Come calcolare il calore della tenuta meccanica

Il calcolo del calore generato dalle tenute meccaniche è un compito complesso ma critico nel settore dei macchinari. Gli ingegneri devono determinare con precisione il calore delle tenute per prevenire guasti e ottimizzare le prestazioni.

Senza una chiara comprensione dei parametri e delle formule chiave coinvolti, si possono commettere costosi errori che comportano una riduzione dell'efficienza, un aumento dei tempi di fermo e persino guasti catastrofici delle guarnizioni.

In questo post del blog, ti guideremo passo dopo passo nel calcolo del calore della tenuta meccanica. Parleremo della geometria essenziale della tenuta, delle condizioni operative e delle proprietà dei materiali da considerare. Imparerai le formule chiave, inclusa l'equazione di assorbimento del calore API 682, e vedrai un calcolo pratico di esempio.

Geometria e dimensioni della guarnizione

• Diametri esterni delle facce di tenuta: I diametri esterni delle facce di tenuta rotanti e fisse. Queste dimensioni influenzano la quantità di area esposta all'attrito e quindi alla generazione di calore.
• Diametri interni delle facce di tenuta: I diametri interni delle facce di tenuta rotanti e fisse. Insieme ai diametri esterni, i diametri interni definiscono l'area di tenuta.
• Diametro medio della faccia: La media tra esterno e interno faccia di sigillo diametri. Il diametro medio viene utilizzato per calcolare la velocità di sfregamento lineare in base alla velocità di rotazione.

Condizioni operative

• Velocità di rotazione: La velocità alla quale ruotano l'albero e i componenti della tenuta rotante, solitamente espressa in giri al minuto (RPM). Velocità più elevate generano più calore da attrito.
• Differenziale di pressione: La differenza di pressione del fluido dal lato ad alta pressione al lato a bassa pressione della guarnizione. I differenziali di alta pressione aumentano la pressione di contatto tra le facce della guarnizione, con conseguente maggiore attrito e calore.
• Viscosità del fluido: La misura della resistenza di un fluido al flusso. I fluidi con viscosità più elevata tendono a generare più taglio viscoso e attrito idrodinamico nell'interfaccia di tenuta.
• Temperatura:La temperatura di esercizio influisce sulle proprietà del fluido e sull'espansione termica dei componenti della guarnizione, che a loro volta influenzano la geometria dell'interfaccia e la generazione di calore.

Proprietà del materiale

• Conduttività termica: La capacità dei materiali della superficie di tenuta di condurre il calore. Una maggiore conduttività termica consente al calore di dissiparsi in modo più efficiente attraverso i componenti della tenuta.
• Calore specifico: La quantità di calore necessaria per aumentare di un grado la temperatura dei materiali di tenuta. I materiali con valori di calore specifico più elevati assorbono più energia termica.
• Densità: La massa per unità di volume dei materiali di tenuta. I fattori di densità entrano nei calcoli per la capacità termica e l'inerzia termica dei componenti di tenuta.

Formule per il calcolo del calore delle guarnizioni meccaniche

Formula di generazione del calore per attrito

La formula di generazione del calore per attrito viene utilizzata per calcolare la quantità di calore generata all'interfaccia di tenuta a causa del movimento relativo tra le facce di tenuta. La formula è la seguente:

H = f × P × V

Dove:

• H è la generazione di calore per attrito (W)
• f è il coefficiente di attrito (adimensionale)
• P è la pressione di contatto tra le facce della tenuta (Pa)
• V è la velocità di scorrimento (m/s)

Il coefficiente di attrito dipende da vari fattori, come i materiali delle superfici di tenuta, le proprietà del fluido lubrificante e la rugosità superficiale. La pressione di contatto è determinata dalla forza della molla e dalla pressione idraulica che agisce sulle superfici di tenuta. La velocità di scorrimento è calcolata in base al diametro dell'albero e alla velocità di rotazione.

Equazione di immersione in calore API 682

Lo standard 682 dell'American Petroleum Institute (API) fornisce un'equazione semplificata per stimare l'assorbimento di calore di una tenuta meccanica. L'assorbimento di calore rappresenta la quantità di calore assorbita dal fluido sigillato e dai componenti circostanti. L'equazione dell'assorbimento di calore API 682 è la seguente:

Q = k × D × N

Dove:

• Q è il calore assorbito (W)
• k è il fattore di tenuta (W/mm/rpm)
• D è il diametro dell'albero (mm)
• N è la velocità di rotazione dell'albero (rpm)

Il fattore di tenuta (k) è un valore empirico che dipende dal tipo di tenuta, dalle dimensioni e dalle condizioni operative. API 682 fornisce valori di fattore di tenuta consigliati per varie disposizioni e applicazioni di tenuta.

Esempio pratico: calcolo passo dopo passo

Consideriamo un esempio pratico per illustrare il calcolo della generazione di calore da attrito e dell'assorbimento di calore per una tenuta meccanica. Supponiamo di avere una singola tenuta meccanica con i seguenti parametri:

• Diametro albero (D): 50 mm
• Velocità di rotazione (N): 3.000 giri/min
• Pressione di contatto della superficie di tenuta (P): 1 MPa
• Coefficiente di attrito (f): 0,1
• Fattore di tenuta API 682 (k): 0,5 W/mm/rpm

Passaggio 1: calcolare la velocità di scorrimento (V)

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

Passaggio 2: calcolare la generazione di calore per attrito (H)

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

Passaggio 3: calcolare l'assorbimento di calore (Q) utilizzando l'equazione API 682

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

In questo esempio, la generazione di calore da attrito è di 785 W e l'assorbimento di calore è di 75 kW. Questi valori forniscono informazioni sul carico termico sul sistema di tenuta e aiutano a selezionare materiali di tenuta, refrigeranti e metodi di dissipazione del calore appropriati.