Doğrusal kompresörlerin modellenmesi ve analizi
Modeling and analysis of linear compressors
Yazar: MUSTAFA MELİH DOĞAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA SERHAN KÜÇÜKA ; DR. ÖĞR. ÜYESİ BARIŞ OĞUZ GÜRSES
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Ana Bilim Dalı / Mekatronik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Doğrusal kompresörlerin, mekanik bir yay yardımıyla doğal frekanslarına yakın bir durumda çalıştırılması istenir. Bu şekilde, düzgün salınım elde edilirken gereken akım değerleri minimumda tutulur. Diğer yandan, sıkıştırılmış gazın piston üzerine uyguladığı kuvvet, kompresörün basınç oranına ve gaz debisine bağlı olarak doğrusal olmayan bir şekilde değişir. Bu durum salınımın doğal frekansını etkiler. Bu çalışmada, doğrusal kompresörün yapısının ve farklı çalışma koşullarının kompresörün özellikleri ve verimliliği üzerindeki etkilerinin incelenmesi amaçlanmaktadır. Bu amaçla, doğrusal kompresör, topaklanmış parametre yaklaşımı ile modellenmiştir. Kompresörün yapısal elektriksel özellikleri, sargı direnci, endüktans ve motor emk sabiti örnek bir kompresörden alınarak sabit tutulmuştur. Simülasyon çalışmalarında, motorun elektriksel davranışı ve pistonun dinamik davranışı, sistem farklı frekanslarda ve genliklerde gerilim ile beslendiğinde farklı basınç oranları ve kompresör kapasiteleri için incelenmiştir. Her çalışma koşulu için motorun elektriksel verimliliği hesaplanmış ve manyetik kuvvetin, akımın ve gerilimin değişimi belirlenmiştir. Sonuçlar, çalışma frekansının maksimum gerilim ve akım değerlerini güçlü bir şekilde etkilediğini ve uygun frekansın basınç ve kapasite ile değiştiğini göstermektedir. Çalışma, çalışma frekansının değiştirilmesi ile düşük basınç oranları ve kısmi yükler altında, verimliliğin %10'a kadar artırılabileceğini ortaya koymaktadır.

Tez kapsamında yapılan diğer çalışmada ise çevresel bir silindir yapısı oluşturularak gazın piston hareketine karşı sıkıştırılması ile oluşan gaz yayı modellenmiştir. Bu şekilde tesis edilen ikili silindir yapısında mekanik yaylar kullanılmamaktadır. Geliştirilen tasarım ile mekanik yayın sebep olduğu kısıtlardan kurtularak buzdolabı haricinde daha yüksek hacimli uygulamalarda veya hava kompresörlerinde kullanım amaçlanmaktadır. İkili silindir yapısı, farklı besleme gerilimleri ile çalıştırılıp verimin yüksek olduğu optimum bir çalışma durumu saptanmıştır.

Abstract:
It is desirable to operate linear compressors close to their natural frequency with the help of a mechanical spring. By this way, the required current values are kept to a minimum while obtaining a smooth oscillation. On the other hand, the force applied by the compressed gas on the piston varies non-linearly depending on the compressor's compression ratio and gas flow rate. This affects the natural frequency of the oscillation. In this study, it is aimed to examine the structure of the linear compressor and the effects of different operation conditions on the characteristics and efficiency of the compressor. For this purpose, the linear compressor is modeled with the lumped parameter approach. Structural electrical properties of the compressor such as winding resistance, inductance and motor emf constant were taken from a sample compressor and kept at constant value. In the simulation studies, the electrical behavior of the motor and the dynamic behavior of the piston were examined by feeding the system with voltage at different frequencies and amplitudes for different pressure ratios and compressor capacities. For each operating condition, the electrical efficiency of the motor was calculated and the variation of magnetic force, current and voltage were determined. The results show that the operating frequency strongly affects the maximum voltage and current values and the appropriate frequency changes with the pressure and capacity. The study reveals that adjusting the operating frequency can enhance efficiency by up to 10% under low pressure rates and partial loads.

In another study conducted within the scope of the thesis, a new proposal is presented to the literature on linear compressors. In the dual-cylinder structure of the linear compressor, mechanical springs with high rigidity are not used. The deceleration and direction change of the piston are accomplished by the gas compressed by the piston inside the outer cylinder, creating a spring effect. By eliminating the design constraints caused by mechanical springs, the intention is to use this approach in applications with higher volumes, such as air compressors, beyond refrigerators. The dual-cylinder structure was operated with different supply voltages and an optimum operating condition with high efficiency was determined.