Algehele efficiëntie

Het totale rendement beschrijft in de hydraulica de verhouding tussen het bruikbaar afgegeven vermogen en het toegevoerde vermogen van een hydraulisch onderdeel of een volledig systeem. Het omvat alle energieverliezen en geeft aan hoe efficiënt een hydraulische pomp, een hydraulische motor of een installatie werkt. Een hoog totaal rendement betekent minder vermogensverlies en een lager energieverbruik.

Samenstelling van het totale rendement

Het totale rendement van een hydraulische machine is het product van het volumetrische rendement en het hydromechanische rendement. Beide deelrendementen houden rekening met verschillende verliesmechanismen die in elke verdringer machine voorkomen. Alleen als beide deelrendementen op een hoog niveau liggen, bereikt ook het totale rendement aantrekkelijke waarden.

Volumetrisch rendement

Het volumetrisch rendement beschrijft de verhouding tussen de daadwerkelijk verpompte of opgenomen volumestroom en de theoretisch mogelijke volumestroom. Het verschil ontstaat door interne lekkagestromen die van het hogedruk- naar het lagedrukgebied of naar buiten wegstromen. Spleetgeometrieën bij zuigers, stuurplaten en afdichtingsvlakken vormen de belangrijkste lekkagepaden. Een volumetrisch rendement van 90 procent betekent dat 10 procent van de theoretische volumestroom als lekkage verloren gaat.

De lekkageverliezen zijn sterk afhankelijk van de viscositeit van de hydraulische olie. Bij een lage viscositeit, bijvoorbeeld door hoge bedrijfstemperaturen, nemen de spleetstromen toe en daalt het volumetrisch rendement. Omgekeerd vermindert een hogere viscositeit de lekkage, maar verhoogt tegelijkertijd de wrijvingsverliezen, wat ten koste gaat van het hydromechanische rendement. Dit doelconflict maakt de keuze van de juiste olie en de bedrijfstemperatuur tot een centraal aspect van de efficiëntieoptimalisatie.

Hydromechanisch rendement

Het hydromechanisch rendement omvat alle verliezen die ontstaan door wrijving binnen de machine. Hiertoe behoren vaste-stofwrijving op lagers en afdichtingen, vloeistofwrijving in de spleten en stromingsverliezen bij overgangen en stuurgroeven. Ook het zogenaamde nulvermogensvermogen, dat een pomp al bij drukloos bedrijf moet leveren, behoort tot de hydromechanische verliezen.

Bij stijgende druk neemt het hydromechanisch rendement aanvankelijk toe, omdat het nuttig vermogen in verhouding tot de wrijvingsverliezen toeneemt. Bij zeer lage drukken, bijvoorbeeld onder 10 bar, domineert de wrijving de vermogensbalans en daalt het hydromechanisch rendement aanzienlijk. Dit effect verklaart waarom hydraulische pompen bij deellastbedrijf vaak een aanzienlijk slechter totaalrendement hebben dan bij nominaal bedrijf.

Typische totale rendementen van hydraulische componenten

De haalbare totale rendementen variëren aanzienlijk tussen de verschillende typen. Ontwerpers moeten bij de keuze van pompen en motoren rekening houden met deze verschillen, omdat ze een directe invloed hebben op het energieverbruik en de warmteontwikkeling van de installatie.

Totaalrendementen van hydraulische pompen

Axiale zuigerpompen bereiken de hoogste totale rendementen, omdat de geometrie van hun zuiger-stuurvlak zowel lekkage als wrijvingsverliezen beperkt. Bij het optimale werkpunt, bij drukken van 200 tot 280 bar en toerentallen tussen 1500 en 1800 tpm, liggen de waarden boven de 90 procent. Tandwielpompen hebben een lager rendement vanwege hun relatief grote spleetoppervlakken en het ontbreken van verstelmogelijkheden. Hun kracht ligt eerder in de robuustheid en de lage kosten dan in de efficiëntie.

Totale rendementen van hydraulische motoren

Hydraulische motoren bereiken bij een vergelijkbaar ontwerp vaak een iets hoger totaalrendement dan pompen. De reden hiervoor is dat motoren geen actieve verplaatsing tegen een drukweerstand hoeven te leveren, maar de druk omzetten in een draaiende beweging. De verliesmechanismen zijn vergelijkbaar, maar de verhouding verschuift: bij motoren wegen de stromingsverliezen aan de inlaatkanalen minder zwaar dan de verliesverliezen bij pompen.

Factoren die van invloed zijn op het totale rendement

Het totale rendement is geen vast getal, maar hangt sterk af van de bedrijfsomstandigheden. Dezelfde axiale zuigermotor kan, afhankelijk van het bedrijfspunt, rendementen tussen 60 en 94 procent hebben. Wie installaties ontwerpt of exploiteert, moet deze afhankelijkheden kennen om de componenten in het meest efficiënte werkgebied te laten draaien.

Druk en toerental

De systeemdruk beïnvloedt het totale rendement via beide deelrendementen. Bij stijgende druk nemen de lekkagestromen toe, wat het volumetrische rendement verlaagt. Tegelijkertijd stijgt het hydromechanische rendement, omdat de wrijvingsverliezen ten opzichte van het overgedragen vermogen afnemen. Per saldo resulteert dit voor de meeste pompen en motoren in een maximale efficiëntie in het bereik van de nominale druk. Onder 10 bar daalt de totale efficiëntie drastisch.

Het toerental heeft eveneens invloed op beide deelrendementen, maar in tegengestelde richting. Hogere toerentallen verbeteren het volumetrisch rendement, omdat de lekkage per omwenteling constant blijft, maar het verpompte debiet toeneemt. Tegelijkertijd nemen de wrijvingsverliezen toe, met name de vloeistofwrijving in de spleten. Ook hier is er een optimaal toerentalbereik, dat varieert naargelang de bouwgrootte en het type.

Viscositeit en temperatuur

De viscositeit van de hydraulische olie is een van de sterkste factoren die het totale rendement beïnvloeden. Bij een optimale viscositeit, die voor de meeste industriële toepassingen tussen 30 en 50 mm²/s ligt, behalen pompen en motoren hun beste waarden. Als de viscositeit hoger of lager is, verslechtert een van de twee deelrendementen onvermijdelijk.

Hoge bedrijfstemperaturen verlagen de viscositeit en verhogen de lekkage, terwijl lage temperaturen de viscositeit doen stijgen en de wrijving versterken. Een getemperde olietoevoer, die de hydraulische olie binnen het optimale viscositeitsbereik houdt, verbetert het totale rendement duurzaam. In de praktijk behalen installaties met olietemperatuurregeling vaak een rendement dat enkele procentpunten hoger ligt dan dat van niet-getemperde systemen.

Deellastbedrijf

Bij deellastbedrijf, dus bij een lager debiet of toerental, daalt het totale rendement bij bijna alle typen aanzienlijk. Verstelbare pompen, die hun verplaatsingsvolume tot een klein deel terugbrengen, werken met sterk verhoogde relatieve lekkageverliezen. Ook het vermogen bij nulverplaatsing speelt een rol bij kleine verstellingen. Bij schuine-asmotoren die teruggaan tot minder dan 30 procent van hun maximale verstelling, kan het totale rendement 10 tot 20 procentpunten onder de nominale waarde dalen.

Dit verband is vooral relevant voor toepassingen met een sterk fluctuerende vermogensbehoefte. Hier bieden systemen met meerdere pompen of lastafhankelijke regelingen voordelen, omdat ze de actieve pompen altijd binnen een werkingsgebied met een gunstig rendement kunnen houden.

Meting en normalisatie van het totale rendement

De centrale norm voor het meten van het rendement van hydraulische verdringingsmachines is ISO 4409. Deze norm definieert de testprocedures voor hydraulische pompen, motoren en compacte tandwielkasten, inclusief de opbouw van de testbank, de plaatsing van de sensoren en de testprocedure. De meetnauwkeurigheid wordt ingedeeld in klassen, waarbij klasse B gebruikelijk is voor de meeste industriële toepassingen.

Op een testbank volgens ISO 4409 worden druk, koppel en volumestroom gelijktijdig geregistreerd. Uit deze meetgrootheden kunnen zowel het volumetrische als het hydromechanische rendement worden bepaald en daaruit het totale rendement worden berekend. De norm zorgt ervoor dat de resultaten van verschillende fabrikanten vergelijkbaar zijn.

De DIN EN ISO 4413 regelt daarentegen de veiligheidstechnische eisen voor hydraulische installaties en bevat geen directe voorschriften voor het meten van het rendement. Toch is deze norm relevant voor exploitanten van installaties, omdat deze eisen stelt aan het ontwerp die indirect van invloed zijn op de efficiëntie, zoals de eis dat installaties zo moeten worden ontworpen dat ze geen onnodige warmte produceren.

Betekenis van het totale rendement voor het ontwerp van de installatie

Het totale rendement heeft directe gevolgen voor het ontwerp van een hydraulische installatie. Elk procent vermogen dat in de pomp of motor verloren gaat, wordt omgezet in warmte. Deze warmte moet via koelers worden afgevoerd, wat extra energie en installatieruimte vereist. Een pomp met een totaal rendement van 85 procent zet 15 procent van het aandrijfvermogen om in warmte. Bij een aandrijfvermogen van 100 kW is dat 15 kW vermogensverlies, wat de oliekoeler belast.

Ontwerpers die het totale rendement al in de ontwerpfase optimaliseren, verminderen niet alleen het energieverbruik van de installatie, maar ook de kosten voor koeling en filtering. In industriële installaties die continu in bedrijf zijn, zoals spuitgietmachines of persen, verdient de inzet van efficiëntere componenten zich vaak binnen enkele jaren terug door de bespaarde energiekosten.

Maatregelen ter verbetering van het totale rendement

Verschillende benaderingen helpen om het totale rendement van een hydraulisch systeem te verbeteren of op een hoog niveau te houden:

• Componentkeuze: De keuze van het juiste type voor de betreffende toepassing is de belangrijkste hefboom. Axiale zuigerpompen en -motoren bieden bij wisselende belastingen de beste voorwaarden voor een hoog rendement.
• Optimalisatie van het werkpunt: pompen en motoren moeten zo dicht mogelijk bij hun maximale rendement worden gebruikt. Lastafhankelijke regelingen helpen om het werkpunt aan te passen.
• Olietemperatuurbeheer: Een getemperde olietoevoer houdt de viscositeit binnen het optimale bereik en voorkomt rendementsverlies door te hoge of te lage temperaturen.
• Onderhoud en conditiebewaking: Slijtage aan zuigers, stuurplaten en afdichtingen verhoogt de lekkage en verlaagt het volumetrisch rendement. Regelmatige olieanalyses en druk-volumestroommetingen detecteren rendementsverliezen in een vroeg stadium.
• Systeemarchitectuur: systemen met meerdere pompen, load-sensing-regelingen en toerentalgeregelde aandrijvingen verminderen deellastverliezen en verbeteren het totale rendement van de installatie.

Ontwikkelingstrends

De eisen aan de energie-efficiëntie van hydraulische systemen nemen voortdurend toe, aangedreven door wettelijke voorschriften en economische druk. Fabrikanten ontwikkelen pompen en motoren met geoptimaliseerde spleetgeometrieën die de lekkage verminderen zonder de wrijving te verhogen. Nieuwe coatingprocessen voor zuigers en stuurwielen verminderen de slijtage en stabiliseren het totale rendement gedurende de levensduur.

Bovendien winnen toerentalgeregelde aandrijfconcepten aan belang. Ze maken het mogelijk om het debiet niet door verstelling van de pomp, maar door aanpassing van het motortoerental te regelen. Hierdoor vallen de verstelverliezen weg en verbetert het totale rendement aanzienlijk, met name bij deellastbedrijf. Sensortechnologie die druk, temperatuur en debiet direct op het onderdeel meet, maakt bovendien een in realtime geoptimaliseerde regeling mogelijk.