超臨界CO2連續(xù)萃取裝置不同密封結(jié)構(gòu)性能比較

徐 揚(yáng) 吳俊飛 王威強(qiáng),2

(1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266100；2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 山東濟(jì)南 250061)

超臨界CO2連續(xù)萃取技術(shù)克服了間歇式萃取技術(shù)效率低下、能耗高、安全隱患大的缺點(diǎn)，極大地促進(jìn)了超臨界CO2萃取技術(shù)向高效節(jié)能、安全可靠的方向發(fā)展[1]。但該技術(shù)也對動(dòng)密封提出了較高要求，一方面，雖然密封件承壓下兩側(cè)壓差為8 MPa，但設(shè)備工作時(shí)最大內(nèi)壓可達(dá)32 MPa，需要密封結(jié)構(gòu)具有較好的承壓能力；另一方面，被萃取物多為粉體物料，在高壓環(huán)境下帶壓粉體對密封件有較大磨損，需要密封件具有較強(qiáng)的耐磨性[2]。

目前很多學(xué)者通過有限元分析軟件對動(dòng)密封的密封性能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列分析。蔡智媛等[3]針對O形圈的安裝過程對操作參數(shù)和安裝結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。周立臣[4]對O形圈進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)并分析了改進(jìn)后4種結(jié)構(gòu)密封性能。王琦等人[5]研究了短唇傾角、唇谷高2個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對Y形圈靜態(tài)密封性能的影響。汝紹鋒和劉廷嬌[6]對比分析了O形和Y形圈在預(yù)壓縮過程中的密封性能，發(fā)現(xiàn)Y形圈更適合壓力較高的動(dòng)密封工況。陳國強(qiáng)等[7]分析了高壓大流量水閥用U形密封圈的失效機(jī)制，確定了失效的邊界條件。但是，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多針對O形圈，對唇形密封圈的研究相對較少，缺乏多種密封圈在同一工況下的密封性能對比。唇形密封圈依靠自密封作用具有更好的耐壓性能和密封可靠性，更適合高壓動(dòng)密封。

高低唇Y(jié)形圈兼具高壓密封與阻粉能力，現(xiàn)代U杯形圈作為新型密封件雖理論性能良好但鮮有分析[8]。因此本文作者選擇O形、Y形與U杯形3種密封件結(jié)構(gòu)，以超臨界CO2萃取裝置中的料倉密封圈為研究對象，利用ANSYS軟件對預(yù)安裝狀態(tài)下考慮壓縮率與摩擦因數(shù)影響的密封件密封性能，以及承壓狀態(tài)下密封件的應(yīng)力分布與應(yīng)力變化進(jìn)行了分析，對比唇型密封圈與O形圈在高壓工況下的密封表現(xiàn)。

1 超臨界CO2連續(xù)萃取工作分析

料倉式萃取器工作狀態(tài)可分為推入狀態(tài)與承壓工作狀態(tài)，推入包括徑向壓縮與軸向推進(jìn)，建立模型時(shí)用徑向壓縮量來控制壓縮率。如圖1所示，工作狀態(tài)下料倉沿筒壁向前運(yùn)動(dòng)，共經(jīng)過5個(gè)工作段，分別為為排空段、逐級升壓段、萃取段、逐級降壓段以及抽回段。進(jìn)行萃取工作時(shí)，超臨界流體通過筒壁流體進(jìn)口進(jìn)入筒內(nèi)，萃取過程結(jié)束后經(jīng)流體出口排出[9]。

圖1 料倉工作示意

料倉承壓示意如圖2所示。料倉在承壓萃取過程中需經(jīng)過4級萃取壓力，密封件兩側(cè)壓力從0-8 MPa開始，保持8 MPa壓差，逐級增長至24-32 MPa。即上側(cè)介質(zhì)壓力p1初始壓力為8 MPa，逐級增長到16、24和32 MPa，下側(cè)介質(zhì)壓力p2初始壓力為0，逐級增長到8、16和24 MPa。

圖2 料倉承壓示意

2 有限元分析

2.1 幾何模型建立

根據(jù)有限元分析原理，結(jié)構(gòu)簡化后由筒體、料倉及密封圈3部分組成，如圖3所示。其中密封圈分別采用O形、Y形與U杯形。密封腔體內(nèi)徑為237 mm，溝槽深度為5.85 mm，溝槽寬度為9.5 mm，引入角為20°。密封圈材料均選擇聚氨酯橡膠，擋圈材料為聚四氟乙烯[10]。

圖3 3種密封件仿真模型

2.2 材料本構(gòu)模型

聚氨酯是一種近似不可壓縮、高彈性、高度非線性的超彈性體，文中采用三參數(shù)Mooney-Rivlin模型來定義材料[11]，參數(shù)分別為C10=14.02 MPa，C01=-5.21 MPa，C11=-0.35 MPa。

對研究對象進(jìn)行以下假設(shè)：

(1)密封圈具有確定的彈性模量與泊松比；

(2)筒體壁的剛度遠(yuǎn)大于橡膠材料，視為密封圈的邊界約束；

(3)密封圈受到的軸向壓縮視為由筒體約束邊界的位移引起的；

(4)不考慮溫度變化對密封圈的影響。

2.3 邊界條件

對于帶擋圈的O形圈需建立5對接觸對，包括密封圈與料倉接觸對、密封圈與筒體接觸對、密封圈與擋圈接觸對、擋圈與料倉接觸對以及擋圈與筒體接觸對。Y形與U杯形圈則需設(shè)置3對接觸對，分別為密封圈唇部與筒體接觸對、密封圈底部與筒體接觸對和密封圈唇部與料倉接觸對。

具體加載步驟如下：

(1)整個(gè)過程對筒體施加全位移約束；

(2)通過設(shè)置料倉和筒體的間隙來控制密封圈壓縮率；

(3)對料倉施加X軸方向位移約束，Y軸正向位移為20 mm；

(4)受壓狀態(tài)下對密封圈兩側(cè)施加所需壓力。

3 推入過程中密封性能分析

3.1 等效應(yīng)力分布

推入過程中3種密封件等效應(yīng)力分布如圖4所示。O形圈最大等效應(yīng)力為4.215 1 MPa；Y形圈最大等效應(yīng)力為4.478 5 MPa，值最大；U杯形圈最大等效應(yīng)力為2.165 1 MPa，值最小。O形圈最大應(yīng)力的位置集中在引入角與密封圈接觸部位，這是由于在安裝過程中，O形圈受到引入角切入的軸向力與摩擦力共同作用所造成的材料堆積。Y形圈最大等效應(yīng)力主要集中在唇口底部，此處為最容易損傷的部位。李騰等人[12]在進(jìn)行Y形圈靜密封性能分析時(shí)也發(fā)現(xiàn)靜壓工作時(shí)Y形圈最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在唇谷底部。汝紹鋒和劉廷嬌[6]在對比O形圈和Y形圈的密封性能時(shí)也發(fā)現(xiàn)Y形圈最大剪切應(yīng)力發(fā)生在兩唇交匯處。U杯形圈等效應(yīng)力則均勻分布在兩側(cè)，且應(yīng)力分布均勻。Y形圈唇口相對較深窄，雙唇較長，而U杯形圈唇口較寬且呈梯形，增加了對雙唇的支撐能力。在推入時(shí)Y形圈唇口收縮，唇谷受到擠壓，由于支撐能力差更易松弛開裂。

圖4 推入過程中3種密封件等效應(yīng)力分布云圖

3.2 影響推入過程的因素

3.2.1 預(yù)壓縮量

將各接觸對摩擦因數(shù)均設(shè)定為0.1，密封件壓縮率分別取11%、12%、13%、14%、15%，得到的最大等效應(yīng)力與最大接觸應(yīng)力變化如圖5所示。可見，密封件各應(yīng)力均隨壓縮率的增大而增大。O形圈的最大應(yīng)力變化趨勢與Y形圈相同，在壓縮率為11%～13%時(shí)最大應(yīng)力呈線性增長，大于13%時(shí)應(yīng)力增長較迅速，聚氨酯橡膠材料的非線性表現(xiàn)出來，因此不應(yīng)選擇過大的壓縮率以免密封件受壓損壞[13]。U杯形圈最大應(yīng)力隨壓縮率增大始終線性增長。因此，密封件的壓縮率選擇13%較為合適。

圖5 推入過程中應(yīng)力隨壓縮率變化

3.2.2 摩擦因數(shù)

料倉的行進(jìn)速度較慢，筒體內(nèi)壁的粗糙度對密封性能有較大影響。取密封件預(yù)安裝壓縮率為13%，摩擦因數(shù)分別取0.05、0.1、0.15、0.2、0.25，得到的應(yīng)力隨摩擦因數(shù)的變化如圖6所示?？梢?，摩擦因數(shù)的增大對O形圈有較大影響，在摩擦因數(shù)為0.20時(shí)最大應(yīng)力發(fā)生較大波動(dòng)；Y形圈與U杯形圈的最大接觸應(yīng)力隨摩擦因數(shù)增大而線性增大，最大等效應(yīng)力幾乎不受摩擦因數(shù)的影響。因此，在滿足預(yù)安裝條件的同時(shí)為了避免過大摩擦力造成磨損，摩擦因數(shù)選擇0.1。

圖6 推入過程中應(yīng)力隨摩擦因數(shù)變化

在推入過程中，O形圈接觸應(yīng)力最大，有較好的預(yù)緊密封性能，但受引入角影響，應(yīng)避免選用過大的壓縮率與摩擦因數(shù)使O形圈發(fā)生磨損和變形。Y形圈等效應(yīng)力最大且集中在唇口底部，此部位更容易老化發(fā)生破壞。U杯形圈各應(yīng)力線性增大，在安裝過程中具有較好的密封可靠性。

4 承壓工作狀態(tài)密封性能分析

經(jīng)過預(yù)安裝模擬分析選擇密封件壓縮率為13%，密封圈與料倉和筒體的摩擦因數(shù)均為0.1。

4.1 應(yīng)力分布

圖7展示了不同密封件在兩側(cè)介質(zhì)壓力為16-24 MPa下與主、副密封面之間的接觸壓力分布，各密封件最大接觸應(yīng)力均大于此時(shí)的最大內(nèi)壓24 MPa，滿足密封條件。O形圈接觸應(yīng)力最小，最大接觸應(yīng)力分布在副密封面，密封性能較弱。Y形與U杯形圈最大接觸應(yīng)力均集中在主密封面，有較大的接觸應(yīng)力，說明唇型密封件在較高介質(zhì)壓力下密封性能優(yōu)于O形圈。Y形圈唇口受壓后擠壓兩側(cè)雙唇，使唇部與密封面之配合更緊密，與密封面之間的接觸應(yīng)力與接觸長度最大，擁有更強(qiáng)的密封性能[14]。

圖7 承壓工作狀態(tài)下3種密封件接觸應(yīng)力分布云圖

圖8給出了兩側(cè)介質(zhì)壓力在24-32 MPa下不同密封件的剪切應(yīng)力分布。增加擋圈后避免了O形圈的間隙擠出，其最大剪切應(yīng)力主要分布在密封圈與擋圈接觸部位，此處剪切應(yīng)力較大且應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，極易造成剪切破壞[15]。Y形圈的剪切應(yīng)力最大，最大應(yīng)力集中部位為低唇唇底。王召巖等[16]在進(jìn)行等高唇Y(jié)形圈受壓分析時(shí)發(fā)現(xiàn)位于主密封面的唇口更易受到剪切破壞，而文中選用的高低唇Y(jié)形圈中低唇口為主要密封區(qū)域，集中部位是由低唇承壓時(shí)擠壓密封件底部造成的。U杯形圈剪切應(yīng)力最小，最大應(yīng)力位于底部右側(cè)與密封溝槽接觸處，這是密封間隙擠出造成的。

圖8 承壓工作狀態(tài)下3種密封件剪切應(yīng)力分布云圖

4.2 應(yīng)力變化趨勢

如圖9所示為承壓工作狀態(tài)下應(yīng)力隨兩側(cè)介質(zhì)壓力變化。

圖9 承壓狀態(tài)下3種密封件應(yīng)力隨兩側(cè)介質(zhì)壓力變化

由圖9可以看出，兩側(cè)介質(zhì)壓力的增大對密封件摩擦應(yīng)力影響較小。O形圈最大剪切應(yīng)力在兩側(cè)介質(zhì)壓力為8-16 MPa時(shí)突然驟增，并最終大于最大接觸壓力。增加擋圈雖然緩解了O形圈的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但簡單的環(huán)形截面使其在較高工作壓力下并不穩(wěn)定。Y形圈在兩側(cè)介質(zhì)壓力為24—32 MPa下接觸壓力最大，具有最好的密封性能，但此時(shí)剪切應(yīng)力也最大，低唇底部是最容易發(fā)生剪切破壞的部位。U杯形圈最大應(yīng)力增長趨勢無較大波動(dòng)，始終保持接觸應(yīng)力大于剪切應(yīng)力，密封性能表現(xiàn)最穩(wěn)定。在高壓動(dòng)密封工況下，3種密封結(jié)構(gòu)最大接觸應(yīng)力力均大于此時(shí)最大內(nèi)壓，滿足密封要求，可有效實(shí)現(xiàn)密封，唇形密封件的綜合表現(xiàn)優(yōu)于O形圈。

5 結(jié)論

以超臨界CO2萃取裝置中的料倉密封圈為研究對象，利用ANSYS軟件研究預(yù)安裝狀態(tài)下考慮壓縮率與摩擦因數(shù)影響時(shí)O形、Y形與U杯形3種密封結(jié)構(gòu)的密封性能，以及承壓狀態(tài)下密封件的應(yīng)力分布與應(yīng)力變化，對比高壓工況下的密封表現(xiàn)。主要結(jié)論如下：

(1)在推入過程中，O形與Y形圈等效應(yīng)力會出現(xiàn)集中現(xiàn)象，U杯形圈的等效應(yīng)力最小且應(yīng)力分布均勻。

(2)隨著壓縮量與摩擦因數(shù)的增大密封件各應(yīng)力也隨之增大，O形與Y形圈壓力變化會發(fā)生波動(dòng)，而U杯形圈保持線性增長，具有較好的密封可靠性。最終結(jié)構(gòu)參數(shù)確定為：密封件壓縮率選擇13%，摩擦因數(shù)選擇0.1。

(3)承壓工作狀態(tài)下，3種密封件均滿足密封要求，唇形密封件密封性能優(yōu)于O形圈。

(4)綜合分析發(fā)現(xiàn)，O形圈擁有較好的預(yù)緊密封性能，Y形圈在高壓工況下密封性能最優(yōu)異，但低唇底部容易發(fā)生剪切破壞，影響其使用壽命，U杯形圈密封性能表現(xiàn)最穩(wěn)定可靠。