Vlhkost oleje je dynamická veličina

Vlhkost oleje je dynamická veličina

Voda obsažená v mazacím oleji zhoršuje jeho mazací i konzervační schopnosti a je jednou z příčin poškození i poruch strojů a strojních zařízení. Má-li se předcházet nákladným poruchám a neplánovaným prostojům zařízení, je zapotřebí přímo měřit vlhkost oleje. Zcela nezbytná jsou tato měření např. při zajišťování komplexní péče o olejem chlazené transformátory. Při pravidelném měření vlhkosti olejových náplní klesají náklady na údržbu elektrických turbogenerátorů, papírenských strojů a dalších olejem mazaných výrobních i podpůrných zařízení apod. Obvyklé způsoby měření objemového nebo hmotnostního obsahu vody v oleji a jeho vyjádření v tzv. ppm (viz dále) ale nijak neinformují o dynamickém chování dané olejové náplně, jehož charakteristickou veličinou je měnící se bod nasycení oleje v mazacím nebo chladicím systému vodou. Zde má větší význam měřit jinou veličinu, známou jako aktivita vody (označení a_w).

Vlhkost v oleji a její měření

Každá kapalina má schopnost udržet v sobě jisté množství rozpuštěné vody. Maximální množství vody, které je jakákoliv kapalina schopna pojmout, je dáno jejím bodem nasycení. Jakmile se dosáhne bodu nasycení kapaliny, každá další přidaná voda se samočinně oddělí jako volná a vytvoří v kapalině odlišnou vrstvu.

Protože většina olejů má menší hustotu než voda, usadí se vrstva vody obvykle pod olejem. Bod nasycení oleje závisí na různých faktorech, z nichž určující jsou např. základní složení oleje (minerální, nebo syntetický), druh a množství emulgátorů a antioxidantů a dalších aditiv. Nehledě na tyto počáteční rozdíly dané složením se při používání oleje jako pracovní kapaliny bod jeho nasycení v čase mění, a má tedy svou dynamiku.

Obr. 1. Dynamika obsahu vody v oleji

Dva hlavní faktory, které při stárnutí oleje ovlivňují jeho bod nasycení, jsou kolísání teploty oleje a změny jeho chemického složení (v důsledku přítomnosti dalších látek, vznikajících nežádoucími chemickými reakcemi uvnitř olejovém systému).

Vlhkost oleje se tradičně udává v jednotkách s označením ppm (to značí jednu částici z milionu, tj. 1 · 10^–6). Jaký je význam údaje v ppm? Jde o absolutní veličinu udávající obsah vody, objemový nebo hmotností (což je většinou třeba rozlišovat), a to takto:

• objemový: 1 ppm (objemu) vody = 1 dm³ vody/1 000 000 dm³ oleje,
• hmotnostní: 1 ppm (hmotnosti) vody = 1 kg vody/1 000 000 kg oleje.

Z naměřené vlhkosti oleje v ppm lze stanovit absolutní množství vody rozpuštěné v olejové náplni stroje. Takové měření má ale jeden závažný nedostatek – vůbec neinformuje o okamžité hodnotě bodu nasycení oleje. Jinými slovy: u dynamicky se chovajícího olejového systému s kolísavým bodem nasycení oleje neposkytuje údaj o absolutní vlhkosti v ppm žádnou informaci o „vzdálenosti“ okamžitého množství vody rozpuštěné v oleji od okamžitého bodu nasycení oleje.

Kritický stav nastává tehdy, když se obsah vody v oleji blíží bodu nasycení oleje, a tudíž roste riziko případného překročení bodu nasycení a vzniku volné vody, ničivé pro téměř všechny olejové systémy. O co přesně jde, lze ukázat na příkladu oleje, jehož teplota klesne např. o 38 °C. Bod nasycení uvažovaného oleje při 82 °C je 5 000 ppm (zda objemových, nebo hmotnostních, v příkladu nerozhoduje). Množství vody rozpuštěné v oleji je 2 000 ppm. Do nasycení může tento olej pojmout ještě dalších 3 000 ppm vody. Při poklesu teploty oleje na 27 °C poklesne i jeho bod nasycení, a to na 3 000 ppm. Stav je nyní takový, že množství vody v oleji se nezměnilo, je stále 2 000 ppm, avšak rezerva ve vztahu k bodu nasycení klesla v důsledku změny teploty z předchozích 3 000 u teplého oleje na 1 000 ppm u oleje chladnějšího. Jestliže operátor sleduje pouze vlhkost oleje v ppm, nezjistí žádnou změnu v množství přítomné vody (2 000 ppm), přestože se mezitím výrazně zmenšil odstup od bodu nasycení, a tím vzrostlo riziko jeho překročení a vzniku volné vody. Co by se stalo, kdyby po jednom roce z důvodu zestárnutí oleje bod nasycení dále klesl až na 1 500 ppm? V takovém případě již neexistuje žádná záloha, naopak – množství vody v oleji je nyní větší, odpovídá jeho bodu nasycení. Operátor by ovšem i tentokrát přečetl množství vody 2 000 ppm navzdory skutečnosti, že bod nasycení nyní klesl na 1 500 ppm, což má za následek 500 ppm volné vody v olejovém systému!

Celý uvedený příklad je graficky znázorněn na obr. 1.

Cílem jsou skutečně použitelné údaje

Nejistotě ohledně obsahu vody v olejovém systému, a tím i již popsaným problémům, se jeho provozovatel může vyhnout měřením aktivity vody a_w (water activity) namísto množství vody v ppm. Co je aktivita vody? Jde o poměr množství vody právě obsažené v substanci k celkovému množství vody, kterou může substance pojmout. Počítá se podle vztahu:

a_w = p/p₀          (1)

kde p je parciální tlak vody v substanci, p₀ tlak nasycené vodní páry čisté vody při stejné teplotě.

Obr. 2. Závislost mezi a_w a bodem nasycení oleje vodou u nového a již použitého oleje

Je patrné, že hodnota a_w se mění jak s teplotou reprezentovanou parametrem p₀ ve jmenovateli (1), tak se skutečným množstvím vody rozpuštěné v oleji (viz také obr. 1). Jako měřená veličina bude tedy a_w vždy správně informovat o rezervě obsahu vody v oleji k okamžitému bodu nasycení oleje vodou.

K uvedenému je třeba poznamenat, že přestože lze najít vztah mezi aktivitou vody a_w a množstvím vody v ppm pro jakýkoliv olej, tento vztah nebude platit po celou dobu používání oleje ve stroji či zařízení. Mazací olej časem v důsledku chemických reakcí mění své složení, což má vliv nejen na vlastní bod nasycení oleje vodou, ale i na vztah mezi bodem nasycení a veličinou a_w. Jev je ilustrován na obr. 2 ukázkou experimentálně zjištěné závislosti mezi a_w a bodem nasycení oleje vodou, platné jednak pro nový a jednak pro již použitý olej určený pro lodní motory.

Široký rozsah použití

Měřit vlhkost kapalin lze v současné době mnoha různými způsoby. Popsaná metoda přímého on-line určování aktivity vody využívá kapacitní senzor s absorpcí vlhkosti. Senzor je tvořen kondenzátorem skládajícím se ze dvou elektrod s dielektrikem uprostřed. Dielektrikum pohlcuje nebo uvolňuje molekuly vody podle stavu okolního prostředí, čímž se mění jeho permitivita a následně kapacitní reaktance senzoru. Aktivita vody v kapalině je úměrná množství vlhkosti pohlcené senzorem, k jehož přednostem patří možnost přímé instalace do olejové náplně, krátká doba odezvy a dobrá chemická odolnost, dovolující jeho použití pro širokou škálu provozních kapalin.

Popsaná metoda přímého měření vlhkosti je vhodná pro široký okruh úloh vyskytujících se v průmyslu – hydraulické systémy, papírenské stroje, mazací systémy turbín, olejové transformátory, provozovny na úpravu olejů atd. V mnoha těchto provozech se s cílem předcházet prostojům a prodloužit dobu provozního života zařízení v současné době používají programy prediktivní údržby.

Nedílnou součástí uvedených programů se nyní stává také přímé a nepřetržité měření vlhkosti oleje cestou měření aktivity vody a_w, které, na rozdíl od tradiční metody měření obsahu vlhkosti v kapalinách v ppm, nabízí komlexnější obraz o stavu sledovaného média. Je to proto, že hodnota a_w:

• vždy indikuje riziko výskytu volné vody v systému,

• správně indikuje rezervu v nasycení média vodou, a to i při změně bodu nasycení média (ať už z jakýkoliv důvodů: změna teploty, stárnutí a změna fyzikálních vlastností média atd.),

• je při měření nezávislá na sledované kapalině: protože jde o princip platný pro všechny kapaliny a pevné látky, lze metodu použít všeobecně pro všechny látky bez ohledu na jejich chemické složení nebo fyzikální vlastnosti.

Závěr

Firma Vaisala nabízí pro měření obsahu vody v oleji přístroj MMT330, dále model MMT318, určený pro zástavbu do finálních zařízení (typ OEM), a také ruční měřidlo MM70. V České republice a na Slovensku firmu Vaisala zastupuje společnost D-Ex Limited, spol. s r. o., se sídly v Brně a v Bratislavě.

Steven Jiroutek, Vaisala,
Nicholas Sheble, InTech

Z anglického originálu Dynamic oil system holds quirks, InTech, 2006, roč. 53, č. 5, přeložil Ing. Miroslav Havlíček, úprava redakce; otištěno se svolením D-Ex Limited, spol. s r. o.

D-Ex Limited, spol. s r. o.
Optátova 37
637 00 Brno
tel.: 541 423 211
fax: 541 423 219
e-mail: info@dex.cz
http://www.dex.cz