Numerische und experimentelle Untersuchung zur Dynamik von Lamellenventilen in Hubkolbenverdichtern

Nach offiziellen Schätzungen sind weltweit derzeit rund drei Milliarden Geräte im Bereich der Kälte- und Klimatechnik im Einsatz. In diesen kommen vornehmlich Hubkolbenverdichter zum Einsatz. Entsprechend bergen die Auswirkungen selbst kleinster, energetischer Verbesserungen in der Summe ein enormes Einsparungspotential. Als essentieller und eng mit dem Gütegrad verknüpfter Bestandteil eines Verdichters nehmen die Ventile eine zentrale Rolle ein. Zu diesen kann dem Stand der Technik bereits eine Vielzahl numerischer und experimenteller Untersuchungen entnommen werden. Eine Literaturrecherche zeigte, dass im Laufe der analysierten 68 Jahre, zwar ein breites Spektrum an Messmethoden angewandt wurde, diese aber fast ausschließlich einen punktuellen Charakter besaßen. Hinsichtlich der im Bereich der Kälte- und Klimatechnik hauptsächlich eingesetzten Lamellenventile, deren Öffnungs- bzw. Schließvorgang keiner linearen Bewegungsfunktion entspricht, können daraus nur eingeschränkte Erkenntnisse gewonnen werden. Der Bedarf an einer experimentellen Validierung existierender Berechnungsmethoden bestand. Aus diesem Grund wird im Rahmen dieser Arbeit erstmals, unter Anwendung des Messverfahrens der Laserlinientriangulation, die Erfassung einer Reihe aufeinanderfolgender Abstandsinformationen durchgeführt. Die eingesetzte, optische Methode beeinflusst den Bewegungsvorgang der Lamelle demnach nicht. Hierzu ist an der Technische Universität Dresden ein Versuchsstand eingerichtet worden, der die Analyse der Bewegungsprofile einer Sauglamelle sowohl entlang als auch senkrecht zur neutralen Faser erlaubt. Dabei stellte sich heraus, dass die parallel mit einem marktseitig verfügbaren Simulationsprogramm durchgeführten Berechnungen, das Biegeverhalten bereits sehr gut abbilden. Bedingung hierfür ist jedoch die rechenintensive, zweiseitige Kopplung der Strukturmechanik von z. B. ANSYS Mechanical mit der Fluiddynamik von z. B. ANSYS CFX sowie der zielgerichteten Beeinflussung der Netzverformung. Doch weitere, gewinnbringende Erkenntnisse sind ableitbar. Insbesondere die Torsionsbewegung der Lamelle, deren messtechnische Untersuchung aufgrund ihrer Größenordnung herausfordernd ist, und deren Entstehung konnte somit untersucht werden. Weiterhin sind Versuche an einem Verdichterleistungsprüfstand mit dem Kältemittel R449A durchgeführt worden. Die hierfür notwendige Bewertung der Einflussgrößen zeigte eine Verwendbarkeit der Messmethode für sämtliche, in einer Kälteanlage auftretenden Zustände. Ferner konnte, als Parameter mit dem größten Einfluss auf die Messwerterfassung, das Öl identifiziert und quantifiziert werden. Solange das Laserlicht eine Schichtdicke von weniger als 1 mm durchdringen muss, ist das Verfahren verwendbar. Werte, die darüber liegen, erfordern eine zusätzliche Korrektur. Die abschließenden Vergleiche mit der numerischen Simulation zeigen eine gute Übereinstimmung und ermöglichen Einblicke auf die Belastung der Lamelle vom Hineindrücken in die Bohrung bis zum Anschlag an den Hubfänger

An Investigation Into The Dynamics Of Self-Acting Compressor Valves

In principle, a reciprocating compressor stage consists of a cylinder, the working volume which varies periodically due to a piston moving inside a liner. Latter is sealed by two sets of valves. On the one hand the suction valve for admitting the gas to be compressed and on the other the discharge valve for allowing the high pressure gas to be delivered to the downstream process. The typical type of valves used within compressors for refrigeration plants are reed valves. The key feature of these mentioned valves - simultaneously affecting both their sealing performance as well as the reliability - is that they are not actuated. They are held close by elastic forces and they open and close automatically, in accordance to the balance of gas pressure forces as well as the previously mentioned elastic ones. The former is primarily characterized by the static pressure difference across the closed valve and the aerodynamic drag brought about by the gas flow impinging onto the sealing reed in a partially or fully open valve. Evidently, a high degree of coupling between the gas flow and the sealing element motion, today referred to as fluid-structure interaction (FSI), can be expected. The reed and the absence of a reliable guide that would provide for the plan-parallel motion give rise to non-parallel impacts with other parts of the valve assembly, leading to dynamic stress effects. This not only complicates the prediction of the reed valve dynamics, it also causes premature sealing element fracture, decreases the compressor efficiency and ultimately leads to unscheduled maintenance shutdowns. Consequently pursuing the optimization of the reed valve movement is a necessity. The measurements of reed valve dynamics as well as their movement in compressors can be performed by commercial proximity sensors, strain gauges or in house developed sensors. Although timing and lift information is available through these methods, other modes of fluttering such as torsional movement are more difficult to be observed. This work tries to address these aspects by providing real operation data obtained in a test rig. An in-depth comparative analysis of three measurement methodologies, represented by an optical, resistive as well as an eddy current sensor system will be carried out regarding their possible adoption in a state-of-the-art refrigeration compressor. Furthermore, the acquired data will be evaluated with respect to its potential application for collecting mentioned torsional movements. In the end a comparison against a numerical approach shall be conducted

Numerische und experimentelle Untersuchung zur Dynamik von Lamellenventilen in Hubkolbenverdichtern

Nach offiziellen Schätzungen sind weltweit derzeit rund drei Milliarden Geräte im Bereich der Kälte- und Klimatechnik im Einsatz. In diesen kommen vornehmlich Hubkolbenverdichter zum Einsatz. Entsprechend bergen die Auswirkungen selbst kleinster, energetischer Verbesserungen in der Summe ein enormes Einsparungspotential. Als essentieller und eng mit dem Gütegrad verknüpfter Bestandteil eines Verdichters nehmen die Ventile eine zentrale Rolle ein. Zu diesen kann dem Stand der Technik bereits eine Vielzahl numerischer und experimenteller Untersuchungen entnommen werden. Eine Literaturrecherche zeigte, dass im Laufe der analysierten 68 Jahre, zwar ein breites Spektrum an Messmethoden angewandt wurde, diese aber fast ausschließlich einen punktuellen Charakter besaßen. Hinsichtlich der im Bereich der Kälte- und Klimatechnik hauptsächlich eingesetzten Lamellenventile, deren Öffnungs- bzw. Schließvorgang keiner linearen Bewegungsfunktion entspricht, können daraus nur eingeschränkte Erkenntnisse gewonnen werden. Der Bedarf an einer experimentellen Validierung existierender Berechnungsmethoden bestand. Aus diesem Grund wird im Rahmen dieser Arbeit erstmals, unter Anwendung des Messverfahrens der Laserlinientriangulation, die Erfassung einer Reihe aufeinanderfolgender Abstandsinformationen durchgeführt. Die eingesetzte, optische Methode beeinflusst den Bewegungsvorgang der Lamelle demnach nicht. Hierzu ist an der Technische Universität Dresden ein Versuchsstand eingerichtet worden, der die Analyse der Bewegungsprofile einer Sauglamelle sowohl entlang als auch senkrecht zur neutralen Faser erlaubt. Dabei stellte sich heraus, dass die parallel mit einem marktseitig verfügbaren Simulationsprogramm durchgeführten Berechnungen, das Biegeverhalten bereits sehr gut abbilden. Bedingung hierfür ist jedoch die rechenintensive, zweiseitige Kopplung der Strukturmechanik von z. B. ANSYS Mechanical mit der Fluiddynamik von z. B. ANSYS CFX sowie der zielgerichteten Beeinflussung der Netzverformung. Doch weitere, gewinnbringende Erkenntnisse sind ableitbar. Insbesondere die Torsionsbewegung der Lamelle, deren messtechnische Untersuchung aufgrund ihrer Größenordnung herausfordernd ist, und deren Entstehung konnte somit untersucht werden. Weiterhin sind Versuche an einem Verdichterleistungsprüfstand mit dem Kältemittel R449A durchgeführt worden. Die hierfür notwendige Bewertung der Einflussgrößen zeigte eine Verwendbarkeit der Messmethode für sämtliche, in einer Kälteanlage auftretenden Zustände. Ferner konnte, als Parameter mit dem größten Einfluss auf die Messwerterfassung, das Öl identifiziert und quantifiziert werden. Solange das Laserlicht eine Schichtdicke von weniger als 1 mm durchdringen muss, ist das Verfahren verwendbar. Werte, die darüber liegen, erfordern eine zusätzliche Korrektur. Die abschließenden Vergleiche mit der numerischen Simulation zeigen eine gute Übereinstimmung und ermöglichen Einblicke auf die Belastung der Lamelle vom Hineindrücken in die Bohrung bis zum Anschlag an den Hubfänger

Numerische und experimentelle Untersuchung zur Dynamik von Lamellenventilen in Hubkolbenverdichtern

Nach offiziellen Schätzungen sind weltweit derzeit rund drei Milliarden Geräte im Bereich der Kälte- und Klimatechnik im Einsatz. In diesen kommen vornehmlich Hubkolbenverdichter zum Einsatz. Entsprechend bergen die Auswirkungen selbst kleinster, energetischer Verbesserungen in der Summe ein enormes Einsparungspotential. Als essentieller und eng mit dem Gütegrad verknüpfter Bestandteil eines Verdichters nehmen die Ventile eine zentrale Rolle ein. Zu diesen kann dem Stand der Technik bereits eine Vielzahl numerischer und experimenteller Untersuchungen entnommen werden. Eine Literaturrecherche zeigte, dass im Laufe der analysierten 68 Jahre, zwar ein breites Spektrum an Messmethoden angewandt wurde, diese aber fast ausschließlich einen punktuellen Charakter besaßen. Hinsichtlich der im Bereich der Kälte- und Klimatechnik hauptsächlich eingesetzten Lamellenventile, deren Öffnungs- bzw. Schließvorgang keiner linearen Bewegungsfunktion entspricht, können daraus nur eingeschränkte Erkenntnisse gewonnen werden. Der Bedarf an einer experimentellen Validierung existierender Berechnungsmethoden bestand. Aus diesem Grund wird im Rahmen dieser Arbeit erstmals, unter Anwendung des Messverfahrens der Laserlinientriangulation, die Erfassung einer Reihe aufeinanderfolgender Abstandsinformationen durchgeführt. Die eingesetzte, optische Methode beeinflusst den Bewegungsvorgang der Lamelle demnach nicht. Hierzu ist an der Technische Universität Dresden ein Versuchsstand eingerichtet worden, der die Analyse der Bewegungsprofile einer Sauglamelle sowohl entlang als auch senkrecht zur neutralen Faser erlaubt. Dabei stellte sich heraus, dass die parallel mit einem marktseitig verfügbaren Simulationsprogramm durchgeführten Berechnungen, das Biegeverhalten bereits sehr gut abbilden. Bedingung hierfür ist jedoch die rechenintensive, zweiseitige Kopplung der Strukturmechanik von z. B. ANSYS Mechanical mit der Fluiddynamik von z. B. ANSYS CFX sowie der zielgerichteten Beeinflussung der Netzverformung. Doch weitere, gewinnbringende Erkenntnisse sind ableitbar. Insbesondere die Torsionsbewegung der Lamelle, deren messtechnische Untersuchung aufgrund ihrer Größenordnung herausfordernd ist, und deren Entstehung konnte somit untersucht werden. Weiterhin sind Versuche an einem Verdichterleistungsprüfstand mit dem Kältemittel R449A durchgeführt worden. Die hierfür notwendige Bewertung der Einflussgrößen zeigte eine Verwendbarkeit der Messmethode für sämtliche, in einer Kälteanlage auftretenden Zustände. Ferner konnte, als Parameter mit dem größten Einfluss auf die Messwerterfassung, das Öl identifiziert und quantifiziert werden. Solange das Laserlicht eine Schichtdicke von weniger als 1 mm durchdringen muss, ist das Verfahren verwendbar. Werte, die darüber liegen, erfordern eine zusätzliche Korrektur. Die abschließenden Vergleiche mit der numerischen Simulation zeigen eine gute Übereinstimmung und ermöglichen Einblicke auf die Belastung der Lamelle vom Hineindrücken in die Bohrung bis zum Anschlag an den Hubfänger