Untersuchung der Partikelabscheidung aus Ölen in Offen-Gradient-Magnetabscheidern

Kurzfassung
Verunreinigungen in Schmier- und Hydraulikölen in Form von Partikeln sind maßgeblich für den Verschleiß von Bauteilen und die dadurch hervorgerufenen Störungen und Ausfälle verantwortlich. Bereits geringe Mengen von harten Partikeln im Schmieröl können die Lebensdauer von Wälzlagern, Zahnrädern, Dichtungen und anderen Maschinenelementen negativ beeinflussen. Hinzu kommen Partikeln die als Abrieb während des Betriebs entstehen und deren Entstehung nicht verhindert werden kann. Auch Reste von Schleifgut oder Sand, sind trotz einer sorgfältigen Reinigung vor der Montage, sehr häufig in den Ölkreisläufen zu finden. Ein Gehalt von Partikeln unbekannter Anzahl, Art oder Härte ist auch beim Frischöl nicht auszuschließen. Eine fortlaufende Partikelabscheidung im Sinne einer Ölpflege ist notwendig, um die Laufzeiten vieler Maschinen und Anlagen zu steigern. Dadurch werden Störungen vermieden und die mögliche Auslastung der Anlagen erhöht.
In dieser Arbeit wurde die Magnetseparation als Reinigungsverfahren für Schmierstoffe und damit Fluiden höherer Viskosität vorgestellt. Die Schmierstoffreinigung mittels Offen-Gradient-Magnetabscheidung wurde näher untersucht. Hierzu wurden neuartige Magnetabscheider entwickelt sowie experimentell und theoretisch untersucht. Es wurden Experimente zum Abscheideverhalten hinsichtlich der Partikelgröße und den magnetischen Eigenschaften der Partikeln durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass sich das Abscheideverhalten mit zunehmender Partikelgröße und Partikelmagnetisierung verbessert. Mit zunehmender Viskosität des Öls und sinkender Verweilzeit des Partikels im Abscheider verschlechtert sich der Partikelabscheidegrad.
Weiterhin wurden Untersuchungen zu Einbauten an den Abscheideflächen, Strömungsmanipulatoren und dem Abstand zwischen den Magneten durchgeführt.
Es wurden verschiedene Einbauten, in Form von Lochblechen und Metallgeweben, die an den Abscheideflächen positioniert wurden, untersucht. Durch die Umlenkung der Feldlinien an den Löchern der Lochbleche entstehen große Gradienten der Feldstärke, die für die Partikelabscheidung ausschlaggebend sind. Es konnte mithilfe von Simulationen und Experimenten gezeigt werden, dass der beste Partikelabscheidegrad mit Lochblechen erzielt wird, deren freie Lochfläche etwa 40 % beträgt. Weiterhin bieten die Löcher einen von der Strömung unberührten Sammelraum für abgeschiedene Partikeln, so dass ein Wiederablösen verhindert werden kann.
Strömungsmanipulatoren werden zur Umlenkung der Strömung im Strömungskanal eingesetzt. Diese Manipulatoren sind nicht-magnetisierbar und werden damit vom Magnetfeld nicht beeinflusst. Sie dienen ausschließlich der Strömungsumlenkung, so dass zum einen eine höhere Chance des Aufeinandertreffens mehrerer Partikeln besteht, die dann als Agglomerat besser abgeschieden werden können. Und zum anderen, dass durch die Umlenkung der Strömungsbahnen die Partikeln näher an
die Magneten befördert werden. Dort erfahren sie eine größere Magnetkraft, wodurch die Abscheidung beschleunigt wird. Eine deutliche Verbesserung des Abscheidegrades konnte mit den aufgeführten Maßnahmen experimentell nachgewiesen werden.
Je nach Form des Magneten, reicht das Magnetfeld weit in den Raum hinein oder bildet einen Rückschluss mit dem rückwärtigen Pol. Durch die Variation des Abstandes zwischen den Magneten, kann der Rückschluss bzw. das in den Strömungsraum hineinragende Magnetfeld beeinflusst werden. Dies wurde experimentell untersucht.
Die Praxistauglichkeit des Magnetabscheiders in der Schmierstoffreinigung wurde getestet, indem das Beladungsverhalten, Heterokoagulation und die Kombination aus Magnetabscheider und Tiefenfilter näher untersucht wurden.
Während eines Beladungsversuchs konnte eine Endbeladung von 83,3 mg/cm², bei einem gleichzeitigen Druckanstieg während des Experimentes von 0,1 bar auf 0,5 bar verzeichnet werden.
Die Abscheidung nicht-magnetisierbarer Partikeln mit magnetisierbaren Partikeln (Heterokoagulation) zeigte, dass unter bestimmten Umständen Heterokoagulation stattfinden kann. Allerdings hängt dies stark von der Verweilzeit, der Partikelmagnetisierung und der Partikelgröße ab.
Zudem wurde der Magnetabscheider in der Kombination mit einem Tiefenfilter getestet. Es zeigte sich, dass der Magnetabscheider (als Vorfilter) den nachgeschalteten Tiefenfilter deutlich entlastet, indem er die großen Partikeln zuerst abscheidet. Diese können dann einzelne Poren des Filtervlies nicht mehr verblocken, wodurch der Druckabfall des Tiefenfilters weniger stark ansteigt.
Um die Partikelabscheidung im Offen-Gradient-Magnetabscheider im Labormaßstab theoretisch zu untersuchen, wurden Simulationen mit COMSOL Multiphysics und ANSYS Fluent durchgeführt. Die Simulationsergebnisse konnten mit experimentellen Werten validiert werden. Eine gute Übereinstimmung der simulierten und experimentell ermittelten Werte konnte gezeigt werden.
Mithilfe der zuvor durch Experimente und Simulationen gewonnen Ergebnisse, konnte ein neuartiger Offen-Gradient-Magnetabscheider im Demonstratormaßstab entwickelt werden. Dieser wurde durch Experimente und Simulationen charakterisiert.