Untersuchung von Verbesserungspotentialen hermetischer Kolbenkompressoren mit Hilfe numerischer Methoden

Johann Wilfried Hopfgartner

Untersuchung von Verbesserungspotentialen hermetischer Kolbenkompressoren mit Hilfe numerischer Methoden

Translated title of the contribution: Investigation of potentials for improvement in hermetic reciprocating compressors using numerical simulations

Johann Wilfried Hopfgartner

Institute of Thermodynamics and Sustainable Propulsion Systems (3130)

Research output: Thesis › Doctoral Thesis

Abstract

n the last years, the importance of numerical simulations in the development process of hermetically sealed reciprocating compressors for household appliances has increased significantly. Beside experiments, these simulations are crucial to understand the complex interactions inside the compressor and to assess different measures for improving the compressor efficiency reliably.
One of the most critical parts of reciprocating compressors are their reed valves. These cheap and simple steel valves have major influence on noise emissions, lifetime and efficiency of the compressor. Especially the suction valve has a big potential for improvement. In contrast to the discharge valve, that stays open during the whole discharge process, the suction valve flutters. Thus, it hits the valve seat several times during one suction phase and causes pressure fluctuations and noise emissions. In addition, this oscillating motion of the suction valve is responsible for a considerable part of the thermodynamic losses inside the compressor and thus, the focus of this work was laid on the reduction of the suction losses.

The aim of this work is the analysis of the flow losses caused by the suction valve. Therefore, the refrigerant flow through the hermetically sealed compressor is calculated using three-dimensional CFD-simulations. The mutual interaction between flow and valve dynamics is considered using so-called Fluid-Structure-Interactions. Especially for calculating the suction valve, an approach which is able to model the exact movement as well as the influence of several forces acting on the valve (preload, oil stiction force, contact, etc.), must be used.
Since no commercial structural analysis program is available, which fulfils all requirements, a program based on finite elements has been written for this work. This program is designed for dynamic, nonlinear structural analysis and it is coupled with a commercially available CFD-program. By means of measurements, the suitability of the whole simulation approach is verified. Following, this approach is used to investigate different measures to reduce the flow losses caused by the suction valve. Beside the ability to increase the compressors efficiency, also economic aspects are discussed.

Translated title of the contribution	Investigation of potentials for improvement in hermetic reciprocating compressors using numerical simulations
Original language	German
Qualification	Doctor of Technology
Supervisors/Advisors	Almbauer, Raimund, Supervisor
Award date	18 Dec 2017
Publication status	Published - 29 Nov 2017

Cite this

@phdthesis{c71d9e87dd094ae2ac97e79e83c5f8b7,

title = "Untersuchung von Verbesserungspotentialen hermetischer Kolbenkompressoren mit Hilfe numerischer Methoden",

abstract = "Um die Leistungszahl hermetischer Hubkolbenkompressoren f{\"u}r Haushaltsk{\"u}hlger{\"a}te zu verbessern, wird in deren Entwicklung neben Experimenten vermehrt auf Simulationen gesetzt. Diese bilden ein wichtiges Instrument, um einerseits komplexe Zusammenh{\"a}nge besser zu verstehen und andererseits Verbesserungsma{\ss}nahmen zuverl{\"a}ssiger bewerten zu k{\"o}nnen.Als {\"a}u{\ss}erst kritische Bauteile haben sich die druckgesteuerten Flatterventile erwiesen. Diese kosteng{\"u}nstigen Blechbl{\"a}ttchen haben einen wesentlichen Einfluss auf Schallemissionen, Lebensdauer und Leistungszahl des Kompressors. Speziell das Saugventil birgt ein gro{\ss}es Verbesserungspotential in sich. Bleibt das Druckventil w{\"a}hrend der Aussto{\ss}phase durchgehend ge{\"o}ffnet, so f{\"u}hrt das Saugventil eine schwingende Bewegung aus. Durch diese Schwingbewegung schl{\"a}gt das Ventil mehrmalig w{\"a}hrend einer Saugphase auf den Ventilsitz auf, was sich sowohl als Druckschwankung als auch Ger{\"a}uschemission bemerkbar macht. Die damit verbundenen Str{\"o}mungsverluste haben einen erheblichen Anteil an den thermodynamischen Verlusten im Kompressor und stehen deshalb im Fokus dieser Arbeit.Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der durch das Saugventil verursachten Str{\"o}mungsverluste. Dazu wird die K{\"a}ltemittelstr{\"o}mung durch den hermetischen Kompressor mittels dreidimensionaler CFD-Simulation berechnet, wobei die gegenseitige Beeinflussung von Str{\"o}mung und Ventildynamik ber{\"u}cksichtigt wird. Vor allem f{\"u}r die Berechnung des Saugventils muss ein Ansatz gew{\"a}hlt werden, der sowohl die genaue Ventilbewegung als auch s{\"a}mtliche am Ventil angreifenden Kr{\"a}fte (Vorspannung, {\"O}lklebekr{\"a}fte, Kontakt, usw.) modellieren kann. F{\"u}r diese Arbeit wurde ein auf der Finite-Elemente-Methode basierendes Programm erstellt, da kein kommerzielles Strukturberechnungsprogramm zur Verf{\"u}gung steht, das s{\"a}mtlichen Anforderungen gerecht wird. Dieses Programm ist f{\"u}r kinetische, nichtlineare Strukturberechnungen konzipiert und wird mit einem kommerziellen CFD-Programm gekoppelt. Mithilfe von Messungen wird in einem weiteren Schritt die Eignung des gesamten Simulationsmodells {\"u}berpr{\"u}ft. Anschlie{\ss}end werden mit diesem Modellierungsansatz Ma{\ss}nahmen zur Verringerung von Str{\"o}mungsverlusten durch das Saugventil untersucht und diese hinsichtlich Effizienzsteigerung und Wirtschaftlichkeit bewertet.",

author = "Hopfgartner, {Johann Wilfried}",

year = "2017",

month = nov,

day = "29",

language = "deutsch",

}

TY - BOOK

T1 - Untersuchung von Verbesserungspotentialen hermetischer Kolbenkompressoren mit Hilfe numerischer Methoden

AU - Hopfgartner, Johann Wilfried

PY - 2017/11/29

Y1 - 2017/11/29

N2 - Um die Leistungszahl hermetischer Hubkolbenkompressoren für Haushaltskühlgeräte zu verbessern, wird in deren Entwicklung neben Experimenten vermehrt auf Simulationen gesetzt. Diese bilden ein wichtiges Instrument, um einerseits komplexe Zusammenhänge besser zu verstehen und andererseits Verbesserungsmaßnahmen zuverlässiger bewerten zu können.Als äußerst kritische Bauteile haben sich die druckgesteuerten Flatterventile erwiesen. Diese kostengünstigen Blechblättchen haben einen wesentlichen Einfluss auf Schallemissionen, Lebensdauer und Leistungszahl des Kompressors. Speziell das Saugventil birgt ein großes Verbesserungspotential in sich. Bleibt das Druckventil während der Ausstoßphase durchgehend geöffnet, so führt das Saugventil eine schwingende Bewegung aus. Durch diese Schwingbewegung schlägt das Ventil mehrmalig während einer Saugphase auf den Ventilsitz auf, was sich sowohl als Druckschwankung als auch Geräuschemission bemerkbar macht. Die damit verbundenen Strömungsverluste haben einen erheblichen Anteil an den thermodynamischen Verlusten im Kompressor und stehen deshalb im Fokus dieser Arbeit.Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der durch das Saugventil verursachten Strömungsverluste. Dazu wird die Kältemittelströmung durch den hermetischen Kompressor mittels dreidimensionaler CFD-Simulation berechnet, wobei die gegenseitige Beeinflussung von Strömung und Ventildynamik berücksichtigt wird. Vor allem für die Berechnung des Saugventils muss ein Ansatz gewählt werden, der sowohl die genaue Ventilbewegung als auch sämtliche am Ventil angreifenden Kräfte (Vorspannung, Ölklebekräfte, Kontakt, usw.) modellieren kann. Für diese Arbeit wurde ein auf der Finite-Elemente-Methode basierendes Programm erstellt, da kein kommerzielles Strukturberechnungsprogramm zur Verfügung steht, das sämtlichen Anforderungen gerecht wird. Dieses Programm ist für kinetische, nichtlineare Strukturberechnungen konzipiert und wird mit einem kommerziellen CFD-Programm gekoppelt. Mithilfe von Messungen wird in einem weiteren Schritt die Eignung des gesamten Simulationsmodells überprüft. Anschließend werden mit diesem Modellierungsansatz Maßnahmen zur Verringerung von Strömungsverlusten durch das Saugventil untersucht und diese hinsichtlich Effizienzsteigerung und Wirtschaftlichkeit bewertet.

AB - Um die Leistungszahl hermetischer Hubkolbenkompressoren für Haushaltskühlgeräte zu verbessern, wird in deren Entwicklung neben Experimenten vermehrt auf Simulationen gesetzt. Diese bilden ein wichtiges Instrument, um einerseits komplexe Zusammenhänge besser zu verstehen und andererseits Verbesserungsmaßnahmen zuverlässiger bewerten zu können.Als äußerst kritische Bauteile haben sich die druckgesteuerten Flatterventile erwiesen. Diese kostengünstigen Blechblättchen haben einen wesentlichen Einfluss auf Schallemissionen, Lebensdauer und Leistungszahl des Kompressors. Speziell das Saugventil birgt ein großes Verbesserungspotential in sich. Bleibt das Druckventil während der Ausstoßphase durchgehend geöffnet, so führt das Saugventil eine schwingende Bewegung aus. Durch diese Schwingbewegung schlägt das Ventil mehrmalig während einer Saugphase auf den Ventilsitz auf, was sich sowohl als Druckschwankung als auch Geräuschemission bemerkbar macht. Die damit verbundenen Strömungsverluste haben einen erheblichen Anteil an den thermodynamischen Verlusten im Kompressor und stehen deshalb im Fokus dieser Arbeit.Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der durch das Saugventil verursachten Strömungsverluste. Dazu wird die Kältemittelströmung durch den hermetischen Kompressor mittels dreidimensionaler CFD-Simulation berechnet, wobei die gegenseitige Beeinflussung von Strömung und Ventildynamik berücksichtigt wird. Vor allem für die Berechnung des Saugventils muss ein Ansatz gewählt werden, der sowohl die genaue Ventilbewegung als auch sämtliche am Ventil angreifenden Kräfte (Vorspannung, Ölklebekräfte, Kontakt, usw.) modellieren kann. Für diese Arbeit wurde ein auf der Finite-Elemente-Methode basierendes Programm erstellt, da kein kommerzielles Strukturberechnungsprogramm zur Verfügung steht, das sämtlichen Anforderungen gerecht wird. Dieses Programm ist für kinetische, nichtlineare Strukturberechnungen konzipiert und wird mit einem kommerziellen CFD-Programm gekoppelt. Mithilfe von Messungen wird in einem weiteren Schritt die Eignung des gesamten Simulationsmodells überprüft. Anschließend werden mit diesem Modellierungsansatz Maßnahmen zur Verringerung von Strömungsverlusten durch das Saugventil untersucht und diese hinsichtlich Effizienzsteigerung und Wirtschaftlichkeit bewertet.

M3 - Dissertation

ER -

Untersuchung von Verbesserungspotentialen hermetischer Kolbenkompressoren mit Hilfe numerischer Methoden

Abstract

Fingerprint

Cite this