Уплотнения

Аппараты для перемешивания жидких сред

1. Бакланов Н.А. Перемешивание жидкостей. Л.-.Химия, 1979. 63с.

2. Богданов В. В..Христофоров Е.И..Кдоцунг Б. А. Эффективные масообменные смесители. Л.-.Химия, 1989. 224с.

3. Брагинский Л.Н..Вегачев В.И..Варабаш В.М. Перемешивание в жидких средах; Физ. основы и инж. методы расчета. Л. Химия, 1984. 336с.

4. Васильцов 3.А..Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред: Справ, пособие. Л.-.Машиностроение, 1989. 271с.

5. Канторович 3. В. Машины химической промьапленности. М.-.Машиностроение, 1965. 415с.

6. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.-. Химия, 1973. 750с.

7. Криворот А. С. Конструкция и основы проектирования машин и аппаратов химической промышленности. Ц.: Машиностроение, 1976. 376с.

8. Леонтьева А. И. Машины и аппараты химической промышленности. Учеб. пособие. Тамбов: ТГТУ, 1991. 4.1. 104с.

9. Машины и аппараты химических производств./Под ред. И. И. Чернобыльского. М.:машиностроение, 1975. 456с.

10. Холланд Ф.А., Чапман Ф.С. Химические реакторы и смесители для жидкофазных процессов: Пер. с англ. М.: Химия, 1974. 208с.

Для создания герметичности между неподвижным корпусом аппарата и вращающимся валом служит уплотнение. В зависимости от физико-химических характеристик и параметров рабочих сред, а также требований производственной санитарии, техники безопасности и пожароопасности аппараты для перемешивания жидких сред комплектуются сальниковыми или торцевыми уплотнениями, гидрозатворами или имеют герметичный привод.

Сальниковое уплотнение состоит из корпуса, грундбуксы, нажимной втулки, сальниковой и стягивающих шпилек (рисунок 27). Уплотнение достигается прижатием сальниковой набивки к вращающемуся валу. Между валом о грундбуксой остается зазор 0,5 - 0,75 мм, а между валом и нажимной втулкой – несколько – больший зазор (1 - 1,5 мм). Эти зазоры устраняют возможность износа вала в указанных местах. Для изготовления грундбуксы и нажимной втулки используется чугун. При отсутствии зазора между валом и грундбуксой последняя должна изготовляться из бронзы.

1 - корпус; 2- нажимная втулка; 3- набивка; 4 - упорное кольцо (грундбукса).

Рисунок 27 - Сальник.

В некоторых случаях сальниковое устройство одновременно является опорой для вала (подшипником скольжения). Тогда зазор между валом и нажимной втулкой делается минимальным, т.е. на посадке скольжения. Нажимная втулка снабжается устройством для подачи и распределения смазки и изготовляется из бронзы или снабжается бронзовым вкладышем.

Cальник (рисунок 28) в середине слоя сальниковой набивки имеет сальниковое кольцо, которое обеспечивает равномерный подвод смазки по всему периметру вала в середину набивки. Для отвода тепла сальник снабжается охлаждающей рубашкой.

1 - корпус; 2- рубашка; 3- нажимная втулка; 4- набивка; 5- смазочное кольцо; 6- упорное кольцо (грундбукса).

Рисунок 28 - сальник со смазывающим кольцом.

В качестве сальниковых набивок чаще всего применяются хлопчатобумажные, пеньковые и асбестовые материалы.

Ниже приведены предельные температуры, при которых могут использоваться набивки.

Таблица 1.2 - Предельные температуры для сальниковых набивок.

Материал набивки	Предельная температура ° С
Асбестовая набивка: Маслобензостойкая Пропитанная Сухая
Асбестопроволочная набивка
Пеньковая просаленная набивка
Хлопчатобумажная просаленная набивка
Фторопласт

Перечисленные набивки могут применяться при давлениях 0,6-4 Мпа в зависимости от температуры и используемого пропитывающего состава. Пропитка служит для улучшения герметизации и снижения коэффициента трения набивки о вал. Для пропитки набивок применяют сало, парафин, битум, графит, жидкое стекло, тавот, вискозин и т.п.

Из указанных выше набивок следует отметить фторопласт. Он имеет малый коэффициент трения, поэтому срок его службы в несколько десятков раз больше, чем у остальных материалов. Этому способствует также его высокая химическая стойкость. Недостатки фторопласта – сравнительно высокая твердость (что требует больших усилий при затяжке сальника) и высокая стоимость. Эти недостатки устраняются в набивке из асбестового шнура, пропитанного фторопластовой суспензией.

При высоких температурах (t > 300° С) используются сухие набивки. Наиболее распространенная сухая набивка марки АГ-50 состоит из 50% графита, 45% длинноволокнистого асбеста и 5% алюминиевой пудры. Утечка уплотняемой среды в сухих набивках происходит вследствие их пористости. Даже при высоких давлениях прессования набивки (30 - 60 МПа) она остается пористой, так как составляющие её компоненты – асбест и графит – являются пористыми телами.

Сальниковые уплотнения применяют в аппаратах, работающих при давлениях до 0,1 МПа и температуре до 70°. Их нельзя применять при вакууме, переработке в аппаратах ядовитых и взрывоопасных сред. Скорость вала – от 5 до 320 об/мин.

Для нормальной работы сальника необходимо, чтобы усилие прижатия нижних слоев к валу равнялось давлению среды. Усилие прижатия набивки к валу действует в радиальном направлении, тогда как поджим набивки нажимной втулкой производится в осевом направлении. Схема работы сальника изображена на рисунке 29. Если бы набивной служила идеальная жидкость, то осевое и радиальное усилие были бы равны (Р_х = Р_у) во всех её участках. Однако, поскольку набивка является деформируемым твердым телом, то Р_х <= Р_у и, кроме того, сила прижатия набивки к валу будет изменяться по высоте сальниковой камеры вследствие трения набивки о вал и корпус при её деформации, т.е. при сжатии.

1 - вал; 2 - нажимная втулка; 3- корпус.

Рисунок 29 - Схема распределения усилий в сальнике.

Связь осевого и радиального усилий можно выразить зависимостью:

, (1.39)

Величина m зависит от материала набивки, давления и лругих факторов и изменяется в пределах от 1,5 до 5.

Закон изменения осевой силы по высоте сальника можно представить следующим образом:

, (1.40)

Где S=(D-d)/2; f=m _ТР/m; m _ТР – коэффициент трения набивки о вал и корпус сальника.

В нижней части при у=0 справедливо равенство Р_у=Р₀, а верхней при y=h – равенство Р_у=Р₀ ехр(2 f h/S). Величина осевого усилия в верхней части позволяет по площади сечения набивки определить усилие затяга и рассчитать стяжные шпильки.

При совместном решении уравнений (1.39) и (1.40) получим закон изменения радиальной силы по высоте набивки, т.е. силы прижатия набивки к валу:

, (1.41)

Эпюра изменения силы прижатия набивки к валу изображена на рисунке 29. При удалении от нажимной втулки эта сила уменьшается. При большой высоте сальниковой набивки уменьшение радиальной силы будет значительным. Эффективное перераспределение радиальной силы может быть достигнуто в конструкции двойного сальника, однако, двойной сальник применения не находит, так как его эксплуатация очень сложна.

Если бы набивка являлась абсолютно твердым телом, то в противоположность допущению об идеальной жидкости, прижатие набивки к валу должно полностью отсутствовать. Для деформируемого твердого тела усилие прижатия набивки к валу будет составлять некоторую часть от осевого усилия. Увеличение силы прижатия можно достигнуть конструктивным приемом – изготовление колец уплотнительной набивки с конусными поверхностями. Для реальных набивок этот прием широко используется.

Определим мощность, теряемую на трение в сальнике. Для элемента набивки высотой dy сила трения равна:

, (1.42)

После подстановки значения Р_х из уравнения (1.41) и интегрирования в пределах от 0 до h получаем:

, (1.43)

С учетом f=m _тр/m имеем:

, (1.44)

Мощность теряемая на трение, будет равна:

, (1.45)

, (1.46)

Коэффициент трения f при вращении вала имеет меньшее значение, чем при неподвижном вале, кроме того, он изменяется при изменении давления. Учесть все это для разнообразных набивок при использовании уравнения (1.45) сложно, поэтому переходят к эмпирической зависимости (1.46), которая для практических расчетов принимает вид:

, (1.47)

Таблица 1.3 - Влияние геометрических размеров сальниковой набивки на потери мощности.

Геометрические раз- меры сальниковой набивки, h/S
Значения коэффици- ента, К	0,65	0,83	1,02	1,24	1,58	1,70	2,34

Ширина сальниковой набивки S,мм определяется по диаметру вала:

, (1.48)

Торцевое уплотнение. В этом уплотнении герметичность достигается за счет плотного поджатия по торцевым плоскостям двух деталей – вращающейся и неподвижной. Герметичность в таком соединении может быть достигнута только при высоком качестве обработке прилегающих поверхностей. Неровности 1мкм нарушают нормальную работу торцевого уплотнения. Поверхности трения подвергаются шлифовке и притирке, и имеют высокую чистоту обработки (№ 10 - № 12), они могут быть плоскими, сферическими или конусными. Плоские поверхности применяются чаще, т.к. при доводке легче получить хорошую чистоту поверхности трения, ширина кольцевой поверхности трения не должна быть большой (меньше 6 - 8 мм).

В химической промышленности торцевые уплотнения применяются не только для реакторов, но и для центробежных насосов. Торцевое уплотнение для герметизации аппаратов представлено на рисунке 30. Кольцо 2 получает вращение от вала через водило 4, состоящее из двух половинок, стягивающих вал, и через шпильки 3. Неподвижное кольцо 7 соединено с сильфоном. Тяги 6 с пружиной дают возможность регулировать силу поджатия колец 2 и 7, сильфон 8 позволяет компенсировать биение вала.

1 - корпус; 2 - вращающееся кольцо; 3 - шпилька; 4 - водило; 5 - пружина; 6 - тяга; 7 - неподвижное кольцо; 8 - сильфон.

Рисунок 30 - Торцевое уплотнение.

уплотнение (рисунок 30) работает при давлении 2* 10³ - 1,6* 10⁶ Па, температуре до 250 ° С и частоте вращения до 10 с^-1.

Достоинства – меньшие утечки, чем в сальнике, так как при работе под вакуумом подсос воздуха отсутствует, потери мощности составляют десятые доли потерь мощности на трение в сальнике, не требуется обслуживания, что объясняется большой износостойкостью пары трения (а следовательно, долговечностью) и хорошей работой при биениях вала.

Недостатки – высокая стоимость и сложность ремонта.

Основным узлом торцевого уплотнения является пара трения. Материал, из которого она изготовлена, должен обладать износостойкостью и малым коэффициентом трения. Используются следующие материалы: кислостойкая сталь – одно кольцо; углеграфит, бронза или фторопласт – другое кольцо. Фторопласт применяется только в случае небольших давлений и при невысоких скоростях пары трения, так как он обладает хладотекучестью. По конструкции торцевое уплотнение может быть внутренним и внешним, одинарным и двойным. Уплотнение, изображенное на рисунке 30, является внешним.

У внутреннего уплотнения вращающееся кольцо и нажимные пружины расположены внутри аппарата в рабочей среде. Двойное уплотнение имеет две пары трения и практически представляет собой два последовательных одинарных уплотнения. В двойном уплотнении между двумя парами трения помещается запирающая среда, предотвращающая утечки и отводящая тепло трения.

В химической промышленности наиболее распространенными являются следующие типы торцевых уплотнений: а) двойное торцевое уплотнение типа ТД (левая часть рисунок 31), предназначенное для герметизации валов аппаратов для перемешивания взрывоопасных, токсичных, пожароопасных, ядовитых и подобных им сред при давлениях до 0,6 МПа (тип ТД-6) и при давлениях до 3,2 МПа (тип ТД-32); б) двойное торцевое уплотнение ТДП (правая часть рисунок 31) с встроенным подшипником, предназначенное для герметизации валов аппаратов для перемешивания взрывоопасных, токсичных, ядовитых и подобных им сред; в) торцевое уплотнение типа ТСК, в котором использован сильфон из стали 12Х18Н10Т (рисунок 32), предназначенное для герметизации валов аппаратов для перемешивания взрывоопасных, токсичных и ядовитых сред, находящихся под давлением.

1 - неподвижные уплотнительные кольца; 2 - подвижные уплотнительные кольца; 3 - пружина; 4 - корпус; 5 - встроенный опорный подшипник.

Рисунок 31 - Двойное торцевое уплотнение типа ТД (левая часть рисунка) и типа ТДП (правая часть рисунка).

Данные торцевые уплотнения применяют в аппаратах, работающих при избыточном давлении до 1,6 МПа или остаточном давлении не менее 0,0027 МПа и температуре от -20 до +50 ° С.

Конструкция торцевого уплотнения (рисунок 32.), состоящая из под- вижного кольца 5, закрепленного на валу с помощью водила 2, и неподвижного кольца 6, плотно прижимаемого торцевой поверхностью к неподвижному кольцу пружинами 4 и гайками 3. Неподвижное кольцо 6 соединено болтами 10 с узлом сильфона 7. Корпус 8 закрыт сверху крышкой 1 и прикреплен фланцами и болтами 9 к крышке аппарата.

1 - крышка; 2 - пружина; 3 - подвижное кольцо; 4 - неподвижное кольцо; 5 - сильфон; 6 - корпус; 7 - болт.

Рисунок 32 - Торцевое уплотнение типа ТСК.

Сильфон представляет собой тонкостенную трубку с гофрированной поверхностью.

Смазку трущихся колец и охлаждение производят проточной водой, циркулирующей в полости крышки. Вода, попавшая через уплотнительную поверхность, собирается в нижней части корпуса, называемой уловителем, и выводится через штуцер. Неподвижные и подвижные кольца (пары трения) изготовляют из углеграфита, сталей 12Х18Н10Т, 40Х13, 95Х18, сплавов хостеллой Д или ситаллов.

Рассмотрим работу торцевого уплотнения (рисунок 33).

Рисунок 33 - Движение среды в зазоре между кольцами торцевого уплотнения

Движение среды в зазоре между кольцами в цилиндрических координатах описывается уравнением:

, (1.49)

Так как уплотнение имеет осевую симметрию, то и , а поскольку в зазоре давление изменяется только в радиальном направлении, то .

После упрощения уравнение (1.49) примет вид:

, (1.50)

Поскольку ширина поверхности соприкосновения колец в торцевом уплотнении невелика, то можно принять:

, (1.51)

Теперь уравнение движения среды запишется следующим образом:

, (1.52)

Исходя из схемы движения среды в зазоре между кольцами, изображенной на рисунке 33, граничные условия для уравнения (1.52):

при , (1.53)

при ,

Интегрирование уравнения (1.52) дает:

, (1.54)

Используя граничные условия (1.53), получаем по уравнению (1.54):

, (1.55)

, (1.56)

из которых находим

; , (1.57)

С учетом постоянных с₁ и с₂ решение примет вид:

, (1.58)

Величина утечки на единице длины уплотнения составит:

, (1.59)

На всем периметре уплотнения величина утечки будет равна:

, (1.60)

Преобразуем уравнение (1.60):

, (1.61)

Граничные условия для уравнения (1.61) с использованием схемы движения среды в зазоре пары трения рисунок 33:

при , (1.62)

при ,

После интегрирования получаем:

, (1.63)

Отсюда найдем величину утечек среды в торцевом уплотнении:

, (1.64)

Таким образом, на величину утечки наиболее сильное влияние оказывает величина зазора между кольцами торцевого уплотнения. В уравнениях (1.60) и (1.64) эта величина входит в третьей степени, поэтому для нормальной работы уплотнения зазор между кольцами должен быть доведен до минимума. Этого удается достичь шлифовкой и притиркой колец. Величина зазора составляет от долей микрона до нескольких микрон.

В торцевом уплотнении одно из колец вращается, поэтому кроме сил давления и трения на величину утечек оказывает влияние сила инерции. Если угловую скорость вращения среды в зазоре определять как среднюю арифметическую угловых скоростей вращения колец, то уравнение (1.61) с учетом силы инерции примет вид:

, (1.65)

После интегрирования и преобразования величины утечек определятся выражением:

, (1.66)

Таким образом, повышение частоты вращения вала увеличивает утечки при работе аппарата под давлением и уменьшает утечки при работе аппарата под вакуумом.

Гидрозатворы представляют собой уплотнительный узел, предназначенный для предотвращения контакта газовой среды, заполняющей внутреннюю полость аппарата, с атмосферой (рисунок 34). Гидрозатвор состоит из неподвижного цилиндрического корпуса, внутрь которого с зазором d относительно его неподвижных элементов вставлен вращающийся совместно с валом мешалки цилиндрический колпак. При атмосферном давлении в корпусе аппарата и правильно выбранных размерах гидрозатвор надежно предохраняет уплотняемые плотности от взаимного контакта.

1 - корпус; 2 - вращающийся колпак; 3 - кольцо уплотнительное; 4 - неподвижный стакан; 5 - корпус.

Рисунок 34 - Гидрозатвор для аппаратов общего назначения (левая часть рисунка) и для малогабаритных аппаратов (правая часть рисунка).

Манжетные уплотнения применяют в аппаратах, работающих при атмосферном давлении и температуре до 120 ⁰С. Конструктивно уплотнение представляет собой диск, укрепляемый на болтах над отверстием крышки, в кольцевой проточке диска установлена стандартная манжета, герметизирующая зазор между валом и внутренней поверхностью отверстия диска.

Герметичные электроприводы. Аппараты для перемешивания высокотоксичных, высоко агрессивных или пожароопасных сред обычно комплектуют герметичными электроприводами. Приводы этого типа представляют собой конструкцию, в которой активные элементы ротора и статора электродвигателя защищены от воздействия перемешиваемой среды с помощью специальной изоляции (мокрый статор) или специальных защитных гильз (сухой статор). Герметичные электроприводы с "мокрым" или "сухим" статором могут быть газозаполненными и жидкостнозаполненными.

В газозазаполненном электроприводе (рисунок 35) ротор, вращающийся в газовой полости, установлен на подшипниках качения. Статорная полость электродвигателя защищена от контакта с парами перемешиваемой среды тонкостенной защитной гильзой 5. В случае необходимости защитная гильза может быть также установлена на роторе 11. В электроприводах по подобного типа подшипники качения обычно смазывают консистентной или обычной смазкой, подаваемой через штуцер 9. Герметичный электропривод на подшипниках качения выполняется обычно газозаполненным. В качестве газа, создающего этот своеобразный буфер, препятствующий контакту перемешивающей среды с подшипниками качения, используется один из компонентов реакционной среды или какой-либо инертный газ.

Жидкостнозаполненный герметичный электропривод (рисунок 36) представляет собой конструкцию, в которой используются гидростатические или гидродинамические опоры скольжения, смазываемые перемешивающей средой, не содержащей твердых взвесей. Между рабочим пространством аппарата и внутренней полостью жидкостнозаполненного электропривода обычно устанавливают торцевое уплотнение, уменьшающее обмен между средами, заполняющими эти полости.

1 - мешалка; 2 - циркуляционная труба; 3 - вал; 4, 8 - подшипники качения; 5 - защитная гильза; 6 - обмотка статора; 7 - железо статора; 9 - штуцер подвода жидкой смазки; 10 - штуцер подвода инертного газа; 11 - железо ротора.

Рисунок 35 - Аппарат с герметичным приводом перемешивающего устройства.

1 - упорная пята; 2 - центробежный насос, обеспечивающий циркуляцию жидкости в приводе; 3, 8 - опорные подшипники жидкостного трения; 4 - защитная гильза ротора; 5 - защитная гильза статора; 6 - железо статора; 7 - железо ротора; 9 - вал; 10 - мешалка;11 - торцевое уплотнение.

Рисунок 36 - Жидкостнозаполненный герметичный электропривод на подшипниках жидкостного трения.

Вопросы для повторения

1. Уплотнения валов и штоков.

2. Сальник, устройство и принцип действия.

3. Набивки сальника и их выбор.

4. Расчет сальника.

5. Торцевое уплотнение, устройство и принцип действия.

6. Расчет торцевого уплотнения.

7. Гидрозатвор, устройство и принцип действия.

8. Герметичный привод.