기계적 밀봉으로 열을 계산하는 방법

기계적 씰에서 생성되는 열을 계산하는 것은 기계 산업에서 복잡하지만 중요한 작업입니다. 엔지니어는 고장을 방지하고 성능을 최적화하기 위해 씰 열을 정확하게 결정해야 합니다.

주요 매개변수와 관련 공식을 명확하게 이해하지 못하면 비용이 많이 드는 실수를 저지를 수 있으며, 그 결과 효율성이 떨어지고 가동 중단 시간이 늘어나고 심지어는 치명적인 씰 고장으로 이어질 수 있습니다.

이 블로그 게시물에서는 기계적 씰 열을 계산하는 방법을 단계별로 살펴보겠습니다. 고려해야 할 필수적인 씰 형상, 작동 조건 및 재료 특성을 다룹니다. API 682 열 흡수 방정식을 포함한 주요 공식을 배우고 실제 계산 예를 살펴보겠습니다.

씰 형상 및 치수

• 씰면의 외경: 회전 및 고정 씰 면의 외부 직경. 이러한 치수는 마찰에 노출되는 면적의 양과 그에 따른 열 생성에 영향을 미칩니다.
• 씰면의 내경: 회전 및 고정 씰 면의 내경. 외경과 함께 내경은 씰링 영역을 정의합니다.
• 평균 얼굴 직경: 외측과 내측의 평균 물개 얼굴 직경. 평균 직경은 회전 속도를 기반으로 선형 마찰 속도를 계산하는 데 사용됩니다.

작동 조건

• 회전속도: 샤프트와 회전 씰 구성 요소가 회전하는 속도, 일반적으로 분당 회전수(RPM)로 표현됩니다. 속도가 높을수록 마찰열이 더 많이 발생합니다.
• 압력차이: 씰의 고압 측과 저압 측의 유체 압력 차이. 고압 차이는 씰 면 사이의 접촉 압력을 증가시켜 마찰과 열이 더 커집니다.
• 유체 점도: 유체의 흐름 저항을 측정하는 것. 점도가 높은 유체는 씰 인터페이스에서 더 많은 점성 전단 및 유체 역학적 마찰을 생성하는 경향이 있습니다.
• 온도: 작동 온도는 유체 특성과 씰 구성 요소의 열 팽창에 영향을 미치며, 이는 인터페이스 형상과 열 생성에 영향을 미칩니다.

재료 특성

• 열전도도: 씰 표면 재료의 열 전도 능력. 열 전도도가 높을수록 씰 구성 요소를 통해 열이 더 효율적으로 소산될 수 있습니다.
• 비열: 씰 재료의 온도를 1도 올리는 데 필요한 열량. 비열 값이 높은 재료는 더 많은 열 에너지를 흡수합니다.
• 밀도: 씰 재료의 단위 부피당 질량. 밀도는 씰 구성 요소의 열 용량 및 열 관성에 대한 계산에 영향을 미칩니다.

기계적 씰에 의한 열 계산 공식

마찰열 발생 공식

마찰 열 생성 공식은 씰 면 사이의 상대 운동으로 인해 씰링 인터페이스에서 생성되는 열량을 계산하는 데 사용됩니다. 공식은 다음과 같습니다.

높이 = f × P × V

어디:

• H는 마찰열 발생량(W)이다.
• f는 마찰계수(무차원)입니다.
• P는 씰면 사이의 접촉 압력(Pa)입니다.
• V는 슬라이딩 속도(m/s)입니다.

마찰 계수는 씰 표면 재료, 윤활 유체 특성, 표면 거칠기와 같은 다양한 요인에 따라 달라집니다. 접촉 압력은 스프링 힘과 씰 표면에 작용하는 유압에 의해 결정됩니다. 슬라이딩 속도는 샤프트 직경과 회전 속도를 기반으로 계산됩니다.

API 682 열 흡수 방정식

미국 석유 협회(API) 표준 682는 기계적 씰의 열 흡수를 추정하기 위한 단순화된 방정식을 제공합니다. 열 흡수는 밀봉된 유체와 주변 구성 요소가 흡수하는 열의 양을 나타냅니다. API 682 열 흡수 방정식은 다음과 같습니다.

Q = k × D × N

어디:

• Q는 열 흡수(W)입니다.
• k는 밀봉 계수(W/mm/rpm)입니다.
• D는 샤프트 직경(mm)입니다.
• N은 샤프트 회전 속도(rpm)입니다.

씰 계수(k)는 씰 유형, 크기 및 작동 조건에 따라 달라지는 경험적 값입니다. API 682는 다양한 씰 배열 및 응용 분야에 권장되는 씰 계수 값을 제공합니다.

실제 예: 단계별 계산

기계적 씰에 대한 마찰 열 생성 및 열 흡수 계산을 설명하는 실제 예를 고려해 보겠습니다. 다음 매개변수를 가진 단일 기계적 씰이 있다고 가정합니다.

• 샤프트 직경(D): 50mm
• 회전수(N) : 3,000rpm
• 씰면 접촉압력(P): 1MPa
• 마찰계수(f): 0.1
• API 682 씰 계수(k): 0.5 W/mm/rpm

1단계: 슬라이딩 속도(V) 계산

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

2단계: 마찰열 발생량(H) 계산

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

3단계: API 682 방정식을 사용하여 열 흡수(Q) 계산

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

이 예에서 마찰 열 생성은 785W이고 열 흡수는 75kW입니다. 이러한 값은 밀봉 시스템의 열 부하에 대한 통찰력을 제공하고 적절한 밀봉 재료, 냉각수 및 열 발산 방법을 선택하는 데 도움이 됩니다.