メカニカルシールによる熱の計算方法

メカニカルシールによって発生する熱を計算することは、機械業界において複雑でありながら重要な作業です。エンジニアは、故障を防ぎ、性能を最適化するために、シールの熱を正確に測定する必要があります。

重要なパラメータと計算式を明確に理解していなければ、コストのかかるミスが発生し、効率の低下、ダウンタイムの増加、さらには壊滅的な結果につながる可能性があります。 シール不良.

このブログ記事では、計算方法をステップバイステップで説明します。 メカニカルシール 熱。シール形状、動作条件、そして考慮すべき材料特性について解説します。API 682のヒートソーク方程式を含む重要な公式を学び、実用的な計算例をご覧ください。

シール形状と寸法

• 外径 シール面回転シール面と固定シール面の外径。これらの寸法は、摩擦にさらされる面積、ひいては発熱量に影響します。
• シール面の内径回転シール面と固定シール面の内径。内径は外径とともにシール領域を定義します。
• 平均面直径: 外側シール面と内側シール面の直径の平均。この平均直径は、回転速度に基づいて線摩擦速度を計算するために使用されます。

操作条件

• 回転速度: シャフトと回転軸の速度 シール部品 回転数は通常、毎分回転数（RPM）で表されます。速度が速いほど、摩擦熱も大きくなります。
• 圧力差: シールの高圧側から低圧側への流体圧力の差。高い圧力差は、 シール間の接触圧力 面が接触し、摩擦と熱が増大します。
• 流体の粘度: 流体の流れ抵抗の尺度。粘度の高い流体は、シール界面でより大きな粘性せん断力と流体摩擦力を生み出す傾向があります。
• 温度: 動作温度は流体の特性とシール部品の熱膨張に影響を与え、インターフェースの形状と熱発生に影響を及ぼします。

材料特性

• 熱伝導率シール面材料の熱伝導能力。熱伝導率が高いほど、シール部品を通して熱をより効率的に放散できます。
• 比熱: 温度を上げるのに必要な熱量 シール材 1度上昇します。比熱値が高い物質はより多くの熱エネルギーを吸収します。
• 密度シール材の単位体積あたりの質量。密度は、シール部品の熱容量と熱慣性の計算に考慮されます。

メカニカルシールによる熱の計算式

摩擦熱発生式

摩擦熱発生式は、シール面間の相対運動によってシール界面に発生する熱量を計算するために使用されます。式は以下の通りです。

H = f × P × V

どこ：

• Hは摩擦熱発生量（W）である。
• fは摩擦係数（無次元）
• Pは接触である シール間の圧力 顔（Pa）
• Vは滑り速度（m/s）

摩擦係数は、シール面の材質、潤滑油の特性、表面粗さなど、様々な要因に依存します。接触圧力は、ばね力とシール面に作用する油圧によって決まります。滑り速度は、軸径と回転速度に基づいて計算されます。

API 682 ヒートソーク方程式

アメリカ石油協会（API）規格682は、メカニカルシールのヒートソークを推定するための簡略化された式を提供しています。ヒートソークとは、シールされた流体と周囲の部品によって吸収される熱量を表します。API 682のヒートソーク式は以下のとおりです。

Q = k × D × N

どこ：

• Qはヒートソーク（W）
• kはシール係数（W/mm/rpm）です。
• Dはシャフト径（mm）
• Nはシャフトの回転速度（rpm）です。

シール係数（k）は、シールの種類、サイズ、および動作条件によって異なる経験値です。API 682では、さまざまなシールの配置と用途に応じて推奨されるシール係数値が規定されています。

実例：ステップバイステップの計算

メカニカルシールの摩擦熱発生とヒートソークの計算例を見てみましょう。以下のパラメータを持つ単一のメカニカルシールがあるとします。

• シャフト径（D）：50 mm
• 回転速度（N）：3,000 rpm
• シール面接触圧力（P）：1 MPa
• 摩擦係数（f）：0.1
• API 682 シール係数（k）：0.5 W/mm/rpm

ステップ1：滑り速度（V）を計算する

V = π × D × N / 60,000
V = π × 50 mm × 3,000 rpm / 60,000
V = 7.85 m/s

ステップ2：摩擦熱発生量（H）を計算する

H = f × P × V
H = 0.1 × 1,000,000 Pa × 7.85 m/s
H = 785 W

ステップ3: API 682の式を使用してヒートソーク(Q)を計算する

Q = k × D × N
Q = 0.5 W/mm/rpm × 50 mm × 3,000 rpm
Q = 75,000 W = 75 kW

この例では、摩擦熱発生量は785W、ヒートソーク量は75kWです。これらの値は、シーリングシステムにかかる熱負荷に関する知見を提供し、適切なシール材料、冷却剤、放熱方法の選定に役立ちます。