Previsão numérica da velocidade de impacto de válvulas do tipo palheta

Abstract

Válvulas do tipo palheta são comumente utilizadas em compressores alternativos devido ao seu baixo custo, simplicidade geométrica e facilidade de montagem. A abertura e o fechamento dessas válvulas ocorrem de forma automática devido à diferença de pressão entre a câmara de compressão e as câmaras de sucção e descarga. A operação adequada das válvulas é fundamental para a eficiência do compressor e falha pode ocorrer por fadiga devido aos repetitivos impactos contra o assento. Esse modo de falha não é facilmente controlado e a velocidade de impacto é usada como parâmetro indireto para verificar a confiabilidade da válvula. O presente trabalho considera o desenvolvimento de um modelo de baixo custo computacional para prever a velocidade de impacto de válvulas do tipo palheta a partir da solução de sua dinâmica usando um sistema massa-mola-amortecedor com um grau de liberdade. Duas alternativas foram analisadas para avaliar a força exercida pelo fluido sobre a válvula, uma delas baseada no conceito de área efetiva de força e a outra no coeficiente de arrasto do escoamento. Além disso, avaliou-se também o efeito do coeficiente de amortecimento sobre a dinâmica da válvula. Um modelo de formulação integral foi utilizado para simular o ciclo de compressão em conjunto com a dinâmica das válvulas de sucção e descarga. Diagramas p-V, dinâmica e velocidades de impacto das válvulas foram previstos para dois compressores alternativos em várias condições de operação e comparados com dados experimentais. Observou-se que os resultados de velocidade de impacto obtidas com o conceito de área efetiva de força apresentam desvios significativos em relação aos dados experimentais. Por outro lado, o emprego do coeficiente de arrasto para calcular a força sobre a válvula forneceu resultados que acompanharam de forma mais adequada as tendências dos dados experimentais, embora com desvios médios similares àqueles dos resultados do modelo de área efetiva. Concluiu-se que o coeficiente de arrasto é a melhor alternativa para a avaliação da força do fluido sobre a válvula e a velocidade de impacto da palheta em todo o envelope de operação do compressor.

Abstract: Reed valves are commonly used in reciprocating compressors due to their low cost, geometric simplicity and ease assembly. The opening and closing of these valves occur automatically due to the pressure difference between the compression chamber and the suction and discharge chambers. The dynamics of reed valve is critical to compressor efficiency and failure may occur due to fatigue associated with repetitive impacts against the seat. This failure mode is not easily manageable, and the reed impact velocity is used as an indirect parameter to verify valve reliability. The present work considers the development of a low-cost computational model to predict the impact velocity of reed valves by solving its dynamics with a single degree-offreedom mass-spring-damper model. Two alternatives were analyzed to evaluate the flowinduced force on the valve, one based on the concept of effective force area and the other on the flow drag coefficient. In addition, the effect of the damping coefficient on the valve dynamics was also assessed. An integral formulation model was used to simulate the compression cycle in conjunction with the dynamics of the suction and discharge valves. Results of p-V diagrams, valve dynamics and impact velocities were predicted for two reciprocating compressors under many operating conditions and compared with experimental data. It was observed that the impact velocity results predicted with the concept of effective force area present significant deviations in comparison with the experimental data. On the other hand, the use of drag coefficient to calculate the force acting on the valve provided results that followed more adequately the trends observed in the experimental data, although with mean deviations similar to those found with the effective force area model. Overall, the drag coefficient was found to be the best alternative to evaluate the flow-induced force on the valve and the valve impact velocity throughout the entire compressor operating envelope.