Modelagem e análise numérica do desempenho de compressores alternativos em diferentes velocidades de operação

Abstract

O uso de compressores de velocidade variável em sistemas de refrigeração doméstica tem sido cada vez mais presente, em função de oportunidades de redução do consumo de energia e matéria prima. O objetivo principal da dissertação é analisar numericamente as principais fontes de ineficiências volumétricas e exergéticas de um compressor alternativo de acordo com a sua velocidade de operação. A fim de alcançar esse objetivo, um modelo de simulação foi desenvolvido para avaliar as ineficiências associadas a diferentes fenômenos, tais como transferência de calor e perda de carga nos sistemas de sucção e descarga, dinâmica de válvulas, vazamentos na folga pistão-cilindro e em válvulas, reexpansão do gás no volume morto e atrito em mancais. O modelo numérico adota a formulação unidimensional para os sistemas de sucção e descarga, resolvido com o método de volumes finitos, enquanto a formulação integral é usada para avaliar o ciclo termodinâmico na câmara de compressão. Além disso, a dinâmica das válvulas é determinada através de um sistema massa-mola-amortecedor com um grau de liberdade e um modelo térmico foi desenvolvido para a previsão das temperaturas em diferentes regiões do compressor. Após a validação dos resultados numéricos através de comparações com dados experimentais, inventários de ineficiências volumétricas e exergéticas são elaborados para avaliar o desempenho do compressor em diferentes velocidades de operação. Os resultados mostram que as eficiências exergética e volumétrica não variam de forma monotônica com a velocidade do compressor. Observou-se também que vazão fornecida pelo compressor é bastante afetada pelo escoamento pulsante no filtro de sucção, vazamento na folga pistão-cilindro e dinâmica das válvulas, sobretudo na presença de refluxo. Além disso, verificou-se que transferência de calor, eficiência do motor elétrico, vazamento de gás em folgas e atrito em mancais reduzem de forma significativa a eficiência exergética do compressor operando em baixa velocidade. Por sua vez, a geração de entropia nos sistemas de sucção e descarga, nas válvulas e nos mancais são os maiores responsáveis pela redução da eficiência exergética quando o compressor opera em alta velocidade. Finalmente, os resultados demonstraram que a dinâmica das válvulas é responsável pela redução da eficiência do compressor em valores baixos e médios de velocidade.

Abstract: The use of variable speed compressors in domestic refrigeration systems has been increasingly present due to opportunities to reduce energy and raw material consumption. The main objective of this dissertation is to numerically analyze the main sources of volumetric and exergetic inefficiencies of a reciprocating compressor as a function of its operating speed. To achieve this goal, a simulation model was developed to evaluate the inefficiencies associated with different phenomena, such as heat transfer and frictional head loss in suction and discharge systems, valve dynamics, leakage in the piston-cylinder clearance and valves, re-expansion of the gas in the clearance volume between piston and cylinder head and friction in bearings. The numerical model adopts a one-dimensional formulation for suction and discharge systems, solved with the finite volume method, while a lumped formulation is used to evaluate the thermodynamic cycle in the compression chamber. In addition, the valve dynamics is solved by using a single degree-of-freedom mass-spring-damper system, whereas a thermal model has been developed to predict the temperatures in different regions of the compressor. After being validated through comparations with experimental data, the numerical model was applied to determine the inventories of volumetric and exergetic inefficiencies of the compressor under different operating speeds. The results show that the exergetic and volumetric efficiencies do not vary monotonically with the speed of the compressor. It was observed that the mass flow rate is greatly affected by the pulsating flow in the suction muffler, leakage in the piston-cylinder clearance and valve dynamics, especially in the presence of backflow. In addition, it was found that heat transfer, gas leakage in clearances and friction in bearings significantly reduce the exergetic efficiency of the compressor operating at low speed. In turn, the generation of entropy in the suction and discharge systems, valves and bearings are the main sources of exergetic inefficiencies when the compressor operates at high speed. Finally, the results showed that valve dynamics is the main responsible for reduction of the compressor efficiency at low and medium speed values.