Kompakt değişken kapasiteli kompresör için soğutma kapasitesi artışının sayısal ve deneysel incelenmesi
Numerical and experimental investigation of increasing cooling capacity for compact variable capacity compressor
Yazar: SEMİH GÜREL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SERTAÇ ÇADIRCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kompakt değişken kapasiteli kompresörde yüksek verimliliğin talep edilmesi, dünya çapında artan elektrik tüketiminin ve çevresel farkındalığın bir sonucu olarak soğutma uygulamalarında zorunlu bir gereklilik arz etmektedir. Buzdolabı, dünyadaki en yaygın ev aletlerinden biridir. Yıllık ortalama 450 kWh elektrik tüketimi ile konut sektöründeki toplam elektrik tüketiminin neredeyse %14'ünü oluşturur ve dünya çapında yıllık 450 milyon ton CO2 emisyonuna neden olur. Gelişmiş yalıtım, verimli kompresör ve sistem optimizasyonu gibi ileri teknolojilerin kullanımı, sırasıyla %25, %33 ve %42'lik bir enerji tasarrufu sağlamaktadır. 
Temel olarak kompresörler, soğutma sisteminin performansını ve verimliliğini belirler. Soğutma sisteminin bu temel bileşeni elektrik enerjisini tüketir ve onu buharlaştırılmış soğutucu akışkan basıncında depolanan enerjiye dönüştürür. Bu amaca ulaşmak için birçok farklı kompresör tipi olmasına rağmen, küreselleşmenin bir sonucu olarak rekabetçi ortamda hermetik pistonlu kompresör, ev tipi buzdolaplarında en yaygın kullanılan kompresör tipidir. Bir kompresörün genel verimliliği üç faktöre bağlıdır. Bunlar, elektriksel motor verimi, mekanik verim ve termodinamik verimdir. 
Modern ev tipi pistonlu kompresörlerin mevcut verimlilik düzeylerinin analizi yapılacak olursa, elektrik motorunun verimi %87-88 arasındadır. Mekanik sistemlerin verimi %92'ye kadar çıkmaktadır. Termodinamik verim ise çok daha düşüktür ve genellikle %80 ile %83 arasındadır. Kompresör verimliliğinde, en fazla kayıpların gerçekleştiği termodinamik kayıplar konusunda pek çok araştırmalar yapılmaktadır. Ribas ve ark.'na (2008) göre, termodinamik kayıpların yaklaşık %47'sinin sırasıyla emme hattından silindire ve silindirden boşaltma hattına giden akış yolu boyunca sürtünme kayıpları nedeniyle emme ve boşaltma işlemlerinden kaynaklandığı tespit edildi. Az miktarda enerji kaybı (yaklaşık %4), piston silindiri boşluğundaki sızıntılardan dolayıdır. Öte yandan, enerji kayıplarının önemli bir kısmı emme hattı boyunca ve silindirin içinde gerçekleşen soğutucu akışkanın aşırı ısınmasıyla ilişkilidir.
Soğutma sisteminde buharlaştırıcı çıkışında aşırı ısıtıldıktan sonra kompresöre gelen soğutucu akışkan sırasıyla, emme susturucusu, emme plenumu, silindir, egzoz plenumu ve egzoz susturucusundan geçerek yoğuşturucuya gönderilmektedir. Soğutucu gazı emme hattından sıkıştırma bölgesine ileten elemana Emme susturucusu denir. Bu bileşen, gaz yönlendirme, akustik sönümleme ve bazı durumlarda silindire çekilen gazın ısı yalıtımı gibi kompresörün yeterli çalışması için birçok önemli fonksiyona sahiptir. Çekilen gazın yeterli ısı yalıtımı, kompresörün hacimsel ve enerji verimliliğini arttırmak için önemlidir. Yeterli ısı yalıtımı sağlamak için, mevcut susturucular, genellikle, düşük termal iletkenliğe sahip bir malzemeden üretilir. Örneğin, iyi ısı yalıtım özelliğine sahip reçineler, plastik gibi. Çalışmada yer alan susturucu malzemesi, mühendislik uygulamaları için enjeksiyon kalıplamada kullanılan Polibütilen Tereftalat malzemesidir. 
Soğutucu akışkanın emme hattında kompresöre girişi ile silindire girmesi arasında geçen süre zarfında kompresörün içindeki çeşitli sıcak kaynaklardan kendisine iletilen ısı nedeniyle gaz sıcaklığı artmaktadır. Gazın sıcaklık artışı, spesifik hacminde bir artışa neden olur ve dolayısıyla kompresör tarafından pompalanan soğutucu akışkan maddenin kütlesel debisini düşürür. Kompresörün soğutma kapasitesi, kütle akışı ile doğru orantılı olduğu için, sözü geçen akışın azaltılması verimlilik kaybına neden olur. 
Bir emme susturucusu tasarımında kontrol faktörleri sınır koşuluna göre "akış hızı" ve "basınç düşüşü" olmak üzere iki değişkendir [6]. Bu çalışmada mekanik ve termodinamik kayıpların azaltılması için mevcut susturucu modeline alternatif olarak prototip susturucu modeli geliştirildi. Susturucu parçalarından biri olan akış yönlendirme kanalında tasarım değişikliği yapıldı. Ardından her iki susturucu modeli için susturucu girişi ile çıkışı arasında soğutucu akışkanda meydana gelen basınç düşüşleri sayısal yöntemle incelendi. 
Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri, özel bir simülasyon programında yapıldı. Öncelikle, geometrilerin akış hacimleri oluşturuldu. Akış hacmi oluşturulurken, geometrideki dar açılarla birleşen sivri köşeler ve akışı etkilemeyecek çarpık yüzeyler HAD analizine uygun hale getirildi. Ardından, çözüm ağı oluşturularak, fiziksel bileşen belirli sayıdaki küçük elemanlara bölündü. Buradaki amaç, sayısal yöntemde kullanılan kütle, momentum ve enerji korunumu diferansiyel denklerimiyle yapılan çözümün analizi kolaylaştırarak yakınsama kriterini sağlayacak çözüm ağının oluşturulmasıdır. Daha sonra akışa uygun model ve sınır şartları oluşturularak analizler yapıldı. Sayısal incelemenin farklı açıdan doğrulanması için deneysel yönteme başvuruldu. Üretimi yapılan mevcut emme susturucusu ve prototip emme susturucusu modelleri için kompresör kalorimetre testleri yapılarak geliştirilen yeni emme susturucusunun kütlesel debi ve kapasiteye etkisi incelendi. Deneyler ASHRAE koşulları olan -23,3 °C (Evaporasyon sıcaklığı) ve 54,4 °C (Kondenzasyon sıcaklığı) şartlarında yapılmıştır. Kompresör, 1300, 3000 ve 4500 devir/dakika değerlerinde test edilmiştir.
Çalışmanın ikinci kısmında ise emme susturucusu çıkışında emme plenumu bölgesindeki soğutucu akışkana olan ısı geçişinde iyileştirme sağlanması için silindir kafası ile valf tablası arasına yerleştirilen özel yalıtımlı valf tablası tasarımı oluşturuldu. Soğutkan, piston ile sıkıştırılıp yüksek basınca geldiğinde egzoz plenumuna yönelir ve kompresör muhafaza içi ile egzoz plenumu arasındaki basınç farkı artar. Bu durumda soğutkan, silindir kafası ve valf tablası çeperlerinden dış ortama geçmeye çalışır. Soğutkanın muhafaza içine geçişi sonucu basınç kayıpları oluşur ve egzoz susturucusuna giden soğutkanın basıncı düşer. Bu durumda soğutma çevriminde belirli çalışma koşullarında istenen basınç ve sıcaklık değerleri elde edilmemiş olup kompresör verimi düşmektedir. Bu durumu engellemek amacıyla silindir kafası ile valf tablası arasına yerleştirilen yalıtımlı valf tablası ile bu bölgelerde oluşacak basınç kayıplarının engellenmesi ve emme prosesi sırasında silindir hacmine alınan göreceli olarak daha düşük sıcaklığa sahip soğutkana olan ısı transferinin azaltılması hedeflenmiştir. Ayrıca soğutkan kaçağının minimize edilmesi ile silindir kafası ve yalıtkan valf tablası arasında kullanılan sızdırmazlık sağlayan conta elemanının çıkarılması sonucu bu durumun maliyet avantajı yaratması söz konusudur.
Literatürde yapılan araştırmalara göre, kompresörde silindir kafası, emme ve egzoz plenumu ile valf tablası bölgelerinde benzer uygulamalara rastlanmıştır. WO2007068072 patent başvurusunda, egzoz plenumu tek bir kapalı hacme alınarak valf tablası ile ısı transferinin azaltılması amaçlanmıştır. Burada valf tablası egzoz portu çevresi ve civata deliklerinde boşluk bırakma çıkıntıları oluşturulmuştur. Egzoz plenumu silindir kafası içinde kapalı bir hacimde odacık şeklindedir. Egzoz plenumu açıklığı bırakılarak egzoz portundan geçen akışkanın egzoz plenumuna dolması sağlanmıştır. Valf tablası üzerinde oluşturulan çıkıntılar sayesinde valf tablasının sıcak bölgeyle teması minimuma indirilmiştir. Ayrıca, diğer bir tasarım fikri olarak valf tablasında egzoz portu çevresinde oluşturulan boşluğa önce conta sonra boşluk bırakma aparatı geçmektedir. Silindir kılıfı olarak verilen parça boşluk aparatına takılmakta ve kapalı bir hacim olarak egzoz plenumunu oluşturmaktadır. Sonrasında dış kılıf olarak verilen silindir kafası bu montaja geçirilmektedir.
WO2012166051 patent başvurusunda ise, valf tablası ile gövde–silindir tarafındaki ısı transferini azaltmaya yönelik bir buluş sunulmuştur. Buluşta biri düşük ısıl iletkenliğe sahip malzemeden, diğeri metalden iki adet valf tablası plakası kullanılmıştır. Termal yalıtkan plaka ve metal plaka presleme, enjeksiyon döküm, indiksiyon ısıtma, ultrasonik kaynak veya yapıştırma yöntemlerinden birisiyle birleştirilmektedir. Termal yalıtkan plaka sayesinde egzoz plenumundan metal valf tablası ve gövdeye olan ısı transferi azaltılmaktadır. Aynı buluş içerisinde sandviç plaka uygulamasına yer verilmiştir. Burada metal valf tablası plakası iki adet termal yalıtkan plaka arasına alınmaktadır.
WO2010133503 patent başvurusunda, plastik silindir kafası kullanılarak emme ve egzoz plenumları arasındaki ısı geçişinin azaltılması hedeflenmiştir. Plastik silindir kafasının dayanımı metale göre düşük olacağından silindir kafası duvarlarına metal destek iskeleti geçirilmiştir. Metal desteğin burç kısımlarından cıvatalar geçirilerek silindir kafası gövdeye torklanmaktadır. Sonuç olarak hem plastik silindir kafasının mukavemeti arttırılmış hem de ısıl iletkenliği düşük olan plastik malzeme sayesinde emme plenumundaki akışkanın daha az ısındığı düşünülmüştür.
Yalıtımlı valf tablası tasarımının katı modeli, kompresör içinde yerleştirileceği bölgede belirlenen ölçülere göre çizim programında oluşturulduktan sonra düşük ısı iletim katsayısına sahip belirlenen bir malzeme ile parçanın üretimi gerçekleştirildi. Daha sonra parçanın kompresör içindeki montajı yapılarak deney düzeneğine uygun hale getirilmiştir. Kompresör kalorimetre test odasında yapılan deneylerde mevcut model ile özel yalıtımlı valf tablasının kullanıldığı model kullanılarak 2 ayrı test düzeneği hazırlanmıştır.
Deneyler ASHRAE koşulları olan -23,3 °C (Evaporasyon sıcaklığı) ve 54,4 °C (Kondenzasyon sıcaklığı) şartlarında yapılmıştır. Kompresör, 1300, 2100, 3000 ve 4500 devir/dakika çalışma koşullarında test edilmiştir. Oluşturulan yeni tasarımın kapasiteye ve SEK (Soğutma Etkinlik Katasayısı)'e etkisi incelendi. Bu kapsamda kompresör hacimsel veriminin ve genel performansının arttırılması amaçlanmıştır.
İleriye yönelik çalışmalarda, emme susturucusunun akış ve akustik performansı açısından akış yönlendirme kanalı ve susturucu odacıkları tasarımlarında bir takım değişiklikler yapılarak iyileştirme oranı arttırılabilir. Öte yandan, yalıtımlı valf tablasının kompresörün soğutma kapasitesine olan olumlu etkisini arttırmak için mühendislik uygulamalarında kullanılan düşük ısı iletim katsayısına sahip farklı malzeme denemeleri ile deneme üretimleri yapılarak deneysel inceleme yapılabilir. Ayrıca, tasarımın katı modelinde yapılacak bir takım değişiklikler ile emme plenumu çıkışında pistona giren soğutucu akışkanda termal korumanın arttırılabileceği yeni tasarımlara yer verilebilir.

Abstract:
Demand for high efficiency in a compact variable displacement compressor is a necessary requirement for cooling applications as a result of increased worldwide electricity consumption and environmental awareness. The refrigerator is one of the most common household appliances in the world. With an annual average of 450 kWh of electricity consumption, it accounts for almost 14% of the total electricity consumption in the residential sector and causes an annual CO2 emissions of 450 million tons. The use of advanced technologies such as advanced insulation, efficient compressor and system optimization provides energy savings of 25%, 33% and 42%, respectively.
Basically, compressors determine the performance and efficiency of the cooling system. This basic component of the refrigeration system consumes electrical energy and converts it to the energy stored in the evaporated refrigerant fluid. Despite the fact that there are many different types of compressors to achieve this goal, the hermetic reciprocating compressor in the competitive environment as a result of globalization is the most widely used type of compressor in domestic refrigerators. The overall efficiency of a compressor depends on three factors. These are electrical motor, mechanical and thermodynamic efficiencies.
Current efficiency levels of reciprocating compressors which are used in household refrigerator describes the efficiency of the electric motor is 87-88%, the efficiency of mechanical systems is up to 92% and thermodynamic efficiency is much lower and is generally between 80% and 83%. Numerous researches have been made on the thermodynamic losses of most losses in compressor efficiency. According to Ribas et al. (2008), it has been found that about 47% of the thermodynamic losses are due to suction and discharge operations due to friction losses along the flow path from the suction line to the cylinder and the cylinder discharge line, respectively. A small amount of energy loss (about 4%) is due to leaks in the piston cylinder cavity. On the other hand, a significant part of the energy losses are related to the overheating of the refrigerant flowing along the suction line and within the cylinder.
After overheating at the evaporator outlet in the cooling system, the refrigerant from the compressor is sent to the condenser through the suction muffler, suction plenum, cylinder, exhaust plenum and exhaust muffler, respectively. The element that transmits the refrigerant from the suction line to the compression zone is called the suction muffler. This component has many important functions for the compressor to work satisfactorily, such as guidance to the refrigerant, acoutic damping and, in some cases, thermal insulation of the gas drawn by the cylinder. Preventing of heating up of the refrigerant is important to increase the volumetric and energy efficiency of the compressor. To ensure adequate thermal isolation, existing mufflers are usually manufactured from a material with low thermal conductivity. The material of suction muffler in this study is polybutylene terephthalate material used in injection molding for engineering applications.
Refrigerant temperature increases in suction line between the suction muffler inlet and outlet due to the heat transmitted to the compressor from various heat sources within the compressor. The temperature increase of the gas causes an increase in the specific volume of refrigerant, and therefore the mass of refrigerant pumped by the compressor is reduced. Since the cooling capacity of the compressor is directly proportional to the mass flow, the reduction of the mass flux results in loss of capacity.
Control factors in the design of a suction muffler are two variables, "flow rate" and "pressure drop", depending on the boundary condition [6]. In this study, a prototype muffler model was developed as an alternative to the existing muffler model for reducing mechanical and thermodynamic losses. A design change was made in the flow routing channel, one of the muffler parts. Then the pressure drop between the muffler inlet and outlet for both muffler models was analyzed numerically.
Computational fluid dynamics (CFD) analyzes were performed in a commercial code. First, the flow volumes of the geometries were created. When the flow volume was being created, the sharp edges joining the narrow sides of the geometry and the skewed surfaces that would not affect the flow were matched to the CFD analysis. Then, by creating a solution network, the physical component is divided into a small number of small elements. The purpose of this is to create a solution network that will provide the convergence criterion by facilitating the analysis of the solution by using the differential equations of mass, momentum and energy conservation used in the numerical method. Then, boundary conditions were created and model was analyzed. Experimental method was used to validate the numerical examination from different aspects. The effect of the new suction muffler on the mass flow rate and capacity was investigated by performing compressor calorimetry tests for the existing suction muffler and prototype muffler models produced. The tests were carried out under ASHRAE conditions of -23.3 °C (Evaporation temperature) and 54.4 °C (Condensation temperature). The compressor was tested at 1300, 3000 and 4500 rpm.
In the second part of the work, a special insulated valve plate design was placed between the cylinder head and the valve plate to prevent the heat transfer to the refrigerant flow in the suction plenum zone at the exit of the suction muffler. When the coolant is compressed by the piston and reaches high pressure, it is directed to the exhaust plenum and the pressure difference between the inside of the compressor housing and the exhaust plenum increases. In this case, the coolant tries to pass through the cylinder head and valve plate walls through the outer chamber. The resultant pressure loss of the refrigerant into the enclosure occurs and the refrigerant pressure to the exhaust muffler falls. In this case, the desired pressure and temperature values are not obtained in the refrigeration cycle under certain operating conditions and the compressor capacity is reduced. In order to prevent this situation, it is aimed to prevent the pressure losses in these regions by the insulated valve plate placed between the cylinder head and the valve plate and to reduce the heat transfer to the refrigerant with the relatively lower temperature taken into the cylinder volume during the suction process. It is also contemplated that the minimization of the gas leakage and the removal of the sealing element used between the cylinder head and the insulating valve table results in a cost advantage. Within this scope, it is aimed to increase the compressor volumetric efficiency and overall performance.
According to the researches carried out in the literature, similar applications are found in the compressor cylinder head, suction and exhaust plenum and valve plate areas. In patent application WO2007068072, the exhaust plenum is intended to reduce heat transfer by valve plate by taking a single closed volume. Here, the valve table is formed with venting protrusions in the exhaust port periphery and bolt holes. The exhaust plenum is in the form of a chamber in a closed volume within the cylinder head. Exhaust plenum is left open to allow the fluid passing through the exhaust port to fill the exhaust plenum. Thanks to the protrusions formed on the valve plate, the hot zone of the valve plate has been reduced to a minimum. Also, as another design idea, the gap created before the exhaust port around the valve plate in the valve plate passes through the space after the gasket. The part provided as a cylinder sheath is attached to the cavity apparatus and forms an exhaust plenum as a closed volume. The cylinder head which is given as an outer jacket is passed to this assembly.
In the patent application WO2012166051, an invention is presented for reducing the heat transfer on the valve plate and on the body-cylinder side. One of them had a plate with low thermal conductivity and two plates of valve plate. Thermal insulator plate and metal plate are combined by pressing, injection molding, induction heating, ultrasonic welding or gluing methods. The thermal insulation plate reduces heat transfer to the metal valve plate and the body from the exhaust plenum. In the same invention sandwich plate application is included. Here, the plate of metal valve plate is placed between two thermal insulated plates.
In patent application WO2010133503, it is aimed to reduce the heat transfer between intake and exhaust plenums using a plastic cylinder head. Since the strength of the plastic cylinder head will be lower than metal, the metal support frame is passed through the cylinder head walls. The cylinder head is torqued into the body by passing bolts through the bushing portions of the metal support. As a result, both the plastic cylinder head's strength is increased and the plastic material with low thermal conductivity is considered to have less heat in the intake plenum fluid.
The solid model of the insulated valve plate design was produced in the drawing program according to the determined measurements in the area to be placed in the compressor, and then the part was produced with a material determined with a low heat transfer coefficient. Then the part is assembled in the compressor and adjusted to the test setup. In the experiments performed in the compressor calorimeter test chamber, two different test equipments were prepared by using the model which is used with the existing model and the specially insulated valve table.
The performance measurements were carried out under ASHRAE conditions of -23.3 °C (Evaporation temperature) and 54.4 °C (Condensing temperature). The compressor was tested at 1300, 2100, 3000 and 4500 rpm operating conditions. The effect of the newly created design on capacity and SEK (Coefficient of performance) was studied. 
For future work, the mass flow rate and acoustic performance of the suction muffler can be improved with some modifications in the design of the flow-guided channel and silencer chambers. On the other hand, in order to increase the positive effect of the insulated valve plate on the cooling capacity of the compressor, experimental studies can be carried out by trial production with different materials with low heat transfer coefficient used in engineering applications. In addition, a number of modifications to the solid model of the design can be included, as well as new designs in which the thermal protection in the refrigerant entering the cylinder at the suction plenum exit can be increased.