(完整word版)过程装备密封技术课件

《过程装备密封技术》
蔡仁良等主编
化学工业出版社出版
讲课教师：王启立
学时：32
学分：2
0 本课程简介：
一、课程的性质、任务：
《过程装备密封技术》是作为过程装备与控制工程专业的选修课而开设的一门课程,其任务是研究工业部分的过程装备和机械设备的密封技术。

二、教学目的：
根据本课程教学大纲要求，本课程的教学目的是培养学生运用基本的理论知识来理解和掌握各种流体密封装置的原理、结构特点、设计方法和选用原则,了解密封控制的新技术。

三、教材
本教材由过程装备与控制工程专业教材编写委员会编写,由蔡仁良主编，化学工业出版社出版.
四、内容
本课程系统全面地介绍过程工业装置中流体静、动密封的主要内容和最新进展.重点阐述密封的基本概念、流体密封理论、动、静密封技术以及泄漏检测技术.
五、课程框架及学时安排:
课程内容分为5章，32学时，内容框架及学时分布如下:
1 概论（2学时)
1。

1 过程装备的密封问题
1。

2 泄露与逸出
1.3 密封方式与分类
1。

4 摩擦磨损与密封
2 流体在密封间隙中的流动（4学时)
2。

1 引言
2。

2 分子流（1学时）
2.3 不可压缩流体的层流（2学时)
2.4可压缩流体的薄膜流动（1学时）
3 过程设备和管道的静密封（10学时）3.1垫片密封(6学时）
3.2胶密封 (4学时)
4 过程机械的动密封(10学时）
4.1接触密封（6学时)
4.2非接触转轴密封（4学时）
5 泄漏监测技术（6学时）
5。

1引言（1学时）
5.2检测的方法和分类（1学时）
5。

3压力检测法（2学时）
5。

4真空检测法（2学时）
六、考试及成绩评定
考试为闭卷考试.
成绩计算方法：平时成绩占20%,期末考试卷面成绩占80％.
七、参考文献：
1胡国祯等，《化工密封技术》,化学工业出版社，1990
2顾永泉，《流体动密封》，石油大学出版社,1990
3张向钊等，《密封垫片与填料》,机械工业出版社，1994
4顾永泉,《机械端面密封》，石油大学出版社，1994
5李继和，《机械密封技术》，化学工业出版社，1988
1 概论
本章框架：
1。

1 过程装备的密封问题
1.2 泄露与逸出
1。

3 密封方式与分类
1.4 摩擦磨损与密封
教学目标及基本要求：
(1）了解过程装备密封问题的重要性、特点及发生泄漏问题的主要原因；
（2）了解过程装备密封的分类，摩擦与磨损的概念。

教学形式:讲授
学时安排：2学时
重点难点：无
教学内容：
1.1 过程装备的密封问题
一、过程装备的密封
过程工程中，大部分过程是在相体和气相中并在一定的压力和温度下进行的，因此机器和设备本身以及它们之间的连接系统都存在一个流体（气体、液体或粉体）的密封（闭）问题，设备或机器内的工作流体可由内部向外部泄漏,或者外界的气体或其它物质进入负压设备或机器内部，这就是过程装备的密封问题。

二、过程装备泄漏的危害
密封不好将引起工作介质的跑、冒、滴、漏引起物质流失和能量损失、造成环境污染、生产不能正常进行、危急人体健康及生命安全.
三、过程装备密封的重要性
密封装置的工作性能是评价机械产品品质的重要指标，是决定工厂安全、经济生产的重要因素.
四、化学及石油工业中的密封特点
（1）、广泛性:化工设备机器复杂、管路众多，密封点多.
(2）、危害性：化工厂处理的多是易燃、易爆、有毒或腐蚀性产品，并且具有一定的温度和压力，如果发生事故,危害性大。

五、过程装备发生泄露的主要原因
（1）设计方面:
如设备或机器连接部位包括密封件、连接件和辅助装置的形式、结构或材料选择不当引起泄漏失效。

（2)制造安装方面：
制造过程中存在渗透性缺陷，如焊接过程中的裂纹、气孔等缺陷。

（3）使用方面：
安装配合不当，化学介质对密封的腐蚀、摩擦副端面的磨损，工作温度和压力的波动，机械振动或冲击，密封材料材料的高温退化或蠕变疲劳，误操作引起的泄漏。

1.2 泄漏与溢出
一、泄漏（Leak）：
设备或机器内的工作流体通过机械设备的接合面存在的间隙由内部向外流出，或者外界的气体通过间隙进入负压设备或机器内部。

二、密封度（Tightness）：
用来评价密封的有效性，用被密封的流体在单位时间内通过接合面的体积或质量的泄漏量，即泄漏率（Leak rate）来表示，密封度是一个相对的概念。

零泄漏，即泄漏量为零，理论上静密封可以做到零泄漏，但实际上很难做到。

三、允许泄漏率：
密封或密封装置应满足设计要求或生产所允许的泄漏率，单位为.不同情况的允许泄漏率根据行业和装置具体情况而定。

四、泄漏的分级与定义：
五、溢出(Emission)
在化工厂中，存在大量只凭听、看直觉不能发现的易挥发有机化合物从接头处溢出.因泄漏量比较小，通常用敏感的气体检测仪器测量溢出气体的体积浓度,一般以百万分率，即“ppm”表示.
1.3 密封方式与分类
一、分类
1、静密封：没有相对运动或相对静止的接合面间的密封称为静密封.
如:容器、管道的法兰接合面间的密封、阀体以及机器机壳接合面的密封.
静密封可分为三类:无垫密封、垫片密封、胶密封.
2、动密封：彼此有相对运动的接合面间的密封称为动密封。

如：泵、压缩机的螺旋杆、旋转轴或往复杆与机壳之间的密封。

动密封主要分为两类:往复轴密封和旋转轴密封.往复轴密封包括填料密封、隔膜密封、唇型密封和活塞环密封；旋转轴密封包括接触密封和非接触密封。

过程装备的密封分类见图教材P5图1-3所示.
二、阻止流体在机器设备接合面发生泄漏的方法
（1）接合表面的精密配合
（2）接合的两表面中，加入容易变形的弹性或塑性元件，可以在一定压力下实现两表面与外加元件的之间的紧密配合。

(3）利用流体动压或静压力、磁场等作用，在接合间隙处形成阻碍流体泄漏的阻力。

1。

4摩擦磨损和密封
一、摩擦：
在动密封中，两个相对运动的接触表面，由于机械加工的结构，必然存在不均匀的接触表面，当接触表面作相对运动时，必然伴随摩擦，摩擦会导致摩擦副零件的生热和磨损，这就是引起泄漏和密封件损坏的主要原因。

对动密封而言，摩擦、磨损和密封都与固体的表面性质和密封摩擦相对运动的摩擦状态有关。

允许一定量的泄漏,是为了移走摩擦热，改善密封面润滑，减少摩擦副磨损。

实验得到的密封准数和摩擦系数的关系如下：
(/)m m f G vb W ϕϕη== （1-1）
式中，ϕ－密封特性数，由密封型式决定；
η－密封流体的动力粘度；
v －端面的平均线速度；
b －端面宽度；
W －端面总载荷;
m －指数,与动密封型式有关，如旋转端面密封0.5m =。

二、磨损引起磨损的原因：磨损是由摩擦引起的.
（2） 磨损的危害：磨损降低密封性能,缩短机器的使用寿命。

（3） 磨损是一个多阶段的过程,是时间的函数,磨损与密封寿命有直接关系。

（4） 磨损的形式:粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损和微动磨损等。

（5） 减磨和抗磨措施：应用减磨和耐磨措施;改变材料表面性能；采取冷、润滑、冲洗等辅助措施；设计
合理非接触密封等。

2 流体在密封间隙中的流动本章框架:
2。

1 引言
2。

2 分子流
2。

2。

1 长泄漏管道中的分子流
2。

2.2小孔和泄漏管道中的分子流
2。

3 不可压缩流体的层流
2.3.1雷诺数和雷诺方程
2。

3.2二维流动
2。

3。

3一维轴对称流动
2.3.4轴线倾斜时圆环隙中的流动
2。

3.5流道出口处有障碍时的剪切流动
2。

3。

6挤压引起的流动
2.4可压缩流体的薄膜流动
2.4。

1亚音速气体的流动
2.4.2音速气体的流动
2.1引言
流体密封中,许多性能都取决于流体流过密封(面）间隙的流动状态和流动阻力。

流体在狭窄间隙中的流动主要表现维分子流和粘性流,对气体介质来说,其流动特征可用克努森数来描述,即：
n K r
λ= （2—1） 式中， r －泄漏通道当量半径，2/r A H =,m ；
λ－气体分子的平均自由程,m ;
A －流道的截面积,2m ;
H －流道的截面积，2m 。

n K 〈0.01时，气体分子的平均自由程远小于泄漏通道的特征尺寸，气体分子之间的碰撞远远多于气体分子与流道壁面之间的碰撞，气体流动为粘性流动.
n K 〉0.01时,气体分子的平均自由程大于泄漏通道的特征尺寸，流动阻力主要时气体分子与流道壁面之间的碰撞，气体分子的运动可认为是独立的,这种流动称为分子流。

0。

01<n K 〈1时,气体分子的平均自由程与泄漏通道的特征尺寸有相同的数量级,流动特征与气体分子间的运动、气体分子与流道壁面之间的碰撞都有关系，气体传动处于过渡流区域,对流动的分析为半经验的。

2。

2 分子流
教学目标及基本要求：
(1）了解流体在狭窄空间的流动情况分类及判别；
(2）掌握长泄漏通道、短泄漏通道及小孔泄漏中的分子流。

教学形式：讲授
学时安排：2学时
重点难点：（1）长泄漏通道、短泄漏通道及小孔泄漏中的分子流.
教学内容：
2.2.1 长泄漏管道中的分子流
对于长度为L 、流道横截面积为A 、流道横截面周长为H 的任意横截面形状的泄漏通道,当其长度与横截面当量半径之比/100L r >时，流过该流道的pV 流率pV Q 为：
12204()3
a pV L v Q p p H dL
A =-⎰（2－2） L －流道长度，m ； 1p 、2p －流道入口和出口处的压力,Pa ;
pV Q －pV 流率，3/Pa m s ⋅；
a v －气体分子的平均速度，/m s ；
a v 可由下式计算：
a v =—3） 式中 R －通用气体常数；
T －气体温度，K ；
M －气体分子质量,/kg kmol ;
将(2-3）代入(2—2）得到:
120)pV Q p p =- （2-4) 对于一个半径为r
2230022L L H r L dL dL A r r
πππ==⎰⎰(2—5） 将(2—5）代入（2—4）得到气体流过均匀圆管横截面长管的分子流流率为:
12)pV Q p p =- （2-6） 对于一个边长分别为a 和b 的矩形截面的长管：
22222002()2()L L H a b a b dL dL L A a b a b
++==⎰⎰ (2—7) （2—4）有气体流过均匀矩形横截面长管的分子流流率为：
12)pV Q p p =-(2—8） 对于一个长、短半径分别为a 和b 均匀椭圆截面的长管：
200L
H dL L A ==⎰⎰ (2-9) (2—4)有气体流过均匀椭圆形横截面长管的分子流流率为:
12)pV Q p p =-(2-10) 例题2－1见教材P10,此处略。

2。

2。

2小孔和泄漏管道中的分子流
考虑一个等温容器,其中有压力为1p 的低压气体，容器上有一个穿透小孔，容器中的气体通过该小孔流入压力为2p 12()p p <的一相邻容器中。

由于分子流状态下气体的压力较低，可看作理想气体,因而其流率可用下式计算：
121211())42pV a Q A p p p p υ=-=- （2-11) 对于半径为r 的圆孔，流道截面积为2A r π=，则上式成为：
121)2pV Q r p p =- （2-12） 比较式（2-12)和（2—6）可以看出，流过圆孔和长管的流率比为：
38L r = （2—13） 当/100L r =时,流过圆孔的流率是流过圆管的流率的37。

5倍。

由此可以得到下面的结论:
对于短圆管，即/100L r <,由长圆管计算得到的流率偏小,由圆孔计算得到的流率偏大，即上述(2—12）和（2-6）不适合用于短圆管的流率计算的。

短圆管的流率计算通常采用下面的近似公式：
12)pV Q p p =- (2—14） 2.3 不可压缩流体的层流
教学目标及基本要求:
（1）掌握雷诺数的计算及流动状态的判断；
（2)掌握二维流动、一维轴对成流动、圆环隙流动、剪切流动及挤压流动的流率计算及压力分布计算。

教学形式：讲授
学时安排：2学时
教学内容：
2。

3。

1雷诺数和雷诺方程
密封接头的性能取决于密封间隙中流体的流动阻力，密封间隙里的流动主要表现为分子流和粘性流。

当粘性流在流体中占主要地位时，流动表现为层流,如果流速很大而流体的粘性很小，局部截面上与主流不平行的流动不会减弱，并且会突然转变成紊流。

从层流转变到紊流的现象和判定准则是雷诺数.
1、 雷诺数和流动状态
密度为ρ、动力粘度为η的流体以平均速度u 流过一特征尺寸为r 的流道，其雷诺数为：
22Re u r u r v
ρ
η== （2—14） 式中，Re －雷诺数；
ρ－流体密度，3/kg cm ；
η－流体动力粘度，Pa s ⋅；
u －流体平均速度,/m s ；
v －流体的运动粘度，=，2/m s 。

上式也可以写成2
Re /2u r ρη=（）
，这表明，雷诺数为流体运动的惯性力和粘性力之比。

Re 小表明流体中粘性力的作用较大，能够消弱与消除引起流体质点发生乱运动的扰动，使流体保持平静的层流状态;Re 大表明流体中粘性力相对惯性力较小，惯性力容易使流体质点发生乱运动，使流体呈现紊乱状态，由层流转变为紊流时的临界雷诺数用Re c 表示.
流体从层流转变为紊流除了取决于雷诺数外,还取决于流动中存在的扰动.扰动小时,容易被流体的粘性所削弱,流动易处于层流状态；扰动大时，则不容易被流体的粘性所削弱,流动易处于紊流状态。

但当Re Re c <时,扰动总会被削弱。

对于高度为h 的密封间隙来说，其雷诺数可定义为:
22Re u h u h v
ρ
η==(2—15) 由经验可知，当Re 超过临界值：Re c ＝2000～4000时，密封间隙的流动将转变为紊流,如果密封面较为粗糙，特别是当密封面开槽时,在雷诺数小于Re c ＝500～1000时，密封间隙的流动也会很快转变为紊流；如果密封间隙很小，尤其当间隙小于10m μ时，通常情况下都将是层流。

2、 压力梯度、速度分布和雷诺方程
从流体力学的角度研究密封，必须解决两个问题：
流体在密封间隙中的压力分布，由此可计算出液膜的承载能力； 流体经过密封间隙的流率,即泄漏率.
层流状态下，流体在密封间隙中的流动可以通过雷诺方程来描述。

图2－1表示一个高度为h 的间隙密封，间隙上下固体表面分别以速度｛U1，V1,W1}和{U2,V2，W2｝运动.在流体中取一个微小的单元体，其局部速度为{u,v ，w}.间隙高度h(x ，y ）沿着y 方向是改变的，它和密封间隙在x 和z 方向上的尺寸相比小得多,假定整个过程的粘度η为常数。

考虑到作用在（dx ，dy ，dz ）上的粘性力及其压力引起的平衡.在x 和y 方向上的压力梯度分别为/p x ∂∂和/p z ∂∂，由粘性力产生的局部剪切力分别为/u y η∂∂和/w y η∂∂。

如图2－2所示，作用在微元体上的力在x 方向上平衡为:
由此得到x 方向上局部压力梯度与剪切力的关系为：
()p u
x y x
η∂∂∂=∂∂∂ （2—17） 同样，在x 方向上有：
()p w
z y y
η∂∂∂=∂∂∂(2—18) 由于密封间隙在y 方向的尺寸很小，因此假设在间隙高度h 上压力不变，故/0p y ∂∂=。

对于粘性流体,由于其粘附作用，下列边界条件成立:
y=0，u=U 1，w=W 1； y=h,u=Y 2,w=W 2;
在方程(2-17)和（2-18）中,分别对流动速度u 和w 进行积分,并应用上面的边界条件，则可得到密封间隙中流体的速度分布：
21()(1)1()2y U p
u y U y y h y h h x η∂=-+--∂(2—19）
21()(1)1()2y W p
w y W y y h y h h x η∂=-+--∂（2—20）
式中,u 、w －流体在x 方向和z 方向的流动速度,/m s ； h －间隙高度，m ；
p －压力，Pa ；
1U 、1W －下固体表面上在x 和z 方向上的运动速度，/m s ； 2U 、2W －上固体表面上在x 和z 方向上的运动速度,/m s 。

2。

3.2二维流动
不可压缩流体必须满足如下连续性条件，如图2－3所示。

0u v w x y z
∂∂∂++=∂∂∂(2-21）
如图2－4所示，在密封间隙取一个微元体hdxdz ,则(2—21)可写成如下形式：
0000h
h h
u w dy v dy x z ∂∂++=∂∂⎰⎰ （2—22）
当y=h 时，a ＝0,u=Y 2,w=W 2，上式进行积分并整理
对于任意密封间隙高度,用解析的方法求解上述偏微分方程通常十分困难。

对于特定的问题，方程可以进行简化。

例如：密封表面时刚性的，且以速度U1=U 沿着x 轴方向运动，此时V1=0，W1=0;另一个刚性密封表面静止不动，即U2=0，V2=0，W2=0。

这样，雷诺方程可简化为：
式（2-28）广泛应用于动密封和轴承间隙中的流动分析.
2.3。

3一维轴对称流动
（1) 圆管中的流动
一维轴对称流动是工程中常见的流动形式,如流体通过圆形管道的流动、阀门阀杆与填料之间形成间隙中的流动、活塞式压缩机活塞环与气缸壁间隙中的气体的流动、法兰和垫片间环形间隙中的流体的流动等。

如图2－5(a)所示，粘度为η的流体在一直径不变的水平圆管内沿x 方向作稳定的层流运动，x 轴为圆管中心线,管道入口处的压力为1p ,管道出口处的压力为2p ，管道长度为L ,半径为R ，现在分析圆管中流体的速度分布并计算流过圆管的速率。

采用与2.3.1.2节相同方法,考虑作用在微元体上的力在x 方向上的平衡.如图2－5（b ）所示,取一个与圆管同轴线，半径为r 的微圆环流体，x 方向上局部压力梯度与剪切力的关系为：
220u p rdx r dx r x
ηππ∂∂-+=∂∂
上式可简化为：
2p u x r r
η∂∂=∂∂
由于压力p 只是x 的函数,而流动关于x 轴是对称的，故u 仅仅是r 的函数。

因而，上式称为微分方程：
2dp du
dx r dr
η=（2—29） 且等式两端都等于常数时才成立.
积分上式得到:
2
14dp u r C dx
η=
+（2-30） 现由边界条件确定积分常数C 。

当r ＝R 时，u =0，则24R dp
C dx
η=，代入上式得到：
22
1()4dp u R r dx
η=
-（2-31） 式中
dp
dx
为沿单位管长的压力变化，则可得到管内层流的速度分布函数： 22
121()4p p u R r L
η-=
-（2—32）
由上式可见，管内的速度沿半径方向按抛物线规律分布，其最大流速在管子轴心处，其值为：
2
12max 1()4p p u R L
η-=
（2—33)
由（2-32）可计算出流过管子的体积流率：
4
120
()28R
p p Q u rdr R L
ππη-==
⎰(2—34）
管内的平均流速为：
2
12()8p p Q u R A L
πη-=
=（2-35） 比较（2—35）和（2-33)可以看出，管内的平均流速等于管子中心流速的一半。

（2) 平行圆板的流动
两个静止的平行圆板之间有一个高度为h 的环状间隙，由于压力差(12p p -）的作用，流体通过间隙由半径为r1处流至外半径为r2处，如图2－6所示，流动为稳定的层流流动.由于上下表面是静止的，故U1=U2=0,由公式（2-19）可直接得到流速分布:
1()2dp
u y h y dr
η=
-(2—36)
可见流速沿间隙高度h 为抛物线分布. 流体通过环状间隙的流率为：
3
120212()8ln(/)
h
h Q u rdy p p r r ππη==-⎰（2—37）
（3） 圆环间隙的流动
作往复运动的轴与密封件之间的间隙可以看作轴对称的环形间隙，如图2－7所示。

因为环隙高度沿整
个圆周方向是固定不变的，则0,0h p z z
∂∂==∂∂。

因此，方程式(2—28）中各变量仅与x 有关. 3()6d h dp dh
U dx dx dx
η=（2—38） 将上式积分，得到：
36h dp
Uh C dx
η=+ 假定h*为
0dp
dx
=处的环隙高度，则由上式可得到6*C Uh =-，这样就可以得到关联局部压力梯度、环隙高度h 、壁面运动速度U ,流体粘度η的一维雷诺方程：
36(*)h dp
U h h dx
η=-(2—39） 设Q 为体积流率，b 为环隙的周向长度，则： *0
*2h Uh Q Udy b
==⎰ 代入（2—39）得到：
3()122
h dp Uh
Q b dx η=-+
（2-40） 上式中的第一项为压力差对总流的贡献，称为压力流;第二项是由于运动表面引起的剪切流对总流的贡
献。

由压力引起的流动速度沿环隙高度h 呈抛物线分布,剪切流引起的流动速度呈线性分布，如图2－7所示。

下面讨论几种特殊形式的泄漏率方程,假定密封是刚性的。

（1）同轴圆形环隙中的流动
如图2－8表示一个同轴圆筒之间的环形间隙，间隙高度为h0，间隙宽度b D π=,间隙在流动方向的长度为L ,间隙出口压力为p 2,进口压力为p 1，内圆筒的运动速度为U .
压力梯度为：dp p dx L
∆=-（2—41) 代入（2—40）求得体积流率为：
300
()122
ph Uh Q D L πη∆=+（2—42）
如两个边界都是静止的,则体积流率为：
3
00()12ph Q D L
πη∆=（2-43）
式中,0Q －边界禁止时同轴圆形间隙中的体积流率，3/m s ； b －间隙宽度,m ；
h 0－间隙高度,m ； D －圆管直径，m ；
p ∆－压力差，Pa 。

（2）轴线平行的不同轴圆形环隙汇总的流动
在这种情况下,间隙沿轴线不变而圆周方向时不断改变的，如果孔的轴线和轴的轴线的径向距离为e ,而平均间隙为h 0=0。

5（D —d ）,则相对偏心率为/e h ε=，相应的体积流率为：
20(1 1.5)e Q D ε=+（2-44）
式中，e Q －轴线平行的不同轴圆形环隙中的体积流率，3/m s ；
ε
－相对偏心率。

式中的Q 0可由公式（2—43）计算。

2.3.4轴线倾斜时圆环隙中的流动
在这种情况下流动是二维的（x 方向和z 方向上的分量均存在），方程（2-28）无法直接积分.当轴的倾
斜度增大时，流率减小,在倾斜度最大时,如图所示，其体积流率Q t 近似等于同轴圆形环隙中流率Q 0的一半。

Q t ≈0.5Q 0 （2—45）
从公式（2-44）、（2-45）可以看出,轴和孔的轴线是否平行对流动的影响很大，从轴线完全倾斜到完全平行，其流率增加约5倍，因此，在应用方程（2—43)时要特别注意环形间隙是否同轴。

2。

3。

5流道出口处有障碍时的剪切流动
如图2－11，有一个环状间隙h 0，一端压力为p 1,另一端由一个接触式密封件密封。

假设环状间隙h 0 为10um 数量级，而接触式密封的间隙为1um 数量级，轴以速度U 向密封件方向作轴向运动。

由于剪切力效应,流体向密封件方向运动,但由于密封件的阻碍，流体无法通过。

此时流道中的总流量Q ≈0.由（2-40)可得到间隙中的压力梯度为：
20
6dp U
dx h η=-，可见，压力沿间隙线性增加，在密封件处达到最大值p s .在整个间隙长度L 上对上式积分得到：12
6s UL
p p h η-=-
（2—46） 式中,p s －拖拽压力,Pa .
上式表明,剪切流动引起间隙中流体压力增加，其幅度对间隙高度h 0 比较敏感.
2.3。

6挤压引起的流动
考虑两个刚性壁面在y 方向相互接近时壁面间隙中流体的流动情况，如图2－12所示,此时，方程（2-27）可简化为:
对于两个平行的刚性壁面
0dh
dx
=，其相互接近速度保持恒定的简单情况，有： 312dh V
C dx h
η=-+ （2—48） 根据对称性，当x ＝0时，0dh
dx
=，因此C =0，积分上式得到压力随时间的分布函数： 22
3
61()2V
p x x h
η⎡⎤⎛⎫=--⎢⎥ ⎪⎝⎭⎢⎥⎣⎦
（2—49） 可以看出间隙中的压力()p x 是与间隙高度h 的三次方成反比。

2。

4可压缩流体的薄膜流动
教学目标及基本要求：
(1）掌握亚音速气体流动的流率及压力分布计算； （2）掌握音速气体流动的流率计算。

教学形式:讲授 学时安排：1学时
重点难点：二维流动、一维轴对成流动、圆环隙流动、剪切流动及挤压流动的流率计算及压力分布计算. 教学内容：
浮环密封和迷宫密封主要用于气体或蒸汽等压缩流体的轴的密封。

气体或蒸汽的流动是可压缩的，在流动过程中存在压力能和热能的交换，引起流体温度的变化，从而改变压力的分布，进而导致流率的改变.
当气体以亚音速流过一个狭窄的缝隙时，有时可以假定其温度是保持不变的，即流动是等温的.主要因为：(1)认为轴的材料是良好的导热体,密封间隙很小，气体流过整个密封间隙有充分的时间进行热交换，可认为气体的温度和轴的表面温度相同；（2)气体流动中产生的摩擦热近似地补偿了由于气体膨胀造成的热量损失。

2.4.1亚音速气体的流动
流过一个直径为D ,长度为L ，高度为h 的环形间隙，当轴处于静止状态时，根据式（2-40）可得到一维层流状态下流体的质量流率:
3()12m Dh dp
Q Q dx
ρπρη==-（2-50)
对理想流体，有：//p RT M ρ=,因此
3()12m Dh M dp
Q Q p RT dx
ρπη==-（2—51）
当温度不变时，质量流率为：
22
312122
m p P Dh M Q RTL πη-=
（2-52） 引入压力比2
1
p p β=
和压差21p p p ∆=-，则： 31
1122
m Dh Q Q L ρπβ
ρη+==（2—53) 式中1ρ、2ρ－进出口气体密度,3/m s ; 此时气体的压力降为：
()p x p =2-54） 对于流道出口处气体流速为亚音速的紊流流动，其质量流率可用下面的经验公式来估算：
41241/7
13
1()(1)9.9[]m p h Q D L βρρη
∆+=（2-55）
2。

4。

2音速气体的流动
如果压力p 1逐渐增加,当它达到临界压力比2
1
(
)c c p p β=
时，在出口处气体将达到音速s u /p V c c γ=为质量热容比，如空气的 1.4γ=，如果出口处达到音速后压力p 1继续上升，那么质量流量将会继
续增加，但气体仍以音速流处密封间隙。

出口压力p e 将随进口压力增加而增加,以保持临界压力比为一恒定值.
临界压力比c β的大小主要由流体的摩擦特性决定的，间隙的流动阻力越大，c β越小，c β实际上是γ与雷诺数Re 的函数.
层流时气体流过圆环形间隙的临界压力可以按如下公式计算。

气体在圆环形间隙出口处的质量流率、流速和密度之间有如下关系：
22
m
Q Dhu πρ=（2—57）
气体在间隙出口处的速度为：
22
222
1122p h u L βηβ
-=（2-58） 当出口处速度u 2等于当地音速u s 时，压力比达到临界值,定义系数K 为：
2
224s u L
K P h
η=
（2—59) 则临界压力比为：
c β=
2—60） 对于10~20um 的间隙里的空气流动,其临界压力比c β约在0。

1～0。

2之间。

对于圆环形间隙中的气体流动，当间隙高度较小时,其质量流率可以按照下面的公式来计算:
m f Q Dh πε=2-61）
式中，f ε表示流动系数。

流动系数和压力比的关系曲线见教材P22，图2－14.
压力比在临界压力比范围内，流动系数可用如下公式计算：
f ε≈2—62)
式中,R C 为流动阻力系数，根据层流和紊流按照下面两式计算： 层流时 48Re R L
C h
=
(2-63)
紊流时 4
0.16R L C
h
(2-64）
3 过程设备和管道的静密封
本章框架： 3。

1垫片密封
3。

1.1前沿
3.1.2中低压设备和管道的垫片密封 3.1。

3高压设备的法兰连接 3.2胶密封
3.2.1带压注剂密封技术 3。

2.2带压粘接密封技术
3。

1垫片密封
教学目标及基本要求：
(1) 了解垫片的定义、垫片密封的泄漏形式及密封机理; (2) 了解法兰连接标准、垫片的力学性能和密封性能； (3) 了解高压设备密封结构的特点与选用；
(4) 掌握中低压设备和管道的垫片密封的螺栓载荷计算； (5) 掌握典型高压设备密封结构设计计算。

教学形式：讲授 学时安排：7学时
重点难点：(1）垫片的力学性能和密封性能; （2）螺栓载荷计算；
(3)典型高压容器密封设计计算.
教学内容:
3。

1。

1前言
垫片密封时过程工业装置中压力容器、工艺设备、动力机器和连接管道等可拆连接处最主要的静密封型式.
（1） 垫片的定义
垫片是一种夹持在两个独立的连接件之间的材料或材料的组合，其作用是在预定的使用寿命内,保持两个连接件间的密封。

如图3－1所示的垫片密封的法兰连接。