高温高压热水循环泵密封冷却系统综述

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国通用机械工业协会泵业分会 作者:李树斌

  密封冷却系统是泵类产品中非常重要的关键部位,对目前几种密封冷却形式进行了综合介绍论述,主要介绍的密封冷却形式为:密封腔夹套冷却、静环夹套冷却、背冷工艺、换热器冷却、传统单层冷却以及新型双层冷却系统。通过各方面的对比分析,认为新型双层冷却系统对于高温高压热水循环泵的使用具有显著的优势,在泵行业应进行普遍推广应用。

一、前言

  机械密封从产生以来便得到了广泛的使用,并已有百年的发展。良好的密封性能会影响机器设备工作效率的高低、运行的可靠性、能耗的多少以及机器工作成本。而密封的正常工作需要密封辅助系统的支持,所以对于泵用机械密封,不仅要关注密封单元,更重要的是要关注密封整体系统,而密封冷却辅助系统正是这整体系统中的影响重大的一部分。机器设备传输高温介质时,为了保证密封安全可靠的运行,需要通过冷却辅助措施来降低密封处的温度,故密封冷却辅助系统在某些工况下是十分重要的。

  冷却系统的工作目的主要是将输送介质的温度降下来,为密封装置创造一个良好的密封条件。在泵的应用场合中,高温和高压往往是同时存在的,当输送热水为高温的情况时,自然就会带来高压,否则输送热水将会汽化。当输送热水为高温时,会给泵的运行带来较大的危害:泵的零部件由于高温会产生变形,温差不同产生的变形也将不同;高温高压的工况条件会给密封带来较大的难度;若密封失效而发生泄漏,将会影响生产,更严重的情况下会对人身安全造成威胁;高温高压将给泵的运行可靠性带来不利的影响。因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对于高温高压热水循环泵为了能够理想地正常运行,在泵的密封处要将温度降下来,以保证密封及轴承体部件地正常运行。

二、主要冷却系统结构

  冷却是为了使密封结构的温度下降,其方式可以分为直接冷却和间接冷却。冲洗属于直接冷却方式的一种,其能够吸收多余热量从而降低密封处的温度,从而避免密封间隙中的液膜汽化,同时可以预防杂质的集结以及气囊的形成,因此可以延长密封的使用寿命。间接冷却的效果差于直接冷却,但是其对于冷却介质要求较低。间接冷却主要有夹套冷却和换热器冷却,其中,夹套冷却主要包括密封夹套冷却、静环夹套冷却、背冷工艺和换热器冷却。

  (1)密封腔夹套冷却 密封腔夹套冷却,将循环冷却介质通入到中空的机械密封压盖中,利用冷却介质带走热量来降低密封压盖的温度。这种冷却方式经常使用在流量较大、功率较高的高温塔底油泵中,依靠冷却系统来保证密封运行的安全可靠。

  (2)静环夹套冷却 静环夹套冷却是将一个直径略小于静环的静环夹套放置到静环中,通过静环夹套的作用,将冷却液的流程增加一倍,同时静环和冷却液的换热面积也相应地增加了一倍,使得冷却液能够对静环进行更加充分有效的冷却。

  (3)背冷工艺 背冷工艺利用冷却液(水或油)从静环背面对静环实行冷却。因其能直接快速地将静环背面冷却,故又称作急冷。背冷工艺冷却效果较好,常与冲洗搭配使用。

  (4)换热器冷却 换热器冷却将冷却液通过密封或压盖后导入外设的换热器进行冷却,然后将冷却过的液体再次使用,使其对密封进行循环冷却,保证密封的安全运行。换热器冷却能够在兼顾冷却效果的情况下有效地降低冷却液的损失,同时伴随的问题是投资较大。

  (5)传统单层冷却 传统单层冷却是在密封处设计一个冷却腔,通入一定压力的循环冷却水,将热量带走,以达到降低温度的目的。一般情况下冷却腔设计在密封腔的外侧,由于压力和温度的限制,冷却室与密封腔体之间的壁厚很厚,不利于冷却。图1为在金属波纹管密封上使用的传统单层冷却。

传统单层冷却系统示意

图1 传统单层冷却系统示意

1.冷却室 2.金属波纹管 3.封油口 4.冷却水口

  (6)新型双层冷却系统 为了达到高温高压热水循环泵的使用要求,由浙江水泵总厂有限公司与浙江工业大学、清华大学联合设计了一种新型的冷却装置,具体结构原理详如图2所示。

  密封装置着重设计了内、外冷却系统,内冷却系统冷却水直接进入密封腔体内侧进行冷却,冷却效果显著提高,起冷却的主要作用,在密封腔体内侧设计薄壁密封套,在薄壁密封套外侧设计一定数量的筋板,增加冷却效果。外冷却系统可以通入较大流量的循环冷却水,起冷却的辅助作用。

  外冷却腔可以通入较大流量的循环冷却水,由于它的流量比较大,可以冷却带走较大部分的热量,它的冷却方式主要是两个方面:一是通过侧壁冷却泵体内的高温热水;二是通过密封腔的外侧冷却密封室的高温热水。

新型密封装置结构原理

图2 新型密封装置结构原理

1.节流衬套 2.密封轴套 3.密封腔体 4.浮动环密封 5.泵盖 6.冷却室7.组合密封 8.填料环 9.填料密封 10.填料压盖

  内冷却系统冷却水直接进入密封腔体内侧进行冷却,冷却效果显著提高,起冷却的主要作用,在密封腔体内侧设计薄壁密封轴套,在薄壁密封轴套外侧设计一定数量的筋板,增加冷却效果。传统的冷却腔设计均为在密封腔的外侧进行冷却,由于冷却室壁厚的影响,冷却效果要差一些,内层冷却系统的冷却效果要明显优于传统方式的冷却效果。

三、冷却系统运行效果

  密封腔夹套冷却,在设备初始运行时,可以有效地对机械密封的温度进行控制,冷却效果较为显著;但是当运行时间变长后,冷却介质由于高温而结垢,导致盖板阻塞,因此温度将会上升,同时若盖板发生泄漏,将会导致冷却水流入轴承箱,从而加快润滑油乳化,可能会对生产造成威胁。由于以上运行特点,目前其仅在某些塔底油泵中使用,很少在其他条件下使用。

  由国外企业研发的静环夹套冷却技术曾在国内非常流行,很多国内泵用机械密封制造企业均依托此项技术来进行产品生产。然而随着产品广泛使用,经常发生静环夹套因为冷却介质遇高温结垢而被阻塞,而导致失效的现象,因此目前较少使用在没有软化水冷却的装置上。

  传统单层冷却存在一个冷却效果的问题,多年的运行实践证明,此种冷却结构可适用于温度低于200℃以下的情况。当温度高于215℃时,往往满足不了现场运行的使用要求,因此经常会出现质量安全事故。

  经过试验与现场运行考核,由浙江水泵总厂有限公司与浙江工业大学、清华大学共同联合研制的新型双层冷却系统,通过在高温高压热水循环泵产品上的应用,密封装置的密封效果及冷却效果都比较理想,降温效果显著,产品样机经过国家工业泵产品质量监督检验中心检测,各方面性能指标均达到规定要求,批量产品已经投入到市场中应用,密封冷却系统运行良好,满足现场高温高压热水的密封冷却需求。

四、结语

  通过对目前泵用密封冷却系统的分析以及实际运行的考核,由浙江水泵总厂有限公司与浙江工业大学、清华大学共同联合研制的新型双层冷却系统,有助于泵用机械密封长期、有效使用。新型双层冷却系统通过内冷却系统冷却水直接进入密封腔体内侧进行冷却,以及外冷却腔内通入较大流量的冷却循环水进行辅助冷却,内外冷却同时作用,冷却效果显著,是目前为止国内用于高温高压热水循环泵产品中较为理想的密封冷却系统,故应在泵行业进行推广和应用。

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