So berechnen Sie die Wärme durch eine Gleitringdichtung

Die Berechnung der von Gleitringdichtungen erzeugten Wärme ist in der Maschinenbauindustrie eine komplexe, aber kritische Aufgabe. Ingenieure müssen die Dichtungswärme genau bestimmen, um Ausfälle zu vermeiden und die Leistung zu optimieren.

Ohne ein klares Verständnis der wichtigsten Parameter und Formeln können kostspielige Fehler passieren, die zu einer verringerten Effizienz, längeren Ausfallzeiten und sogar zu katastrophalen Dichtungsfehlern führen.

In diesem Blogbeitrag erklären wir Schritt für Schritt, wie man die Wärme einer Gleitringdichtung berechnet. Wir behandeln die wesentliche Dichtungsgeometrie, Betriebsbedingungen und Materialeigenschaften, die zu berücksichtigen sind. Sie lernen die wichtigsten Formeln kennen, einschließlich der Wärmespeichergleichung API 682, und sehen eine praktische Beispielberechnung.

Dichtungsgeometrie und -abmessungen

• Außendurchmesser der Dichtungsflächen: Die Außendurchmesser der rotierenden und stationären Dichtungsflächen. Diese Abmessungen beeinflussen die Fläche, die der Reibung und damit der Wärmeentwicklung ausgesetzt ist.
• Innendurchmesser der Dichtungsflächen: Die Innendurchmesser der rotierenden und stationären Dichtungsflächen. Zusammen mit den Außendurchmessern definieren die Innendurchmesser den Dichtungsbereich.
• Mittlerer Gesichtsdurchmesser: Der Durchschnitt der äußeren und inneren Dichtfläche Durchmesser. Der mittlere Durchmesser wird zur Berechnung der linearen Reibgeschwindigkeit basierend auf der Rotationsgeschwindigkeit verwendet.

Betriebsbedingungen

• Drehzahl: Die Geschwindigkeit, mit der sich die Welle und die rotierenden Dichtungskomponenten drehen, wird normalerweise in Umdrehungen pro Minute (U/min) angegeben. Höhere Geschwindigkeiten erzeugen mehr Reibungswärme.
• Druckdifferenz: Der Unterschied im Flüssigkeitsdruck zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Dichtung. Hohe Druckunterschiede erhöhen den Kontaktdruck zwischen den Dichtungsflächen, was zu größerer Reibung und Hitze führt.
• Viskosität der Flüssigkeit: Das Maß für den Fließwiderstand einer Flüssigkeit. Flüssigkeiten mit höherer Viskosität neigen dazu, mehr viskose Scherung und hydrodynamische Reibung an der Dichtungsschnittstelle zu erzeugen.
• Temperatur: Die Betriebstemperatur beeinflusst die Flüssigkeitseigenschaften und die Wärmeausdehnung der Dichtungskomponenten, was sich wiederum auf die Schnittstellengeometrie und die Wärmeentwicklung auswirkt.

Materialeigenschaften

• Wärmeleitfähigkeit: Die Fähigkeit der Dichtungsflächenmaterialien, Wärme zu leiten. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit ermöglicht eine effizientere Wärmeableitung durch die Dichtungskomponenten.
• Spezifische Wärme: Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur des Dichtungsmaterials um ein Grad zu erhöhen. Materialien mit höheren spezifischen Wärmewerten absorbieren mehr Wärmeenergie.
• Dichte: Die Masse pro Volumeneinheit der Dichtungsmaterialien. Die Dichte wird bei der Berechnung der Wärmekapazität und der thermischen Trägheit der Dichtungskomponenten berücksichtigt.

Formeln zur Berechnung der Wärmeentwicklung bei Gleitringdichtungen

Formel zur Erzeugung von Reibungswärme

Mit der Formel zur Erzeugung von Reibungswärme wird die Wärmemenge berechnet, die aufgrund der Relativbewegung zwischen den Dichtungsflächen an der Dichtungsschnittstelle erzeugt wird. Die Formel lautet wie folgt:

H = f × P × V

Wo:

• H ist die durch Reibung erzeugte Wärme (W)
• f ist der Reibungskoeffizient (dimensionslos)
• P ist der Kontaktdruck zwischen den Dichtungsflächen (Pa)
• V ist die Gleitgeschwindigkeit (m/s)

Der Reibungskoeffizient hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. dem Dichtungsflächenmaterial, den Schmierflüssigkeitseigenschaften und der Oberflächenrauheit. Der Kontaktdruck wird durch die Federkraft und den Hydraulikdruck bestimmt, der auf die Dichtungsflächen wirkt. Die Gleitgeschwindigkeit wird anhand des Wellendurchmessers und der Drehzahl berechnet.

API 682 Wärmespeichergleichung

Der Standard 682 des American Petroleum Institute (API) bietet eine vereinfachte Gleichung zur Schätzung der Wärmeaufnahme einer Gleitringdichtung. Die Wärmeaufnahme stellt die Wärmemenge dar, die von der abgedichteten Flüssigkeit und den umgebenden Komponenten absorbiert wird. Die Wärmeaufnahmegleichung von API 682 lautet wie folgt:

Q = k × D × N

Wo:

• Q ist die Wärmeaufnahme (W)
• k ist der Dichtungsfaktor (W/mm/U/min)
• D ist der Wellendurchmesser (mm)
• N ist die Wellendrehzahl (U/min)

Der Dichtungsfaktor (k) ist ein empirischer Wert, der von Dichtungstyp, -größe und Betriebsbedingungen abhängt. API 682 bietet empfohlene Dichtungsfaktorwerte für verschiedene Dichtungsanordnungen und Anwendungen.

Praxisbeispiel: Schrittweise Berechnung

Betrachten wir ein praktisches Beispiel, um die Berechnung der Reibungswärmeerzeugung und der Wärmeaufnahme für eine Gleitringdichtung zu veranschaulichen. Angenommen, wir haben eine einzelne Gleitringdichtung mit den folgenden Parametern:

• Wellendurchmesser (D): 50 mm
• Drehzahl (N): 3.000 U/min
• Dichtflächen-Anpressdruck (P): 1 MPa
• Reibungskoeffizient (f): 0,1
• API 682 Dichtungsfaktor (k): 0,5 W/mm/U/min

Schritt 1: Gleitgeschwindigkeit (V) berechnen

V = π × D × N / 60.000 V = π × 50 mm × 3.000 U/min / 60.000 V = 7,85 m/s

Schritt 2: Berechnung der Reibungswärme (H)

H = f × P × V H = 0,1 × 1.000.000 Pa × 7,85 m/s H = 785 W

Schritt 3: Berechnen Sie die Wärmeaufnahme (Q) mithilfe der API 682-Gleichung

Q = k × D × N Q = 0,5 W/mm/U/min × 50 mm × 3.000 U/min Q = 75.000 W = 75 kW

In diesem Beispiel beträgt die Reibungswärmeentwicklung 785 W und die Wärmeaufnahme 75 kW. Diese Werte geben Aufschluss über die thermische Belastung des Dichtungssystems und helfen bei der Auswahl geeigneter Dichtungsmaterialien, Kühlmittel und Wärmeableitungsmethoden.