Die triboelektrische Aufladung im Griff 1

Triboelektrischen Aufladungen in industriellen Hydraulik- und Schmierölen lässt sich mit geeigneten Maßnahmen durchaus effektiv begegnen. Drei Experten der Pall Corporation erläutern, auf welche Weise und welche Rolle dabei das Filterelement spielt.

Triboelektrische Ladungen entstehen in industriellen Hydraulik- und Schmiersystemen, wenn Reibungskontakte zwischen zwei unterschiedlichen Materialien (zum Beispiel zwischen Fluid und Systemoberfläche), entstehen. Die Ladungen, die an der Systemoberfläche und dem Fluid erzeugt werden, fallen gleich hoch aus – aber mit umgekehrter Polarität.

TEC-Gefahr besteht bei:

  • Reibung durch Fluidfluss durch Rohre und Schläuche
  • Hohen Fluidgeschwindigkeiten oder Turbulenz
  • Durchströmen von Filterelementen sowie anderen mikroporösen Strukturen
  • Durchströmen von Zentrifugalpumpen und ähnlichen Aggregaten

Durchströmt ein Fluid geringer Leitfähigkeit ein Rohr oder ein Filterelement, transportiert das Fluid die dabei entstehenden Ladung weiter. Experten bezeichnen diesen Vorgang als strömende Ladung (streaming current). Sie entlädt sich an den Rohrwänden oder anderen Systemflächen. Die Eigenschaften des jeweiligen Basisfluids und der Additive bestimmen dabei Entladungsrate (Ladungsrelaxation oder charge relaxation).

Bei leitenden Rohrwänden lädt sich das Fluid mit umgekehrter Polarität auf. Fehlt eine Erdung der äußeren Rohroberfläche, gleichen sich die elektrischen Potenziale nicht aus und es entsteht ein erhöhtes Spannungspotenzial. Mögliche Folge: Es kommt zu Spontanentladung mit entsprechender Funkenbildung zu benachbarten Oberflächen.

In konventionellen Glasfaserfilterelementen können aufgrund großer Oberflächen der einzelnen Fasern im Filtrationsmedium hohe Potenziale auftreten. Bei Filtermaterial mit hohem elektrischen Widerstand kommt es zur Ladungstrennung zwischen Filter und Fluid. Die triboelektrische Ladung kann daher nicht abfließen und der Filter wirkt wie ein elektrischer Kondensator. Der Filter lädt sich so lange auf, bis das Spannungspotenzial ausreicht, den Abstand zu einer naheliegenden Fläche mit geringerem Potenzial zu überbrücken:

Es findet eine elektrostatische Entladung (ESD) statt, erkennbar aufgrund schlagender oder klickender Geräusche, deren Frequenz von der Aufladegeschwindigkeit abhängt. Schäden an Filterelementen als Folge von Spannungsüberschlägen können typischerweise als Brandmarken auftreten. Das gesamte Filtermedium weist zuweilen auch ein deutlich geschwärztes Erscheinungsbild auf.

Um die Gefahr elektrostatischer Aufladung gegenüber der Umgebung zu vermindern oder ihr zu begegnen, werden Anlagen in den meisten Fällen geerdet. Diese Maßnahme verhindert zwar die elektrostatische Entladung gegenüber der Umgebung, sie kann allerdings wegen des geringen Potenzialausgleichs nicht die triboelektrische Aufladung des Filtermediums oder des Fluids beeinflussen.

Die Intensität der Ladungstrennung, die wegen der Durchströmung eines Filtermediums durch flüssige Kohlenwasserstoffe mit geringer Leitfähigkeit entsteht, hängt von vielen Eigenschaften des Fluids und Filterelements ab. Je größer die Kontaktfläche zwischen beiden, desto höher die Reibungskräfte. Das kann insbesondere bei feineren Filtermedien zu Erhöhung der TEC führen, da derartige Filter wegen des geringeren Faserdurchmessers eine größere Kontaktfläche aufweisen.

Nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zu, wachsen die Reibungskräfte zwischen Fluid und Filtermedium. Folge: Die triboelektrische Ladung nimmt zu. Die Größe hängt auch ab vom Scherverhalten des Fluids in der Grenzschicht sowie der Kontaktzeit mit dem Filterelement. Auch die Temperatur des Fluids spielt eine Rolle: Steigt sie, sinken die Viskosität und die Reibungskräfte zwischen Fluid und Filtermedium – der TEC-Effekt fällt geringer aus.

Fluidhersteller setzen zunehmend bei Hydraulik- und Schmieranwendungen statt Mineralölen der Gruppe eins Produkte der Gruppe zwei ein, die in der Regel eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Es kam daher häufiger zu Spannungsüberschlägen aufgrund TEC – unter anderem bei der Energieerzeugung, in der Papierindustrie, bei der Metall- und Kunststoffverarbeitung sowie hydraulischen Prüfständen.

Die häufigen Berichte von Spannungsüberschlägen (ESD) führten zur Entwicklung neuartiger, ladungsunempfindlicher TCR-Filtermedien. Labortests und Feldstudien wiesen nach, dass sie die triboelektrische Aufladung von Fluiden auf Kohlenwasserstoffbasis deutlich verringern.  Spannungsüberschläge (ESD) und dadurch bedingte Schäden treten mit TCR-Filtermedien nicht mehr auf. Dazu ein Blick auf drei Anwendungen aus der Praxis.

Zum ersten Beispiel: Der Betreiber einer industriellen Gasturbine zur Energieerzeugung berichtete von klickenden Geräuschen im Rezirkulationsfilter des Turbinenschmiersystems. Messungen der triboelektrischen Ladung im Fluid ergaben, dass das konventionelle Filterelement (17 Mikrometer) hohe TEC-Werte erreichte. Der Einsatz eines feineren TCR-Filterelementes (fünf Mikrometer [c]) halbierte die TEC-Werte.

Fallbeispiel zwei: Brandmale aufgrund von Spannungsüberschlägen traten im Filter eines Hydrauliksystems in einer Papierfabrik auf, in der ein auf Kohlenwasserstoff basierendes Fluid der Gruppe zwei (ISO VG 100) zum Einsatz kam. Der Betreiber ersetzte das konventionelle Element durch eine TCR-Version. Elektrostatische Entladungen sind seitdem passé.

Gleiches gilt für Fallbeispiel drei: Der konventionelle Filter eines Hydrauliksystems in einem Banddurchlaufofen eines chinesischen Kaltwalzwerkes gab die für Spannungsüberschläge typischen Klickgeräusche von sich. Bei dem Fluid handelte es sich um ein Hydrauliköl der Gruppe zwei, ISO VG 46, die Durchflussrate betrug 765 Liter pro Minute. Ergebnis: Der Einsatz von TCR-Filterelemente stoppte die elektrostatischen Entladungen.

Gegen TEC und ESD
Triboelektrische Ladungen (TEC: triboelectric charge) in industriellen Hydraulik- und Schmierölen entstehen durch Reibungskontakt zwischen dem Fluid und Systemkomponenten, im speziellen zwischen Filterelementen und Fluiden mit geringer Leitfähigkeit. Eine hohe TEC kann durch Spannungsüberschlag zu elektrostatischer Entladung (ESD: electrostatic discharge) führen, die Filterelementen beschädigen und das Medium zersetzen. Abhilfe bringen die Zugabe antistatischer Additive zum Fluid, Verwendung von Systemkomponenten, welche die statische Ladung im Fluid reduzieren, Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit, Nutzung von Filterelementen mit leitenden Bauteilen oder aber Filtermedien, die TEC erst gar nicht entstehen lassen. Zudem nimmt bei diesen die strömende Ladung im Fluid ab.

Fünf TEC-Gegenmaßnahmen
Es gibt unterschiedliche Methoden zum Verringern und Vermeiden von Spannungsüberschlägen in industriellen Hydraulik- und Schmierölsystemen:
Verwenden eines antistatischen Additivs:

  • Wegen der Explosionsgefahr kommt die Methode vor allem in Brennstoffanwendungen zum Einsatz. Antistatische Zusätze sind dagegen in Hydraulik- und Schmierölsystemen seltener gefragt.
  • Verringern der Strömungsgeschwindigkeit: Diese Effekt tritt bei Vergrößerung der Filterfläche auf. Sie senkt die Aufladungsgefahr aufgrund der verringerten Reibung. Es handelt sich um die einfachste, aber nicht immer um die praktikabelste beziehungsweise ökonomischste Lösung.
  • Längere Dauer der Entladung: Der Anwender erhöht bei dieser mit Abstand teuersten Variante die Verweilzeit zwischen zwei aufeinander folgenden Aufladungen durch zusätzliche Verrohrung oder den Einbau eines zusätzlichen Tanks.
  • Integration eines leitfähigen Drahtgewebes auf der Reinseite des Filtermediums: Es wird nur ein Teil der TEC abgeleitet, da die Maschenweite nicht zu klein sein darf, um die Strömung nicht zu behindern.
  • Verwendung ladungsunempfindlicher TCR-Filtermedien: Die Erzeugung von triboelektrischen Ladungen lässt sich deutlich verringern. Quelle: Pall Corporation