Методы герметизации подвижных частей в вакууме

Введение…………………………………………………………………………………3
1.1. Основные понятия………………………………………………………………….4
1.2. Уплотнение движущихся деталей…………………………………………………6
1.3 Испытание оборудования на герметичность……………………………………..20
Список литературы……………………………………………………………………..23

Методы герметизации подвижных частей в вакууме

 
Толщина слоя набивки s должна быть не менее -4 мм. С увеличением толщины до некоторого предела срок службы набивки возрастает. Среднее значение s определяется следующей зависимостью:
, где d-диаметр вала,мм
Полученное значение 5 приводится к предпочтительным размерам по стандарту. Высота набивки h (в мм) определяется из зависимости:
При увеличении высоты сальниковой набивки h повышается герметичность уплотнения, но увеличиваются потери на трение. Утечка возрастает при увеличении диаметра вала, перепада давления, диаметра корпуса сальника, резко возрастает при увеличении зазора между набивкой и валом. Утечка снижается при
 
Рис.5. Сальники с уплотнением пружиной (а) и с уплотнением сжатым азотом (б):
1-пружина; 2-фторопластовые кольца; 3-тефлоновые кольца; 4-система охлаждения; 5-подача азота; 6-заполнитель между тефлоновыми кольцами.
увеличении вязкости жидкости и газа и высоты набивки. Утечка в сальниковых уплотнениях простейшего типа составляет значительную величину (от десятых долей до нескольких литров в час). Номенклатура сальниковых набивок достаточно велика и позволяет выбрать наиболее приемлемую, исходя из условий работы уплотнения.
Обслуживание сальниковых устройств заключается в их подтяжке, замене набивки для компенсации износа, в поддержании нормальной смазки набивки.
В значительной мере указанные выше недостатки устранены в конструкциях сальников с противодавлением и применением 0 качестве набивки спрессованных колец из термически и химически стойких материалов. В таких устройствах необходимая прижимная сила набивки к валу обеспечивается пружиной, давлением инертного газа смазочного масла или давлением самой рабочей среды.
Отвод тепла осуществляется водой через рубашку. Механизм для подачи уплотняющей жидкости или газа и охлаждения блокируется с пусковыми устройствами машины или аппарата. На рис. 5 показаны сальники с уплотнением пружиной и сжатым азотом. Такие сальники обеспечивают повышенную герметичность, но сложны по своему устройству.
Торцовые уплотнения
Одним из наиболее универсальных и распространенных уплотнений является торцовое уплотнение. Уплотнения этого вида применяют для пар вращательного движения. Они весьма разнообразны по конструкциям, хотя все построены по одной схеме, показанной на рис. 6. Вал 1 связан упругим элементом 4 с кольцом 2.
 
Рис 6.Схема торцового уплотнения:
1-вал; 2-кольцо; 3-неподвижное кольцо, соединенное с корпусом через упругий элемент 6; 4-первый упругий элемент, соединяющий кольцо 2 с валом 1; 5-корпус аппарата; 6-второй упругий элемент.
 
Торцовая поверхность кольца 2 под воздействием упругого элемента 4 прижимается к неподвижному кольцу 3, соединенному с корпусом аппарата 5 через другой упругий элемент 6. Таким образом, кольца 2 и 3 образуют плоскую пару трения. Зазор между кольцами определяет величину утечки рабочей среды, находящейся под давлением в аппарате. Упругие элементы 4 и 6 должны обеспечивать постоянное и плотное прилегание колец 2 и 3 при вибрациях и смещениях вала и износе соприкасающихся поверхностей пары трения.
Большое значение имеет выбор материала трущихся пар: обычно одно из колец изготовляют из более мягкого материала (графита или пластмассы), другое из более твердого (стали,керамики).
Торцовые уплотнения могут быть одинарными или двойными, являющимися комбинацией двух одинарных. Двойные уплотнения служат для запирания особо текучих сред, например в крупных турбокомпрессорах. Обычно в двойные торцовые уплотнения подается затворная жидкость давлением, превосходящим давление запираемой среды на 50—200 кПа (0,5—2 кгс/см").
Торцовые уплотнения получили в химической промышленности широкое распространение, так как обладают рядом положительных качеств:
работают с малой утечкой, которая не увеличивается во время останова машины; удовлетворительно работают в большом диапазоне условий: по давлению от 1,33 МПа до 45 МПа (от мм рт. ст. до 450 кгс/см2); при температурах от 200 до 450°С; при скоростях скольжения в парах трения до 100 м/с;
могут быть изготовлены на валы диаметром от нескольких миллиметров до 1500 мм; потребляют меньшую мощность, чем сальники (10—50% от мощности, потребляемой сальниками);
удовлетворительно работают при относительно больших радиальных смещениях вала и его смещениях относительно корпуса машины.
Вместе с тем распространению торцовых уплотнений препятствуют: высокая стоимость изготовления, сложность конструкции, трудности монтажа и ремонта (приходится частично разбирать машину), трудность подбора материала для пар трения, сложность расчета упругих элементов особенно при динамических нагрузках на вал4.
Бесконтактные уплотнения
Бесконтактным уплотнением называется устройство, уплотняющее действие которого основано на потерях энергии при движении среды в зазорах и расширительных камерах, образуемых между движущимися и неподвижными деталями уплотнения, которые не соприкасаются между собой. Протекающие через зазоры жидкость или газ подвергаются дросселированию, теряют скорость и давление, причем конечная утечка среды, обусловленная увеличением длины зазоров, может быть практически приемлемой для заданных условий технологии или может быть вовсе прекращена запирающим противодавлением.
Появление и развитие бесконтактных уплотнений вызвано недостатками контактных уплотнений: значительным износом трущихся частей, потерями энергии на трение, трудностями отвода тепла трения из зоны уплотнения, необходимостью постоянного наблюдения за состоянием уплотнений в процессе их эксплуатации. Некоторые из этих недостатков устраняются (или их действие становится меньшим) в бесконтактных уплотнениях.
Бесконтактные уплотнения могут быть статического и динамического действия.
В уплотнениях статического действия система зазоров и расширительных камер создается применением уплотнительных втулок и плавающих колец, образующих малый зазор между ними и валом или последовательно расположенными гребнями на валу и соответственно расположенными зазорами в статоре уплотнения. Число элементов, создающих уплотнительную систему, может быть различно: для вязких жидкостей и небольших давлений возможно применение одинарных втулок или плавающих колец, для маловязких жидкостей и газов применяют так называемые лабиринтные уплот-нения (рис. 7) с рядом расширительных камер. В общем виде необходимые потери энергии зависят от первоначального давления уплотняемой среды, длины пути движения жидкости или газа, конфигурации деталей уплотнительного устройства.
 
Рис.7.Схема лабиринтного уплотнения:
а-с радиальной щелью; б-с осевой щелью; -радиальный зазор; -осевой зазор.
В уплотнениях динамического действия для организации противодействующего давления применяют разнообразные, иногда .ложные устройства. На рис. 8, а показана схема действия простейшего дискового уплотнения, состоящего из плоского диска 3, насаженного на вал 1 и расположенного на некотором расстоянии от стенки корпуса 2. Под действием вязкостных .сил возникает
 
Рис.8.Динамические бесконтактные уплотнения:
а-дисковые; б-лопастное; 1-вал; 2-корпус; 3-диск; 4-вращающаяся замкнутая жидкостная система; 5-лопасть.
 
циркуляционное движение жидкости, образующее замкнутую жидкостную систему 4, вращающуюся как твердое тело и создающую уплотнительный эффект, тормозящий движение уплотняемой жидкости. В лопастных уплотняющих устройствах (рис. 8, б) этот эффект усиливается применением лопастей 5. Имеются и более сложные системы, построенные на этом принципе — винтовые и лабиринтно-вихревые бесконтактные уплотнения, а также уплотнения, основанные на использовании центробежной силы и гидравлического давления. Область применения бесконтактных уплотнений не ограничивается относительной скоростью движения их деталей, и чем выше скорость вращения вала, тем больше запирающее давление и меньше утечки продукта. Поэтому их применение целесообразно для плотнения валов быстроходных машин и агрегатов. Бесконтактные уплотнения обладают значительной демпфирующей способностью,
позволяющей уменьшить радиальные и осевые вибрации. Это увеличивает их ресурс и облегчает обслуживание. Недостатком бесконтактных уплотнений является утечка продукта при прекращении вращения вала, что ограничивает их применение для взрывоопасных и токсичных веществ. Этот недостаток может быть устранен комбинированием бесконтактных уплотнений с уплотнениями контактного типа.
Жидкостные затворы
 
Рис.9.Схема песочного затвора крышки винтового шнека:
1-крышка; 2-песок; 3-ось шнека; 4-кожух.
 
При небольшой разности давлений внутри аппарата и вне его
герметичность может быть достигнута применением гидравлических
затворов. Высота затвора определяется разностью давлений между
герметизируемой и внешней средой и плотностью уплотняющей
жидкости. Для гидравлических затворов применяют тяжелые высококипящие жидкости: нефтяные масла, глицерин, но часто применяют и воду. Гидравлические затворы используют в мокрых газгольдерах для герметизации чаши и в камере газового ввода, в электролизных ваннах, в стальных цилиндрических резервуарах для хранения нефтепродуктов (гидравлические предохранительные клапаны) и предохранительные клапаны и во многих других аппаратах. В печах и газогенераторах для уплотнения часто открываемых крышек и люков, а также шнеков, перемещающих горючие продукты, применяют песочные затворы, заполняющим материалом в которых служит песок или молотый шамот (рис. 9). Открытые поверхности жидкостей, выделяющих пары, изолируют слоем расплавленного парафина или минерального масла; так, например, изолируют горячую серную кислоту, выделяющую окислы азота, в производстве серной кислоты башенным способом5.
Герметизированные системы
Все большее распространение получают полностью герметизированные машины и аппараты, в которых разделение сред предусмотрено самой конструкцией оборудования и отпадает необходимость в применении уплотняющих устройств.
На рис. 10 приведена схема бессальникового герметичного центованным электродвигателем. На вал 1 насажен ротор 4 асинхронного электродвигателя. Статор электродвигателя 2 отделен от ротора 4 экраном 3 из немагнитного материала (аустенитовой стали, нихрома и др.). Экран 3 герметично прикреплен к корпусу насоса 5; в нем отсутствует отверстие для прохода вала и, следовательно, нет необходимости в сальнике. Вращающееся магнитное поле, создаваемое током, протекающим в обмотке статора 2, приводит во вращение ротор 4, находящийся внутри экрана, и соединенное с ним рабочее колесо насоса 8. Обмотка ротора охлаждается жидкостью, перекачиваемой насосом; обмотка статора охлаждается маслом, находящимся в колпаке б; масло в свою очередь охлаждается водой, пропускаемой через змеевик 7. Очевидно, что такие насосы являются полностью герметизированными.
 
Рис.10.Схем бессальникового герметичного центробежного насоса:
1-вал электродвигателя; 2-статор электродвигателя; 3-экран из немагнитного материала; 4-ротор электродвигателя; 5-корпус насоса; 6-колпак; 7-змеевик для охлаждающей воды; 8-рабочее колесо насоса.
 Применение экранированных электродвигателей позволяет герметизировать оборудование многих видов: центрифуги, мешалки, реакторы, компрессоры и др. В некоторых производствах, например в производстве триизобутилалюминия, такие приводы являются единственно возможными, что обусловлено особо огнеопасными свойствами продукта.
Для перекачивания суспензий и химически агрессивных жидкостей применяют мембранные (диафрагменные) насосы. На рис. 11 показана схема такого насоса. Плунжер 1 отделен от перекачиваемой жидкости эластичной диафрагмой 3, изготовленной из специальной резины или стали. Продуктовая часть насоса 5 и клапаны 4 и 6 изготовлены из коррозионностойких материалов. При движении плунжера диафрагма прогибается в обе стороны, и жидкость через всасывающий клапан 4 и нагнетательный клапан 6 поступает в напорный трубопровод 7.
По принципу действия диафрагменных уплотнений устроены
силъфоны, представляющие собой гофрированную коробку, способные давать заметные осевые удлинения. Поскольку они прикрепены одним концом к штоку, а другим к корпусу машины, они обеспечивают герметичность для пар возвратно-поступательного движения с небольшой длиной перемещения. Сильфоны (рис. 12) изготовляют из металла (латуни, нержавеющей стали, титана, алюминия), а также из
многослойной резины и фторопласта-4. Сильфоны хорошо работают в средах с
большим содержанием твердых примесей, в агрессивных жидкостях, в вакуумных устройствах. Сильфоны используются также в криогенной технике. Применяют их в основном как упругий элемент в сложных конструкциях уплотнений и запорной арматуры6.
Рис.11.Схема мембранного (диафрагменного) насоса:
1-цилиндр; 2-плунжер; 3-диафрагма; 4-всасывающий клапан; 5-продуктовая часть насоса; 6-нагнетательный клапан; 7-напорный трубопровод.
К числу так называемых условно герметизированных относят, машины и аппараты, из неплотностей которых жидкость вытекает в ту же емкость, из которой она берется, или такие, которые полностыо погружены в жидкость; при этом пары жидкости не загрязняют окружающего пространства.