Análise de efeitos de amortecimento e transientes do escoamento sobre a dinâmica de válvulas do tipo palheta de compressores

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016.Válvulas do tipo palheta são usadas em compressores de refrigeração para controlar a vazão de gás nos processos de sucção e descarga. A dinâmica dessas válvulas afeta a eficiência e a confiabilidade do compressor. O presente trabalho avaliou diferentes modelos para a previsão da dinâmica dessas válvulas, com especial interesse na previsão do impacto da válvula contra o assento e do refluxo de gás no seu fechamento. Inicialmente, um modelo de elementos finitos com elementos trapezoidais foi desenvolvido. Os resultados desse modelo se mostraram mais precisos do que os do modelo original, representado por um sistema massa-mola amortecido, sem aumento significativo do custo computacional. O novo modelo permite a previsão da tensão máxima de flexão da palheta durante o seu movimento de abertura e a velocidade de seu impacto contra o assento, dois parâmetros essenciais para avaliar a confiabilidade do compressor. Investigou-se também o fenômeno do amortecimento da dinâmica de válvulas de compressores, estimando-se coeficientes de amortecimento muito menores do que os comumente utilizados em simulações. Uma expressão foi desenvolvida para determinar o coeficiente de amortecimento decorrente das forças resistivas do fluido em contato com a palheta, as quais são bem mais influentes do que o amortecimento interno do material e o escorregamento no engaste da válvula. Apesar de ter um efeito pequeno sobre a eficiência do compressor e a tensão de flexão, os valores de amortecimento avaliados neste trabalho alteram em até 18% a velocidade de impacto da válvula. Mostrou-se também que a inclusão de efeitos de inércia do escoamento, na forma de um termo transiente no cálculo da área efetiva de escoamento de válvulas, pode alterar em até 100% a estimativa de refluxo de massa de fluido na válvula e em até 25% a velocidade de impacto prevista para a válvula. Finalmente, verificou-se que a área efetiva de força deve ser avaliada de forma distinta para as condições de fluxo normal e refluxo na válvula.Abstract : Reed-type valves are used in refrigeration compressors to control the suction and discharge processes. The dynamics of these valves affects the efficiency and reliability of the compressor. This study assessed different models to predict the dynamics of such valves, with special interest in predicting the impact of the valve against the seat and backflow during its closure. Initially, a finite element model was developed with trapezoidal elements. The results of this model were more accurate than the original model, represented by a mass-spring-damper system, with no significant increase in computational cost. The new model allowed the prediction of maximum reed bending stress during its opening motion and the its impact velocity against the seat, two essential parameters concerning the compressor reliability. The work also addressed the damping of valve dynamics, quantifying this parameter under controlled conditions for clamping geometry, clamping force, gasket thickness and fluid around the valve. An expression was developed to determine the damping coefficient resulting from the resistive forces of the fluid in contact with the valve, which were much more influential than the damping of the material and clamping. Despite having a small effect on the compressor efficiency and bending stress, the damping values estimated in this work increased by 18% the valve impact velocity. It was also shown that flow inertia can change by up to 100% the estimated backflow in the valve and up to 25 % the valve impact velocity, and should be taken into account in relations for the effective flow area of the valve. Finally, it was found that the effective area of force must be evaluated separately for conditions of normal flow and backflow in the valve

Numerical Investigation of the Gas Leakage through the Piston-Cylinder Clearance of Reciprocating Compressors

Gas leakage through the clearance between piston and cylinder is a major source of thermodynamic inefficiency in reciprocating compressors, therefore, any simulation model should accurately predict its effect on the overall performance. Effects like misalignment between piston and cylinder and components cylindricity errors are not taken into account in the simpler numerical models usually adopted to estimate the gas leakage. This paper aims to analyze the impact of such simplifications using a three-dimensional CFD model, including transient effects resulting from the piston movement as well as actual geometric errors characteristic of the usual manufacturing process adopted for the household compressor industry. The results are compared to numerical predictions of simpler models and its benefits are emphasized