Investigação numérica da área efetiva de força e do coeficiente de descarga em válvulas de compressores de refrigeração

Abstract

As válvulas do tipo palheta de compressores de refrigeração são apontadas como fontes de ineficiência do compressor e têm sido objeto de inúmeros estudos numéricos e experimentais. Parâmetros fundamentais no desenvolvimento do modelo quase-estático usado em projetos e simulações de compressores, como a área efetiva de força e o coeficiente de descarga, não são reportados na literatura para uma ampla faixa de configurações de escoamento em geometrias reais de válvulas. Outra lacuna da literatura é a carência de estudos comparativos desses parâmetros quando obtidos usando geometrias reais de válvulas e difusores radiais, avaliando a necessidade do emprego de geometrias tridimensionais como as das válvulas, o que implica no aumento considerável do custo computacional das simulações. O objetivo desse trabalho é determinar numericamente a área efetiva de força adimensional e o coeficiente de descarga para geometrias reais de válvula tipo palheta em diferentes configurações de escoamento e comparar os resultados com aqueles obtidos em modelagem 2D com difusores radiais para as mesmas configurações. As soluções numéricas foram obtidas com o Método de Volumes Finitos implementado no código aberto e de licença gratuita OpenFOAM®, considerando o escoamento estacionário, incompressível e turbulento – modelos RNG k-ε e k-ω SST – para números de Reynolds iguais a 3.000, 20.000 e 50.000, em geometrias com razões de diâmetro entre a válvula (D) e o orifício de alimentação (d) de 1,15, 1,3 1,5 e 1,7 e afastamentos adimensionais (s/d) variando de 0,01 a 1,0. Os resultados mostram que a área efetiva de força adimensional apresenta variação máxima de aproximadamente 55% com o afastamento, de 35% com a razão de diâmetro e de 20% com o número de Reynolds. O coeficiente de descarga atinge o valor máximo de 0,86 para o maior afastamento e apresenta menores variações com o número de Reynolds (menos de 15%) e com a razão de diâmetro (menos de 5%). A comparação entre as geometrias do difusor radial e da válvula revelou que o modelo do difusor não é adequado para determinar a área efetiva de força, pois a diferença entre os valores pode ser da ordem de 50%, mas pode ser usado para determinar o coeficiente de descarga em aplicações onde não se requer exatidão elevada, pois as diferenças são inferiores a 10%. Adicionalmente, o compromisso entre custo computacional e exatidão deve ser avaliado criteriosamente, pois o tempo e os recursos computacionais das simulações em válvulas com malha 3D são significativamente mais elevados do que em difusores radiais.

Refrigeration compressors reed-type valves are mentioned as sources of compressor inefficiency and have been subject of numerous numerical and experimental studies. Fundamental parameters to the development of the quasi-static model used in compressor designs and simulations, such as the dimensionless effective force area and the discharge coefficient, are not presented in the literature for a wide range of flow configurations in real valve geometries. Another literature gap is the lack of comparative studies of these parameters obtained using real valve geometries and radial diffuser, evaluating the need for the use of more complex geometries such as valves which implies a considerable increase in the computational simulations cost. This work aims to numerically determine both dimensionless effective force area and discharge coefficient for real reed valve geometries in different flow configurations and to compare the results with those obtained in radial diffusers for the same configurations. Numerical solutions were obtained using the Finite Volume Method implemented in the free and open source software OpenFOAM® considering the stationary, incompressible and turbulent flow – RNG k-ε e k-ω SST models – for Reynolds numbers equal to 3,000, 20,000 and 50,000 in geometries with diameter ratios between the valve (D) and the feeding orifice (d) of 1.15, 1.3 1.5 and 1.7 and dimensionless lifts (s/d) ranging from 0.01 to 1.0. The results show that the dimensionless effective force area has a maximum variation of approximately 55% with the lift, 35% with de diameter ratio and 20% with the Reynolds number. The discharge coefficient reaches a maximum value of 0.86 for largest lift and presents smaller variations with the Reynolds number (less than 15%) and with the diameter ratio (less than 5%). The comparison between the radial diffuser and the valve geometries revealed that the former is not suitable for determining the effective force area since the difference between the values can be of the order of 50%, but it can be used to determine the discharge coefficient in applications where high accuracy is not required, as the differences are less than 10%. Additionally, the trade-off between computational cost and accuracy must be carefully evaluated since the computational time and resources of the simulations in valves are significantly higher than in radial diffusers.