Test rig and experimentation of packing seals used in large diameter deformed rotating drums

Villiard, Jonathan (2010). Test rig and experimentation of packing seals used in large diameter deformed rotating drums. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Large rotary processors such like rotary dryers, rotary calciners and kilns are difficult to seal properly because of their large diameter, their low precision methods of fabrication and their severe operating conditions. Those factors result in several types of imperfection at the sealing surface. This work explores the possibility to seal large rotary processors to positive pressure up to 1 atmosphere (14.7 psig).

First, an extensive theoretical analysis combined with on-site measurements evaluation was conducted to quantify the magnitude of each type of surface imperfection at the seal location. Against these results, the current typical seals used in the industry were evaluated and compared. The seals that featured compressed packing seals seem to show great possibility as they are already used in successful positive pressure large seal arrangement. A typical packing seal arrangement with a stuffing-box was studied thoroughly in order to understand its particularities.

The data collected and calculated in the previous steps was gathered and settled the new seal requirements. A new seal arrangement is proposed and it features as principal characteristics: radial compression and adaptive flexible housing. Based on the stuffing-box available mathematical relations, the equations are re-evaluated to account for the new radially oriented arrangement. Meanwhile, a test rig is designed and built to measure the seal performance and observe its behaviour. The effect of several parameters can be studied such as temperature, gas pressure, magnitude of sealing surface imperfection, magnitude of radial compression and drum rotation speed.

Finally, tests are conducted and the results are discussed in order to make a recommendation for the possible industrial application. In the light of this study the new proposed seal meets or surpasses the industrial application requirements. The performance of the full scale 1.952 m (76.875 in) seal are projected as follow; a leak rate of 114 ml/sec (0.24 scfm) at 0.69 MPag (10 psig), 4 kW (5 HP) of power loss in friction, half a year of longevity before maintenance and a deformations absorption greater than 3.15 mm (0.125 in) in the radial direction.

Titre traduit

Banc d'essais et expérimentation de joints tressés sur un tambour rotatif déformé de grand diamètre

Résumé traduit

Les processeurs de grandes dimensions tels que les séchoirs rotatifs et les calcinateurs rotatifs sont difficiles à sceller; ils ont de grands diamètres, leurs méthodes de fabrications sont imprécises et ils subissent de sévères conditions d’opération. Ces facteurs produisent plusieurs types d’imperfection à la surface de scellement. Ce travail porte sur la possibilité de sceller ces processeurs rotatifs de grand diamètre jusqu’à une pression de 1 atmosphère (14.7 psig).

Premièrement, une étude théorique combinée a l'évaluation de données acquises en chantier est conduite afin de déterminer 1’amplitude de chacun des défauts présents a la surface de scellement. A partir de ces résultats, les joints d’étanchéité typiquement utilisés dans l’industrie sont évalués et comparés. Les joints en forme de garnitures de compression tressées démontrent de grandes possibilités puisqu’ils sont déjà utilisés avec succès pour sceller des applications de grand diamètre avec une pression positive. Ces garnitures sont généralement utilisées dans un arrangement de type presse-étoupe, cette arrangement est donc étudié afin d’en comprendre ses particularités.

Les données collectées et calculées dans les étapes précédentes sont rassemblées et servent de paramètres de conception pour le nouveau joint d’étanchéité. Le nouvel arrangement proposé a comme principales caractéristiques la compression radiale et l’utilisation d’un boîtier flexible adaptatif. Basées sur les relations mathématiques disponibles pour les presse-étoupes, les équations sont réévaluées et reformulées pour satisfaire la nouvelle disposition radiale. Un banc d’essais est aussi conçu et fabriqué afin de mesurer les performances du nouveau système de joint et pour comprendre son comportement. Sur ce banc, les effets de différents facteurs peuvent être évalués tels que la température, la pression du gaz, 1’amplitude des défauts a la surface de scellement, la pression radiale de compression des tresses et la vitesse de rotation du tambour rotatif.

Finalement, les tests sont effectues et les résultats sont discutés afin d’émettre une recommandation pour une possible application industrielle. A la lumière des résultats obtenus au cours de cette étude, le nouveau joint d’étanchéité propose rencontre ou surpasse les besoins pour 1’application industrielle. Les spécifications projetées pour un joint pleine grandeur de 1.952 m (76.875 in) se situent dans les proportions suivantes; une fuite de 114 ml/sec (0.24 scfm) a 0.69 MPag (10 psig), 4 kW (5 HP) de puissance perdue en friction, une durée de vie avant maintenance d’une demie année et d’une absorption de défauts radiaux supérieure a 3.15 mm (0.125 in).

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for a master's degree in mechanical engineering". Bibliogr. : f. [135]-136.
Mots-clés libres:	Joints d'étanchéité Conception et construction. Joints d'étanchéité Essais. diamètre, étoupe, joint, presse, processeur, rotatif, scellement, tambour, grand diamètre, rotatif, presse-étoupe
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bouzid, Hakim
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	24 oct. 2014 18:44
Dernière modification:	15 janv. 2018 20:53
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1356

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