Il contatto tra anello rotante e stazionario viene garantito dalla spinta meccanica fornita da una o più molle o da un soffietto metallico, e dalla spinta idraulica generata dalla pressione del fluido di processo che insiste sulla superficie anulare di uno degli anelli contro l’altro. La somma di queste forze genera la “forza di chiusura”.
Lo stesso liquido tende a penetrare tra anello rotante e quello stazionario cercando di separarli, la pressione del liquido che insiste sulla superficie di tenuta genera la “forza di apertura” che si contrappone a quella di chiusura.
Con superfici di tenuta piane, lappate e opportunamente dimensionate il liquido che si trova tra le superfici subisce una caduta di pressione tale da ridurre il trafilamento a pochi grammi/ora, rendendolo impercettibile, specialmente con liquidi soggetti ad evaporazione.
Ma come si tengono in equilibrio queste due forze in gioco? Grazie al dimensionamento della superficie anulare su cui la pressione spinge un anello contro l’altro e la superficie di contatto tra gli anelli su cui la pressione tende a separarli. Il rapporto tra queste superfici definisce “il bilanciamento della tenuta”.
Per garantire un funzionamento affidabile, efficace e duraturo, è fondamentale valutare il grado di bilanciamento della tenuta meccanica.
La superficie di chiusura e la superficie di contatto, in funzione alla pressione del liquido da tenere, generano la forza di chiusura e di apertura.
La forza di chiusura si calcola moltiplicando la pressione del fluido da contenere per la superficie di contatto, secondo la seguente formula:
Fc [kgf] = P1[kgf/cm²] ∙ S1 [cm²]
Invece la forza di apertura si calcola con questa formula:
Fa [kgf] = P1[kgf/cm²] ∙ S2 [cm²]
Affinché la tenuta funzioni correttamente, il rapporto tra queste due forze deve rimanere all’interno di un intervallo ottimale.
Se il rapporto di bilanciamento fosse inferiore a 0,6 la tenuta avrebbe la tendenza ad aprirsi causando una perdita eccessiva.
Al contrario, con un rapporto superiore a 1,2 la forza di chiusura risulterebbe eccessiva al punto da non consentire al liquido di penetrare per lubrificare e raffreddare, causando un failure prematuro.
Nella pratica, le tenute meccaniche non bilanciate vengono comunemente impiegate in applicazioni con liquidi stabili e pressioni medio-basse, generalmente inferiori a 10 bar. Queste soluzioni offrono un buon compromesso tra prestazioni e costi, rendendole ideali per produzioni su larga scala.
Tuttavia, in condizioni operative più critiche, come nel caso di fluidi con pressioni elevate o prossimi alla loro tensione di vapore, è necessario adottare una tenuta bilanciata. Questo tipo di configurazione riduce l’attrito e il calore generato, garantendo una maggiore affidabilità e una durata operativa più lunga.
La corretta scelta del grado di bilanciamento è quindi essenziale per ottimizzare le prestazioni della tenuta meccanica, assicurando un equilibrio tra efficienza, sicurezza e durata nel tempo.
Nella pratica la tenuta bilanciata viene infatti selezionata per:
- settore petrolifero dove per lo standard di riferimento suggerisce l’utilizzo di tenute bilanciate
- settore energetico nelle applicazioni acqua calda e condensato
- nel settore chimico e nelle applicazioni in cui il processo è vicino alla tensione di vapore (punto di evaporazione)
- nelle applicazioni dove il rapporto pressione x velocità di rotazione supera limiti definiti dal costruttore della tenuta