De meeste lezers van deze column weten dat de viscositeit van een hydraulische vloeistof op koolwaterstofbasis omgekeerd evenredig is met de temperatuur. Naarmate de temperatuur stijgt, daalt de viscositeit van de vloeistof en omgekeerd. Dit is om verschillende redenen geen ideale situatie. In feite zou de ideale hydraulische vloeistof een viscositeitsindex (de verandering in de viscositeit van een vloeistof ten opzichte van de temperatuur) hebben die wordt weergegeven door een horizontale lijn die de Y-as snijdt bij 25 centiStokes.

Deze temperatuur-viscositeit toont aan dat een ideale hydraulische vloeistof geen verandering in viscositeit zou vertonen, ongeacht de temperatuur.

Een dergelijke vloeistof bestaat helaas niet voor de efficiëntie en de levensduur van hydraulische machines. En het is onwaarschijnlijk dat zo’n vloeistof nog in mijn leven wordt ontwikkeld. Maar als zo’n vloeistof zou worden ontwikkeld en gepatenteerd, zou de maker ervan de sleutel tot een goudmijn in handen hebben. Op dit moment hebben we multi-grade hydraulische olie. Deze vloeistoffen hebben een hoge viscositeitsindex, zodat hun viscositeit minder gevoelig is voor temperatuursveranderingen dan een monograde olie.

Onbedoelde Gevolgen

De viscositeit van de vloeistof is een van de factoren die bepalen of volledige-filmsmering wordt bereikt en gehandhaafd. Als de belasting en de oppervlaktesnelheid constant blijven, maar de verhoogde bedrijfstemperatuur veroorzaakt dat de viscositeit onder die daalt die vereist is om een hydrodynamische film te handhaven, treedt grenssmering op; dit creëert de mogelijkheid van wrijving en adhesieve slijtage.

Aan de andere kant is er een viscositeitsgebied waar de vloeistofwrijving, de mechanische wrijving, en de volumetrische verliezen optimaal zijn voor de prestaties van het hydraulische systeem. Dit is het viscositeitsgebied waar het hydraulisch systeem het meest efficiënt zal werken: de hoogste verhouding tussen het uitgangsvermogen en het ingangsvermogen.

Om het bovenstaande punt te illustreren, bekijk dit voorbeeld: In zijn streven naar een beter brandstofverbruik heeft de fabrikant van een mobiele hydraulische machine met motoraandrijving zijn pomp met vaste cilinderinhoud die het aanbouwdeel van de machine aandrijft, vervangen door een pomp met variabele cilinderinhoud. De grondaandrijving van de machine maakte reeds gebruik van een zuigerpomp met variabele cilinderinhoud (hydrostatische transmissie), zodat het upgraden van het hydraulische circuit van het aanbouwdeel naar een efficiëntere configuratie een logische stap leek voor de ontwerpingenieurs van de machine.

Toen deze wijziging werd getest, stelden de ingenieurs tot hun ontzetting vast dat het brandstofverbruik in feite met 12 tot 15% was toegenomen! Na analyse werd de stijging van het brandstofverbruik toegeschreven aan een toename van de olieviscositeit, veroorzaakt door een daling van de bedrijfstemperatuur van de olie met 30°C. Met andere woorden, de “dikkere” olie had geleid tot extra weerstand op de hydrostatische transmissie die de grondaandrijving aandrijft, waardoor de machine meer brandstof verbruikte.

De machine gebruikte een uit twee delen bestaande, gecombineerde warmtewisselaar voor zowel de hydraulische olie als de motorkoelvloeistof. De motorkoeling werd verbeterd door een thermostatisch geregelde hydraulische ventilatoraandrijving op basis van de motorkoelvloeistoftemperatuur. De oliekoeler was berekend op de originele hydraulische pomp met vaste cilinderinhoud.

Het nadeel van deze opstelling is dat, doordat de motorkoeling thermostatisch wordt geregeld en het hydraulische systeem niet, de luchtstroom door de gecombineerde warmtewisselaar volledig afhankelijk is van de motortemperatuur. Dit betekent dat de vermindering van de warmtebelasting door het vervangen van de pomp met vaste cilinderinhoud door een pomp met variabele cilinderinhoud resulteerde in een aanzienlijke verlaging van de temperatuur van de hydraulische olie – wat normaal een goede zaak is!

De ingenieurs blokkeerden het grootste deel van de hydraulische oliesectie van de koeler en voerden de test opnieuw uit. Dit bracht het brandstofverbruik terug op het oorspronkelijke niveau, maar er werd geen significante verbetering gezien.

De conclusie was dat de geteste modificatie een kleine kostenbesparing kon opleveren met betrekking tot een verkleining van de oliekoeler. Maar omdat het brandstofverbruik belangrijker was dan een bescheiden besparing op de koelcapaciteit, was het idee om meer te betalen voor een pomp die de olie op een lagere bedrijfstemperatuur hield, maar het brandstofverbruik deed toenemen, onverzoenlijk voor de ingenieurs van de machine.

Les

Dit verhaal illustreert de invloed die de temperatuur van de hydraulische olie (en dus de viscositeit) kan hebben op het brandstofverbruik. Om de belangrijkste punten samen te vatten:

• De warmtebelasting van het hydraulische systeem werd verminderd (efficiëntie verhoogd) door een vaste pomp te vervangen door een eenheid met variabel slagvolume;
• Dit resulteerde in een aanzienlijke daling van de bedrijfstemperatuur van de hydraulische olie;
• De resulterende toename van de viscositeit van de hydraulische olie deed het brandstofverbruik met een aanzienlijk bedrag toenemen.

Met andere woorden, als uw hydraulische olie te dik is, betaalt u ervoor bij de brandstofpomp of de elektriciteitsmeter. De waarschuwende keerzijde hiervan is echter, dat als uw olie te dun is, u ervoor zult betalen in de reparatiewerkplaats.

Aannemende dat deze proef bij dezelfde omgevingstemperatuur voor beide pompopties werd uitgevoerd, is een daling van 30° C (54° F) in hydraulische olietemperatuur vrij opmerkelijk. Dit kan gedeeltelijk worden verklaard door de combinatiewarmtewisselaar die op de machine is geïnstalleerd. Naarmate de viscositeit van de hydraulische olie toeneemt, werkt de motor harder (verbrandt meer brandstof), zodat de koelventilator (die door de motortemperatuur wordt geregeld) harder draait. Dit betekent dat er meer warmte wordt afgevoerd uit de hydraulische olie en dat de viscositeit van de hydraulische olie dus verder toeneemt. Het is een viskeuze cirkel.

Een ander punt uit dit verhaal – dat van belang is voor machineontwerpers en de mensen die hun machines kopen – is dat de meeste ontwerpers de olie niet behandelen als het belangrijkste onderdeel van het hydraulische systeem dat het is. De viscositeit van de hydraulische olie, de viscositeitsindex, of het optimale viscositeitsgetal voor de hydraulische componenten in het systeem werden blijkbaar niet in aanmerking genomen tijdens de test. Dit doet vermoeden dat het normale brandstofverbruik van de machine slechts een gelukkig toeval was.

Zelfs na te hebben ontdekt dat het brandstofverbruik toeneemt met de olieviscositeit, en hoewel de mogelijkheid om de geïnstalleerde koelcapaciteit te verminderen werd erkend en overwogen, werd blijkbaar niet overwogen om de viscositeit van de olie te wijzigen om deze aan te passen aan het hogere rendement (dus lagere bedrijfstemperatuur) van het systeem. Had men de efficiëntere pomp met de bestaande koelcapaciteit gekoppeld aan een vloeistof met een geschikte viscositeit, dan zou het brandstofverbruik van de machine waarschijnlijk superieur zijn geweest aan dat van het oorspronkelijke systeem.

Met andere woorden, de ontwerpers van de machine hebben niet naar behoren rekening gehouden met alle vier de zijden van wat ik noem De Ruit van Vermogensefficiëntie van een hydraulische machine.

De Ruit van Vermogensefficiëntie

Mogensefficiëntie betekent de verhouding tussen uitgaand vermogen en ingaand vermogen. Negentig kW uit 100 kW in is een rendement van 90%. 90 kW uit 110 kW in is een rendement van 82%. En 90 kW uit bij 120 kW in is een rendement van 75%. Merk op dat in alle drie de gevallen het uitgangsvermogen hetzelfde blijft: 90 kW. Het ingangsvermogen – en dus het brandstof- of elektriciteitsverbruik van de prime mover die nodig is om het vermogen te leveren – blijft maar toenemen!

De kwadranten van de vermogensefficiëntiediamant van een hydraulische machine hangen allemaal met elkaar samen. De vier zijden van de Power Efficiency Diamond van een hydraulische machine hangen onderling samen; wijzig er een, en de symmetrie van de diamant wordt beïnvloed.

Designed Efficiency weerspiegelt de “eigen” efficiëntie van de voor het systeem gekozen hardware. Deze hardware omvat het aantal aanwezige energieverspillende voorzieningen, zoals proportionele kleppen, debietregelaars en drukreducerende kleppen. Het omvat ook verliezen die “ontworpen” zijn door de afmetingen en configuratie van alle noodzakelijke geleiders: leidingen, slangen, fittingen, en verdeelleidingen.

Aan de andere kant van de diamant zou de geïnstalleerde koelcapaciteit, als een percentage van het continue ingangsvermogen, de ontworpen of eigen efficiëntie van het hydraulische systeem moeten weergeven. Met andere woorden, hoe lager het eigen rendement, hoe groter de geïnstalleerde koelcapaciteit.

Naast de geïnstalleerde koelcapaciteit staat de omgevingsluchttemperatuur waarin de hydraulische machine werkt. Deze beïnvloedt rechtstreeks de bedrijfstemperatuur van de olie van het hydraulisch systeem, die in grote mate de viscositeit van de olie bepaalt, en zo de vermogensefficiëntiediamant vervolledigt.

Een machineontwerper heeft geen controle over de temperatuur van de omgevingslucht – hoewel ze wel moet weten wat dit bereik is. Maar zij bepaalt wel (of zou dat tenminste moeten doen) de andere drie variabelen: ontwerprendement, geïnstalleerde koelcapaciteit, en olieviscositeit. Zoals de grafische voorstelling van de Power Efficiency Diamond illustreert (en de bovenstaande casestudie aantoont), kan geen van deze variabelen afzonderlijk worden beschouwd.

Kijkend naar de Power Efficiency Diamond vanuit het perspectief van een machine-eigenaar, is het nuttig om te begrijpen dat zelfs nadat de machine is ontworpen, gebouwd en gevuld met olie, de ontwerpefficiëntie, de geïnstalleerde koelcapaciteit en de omgevingsluchttemperatuur bewegende doelen zijn – bewegende doelen die van invloed zijn op de viscositeit van de bedrijfsolie en dus op het stroomverbruik.

De mogelijkheid van variatie in de omgevingsluchttemperatuur, vooral als de machine wordt verplaatst tussen locaties met verschillende klimatologische omstandigheden, is tamelijk voor de hand liggend. En hoewel de ontwerpefficiëntie niet varieert, gaat de werkelijke bedrijfsefficiëntie na verloop van tijd gewoonlijk achteruit door slijtage. Hoewel de geïnstalleerde koelcapaciteit als percentage van het ingangsvermogen in de loop der tijd niet verandert, kan de doeltreffendheid ervan wel afnemen door slijtage van de onderdelen van het koelcircuit en – in het geval van luchtstraal-warmtewisselaars – door variaties in de omgevingsluchttemperatuur en de hoogte.

Om een hydraulische machine in de “sweet spot” van haar vermogensefficiëntie te krijgen, is dus een doordacht ontwerp nodig. Om hem daar te houden, moeten veranderingen in de afhankelijke variabelen tot een minimum worden beperkt. In beide gevallen kan The Power Efficiency Diamond nuttig zijn voor zowel machineontwerpers als eigenaars van hydraulische apparatuur bij het begrijpen van de taak die voor ons ligt.

Brendan Casey heeft meer dan 26 jaar ervaring in onderhoud, reparatie en revisie van mobiele en industriële hydraulische apparatuur. Voor meer informatie over het verlagen van de bedrijfskosten en het verhogen van de uptime van uw hydraulische apparatuur, bezoekt u zijn website op www.HydraulicSupermarket.com.