Theo dõi sự lão hóa và hiệu suất của chất lỏng làm mát được sử dụng trong các quy trình gia công

Vi bọt khí và hành vi tạo bọt của chất làm mát mới và đã qua sử dụng

Trong nhiều lĩnh vực của sản xuất công nghiệp, chất làm mát là yếu tố thiết yếu nhằm đảm bảo quá trình gia công, chất lượng của các chi tiết được sản xuất cũng như tuổi thọ của máy móc. Bên cạnh các yêu cầu khác, các chất lỏng này được thiết kế để có khả năng tách khí tối đa và khả năng tạo bọt tối thiểu.Rút gọn bằng AI

Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, các chất làm mát này có thể bị biến đổi, dẫn đến hiệu quả làm mát giảm. Khách hàng của chúng tôi mong muốn theo dõi hành vi này nhằm tối ưu hóa các quy trình mài tại một cơ sở sản xuất quy mô lớn.

Sau một loạt các thử nghiệm nhằm phân biệt giữa dầu làm mát mới và đã qua sử dụng dựa trên các phương pháp phân tích hóa học tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm cũng như các phép thử bọt thủ công, khách hàng của chúng tôi đã liên hệ với chúng tôi để được tư vấn và hỗ trợ thêm cho dự án này.

Một bài báo của hãng Kruss Scientific đã nghiên cứu về bọt trên các mẫu chất làm mát mới và đã sử dụng của hai loại chất làm mát khác nhau, được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Ứng dụng & Khoa học của KRÜSS. Chúng tôi đã tìm ra một quy trình đo lường cho phép giám sát sự thay đổi của các chất làm mát này một cách đáng tin cậy và có độ tái lặp rất cao.

Chất nền làm mát trong thí nghiệm

Tại các cơ sở sản xuất, khách hàng của chúng tôi sản xuất nhiều loại chi tiết kim loại khác nhau như vòng bi. Các bước gia công quan trọng trong chế tạo kim loại bao gồm gia công với chất làm mát nền nước hoặc dầu. Trong đó, các chất làm mát này là một trong những yếu tố chính nhằm đảm bảo chất lượng cơ học và vật lý của sản phẩm.

Bọt và không khí phân tán trong các hệ nước/dầu có hiệu quả làm mát (khả năng truyền nhiệt) thấp hơn và đặc tính dòng chảy kém thuận lợi so với chất lỏng tinh khiết. Vì lý do này, các chất làm mát được thiết kế để có khả năng tạo bọt tối thiểu đồng thời khả năng tách khí cao. Tuy nhiên, chất làm mát sẽ thay đổi theo thời gian, điều này có thể dẫn đến khả năng tách khí giảm, tức là hàm lượng không khí phân tán tăng lên. Những ảnh hưởng này của quá trình sử dụng sẽ làm giảm hiệu quả làm mát.

Tại một số cơ sở sản xuất, nhiều máy móc được kết nối với một hệ thống cung cấp trung tâm, có thể chứa tới 100.000 L chất làm mát. Do đó, việc xác định chính xác thời điểm cần điều chỉnh hoặc thậm chí thay thế chất làm mát là rất hiệu quả về mặt chi phí.

Vì lý do này, và quan trọng hơn là để duy trì các tiêu chuẩn chất lượng cao, khách hàng của chúng tôi đã tìm kiếm một phương pháp thực nghiệm nhằm giám sát các ảnh hưởng có thể xảy ra do quá trình sử dụng chất làm mát. Quan sát trực quan đơn giản không thể phân biệt được dầu mới và dầu đã qua sử dụng (xem Hình 1). Ngay cả các phương pháp phức tạp hơn, bao gồm các kỹ thuật phân tích hóa học phòng thí nghiệm thông dụng, cũng không cho thấy sự khác biệt nào giữa dầu mới và dầu đã sử dụng.

Do không khí phân tán trong chất lỏng có thể liên quan đến hiện tượng tạo bọt, ban đầu khách hàng của chúng tôi đã tiến hành các nghiên cứu về bọt bằng phương pháp lắc thủ công các cột thủy tinh để tạo bọt. Tuy nhiên, không thu được dữ liệu có khả năng tái lặp, do đó không đáng tin cậy, đặc biệt là do sự khác biệt trong thao tác thủ công giữa các người vận hành khác nhau. Đây chính là thời điểm khách hàng của chúng tôi liên hệ với KRÜSS để được tư vấn cũng như sử dụng thiết bị phân tích bọt tiên tiến hơn.

Tiến hành thí nghiệm

Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát hai loại chất làm mát dựa trên dầu khoáng có độ tinh chế cao và độ nhớt thấp từ hai nhà cung cấp khác nhau. Trong báo cáo này, các sản phẩm được ẩn danh và được ký hiệu là Loại A và Loại B.

Tất cả các thí nghiệm được thực hiện bằng Thiết bị phân tích bọt động – DFA100 (để biết thêm chi tiết về các phương pháp thực nghiệm, vui lòng tham khảo [1], [2]). DFA100 cung cấp hai phương pháp tạo bọt tự động: khuấy (stirring) và sục khí (sparging). Các chất làm mát được thiết kế để có khả năng tách khí cao nhất đồng thời khả năng tạo bọt thấp nhất, tức là các chất tạo bọt thấp.

Nhìn chung, sục khí là phương pháp tạo bọt được ưu tiên hơn so với khuấy đối với các chất tạo bọt thấp, vì phương pháp này có khả năng tạo ra lượng bọt lớn hơn nhiều, từ đó đảm bảo độ chính xác tương đối cao hơn cho dữ liệu thu thập được. Thực tế, các thử nghiệm sơ bộ với các mẫu sử dụng phương pháp khuấy không tạo ra đủ thể tích bọt.

Khi sử dụng sục khí làm phương pháp tạo bọt, lượng bọt tạo thành không nhất thiết tăng tuyến tính theo lưu lượng khí được đưa vào. Do đó, các thử nghiệm sơ bộ giúp xác định lưu lượng khí tạo ra lượng bọt lớn nhất. Đối với các mẫu được khảo sát trong nghiên cứu này, thể tích bọt tối đa được tạo ra ở lưu lượng cao nhất có thể là 1 L/phút.

Cuối cùng, các điều kiện thí nghiệm sau đây đã được sử dụng để so sánh tốt nhất các mẫu:

• Nhiệt độ: 20–27 °C

• Thể tích mẫu: 100 mL, được nạp bằng cách làm ướt trước thành trong của cột thủy tinh bằng pipet thủy tinh 100 mL

• Frit: frit lọc dùng một lần (FL4520), giúp giảm tối thiểu công việc làm sạch giữa các lần đo riêng biệt

• Vòng làm kín: Viton (FL4506)

• Khí: không khí

• Lưu lượng: 1 L/phút

• Nguồn sáng: nguồn sáng IR với cường độ 15%

Các phép đo được thực hiện theo chương trình cài đặt trong phần mềm KRÜSS ADVANCE:

Hình 3 trình bày một bộ dữ liệu thô điển hình cùng với các ranh giới chất lỏng–không khí và chất lỏng–bọt được phát hiện đối với dầu đã qua sử dụng loại B.

Có thể thấy rằng chất lỏng được tạo bọt ba lần liên tiếp. Mỗi đỉnh tương ứng với chiều cao bọt tối đa được tạo ra khi 150 mL không khí được đưa vào chất lỏng. Lớp bọt này phân rã nhanh chóng, và sau một khoảng thời gian chờ nhất định, cùng một mẫu chất lỏng lại tiếp tục được tạo bọt.

Trong Hình 3, chúng tôi cũng đánh dấu hai vùng màu xám khác nhau trong mỗi chu kỳ, các vùng này có nguồn gốc hoặc từ bọt thuần, hoặc từ các bọt khí rất nhỏ phân tán trong chất lỏng bên dưới lớp bọt. Giữa hai chu kỳ liên tiếp, chất lỏng trở nên trong suốt trở lại và do đó xuất hiện màu trắng trong ảnh dữ liệu thô.

Đối với các chất lỏng có khả năng tạo bọt thấp như vậy, chúng tôi nhận thấy rằng, ngoài bước làm ướt trước ban đầu của cột thủy tinh, việc thực hiện các phép đo theo chu kỳ làm tăng đáng kể độ lặp lại của các đường cong chiều cao bọt được phát hiện.

Nguyên nhân là do quá trình tạo bọt và phân rã bọt cũng có thể bị ảnh hưởng bởi sự tương tác giữa chất lỏng và thành thủy tinh, đặc biệt là bởi các bất đồng nhất hóa học và vật lý trên bề mặt.

Như thể hiện trong Hình 3, chiều cao bọt tối đa của chu kỳ thứ nhất cao hơn so với chu kỳ thứ hai và thứ ba. Các phép đo của chu kỳ thứ hai và thứ ba cho thấy độ lặp lại rất cao. Ngoài ra, khi chỉ xem xét chu kỳ đầu tiên, độ lặp lại giữa các mẫu không hoàn hảo, nhưng trở nên rất tốt khi tập trung vào chu kỳ số 2 và 3. Điều này được minh họa trong Hình 4, thể hiện chu kỳ thứ 2 và thứ 3 được đo trong hai thí nghiệm khác nhau đối với dầu mới và dầu đã qua sử dụng của loại A.

Đối với dầu loại B, chúng tôi cũng thu được chất lượng dữ liệu tương tự (không trình bày ở đây để đơn giản hóa). Chu kỳ đầu tiên của mỗi thí nghiệm có thể được hiểu như một bước tiền điều kiện / làm ướt trước cột thủy tinh, giúp đảm bảo độ lặp lại tốt cho các chu kỳ tiếp theo.

Đối với cả hai loại dầu, chúng tôi nhận thấy rằng tổng chiều cao bọt được xác định trong chu kỳ thứ 2 và thứ 3 là cao hơn đáng kể đối với dầu đã qua sử dụng so với dầu mới.

Hình 5 chỉ trình bày một phép đo cho dầu mới và dầu đã qua sử dụng của loại A và loại B. Từ hình này có thể thấy rằng các đường cong của dầu mới rất tương đồng với nhau, cho thấy lượng bọt tạo thành rất nhỏ và phân rã gần như ngay lập tức sau khi quá trình sục không khí dừng lại. Tuy nhiên, các loại dầu đã qua sử dụng có thể được phân biệt rõ ràng dựa trên chiều cao bọt tối đa và tốc độ phân rã của bọt.

Tóm lại, với quy trình đo được mô tả trong nghiên cứu này, chúng tôi đã trình bày một phương pháp thực nghiệm cho phép phân biệt một cách đáng tin cậy và có độ lặp lại rất cao giữa mẫu dầu mới và dầu đã qua sử dụng của cùng một loại, cũng như giữa các loại dầu đã qua sử dụng khác nhau.

Cho đến nay, điều này chưa thể thực hiện được bằng các phương pháp thực nghiệm khác, và chính kết quả này đã thúc đẩy việc khởi động một nghiên cứu quy mô lớn hơn với thiết bị DFA100 tại cơ sở của khách hàng, trong đó so sánh hơn hai loại dầu khác nhau và nhiều trạng thái sử dụng.

Trong nghiên cứu mở rộng này, khách hàng của chúng tôi sử dụng phân tích kết hợp giữa chiều cao bọt tối đa đo được và thời gian phân rã tương đối cần thiết để tổng chiều cao giảm xuống còn 10% giá trị cực đại. Dựa trên các kết quả thu được, khách hàng hiện nay có thể áp dụng một phương pháp thực nghiệm đáng tin cậy để theo dõi khả năng sử dụng của chất làm mát, thông qua việc đo lường hành vi tạo bọt của chúng.

Kết luận

Sử dụng KRÜSS Dynamic Foam Analyzer – DFA100 và phương pháp sục khí (sparging) để tạo bọt, chúng tôi đã xác định được một quy trình thực nghiệm đáng tin cậy, hỗ trợ khách hàng trong việc theo dõi các thay đổi liên quan đến quá trình sử dụng của các chất làm mát gốc hydrocarbon dùng trong máy móc sản xuất.

Mỗi mẫu được đưa vào cột thủy tinh của DFA100 sẽ được tạo bọt liên tiếp ba lần, với khoảng thời gian chờ nhất định giữa các chu kỳ, nhằm đảm bảo rằng bọt tạo thành đã sụp hoàn toàn trước khi bắt đầu chu kỳ tiếp theo. Chu kỳ đầu tiên được sử dụng như một bước tiền xử lý / làm ướt trước cho cột thủy tinh.

Chỉ chiều cao bọt tối đa và thời gian cần thiết để bọt phân rã xuống còn 10% chiều cao cực đại, được xác định từ chu kỳ thứ hai và thứ ba, mới được sử dụng làm tham số kết quả để đặc trưng cho hiệu suất và/hoặc trạng thái sử dụng của các loại chất làm mát khác nhau.

Với quy trình và các tham số đánh giá được mô tả trong nghiên cứu này, khách hàng của chúng tôi hiện đang mở rộng nghiên cứu sang nhiều loại chất làm mát hơn, đồng thời tối ưu hóa công tác giám sát quy trình và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Để tìm hiểu thêm về DFA100 và các thiết bị kiểm tra bọt, vui lòng liên hệ với chúng tôi để được hỗ trợ tư vấn trực tiếp.

Tài liệu tham khảo:

• [1] Katrin Oetjen, Christine Bilke-Krause, Mania Madani, Thomas Willers: Temperature effect on foamability, foam stability, and foam structure of milk. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 460 (2014) 280–285
• [2] Investigating the foaming behavior of cooling lubricants and the effect of foam inhibitors (antifoams). KRÜSS Application Report AR279