Verfahren zum Betreiben von Hydraulikanlagen mit Flüssigkeiten auf der Basis von Glykolen

Abstract

 Bei diesem Verfahren wird die Hydraulikflüssigkeit im Vorratsbehälter der Hydraulikanlage unter einem Inertgas-­Überdruck gehalten. Als Hydraulikflüssigkeit können Glykole oder Glykol-Wasser-Mischungen eingesetzt werden. Mit dem neuen Verfahren wird eine unerwartet hohe Stabi­lisierung von Glykolen und Glykol-Wasser-Mischungen er­reicht, womit der Einsatz dieser hydraulischen Flüssig­keiten auch bei relativ hohen Betriebstemperaturen mög­lich ist. Ein besonderer Vorteil des neuen Verfahrens liegt darin, daß es den Ersatz der nicht unproblemtischen HFD-Flüssigkeiten durch HFC-Flüssigkeiten ermöglicht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Hydraulikanlagen mit einer Hydraulikflüssigkeit auf der Basis von Glykolen.

[0002] Die wesentlichen Teile von Anlagen zur hydraulischen Kraftübertragung (Hydraulikanlagen) sind bekanntlich die Hydraulikpumpe zur Förderung der Hydraulikflüssig­keit unter Erzeugung eines hydraulischen Druckes, die mit der Hydraulikflüssigkeit und/oder mit hydraulischem Druck zu versorgende Einrichtung, beispielsweise ein zu schmierendes Gleitlager oder ein Arbeitszylinder oder Hydromotor zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, das Leitungssystem, in dem die hy­draulische Flüssigkeit von der Pumpe zur genannten Ein­richtung und wieder zurück zur Pumpe fließt (Kreislauf­system) und der Vorratsbehälter für die Hydraulikflüssig­keit. Dieser Vorratsbehälter befindet sich im Kreislauf­system und ist nach außen offen, das heißt, im Behälter herrscht Atmosphärendruck, also kein (kein nennenswerter) Überdruck oder Unterdruck. Das im Vorrats- oder Flüssig­keitsbehälter befindliche Flüssigkeitsvolumen beträgt in der Regel das Zwei- bis Dreifache der minütlichen Förder­menge der Hydraulikpumpe. Der Behälter ist ferner so groß, daß oberhalb des Flüssigkeitsspiegels ein mehr oder weni­ger großer (freier) Raum vorliegt. Bei den bekannten Hy­draulikanlagen mit Vorratsbehälter sind diese Behälter, die eine Reihe von zweckmäßigen und vorteilhaften Einrichtungen enthalten, wie oben bereits erwähnt worden ist, nach außen offen; dies wird durch irgendeine Öffnung, beispielsweise im Deckel des Behälters, durch eine eigene Entlüftungseinrichtung und dergleichen erreicht.

[0003] Als Hydraulikflüssigkeiten auf der Basis von Glykolen werden im Rahmen der Erfindung Glykole oder Abmischungen von Glykolen mit Wasser verstanden.
Glykole (stabilisiert mit Korrosionsinhibitoren, Anti-­oxidantien, Verschleißinhibitoren und weiteren zweckmäßi­gen Additiven) als Hydraulikflüssigkeit werden beispiels­weise zur Schmierung von hydrostatischen Gleitlagern ein­gesetzt. Glykol-Wasser-Mischungen (Lösungen) zählen zu den schwer entflammbaren Hydraulikflüssigkeiten. Diese Flüssigkeiten werden gemäß internationaler Vereinbarungen (vgl. bei­spielsweise DIN 51 502) in die vier Gruppen A, B, C und D eingeteilt und mit HFA, HFB, HFC und HFD bezeichnet (in der Bezeichnung HF steht das "H" für Hydraulikflüssigkeit und das "F" für fire resistant).

[0004] HFA-Flüssigkeiten sind Öl-in-Wasser-Emulsionen mit einem Ölanteil von höchstens 20 %. Der zulässige Anwendungstem­peraturbereich liegt zwischen +5 und +55 °C.
HFB-Flüssigkeiten sind Wasser-in-Öl-Emulsionen mit einem Ölanteil von höchstens 60 %. Sie sind für Betriebstempe­raturen zwischen +5 und +60 °C zugelassen.
HFC-Flüssigkeiten sind wäßrige, additivhaltige Polymer­lösungen mit mindestens 35 % Wasser. Als HFC-Flüssigkei­ten werden in der Regel Glykol-Wasser-Mischungen (Lösun­gen) mit den obengenannten Additiven verstanden. Sie sind für Temperaturen von -20 bis +60 °C einsetzbar.
HFD-Flüssigkeiten sind wasserfreie synthetische Produkte, die aus hochsiedenden, oxidationsstabilen, additivhaltigen Flüssigkeiten bestehen und von -20 bis +150 °C eingesetzt werden können. Als HFD-Flüssigkeiten werden in der Regel Phosphorsäureester und chlorierte Kohlenwasserstoffe so­wie Mischungen davon verstanden.

[0005] Bei Hydraulikanlagen mit einer schwer entflammbaren Hydraulikflüssigkeit, in denen Temperaturen von über 60 °C auftreten, werden demnach zur Zeit HFD-Flüssigkei­ten eingesetzt. Diese Hydraulikflüssigkeiten weisen aber eine Reihe von Nachteilen auf. Die Phosphorsäureester lassen insbesondere bezüglich Schwerentflammbarkeit zu wünschen übrig. Die chlorierten Kohlenwasserstoffe, das sind polychlorierte Biphenyle (PCB), sind aufgrund neue­ster Erkenntnisse insbesondere im Hinblick auf ökologi­sche Gesichtspunkte problematisch. Die HFD-Flüssigkeiten lassen auch hinsichtlich Viskosität-Temperaturverhalten zu wünschen übrig. Nachdem die HFC-Flüssigkeiten (Glykol-­Wasser-Mischungen) eine ausreichende Schwerentflammbar­keit aufweisen, ökologisch nahezu problemlos sind und auch die wichtigen Eigenschaften wie Viskosität-Tempera­turverhalten, Gummi- und Elastomerverhalten, Metallver­träglichkeit (Korrosionsverhalten) und dergleichen erfül­len, besteht ein großes Bedürfnis danach, Glykol-Wasser-­Mischungen als Ersatz für HFD-Flüssigkeiten einsetzen zu können. Dies setzt allerdings voraus, daß diese Mi­schungen auch Temperaturen von mehr als 60 °C standhalten und bei diesen Temperaturen betriebsfähig sind.

[0006] Bei Hydraulikanlagen mit Glykolen als Hydraulikflüssig­keit treten unter Umständen besonders hohe Temperaturen auf, wodurch die Stabilität und Lebensdauer der einge­setzten Glykole besonders stark beeinträchtigt werden. So kann das Glykol bei der oben erwähnten hydrostatischen Gleitlagerschmierung auf eine derart hohe Temperatur er­hitzt werden, daß der Einsatz von Glykol aus mehreren Gründen bereits problematisch erscheint.

[0007] Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, eine Lösung dafür vorzuschlagen, daß Flüssigkeiten auf der Basis von Glykolen auch bei erhöhten Temperaturen als Hydraulikflüssigkeiten eingesetzt werden können und da­bei keine wesentliche Beeinträchtigung ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften und ihrer betriebs­technischen Funktionen erleiden. Die Aufgabe der Erfin­dung besteht insbesondere darin, eine Lösung dafür vor­zuschlagen, daß die schwer entflammbaren Hydraulikflüssig­keiten vom Typ Glykol-Wasser auch bei Temperaturen bis zu etwa 100 °C angewendet werden können.

[0008] Es wurde überraschenderweise gefunden, daß man Flüssig­keiten, die im wesentlichen aus Glykolen oder aus Glykol-­Wasser-Mischungen bestehen, dann auch bei hohen Tempera­turen als hydraulische Flüssigkeiten verwenden kann, wenn man das Glykol beziehungsweise die Glykol-Wasser-Mischung mit einem Inertgas beaufschlagt, so daß ein dauernder Inertgas-Überdruck vorliegt.

[0009] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben von Hydrau­likanlagen mit einer Hydraulikflüssigkeit auf der Basis von Glykolen ist demnach dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikflüssigkeit (das ist das Glykol oder die Glykol-­Wasser-Mischung) im Vorratsbehälter der Hydraulikanlage unter einem Inertgas-Überdruck gehalten wird.

[0010] Der Vorratsbehälter ist also erfindungsgemäß nach außen verschlossen, aus Sicherheitsgründen beispielsweise mit Hilfe eines Überdruckventils. Der über dem Flüssigkeits­spiegel befindliche freie Raum des Vorratsbehälters wird erfindungsgemäß mit einem Inertgas beaufschlagt und es wird ein Überdruck an dem eingesetzten Inertgas gehalten. Der Überdruck liegt erfindungsgemäß im Bereich von 0,01 bis 10 bar, vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 1 bar. Als geeignete Inertgase seien Argon, Helium und Stick­stoff genannt; Stickstoff ist aus Zweckmäßigkeitsgründen bevorzugt.

[0011] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auch bei hohen Temperaturen eine überraschend gute Stabilisierung von Glykolen oder Glykol-Wasser-Mischungen erreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vor allem für den Bereich der schwer entflammbaren hydraulischen Flüssigkeiten ge­dacht. Mit dem neuen Verfahren ist es möglich, überall dort, wo bisher HFD-Flüssigkeiten eingesetzt werden mußten, HFC-Flüssigkeiten auf der Basis von Glykol und Wasser einzusetzen. Glykol-Wasser-Lösungen, die derzeit nur bis zu 60 °C einsetzbar sind, können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bis zu etwa 100 °C störungs­frei zum Betrieb eingesetzt werden, das heißt, ohne Ver­lust ihrer geschätzten vorteilhaften chemischen und physikalischen Eigenschaften. Dies ist ein völlig uner­wartetetes Ergebnis, zumal insbesondere zu befürchten gewesen ist, daß bei Verwendung der in Rede stehenden HFC-Flüssigkeiten bei einer Temperatur von mehr als 60 °C beträchtliche Funktionsstörungen auftreten würden, ver­ursacht insbesondere durch Oxidation und tribochemische Veränderungen. Es war überraschend, daß weder oxidative noch tribochemische Veränderungen auftraten; die Flüssigkeiten behielten vielmehr ihre funktionsentscheidenden Merkmale bei, das heißt, ihr Korrosionsverhalten, Verschleißver­halten, Viskosität-Temperaturverhalten, ihren pH-Wert und ihre Reservealkalität.

[0012] Unter Glykol wird im Rahmen der Erfindung eine Hydraulik­flüssigkeit verstanden, die im wesentlichen aus Glkyol besteht (Glykol ist die Hauptkomponente) und mit den üblichen Additiven versehen ist. Derartige Flüssigkeiten werden, wie oben bereits erwähnt worden ist, zur Schmie­rung von Gleitlagern eingesetzt.
Unter den Ausdrücken Glykol-Wasser-Mischungen und Glykol-­Wasser-Lösungen werden im Rahmen der Erfindung die nach internationalen Vereinbarungen definierten HFC-Flüssig­keiten auf der Basis von Glykolen und Wasser verstanden. Definitionsgemäß enthalten sie neben Glykol und Wasser als den Hauptkomponenten Korrosionsinhibitoren, Verschleiß­inhibitoren, Oxidationsinhibitoren, pH-Wert-Stabilisatoren und weitere zweckmäßige Additive.
Unter Glykol werden die monomeren oder polymeren Glykol­verbindungen des Ethylenoxids und Propylenoxids verstan­den. Der Ausdruck Glykol umfaßt demnach Monoethylenglykol, Diethylenglykol, Monopropylenglykol, Dipropylenglykol und Polyalkylenglykole aus Ethylenoxid und/oder Propylenoxid.

[0013] Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung und an Beispielen noch näher erläutert.

[0014] Fig. 1 der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine Hydraulikanlage, bei der ein Arbeitszylinder als arrbeitsleistende Einrichtung mit einer HFC-Flüssigkeit vom Typ Glykol-Wasser betrieben wird.
Fig. 2 zeigt in schematischher Darstellung eine Hydraulik­anlage, bei der ein Gleitlager mit Glykol geschmiert wird (hydrostatische Gleitlagerschmierung).
In Fig. 1 enthält der Vorratsbehälter 1 Glykol-Wasser-­Flüssigkeit 2. Der über der Flüssigkeit 2 befindliche freie Raum 3 ist mit Stickstoffgas 4 beaufschlagt, wobei ein Stickstoff-Überdruck aufrechterhalten wird. Das Stick­stoffgas 4 ist über die Leitung 5 mit dem Ventil 6 in den Raum 3 gebracht worden. Das Manometer 7 dient zur Ein­stellung und Kontrolle des Stickstoff-Druckes. Das Vor­ratsgefäß 1 steht mit dem kreisförmigen Leitungssystem 8 und der Pumpe 9 in Verbindung. Die Pumpe 9 fördert die hydraulische Flüssigkeit 2 unter Steuerung mit dem Steuer­ventil 10 zur arbeitsleistenden Einrichtung in Form eines Arbeitszylinders 11 und wieder zurück zum Behälter 1.

[0015] In Fig. 2 enthhält der Vorratsbehälter 12 ein Polypropylen­glykol 13 als hydraulische Flüssigkeit (Schmiermittel).

[0016] Der über der Flüssigkeeit 13 befindliche freie Raum 14 ist mit Stickstoffgas 15 beaufschlagt, wobei ein Stickstoff-­Überdruck aufrechterhalten wird. Das Stickstoffgas 15 ist über die Leitung 16 mit dem Ventil 17 in den Raum 14 ge­bracht worden. Das Manometer 18 dient zur Einstellung und Kontrolle des Stickstoffdruckes. Der Vorratsbehälter 12 ist mit dem kreisförmigen Leitungssystem 19 und der Pumpe 20 verbunden. Die Pumpe 20 fördert das Schmier­mittel 13 zum Gleitlager 21 und zurück zum Behälter 12.

Beispiel 1

[0017] In einer Anlage gemäß vorliegender Fig. 1 wurde eine HFC-Flüssigkeit der nachstehenden Art eingesetzt:
45 Gew.-% Wasser
30 Gew.-% Monoethylenglykol
20 Gew.-% Polyethylen-propylenglykol mit einer mittleren Molmasse von 30 000
5 Gew.-% Additive.

[0018] Die Hydraulikanlage wurde 1000 Stunden langbei einer Tem­peratur von 95 °C und einer Druckdifferenz von 105 bar be­trieben, das heißt, die oben angegebene HFC-Flüssigkeit hatte während des Betriebes eine Temperatur von 95 °C. Im freien Raum des Vorratsbehälters, das ist der Raum ober­halb des Flüssigkeitsspiegels, wurde ein Stickstoff-­Überdruck von 0,3 bar aufrechterhalten (der Raum über dem Flüssigkeitspiegel beträgt in der Regel etwa 5 bis 30 %, bezogen auf das Volumen des Behälters).

Vergleichsbeispiel

[0019] Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei jedoch die Anlage nicht unter einem Stickstoffdruck gehalten wurde, sondern unter dem bei 95 °C sich einstellenden Druck, der aus der Glykol-Wasser-Lösung und der im freien Raum des Vorrats­behälters befindlichen Atmosphäre resultierte. Dieser Druck betrug 0,2 bar.

[0020] Ergebnis des Beispiels 1 und des Vergleichsbeispiels:
Beim Beispiel 1 traten keinerlei Störungen auf. Die Werte wichtiger chemischer und physikalischer Eigenschaften der eingesetzten HFC-Flüssigkeit blieben erhalten. Im Gegensatz dazu wies die Flüssigkeit nach Durchführung des Vergleichsbeispiels Eigenschaftswerte auf, die be­trächtlich unter den geforderten lagen; offensichtlich hatte das Glykol bei der Durchführung des Vergleichs­beispiels beträchtliche thermische Zersetzungen er­fahren.
In der nachstehenden Tabelle sind die Ergebnisse zusammen­gefaßt. Die Tabelle enthält die Werte von vier wichtigen chemischen und physikalischen Eigenschaften der einge­setzten Glykol-Wasser-Mischung, und zwar vor ihrem Ein­satz (ungebrauchter Zustand), nach Durchführung des Bei­spiels 1 und nach Durchführung des Vergleichsbeispiels. Die vier Eigenschaften sind:

(1) Viskosität bei 20 °C(mm²/s)

(2) Viskosität bei 40 °C(mm²/s)

(3) pH-Wert

(4) Reservealkalität (ml 0,1 normale Salzsäure pro 10 g Probe).

Beispiel 2

[0021] In einer Hydraulikanlage gemäß vorliegender Fig. 2 wurde ein übliches Polypropylenglykol als Flüssigkeit zur Schmierung des Gleitlagers eingesetzt. Der Raum des Vorratsbehälters oberhalb des Flüssigkeitsspiegels wurde mit Stickstoff beaufschlagt und es wurde ein Stickstoff-­Überdruck von 0,8 bar gehalten. Während des Betriebes erreichte die Flüssigkeit eine Temperatur von 180 °C. Es zeigte sich, daß die Eigenschaften des Polypropylen­glykols trotz dieser hohen Temperatur weitgehend erhal­ten blieben, daß also thermische Zersetzung weitgehend zurückgehalten werden konnte. Die Messung der Viskosität bei 98,9 °C in mm²/s (Eigenschaft 1), des pH-Wertes (Eigenschaft 2) und der Säurezahl in mg KOH/g Probe (Eigenschaft 3) beim eingesetzten Polypropylenglykol (ungebrauchtes Polypropylenglykol) und beim Polypropylen­glykol nach der Durchführung des Beispiels 2 ergab die nachstehenden Werte:

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also eine über­raschend hohe Stabilisierung von Glykolen und Glykol-­Wasser-Lösungen erreicht. Dies macht es möglich - und das ist ein besonders großer Vorteil des erfindungsge­mäßen Verfahrens - HFC-Flüssigkeiten vom Typ Wasser-­Glykol anstelle von HFD-Flüssigkeiten einzusetzen, bei­spielsweise im Bergbau, wo ein besonders großes Be­dürfnis nach einem solchen Ersatz vorliegt, wegen der toxikologischen und ökologischen Problematik von HFD-Flüssigkeiten.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben von Hydraulikanlagen mit einer Hydraulikflüssigkeit auf der Basis von Glyko­len, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikflüs­sigkeit im Vorratsbehälter der Hydraulikanlage unter einem Inertgas-Überdruck gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Inertgas-Überdruck von 0,01 bis 10 bar gehal­ten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Inertgas-Überdruck von 0,1 bis 1 bar gehal­ten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas Stickstoff eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Hydraulik­flüssigkeit Glykole eingesetzt werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Hydraulik­flüssigkeit Glykol-Wasser-Mischungen eingesetzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hydraulikflüssigkeit eine Glykol-Wasser-­Mischung mit mindestens 35 Gew.-% Wasser und als Inertgas Stickstoff eingesetzt werden und ein Inertgas-Überdruck von 0,01 bis 10 bar gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Inertgas-Überdruck von 0,1 bis 1 bar gehal­ten wird.

Zeichnung