Cómo calcular el calor por sello mecánico

Calcular el calor generado por los sellos mecánicos es una tarea compleja pero crítica en la industria de la maquinaria. Los ingenieros necesitan determinar con precisión el calor generado por los sellos para evitar fallas y optimizar el rendimiento.

Sin una comprensión clara de los parámetros y fórmulas clave involucrados, se pueden cometer errores costosos que conducen a una menor eficiencia, un mayor tiempo de inactividad e incluso fallas catastróficas en los sellos.

En esta publicación del blog, explicaremos paso a paso cómo calcular el calor del sello mecánico. Cubriremos la geometría esencial del sello, las condiciones de funcionamiento y las propiedades del material que se deben tener en cuenta. Aprenderá las fórmulas clave, incluida la ecuación de remojo térmico API 682, y verá un ejemplo práctico de cálculo.

Geometría y dimensiones del sello

• Diámetros exteriores de las caras del sello:Los diámetros exteriores de las caras de los sellos giratorios y estacionarios. Estas dimensiones influyen en la cantidad de área expuesta a la fricción y, por lo tanto, a la generación de calor.
• Diámetros interiores de las caras del sello:Diámetros interiores de las caras de sellado giratorias y estacionarias. Junto con los diámetros exteriores, los diámetros interiores definen el área de sellado.
• Diámetro medio de la cara:El promedio de los valores exterior e interior. cara de foca diámetros. El diámetro medio se utiliza para calcular la velocidad de frotamiento lineal en función de la velocidad de rotación.

Condiciones de operación

• Velocidad de rotación: La velocidad a la que giran el eje y los componentes del sello giratorio, generalmente expresada en revoluciones por minuto (RPM). Las velocidades más altas generan más calor por fricción.
• Diferencial de presión:La diferencia de presión del fluido entre el lado de alta presión y el lado de baja presión del sello. Los diferenciales de alta presión aumentan la presión de contacto entre las caras del sello, lo que genera mayor fricción y calor.
• Viscosidad del fluido: Medida de la resistencia de un fluido al flujo. Los fluidos de mayor viscosidad tienden a generar más fricción hidrodinámica y cizallamiento viscoso en la interfaz del sello.
• Temperatura:La temperatura de funcionamiento afecta las propiedades del fluido y la expansión térmica de los componentes del sello, lo que afecta la geometría de la interfaz y la generación de calor.

Propiedades del material

• Conductividad térmica:La capacidad de los materiales de la superficie del sello para conducir el calor. Una mayor conductividad térmica permite que el calor se disipe de manera más eficiente a través de los componentes del sello.
• Calor específico:La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de los materiales de sellado en un grado. Los materiales con valores de calor específico más altos absorben más energía térmica.
• Densidad: La masa por unidad de volumen de los materiales del sello. La densidad se tiene en cuenta en los cálculos de la capacidad térmica y la inercia térmica de los componentes del sello.

Fórmulas para calcular el calor mediante sellos mecánicos

Fórmula de generación de calor por fricción

La fórmula de generación de calor por fricción se utiliza para calcular la cantidad de calor generado en la interfaz de sellado debido al movimiento relativo entre las caras del sello. La fórmula es la siguiente:

H = f × P × V

Dónde:

• H es la generación de calor por fricción (W)
• f es el coeficiente de fricción (adimensional)
• P es la presión de contacto entre las caras del sello (Pa)
• V es la velocidad de deslizamiento (m/s)

El coeficiente de fricción depende de diversos factores, como los materiales de la superficie de sellado, las propiedades del fluido lubricante y la rugosidad de la superficie. La presión de contacto está determinada por la fuerza del resorte y la presión hidráulica que actúa sobre las superficies de sellado. La velocidad de deslizamiento se calcula en función del diámetro del eje y la velocidad de rotación.

Ecuación de saturación térmica API 682

La norma 682 del Instituto Americano del Petróleo (API) proporciona una ecuación simplificada para estimar la absorción de calor de un sello mecánico. La absorción de calor representa la cantidad de calor que absorbe el fluido sellado y los componentes circundantes. La ecuación de absorción de calor de la API 682 es la siguiente:

Q = k × D × N

Dónde:

• Q es la absorción de calor (W)
• k es el factor de sellado (W/mm/rpm)
• D es el diámetro del eje (mm)
• N es la velocidad de rotación del eje (rpm)

El factor de sellado (k) es un valor empírico que depende del tipo de sello, el tamaño y las condiciones de funcionamiento. API 682 proporciona valores de factor de sellado recomendados para diversas disposiciones y aplicaciones de sellos.

Ejemplo práctico: cálculo paso a paso

Consideremos un ejemplo práctico para ilustrar el cálculo de la generación de calor por fricción y la absorción de calor para un sello mecánico. Supongamos que tenemos un solo sello mecánico con los siguientes parámetros:

• Diámetro del eje (D): 50 mm
• Velocidad de rotación (N): 3.000 rpm
• Presión de contacto de la cara del sello (P): 1 MPa
• Coeficiente de fricción (f): 0,1
• Factor de sellado API 682 (k): 0,5 W/mm/rpm

Paso 1: Calcular la velocidad de deslizamiento (V)

V = π × D × N / 60 000 V = π × 50 mm × 3000 rpm / 60 000 V = 7,85 m/s

Paso 2: Calcular la generación de calor por fricción (H)

H = f × P × V H = 0,1 × 1 000 000 Pa × 7,85 m/s H = 785 W

Paso 3: Calcule la absorción de calor (Q) utilizando la ecuación API 682

Q = k × D × N Q = 0,5 W/mm/rpm × 50 mm × 3000 rpm Q = 75 000 W = 75 kW

En este ejemplo, la generación de calor por fricción es de 785 W y la absorción de calor es de 75 kW. Estos valores brindan información sobre la carga térmica en el sistema de sellado y ayudan a seleccionar los materiales de sellado, los refrigerantes y los métodos de disipación de calor adecuados.