泵密封辅助系统21号方案冲洗参数分析

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摘 要：合理的冷却冲洗参数能提高泵机械密封工作的可靠性，延长其使用寿命。文章针对API682中的标准冲洗布置21号方案，通过密封冲洗冷却器的计算选择以确定合理的冲洗参数。

关键词：机械密封；冲洗布置21号方案；密封冲洗冷却器；温升

中图分类号：TH136 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）17-0096-02

在现代工业装置系统中，广泛而大量地使用着各种各样的流体机械。在这些机械中，转轴的密封是关键技术之一，尤其是机械密封，它是节能、泄漏、防污染、保安全的先进轴封形式。机械密封由两部分组成的，即机械密封本身和机械密封循环系统。机械密封循环系统的功用在于采用冲洗、循环、热对流等工作方式，控制机械密封的工况参数，即温度、压力、、腐蚀、结晶、结垢等，以防止危险介质正常泄漏对环境的污染。

本文以符合美国石油协会标准API682的泵密封标准冲洗布置21号方案为例介绍密封辅助系统冲洗参数计算过程。方案21是对密封提供了一种冷却冲洗，这种冲洗方案用于提高蒸汽气化的裕量、满足附属密封元件的温度限制、减少焦化或聚合、提高性。方案21的优点是不仅提供了冷却冲洗也具有足够的压差以保证良好的冲洗流量。它的主要配置是从泵的出口通过限流孔板和冷却器然后进入密封腔的循环过程（图1）。

密封腔中热量的来源主要有以下几种：由于密封面摩擦和介质剪切而产生的热量，由旋转的密封元件引起的紊流（或湍流）而产生的热量，由泵经密封腔和轴传导的热量等，同时密封腔也有部分热量散失。通过方案21的冷却冲洗要带走这部分热量，以此为原则即可计算方案21的冲洗流量及换热器的参数。以按API682-2004标准配套的串联金属波纹管式机械密封为例，介绍21号方案冲洗参数的计算过程，具体工况参数见表1、表2。

1 密封腔产生的热量

1.1 密封端面摩擦产生的热量Q

密封结构如图2所示。

DO为密封端面接触外直径，mm，DO=111.7；Di为密封端面接触内直径，mm，Di=103.2；D1为波片外径，mm，D1=114.3；D2为波片内径，mm，D2=97.5；Db为密封有效平衡直径，mm，Db=■=106；Psp为弹簧比压，MPa，焊接金属波纹管Psp=0.15 MPa；p为密封腔压力，MPa，p=0.4 MPa；n为转速，r/min，n=1475 r/min；f为摩擦系数，f取0.07；K为压降系数，K取0.5。

密封端面摩擦产生的热量Q计算过程如下所示。

端面面积：

A=■=1 434 mm2

密封平衡系数：

B=■=0.691

密封端面上的液体压力：

ΔP=p×B=0.276 MPa

端面总比压：

Ptot=ΔP（B-K）+Psp=0.203 N/mm2

端面平均直径：

Dm=■=107.15 mm

运行转矩：

Tr=Ptot×A×f×（Dm/2 000）=1.09 Nm

密封端面摩擦产生的热量：

Q=■=0.168 kW

1.2 密封旋转部件涡流产生的热量Qxz

密封旋转部件涡流产生的热量Qxz的依据为能量守恒原理——密封旋转部件产生热量等效于同类型叶轮、产生同流量下泵所用电机的轴功率。

取泵流量Qpump=15L/min=0.00025m3/s，取扬程Hpump=14m，则密封旋转部件涡流产生的热量：

Qxz=PpumpgρQpumpHpump/1 000=0.03 kW

1.3 泵密封腔与轴的传热Qhs

U为材料物性系数；A为传热面积，mm；T1为泵介质温度，℃，此密封T1=210℃；T2为要求的密封腔温度，℃，此密封T2=95℃（估算）；为泵温度与所要求的密封腔温度的温差，K，ΔT=T1-T2=115 K。对于不锈钢材质的轴套和密封压盖，取U×A=0.00 025。则密封腔吸热：

Qhs=U×A×Db×ΔT=3.05 kW

1.4 散发到空气中的热量Qs

密封端盖与管路损失热——环境温度取当地最高温度38℃。

C1为端盖比热，kJ·kg-1·k-1，此密封C1=0.46 kJ·kg-1·k-1；M为端盖总重量，kg, 此密封M=ρV=27.3 kg；Δt为端盖与环境温度差，K, 此密封Δt=95-38=52 K；l为管路散热长度，此系统l=4 m；S为管路散热面积，m2，S=πd×l=3.14×0.027×4=0.339 m2；W为管散热能力—相对大气，kW/m2，W=4 kw/m2；h为环境修正系数，此系统h=1.15；α为管材修正系数，此系统α=0.9。则此密封:

Qs=Qpompcover+Qpipe=■+hαSW=1.6 kW

2 密封冲洗流量qing

为与泵同温的注入液的相对比重，g/cm3，此密封d=0.879 g/cm3；Cp为与泵同温的注入液的比热容，J·kg-1·k-1，Cp=1700 J·kg-1·k-1；Δt为密封腔的最大温升，Δt=10K。

密封冲洗流量qing计算过程如下：

qing'=60 000×■=6.6 L/min

在计算中所应用的温升是密封腔的平均温升，而实际密封端面的温升比密封腔要高很多。所以用此公式来计算最小冲洗量的话，则密封面会过热而导致运转不良。因此注入流量应至少采用2倍的安全系数，且保证冲洗时对准密封面。则此密封冲洗流量为：

qing=2×qing'=1.3 L/min

3 换热器相关参数

3.1 冲洗液降温放出的能量Qdiffusion

Tlc为冷却液出口温度，℃，Tlc=47℃；Tlr为冷却液入口温度，℃，Tlr=30℃；Tjc为换热器冲洗液出口温度，℃，Tjc=105℃；Tjr为换热器冲洗液入口温度，℃，Tjr=195℃；ρ为管内流体密度，kg/dm3，ρ=0.879 kg/dm3；ms为管内流体的质量流量，kg/s，ms=■=0.19 kg/s。

Qdiffusion计算过程为：

Qdiffusion=■29.1 kW

3.2 散热面积Adiffusion

k为总传热效率，W·m-2·K-1，■=■+R，其中α=BD-1.8m■■，B=0.0234πμ■Pr■?渍■c，c=1.1，经计算k=480。

Δtm为传热温度差，K，此密封Δtm=■=112 k。

散热面积Adiffusion计算过程如下：

Adiffusion'=1 000×■=0.54 m2

Adiffusion=（1+0.3）×Adiffusion'=0.7 m2

3.3 冷却液流量

ρcooling为冷却液密度，kg/dm3，此系统ρcooling=0.996 kg/dm3；ccooling为冷却液比热容，J·kg-1·k-1，此系统ccooling=4178 J·kg-1·k-1；Qabsorption为冷却热吸收能量，kW，取Qabsorption=Qdiffusion=29.1kW；Δtabsorption为冷却水进出口温差，K，此系统Δtabsorption=Tlc-Tlr=17 K。

冷却液流量计算过程如下：

qcooling=60000×■=25 L/min

4 结 论

经过上述计算分析可以得出该密封在上述工况下，采用标准冲洗布置21号方案时，冲洗参数如下：密封冲洗流量为13 L/min；换热器散热面积为0.7m2；换热器冷却液流量至少为25 L/min；密封腔温度大约95℃。

参考文献：

[1] 陈德才,崔德容.机械密封设计制造与使用[M].北京:机械工业出版社,1993.

[2] 顾永泉.机械密封实用技术[M].北京:机械工业出版社,2001.

[3] 赵育恺,阮超群.机械密封冷却冲洗量的估算[J].机电设备,2003,(3).

[4] 柴诚敬,张国亮.化工流体流动与传热[M].北京:化学工业出版社,2000.