Hermetik pistonlu kompresörlerde egzoz hattı kayıplarının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of exhaust line losses in hermetic reciprocating compressors
Yazar: AYKUT BACAK
Danışman: PROF. DR. ALİ PINARBAŞI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı geçişi = Heat transfer ; Kompresör = Compressor

Özet:
Hermetik pistonlu kompresörler ev tipi buzdolaplarında soğutma çevrminin kalbi
olarak çalışan cihazlardır. Bu tip cihazlar, ASHRAE (54.4°C/-23.3°C) ve belli
başlı buzdolabı çalışma şartlarında farklı devirlerde sıklıkla çalıştırılmaktadır. Bu
çalışma kapsamında ev tipi buzdolaplarında kullanılan hermetik pistonlu kompresörlerin
egzoz hattı termodinamik kayıpları, egzoz ve silindir basınçları ile egzoz valf
yaprağının yer değiştirme hareketi deneysel ve FSI yöntemiyle nümerik olarak incelenmiştir.
Tez çalışması beş ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde hermetik
pistonlu kompresörler için literatürde yapılan çalışmalar incelenmiştir. Bu kapsamda
yapılan çalışmalar deneysel çalışmalar ve nümerik/modelleme çalışmaları
olmak üzere iki alt bölümde verilmiştir. İkinci bölümde hermetik pistonlu kompresörler,
bileşenleri ve verim parametrelerinden bahsedilmiştir. Üçüncü bölümde ise
deneysel olarak hermetik pistonlu kompresörün performans parametrelerinden olan
kütle debisi, soğutma kapasitesi ve çekilen gücün elde edilmesi, kompresör üzerinden
belirlenen noktalardan sıcaklık ölçümleri, pV indikatör diyagramın elde edilebilmesi
için gerekli deneyler, kalibrasyon ve yapışma kuvvetinin ölçülmesi proseslerinen
bahsedilmiştir. Üçüncü bölümde ayrıca, FSI yöntemi için gerekli olan modelleme
parametreleri ve yöntemin detaylarından da bahsedilmiştir. Dördüncü bölümde,
deneysel ve FSI yöntemi ile elde edilen egzoz plenum basıncı, silindir basıncı ve
egzoz valf yaprak yer değiştirmesinin krank açısına göre değişimi ile pV indikatör
diyagramı sonuçları 1300, 2100, 3000 rpm kompresör hızları, 0.127, 0.152, 0.178 ve
0.2 mm egzoz valf yaprak kalınlığı, 0.8, 1.05 ve 1.25 mm tahdit yüksekliği ile 14.722,
16.222 ve 17.722 mm egzoz valf yaprak uzunluk tasarım girdileri için parametrik analiz sonuçları açıklanmıştır. Elde edilen sonuçlar Cevap Yüzey Yöntemi (CYY) ve
egzoz hattı termodinamik kayıpları etkileyen ana parametreler yöntemi kullanılarak
da açıklanmıştır. Son bölümde ise çalışmanın sonuçları ve öneriler sıralanmıştır.
Bu tez çalışmasının nümerik kısmında geleneksel analiz yazılımlarından farklı olarak
CONVERGE yazılımı kullanılmış ve soğutucu akışkan ile katı parçalar arasında FSI
yöntemi kullanılarak çözüm sağlanmıştır. Kütle debisi sayısal sonuçlarının deneysel
verilere 1300, 2100 ve 3000 rpm kompresör hızları için yakınsaması sırasıyla %12,1,
%9,1 ve %9,4'lük varyanslar tespit edilmiştir. Sıkıştırma gücü açısından, belirtilen
üç kompresör hızı arasındaki farklar sırasıyla -%0,3, %2,6 ve %11'dir. egzoz hattı
enerji kayıpları incelendiğinde, belirtilen hızlar için hesaplanan fark %14,9, -%3,6
ve %7,9'dur. Hermetik pistonlu kompresörlerde performans parametreleri ve egzoz
hattı termodinamik kayıpları incelendiğinde, kayıpları etkileyen en önemli parametrenin
kompresör hızı olduğu görülmüş olup, kompresör hızının artmasıyla egzoz
hattı enerji kayıplarının arttığı tespit edilmiştir. Diğer tasarım parametreleri sabit
tutulduğunda, kompresör hızının 1300 rpm'den 3000 rpm'e çıkarılması durumunda
egzoz hattı termodinamik kayıplarının 8 kata kadar artabileceği görülmektedir. Bu
nedenle değişken devirli kompresörlerde performans incelemesi yaparken farklı hızların
da dikkate alınması gereklidir. Egzoz valf uzunluğu, valf kalınlığı ve tahdit
yüksekliği parametreleri kompresör hızı parametresi yanında minör etkiye sahiptir.
Diğer tasarım parametreleri sabit tutulduğunda egzoz valf yaprak uzunluğunun
değiştirilmesiyle egzoz hattı enerji kayıplarının %15'e kadar artabileceği tespit
edilmiştir. egzoz hattı enerji kayıplarını etkileyen bir diğer parametre olan egzoz valf
yaprak kalınlığının 0.127 mm'den 0.2 mm'ye çıkarılması durumunda %30 değerine
kadar artışlar görülebilmektedir. Egzoz hattı termodinamik kayıplarını etkileyen
bir diğer parametre ise tahdit yüksekliği olup, tahdit yüksekliğinin 1.25 mm'den 0.8
mm değerine azaltılması durumunda egzoz hattı enerji kayıplarının göreceli olarak
%15 oranında arttığı tespit edilmiştir.

Abstract:
Hermetic reciprocating compressors serve as the central component of the cooling
cycle in residential refrigerators. These devices are frequently run at varied
processes under ASHRAE (54.4°C/-23.3°C) and particular refrigerator operation
circumstances. This study performed a numerical analysis of the discharge line
thermodynamic losses, discharge and cylinder pressures, and discharge reed valve
displacement of hermetic reciprocating compressors. These compressors are used in
domestic refrigerators. The study made use of FSI and experimental methodologies.
There are five critical components to the thesis. In the first section, investigations
of hermetic reciprocating compressors are analyzed in the literature. Experimental
studies and numerical/modeling studies are provided as subheadings for the
research conducted on this subject. The second section discusses hermetic reciprocating
compressors and their components and efficiency factors. In the third chapter,
the performance parameters of the hermetic piston compressor, including mass flow
rate, cooling capacity, obtaining the drawn power, temperature measurements from
the points determined on the compressor, experiments required to obtain the pV
indicator diagram, calibration, and adhesion force measurement, are discussed. The
third chapter discusses the modeling parameters necessary for the FSI approach
and the method's specifics. In the fourth chapter, the results of the pV indicator
diagram with the variation of the discharge plenum pressure, cylinder pressure, and
discharge reed valve displacement according to the crank angle obtained using the
experimental and FSI method, 1300, 2100, and 3000 rpm compressor speeds, 0.127,
0.152, 0.178, and 0.2 mm discharge valve, are presented. Based on the findings, an explanation of the reed valve thickness, the lift limiter heights of 0.8, 1.05, and
1.25 mm, and the discharge reed valve lengths of 14.723, 16.222, and 17.722 mm
are provided as design inputs for parametric analysis. The results are described
using the Response Surface Method and the main effect plot of the discharge line
thermodynamic losses. In the final section, the results and recommendations of the
study are listed. In the numerical section of this thesis, instead of standard analysis
software, the CONVERGE program was employed, and the FSI approach was
used to offer a solution between the refrigerant and solid components. Variances of
12.1%, 9.4%, and 9.4%, respectively, were determined for the convergence of numerical
mass flow findings to experimental data for compressor speeds of 1300, 2100, and
3000 rpm. The changes in compression power between the three stated compressor
speeds are -0.3%, 2.6%, and 11%, respectively. Examining the discharge line losses
yields differences of 14.9%, -3.6%, and 7.9% at the specified speeds. Examining
the performance parameters and discharge line thermodynamic losses in hermetic
reciprocating compressors reveals that the compressor's speed significantly impacts
the losses. It has been determined that the losses grow as the compressor's speed
increases. If the compressor speed is increased from 1300 rpm to 3000 rpm, the
discharge line thermodynamic losses can increase by up to eight times, assuming all
other design parameters remain unchanged. For this reason, it is vital to consider
different speeds while performing performance analysis on variable-speed compressors.
In addition to the compressor speed parameter, the discharge valve length,
valve thickness, and limit height parameters have a minimal impact. It has been
discovered that discharge line losses can increase by up to 15% if the discharge reed
valve length is altered while all other design parameters remain unchanged. If the
discharge reed valve thickness, another parameter impacting discharge line losses,
is increased from 0.127 mm to 0.2 mm, up to 30% increases can be observed. Restraint
height is an additional factor that affects the discharge line thermodynamic
losses, and it has been discovered that the discharge line losses rise by 15% when
the restraint height is decreased from 1.25 mm to 0.8 mm.