Comment calculer la chaleur par joint mécanique

Le calcul de la chaleur générée par les joints mécaniques est une tâche complexe mais essentielle dans l'industrie des machines. Les ingénieurs doivent déterminer avec précision la chaleur générée par les joints pour éviter les pannes et optimiser les performances.

Sans une compréhension claire des paramètres clés et des formules impliquées, des erreurs coûteuses peuvent être commises, entraînant une réduction de l'efficacité, une augmentation des temps d'arrêt et même des défaillances catastrophiques des joints.

Dans cet article de blog, nous allons vous expliquer étape par étape comment calculer la chaleur d'un joint mécanique. Nous aborderons la géométrie essentielle du joint, les conditions de fonctionnement et les propriétés des matériaux à prendre en compte. Vous apprendrez les formules clés, notamment l'équation de maintien de la chaleur API 682, et découvrirez un exemple pratique de calcul.

Géométrie et dimensions des joints

• Diamètres extérieurs des faces d'étanchéité:Les diamètres extérieurs des faces d'étanchéité rotatives et fixes. Ces dimensions influencent la quantité de surface exposée au frottement et donc à la génération de chaleur.
• Diamètres intérieurs des faces d'étanchéité:Les diamètres intérieurs des faces d'étanchéité rotatives et fixes. Avec les diamètres extérieurs, les diamètres intérieurs définissent la zone d'étanchéité.
• Diamètre moyen de la face: La moyenne des valeurs extérieures et intérieures face d'étanchéité diamètres. Le diamètre moyen est utilisé pour calculer la vitesse de frottement linéaire en fonction de la vitesse de rotation.

Des conditions de fonctionnement

• Vitesse de rotation: La vitesse à laquelle tournent l'arbre et les composants du joint rotatif, généralement exprimée en tours par minute (tr/min). Des vitesses plus élevées génèrent plus de chaleur due au frottement.
• Différence de pression: Différence de pression du fluide entre le côté haute pression et le côté basse pression du joint. Les différentiels de pression élevés augmentent la pression de contact entre les faces du joint, ce qui entraîne une augmentation du frottement et de la chaleur.
• Viscosité du fluide:Mesure de la résistance d'un fluide à l'écoulement. Les fluides à viscosité élevée ont tendance à générer davantage de cisaillement visqueux et de frottement hydrodynamique dans l'interface du joint.
• Température:La température de fonctionnement a un impact sur les propriétés du fluide et la dilatation thermique des composants du joint, ce qui affecte la géométrie de l'interface et la génération de chaleur.

Propriétés matérielles

• Conductivité thermique:Capacité des matériaux de la face du joint à conduire la chaleur. Une conductivité thermique plus élevée permet à la chaleur de se dissiper plus efficacement à travers les composants du joint.
• Chaleur spécifique:Quantité de chaleur nécessaire pour augmenter d'un degré la température des matériaux d'étanchéité. Les matériaux ayant des valeurs de chaleur massique plus élevées absorbent davantage d'énergie thermique.
• Densité: Masse volumique des matériaux d'étanchéité. La densité est prise en compte dans les calculs de capacité thermique et d'inertie thermique des composants d'étanchéité.

Formules de calcul de la chaleur par les joints mécaniques

Formule de génération de chaleur par friction

La formule de génération de chaleur par frottement est utilisée pour calculer la quantité de chaleur générée à l'interface d'étanchéité en raison du mouvement relatif entre les faces d'étanchéité. La formule est la suivante :

H = f × P × V

Où:

• H est la génération de chaleur par frottement (W)
• f est le coefficient de frottement (sans dimension)
• P est la pression de contact entre les faces du joint (Pa)
• V est la vitesse de glissement (m/s)

Le coefficient de frottement dépend de divers facteurs, tels que les matériaux des faces d'étanchéité, les propriétés du fluide lubrifiant et la rugosité de la surface. La pression de contact est déterminée par la force du ressort et la pression hydraulique agissant sur les faces d'étanchéité. La vitesse de glissement est calculée en fonction du diamètre de l'arbre et de la vitesse de rotation.

Équation de trempage thermique API 682

La norme API 682 de l'American Petroleum Institute (API) fournit une équation simplifiée pour estimer l'absorption thermique d'un joint mécanique. L'absorption thermique représente la quantité de chaleur absorbée par le fluide scellé et les composants environnants. L'équation d'absorption thermique API 682 est la suivante :

Q = k × D × N

Où:

• Q est le trempage thermique (W)
• k est le facteur d'étanchéité (W/mm/tr/min)
• D est le diamètre de l'arbre (mm)
• N est la vitesse de rotation de l'arbre (tr/min)

Le facteur d'étanchéité (k) est une valeur empirique qui dépend du type de joint, de sa taille et des conditions de fonctionnement. La norme API 682 fournit des valeurs de facteur d'étanchéité recommandées pour diverses configurations et applications de joints.

Exemple pratique : calcul étape par étape

Prenons un exemple pratique pour illustrer le calcul de la génération de chaleur par frottement et de la rétention de chaleur pour une garniture mécanique. Supposons que nous ayons une garniture mécanique unique avec les paramètres suivants :

• Diamètre de l'arbre (D) : 50 mm
• Vitesse de rotation (N) : 3 000 tr/min
• Pression de contact de la face du joint (P) : 1 MPa
• Coefficient de frottement (f) : 0,1
• Facteur d'étanchéité API 682 (k) : 0,5 W/mm/tr/min

Étape 1 : Calculer la vitesse de glissement (V)

V = π × D × N / 60 000 V = π × 50 mm × 3 000 tr/min / 60 000 V = 7,85 m/s

Étape 2 : Calculer la génération de chaleur par frottement (H)

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

Étape 3 : Calculez le taux de chaleur absorbée (Q) à l'aide de l'équation API 682

Q = k × D × N Q = 0,5 W/mm/tr/min × 50 mm × 3 000 tr/min Q = 75 000 W = 75 kW

Dans cet exemple, la génération de chaleur par frottement est de 785 W et la dissipation thermique est de 75 kW. Ces valeurs donnent un aperçu de la charge thermique sur le système d'étanchéité et aident à sélectionner les matériaux d'étanchéité, les liquides de refroidissement et les méthodes de dissipation thermique appropriés.