泵密封輔助系統21號方案沖洗參數分析

摘 要：合理的冷卻沖洗參數能提高泵機械密封工作的可靠性，延長其使用壽命。文章針對API682中的標準沖洗布置21號方案，通過密封沖洗冷卻器的計算選擇以確定合理的沖洗參數。

關鍵詞：機械密封；沖洗布置21號方案；密封沖洗冷卻器；溫升

中圖分類號：TH136 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）17-0096-02

在現代工業裝置系統中，廣泛而大量地使用著各種各樣的流體機械。在這些機械中，轉軸的密封是關鍵技術之一，尤其是機械密封，它是節能、泄漏、防污染、保安全的先進軸封形式。機械密封由兩部分組成的，即機械密封本身和機械密封循環系統。機械密封循環系統的功用在于采用沖洗、循環、熱對流等工作方式，控制機械密封的工況參數，即溫度、壓力、潤滑、腐蝕、結晶、結垢等，以防止危險介質正常泄漏對環境的污染。

本文以符合美國石油協會標準API682的泵密封標準沖洗布置21號方案為例介紹密封輔助系統沖洗參數計算過程。方案21是對密封提供了一種冷卻沖洗，這種沖洗方案用于提高蒸汽氣化的裕量、滿足附屬密封元件的溫度限制、減少焦化或聚合、提高潤滑性。方案21的優點是不僅提供了冷卻沖洗也具有足夠的壓差以保證良好的沖洗流量。它的主要配置是從泵的出口通過限流孔板和冷卻器然后進入密封腔的循環過程（圖1）。

密封腔中熱量的來源主要有以下幾種：由于密封面摩擦和介質剪切而產生的熱量，由旋轉的密封元件引起的紊流（或湍流）而產生的熱量，由泵經密封腔和軸傳導的熱量等，同時密封腔也有部分熱量散失。通過方案21的冷卻沖洗要帶走這部分熱量，以此為原則即可計算方案21的沖洗流量及換熱器的參數。以按API682-2004標準配套的串聯金屬波紋管式機械密封為例，介紹21號方案沖洗參數的計算過程，具體工況參數見表1、表2。

1 密封腔產生的熱量

1.1 密封端面摩擦產生的熱量Q

密封結構如圖2所示。

DO為密封端面接觸外直徑，mm，DO=111.7；Di為密封端面接觸內直徑，mm，Di=103.2；D1為波片外徑，mm，D1=114.3；D2為波片內徑，mm，D2=97.5；Db為密封有效平衡直徑，mm，Db=■=106；Psp為彈簧比壓，MPa，焊接金屬波紋管Psp=0.15 MPa；p為密封腔壓力，MPa，p=0.4 MPa；n為轉速，r/min，n=1475 r/min；f為摩擦系數，f取0.07；K為壓降系數，K取0.5。

密封端面摩擦產生的熱量Q計算過程如下所示。

端面面積：

A=■=1 434 mm2

密封平衡系數：

B=■=0.691

密封端面上的液體壓力：

ΔP=p×B=0.276 MPa

端面總比壓：

Ptot=ΔP（B-K）+Psp=0.203 N/mm2

端面平均直徑：

Dm=■=107.15 mm

運行轉矩：

Tr=Ptot×A×f×（Dm/2 000）=1.09 Nm

密封端面摩擦產生的熱量：

Q=■=0.168 kW

1.2 密封旋轉部件渦流產生的熱量Qxz

密封旋轉部件渦流產生的熱量Qxz的依據為能量守恒原理——密封旋轉部件產生熱量等效于同類型葉輪、產生同流量下泵所用電機的軸功率。

取泵流量Qpump=15L/min=0.00025m3/s，取揚程Hpump=14m，則密封旋轉部件渦流產生的熱量：

Qxz=PpumpgρQpumpHpump/1 000=0.03 kW

1.3 泵密封腔與軸的傳熱Qhs

U為材料物性系數；A為傳熱面積，mm；T1為泵介質溫度，℃，此密封T1=210℃；T2為要求的密封腔溫度，℃，此密封T2=95℃（估算）；為泵溫度與所要求的密封腔溫度的溫差，K，ΔT=T1-T2=115 K。對于不銹鋼材質的軸套和密封壓蓋，取U×A=0.00 025。則密封腔吸熱：

Qhs=U×A×Db×ΔT=3.05 kW

1.4 散發到空氣中的熱量Qs

密封端蓋與管路損失熱——環境溫度取當地最高溫度38℃。

C1為端蓋比熱，kJ·kg-1·k-1，此密封C1=0.46 kJ·kg-1·k-1；M為端蓋總重量，kg， 此密封M=ρV=27.3 kg；Δt為端蓋與環境溫度差，K， 此密封Δt=95-38=52 K；l為管路散熱長度，此系統l=4 m；S為管路散熱面積，m2，S=πd×l=3.14×0.027×4=0.339 m2；W為管散熱能力—相對大氣，kW/m2，W=4 kw/m2；h為環境修正系數，此系統h=1.15；α為管材修正系數，此系統α=0.9。則此密封:

Qs=Qpompcover+Qpipe=■+hαSW=1.6 kW

2 密封沖洗流量qing

為與泵同溫的注入液的相對比重，g/cm3，此密封d=0.879 g/cm3；Cp為與泵同溫的注入液的比熱容，J·kg-1·k-1，Cp=1700 J·kg-1·k-1；Δt為密封腔的最大溫升，Δt=10K。

密封沖洗流量qing計算過程如下：

qing'=60 000×■=6.6 L/min

在計算中所應用的溫升是密封腔的平均溫升，而實際密封端面的溫升比密封腔要高很多。所以用此公式來計算最小沖洗量的話，則密封面會過熱而導致運轉不良。因此注入流量應至少采用2倍的安全系數，且保證沖洗時對準密封面。則此密封沖洗流量為：

qing=2×qing'=1.3 L/min

3 換熱器相關參數

3.1 沖洗液降溫放出的能量Qdiffusion

Tlc為冷卻液出口溫度，℃，Tlc=47℃；Tlr為冷卻液入口溫度，℃，Tlr=30℃；Tjc為換熱器沖洗液出口溫度，℃，Tjc=105℃；Tjr為換熱器沖洗液入口溫度，℃，Tjr=195℃；ρ為管內流體密度，kg/dm3，ρ=0.879 kg/dm3；ms為管內流體的質量流量，kg/s，ms=■=0.19 kg/s。

Qdiffusion計算過程為：

Qdiffusion=■29.1 kW

3.2 散熱面積Adiffusion

k為總傳熱效率，W·m-2·K-1，■=■+R，其中α=BD-1.8m■■，B=0.0234πμ■Pr■?漬■c，c=1.1，經計算k=480。

Δtm為傳熱溫度差，K，此密封Δtm=■=112 k。

散熱面積Adiffusion計算過程如下：

Adiffusion'=1 000×■=0.54 m2

Adiffusion=（1+0.3）×Adiffusion'=0.7 m2

3.3 冷卻液流量

ρcooling為冷卻液密度，kg/dm3，此系統ρcooling=0.996 kg/dm3；ccooling為冷卻液比熱容，J·kg-1·k-1，此系統ccooling=4178 J·kg-1·k-1；Qabsorption為冷卻熱吸收能量，kW，取Qabsorption=Qdiffusion=29.1kW；Δtabsorption為冷卻水進出口溫差，K，此系統Δtabsorption=Tlc-Tlr=17 K。

冷卻液流量計算過程如下：

qcooling=60000×■=25 L/min

4 結 論

經過上述計算分析可以得出該密封在上述工況下，采用標準沖洗布置21號方案時，沖洗參數如下：密封沖洗流量為13 L/min；換熱器散熱面積為0.7m2；換熱器冷卻液流量至少為25 L/min；密封腔溫度大約95℃。

參考文獻：

[1] 陳德才，崔德容.機械密封設計制造與使用[M].北京:機械工業出版社，1993.

[2] 顧永泉.機械密封實用技術[M].北京:機械工業出版社，2001.

[3] 趙育愷，阮超群.機械密封冷卻沖洗量的估算[J].機電設備，2003，(3).

[4] 柴誠敬，張國亮.化工流體流動與傳熱[M].北京:化學工業出版社，2000.