Hydraulische Aufzüge hitzebeständig machen

Die Gefahren von Hitze in Hydrauliksystemen und wie Sie sich dagegen schützen

Eine der größten technischen Herausforderungen für einen Wasserbauingenieur ist die Entwicklung eines wärmebeständigen hydraulischen Aufzugssystems. Eine solche Herausforderung wird noch schwieriger, wenn das System in einer Umgebung mit hoher Umgebungstemperatur, feuchtem Klima, schlechter Belüftung und sehr hoher Nutzung arbeiten muss.

Ein hydraulischer Aufzug besteht in der Regel aus Komponenten verschiedener Hersteller. Jeder Komponentenhersteller, ein Spezialist auf seinem Gebiet, optimiert das Design und die Leistung seines eigenen Produkts. Ein Großteil der Energie und des Fokus während des Komponentendesigns liegt auf Toleranzen, Produktionstechniken, Minimierung von Druckverlusten, Erfüllung der Sicherheitsnormen für Aufzüge, Qualitätskontrolle und Gesamtfunktionalität des Produkts.

Lernziele

Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, sollten Sie Folgendes erfahren haben:
♦ Verständnis der Auswirkungen von Wärme auf einen hydraulischen Aufzug und the source der Wärmeerzeugung
♦ Effektive Lösungen, um hydraulische Aufzüge hitzebeständig zu machen und andere bewährte Verfahren
♦ Gesetze der Thermodynamik, einschließlich Berechnung und Analyse der Wärmelast
♦ Auswahl der Kühler (falls erforderlich)
♦ Designoptimierung

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Es ist die Aufgabe des Systemdesigners, die Funktion der gesamten Baugruppe unter Berücksichtigung der Anwendungs- und Betriebsbedingungen zu optimieren. Dies beinhaltet die Auswahl der richtigen Komponenten in Übereinstimmung mit den Aufzugssicherheitsvorschriften, die Dimensionierung der Komponenten, die Durchführung von Wärmeberechnungen und die Analyse des Aufzugsverkehrs, damit das gesamte Aufzugssystem die erforderliche Leistung erbringen kann. Dieser Artikel beschreibt, wie Sie diesen Prozess richtig machen, wobei der Schwerpunkt auf der Minimierung der Wärmeentwicklung liegt.

Auswirkungen von Hitze auf einen hydraulischen Aufzug

Hitze verändert die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit, was die Probleme auslöst. Heißes (dünnes) Öl führt zu:

• Erhöhte Leckage im System (Pumpen, Ventile usw.), wodurch der volumetrische Wirkungsgrad des Systems verringert wird
• Unregelmäßiges hartes Anfahrverhalten, Überfahren des Bodenniveaus und erhöhter Verschleiß von Wellendichtringen und Komponenten
• Die Oxidation von Öl beschleunigt seinen Abbau, indem es seine Eigenschaften verändert und seine Lebensdauer verkürzt.

Eine einfache Checkliste fasst alles zusammen, was zu einem hitzebeständigen Aufzugssystem beitragen kann:

• Quelle der Wärmeerzeugung
• Möglichkeiten zur Minimierung der Wärmeentwicklung
• Berechnung und Analyse der Wärmelast
• Optimierung des hydraulischen Aufzugssystems zur natürlichen Ableitung der erzeugten Wärme
• Dimensionierung von Kühlern, wenn erzwungene Konvektion erforderlich ist

Quelle der Wärmeerzeugung

Das Hydraulikaggregat besteht aus Tank, Öl, Motor, Pumpe, Steuerventil und zugehörigem Zubehör, das mit einem Schlauch oder einem Metallrohr mit dem Hydraulikzylinder verbunden ist. Diese Antriebseinheit befindet sich normalerweise im Maschinenraum oder bei einigen maschinenraumlosen (MRL) Einheiten im Aufzugsschacht selbst.

Die folgenden Praktiken können zur Wärmeerzeugung des Aggregats beitragen:

• Aggregat zu klein für den Aufzug, den es fährt
• Aufstellung an einem schlecht belüfteten oder unbelüfteten Ort, z. B. zu nahe an einer Wand
• Sehr kleiner Maschinenraum
• Tank aus (nichtmetallischem) Material, das die Wärme nicht effektiv abführen kann
• Unzureichende Rohrleitungen, die zu turbulenten Strömungen, Druckverlusten und Wärmeentwicklung führen

Als allgemeine Regel gilt, dass die Größe (Volumen) eines Öltanks mindestens 2.2-facher Pumpendurchfluss betragen sollte, wobei mindestens 10 cm Platz vom Tankdeckel bis zur Öloberfläche verbleiben, wenn der Aufzug auf Puffer steht. Das Gerät sollte in einem Raum mit Querlüftung aufgestellt werden, damit die erwärmte Luft schnell abgeführt werden kann. Wenn die Installation vom Typ MRL ist, stellen Sie das Aggregat in einen Wandschrank mit einer Öffnung im Schacht. Dies hilft, den Tank automatisch zu kühlen, da die Kabinenbewegung im Schacht mit ihrer Bewegung Luft auf den Tank drückt (Abbildung 2). Metallische Tanks werden bevorzugt, da sie die Wärme viel leichter abführen können als Faser- und Kunststofftanks. Es sollte eine angemessene Rohrgröße gewählt werden, und die Verwendung von Reduzierstücken, unnötigen Bögen und Adaptern sollte vermieden werden.

Öl

Die Verwendung der richtigen Ölsorte kann erheblich dazu beitragen, die Öltemperatur unter Kontrolle zu halten. Hydraulikflüssigkeit, die sich am besten für Aufzugsanwendungen eignet, weist eine relativ geringe Viskositätsänderung bei Temperaturänderungen auf. Temperatur und Viskosität von Hydrauliköl sind umgekehrt proportional: Die Ölviskosität nimmt mit steigender Temperatur ab.

Der Viskositätsindex (VI) ist eine einzahlige Darstellung der Viskositäts-Temperatur-Eigenschaften einer Flüssigkeit. Je größer der Wert des VIs ist, desto geringer ist die Viskositätsänderung bei einer gegebenen Temperaturänderung oder umgekehrt.

Hydraulische Hebebühnen, die durchweg bei warmen Umgebungstemperaturen (über 30 °C) und bei starkem Verkehr verwendet werden, sollten ein Öl des Typs ISO VG 68 verwenden. Wenn die Temperatur des Öls während des Arbeitszyklus des Aufzugs um 25-30°C ansteigt, sollte der Tank überdimensioniert werden, damit er das Ölvolumen dreimal so hoch wie die Pumpenleistung aufnehmen kann.

Regelventil

Ein Durchflussregelventil reguliert den Ölfluss, indem es das überschüssige Öl während der Bypass-, Beschleunigungs-, Verzögerungs- und Nivellierungsphasen zum Tank zurückfließen lässt, wodurch die Fahrgäste ein ruhigeres Fahrerlebnis erhalten. Es sind viele verschiedene Arten von Stromregelventilen erhältlich, die speziell für hydraulische Aufzüge entwickelt wurden. Diese reichen von den einfachsten und am weitesten verbreiteten mechanischen Ventilen, servoelektronischen Ventilen mit Proportionalmagneten, bis hin zu spannungs- und frequenzvariablen (VVVF)-gesteuerten Ventilen.

Ein falsch eingestelltes Regelventil kann zur Erwärmung des Öls beitragen. Falsch eingestelltes Druckbegrenzungsventil, längere Bypass- und Nivellierungszeiten können die Öltemperatur bei jeder Fahrt beeinflussen. Auch eine Unterdimensionierung des Ventils, insbesondere bei hohem Betriebsdruck, kann zu einer unnötigen Temperaturerhöhung beitragen. Die Verwendung des falschen Ventiltyps in einem stark beanspruchten hydraulischen Aufzug, wie beispielsweise Installationen in öffentlichen Räumen oder Krankenhäusern, kann zur Erwärmung des Systems beitragen.

Korrekte Ventileinstellungen sind entscheidend für einen störungsfreien Betrieb und minimieren den Verschleiß der Komponenten und Öldichtungen. Ein falsch eingestelltes Ventil während der Einbauphase führt nicht nur zu unregelmäßigen Fahreigenschaften, sondern heizt das Öl auch in der restlichen Zeit weiter auf. Bild 4 zeigt beispielsweise ein falsch eingestelltes Ventil mit unnötig langer Nivellierungszeit; wohingegen Bild 5 den Weg mit optimaler Richtzeit zeigt. Tabelle 1 zeigt optimale Bypass-, Beschleunigungs-, Verzögerungs- und Nivellierungszeitpunkte der Ventileinstellungen.

Unterdimensionierung

Die Verwendung des Regelventils bei oder über der vollen Durchflusskapazität verursacht hohe Druckverluste und Turbulenzen, die das Öl schnell erhitzen. Ein hoher Betriebsdruck (mehr als 65 bar) verstärkt das Erwärmungsproblem. Der vom Hersteller empfohlene Betriebsdurchflussbereich für die gegebene Größe sollte im Interesse der Minimierung der Druckverluste bei maximalem Durchfluss nicht ignoriert werden. Um Turbulenzen zu vermeiden, wird immer empfohlen, die nächstgrößere Ventilgröße für einen Pumpendurchfluss zu verwenden, der sich dem maximalen Durchflussbereich nähert. Bei der Auswahl von Anschlüssen, Rohrleitungen, Reduzierstücken und Bögen sollte der engste Durchflusskanal geeignet sein, den maximalen Durchfluss zu bewältigen, ohne Turbulenzen oder große Druckverluste zu verursachen.

Ventiltyp

VVVF-Ventile mit Inverter sind die beste Option, wenn Temperatur- und Druckkompensation bei sich dynamisch ändernden Betriebsbedingungen über den Rahmen einfacher mechanischer Regelventile hinaus gewünscht wird. Ein Wechselrichter-basiertes System minimiert nicht nur die Wärmeentwicklung, sondern auch den Energieverbrauch um bis zu 60 %.

Berechnung und Analyse der Wärmebelastung

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie nicht erzeugt oder zerstört, sondern einfach von einem Typ in einen anderen umgewandelt werden kann. Somit muss in einem hydraulischen Aufzugssystem dem Hydrauliköl Energie zugeführt werden, um die Kabine an ihr Ziel anzuheben. Eine Energiequelle wie ein Elektromotor wird benötigt, um eine Pumpe anzutreiben, um die mechanische Energie in Strömung umzuwandeln. Durch den Strömungswiderstand im Hydrauliksystem entsteht ein Druck, dessen Energie den Zylinder des Aufzugssystems betätigt. Somit ist das komplette hydraulische Aufzugssystem eigentlich ein Energieübertragungssystem. Da die Energie gleichzeitig von einer Art in eine andere umgewandelt wird, wird ein Teil der Energie im System in Wärme umgewandelt und steht nicht mehr für Nutzarbeit zur Verfügung. Die verlorene Energie, die in Wärme umgewandelt wird, erhöht die Temperatur des Öls im Tank. Die Wärme im Öl wird dann auf natürliche Weise an die Umgebung abgegeben, bis sich der Temperaturgradient zwischen Öl und Umgebungstemperatur ausgleicht.

Die Wärme wird von einem Hydrauliksystem hauptsächlich auf zwei Arten abgeführt: natürliche Konvektion und erzwungene Konvektion. Natürliche Konvektion findet statt, wenn aufgrund des Temperaturgradienten Wärme von den verschiedenen Systemkomponenten an die Umgebungsluft abgegeben wird. Es ist gut, wenn die natürliche Konvektion die gesamte vom Aufzugssystem erzeugte Wärme abführt. Wenn nicht, steigt die Systemtemperatur weiter an, wodurch ein Wärmetauscher erforderlich ist, der die zweite Wärmeableitungsart (erzwungene Konvektion) darstellt. Ein dritter Wärmeableitungsmodus, Strahlung, ist ebenfalls aktiv, aber seine Wirkung ist im Wesentlichen vernachlässigbar.

Grundsätzlich muss die vom System erzeugte Wärme effektiv abgeführt werden, um die Öltemperatur zu halten. Wenn die erzeugte Wärme die abführbare Wärme übersteigt, steigt die Öltemperatur und ein Ölkühler wird als zusätzliche Methode zur Aufrechterhaltung der Öltemperatur erforderlich. Ein Ölkühler kann installiert werden, um die Öltemperatur innerhalb eines bestimmten Bereichs zu halten; dies ist jedoch mit einem Anstieg der Kosten und des Energieverbrauchs verbunden. Als Faustregel gilt, dass für jeden Druckabfall von 0.5 bar über einen Durchflusskanal ein Temperaturanstieg von 10 °C angesetzt werden kann.

Eines der Hauptziele des Aggregatdesigns besteht darin, Wärmeverluste bei einer akzeptablen Öltemperatur durch natürlichen Transfer vom Öl zu Rohren, Aktuatoren und einem Reservoir und anschließender Ableitung in die Luft auszugleichen. Die schwierigste Berechnung ist die Wärmebilanz, die eine echte mathematische Summe der in das Hydrauliksystem ein- und austretenden Wärme erfordert. In der Praxis werden in der Industrie einige empirische Formulierungen verwendet, um die Notwendigkeit und die Größe des Ölkühlers zu bestimmen. Die Leistungsmerkmale eines Hydraulikaggregats hängen stark vom Arbeitstemperaturbereich, der Art des Hydrauliköls und der Ölreinheit, Luftblasen und Wasser ab.

Um eine detaillierte und realistische Einschätzung zu erhalten, sind viele interne und externe Faktoren gleichzeitig zu berücksichtigen. Letztlich muss das Gleichgewicht der in das Hydrauliksystem ein- und austretenden Wärmeenergie in die Berechnung einfließen. Eine wahre Formulierung sollte berücksichtigen:

• Umgebungstemperatur
• Durchschnittliche Fahrten pro Stunde
• Durchschnittliche Belastung pro Fahrt
• Durchschnittliche Reisehöhe
• Geschwindigkeit des Aufzugs
• Gesamtfahr-, Bypass- und Nivellierungszeiten
• Motor- und Pumpengrößen und ihre Wirkungsgrade
• Druckabfall in Ventilen und Rohrleitungen
• Belüftung im Maschinenraum und Schacht
• Lage des Tanks im Maschinenraum
• Innentankdesign und Tankgröße

Alle diese Faktoren müssen bei jedem Aufzugsentwurf bewertet werden, bevor die Wärmebilanzgleichung aufgestellt wird.

Die Berechnung der Wärmebilanz wird an einer kritischen Grenze durchgeführt, bei der die Öltemperatur und die Umgebungstemperatur mit ihren Grenzwerten ausgewählt werden, z. B. 55 °C (130 °F) und 30 °C (86 °F). In dieser kritischen Situation wird die Menge der erzeugten und abgeführten Wärmeleistung in Bezug auf die Anzahl der Rundfahrten in 1 Stunde berechnet. Diese Berechnung berücksichtigt jedoch nicht die Zeit bis zum Erreichen der kritischen Grenze. Außerdem ist die Berechnung nicht kumulativ. Wenn die Dauer zum Erreichen des kritischen Niveaus lang genug sein kann, wird der Kühler möglicherweise überhaupt nicht benötigt. Daher kann eine bessere Bewertungsmethode, die den Zeitparameter berücksichtigt, realistischere Ergebnisse liefern. Eine sehr allgemeine Gleichung zur Berechnung der erzeugten Wärme lautet wie folgt:

wobei λ der Durchschnittsfaktor für den Wert des Produkts aus Gewicht, Hub und Motorstart ist. 0.5 gilt als Durchschnittswert (0.8 im Extremfall). Gesamtgewicht ist die Summe aller Gewichte (Nutzlast, Pkw-Gewicht, etc.) in Kilogramm. Hub ist der Hub des Kolbens in Metern. Motorstarts pro Stunde gibt an, wie oft ein Aufzug in einer Stunde Anrufe erhält.

wobei λ der Durchschnittsfaktor für den Wert des Produkts aus Gewicht, Hub und Motorstart ist. 0.5 gilt als Durchschnittswert (0.8 im Extremfall). Gesamtgewicht ist die Summe aller Gewichte (Nutzlast, Fahrzeuggewicht usw.) in Pfund. Hub ist der Hub des Kolbens in Fuß. Motorstarts pro Stunde gibt an, wie oft ein Aufzug in einer Stunde Anrufe erhält.

Eine allgemeine Gleichung zur Berechnung der Verlustwärme lautet wie folgt:

wo Tank_{Gesamtfläche unserer Sitzes}, Rohr_{Gesamtfläche unserer Sitzes}, Zylinder_{Gesamtfläche unserer Sitzes} und Kolben_{Gesamtfläche unserer Sitzes} sind die Fläche in Quadratmetern. Unterschied_Temp. ist die Temperaturdifferenz, der das Öl in Grad Celsius ausgesetzt ist.  (1.0 bis 1.3) ist der Faktor, der für die Tankgröße verwendet wird. Für einen kleinen und hellen Tank sollte ein niedrigerer Wert verwendet werden; für einen großen und dunklen Tank sollte ein höherer Wert verwendet werden.

wo Tank_{Gesamtfläche unserer Sitzes}, Rohr_{Gesamtfläche unserer Sitzes}, Zylinder_{Gesamtfläche unserer Sitzes} und Kolben_{Gesamtfläche unserer Sitzes} sind die Fläche in Quadratzoll. Unterschied_Temp. ist der Temperaturunterschied, dem das Öl in Grad Fahrenheit ausgesetzt ist.  (1.0 bis 1.3) ist der Faktor, der für die Tankgröße verwendet wird. Für einen kleinen und hellen Tank sollte ein niedrigerer Wert verwendet werden; für einen großen und dunklen Tank sollte ein höherer Wert verwendet werden.

Wenn die erzeugte Wärme geringer als die abgegebene Wärme ist, ist keine Zwangskühlung erforderlich.

Die genannten Formulierungen und Gleichungen sind generisch und sollten nur als Referenz betrachtet werden. Details zur Aufzugsinstallation, Anwendung und Antriebseinheitskonstruktion sollten berücksichtigt werden, um genauere Ergebnisse zu erhalten, bevor Sie zu irgendwelchen Schlussfolgerungen gelangen. Weitere Informationen finden Sie unter „Bedeutung des Wärmeausgleichs für hydraulische Aufzüge“.^[1].

Optimierung

Neben den oben genannten Möglichkeiten zur Reduzierung der Wärmeentwicklung kann die Auslegung von hydraulischen Aufzugsanlagen weiter optimiert werden, um die Wärme in kurzer Zeit effektiver abzuführen durch:

• Verwendung von Metalltanks mit einer größeren vertikalen Oberfläche, wodurch eine größere Fläche für eine optimale Wärmeableitung effektiv freigelegt wird
• Anheben des Tanks, um eine gute Luftzirkulation darunter zu haben
• Aufstellen des Aggregats in einem gut belüfteten Bereich oder Schachtschrank zur natürlichen Kühlung bei jeder Fahrt des Aufzugs
• Vermeiden Sie nach Möglichkeit verdeckte Rohrleitungen, um die Wärme effektiv abzuführen
• Verwendung eines übergroßen Tanks, der mehr Ölvolumen für einen Zeitvorteil beim Aufheizen aufnehmen kann
• Setzen Sie das Netzteil keinem direkten Sonnenlicht oder anderen Wärme erzeugenden Quellen aus
• Verwendung eines VVVF-Regelventilsystems bei hoher Aufzugsnutzung, um viel weniger Wärme zu erzeugen
• Auswahl von Systemkomponenten mit geringen Druckverlusten
• Verwendung der richtigen Ölsorte, die für die Aufzugsanwendung geeignet ist
• Dimensionierung von Kühlern, wenn erzwungene Konvektion erforderlich ist

In einer echten Bilanz muss berücksichtigt werden, was hineingeht, entweder als Temperaturerhöhung oder als Wärmeübertragung aus dem System. Wenn also die erzeugte Wärme höher ist als die abgeführte, wird ein Wärmetauscher mit einer Kühlkapazität dieser Differenz ausgewählt. Bei der Entwicklung eines neuen hydraulischen Aufzugssystems gilt als Faustregel, dass ein Kühler so bemessen sein sollte, dass er etwa 25-30% der Eingangsleistung abführt. Kühlerhersteller haben Auswahltabellen, die die Auswahl der Kühler relativ einfach machen. Die Größe des Kühlers richtet sich nach der Wärmemenge (in Kilowatt), die gegenüber einer Temperaturdifferenz (△T) entsprechend der Umgebungstemperatur neutralisiert werden muss. Abbildung 7 zeigt eine typische Auswahltabelle von Ölkühlergrößen eines Kühlerherstellers.

Ein Ölkühler (Wärmetauscher) arbeitet typischerweise mit Hilfe eines Thermostats, der den Kühlkreislauf ein- und ausschaltet. Die Betriebstemperatur des Thermostatkontaktes kann von außen über ein Handrad eingestellt werden. Das Sensorelement wird in das Öl eingetaucht. Der Thermostat des Ölkühlers sollte so eingestellt werden, dass er nach einem Anstieg von 10-12°C gegenüber der Umgebungstemperatur in Betrieb geht. Eine Pumpe wird verwendet, um heißes Öl aus dem Tank zu einem Wärmetauscher zu fördern. Dort wird das Öl von einem motorbetriebenen Lüfter gekühlt – ein Verfahren ähnlich der Wasserkühlung im Auto. Das gekühlte Öl wird dann zur Verwendung durch das Aufzugssystem zurück in den Tank gepumpt. Der Tauscher wird an der Wand des Maschinenraums so montiert, dass er warme Luft ausbläst. Die Kalorien (Menge der Wärmeübertragung) hängen von der Größe des Kühlers ab.

Gekühlte Ölkühler sind selten, finden sich aber auch in Installationen mit sehr hohen Umgebungstemperaturen und häufigem Einsatz des Aufzugs, z. B. in Einkaufszentren, Krankenhäusern, Messezentren usw. Ein gekühlter Ölkühler funktioniert sehr ähnlich als Kühlschrank. Das warme Öl aus dem Tank, das mittels einer Pumpe umgewälzt wird, tauscht seine Wärme mit dem Kühlmittel aus, das von einem Kompressor im Kühlschrank umgewälzt wird. Dadurch wird das Öl schnell abgekühlt und dem Hydrauliktank wieder zugeführt.

Fragen zur Lernverstärkung

Verwenden Sie die unten stehenden Fragen zur Lernverstärkung, um für die Online-Einstufungsprüfung für die Weiterbildung zu lernen unter www.elevatorbooks.com oder auf S. 173 dieser Ausgabe. Welche kritischen Designaspekte können die Wärmeentwicklung und -ableitung in einem hydraulischen Aufzug beeinflussen?
♦ Wie wird die Wärmebelastung analysiert?
♦ Wie kann sich die Auswahl und Anpassung der Komponenten auf die Wärmeentwicklung auswirken?
♦ Wie werden Wärmeableitung und Wärmeentwicklung berechnet?
♦ Wie soll die Kühlergröße (bei Bedarf) berechnet werden, nachdem die Wärmelast ermittelt wurde?

Literaturhinweis
[1] K. Ferhat Celik und Murad Kucur. „Bedeutung der Wärmebilanz für hydraulische Aufzüge“, Elevator Technology 18: Proceedings of Elevcon 2010.