Der Hydrauliköltank ist eine wesentliche Komponente in vielen Hydrauliksystemen. Neben der Funktion eines Ausgleichsbehälters für das Hydraulik-Öl hat der Tank aber noch viele weitere Funktionen. So wird häufig die Be- und Entlüftung das Systems über den Tank erfolgt, ebenso die Ölaufbereitung und Filterung. Zusätzlich trägt der Tank auch einen wesentlichen Beitrag zum Wärmemanagement der Anlage bei.
Richtwerte für die Tankgröße bei mobiler und stationärer Hydraulik
Die Hauptfunktion ist der Ausgleich der Hydraulikflüssigkeit. Entsprechend muss die maximale Entnahmemenge immer gewährleistet sein, damit die Ölpumpe stets Öl fördern kann. In den meisten Fällen kann diese Versorgung etwaige Flüssigkeitsverluste durch Verdunstung oder Leckagen jeglicher Art ausgleichen. Der Tank ist so konzipiert, dass sich die verwendete Hydraulikflüssigkeit leicht ausdehnen kann, um eine einfache Kühlung zu ermöglichen. Damit sich Luft und teilweise auch Schmutz abscheiden können und sich das Öl beruhigen kann, gelten folgende Empfehlungen:
Bei Mobilhydraulik werden häufig der anderthalb- bis zweifacher Volumenstrom der Hydraulikpumpe. Bei stationären Anlagen drei- bis fünffacher Volumenstrom der Hydraulikpumpe.
Die optimale Bauform des Tanks
Bei größeren Behältern werden zusätzlich häufig sogenannte Schwallwände eingebaut. Durch diese Maßnahme kann sich das Öl besser beruhigen. Ansaug- und Rücklaufleitungen sollten möglichst weit auseinander liegen, um eine optimale Durchströmung zu gewährleisten, ohne das Öl aufzuschäumen. Ansaugstutzen und Rücklaufleitungen dürfen dabei nicht bündig zum Boden angebracht sein und sollten in einem Winkel von 45° abgeschrägt werden. Dadurch wird das Ansaugen von Schlamm und übermäßige Aufwirbelungen verhindert. Rücklaufleitungen und Leckölleitungen müssen immer unter Ölniveau angebracht werden, damit das System über diese Leitungen keine Luft nachsaugen kann. Wartungsdeckel und Abflusshähne am Tank erleichtern die Reinigung bzw. den Ölwechsel.
Ölqualität
Die Reinheit des Druckmediums ist Voraussetzung für den sicheren Betrieb eines Hydrauliksystems und dafür, dass alles störungsfrei läuft. Deshalb kommt es beim Hydrauliköl auf die richtige Auswahl an und darauf, es regelmäßig zu pflegen und zu wechseln. Je höher die Komplexität eines hydraulischen Systems, desto höher die Anforderungen an die Reinheit des Hydrauliköls. Aus diesem Grund schreiben alle Hersteller spezifische Reinheitsklassen nach DIN ISO4406 vor. Dies ist vor dem Hintergrund der Filterung zu beachten.
Die Tankbelüftung
Damit während des Betriebs ein Druckausgleich bei schwankendem Ölstand (z.B. durch das Aus- und Einfahren von Zylindern) gewährleistet ist, muss ein geeigneter Belüftungsfilter im Behälter eingebaut sein. Die Druckkompensation ist wichtig, da das Ölniveau in einem Hydrauliktank variieren kann. Gründe dafür sind z.B. Temperaturschwankungen, Betriebsbedingungen und Bewegung eingesetzter Arbeitszylinder.
Ohne einen angemessenen Luftaustausch könnten die Schwankungen zu unzulässigen Druckverhältnissen im Tank und sogar Schäden führen. Dieser muss den maximalen Luftstrom, der durch Entnahme bzw. Rückführung entstehen kann, ohne Druck ausgleichen können. Die dabei ausgetauschte Luft muss die Minimalanforderungen des Verschmutzungsgrades (entsprechend der Ölfiltrierung) jederzeit einhalten können.
Technisch gesehen erfüllen Belüftungsfilter zwei Hauptfunktionen. Sie lassen Luft in den Tank ein, um einen Unterdruck zu vermeiden. Und sie lassen Luft aus, um einen Überdruck zu verhindern. Während dieses Prozesses filtern sie effektiv Partikel und Verunreinigungen aus der Luft. Diese könnten sonst in das System gelangen und die Hydraulikflüssigkeit verschmutzen. Moderne Belüftungsfilter sind zudem in der Lage, Feuchtigkeit aus der Luft zu absorbieren. Dies verhindert die Bildung von Kondenswasser im Tank und minimiert so Qualitätsminderungen der eingesetzten Hydraulikflüssigkeit.
Einsatz von Rücklauffiltern
Rücklauffilter haben die Aufgabe, Flüssigkeit zu filtern und zu verhindern, dass Partikel von außen oder durch internen Verschleiß von Komponenten in das System gelangen. Diese Filter werden normalerweise eingetaucht in den Behälter eingebaut. Die Position der Filter stellt sicher, dass die Rücklaufflüssigkeit unter allen Betriebsbedingungen eingetaucht ist, wodurch die Bildung von Schaum und Wirbeln im Tank verhindert wird, die zu Belüftung und Kavitation in Pumpen führen können. Der Behälter und das Filterelement können zur Wartung einfach aus dem Gehäuse entfernt werden, ohne dass der Filter vom restlichen System getrennt werden muss.
Die Kühlleistung von Ölbehältern
Die mögliche Wärmeabstrahlung eines Behälters hängt im Wesentlichen von der Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen dem Öl und der umgebenen Luft sowie der Abstrahlfläche ab. Daneben ist die Luftzirkulation, welche durch Standort und Behälterform beeinflusst wird, von Bedeutung. Es handelt sich hierbei um Konvektion als wesentlichen Wärmemechanismus. In Gleichungen ausgedrückt bedeutet dies
Q=a x A x (T_o – T_u)
Bei Hydrauliksystemen mit konstanter Leistungsabgabe (z.B. Hydromotoren) und längerer Betriebsdauer ist die Kühlleistung meist ungenügend. Als Beispiel nehmen wir einen 100 l Tank in Würfelform an. Die Kanten haben eine länge von 0,5 m, somit beträgt die Wärmeübertragefläche rund 1,5 m². Der Würfel ist nicht aktiv belüftet und hat einen Wärmeübergangskoeffzienten von a=15 W/m²K. Ein Behälter mit 100 l Inhalt kann z.B. bei einer Temperaturdifferenz von 30° C eine Verlustleistung von 0,675 kW abstrahlen.
Ist die zugeführte Wärmemenge nun dauerhaft größer als die berechneten 0,675 kW würde die Flüssigkeit permanent weiter aufheizen. Um das zu vermeiden, werden auch Ölkühler ausgelegt.
Zusätzliche Ölkühlung
Bei bereits in Betrieb genommenen Anlagen mit Wärmeproblemen kann die erforderliche Kühlleistung ebenfalls berechnet werden. Dafür muss die Temperaturerhöhung (°C) und die dabei verstrichene Zeit gemessen werden. Formal ausgedrückt
Q=1/t x cp x V x (T1 – T2)
Als Beispiel für eine bestehende Anlage mit einem Hydraulikölbehälter mit 100 l Inhalt steigt die Öltemperatur in 30 Minuten von 20°C auf 70°C. Aus diesen Angaben lässt sich bereits die benötigte Kühlleistung ermitteln.
Berechnungsbeispiel
ΔT (°C) = Temperaturerhöhung (70°C – 20°C = 50°C)
t (s) = Betriebszeit (30 min x 60 s)
V (l) = Tankinhalt (100 l)
Cp = Wärmekapazität: 1,89 kJ/kgK
(50 × 1,89 × 100) : (30 × 60) = 5,25 kW
Der benötigte Ölkühler muss eine Minimalleistung von 5,25 kW kühlen können.
Fazit
Der Hydrauliktank ist weit mehr als nur der Ausgleichbehälter für das Hydraulikmedium. Im Tank werden häufig die Filter für das Öl und Belüftung verbaut, der Tank leistet einen Beitrag zum Wärmemangement und bereitet das Öl für die Förderung in Pumpen vor.