Değişken kapasiteli kompresörde egzoz portu ve valf yaprağının termodinamik verim ve ses gücü düzeyine etkilerinin sayısal ve deneysel incelenmesi
Numerical and experimental investigation of the effects of exhaust port and valve leaf on thermodynamic efficiency and sound power in a variable capacity compressor
Yazar: AHMET YASİN KARABAY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SERTAÇ ÇADIRCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada, değişken kapasiteli hermetik pistonlu kompresörün termodinamik veriminin ve ses gücü düzeyinin iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç çerçevesinde egzoz portu ve egzoz valf yaprağı üzerindeki akış, sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Çalışmalar kapsamında silindir ölü hacminin azaltılmasına ve bu sayede termodinamik verimin iyileştirilmesi amacıyla mevcut ve yeni tasarımlar üzerinde çalışılmıştır.  Mevcut tasarımda bulunan egzoz portu içerisindeki ölü hacmi azaltmak için kullanılan piston piminin farklı piston konumlarında akışa etkileri incelenmiş ve piston pimi yerine yeni bir tasarım önerilmiştir. Piston piminin akış alanını azaltarak akış üzerinde yarattığı negatif etkilerin gösterilmesi ve yeni tasarımla birlikte piston piminin kullanılmaması amaçlanmıştır. 
Kullanılan geometriyi HAD (hesaplamalı akışkanlar dinamiği) analizlerine uygun hale getirmek için gerekli temizlemeler ve basitleştirmeler yapılmıştır. Daha sonra HAD analizlerine uygun sayısal çözüm ağları oluşturulmuştur. Çözüm ağı sayısının yeterli olduğunun anlaşılması için, çözüm ağından bağımsızlık analizleri gerçekleştirilmiştir. Farklı sayılarda çözüm ağları için sonuçlar karşılaştırılmış ve sonuçlardaki değişimin yeterince az olduğu bir noktadaki çözüm ağının kullanımına karar verilmiştir. Sayısal çözüm için bu çözüm ağı kullanılarak sürekli halde HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen zamandan bağımsız analizler için kompresör yaprak açıklığı, piston yüksekliği ve piston pimi birer parametre olarak alınmıştır. Yaprak açıklığı ve piston yüksekliği için farklı 3'er değer sabit kabul edilerek, piston pimli ve piston pimsiz durumlarda parametrik olarak toplam 18 analiz yapılmıştır. Yapılan analizler sonucunda piston pimi kullanımının farklı parametreler altındaki etkileri gösterilmiştir.
Kompresör performansının anlaşılması için önemli bir test sistemi olan indikatör diyagramı deneyleri gerçekleştirilmiştir. Gerçek kompresör modeli üzerine yerleştirilen basınç algılayıcıları ve optik kodlayıcı sayesinde silindir içerisindeki hacim-basınç diyagramları elde edilmiştir. Deney sonuçlarından elde edilen basınç değerleri, valf açılma zamanı  ve valf kapanma zamanı gibi bilgiler sayısal analizlerde sınır şartları olarak kullanılmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar Arçelik AŞ'ye ait 1B (1 boyutlu) nümerik hesaplama yapan bir modelleme programında yapılan güncelleme çalışmaları sonrasında alınan sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. 
Şirket içerisinde kullanılan 1B kompresör modelleme programına HAD analizleri sonuçları doğrultusunda girdi olarak verilen bazı değerlerin, krank açısına göre değişimi göz ardı edilmektedir. Kullanılan modelleme programında krank açısı bir noktada sabit tutularak, farklı valf yaprağı açıklıklarına göre HAD analizleri sonuçları kullanılarak yaprak açıklığına bağlı farklı akış katsayıları hesaplanmaktadır. Hesaplanan bu katsayı 1B kompresör modelleme programında kullanılmaktadır. Ancak bu durumda kompresör modelleme programının hesapladığı datalar özellikle egzoz hattındaki deneysel pV verileri ile karşılaştırıldığında aralarında kabul edilemeyecek seviyede farklar görülmektedir. Bu durumun iyileştirilmesi amacıyla, akış katsayıları hesaplanırken HAD analizlerinde sabit kabul edilen krank açısı bir parametre olarak tanımlanmış ve farklı krank açıları için analizler gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen analizler sonucunda akış katsayısının krank açısına da bağlı olduğu gösterilmiştir. Krank açısı ve valf yaprağı açıklığına bağlı olarak akış katsayısının değişimi hesaplanmıştır. Hesaplanan yeni akış katsayıları krank açısına bağlı şekilde 1B simülasyon programında kullanıldığında egzoz hattı pV sonuçlarında ciddi oranda iyileşmeler görülmüştür. 
Yapılan sayısal çalışmalar mevcut tasarımda ölü hacmi azaltmak için kullanılan piston piminin valf portunda akışı zorlaştırarak debiyi düşürdüğünü göstermiştir. Bu durumu anlayabilmek adına aynı geometri üzerinde pimli ve pimsiz modeller için HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda özellikle pistonun üst ölü noktaya yaklaştığı durumlarda piston piminin akışı ciddi bir şekilde zorlaştırdığı ve debiyi düşürdüğü gösterilmiştir. Akış alanının daralarak debiyi düşürmesi sonucunda, kapasitenin ve SEK'in (soğutma etkinlik katsayısı) azalacağı gösterilmiştir. Bu durumun deneysel olarak da gösterilmesi için piston pimli ve piston pimsiz modeller için ayrı ayrı kalorimetre deneyleri yapılmıştır. 
Kompresör performans değerlerinin gösterilmesi amacıyla kalorimetre deneyleri gerçekleştirilmiştir. Piston pimli orijinal haldeki kompresör ve piston pimi kaldırılmış kompresör arasında karşılaştırma yapılmıştır. Deneyler gerçekleştirilirken kaldırılan piston pimi ölü hacimde bir miktar artmaya sebep olmuştur. Bu durumun performans üzerindeki etkileri olacağı bilinerek deneyler gerçekleştirilmiştir. Deneyler sonucunda özellikle yüksek kompresör devirlerinde performans değerlerinde artış görülmüştür. Düşük devirlerde ise performans değerlerinde düşüş görülmüştür. Bu durumun sebebi olarak yüksek devirlerde akışa bağlı kayıpların ölü hacim etkilerine göre daha baskın olduğu ve performansın iyileştiği düşünülmüştür. Düşük devirlerde ise akışa bağlı etkiler ölü hacim etkileri yanında daha az baskın gelerek performasta düşüşe sebep olmuştur.
Piston pimi kullanımının etkileri sayısal ve deneysel olarak görüldükten sonra, negatif etkilerini gidermek amacıyla yeni bir tasarım üzerine çalışmalar yapılmıştır. Yapılan bu tasarımda piston pimi kullanılmamasına rağmen, piston ölü hacmi aynı kalmak koşulu ile yeni bir valf tablası tasarlanmıştır. Yeni tasarımda valf tablası üzerinde egzoz portu çevresinde lokal bir inceltme işlemi yapılarak ölü hacim piston pimli durum ile aynı seviyelere getirilmiştir. Tasarlanan yeni valf tablası üretilerek kalorimetre deneyleri gelecek çalışmalar kapsamında yapılacaktır.

Abstract:
In this study, it is aimed to improve the thermodynamic efficiency and sound power level of the hermetic piston compressor with variable capacity. For this purpose, the flow on the exhaust port and the exhaust valve leaf has been examined numerically and experimentally. Within the scope of the study, current and new designs have been studied in order to reduce the piston dead volume and thus to improve the thermodynamic efficiency. The effects of the piston pin on the flow at different piston positions were investigated and a new design was proposed instead of a model with pin. It is aimed to show the negative effects of the pin on the flow by reducing the flow area and eliminating the piston pin with the new design.
The necessary cleaning and simplifications were made to make the geometry suitable for the CFD analysis. Then, proper numerical solution networks for CFD analysis have been formed. Independence analyzes were conducted for the solution network in order to understand that the number of solution networks is sufficient. The results were compared for different numbers of solution networks and it was decided to use the solution network at a point where the change in the results was sufficiently small. After that, HAD analysis was carried out for steady state using this solution network.
Indicator diagram tests, which are important to understand compressor performance, have been carried out. By using pressure transducers and optical encoders placed on the actual compressor model, volume-pressure diagrams in the cylinder are obtained. The experimental results were compared with the results of a 1D (1 dimensional) numerical computation modeling program of Arçelik AŞ.
Numerical studies very close to the real situation are carried out by using flow structure interaction (FSI) method. However, because of the complexity and cost of this method, it would be very difficult to test every design on the compressor in this way. Therefore, 1D methods for compressor modeling are also widely used. These methods can be preferred because they are simple and they can be applied quickly in new designs. In this thesis, development of 1D modeling software of Arçelik A.Ş. is studied. 1D compressor modeling program in company ignores the dependency of inputs which are obtained from HAD analysis with respect to crank angle. In the modeling program, the crank angle is kept constant at one point and different flow coefficients are calculated by using HAD analysis according to different valve leaf span(orientation). This calculated coefficient is used in the 1D compressor modeling program. However, in this case, the data computed by the compressor modeling program are unacceptably different compared to the experimental data for the exhaust line. In order to fix this situation, while calculating the flow coefficients, the crank angle was defined as a parameter and analyzes were performed for different crank angles. As a result of the analyzes performed, it has been shown that the flow coefficient is also dependent on the crank angle. The change of the flow coefficient was calculated depending on the crank angle and valve leaf span. When the calculated new flow coefficients were used in the 1D compressor modeling program, significant improvements were observed in the exhaust line P-V data.
Various methods are available for reducing piston dead volume in current applications. The enhanced tolerance values due to the development in material processing technologies support the reduction of the gaps remaining on the piston surface and the reduction of dead volume. In reciprocating compressors used in household refrigerators, a large part of the dead volume is in the exhaust port which is the hole where the entrapped gas is discharged. One of the methods used to reduce dead volume in the exhaust port is the piston pin which reduces the dead volume within the exhaust port as the piston approaches the upper dead point. Studies have shown that the piston pin, which is used to reduce dead volume in the current design, reduces the flow rate by making the flow in the valve port difficult. In order to understand this situation, HAD analyzes were carried out separately for models with pin and models without pin on the same geometry. As a result of the analyzes, it has been shown that the piston pin severely complicates the flow and reduces the flow rate, especially when the piston is approaching the upper dead point. It is known that the capacity and COP (cooling efficiency coefficient) will decrease as the flow rate decreases as a result of decreasing flow area. In order to show this situation experimentally, separate calorimetry tests were made for models with pin and models without pin.
Calorimeter tests were performed to show compressor performance values. A comparison was made between the original compressor with the piston pin and the compressor without piston pin. Removal of piston pin during experiments caused some increase in dead volume. Experiments were carried out knowing that this would have effects on performance. As a result of the tests, especially in high compressor speeds, performance values increased. At low speeds, the performance values decreased. As a result of this, it is considered that flow-related losses in higher speeds are more dominant than dead volume effects and performance is improved. At low speeds, flow-related effects were less dominant compared to dead-volume effects, and performance is declined.
A new design has been carried out in order to eliminate the negative effects of the piston pin usage. Although the piston pin is not used in this design, a new valve table is designed with the condition that the piston dead volume remains the same. In the new design, a local thinning operation was carried out around the exhaust port on the valve table and the dead volume was brought to the same level as the model with piston pin. Calorimeter tests have been carried out after producing new designed valve table. After the experiments, changes in the performance and capacity values of the new valve table design were investigated.