化工流体动密封压制.ppt

1,第三章 流体动密封,3.1 填料函密封 结构及密封原理 1.密封结构,2,2.填料的形式,3,3.密封原理,（1）现象：,1）填料被轴向压紧产生径向压力； 2）填料与轴贴合不均匀环向有接触有间隙； 3）轴表面存在漏出的液体液膜。,（2）密封原理： 1）填料被压紧，提高了填料的强度，对轴产生径向压力，如图（b）；,4,2）填料与轴面贴合不匀，形成漏液的节流环，“迷宫效应”，使漏液压力逐渐下降；见图（c）。,径向压力+迷宫效应+轴承效应,填料密封,3）轴表面漏出液体，液膜有支撑、润滑和冷却作用，“轴承效应”。,5,（3）填料的径向压力分布,旋转轴：,往复泵轴：,轴发生磨损：,6,4.适用环境,介质压力：,旋转轴0.0013.4MPa 往复轴0.00122MPa。,温度：-50600,线速度：20m/s。,二.填料函结构形式,1.单填料函,适于低温、低压、低真空度的情况。,7,2.夹套填料函,夹套通以冷却水或蒸汽，以改善填料工作条件。,8,封液压力大于介质压力0.050.1MPa，便可阻止介质外漏；当设备内为负压时，只需通入0.050.1MPa封液，便可阻止空气进入设备内部。,3.带液环填料函,9,4.带节流套填料函,节流套内通以高于介质压力0.050.1MPa的洁净介质，防止含有固体颗粒介质进入填料。 节流套与低压端连通，填料内的高压介质被降压，填料处于低压状态工作。,10,5.双填料函,两密封函之间可通入液封，以冷却、润滑、收集漏液。 适于易燃、易爆、有毒、高压介质。,11,6.锥形填料函,用于动力密封工作时，无须填料函起密封作用；停车时，利用轴的轴向窜动，使填料与轴接触，起到密封作用。,12,7.旋转填料函,轴为静止，壳体旋转。,13,8.浮动填料函,适于轴、壳不同心或在转动时摆动、跳动较大的场合。 利用弹性或柔性良好的材料作过渡体，使函或轴处于浮动状态。,14,3.2 机械密封基础,一.基本结构及其工作原理 1.机械密封的基本结构,（1）端面密封副静环、动环； （2）补偿缓冲机构弹性元件或磁性元件； （3）辅助密封圈静密封胶圈； （4）传动机构弹簧座、定位螺钉、防转销等。,15,2.密封工作原理 动、静环接触处的端面在流体压力及补偿外弹力作用下，保持贴合并相对滑动，在辅助密封的配合下，阻止了系统内流体的泄漏。 密封端面内形成一微小间隙，介质或外加润滑冷却液在间隙内形成极薄的液膜，从而起到阻止介质泄漏，使端面得以润滑的目的。,3.平衡型及非平衡型机械密封,16,外置式动环、传动机构置于大气中； 内置式动环、传动机构置于介质中。,17,平衡型动、静环密封面的压力不受（或很少受）介质压力的影响。,非平衡型端面压力受介质压力的影响。过大会压坏端面间隙的润滑膜。,18,二.机械密封的有关要素,要保证： 1）密封性能；2）使用寿命。 密封端面液膜要存在；材料要耐磨损。 1.PV值主要工作性能指标 1）定义 端面比压（P）与端面平均周速（V）的乘积。 设计、制造和使用者共同考虑的要素。 PV端面摩擦热和端面磨损率 PV被视作耐热性和耐磨性指标。,19,2）. 常用摩擦副材料组合的允许PV值,20,3）.极限PV值,运转摩擦生热端面温度升高端面热裂 泄漏量增大端面磨损加剧密封破坏。 摩擦副产生热裂时的PV值为极限PV值。,2.密封端面上的液膜压力 粘度直接影响液膜，一般厚度0.13m。,P膜的影响因素很多：介质粘度、端面几何形状、转速、介质中的杂质等等。,21,端面比压 作用于密封端面单位面积的力称为密封比压。 要求： ）端面比压必须是正值，保证密封端面紧密贴合； ）大于物料在密封端面上的蒸汽压； ）保证液膜存在，端面比压不宜过大，以免液膜蒸发使磨损加剧。也不能过小，以免密封性能变差。 泵用内置式，一般取0.30.5MPa； 外置式，0.150.4MPa； 粘度大者，适当增加，一般0.50.7MPa； 润滑性差，易挥发物料，比压较小，一般0.250.45MPa； 反应釜外置式，比压比泵用稍大。,22,弹簧比压,弹簧作用于密封端面单位面积的力。 作用：当介质压力很小或波动时，仍能维持一定的端面比压，使介质不致泄漏。 选择依据：端面平均线速度。 高速机械密封，平均线速度30m/s， 取(0.52.0)9.8104Pa； 中速，平均线速度1030m/s， 取(1.53)9.8104Pa ； 低俗，平均线速度10m/s， 取(1.56)9.8104Pa ； 釜用，取0.22MPa。（转速低，气相，轴摆动较大，操作压力、温度、相态不稳定）。取值较大。,23,三.机械密封的一般结构形式,1.单端面密封 润滑剂工艺介质。 1）内置式,F密=F介+F弹-F膜,密封头固定； 密封头旋转。,24,外置式：,密封头固定； 密封头旋转。,F密=F弹-F膜 避免传动机构受磨损,25,2.双端面密封,26,27,3.波纹管式机械密封用于强腐蚀、有毒介质场合,波纹管,橡胶波纹管； 聚四氟乙烯波纹管； 金属波纹管。,28,四.特殊工况下的机械密封,1.高温条件下 T80 出现：1）润滑条件恶化，热裂，液膜汽化，密封环磨损； 2）密封环变形，间隙量变化； 3）介质腐蚀性加剧。 须注意： 1）选材要适应温度上限，相配合的材料的热膨胀系数应相近。 2）按热态考虑零件配合。 3）采用外置式结构。 4）应强化冷却。,29,2.高速条件下 线速度30m/s。 出现： 1）磨擦热增加，磨损量增大； 2）零件离心力加大，振动增强。 注意： 1）加强磨擦副的润滑与冷却； 2）选用许用PV值高的材料组对； 3）采用密封头（传动机构）为静态结构。,30,3.低温条件下 出现： 1）端面变形，配合件松动、脱离； 2）材料发生冷脆现象； 3）密封件与大气接触时会出现水蒸气冷凝、冻结在密封面上，加速磨损，密封恶化。 注意： 1）控制系统不出现突然的和过大的温差； 2）材料选择注意良好的低温性能。,31,4.高压条件下 P工5MPa。 出现： 1）端面比压过大，液膜遭破坏，加速磨损、发热； 2）零件变形、损坏。 应注意： 1）选用平衡性机械密封； 2）磨擦副的动静环要有足够的刚度，不可变形过大； 3）支撑结构牢靠。,32,5.腐蚀性介质条件下 腐蚀化学腐蚀、电化学腐蚀、磨蚀。 磨蚀速率=1050倍无摩擦腐蚀速率！ 应：1）磨擦副材料既耐腐蚀又耐磨。如陶瓷-聚四氟乙烯。 2）保护辅助密封聚四氟乙烯波纹管（内装式）或采用外装饰结构；或采用双端面结构，引入隔离液。,33,3.3 非接触密封,使被密封的流体产生压力降，来达到密封。允许产生一最小的泄漏量，不影响系统中运动件的旋转运动。 特点： 运动部件之间，固定密封件与运动密封件之间均无摩擦； 无磨损，无须维修，结构简单、耐用、运行可靠。,分类：,流阻型间隙节流产生阻力。如浮环密封、迷宫密封等； 动力型轴功率产生反压头，抵消介质泄漏 压头。如螺旋密封、叶轮密封、干气密封等。,34,2.工作原理 在弹簧力作用下，内浮环及外浮环分别与隔离环及挡环端面贴合，内浮环及外浮环因有防转销不能转动，但能滑动。 向浮环引密封液冷却、润滑，将气相密封转为液相密封，压力高于工艺气不能外漏。 少量内漏液，混合于工艺介质中，引出进行分离，再循环使用。 大量外漏，引回邮箱循环使用。,一.浮环密封,1.密封结构,35,浮环特性浮升性。,轴停止转动时，形成偏心间隙：,轴转动时，密封液被牵连旋转，环浮动抬升动压效应。 浮升性的作用： 1）使浮环自动对中，适应轴的偏摆运动； 2）避免轴与环间出现固相摩擦； 3）使环与轴间隙变小，增强节流阻力，改善密封性。,36,3.密封特点： 1）密封参数范围宽广。如离心机中，线速度约为4090m/s，工作压力可达32MPa；工作温度为-100+200。 2）动密封中，具有最高的工况PV值，可达25002800MPam/s。 3）浮环利用自身的密封系统，将气相密封转换为液相密封，因而特别适用于气相介质。 4）浮环密封对大气环境为“零漏泄”密封。适于各种易燃、易爆、有毒、贵重介质。 5）性能稳定，工作可靠，寿命达一年以上。 6）浮环密封为非接触式工况，内漏泄量约为200升/天，外漏泄量约为15200升/min。当然，此泄漏量应视为循环量，不同于机械密封。,37,二.螺旋密封,38,1.工作原理： 轴的旋转动能转换成粘性流体的压力能，获得泵送压头”泵送效应”。 粘性流体得泵送压头与介质压力向平衡，阻止介质泄漏。 螺旋迷宫密封做功元件包括轴螺旋和孔螺旋，泵送压头高于普通螺旋密封。但产生涡流摩擦只适用于粘度较低的流体，不适用于高粘度流体。,2.特点：1）属非接触型密封，允许有较大的密封间隙，无固相摩擦，工作寿命可长达数年，容易维护保养。 2）属动力型密封，消耗轴功率建立密封状态。 3）螺旋间隙充满粘性液体，可将气相条件转化 为液相条件。,39,4）适于在低压下工作（压力低于2MPa）。封液不需要循环冷却，结构简单。 5）不适于高转速（线速度高于30m/s)工作。因封液受到剧烈搅动，容易出现气液乳化现象。 6）没有停车密封性能。 7）要求封液有一定粘度，并且温度变化对封液的粘度影响不大。若工艺流体粘度高，本身可以作为封液用。,40,3.类型与结构：,单向回流式,41,双向增压式 两段螺旋结合带形成“液体密封圈”，阻漏。,42,双向抽空式 两螺旋结合带形成真空屏障，阻漏。,43,三.磁流体密封,1.磁流体简介 （1）磁流体的组成： 1）磁粉微粒磁性材料，如稀土磁性材料、磁铁矿（Fe3O4）、赤铁矿（-Fe2O3）、氧化铬（CrO2）等。 直径小于300A,球形为好。 2）载体液态，如水、汽油、碳氢化合物、聚苯醚等，也可是水印、镓、銦、锡等液态金属。 3）分散剂表面活性剂，具有亲液性和憎液性性质。防凝聚，布朗运动。 亲液基可与载体混合； 憎液基与磁粉亲和并吸附在磁粉微粒表面，形成单分子包附层。,1磁粉微粒 2载体 3分散剂,44,（2）磁流体的性能 1）磁性外磁场作用下显示磁性。 2）有冰点，一定温度下转变为固体，丧失流动能力。 3）有一定寿命。影响寿命原因： 饱和蒸汽压 饱和蒸汽压越高，蒸发量越大干固，丧失密封能力。 应：选取低饱和蒸汽压的载体和分散剂； 降低磁流体工作温度。 阻止磁粉微粒凝聚的能力。从如下方面考虑： 选用分散剂； 分散剂的包袱程度； 磁粉微粒的形状和粒度，球形为好。,45,4）润滑性； 5）粘度。影响粘度的因素： 磁粉微粒的浓度。浓度增加，粘度也增加； 分散剂的加入量。如图：,温度。温度升高，粘度下降。,6）饱和磁化强度 取决于： 磁性材料的饱和磁化强度。 磁粉的浓度。 温度。,2.磁流体密封的结构,47,48,3.磁流体的密封原理,静止部件与旋转部件之间的间隙中形成了外加磁场，将磁流体吸聚在其间，形成0形液体环。 磁流体本身具有表面张力和磁场力，液体环阻止介质通过，起到密封作用。 密封特性：自愈合性能。,49,p p时，磁环被吹断后仍可以自行恢复 自愈合性能。 多级密封时，密封总压力pn=n p p单级压差。 磁流体经长期使用会有损失，需要补加足够的磁流体。,4.提高磁流体密封能力的主要途径： 1）提高外磁场强度和磁流体的饱和磁化强度。 pMsH 式中 Ms磁流体饱和磁化强度。 H密封间隙中的磁场强度。 即a.选用导磁性能好的材料； b.间隙要小； c.提高外加磁场强度。,50,2）适当提高磁流体粘度 粘度高表面张力大，有利于磁流体环的强度； 发热量大，粘度降低。 3）选用合理的级数。,5.磁流体密封的优缺点： 优点：1）对大气可实现零泄漏； 2）无固体摩擦； 3）只要磁流体量够，使用寿命很长； 4）结构简单、净度低； 5）磁流体有排他性，可用于含固体颗粒介质的密封；,51,缺点： 1）耐温度范围小。取决于载体及分散剂； 2）耐压力低，0.20.3MPa； 3）耐腐蚀性差。,6）可用于往复运动密封； 7）轴、孔的同心度要求不高； 8）适应高速旋转； 9）有自愈合能力。,52,四.迷宫密封,1.结构形式,53,2.密封原理,理想的迷宫流道：,在间隙入口处气体状态为P0,T0和速度为0，气体越接近入口，气流越加收缩和加速，在间隙最小处的后面不远处，气流获得最大的速度；当进入空腔，流束界面突然扩大，并在空腔内形成强烈的漩涡。,54,能量观点看， 在间隙前后，气流的压力能转变为动能。 到空腔后，一小部分动能又转变为压力能。 强烈的漩涡，大部分动能转变为热能而耗损。 热力学效应 总压头总是下降的，能量散损越多，压头下降越多，泄漏量也随之降低，达到阻漏目的。,55,用焓熵图表示这一过程：,气流通过第一个缝口后，压力由0点下降到1点，然后在膨胀室内作等压恒温恢复，压力由1点升到1点，如此下去，每个迷宫室内进行一次，最后把整个迷宫室内气体的理想状态变化用折线0-1-1-2-n-n表示之。理想迷宫（等温过程）。 范诺曲线。,56,在实际迷宫中，除了热力学效应、流体收缩效应和摩阻效应外，还应考虑越载效应（直通）。,在一般直通型迷宫密封中，通过缝口后的气流只能向一侧扩散，在膨胀室内不能充分地实现将速度能转变为热能的能量转换，而有一部分气流速度不减少或者略微减少，直接越过各个齿顶流向低压侧直通效应（越载效应）。,57,常见迷宫密封的结构形式：,（a）直通型 （b）复合直通型 （c）错列型 （d）阶梯型 （e）斜齿阶梯型 （f）蜂窝与直通组合式 （g）承磨密封,58,3.影响迷宫密封的因素 综合考虑流束收缩及流速降低流量系数，影响迷宫密封效果。影响流量系数的主要因素有： 1）疏齿边缘影响流束收缩效应。,59,2）齿形,60,3）尺宽与间隙比,A松散区 B死区 C涡流区 D松扩区 E死区