Thermodynamic modeling and lubrication analysis of a hermetic reciprocating compressor

Abstract

Studying the physical phenomenon with mathematical models and simulations has always been a critical issue in reciprocating compressors. In this study, one mathematical model and one simulation were used ın two parts to show their capability in refrigeration hermetic reciprocating compressors. In the first part, a comprehensive mathematical model was developed to investigate the influence of three different modeling strategies of discharge valve flow and force coefficients on predicting the compressor's performance and discharge valve behavior under various operating conditions. These three strategies are constant coefficients, single-variable coefficients (SV / valve lift dependent), and double-variable coefficients (DV / valve lift and piston position dependent). A steady-state 3D computational fluid dynamics (CFD) was employed to calculate the variable coefficients. In the second part, the bottom lubrication system of the hermetic reciprocating compressor at low speeds was investigated. The study includes the analysis of two different pump designs, a screw pump containing a hollow crankshaft with a smooth inner wall and a threaded pin (SCTP) inside, which was compared with a conventional design, a double eccentric internal channel (DEIC) pump. The SCTP and DEIC pumps were fabricated of transparent plexiglass, enabling visual monitoring of oil flow to validate the transient simulation results. Additionally, the precision of two simulation methodologies was evaluated: the implicit formulation volume of fluid (VOF) with the Compressive discretization scheme vs. the explicit formulation VOF with the Geo-Reconstruct discretization scheme. Furthermore, a novel bladeless unibody axial pump containing four helical internal channels was designed and manufactured using 3D printing, and was studied experimentally and numerically. This study investigated the effect of internal channels' helix angle on the mass flow rate and climbing time in different speeds.

Fiziksel olguyu matematiksel modeller ve simülasyonlarla incelemek, pistonlu kompresörlerde her zaman kritik bir konu olmuştur. Bu çalışmada iki bölümde, soğutma hermetic pistonlu kompresörler konusundaki yeteneklerini göstermek için bir matematiksel model ve bir simülasyon kullanılmıştır. İlk bölümde, egzoz valfının akış ve kuvvet katsayılarının üç farklı modelleme stratejisinin, farklı çalışma koşulları altında kompresörün performansını ve egzoz valfı davranışını tahmin etme üzerindeki etkisini araştırmak için kapsamlı bir matematiksel model geliştirilmiştir. Üç strateji sabit katsayılar, tek değişkenli katsayılar (SV / valf açıklığına bağlı) ve çift değişkenli katsayılardır (DV / valf açıklığına ve piston konumuna bağlı). Değişken katsayıları hesaplamak için steady state 3B hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) kullanılmıştır. İkinci bölümde, düşük hızlarda hermetik pistonlu kompresörün alt yağlama sistemi araştırıldı. Çalışma, iki farklı pompa tasarımının analizini içerir; düz bir iç duvara sahip içi boş bir krank mili ve içinde dişli bir pim (SCTP) bulunan bir vidalı pompa, geleneksel bir tasarım olan çift eksantrik iç kanallı (DEIC) bir pompa ile karşılaştırılmıştır. SCTP ve DEIC pompaları, geçici simülasyon sonuçlarını doğrulamak için yağ akışının görsel olarak izlenmesini sağlayan şeffaf pleksiglastan üretilmiştir. Ek olarak, iki simülasyon metodolojisinin hassasiyeti değerlendirilmiştir; implicit formulasiynlu volume of fluid (VOF), Compressive discretization skim ve explicit formulasiynlu VOF, Geo-Reconstruct discretization skim. Ayrıca, yeni bir pompa, eksenel dört helilsi iç kanal içeren pervanesiz yekpare gövde tasarlandı ve 3D baskı kullanılarak üretildi ve deneysel ve sayısal olarak incelendi. Bu çalışmada, iç kanalların helis açısının farklı hızlarda debi ve tırmanma süresi üzerindeki etkisi araştırıldı.