Nuevos problemas, nuevas soluciones

Los fluidos hidráulicos actuales respetuosos con el medio ambiente pueden causar problemas graves que no ocurrían con los fluidos de generaciones anteriores que contenían aditivos de metales pesados. Con los fluidos actuales pueden producirse descargas electrostáticas y una serie de otros efectos perjudiciales, pero existen soluciones para aliviar los problemas.

Los productores de fluidos hidráulicos introducen aditivos (normalmente varios, como un paquete de aditivos) en los aceites base para darles las características que necesitan para las exigentes condiciones de los sistemas hidráulicos. Los aditivos mejoran la viscosidad, reducen la fricción, previenen el desgaste y permiten que el fluido tolere altas temperaturas sin oxidarse. Los aceites base del grupo I contienen aromáticos (la mayoría de los cuales son tóxicos) y zinc (metal pesado que promueve la resistencia al desgaste). Debido a su toxicidad y amenaza potencial a los sistemas ambientales, ya no cumplen con los estándares ambientales internacionales vigentes.

Los aceites hidráulicos y de lubricación de los Grupos II a IV (que no se muestran en el cuadro a continuación) se producen con paquetes de aditivos apropiados, que no contienen toxinas ni carcinógenos, están libres de metales pesados ​​y no contienen cenizas (no producen residuos como resultado de la combustión). Sin embargo, como estos aceites no contienen metal, tienen una baja conductividad eléctrica. Cuando estos aceites fluyen a través de filtros en un sistema hidráulico, pueden generar cargas electrostáticas. Pueden producirse chispas, lo que puede provocar explosiones en el depósito o dañar componentes hidráulicos, como válvulas y filtros. Las chispas también pueden interferir o dañar los componentes electrónicos y formar depósitos que envejecen el aceite.

Cuando los aceites modernos sin zinc y sin cenizas envejecen, se forma una contaminación sólida muy fina (menos de 1 μm) que no se disuelve en el aceite y que comúnmente se denomina barniz. Este barniz se deposita en las superficies aceitosas de los componentes y afecta negativamente a su función. Las posibles consecuencias incluyen carretes de válvula atascados, solenoides sobrecalentados y una vida útil extremadamente corta del elemento filtrante.

Si se juntan dos sustancias (como medios filtrantes y fluidos hidráulicos) con diferentes funciones de trabajo de electrones, los electrones en el punto de interfaz se transfieren del material con menor función de trabajo al material con mayor función de trabajo. Existe un déficit de electrones en la interfaz y se forma una capa de difusión en el fluido que tiene una carga opuesta a la del medio filtrante. La carga de esta capa se debilita al aumentar la distancia al medio filtrante.

Cuando el fluido fluye, la carga se transporta aguas abajo y crea un potencial de voltaje. Cuanto más rápido fluya el fluido, mayor será el potencial de voltaje. Si el voltaje excede un valor umbral, se producirá una repentina ecualización del voltaje, generalmente en forma de chispas. Sin embargo, el fluido debe tener baja conductividad para que se produzcan chispas. De lo contrario, las cargas en la capa difusa pueden retroceder y equilibrarse, como ocurre en los fluidos que contienen aditivos de metales pesados.

Consecuencias — Las consecuencias de las descargas electrostáticas pueden ser graves. Por ejemplo, cuando el aceite transporta la carga aguas abajo, pueden ocurrir descargas incontroladas en el depósito hidráulico. Dependiendo de la mezcla de aceite y aire en el depósito pueden producirse explosiones. Además, se pueden quemar agujeros en el medio filtrante como resultado de las chispas.

La foto de arriba muestra un agujero de más de 200 μm de diámetro en un medio filtrante de 3 μm. El orificio crea un camino para que los contaminantes pasen a través del filtro, comprometiendo gravemente la eficacia del filtro. Otros componentes del sistema, como los refrigeradores y las válvulas, también pueden resultar dañados por descargas incontroladas.

Las descargas electrostáticas también pueden causar ondas electromagnéticas que alteran y dañan sensores y componentes electrónicos sensibles. Además de dañar los componentes hidráulicos, las descargas también pueden afectar el aceite hidráulico. Las chispas rompen los enlaces dentro del fluido, formando radicales libres que se polimerizan en largas cadenas. Esto, a su vez, conduce a la formación de barniz debido al envejecimiento del aceite.

Solución — Utilizando un banco de pruebas diseñado a medida y aprobado por DEKRA y SGS-TÜV SÜD, los ingenieros de HYDAC analizaron el comportamiento electrostático de los filtros hidráulicos en aceites críticos. El resultado de su trabajo es la serie de elementos filtrantes Stat-X de HYDAC, que combate el problema de las descargas electrostáticas. Los elementos Stat-X no sólo eliminan las consecuencias de la carga electrostática, sino también la causa misma.

¿Por qué es importante eliminar tanto las consecuencias como la causa de la carga electrostática? Un diseño de elemento con capacidad de descarga reduce las chispas en el elemento, pero aún permite que el aceite cargado pase a través del sistema hidráulico. Además, este aceite tiene ahora un mayor potencial de carga, ya que no se permite que se produzcan chispas en el filtro que, de otro modo, habrían neutralizado la carga. Este aceite cargado se transporta aguas abajo y es posible que se produzcan descargas incontroladas en otras partes del sistema. En determinadas circunstancias, esto puede provocar daños graves, como por ejemplo una explosión en el depósito.

HYDAC también ha desarrollado un sensor StatStick®, que mide la tensión del aceite detrás del filtro, para permitir a los ingenieros de aplicaciones realizar mediciones en el campo. Por ejemplo, los ingenieros de HYDAC pudieron descubrir indicios de explosiones en un depósito de un gran sistema hidráulico después de que los filtros de ventilación se quemaran por completo. Los filtros no fueron optimizados para carga electrostática. Las mediciones se realizaron con el StatStick®, que reveló picos de tensión de hasta 17.000 V, así como peligrosas chispas de descarga en el tanque. Una vez modernizado con elementos Stat-X, no se detectaron más cargas.

La solución propuesta aquí se basa en los principios físicos fundamentales derivados de los datos experimentales informados. En consecuencia, se dirige directamente a la causa raíz del fenómeno, eliminando así su causa raíz. En lugar de intentar canalizar la carga estática ya existente mediante elementos conductores o disiparla mediante el uso de aditivos, hemos mostrado cómo detener la transferencia de carga que conduce a la formación de la doble capa de Helmholtz (Lang (4); Scheffler (10). ); Kron (41)) en primer lugar. Además, nuestra solución propuesta ha sido verificada adecuadamente a través de abundantes datos experimentales de laboratorio y de pruebas de campo. Además, hemos demostrado que se puede ajustar con precisión (Schmitz, et al. (42); Duchowski y Lang (43, 44)) y, por lo tanto, adaptable a diferentes formulaciones de aceite, así como a condiciones operativas del sistema de diversa severidad, como arranques en frío y operaciones de lavado

El barniz es el producto de reacciones químicas que ocurren en el aceite, a menudo llamadas envejecimiento del aceite. El envejecimiento se acelera significativamente en presencia de puntos calientes locales (superiores a 300°C). Las descargas electrostáticas suelen ser la fuente de temperaturas tan elevadas. Otros puntos calientes pueden ser causados ​​por microdiesel o componentes calientes. El resultado del envejecimiento del aceite en estos casos es siempre el mismo. Las cadenas de hidrocarburos del aceite base se rompen esencialmente con las altas temperaturas locales. Estas secciones de la cadena reaccionan con otros hidrocarburos, aditivos del aceite u oxígeno y eventualmente forman barniz, que se deposita como lodo de aceite en el sistema.

Los aceites modernos de los grupos II a IV contienen numerosos aditivos que mejoran las características del aceite base, como el índice de viscosidad, la protección contra la corrosión, la tendencia a la formación de espuma, las características de adherencia y el comportamiento de envejecimiento del aceite (antioxidantes). El comportamiento de envejecimiento del aceite se ve afectado principalmente por dos sustancias del paquete de aditivos: fenoles y aminas. Estas dos sustancias actúan como eliminadores de radicales e interrumpen la reacción química que de otro modo daría lugar al barniz. Sin embargo, al hacer esto, los carroñeros radicales se agotan. Si se agotan, el envejecimiento del aceite avanza rápidamente.

La tecnología STAT-X se basa en los principios físicos fundamentales de carga y descarga electrostática. Esta tecnología avanzada va más allá de centrarse únicamente en la carga estática existente o generada mediante elementos conductores. Va más allá para atacar la causa fundamental del fenómeno, eliminándola así. Esto permite condiciones de funcionamiento extremadamente seguras en cualquier aplicación determinada, donde se aplica la tecnología STAT-X.

Dr. John K. Duchowski es director corporativo de I+D de filtración, FluidCareCenter® GmbH, Sulzbach, Alemania. Para obtener más información, visite www.hydac-na.com o envíe un correo electrónico a [email protected].