikroorganismů, které např. olej rozloží na vodu a oxid uhličitý jako finální produkty rozkladu. Při tomto procesu dochází k tomu, že bakterie napřed rozloží původní látku na fragmenty (primární odbourání) a teprve potom tyto fragmenty rozloží na H2O a CO2 (úplné biologické odbourání). Pro udělení uvedených označení je důležité, aby nebyla toxická jak původní látka, tak i látky vznikající v průběhu rozkladu. Podle testu OECD 301 B je požadováno, aby bylo úplně odbouráno 70% látky za 28 dní. V tab. 9.1 jsou uvedeny příklady biologické odbouratelnosti některých kapalin
58
tab. 9.1 Odbouratelnost vybraných hydraulických kapalin
úplná
minerální olej
PAO
syntetické estery
20 - 35%
30 - 70%
85 - 95%
biologická
odbouratelnost
přirozené estery (nenasycené estery)
> 95%
Pozn. při znečištění 3-4 g oleje na 1 kg půdy přežívají jen nejodolnější organismy a regenerace trvá několik let. Kromě rozložitelnosti se hodnotí také ekotoxicita. „Ekotoxicita je vlastnost látky, která, když je uvolněna, představuje okamžité nebo pozdní nebezpečí v důsledku zatížení životního prostředí biologickou akumulací nebo toxickými účinky na biotické systémy.“ [11] Stanovuje se následně: Akutní toxicita (lethal concentration) LC50 – udává za podmínek testu procentuální úhyn přítomných organismů - test 96 LC50 se provádí na rybách po dobu nejméně 96 hod., index u zkratky znamená procento úhynu z celkového množství pokusných organismů. Musí být větší než 100mg × l -1 . Účinná koncentrace (effective concentration) EC50 – při které dochází ke změnám v chování organismů – test 48 EC50 se provádí na perloočkách po dobu 48 hod. Musí být větší než
100mg × l -1 . Inhibiční koncentrace (inhibition concentration) IC50 – při které dochází k zastavení růstu organismů – test 72 IC50 se provádí na řasách po dobu 72 hod. Musí být větší než 100mg × l -1 . Podle výsledků testů ekotoxicity lze potom kapaliny rozdělit do čtyř tříd nebezpečnosti kapalin pro vodu (Wassergefährungklasse): WGK 0 – nejsou nebezpečné pro vodu WGK 1 – slabě nebezpečné pro vodu WGK 2 – středně nebezpečné pro vodu WGK 3 – silně nebezpečné pro vodu Ropné produkty jsou zařazeny do třídy WGK 2 a WGK 3. Pro organismy žijící ve vodě mohou být nebezpečné i netoxické kapaliny a to tím, že vytvoří na hladině film a brání tak rozpouštění vzdušného kyslíku ve vodě, případně mohou zablokovat dýchací orgány živočichů.
59
Dovolená koncentrace ropných látek v pitné vodě je dle ČSN 757111 0,05mg ×l -1 , což je maximálně 50 g na milion litrů vody. Podle zákona o chemických látkách, který je v souladu s nařízením Evropského parlamentu č. 1907/2006 o registraci, hodnocení, povolování a omezování chemických látek (tzv. REACH), musí mít každá chemická látka a tedy i pracovní kapaliny tzv. bezpečnostní list. Ten kromě fyzikálních vlastností, chemického složení atd. obsahuje i informace o toxicitě – působení na člověka a jiné organismy. Ekologické kapaliny V současné době se vyrábějí a používají tři hlavní skupiny biologicky rozložitelných kapalin, které se od sebe liší svým chemickým základem. Pro vylepšení vlastností se do kapalin přidávají přísady proti oxidaci, korozi, protioděrové apod. Rozdělení a značení ekologických kapalin je následující: HETG – rostlinné oleje (staré značení HTG) HEPG – polyglykoly (staré značení HPG) HEE – syntetické estery (staré značení HE) Kromě těchto tří nejpoužívanějších se vyskytují i kapaliny na jiné bázi s označením HX. V tab. 9.2 jsou uvedeny přibližné hodnoty vybraných vlastností ekologických kapalin. tab. 9.2 Vybrané vlastnosti ekologických kapalin
řepkový olej
polyglykol
syntetický olej
kin. viskozita při 40°C [mm2.s-1]
34
46
46,1
2. -1
kin. viskozita při 100°C [mm s ]
7,8
8,2
8,4
viskozitní index [ - ]
215
153
191
bod tuhnutí [°C]
– 35
– 51
– 58
bod vzplanutí [°C]
250
205
220
hustota [kg.m-3]
920
1100
920
Kapaliny HETG Jedná se o kapaliny na rostlinné bázi, přičemž nejpoužívanější je řepkový olej. Základové složky se vyrábějí
alkalickou rafinací a dělením surového řepkového oleje.
Řepkový olej je směs různých triglyceridů (odtud označení TG) vyšších nasycených i nenasycených mastných kyselin. Jedná se o látky silně polarizované s velmi dobrými 60
mazacími schopnostmi. Rovněž závislost viskozity na teplotě je příznivá – viskozitní index je obvykle vyšší než 200 a mají tak velmi dobré vlastnosti za nízkých teplot. Nejsou toxické a nedráždí pokožku, třída ohrožení vod je WGK 0, biologická rozložitelnost vyšší než 95%. Nevýhodou je menší oxidační stabilita. Teplotu systému je nutno udržovat pod 70°C. Při vyšší teplotě dochází k rychlé degradaci oleje a zvýšenému vzniku pryskyřic a kalů, což může vést k zalepení některých částí systémů. Uvádí se, že životnost těchto kapalin je asi 2000 provozních hodin, dalším vývojem a úpravami však byla životnost některých kapalin prodloužena až na 5000 hodin. Vlastnosti rostlinných olejů je možno vylepšit aditivy. Tím se ale zhoršují ekologické vlastnosti a zvyšuje se jejich cena, které může být až čtyřnásobkem ceny minerálních olejů. Kapaliny HEPG Jedná se o polyglykoly, které byly uvedeny již ve skupině těžce zápalných kapalin. Pokud se u nich nevyžaduje nehořlavost, sníží se podíl vody na minimum, protože voda zhoršuje jeho vlastnosti. Polyglykoly mají příznivý průběh viskozity v závislosti na teplotě, dobrou tekutost za nízkých teplot a výbornou termooxidační stálost. Vzhledem k vyšší viskozitě a hustotě vznikají větší tlakové ztráty především za nízkých teplot. Třída ohrožení vod je WGK 0, biologická odbouratelnost 30% - 90%. Jsou rozpustné ve vodě, ale nejsou mísitelné s minerálními oleji ani kapalinami HETG a HEE. Kapaliny HEE Většinou jsou to kapaliny na bázi syntetických esterů, ale do této skupiny bývají řazeny i tzv. chemicky modifikované rostlinné oleje. Mají příznivý průběh viskozity v závislosti na teplotě, výborné nízkoteplotní vlastnosti, velmi dobrou mazací schopnost a dobrou termooxidační stálost. Vlastnosti lze upravovat aditivi, zejména antioxidanty. Nepůsobí korozívně a k jejich těsnění je možno použít stejné materiály jako pro minerální oleje. Nejsou toxické, třída ohrožení vod WGK 0 a biologická odbouratelnost je až 95%. Jsou mísitelné s HTG, ale neslučitelné s vodou. Přes výborné vlastnosti nejsou příliš rozšířené, protože jsou poměrně drahé.
61
Literatura [1]
Frauenstein, M.: Hinweise über Druckflüssigkeiten für Konstrukteure. Mobil Oil A.G. Deutschland
[2]
Grinč, L.: Pracovné kvapaliny pre hydraulické systémy – Druhy, filtrácia a ekologické aspekty. Žilina: VŠDS v Žilině. 1994. 151 s. ISBN 80-2100-234-7
[3]
Janalík, J.: Potrubní hydraulická a pneumatická doprava. [online]. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2002. Dostupné z: < http://www.338.vsb.cz/studium9.htm > Cit. 11.9.2009
[4]
Kolektiv autorů: Hydraulické kapaliny, filtrace a údržba. Ostrava: Dům techniky Ostrava, spol. s r.o. 1993. 113 s.
[5]
Kopáček, J.: Hydrostatické převodové mechanismy. Praha: SNTL Praha. 1986. 272 s.
[6]
Kopáček, J.: Posouzení použití hydraulických rotačních pohonů s provozní kapalinou typu HFA v hlubinných dolech. Dílčí zpráva projektu FI-IM5/221 – Výzkum a vývoj hydraulického pohonu určeného do prostředí s mimořádnými nároky na bezpečnost, hygienu a ekologii
[7]
Kopáček, J.; Žáček, M: Stlačený vzduch jako konstrukční prvek pneumatických mechanizmů. Hydraulika a pneumatika, 2003, roč.4, č.2, s.20-22. ISSN 1335-5171
[8]
Kříž. P.: Oleje pro nejnáročnější hydraulické systémy. MM Průmyslové spektrum [online]. Dostupné
z
<
http://www.mmspektrum.com/clanek/oleje-pro-nejnarocnejsi-hydraulicke-
systemy >. Citováno 11.9.2009 [9]
Kučera, M. Rousek, M.: Objemové zmeny materiálov tesniacich prvkov v ekologicky priaznivejších hydraulických olejoch. Hydraulika a pneumatika. 1-2/2006. s. 50 – 55. ISSN 1336-7536
[10] Kolektiv autorů: Mechanika tekutin – příručka pro měření. Ostrava: VŠB-TU Ostrava. 1987. 154 s. [11] Ministerstvo životního prostředí ČR: Směrnice č.15 – Hydraulické kapaliny [12] Noskievič, J. a kol.: Kavitace v hydraulických strojích a zařízeních. Praha: SNTL Praha. 1990. 336 s. ISBN 80-03-00206-0 [13] Pavlok, B: Hydraulické prvky a systémy – díl 1. Kapaliny v hydraulických mechanismech, Hydrostatické převodníky. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2001. 156 s. ISBN 80-7078-620-5 [14] Pyknometr. [online] Dostupné z:
. Citováno 11.9.2009 [15] Viscosity index. [online] Dostupné z: http://www.noria.com/learning_center/category_ article.asp?articleid =411&relatedbookgroup=OilAnalysis >. Citováno 11.9.2009 [16] Viskozitní index – laboratorní cvičení. [online] Dostupné z: .Citováno 11.9.2009
62
