- ▸Мощность трения уплотнительного кольца из графита Q = μ·F·v, где μ — коэффициент трения 0,10-0,25, F — сила прижатия поверхности 0,5-2 раза от номинальной, v — скорость скольжения 3-25 м/с; мощность трения одного кольца может достигать 100-1500 Вт
- ▸Уплотнительные кольца из графита с сурьмяной пропиткой имеют максимальную допустимую температуру рабочей поверхности 350°C; при превышении этой температуры происходит окисление с потерей массы, скорость окисления увеличивается в 3-5 раз на каждые 100°C повышения
- ▸Рекомендуемый расход промывочной жидкости составляет 2-5 л/(мин·см ширины уплотнительной поверхности), при этом повышение температуры контролируется в пределах 15°C, что эффективно удаляет более 80% тепла трения
- ▸Теплопроводность графита с медной пропиткой достигает 140 Вт/(м·К), что вдвое выше, чем у графита с пропиткой смолой, что делает его предпочтительным выбором для условий высокоскоростной и тяжелонагруженной работы
При работе уплотнительных колец из графита трение между уплотнительными поверхностями генерирует значительное количество тепла. Если это тепло не отводится своевременно, температура поверхности уплотнения резко возрастает, что приводит к окислению графита, испарению жидкой пленки и выходу уплотнения из строя. В нашей многолетней практике применения уплотнений Huahao Sealing Co., Ltd. (霍邱县华豪密封件有限公司) сталкивалась со многими случаями преждевременного выхода из строя, вызванными неправильным проектированием отвода тепла. В данной статье систематически анализируется механизм генерации тепла трения и методы проектирования отвода тепла для уплотнительных колец из графита.
1. Механизм генерации тепла трения
1.1 Расчет мощности тепла трения
Мощность тепла трения Q = μ · F · v
Где:
- μ: коэффициент трения, 0,10-0,15 для пары графит с сурьмой/карбид кремния, 0,15-0,25 для пары чистый графит/керамика
- F: сила прижатия поверхности (Н), равна давлению на поверхность Pb × площади уплотнительной поверхности A
- v: скорость скольжения (м/с), v = π × d × n / 60
Пример: уплотнительное кольцо Φ50 мм, скорость 3000 об/мин, давление на поверхность 0,5 МПа, коэффициент трения 0,15
- Скорость скольжения v = π × 0,05 × 3000/60 = 7,85 м/с
- Сила прижатия поверхности F = 0,5 × 10⁶ × 19,63×10⁻⁴ = 981,5 Н
- Мощность тепла трения Q = 0,15 × 981,5 × 7,85 = 1155 Вт
Это означает, что уплотнительное кольцо генерирует 1155 Вт × 3600 = 4,16 МДж тепла в час, что эквивалентно теплу, необходимому для нагрева 1 кг воды на 1000°C.
1.2 Распределение источников тепла
Трение концентрируется преимущественно в микроскопических точках контакта на уплотнительной поверхности. Фактическая площадь контакта составляет всего 1-5% от номинальной площади, поэтому плотность теплового потока в этих точках может достигать 10⁷-10⁸ Вт/м², с мгновенной температурой в несколько сотен градусов. Микроскопические горячие точки являются основной причиной локального окисления графита и износа.
2. Анализ путей отвода тепла
2.1 Три пути отвода тепла
Отвод тепла от уплотнительных колец из графита происходит преимущественно по следующим трем путям:
1.Отвод тепла промывочной средой (60-80%): поток среды в камере уплотнения уносит основную часть тепла
2.Теплопроводный отвод (15-30%): передача тепла через тело уплотнительного кольца к корпусу
3.Конвекционный отвод (5-10%): конвективный теплообмен между наружной поверхностью уплотнительного кольца и средой/воздухом
2.2 Ограничения теплопроводного отвода
Теплопроводность графита с сурьмяной пропиткой составляет всего 80-110 Вт/(м·К), а графита с пропиткой смолой — еще ниже, 50-70 Вт/(м·К). Это означает, что уплотнительные кольца из графита имеют ограниченную способность к теплопроводному отводу, и в основном зависят от отвода тепла промывочной средой.
3. Расчет и контроль повышения температуры
3.1 Оценка повышения температуры на рабочей поверхности
Повышение температуры на рабочей поверхности ΔT ≈ Q / (h · A_cool + λ · A_cond / L)
Где:
- h: коэффициент теплообмена конвекцией с рабочей средой (Вт/м²·К), для воды примерно 2000-5000 Вт/м²·К
- A_cool: площадь теплообмена конвекцией (м²)
- λ: теплопроводность графита (Вт/м·К)
- A_cond: площадь теплопроводности (м²)
- L: длина пути теплопроводности (м)
3.2 Ограничения по повышению температуры
Максимально допустимые температуры рабочей поверхности для различных видов пропитанного графита:
- Чистый графит: 300°C (начало окисления)
- Графит с пропиткой фенольной смолой: 200°C (разложение смолы)
- Графит с пропиткой фурановой смолой: 220°C
- Графит с пропиткой PTFE: 260°C (размягчение PTFE)
- Графит с пропиткой сурьмой: 400°C (температура плавления металлической пропитки 630°C)
- Графит с пропиткой медью: 500°C
3.3 Проверка температуры испарения среды
Температура рабочей поверхности должна быть как минимум на 20°C ниже температуры испарения среды при давлении в камере уплотнения. Например, вода испаряется при 100°C при атмосферном давлении и примерно при 150°C при 0,5 МПа. Если температура рабочей поверхности превышает это значение, жидкая пленка испаряется, что приводит к сухому трению и выходу уплотнения из строя.
4. Методы отвода тепла
4.1 Расчет расхода промывочной жидкости
Рекомендуемый расход промывочной жидкости составляет 2-5 л/(мин·см ширины рабочей поверхности уплотнительного кольца). Для уплотнительного кольца диаметром Φ50 мм (ширина рабочей поверхности 5 мм) рекомендуемый расход составляет 10-25 л/мин.
Повышение температуры промывочной жидкости ΔT_w = Q / (c_w · ρ_w · V_dot)
- c_w: удельная теплоемкость среды (Дж/кг·К), для воды 4186 Дж/кг·К
- ρ_w: плотность среды (кг/м³), для воды 1000 кг/м³
- V_dot: расход (м³/с)
Пример: расход 15 л/мин = 2,5×10⁻⁴ м³/с
ΔT_w = 1155 / (4186 × 1000 × 2,5×10⁻⁴) = 1,10°C
Из этого видно, что расход промывочной жидкости 15 л/мин полностью достаточен для отвода 1155 Вт тепла трения.
4.2 Конструкция охлаждающей рубашки
Для условий с высокой температурой (температура среды >150°C) рекомендуется установка охлаждающей рубашки снаружи камеры уплотнения. Расход охлаждающей воды 1-2 л/мин с контролируемой разницей температур на входе и выходе в пределах 5-10°C.
4.3 Система барьерной жидкости
Для легко испаряющихся сред (сжиженный нефтяной газ, легкие углеводороды) необходимо использовать торцевые уплотнения с двумя рабочими поверхностями и системой барьерной жидкости. Давление барьерной жидкости должно быть на 0,1-0,2 МПа выше давления среды, расход 0,5-2 л/мин.
5. Стратегия выбора материалов
5.1 Материалы с высокой теплопроводностью
Для условий с высоким значением PV следует выбирать графит с металлической пропиткой и высокой теплопроводностью:
- Графит с медной пропиткой: теплопроводность 140 Вт/(м·К), допустимая температура 500°C
- Графит с пропиткой сурьмой: теплопроводность 110 Вт/(м·К), допустимая температура 400°C
5.2 Материалы с низким коэффициентом трения
Для условий с риском сухого трения следует выбирать комбинации материалов с низким коэффициентом трения:
- Графит с пропиткой смолой + карбид кремния: μ=0,08-0,12
- Чистый графит + керамика из оксида алюминия: μ=0,10-0,15
Заключение
Проектирование отвода тепла уплотнительных колец из графита является ключевым фактором для обеспечения надежной и долговременной работы уплотнений. Huahao Sealing Co., Ltd. предлагает полный ассортимент уплотнительных колец из углеродного графита, включая изделия с высокой теплопроводностью на основе графита с медной и сурьмяной пропиткой, а также может предложить индивидуальные решения по отводу тепла, исходя из условий заказчика. Пожалуйста, свяжитесь с нашей технической командой — мы предоставим оптимальное решение по отводу тепла уплотнения на основе профессионального инженерного опыта.