高溫風機用機械密封裝置及系統的設計與應用研究

張唯

摘要：現代工業生產的飛速發展，對特種設備的質量以及性能要求越來越高。以工業風機設備為例，常規風機設備已經不能夠滿足工業生產需求，高溫風機技術應運而生，但在使用中仍舊存在一些安全隱患問題。其中高溫風機的密封性裝置系統的設計與應用，成為當前技術焦點?；诖?，本文闡述了高溫風機用機械密封裝置的現狀，探討了機械密封系統的設計原則，根據高溫風機的實際應用，分析了密封裝置系統設計的功能需求，指出在工業生產中如何有效利用和發揮系統的實際效應。

關鍵詞：高溫風機;機械密封裝置;密封裝置系統;設計及應用

0 ?引言

風機技術也由此從常規的空氣介質輸送的發展為高溫的各種氣體介質的傳輸，如易燃易爆氣體等。而受到所傳輸的介質的性能以及特點等影響，更是要求風機設備具有較好的密封性，確保風機所有的操作工序都是在機械內部實現的。當前可以采用硬件裝置設置以及設計相關的密封裝置安全系統方式，以此確保高溫風機的穩定運行，延長其使用壽命，創造更高的經濟效益。

1 ?高溫風機用機械密封裝置及系統設計的功能需求

1.1 高溫風機用機械密封裝置及系統的功能需求

在工業生產中，高溫風機主要應用的場景有兩種。第一種是在一些的工業制造生產中，生產工藝要求高溫風機能夠為整個生產線輸送一定穩定的風力，促使整個工序的有序展開。在此種生產線種，要求高溫風機所輸送的介質在進入到鼓風機之前不能夠發生冷卻現象。如，在煤礦加工生產中，硫磺回收裝置中的高溫風發揮著至關重要的作用。第二種是工業生產制造中，其后續生產工藝需要高溫介質的輔助完成。

1.2 高溫風機用機械密封裝置及系統設計原則分析

1.2.1 高溫風機的材料和結構設計要雙管齊下

一些新型材料的研發創新對于高溫風機的的材料應用和結構設計提供了更多的參考和借鑒。當前在實現對高溫風機用機械密封裝置及系統的設計中，需要實現密封材料和密封結構設計雙管齊下的措施。如，以石墨材料為原材料，生產出高溫風機的隔熱墊片，從而降低風機隔板同墻板之間的熱傳遞，減少因為長期高速運行下的風機熱傳導現象帶來的風機外部損壞，影響密封性的情況出現。另外一方面還要求能夠設計具有較高密封性的機械裝置。如，參照其他的機械密封裝置可知，高溫風機的密封可以采用雙端面機械密封，其能夠通過內部循環流動的機封封液帶都風機內部隔板的熱度和自身的熱量，從而使得整個風機的各個零部件都能夠在一個適宜的溫度中運行，各個傳動部位能夠處于良好狀態。

1.2.2 高溫風機用機械密封裝置及系統設計需要做好整體和個別的詳細計算

雖然高溫風機用機械密封裝置及系統的設計可以直接從密封性入手，但是不可忽視的是，高溫風機中的內部溫度和介質溫度差也會帶來整個風機內部的參數標準發生變化，從而影響其密封程度。另外還有高溫風機運行的環境溫度、工作的時長等都會影響到其既定的結構的密封性。因此在設計中要求能夠充分考慮到溫度場的設計計算、做好邊界控制，實現對這些影響因素的補償設計。

2 ?高溫風機用機械密封裝置及系統的框架設計

一般情況下，通過雙端面機械密封的機械裝置設計方式。該方式具有較高的密封性，滿足風機所輸送的介質的密封性要求。

2.1 高溫風機用機械密封裝置的結構設計

2.1.1 高溫風機的使用工況參數分析

由于不同工業生產中的高溫風機的使用工況參數具有一定的差異性，也由此會導致風機的密封裝置系統設計會出現一定的誤差情況。對此在展開高溫風機用機械密封裝置系統設計應用中，需要基于一定的使用工況出發。本文主要是基于風機對壓縮空氣的運輸為例，參數設定詳見表1。

2.1.2 高溫風機用機械密封裝置結構設計

根據API682相關規定，當高溫風機軸徑為159mm時，其密封平衡結構的直徑不得超過115mm，需要采用彈簧靜止式結構，且避免其密封出現問題帶來的安全事故，需要利用雙端面機械密封，內外兩側的密封結構可以提高密封的安全性。如，一旦內側的密封失效，外側密封可以起到補償和保護作用。密封腔內需要通入水作為沖洗液，水的壓力高于0.1MPa。與此同時需要對兩個密封端面都進行潤滑和冷區的處理，如，采用碳化硅與浸銻石墨材料。下圖2為機械密封裝置結構。在該密封結構運行中，在持續不斷的高溫介質的影響下，內部的溫度也會繼續發生升高的變化，從而影響到風機的熱效率問題。因此為了將密封腔隔沖洗液的溫度控制在80℃以下，需要通過一定的系統設計，對密封過程中的熱傳導熱量進行降低控制，還需要隔熱熱氣體介質，這就需要做好密封系統設計。如圖1所示。

2.2 高溫風機用機械密封裝置的系統設計

高溫風機已有的密封結構無法完全抵擋住熱傳導等導致密封效應差的問題的影響。對此需要輔助展開密封系統設計、機械密封溫度變化密封變形等計算，提前做好溫度變化的補償措施。

2.2.1 密封系統設計

控制高溫風機整體擁有穩定可靠的工作環境，需要控制好密封過程中所產生的熱量問題。因此需要展開運行中的風機的密封循環系統的設計。第一，根據高溫風機的運行原理可知，在運行中導入水當作沖洗液從而冷卻內部的溫度情況。那么也需要考慮到這一沖洗液會出現溫度升高的情況。因此為了嚴格控制液體的溫度在一定范圍?？梢圆捎门渲脫Q熱器的設備形式。如，在系統內設計一個系統為250w/m2.℃的換熱器，其在運行過程中可以控制沖洗液在一個生產循環中溫度控制在5℃中，同時根據冷卻公式：

NA+NB=KΔtmA

其中運行中的風機的摩擦熱功率為NA，介質側密封的熱傳導功率為NB。通過計算可以得出高溫風機用機械密封裝置系統的換熱器的參數規格情況。

2.2.2 密封溫度場計算分析

風機的機械密封環是用來平衡介質溫度和密封腔溫度差的重要結構，但是溫度場還會受到熱源、密封環邊界對流換熱情況等的影響。因此在系統設計中，必須能夠展開對溫度場模型的計算和設計。當前可以利用有限元網絡模式來表現密封溫度場的整體溫度情況。如，假設應力場、溫度場等變量都是呈現軸對稱分布的，忽視其他的變量因素，例如忽視溫度對于材料性能的影響，僅僅是對高溫風機密封環間的熱量分配，穩定變化等進行有限元軟件ANSYS進行求解，獲得風機的密封溫度場的有限元模型圖。如圖2所示。

3 ?高溫風機用機械密封裝置及系統的應用分析

基于上述所設計構造的高溫風機用機械密封裝置及系統可知，其在運行中，密封端面的溫度不會過高，最高控制在106℃左右。密封端面的溫度不高于隔離流體溫度。將該風機密封裝置及系統投入到實際的工況應用中。當風機內的密封隔離液的壓力為0.1MPa時，高溫風機所傳輸的介質溫度為195℃的時候，不論風機是運行0.5h還是2h，該風機的沖洗壓力都不會發生變化，且通過計算得出各種隔離液進入和流出密封端面的實際溫度沒有發生明顯的溫度變化，且機械密封泄露量皆有“0”。同時發現密封端面各處設置膜壓遠遠高于飽和的蒸汽壓，因此，密封端面不會發生汽化的泄露現象，影響機械密封的穩定性。

4 ?結束語

綜上所述，高溫風機輸送的介質不斷呈現出危險性、多樣性等趨勢發展，要求做好高溫風機的機械密封性設計工作。

一方面，要求能夠選擇最佳的密封材料當作是高溫風機的各種機械零部件材料，避免因為所傳輸的介質的溫度摩擦等問題帶來機械設備腐蝕而影響密封性;

另一方面，是要求能夠展開對機械密封循環系統結構進行設置，從機械內部結構中隔絕開可能發生的泄露危險，還要求能夠通過其他的密封設計，對于會對密封性產生影響的各種介質、材料等進行計算設計，起到泄露性補償措施的目標。

參考文獻：

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