Análise de efeitos geométricos e de compressibilidade no escoamento em válvulas tipo palheta de compressores

Abstract

Válvulas automáticas do tipo palheta afetam em grande medida o desempenho termodinâmico e a confiabilidade de compressores de sistemas de refrigeração. Nesse tipo de válvulas o campo de pressão promove a abertura e o fechamento da válvula e, por esta razão, a compreensão do escoamento é fundamental para a melhoria da eficiência do compressor. Esta dissertação apresenta uma análise numérica do escoamento em válvulas, com a palheta sendo representada na forma de um disco concêntrico e paralelo ao assento. Essa geometria simplificada permite a redução do custo computacional da simulação do escoamento sem, no entanto, diminuir a importância das conclusões. As equações governantes do escoamento turbulento são resolvidas pelo método dos volumes finitos com o emprego dos modelos de turbulência RNG k - ε e k - ω SST. Inicialmente, os resultados numéricos são verificados em relação a erros de truncamento através do refino da malha de discretização e com o emprego da extrapolação de Richardson. Na sequência, o desempenho dos modelos de turbulência na previsão do escoamento é examinado através da comparação dos resultados com dados experimentais de distribuição de pressão sobre a palheta e áreas efetivas de escoamento e de força. Com o modelo numérico validado, as simulações são direcionadas então para a análise do efeito de diferentes diâmetros da palheta em função da abertura da válvula e do número de Reynolds do escoamento sobre o carregamento de pressão na palheta e áreas efetivas de escoamento e de força. Efeitos de compressibilidade são também investigados através da solução do escoamento com formulações para fluido incompressível e fluido compressível. Finalmente, analisa-se eventuais desvios devido ao emprego de formulação de gás ideal para a avaliação do escoamento na válvula, considerando que fluidos refrigerantes são empregados nessa aplicação. Os resultados mostram que o diâmetro da palheta afeta fortemente o escoamento e os parâmetros de eficiência da válvula e que o efeito do número de Reynolds é significativo nos menores afastamentos e maiores diâmetros da palheta. Além disso, observou-se que a compressibilidade do gás é particularmente importante nas maiores aberturas da válvula, em função das maiores velocidades, inclusive com a presença de ondas de choque na região do difusor radial. Por outro lado, os resultados demonstram que a formulação de gás ideal é suficiente para a previsão do escoamento de fluidos refrigerantes em válvulas.

Abstract: Automatic reed-type valves greatly affect the thermodynamic performance and reliability of compressors adopted in refrigeration systems. In this type of valve, the pressure field promotes the opening and closing of the valve, and for this reason, understanding the flow is essential for improving compressor efficiency. This dissertation presents a numerical analysis of flow in valves, with the reed represented as a concentric disk parallel to the seat. This simplified geometry reduces the computational cost of numerical flow simulations without diminishing the significance of the conclusions. The governing equations of turbulent flow are solved using the finite volume method, employing the RNG k - ε e k - ω SST. turbulence models. Initially, numerical results are validated against truncation errors through mesh refinement and Richardson extrapolation. Subsequently, the performance of turbulence models in flow prediction is examined by comparing results with experimental data for pressure distribution on the reed and effective flow and force areas. With the validated numerical model, simulations are then directed towards analyzing the effect of different reed diameters as a function of valve opening and Reynolds number on the reed pressure loading and effective flow and force areas. Compressibility effects are also investigated by solving the flow with formulations for incompressible and compressible fluids. Finally, potential deviations due to the use of the ideal gas formulation in the simulations are analyzed, considering that refrigerant fluids are employed in this application. The results show that the reed diameter strongly affects the flow and valve efficiency parameters, and that the Reynolds number effect is significant at smaller valve openings and larger reed diameters. Additionally, it was observed that gas compressibility is particularly important at larger valve openings due to higher velocities, including the presence of shock waves in the radial diffuser region. On the other hand, the results demonstrate that the ideal gas formulation is sufficient for predicting the flow of refrigerant fluids in valves.