哈工大传热学大作业

1、1、机械密封环的几何模型与传热边界条件机械密封的动、静环可简化为不同尺寸圆筒的组合，如图1a所示为密封环断面。由于密封环空气侧的气流速度很小，散热状况不佳，该边界可简化为绝热边界。在保证密封环介质侧换热面积不变时，可将其进一步简化为一个长度为L，断面积为A，外圆周长为C的当量圆筒，如图1b所示。边界条件如下所述。图1 密封环模型2、摩擦热量的计算平行面机械密封环端面受热变形后的径向轮廓为曲线，但由于密封面较窄，且端面间隙很小，曲线的曲率半径很大，故可认为变形后的轮廓线为直线。端面间液膜的模型如图2所示。图2 端面间液膜对于厚度沿径向线性变化的液膜，其厚度为则摩擦热可由式(4)计算3、摩擦热量的

2、分配3.2摩擦热量的分配动环和静环端面处的换热方程式为可以得到可见，密封环获得的热量除与当量圆筒本身的散热系数有关外，还与液膜对端面的给热系数有关。4、密封环上的温度分布方程对图1b所示的当量圆筒断面置于直角坐标系中，如图3所示。因其轴对称性，稳定的热传导控制方程可写成图3 当量圆筒断面根据介质侧边界条件，有此式为超越方程，满足该方程的k值有无穷多个。根据热流边界条件得由此可得该式即为密封环上的过余温度分布方程5、结果与讨论5.1计算对象5.2摩擦热量随角频率的变化当密封面处于液体摩擦状态时，摩擦热与密封面内径和外径、介质的物性、液膜的厚度以及角频率有关。如图4所示，摩擦热随动环角频率的增加而

3、增加。当角频率一定时，液膜的平均厚度越小，产生的摩擦热越大。相对于混合摩擦或干摩擦，液体摩擦产生的热量要小得多，但泄漏率较大，且对于平面机械密封，较难实现液体润滑。利用表面改形技术，在密封环端面上开直线槽、圆弧槽和螺旋槽等各种形式的深槽或浅槽以产生流体动压，可实现端面的非接触，保证密封端面处于液体摩擦或气体摩擦状态，摩擦热较小，从而限制端面温升，延长密封环寿命。高速旋转设备中使用接触式机械密封往往由于摩擦热过大而提前失效，但使用表面改形的非接触式机械密封能在保证密封性能的同时，延长使用寿命。5.3摩擦热量的分配比例随角频率的变化5.4动环端面温度随角频率的变化由于密封环空气侧为绝热边界，热量从

4、介质侧散失，所以密封环上由内径向外径方向温度逐渐减小，而朝着热流边界方向温度逐渐增加，最高温度出现在密封环端面内径处。端面上内径处和外径处的温度随角频率的变化趋势如图7，内径处由于散热条件较差，温度上升较为明显，靠近介质的外径处的温度略有上升，内外径处的温度差也随角频率而上升。密封端面温度的升高会改变介质特性，端面上的温度差使端面发生不均匀的轴向变形，从而使端面的接触状态发生改变。内外径处温差越大，端面变形量越大，导致局部摩擦加剧，泄漏量增大。此外，端面最高温度不能超过材料的许用温度，因此控制端面温度差和最高温度是保证机械密封正常工作的必要条件。5.5动环材料的热导率对温度场的影响5.6动环尺

5、寸对传热性能的影响保持动环内径不变，改变断面参数b与L后，动环端面上内径、外径处的温度变化趋势如图9、图10所示，此时角频率为600rad/s，摩擦热总量不变。b逐渐增大，动环获得的热量略有增加，但热流密度逐渐减小，端面温度略有下降，内外径处温差的变化较小(图9)。当b值不变，L变大时，端面内径处的温度明显下降，温差也相应减小(图10)。适当增加b和L值，可增加动环的散热面积，降低环上的最高温度和内外径处温差。6、结局(1)研究了摩擦热在由动环、静环、液膜及密封介质组成的传热系统中的生成、分配及传递过程，探讨了系统中各因素对密封环传热性能的影响规律。端面为液体摩擦时，摩擦热的大小随角频率的增加而增加，随平均膜厚的增加而减小。静环对介质的给热系数较小，而动环对介质的给热系数较大，后者随角频率的增加而显著增加。由于动环的换热面积和材料热导率较大，对介质的给热系数显著高于静环，所以传递到动环的热量占总摩擦热的绝大部分，动环温升高于静环。(2)依据所建立的传热模型，可近似求解密封环温度场。端面上的最高温度和内外径处的温度差可作为判定密封环传热性能优劣的依据。选用较大的材料或适当增加密封环与介质的换热面积可有效降低密封环上的