در این مقاله درباره ی مکانیکال سیل ( آب‌بند مکانیکی ) و ویژگی‌های کلیدی طراحی که باعث کارکرد آن میشود، توضیح میدهیم.
اصول آب بندی پمپ:
آب بند مکانیکی (مکانیکال سیل) به طور ساده وسیله ای است که سیال را درون محفظه ای (مانند پمپ ها، میکسرها و غیره) نگه می دارد که از آن شفت دوار عبور می کند و یا گاهی اوقات، جایی که محفظه در اطراف شفت می چرخد.
هنگام آب بندی یک پمپ، چالش این است که اجازه بدهیم یک شفت دوار وارد محفظه حاوی سیال پمپ شود، بدون اینکه اجازه خروج حجم زیادی از سیال تحت فشار را بدهد.
برای حل این چالش، باید یک آب بند بین شفت و محفظه پمپ وجود داشته باشد که بتواند فشار فرآیند پمپاژ شده را مهار کند و اصطکاک ناشی از چرخش شفت را تحمل کند.
روش های سنتی آب بندی:
گلند پکینگ
قبل از بررسی نحوه عملکرد مکانیکال سیل، درک روش های دیگر برای آب بندی مهم است. یکی از این روش ها که هنوز هم در مواردی مورد استفاده قرار می گیرد، گلند پکینگ است.
گلند پکینگ یک ماده بافته شده و طناب مانند است که در اطراف شفت بسته می شود و شکاف بین شفت و محفظه پمپ را از نظر فیزیکی پر می کند.
گلند پکینگ هنوز هم در بعضی از موارد مورد استفاده قرار می گیرد، با این حال کاربران به طور فزاینده ای از مکانیکال سیل بنا به دلایل زیر استفاده می کنند:
۱٫ اصطکاک چرخش شفت با گذشت زمان پکینگ را از بین می ببرد که منجر به افزایش نشتی میشود تا تنظیم مجدد صورت گیرد یا پکینگ تعویض می شود.
۲٫ اصطکاک شفت همچنین به این معنی است که پکینگ نیز باید با حجم زیادی آب شسته شود تا خنک بماند.
پکینگ باید به شفت فشار بیاورد تا نشتی را کاهش دهد و این بدان معنی است که پمپ به نیروی محرکه بیشتری برای چرخاندن شفت نیاز دارد که انرژی را هدر می دهد.
از آنجا که پکینگ نیاز به تماس با شفت دارد، در نهایت شیاری در آن ایجاد می شود که تعمیر یا تعویض آن هم می تواند هزینه بر باشد.
مکانیکال سیل ها برای غلبه بر این معایب طراحی شده اند.
طراحی
یک مکانیکال سیل ساده به طور معمول شامل سه نقطه آب بندی است:
قسمت ثابت آب بند با یک سیل ثابت به محفظه پمپ نصب می شود – که ممکن است با یک حلقه اورینگ یا گسکت بسته شده بین قسمت ثابت و محفظه پمپ آب بندی شود.
قسمت چرخشی آب بند که معمولاً با یک اورینگ بر روی شفت آب بندی می شود. این نقطه آب بندی را می توان ثابت در نظر گرفت، زیرا این قسمت از سیل همراه با شفت می چرخد.
مکانیکال سیل، خود، رابط بین بخش های ثابت و چرخشی آب بند است.
یک قسمت از آب بند، چه در بخش استاتیک یا چرخشی، همیشه به صورت انعطاف پذیر نصب شده و دارای فنر است تا هرگونه انحراف کوچک شفت، حرکت شفت به دلیل تحمل یاتاقان ها و تراز خارج از عمود به دلیل تلرانس های ساخت را در خود جای دهد.
نقاط آب بندی
در حالی که دو تا از نقاط آب بندی در طراحی آب بند، آب بند های ایستا ساده هستند، آب بند بین اعضای دوار و ثابت نیاز به توجه بیشتری دارد. این آب بند اولیه اساس تمام طراحی آب بند است و برای اثربخشی آن ضروری است.
آب بند اولیه اساساً یک یاتاقان فنری عمودی است – متشکل از دو صفحه بسیار مسطح، یکی ثابت، یکی متحرک، که در برابر یکدیگر قرار دارند. سطوح آب بند با استفاده از ترکیبی از نیروی هیدرولیک از سیال آب بندی شده و نیروی فنر از طراحی آب بند به هم فشار داده می شوند. به این ترتیب یک آب بند برای جلوگیری از نشت فرآیند بین نواحی دوار (شفت) و مناطق ثابت پمپ تشکیل می شود.
سطوح آب بند تا حد زیادی صاف هستند. معمولاً ۲-۳ نوار لایت هلیوم (۰٫۰۰۰۰۳” / ۰٫۰۰۰۸mm)
اگر صفحات آب بند بدون نوعی روانکاری در مقابل یکدیگر بچرخند، به دلیل اصطکاک و تولید گرما به سرعت از بین می روند. به همین دلیل نوعی روانکاری بین سطح آب بند دوار و ثابت مورد نیاز است که به عنوان فیلم سیال شناخته می شود.
فیلم سیال
در بیشتر مکانیکال سیل ها ، با حفظ یک لایه نازک سیال بین وجه‌های آب‌بند، وجه‌ها روغن کاری می‌شوند. این فیلم می تواند از سیال فرآیند پمپاژ شده یا از یک منبع خارجی باشد.
نیاز به یک لایه سیال بین وجه ها، یک چالش طراحی را ایجاد می کند – اجازه می دهد روان کننده کافی بین وجه های آب بند جریان یابد بدون اینکه مقدار غیرقابل قبولی از سیال فرآیند نشت کند، یا اجازه دادن به آلاینده ها در بین وجه ها که می تواند به خود آب بند آسیب برساند.
این امر با حفظ یک شکاف دقیق بین وجه‌ها که به اندازه کافی بزرگ است برای اجازه دادن به مقدار کمی مایع روان‌کننده تمیز اما به اندازه کافی کوچک برای جلوگیری از ورود آلاینده‌ها به شکاف بین وجه‌های آب‌بند به دست می‌آید.
فاصله بین سطوح در یک آب بند معمولی به اندازه ۱ میکرون است – ۷۵ برابر باریکتر از موی انسان. از آنجایی که شکاف بسیار ریز است، ذرات که در غیر این صورت به سطوح آب بند آسیب می‌رسانند، نمی‌توانند وارد شوند، و مقدار مایعی که از این فضا نشت می‌کند آنقدر ناچیز است که به صورت بخار به نظر می‌رسد – حدود ½ قاشق چای‌خوری در روز در یک برنامه معمولی.
این ریز شکاف با استفاده از فنرها و نیروی هیدرولیک برای فشار دادن سطوح آب بندی به هم حفظ می شود، در حالی که فشار مایع بین وجه ها (فیلم سیال) آنها را از هم جدا می کند.
بدون فشاری که آنها را از هم جدا می کند، دو وجه آب بند کاملاً در تماس خواهند بود، این به عنوان کارکرد خشک شناخته می شود و منجر به شکست سریع مکانیکال سیل می شود.
بدون فشار فرآیند (و نیروی فنرها) که صفحات را به هم فشار می دهد، سطوح مکانیکال سیل بیش از حد از هم جدا می شوند و اجازه می دهند مایع به بیرون نشت کند.
مهندسی مکانیکال سیل بر افزایش طول عمر وجوه سیل اولیه با اطمینان از کیفیت بالای سیال روان کننده و با انتخاب مواد مناسب سطح آب بندی برای فرآیند پمپاژ تمرکز دارد.
نشتی
وقتی در مورد نشتی صحبت می کنیم به نشت قابل مشاهده آب بند اشاره می کنیم. این به این دلیل است که همانطور که در بالا توضیح داده شد، یک فیلم سیال بسیار نازک دو وجه آب بند را از یکدیگر جدا نگه می دارد. با حفظ یک شکاف میکرو، یک مسیر نشتی ایجاد میشود که باعث میشود یک مکانیکال سیل کاملاً عاری از نشتی نباشد. با این حال، آنچه می‌توانیم بگوییم این است که برخلاف گلند پکینگ، میزان نشتی روی یک مکانیکال سیل باید آنقدر کم باشد که از نظر بصری غیرقابل مشاهده باشد.
یک مطالعه موردی اخیر نشان داده است که استفاده از مکانیکال سیل به جای گلند پکینگ باعث کاهش مصرف آب و هزینه های عملیاتی می شود.
به طور خلاصه – چرا از مکانیکال سیل استفاده می کنیم؟
- زیرا بدون نشتی قابل ملاحظه است – آب بندی ها بخار نشت می کنند زیرا فیلم سیال روی وجه ها به سمت جوی وجه های آب بندی می رسد. که اگر گرفته شود و متراکم شود، این مقدار تقریباً به ۱/۲ قاشق چای‌خوری در روز، در فشارها و دماهای معمولی می‌رسد.
- طرح های سیل کارتریج مدرن به شفت یا اسلیو پمپ آسیب نمی رساند.
- تعمیر و نگهداری روزانه کاهش می یابد زیرا آب بند ها دارای فنرهای داخلی هستند که باعث می شود در هنگام سایش صفحه ها خودشان تنظیم شوند.
- آب بندها دارای صفحه های سبکی هستند که نسبت به گلند پکینگ انرژی کمتری مصرف می کنند.
- آلودگی یاتاقان در عملکرد عادی کاهش می یابد زیرا روان کننده تحت تأثیر نشت آب بندی قرار نمی گیرد و شستشو نمی شود.
- تجهیزات کارخانه نیز اگر محصول در پمپ موجود باشد کمتر دچار خوردگی می شوند.
- خلاء را نیز می توان با این فناوری آب بندی کرد، مشکلی که برای پکینگ وجود داشت زیرا هوا به داخل پمپ کشیده می شد.
- هدر رفتن کمتر محصول که باعث صرفه جویی در هزینه می شود، حتی آب یک کالای گران است و کمتر به پاکسازی منطقه نیاز خواهد بود.