Numerical and experimental study of fluid structure interaction in a reciprocating piston compressor

Abstract

Consisting of household refrigerators, cold storages, cold chain logistics, industrial freezers, air conditioners, cryogenics and heat pumps, refrigeration industry are a vital part of many sectors such as food, health care, air conditioning, sports, leisure, production of plastics and chemicals along with electronic data processing centers and scientific research facilities, which can not operate without refrigeration. There are roughly 5 billion in operation refrigeration systems which consumes 20% of the electricity used worldwide, responsible of 7.8% of GHG emission of the world, 500 billion USD cost of annual equipment sale, 15 million of employed people. Around 37% of global warming impact caused by refrigeration is direct emission of fluorinated refrigerants (CFCs, HCFCs and HFCs), 63% is due to indirect emission caused by electricity generation required for refrigeration. Both economic goals of making refrigeration units cheaper, more durable, and environment concerns of making these units more efficient and less hazardous for the world, require meticulous research and study on these refrigeration units. Approximately 40% of refrigeration units consist of domestic refrigeration systems alone where mostly hermetic, reciprocating type compressors are used. Design and improvement of such compressors is a multidisciplinary subject and requires deep understanding of heat and momentum transfer between refrigerant and solid component of compressor which can only be done through scientific investigation, using experimental and numerical techniques. In this thesis study, concerning the advantages of numerical studies, a multi-physics numerical model of flow through the gas line of a household, hermetically sealed, reciprocating piston compressor and the fluid structure interaction around the valve reeds including the contact between deformable parts was developed. Concerning the complexity of the model, the problem divided into several steps and at each step, numerical results are validated with experiments. In the first chapter of this thesis, the motivation behind the thesis study is discussed along with a theoretical background about refrigeration, compressors, fluid-structure interaction and a comprehensive literature survey are summarized to express the position of the thesis study among academic literature and it's novelty. In the second chapter, experimental studies conducted throughout the thesis are presented. Experimental studies divided into two sections. In the first section, the valve reed dynamics are investigated experimentally outside the compressor in multiple test conditions. A test rig is built for this reason, and the displacement of valve reed under constant point load, free oscillation and the impact of valve reed to valve plate from a pre-deformed form are measured, in order to validate the numerical work. In the second section, the compressor specifications such as cooling capacity, compression work, average refrigerant mass flow rate, along with surface temperature and instantaneous pressure variation from several locations inside the compressor are measured inside a calorimeter setup, to provide boundary conditions and validation for numerical analyses. Numerical work of the thesis study is explained in the third chapter. Modelling the whole compressor gas line between compressor inlet and outlet, including the strong coupled interaction between the refrigerant and deformable solid parts such as valve reeds is too complex of an attempt to do in a single step. Therefore, the numerical problem divided into seven smaller numerical problems and investigated consecutively. At each consecutive steps, problems are isolated, identified, solved and results are validated. The similarity of each step to the final model is increased along with it's complexity as a natural consequence at each consecutive steps. The numerical studies also briefly cover the advantages and disadvantages of using an open source or a commercial multi-physics solver, where OpenFOAM and Ansys Workbench software are utilized for this purpose, respectively. After the simplified steps of the numerical model are completed, the whole gas line of a compressor produced by Arçelik is modelled. The numerical results compared against experimentally obtained data and a good agreement is achieved between them. The developed method is further used for parametric investigation on compressor design to show the capabilities and the benefits of the numerical model. Finally, results of whole thesis study, the experience gained throughout the thesis work and the planned future work are discussed in the final chapter.

Ev tipi buzdolapları, soğuk hava depoları, soğuk besin lojistiği, endüstriyel dondurucular, kriyojenik uygulamalar, klimalar ve ısı pompalarından oluşan soğutma endüstrisi, gıda, sağlık, iklimlendirme, spor, eğlence, plastik ve kimyasal madde üretimi, elektronik veri işleme merkezleri ve bilimsel araştırma tesisleri gibi birçok sektörün hayati bir parçasıdır. Soğutmanın faydaları, yaygın kullanımı, çevreye, küresel ısınmaya, enerji tüketimine ve ekonomiye etkileri, istatistiksel veriler kullanılarak detaylı bir şekilde ortaya koyulabilmektedir. Dünyada çapında 5 milyar faal durumda olan soğutma sistemi bulunmakta ve soğutma endüstrisi dünya elektrik tüketiminin %20'sinden, toplam sera gazı emisyonunun %7.8'inden sorumlu olmakta, yıllık 500 milyar ABD doları ekipman satışı ve 15 milyon kişilik iş gücüne mal olmaktadır. Dünya genelinde yaklaşık 1.1 milyar insanın, açlık ve besin israfının azalmasını sağlayabilecek soğutma sistemlerine erişimi bulunmamaktadır. Yetersiz soğuk besin hattı sebebiyle üretilen toplam gıdanın %20'si kaybolmaktadır. Soğutma sektörünün neden olduğu küresel ısınma etkisinin yaklaşık %37'si, florlu soğutucu akışkanların (CFC'ler, HCFC'ler ve HFC'ler) doğrudan emisyonu olup, %63'ü soğutma için gerekli elektrik üretiminin neden olduğu dolaylı emisyondan kaynaklanmaktadır. Hem soğutma ünitelerini daha ucuz, daha dayanıklı hale getirmeye yönelik ekonomik hedefler hem de bu üniteleri daha verimli ve dünya için daha az tehlikeli hale getirmeye yönelik çevresel kaygılar, dünya çapında pek çok araştırmacıyı ve kurumları bu soğutma üniteleri üzerinde titiz araştırmalara teşvik etmektedir. Dünya genelinde faal durumda olan yaklaşık 5 milyar soğutma sisteminin 2 milyarı, buzdolabı ve derin dondurucu gibi ev tipi soğutma sistemlerinden oluşmaktadır. Ev tipi soğutma sistemlerinin neredeyse tamamında hermetik, pozitif deplasmanlı kompresörler kullanılmakta olup, bu kompresörlerin geliştirilmesi global ekonomiye ve küresel ısınmaya karşı mücadeleye önemli katkı sağlamaktadır. Kompresör dizaynı ve geliştirilmesi disiplinler arası bir konu olup, soğutkan ve soğutma sistemi katı parçaları arasındaki ısı ve momentum transferi konularında derin bir algı gerektirmekte, bu da sayısal ve deneysel yöntemlerin kullanıldığı bilimsel metotlarla mümkün olmaktadır. Bu tezin amacı, soğutucu akışkanın kompresöre girişinden çıkışına kadar, deforme olabilen katı parçalarla etkileşimi de dahil olmak üzere tüm kompresör gaz hattının sayısal olarak incelenebilmesi için bir model geliştirmektir. Deneysel yöntemlere kıyasla önerilen sayısal metot kompresörin incelemesi için gereken süreyi kısaltmakta, her bir test için gereken maliyeti düşürmekte ve inceleme sonucunda kompresör içindeki milyonlarca konumdan veri üretip bu verileri görselleştirmeye olanak sağlamaktadır. Tezin ilk bölümünde, tez çalışmasının arkasındaki motivasyon, soğutma, kompresörler, akışkan-yapı etkileşimi ile ilgili teorik bilgi aktarılmış, tez çalışmasının akademik literatürdeki yerini ifade etmek için kapsamlı bir literatür taraması özetlenmiş, tezin özgün değeri ortaya koyulmuş ve tezin amacı maddeler halinde listelenmiştir. İkinci bölümde, tez boyunca yürütülen deneysel çalışmalara yer verilmiştir. Deneysel çalışmalar iki kısımdan oluşmakta ve çoğunlukla sayısal analizlerin doğrulanması amacıyla gerçekleştirilmiştir. İlk kısımda emme valf yaprağı, çok daha kolay erişilebilir olması nedeniyle kompresör dışında incelenmiştir. İnce bir plaka şeklindeki valf yaprağı, bu amaçla geliştirilen bir deney düzeneğine üst ucundan ankastre olarak mesnetlenip, zamandan bağımsız sabit noktasal kuvvet altındaki deformasyonu, serbest salınımı ve bir ön deformasyon şeklinden serbest bırakıldıktan sonra, valf plakasına çarpması, hızlı kamera kullanılarak görüntülenmiştir. Elde edilen görüntülerin işlenmesiyle elde edilen veriler, sayısal çalışmaların doğrulanmasında kullanılmıştır. İkinci kısımda kompresör soğutma kapasitesi, sıkıştırma işi, kompresörden geçen soğutkan ortalama debisi gibi integral değerler ve kompresör gaz hattı üzerinde çok sayıda noktadan yüzey sıcakları ve anlık basınç değerleri kalorimetre deney düzeneğinde ölçülmüştür. Bu ölçümler hem sayısal çalışmalarda sınır şartı bilgisi sağlamış hem de sayısal hesapların doğruluğunu sınamak için kullanılmıştır. Tezin üçüncü bölümünde sayısal çalışmalar ele alınmıştır. Soğutucu akışkan ile emme ve egzoz valf yaprakları gibi deforme olabilen katı parçalar arasındaki güçlü etkileşim dahil olmak üzere, kompresör girişi ve çıkışı arasındaki tüm kompresör gaz hattının modellenmesi, tek bir adımda gerçekleştirilemeyecek kadar karmaşıktır. Gerçekleştirilmesi dahilinde ortaya çıkacak hataların tespit edilip giderilmesi, tek bir simülasyonun deneysel veriler ile karşılaştırılması ile mümkün olmayacaktır. Ele alınan problem bir akışkan-yapı etkileşimi problemi olup akışkan ve katı hacimler ile bu iki hacim arasındaki etkileşimin gerçekleştiği bir arayüzden oluşmaktadır. Akışkan ve katı hacimleri, ayrı çözücülerde modellenmekte ve aralarındaki etkileşim, arayüzden interpolasyon ile sağlanmaktadır. Simulasyon sonucundaki doğruluk, her iki çözücünün ve etkileşim yönteminin hatalarının toplamından oluşmaktadır. Her bir çözücüdeki ve etkileşim metodundaki hataların tespit edilip giderilmesi için sayısal problem, daha basit yedi farklı adımda ele alınmıştır. Her bir adımda karşılaşılan hatalar izole edilerek tespit edilmiş, giderilmiş, problemler çözülüp deneysel verilerle benzerliği gösterilmiştir. Ardaşık olarak incelenen bu adımların, nihai probleme benzerliği ve bunun doğal bir sonucu olarak zorluğu, bir önceki adıma kıyasla artırılmıştır. Sayısal çalışmaların bazı adımları hem açık kaynak kodlu hem de ticari birer çok-disiplinli çözücü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Açık kaynaklı ve ticari çözücüler için, sanayide ve bilimsel araştırmalarda yaygın kullanımları göz önünde bulundurularak OpenFOAM ve Ansys Workbench tercih edilmiştir. Bu iki yaklaşımın avantaj ve dezavantajları değerlendirilmiştir. İlk üç adım akış çözücü ile ilgili olup ilk olarak ters basamak ardındaki akış iki boyutlu, zamana bağlı ve laminer olarak ele alınmıştır. İkinci adımda ters basamak ardındaki akış iki boyutlu, zamandan bağımsız ve türbülanslı olarak modellenmiştir. Üçüncü adımda ise karmaşık bir geometri olan kompresör emme susturucusu içerisindeki akış, üç boyutlu, zamandan bağımsız ve türbülanslı olarak çözülmüştür. Bu üş adımda akış çözücü olarak hem OpenFOAM hem Ansys Fluent kullanılarak gerçekleştirilmiş ve karşılaşılan zorluklar kıyaslanmıştır. Dördüncü adımdan altıncı adıma kadar, deneysel çalışmalarda valf yaprağının kompresör dışında incelendiği durumlar numerik olarak modellenmiş, katı mekaniği başta olmak üzere akışkan-yapı etkileşimi ele alınmıştır. Dördüncü adımda, ince ankastre mesnetlenmiş kiriş olarak modellenen valf yaprağının, sabit noktasal yük altında deformasyonu simulasyonu gerçekleştirilmiştir. Beşinci adımda uç noktasından sabit bir miktarda deforme edilen valf yaprağının serbest bırakılmasından sonra gerçekleştirdiği salınım modellenmiştir. Bu zamana bağlı bir problem olup valf yaprağının, çevresindeki hava ile etkileşimde olması nedeniyle akışkan-yapı etkileşimi modeli ve hareketli çözüm ağı analize dahil edilmiştir. Altıncı adımda ise bir önceki adımdaki gibi serbest salınıma bırakılan valf yaprağı, valf plakasına çarptırılarak, kontak modeli problemleri incelenmiştir. Her adımda elde edilen sayısal sonuçlar, deneysel olarak elde edilen veriler ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Bu aşamaya kadar hem akış hem de yapısal çözücüdeki tüm problemler ayrı ayrı ele alınarak çözülmüş ve deneysel olarak doğrulanmış olup, yedinci aşamada, kompresör gaz hattının yaklaşık yarısını teşkil eden gaz emiş hattı modellenmiştir. Model emme susturucusu, emme plenumu, silindir ve egzoz portu akışkan hacimleri ile birlikte emme valf yaprağı ve valf plakasından oluşmaktadır. Piston hareketi Fluent akış çözücüsüne bir kullanıcı tanımlı fonksiyon olarak tanıtılmıştır ve kontrol hacmi, değişen piston konumu ile değişmektedir. Elde edilen sonuçlar, kalorimetre deneylerinde elde edilen veriler ile karşılaştırılarak doğruluğu sınanmıştır. Fluent ticari akış çözücü programı, iki sınır yüzeyin birbiri ile temasına izin vermemektedir. Bunun için emme valf yaprağı ve valf plakası arasına 100 µm'lik bir kontak öteleme uzunluğu tanımlanarak çözülmüştür. Bu küçük bir aralık olsa da, pistonun periyodik hareketi neticesinde silindir içerisindeki basınç yaklaşık 9 bar civarına kadar yükselmekte ve akışkanın geçişi önlenmediği taktirde silindirden emme susturucusuna güçlü bir ters akışa neden olmaktadır. Bu problem, emme valf yaprağı ve plakası arasındaki hacmin, geçirgenliği çok düşük bir yarı geçirgen ortam olarak tanımlanmasıyla çözülmüştür. Literatürde, kompresör modellemede böyle bir yaklaşım bulunmaması nedeniyle çalışmanın özgünlüğünü arttırmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda kompresör tüm gaz hattı başarılı bir şekilde modellenmiş olup, elde edilen sonuçlar deneysel verilen ile büyük benzerlik göstermiştir. Ortalama kütlesel debi değeri %1'in altında bir hata ile hesaplanmıştır. Elde edilen modelin performansının değerlendirilebilmesi için kompresörde parametrik sayısal inceleme gerçekleştirilmiştir. Krank hızı, egzoz valf yaprağı kalınlığı ve emme susturucusu dizaynı bağımsız parametreler olarak seçilmiş olup her birinin üç farklı değeri için analizler gerçekleştirilmiştir. Her bir analiz 28 çekirdekli bir işlemci kullanılarak yaklaşık 15 gün sürmüştür. Analizlerden elde edilen basınç, kütlesel debi, valf yaprak deformasyonu, hızı, ivmesi, kompresör sıkıştırma işi ve soğutma kapasitesi gibi veriler birbirleri ile kıyaslanmıştır. Tezin son bölümünde ise gerçekleştirilen tüm çalışmaların sonuçları değerlendirilmiş, elde edilen deneyim yorumlanmış ve olası gelecek çalışmalarla ilgili fikirlere yer verilmiştir.