Análise numérico-experimental do retorno de líquido em mufflers de sucção de compressores alternativos de refrigeração

Abstract

Compressores alternativos são amplamente empregados em sistemas de refrigeração doméstica e comercial. Embora esses compressores sejam desenvolvidos para comprimir fluidos refrigerantes no estado vapor, fluido refrigerante líquido e óleo lubrificante que circulam no sistema podem alcançar a câmara de compressão, causando um aumento excessivo da pressão. Esse fenômeno, comumente chamado de retorno de líquido, é extremamente prejudicial para compressores, pois pode causar danos às válvulas e outros componentes, reduzindo a confiabilidade e vida útil do equipamento. Na sucção de compressores alternativos é instalado um filtro acústico (ou muffler) a fim de atenuar o ruído gerado pela pulsação de pressão no escoamento, induzida pelo movimento recíproco do pistão. Devido à complexidade do escoamento no muffler, não se tem completo conhecimento do efeito desse componente na passagem de líquido para a câmara de compressão durante um evento de retorno de líquido. Este trabalho consiste em uma investigação numérico-experimental do escoamento gás-líquido em mufflers de sucção de compressores alternativos, a fim de obter um melhor entendimento sobre as particularidades do escoamento bifásico nesse componente. Para esse fim, desenvolveu-se um estudo com diferentes estratégias de modelagem computacional. Além disso, uma geometria tridimensional simplificada do muffler foi desenvolvida e manufaturada para uso em uma bancada experimental construída para validação do modelo numérico. A bancada permite a injeção de um pulso de óleo lubrificante na entrada do muffler e a posterior coleta do volume que atinge a seção de saída, sob condições controladas de pressão e temperatura de operação do compressor. O fenômeno de retorno de líquido foi registrado com o emprego de visores posicionados na seção de testes e uma câmera de alta velocidade, possibilitando uma análise qualitativa e quantitativa do fenômeno. Observou-se que o volume de líquido que alcança a saída do muffler aumenta com a pressão de injeção na entrada do compressor. Verificou-se que o modelo numérico proposto prevê o volume de óleo na saída do muffler com boa concordância com os dados experimentais para as maiores pressões de injeção, mas superestima esse volume quando a pressão de injeção é baixa. Uma análise qualitativa do escoamento gás-óleo no interior do muffler foi realizada com imagens da câmera de alta velocidade, mostrando que o modelo numérico é capaz de prever de forma satisfatória as principais características do escoamento.

Abstract: Reciprocating compressors are largely used in domestic and commercial refrigeration systems. Although these compressors are designed to compress vapor refrigerant in the vapor phase, refrigerant in the liquid phase and lubricating oil that circulate in the system may reach the compression chamber, causing an excessive pressure rise. This phenomenon, commonly called liquid slugging, is detrimental to compressors because it can damage valves and other components, reducing equipment reliability. Mufflers are commonly installed in the compressor suction system to attenuate the noise generated by pressure pulsation induced in the flow by the reciprocal motion of the piston. Due to the complexity of the flow inside mufflers, it is not well known how this component affects the passage of liquid into the compressor chamber during a liquid slugging event. This dissertation reports a numerical-experimental investigation of gas-liquid flow in the muffler of a reciprocating compressor, aiming to achieve a better understanding about the peculiarities of two-phase flow in this component. For this purpose, a study of different computational modeling strategies was developed. In addition, a simplified three-dimensional muffler geometry was developed and assembled for model validation on an experimental bench. The experimental bench allows the injection of specified volumes of lubricant oil into the muffler under controlled temperature and pressure conditions, with an especially designed device to measure the volume that reaches the muffler outlet. Additionally, the liquid slugging phenomena was visualized through glass windows positioned in the test section and recorded with a high-speed camera, enabling a quantitative and qualitative analysis of the phenomenon. It was observed that the volume of liquid collected at the muffler outlet increases with the oil injection pressure at the compressor entrance. The proposed numerical model was able to predict the oil volume that reaches the muffler outlet in agreement with experimental data in the cases of high injection pressures, while overpredicted this volume for lower injection pressures. A qualitative analysis of the gas-oil flow inside the muffler was performed using images from the high-speed camera and showed that the model can predict satisfactorily the main flow features.