يُعد حساب الحرارة المُولّدة من الأختام الميكانيكية مهمةً مُعقّدةً وحساسةً في صناعة الآلات. يحتاج المهندسون إلى تحديد حرارة الأختام بدقةٍ لمنع الأعطال وتحسين الأداء.
بدون فهم واضح للمعلمات والصيغ الأساسية المعنية، يمكن ارتكاب أخطاء باهظة الثمن تؤدي إلى انخفاض الكفاءة وزيادة وقت التوقف وحتى عواقب كارثية فشل الختم.
في منشور المدونة هذا، سنشرح خطوة بخطوة كيفية الحساب ختم آلي الحرارة. سنغطي هندسة الختم الأساسية، وظروف التشغيل، وخصائص المواد التي يجب مراعاتها. ستتعلم الصيغ الرئيسية، بما في ذلك معادلة امتصاص الحرارة API 682، وستشاهد مثالاً عمليًا لحسابها.
هندسة الختم وأبعاده
- الأقطار الخارجية لـ وجوه الفقمة:الأقطار الخارجية لسطوح الختم الدوارة والثابتة. تؤثر هذه الأبعاد على مساحة الاحتكاك، وبالتالي على توليد الحرارة.
- الأقطار الداخلية لأوجه الختم:الأقطار الداخلية لسطوح الختم الدوارة والثابتة. إلى جانب الأقطار الخارجية، تُحدد الأقطار الداخلية منطقة الختم.
- متوسط قطر الوجه:متوسط أقطار سطحي الختم الخارجي والداخلي. يُستخدم متوسط القطر لحساب سرعة الاحتكاك الخطي بناءً على سرعة الدوران.
شروط التشغيل
- سرعة الدوران:السرعة التي يتحرك بها العمود والدوران مكونات الختم الدوران، والذي يُعبَّر عنه عادةً بعدد الدورات في الدقيقة (RPM). تُولِّد السرعات العالية حرارة احتكاكية أكبر.
- فرق الضغط: الفرق في ضغط السائل بين جانب الضغط العالي وجانب الضغط المنخفض للختم. تزداد فروق الضغط العالي ضغط التلامس بين الختم الوجوه، مما يؤدي إلى احتكاك أكبر وحرارة أكبر.
- لزوجة السوائل:مقياس مقاومة السائل للتدفق. تميل السوائل ذات اللزوجة العالية إلى توليد قصّ واحتكاك هيدروديناميكي أكثر لزوجة في سطح الختم.
- درجة الحرارة:تؤثر درجة حرارة التشغيل على خصائص السوائل والتمدد الحراري لمكونات الختم مما يؤثر على هندسة الواجهة وتوليد الحرارة.
خصائص المواد
- الموصلية الحراريةقدرة مواد سطح الختم على توصيل الحرارة. تسمح الموصلية الحرارية العالية بتبديد الحرارة بكفاءة أكبر عبر مكونات الختم.
- حرارة نوعية:كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة مواد الختم بدرجة واحدة. المواد ذات القيم الحرارية النوعية الأعلى تمتص طاقة حرارية أكبر.
- كثافة: كتلة وحدة الحجم لمواد الختم. تُؤخذ الكثافة في الاعتبار عند حساب السعة الحرارية والقصور الحراري لمكونات الختم.
صيغ لحساب الحرارة بواسطة الأختام الميكانيكية
صيغة توليد الحرارة الاحتكاكية
تُستخدم معادلة توليد الحرارة الاحتكاكية لحساب كمية الحرارة المتولدة عند سطح الختم نتيجة الحركة النسبية بين أسطح الختم. والمعادلة كالتالي:
H = f × P × Vأين:
- H هو توليد الحرارة الاحتكاكية (W)
- f هو معامل الاحتكاك (بدون أبعاد)
- P هو جهة الاتصال الضغط بين الختم الوجوه (باسكال)
- V هي سرعة الانزلاق (م/ث)
يعتمد معامل الاحتكاك على عوامل مختلفة، مثل مادة سطح الختم، وخصائص سائل التشحيم، وخشونة السطح. يُحدَّد ضغط التلامس بقوة الزنبرك والضغط الهيدروليكي المؤثرين على أسطح الختم. تُحسب سرعة الانزلاق بناءً على قطر العمود وسرعة الدوران.
معادلة امتصاص الحرارة API 682
يوفر معيار معهد البترول الأمريكي (API) رقم 682 معادلة مبسطة لتقدير امتصاص الحرارة لمانع التسرب الميكانيكي. يمثل امتصاص الحرارة كمية الحرارة التي يمتصها السائل المُحكم والمكونات المحيطة به. معادلة امتصاص الحرارة وفقًا لمعيار API 682 هي كما يلي:
Q = k × D × Nأين:
- Q هو امتصاص الحرارة (W)
- k هو عامل الختم (W/mm/rpm)
- D هو قطر العمود (مم)
- N هي سرعة دوران العمود (دورة في الدقيقة)
معامل الختم (k) هو قيمة تجريبية تعتمد على نوع الختم وحجمه وظروف التشغيل. يوفر معيار API 682 قيمًا موصى بها لمعامل الختم لمختلف ترتيبات وتطبيقات الختم.
مثال عملي: حساب خطوة بخطوة
لنأخذ مثالاً عملياً لتوضيح حساب توليد الحرارة الاحتكاكية وامتصاص الحرارة لمانع تسرب ميكانيكي. لنفترض أن لدينا مانع تسرب ميكانيكي واحد بالمعلمات التالية:
- قطر العمود (د): 50 مم
- سرعة الدوران (نيوتن): 3,000 دورة في الدقيقة
- ضغط اتصال وجه الختم (P): 1 ميجا باسكال
- معامل الاحتكاك (f): 0.1
- عامل ختم API 682 (ك): 0.5 واط/مم/دورة في الدقيقة
الخطوة 1: احسب سرعة الانزلاق (V)
V = π × D × N / 60,000
V = π × 50 mm × 3,000 rpm / 60,000
V = 7.85 m/sالخطوة 2: حساب توليد الحرارة الاحتكاكية (H)
H = f × P × V
H = 0.1 × 1,000,000 Pa × 7.85 m/s
H = 785 Wالخطوة 3: احسب امتصاص الحرارة (Q) باستخدام معادلة API 682
Q = k × D × N
Q = 0.5 W/mm/rpm × 50 mm × 3,000 rpm
Q = 75,000 W = 75 kWفي هذا المثال، تبلغ طاقة توليد الحرارة الاحتكاكية 785 واط، وطاقة امتصاص الحرارة 75 كيلو واط. تُقدم هذه القيم فهمًا دقيقًا للحمل الحراري على نظام العزل، وتساعد في اختيار مواد العزل المناسبة، وسوائل التبريد، وطرق تبديد الحرارة.
