Efeito do escoamento na folga pistão-cilindro sobre a eficiência de um compressor linear operando sem óleo lubrificante

Abstract

Compressores lineares apresentam baixos carregamentos transversais no pistão, possibilitando a utilização do próprio fluido refrigerante para formar um mancal aerostático na folga pistão-cilindro. Ao passo que esse arranjo reduz o efeito de fricção no mancal, o escoamento de gás na folga pistão-cilindro gera perdas que reduzem a eficiência do compressor. A presente dissertação apresenta um modelo desenvolvido para avaliar essas perdas e seus efeitos sobre as eficiências volumétrica e isentrópica de um compressor linear operando sem óleo lubrificante. A simulação do escoamento transiente na folga é realizada com um código comercial baseado no método de volumes finitos, enquanto que o ciclo de compressão no cilindro é simulado com um modelo de formulação integral. De modo a evidenciar as perdas geradas no mancal aerostático, o modelo desconsidera ineficiências associadas aos processos de sucção e descarga, bem como ao superaquecimento do gás no cilindro. O fenômeno foi investigado para diferentes parâmetros de projeto, assumindo que o pistão e cilindro se mantém concêntricos durante o ciclo de compressão. Verificou-se um decréscimo na eficiência do compressor com os aumentos da espessura da folga e da razão de compressão, mas o efeito oposto foi observado com o aumento da velocidade de operação.<br>

Abstract : The piston of linear compressors experience low transversal loads and the refrigerant gas in the piston-cylinder clearance can be used to form an aerostatic bearing. Despite the reduction of friction in the bearing, the gas flow in the piston-cylinder clearance generates losses that decrease the compressor efficiency. The present dissertation reports a model developed to evaluate such losses and their effects on the volumetric and isentropic efficiencies for an oil-free linear compressor. The transient flow in the gap is simulated with a commercial code based on the finite volume method, whereas the compression cycle in the cylinder is characterized via a lumped model. The attention is focused on the flow losses and other inefficiencies, associated with gas superheating inside the cylinder and with suction and discharge processes, are not included in the analysis. Different design parameters were considered in the analysis and the cylinder and the piston are assumed to be concentric during the compression cycle. It was found that the compressor efficiency is reduced when the clearance dimension and pressure ratio are increased, but the opposite effect was observed in relation to the operation speed.