Reibungsverluste senken den Wirkungsgrad
Reibungsverluste sind in allen mechanischen, hydromechanischen und pneumatischen Systemen die Hauptursache für einen schlechten Wirkungsgrad. Sie verursachen, dass ein Teil der zugeführten Energie in nicht nutzbare Wärme umgewandelt wird. Diese Wärme kann ihrerseits wieder zu Problemen führen.Reibungsverluste sind in mechanischen Systemen unvermeidlich
Wo immer sich zwei bewegliche Elemente berühren, entsteht Reibung. Dies müssen jedoch nicht unbedingt Festkörper sein. Auch Fluide und Gase reiben sich entlang der Wandung ihrer Leitungen oder an den Schnittstellen der Module und Armaturen. Das Ergebnis ist immer das Gleiche: Die zugeführte Energie wird teilweise in Wärme umgewandelt. Diese Wärme ist nur zum Teil nutzbar. In der Regel muss sie durch aufwändige Kühlsysteme abgeführt werden oder strahlt ungenutzt in die Umgebung ab.
Für hydraulische Anlagen bedeutet dies, dass Reibung den Druck und vor allem die Durchflussgeschwindigkeit in einem hydraulischen System senkt. Den Druck durch eine erhöhte Pumpenleistung wieder zu steigern ist aber nur die zweitbeste Lösung. Ideal ist es stets, die Reibungsverluste in hydraulischen Systemen möglichst umfassend zu minimieren.
Ursachen für Reibungsverluste
Reibung an sich ist zwar unvermeidlich. Sie kann aber durch bestimmte Faktoren begünstigt werden. In geraden Rohrleitungen sind raue Oberflächen an der Innenseite eine typische Ursache für Reibungen. Rohre sollten daher stets so glatt wie möglich sein, um diese Reibungen zu vermeiden bzw. zu minimieren. Abzweigungen, T-Stücke oder eingebaute Module wie Ventile oder Armaturen steigern die Reibungsverluste um ein Weiteres. Auch sind unsaubere Anschlüsse wie in die Strömung ragende Dichtungen, Versätze bei Muffen, schlechte Schweißnähte und hinein ragende Dichtschrauben Ursachen für eine ungewollte Reibung. Doch auch bei strömungstechnisch optimierten Rohren treten Reibung und Reibungsverluste auf.
Reibungsverluste mathematisch erfassen
Die unter optimalen Bedingungen auftretenden Reibungsverluste lassen sich jedoch gut mathematisch fassen. Das ermöglicht es, sie in den geplanten Wirkungsgrad eines hydraulischen Systems mit einzubeziehen. Somit kann das ganze System so optimiert werden, dass es seine gewünschte Leistung bei minimalem Einsatz von Energie entfalten kann. Die Grundlage zur Berechnung der Reibungsverluste ist die so genannte "Rohrreibungszahl". Diese wird wiederum aus der so genannten "Reynolds-Zahl", benannt nach dem Physiker Osbourne Reynolds, berechnet. Sie gibt das Verhältnis aus Massenträgheit eines Mediums zu seiner Zähigkeit an. Die Reynolds-Zahl wird gebildet aus den Faktoren:
- Dichte des Mediums
- Strömungsgeschwindigkeit
- Charakteristische Länge
- dynamische Viskosität
Die Rohrreibungszahl für laminare Strömungen, also Strömungen, die frei von Turbulenzen sind, lässt sich recht einfach ermitteln: Es ist 64/Reynolds-Zahl.
Die meisten Strömungen in hydraulischen Systemen sind jedoch nicht laminar, sondern turbulent. Deren Berechnung ist etwas aufwändiger, jedoch ebenso problemlos möglich. Bei dieser Berechnung wird das Rohrsystem abschnittsweise berechnet und anschließend ein Gesamtwert ermittelt. Ein Teil dieser Berechnung ist die Rauheit im Rohrsystem.
Reibungsverluste praktisch ermitteln
Die theoretisch-mathematische Erfassung der Reibungsverluste in einem hydraulischen System ist recht aufwändig. Dennoch trifft sie nur selten tatsächlich in der voraus berechneten Form zu, sondern erzeugt immer nur einen Näherungswert. Deshalb werden in der Praxis der tatsächliche Wirkungsgrad und daraus die auftretenden Reibungsverluste durch einen einfachen Soll-Ist-Vergleich ermittelt. Das System wird ganz einfach mit einem Medium mit einer definierten Viskosität durchströmt. Aus den Geschwindigkeitsverlusten lässt sich am Ausgang des Systems die Reibungsverluste und damit der Wirkungsgrad bestimmen.