[pt] O presente trabalho trata da simulação de um compressor hermético alternativo operando em regime transiente. O modelo desenvolvido expande, para a simulação do regime transiente, de modelos de regime permanente existentes na literatura. No presente modelo o sistema é dividido em volumes de controle (motor, compressor, muflas, câmaras de sucção e de descarga, reservatório de óleo, linha de descarga, entre outros). Adota-se o modelo de parâmetros concentrados e aplicam-se as equações fundamentais de conservação, resultando em um sistema de equações diferenciais ordinárias. Especial atenção é dedicada à formação de espuma durante a partida. Sob tais condições, pode-se chegar à sucção de óleo por parte do compressor, com conseqüentes danos às partes móveis do conjunto mecânico. Em função da ausência de informação na literatura sobre formação de espumas em compressores herméticos, construiu-se um aparato experimental para reproduzir tais condições em laboratório. Utilizou-se uma combinação de refrigerante R134a e óleo poliol-ester, que foi submetida a condições controladas de despressurização, a partir de uma pressão inicial prescrita. O processo de formação de espuma (taxa, espessura e diâmetro de bolha) foi monitorado com o auxílio de uma câmara de vídeo digital. Uma série de corridas foi efetuada para diferentes concentrações de óleo e taxas de despressurização. Os dados experimentais permitiram estabelecer um modelo semiempírico de formação de espuma no interior de um compressor hermético. Simulou- se, também, o escoamento turbulento tridimensional de refrigerante no interior da carcaça. / [en] The present work is related to the simulation of a reciprocating hermetic compressor operating in transient regime. Hermetic compressors consist of a motor-compressor assembly hermetically sealed in a welded steel shell. Main components are: electric motor, suction and discharge mufflers, discharge line and the compressor itself, formed by the suction and discharge chambers, the pistondriving mechanism assembly and the cylinder body. The model here presented extends existing thermodynamic steady-state models for the transient operational condition. The system is divided into a number of control volumes, for which homogeneously distributed properties is assumed and fundamental conservation equations are applied. Special attention is given for foam formation, during startup. In such conditions, liquid oil can be drawn into the cylinder, causing a deterioration in the performance. Information on the phenomenon is scarce, which led to an effort of reproducing it at laboratory conditions. A saturated mixture of R134a and polyolester oil, at a given pressure, was submitted to controlled depressurization. The foam formation process (rate, height and bubble size) was measured with the help of a digital video camera. A number of runs were carried out, for different pressure drop rates and initial refrigerant concentrations. The experimental data was employed to adapt an existing model of foam formation. A new function for the volume rate of coalescence of gas bubbles was empirically determined. Computational Fluid Dynamics techniques were also used to predict the turbulent three-dimensional flow of refrigerant in the shell side.

Orientador: José Luiz Gasche / Banca: André Luiz Seixlack / Banca: Paulo Eduardo Lopes Barbieri / Resumo: Devido à solubilidade mútua entre o fluido refrigerante e o fluido lubrificante usados em sistemas de refrigeração por compressão de vapor, eles formam uma mistura homogênea que influencia tanto os processos de transferência de calor no evaporador e no condensador, como os processos de lubrificação e de selagem de vazamentos no interior do compressor. O vazamento de refrigerante através da folga radial de compressores rotativos de pistão rolante é de particular importância para o bom desempenho do compressor, uma vez que ele influencia significativamente a eficiência volumétrica do compressor, chegando a somar cerca de 30% das perdas totais de refrigerante. No presente trabalho foram desenvolvidos modelos de escoamento de misturas óleo-refrigerante através desta folga, incluindo a mudança de fase do refrigerante devida à variação da sua solubilidade no lubrificante. A solução da equação da energia constitui uma evolução do processo de modelagem deste escoamento em relação aos modelos até então desenvolvidos. Quatro modelos diferentes foram usados para simular o escoamento: modelo de escoamento bifásico homogêneo isotérmico, modelo de escoamento bifásico isotérmico com formação de espuma, modelo de escoamento bifásico homogêneo não-isotérmico e modelo de escoamento bifásico homogêneo não-isotérmico com termo de força inercial. O estudo foi realizado para três misturas óleo-refrigerante: óleo éster Freol a10 e refrigerante R134a, óleo éster EMKARATE RL10H e refrigerante R134a e óleo mineral SUNISO 1 GS e refrigerante R12. Para todos os modelos e misturas, realizou-se um estudo paramétrico envolvendo as principais variáveis do problema: pressão de entrada, temperatura de entrada, vazão de mistura e valor da folga mínima... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Due to the mutual solubility between the refrigerant and lubricant of refrigeration systems using mechanical compression of vapor, they form a homogeneous mixture which influences the heat transfer processes in the evaporator and condenser as well as the compressor lubrication and refrigerant leakage. The refrigerant leakage through the radial clearance of rolling piston compressors plays an important role to the volumetric efficiency in this type of compressor, in which it represents about 30% of the total refrigerant loss. In the present work several models to predict the lubricant-refrigerant mixture flow through this clearance, including the refrigerant phase change due to the reduction of the refrigerant solubility in the lubricant, are developed. Four different models were developed to simulate the flow: isothermal homogeneous two-phase flow, isothermal two-phase flow with foam formation, non-isothermal homogeneous two-phase flow and non-isothermal homogeneous two-phase flow containing inertial force. The simulations were performed for three mixtures: ester oil Freol a10-refrigerant R134a, ester oil EMKARATE RL10H-refrigerant R134a, and mineral oil SUNISO 1 GS-refrigerant R12. The influences of the inlet pressure, inlet temperature, mixture mass flow rate, and minimal clearance were analyzed for all mixtures. The results showed that it is important to consider the foam formation, the inertial force, and the solution of the energy equation in the flow modeling. Concerning the volumetric efficiency of the compressor the ester oil Freol a10-R134a was the best mixture because it produced the lowest refrigerant leakage. / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-11-27Bitstream added on 2014-06-13T18:10:04Z : No. of bitstreams: 1 ferreira_ad_me_ilha.pdf: 1079421 bytes, checksum: dcb82443da323ec46bf3bd207a17001c (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Devido à solubilidade mútua entre o fluido refrigerante e o fluido lubrificante usados em sistemas de refrigeração por compressão de vapor, eles formam uma mistura homogênea que influencia tanto os processos de transferência de calor no evaporador e no condensador, como os processos de lubrificação e de selagem de vazamentos no interior do compressor. O vazamento de refrigerante através da folga radial de compressores rotativos de pistão rolante é de particular importância para o bom desempenho do compressor, uma vez que ele influencia significativamente a eficiência volumétrica do compressor, chegando a somar cerca de 30% das perdas totais de refrigerante. No presente trabalho foram desenvolvidos modelos de escoamento de misturas óleo-refrigerante através desta folga, incluindo a mudança de fase do refrigerante devida à variação da sua solubilidade no lubrificante. A solução da equação da energia constitui uma evolução do processo de modelagem deste escoamento em relação aos modelos até então desenvolvidos. Quatro modelos diferentes foram usados para simular o escoamento: modelo de escoamento bifásico homogêneo isotérmico, modelo de escoamento bifásico isotérmico com formação de espuma, modelo de escoamento bifásico homogêneo não-isotérmico e modelo de escoamento bifásico homogêneo não-isotérmico com termo de força inercial. O estudo foi realizado para três misturas óleo-refrigerante: óleo éster Freol a10 e refrigerante R134a, óleo éster EMKARATE RL10H e refrigerante R134a e óleo mineral SUNISO 1 GS e refrigerante R12. Para todos os modelos e misturas, realizou-se um estudo paramétrico envolvendo as principais variáveis do problema: pressão de entrada, temperatura de entrada, vazão de mistura e valor da folga mínima... / Due to the mutual solubility between the refrigerant and lubricant of refrigeration systems using mechanical compression of vapor, they form a homogeneous mixture which influences the heat transfer processes in the evaporator and condenser as well as the compressor lubrication and refrigerant leakage. The refrigerant leakage through the radial clearance of rolling piston compressors plays an important role to the volumetric efficiency in this type of compressor, in which it represents about 30% of the total refrigerant loss. In the present work several models to predict the lubricant-refrigerant mixture flow through this clearance, including the refrigerant phase change due to the reduction of the refrigerant solubility in the lubricant, are developed. Four different models were developed to simulate the flow: isothermal homogeneous two-phase flow, isothermal two-phase flow with foam formation, non-isothermal homogeneous two-phase flow and non-isothermal homogeneous two-phase flow containing inertial force. The simulations were performed for three mixtures: ester oil Freol a10-refrigerant R134a, ester oil EMKARATE RL10H-refrigerant R134a, and mineral oil SUNISO 1 GS-refrigerant R12. The influences of the inlet pressure, inlet temperature, mixture mass flow rate, and minimal clearance were analyzed for all mixtures. The results showed that it is important to consider the foam formation, the inertial force, and the solution of the energy equation in the flow modeling. Concerning the volumetric efficiency of the compressor the ester oil Freol a10-R134a was the best mixture because it produced the lowest refrigerant leakage.

In einer Vielzahl von Kältemaschinen und Wärmepumpen werden ölgeschmierte Verdich-ter eingesetzt. Aufgrund ihrer Konstruktion kommt es zu einer Durchmischung des Arbeitsfluides mit dem eingesetzten Schmierstoff. Die thermodynamischen und Transporteigenschaften der so entstehenden Gemische können sich von denen der jeweiligen Reinstoffe deutlich unterscheiden. Für eine optimale Auslegung des Prozesses und der Komponenten ist daher die Kenntnis der Gemischeigenschaften notwendig. Für die Modellierung der Stoffdatenberechnungsalgorithmen ergeben sich jedoch Probleme, da eine Vielzahl von Eigenschaften des reinen Öles und des Gemisches nicht oder nur unzureichend genau vermessen werden können. Durch den Ersatz von Kältemitteln mit hohem Treibhauspotential kann ein Beitrag zum Klimaschutz geleistet werden. Insbesondere das Kältemittel R23 sowie die Gemische R508A und R508B sind solche Kältemittel.Im Rahmen dieser Arbeit wird experimentell dargestellt, dass sich diese Fluide durch Gemische von Kohlenstoffdioxid und Ethan oder Ethen ersetzen lassen. Hierzu werden die Gefriertemperaturen der Gemische sowie der mögliche Ersatz von R23 dargestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden experimentell die thermophysikalischen Eigenschaften Dampfdruck, Mischungslücke, Flüssigkeitsdichte, dynamische Viskosität, spezifische iso-bare Wärmekapazität und Grenzflächenspannung von niedrigviskosen Polyolestern im Gemisch mit Kohlenstoffdioxid, Ethan und Ethen untersucht. Diese Schmierstoffe sind typi-sche Vertreter für die Anwendung in kältetechnischen Kaskadenanlagen mit dem Arbeitsfluid R23. Basierend auf den experimentellen Daten wird in dieser Arbeit dargestellt, wie sich mittels mathematischer und thermodynamischer Zusammenhänge Zustands- und Be-rechnungsgleichungen für die genannten thermophysikalischen Eigenschaften ableiten lassen. Zur Anpassung der Form und Koeffizienten der Zustandsgleichung werden neben den ther-modynamischen Eigenschaften auch die Grenzflächenspannung und die dynamische Vis-kosität mittels des Ansatzes der Viskosität-Residualentropie-Korrelation verwendet. An-hand der Methode des hängenden Tropfens können die Grenzflächenspannungen experimentell abgeleitet werden. Die dabei wesentliche Tropfenkontur kann im Weiteren über die Grenzflächenspannung auch zur Anpassung der Zustandsgleichung und somit auch zur Ableitung anderer thermophysikalischer Eigenschaften genutzt werden.:Inhaltsverzeichnis Kurzfassung Nomenklatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhangsverzeichnis 1. Einleitung 2. Ziele der Arbeit 3. Tieftemperaturkältemittel für Anwendungen bis –100 °C 3.1 Thermophysikalische Eigenschaften von R23, R508A und R508B 3.2 Technische Anwendungen von R23 und R508A 3.3 Kohlenstoffdioxidgemische für Tieftemperaturanwendungen und potentielle R23-Ersatzstoffe 3.4 Kältemaschinenöle für Kälteanwendungen bis -100 °C 3.5 Untersuchte Fluide und Gemische mit Polyolestern 4. Berechnungsansätze zur Bestimmung der thermophysikalischen Eigenschaften der Stoffgemische 4.1 Berechnung von Fest-Flüssig-Gleichgewichten mittels der Schrödergleichung und deren Erweiterung 4.2 Ableitung von Phasengleichgewichten und thermodynamischen Zustandsgrößen aus der freien Helmholtz-Energie Fundamentalgleichung 4.3 Berechnung der Viskosität von Öl-Kältemittel-Gemischen mittels der Viskosität-Residualentropie-Korrelation 4.4 Berechnung der Oberflächenspannung der Öle und der Grenzflächenspannung der Gemische 4.5 Bestimmung der Koeffizienten und Terme der Zustandsgleichung mittels Messdaten und Strukturanpassung 5. Messapparaturen und Messdurchführungen zur Bestimmung der thermophysikalischen Eigenschaften der Gemische 5.1 Vorbereitung der untersuchten Fluide 5.2 Vermessung der Fest-Flüssig-Gleichgewichte von Kohlenstoffdioxid-Ethan und Kohlenstoffdioxid-Ethen Gemischen 5.2.1 Messapparatur zur Bestimmung von Fest-Flüssig-Gleichgewichte 5.2.2 Bestimmung der Fest-Flüssig-Gleichgewichte mittels der Rosini-Methode 5.3 Messapparatur und Auswertung der VLE- und LLE-Messungen von Öl-Kältemittel Gemischen 5.3.1 Messapparatur zur Bestimmung von VLE und LLE 5.3.2 Dampfraumkorrektur für isochore Messungen 5.3.3 Bestimmung der Form der LLE durch Vermessung der Mischungslückenteilvolumina 5.4 Vermessung der Dichte und dynamischen Viskosität der Öl-Kältemittel-Gemische 5.5 Messapparatur zur Bestimmung der spezifischen isobaren Wärmekapazität 5.5.1 Ermittlung der spezifischen Wärmekapazitäten mittels Kalorimetrie 5.5.2 Messapparatur zur Bestimmung der spezifischen isobaren Wärmekapazität 5.6 Optische Vermessung der Oberflächenspannung mittels der Methode des hängenden Tropfens 5.6.1 Ermittlung der Grenzflächenspannung von Fluiden in Gasatmosphären 5.6.2 Messapparatur zur Bestimmung der Oberflächenspannung 5.6.3 Auswertungsprozedur der Oberflächenspannungsmessung und Ableitung der Laplace- und Kapillarkonstanten 6. Messergebnisse der thermophysikalischen Stoffeigenschaften und Koeffizientenbestimmung 6.1 SLE von Kohlenstoffdioxid-Ethan und Kohlenstoffdioxid-Ethen-Gemischen 6.2 Mischungslücken der untersuchten Gemische 6.3 Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichte der Öl-Kältemittelgemische 6.4 Flüssigkeitsdichten der untersuchten Gemische 6.5 Dynamische und kinematische Viskosität der Stoffgemische 6.6 Spezifische isobare Wärmekapazitäten der Öle und Gemische 6.7 Grenzflächenspannung der Öl-Kältemittelgemische 7. Anlagentest zum Ersatz von R23 durch Kohlenstoffdioxid-Ethen-Gemische 7.1 Versuchsstand einer zweistufigen Kältekaskade 7.2 Vorbereitung, Durchführung und Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen an einer zweistufigen Kaskadenkälteanlage 7.3 Verbesserungsvorschläge für den Einsatz von Kohlenstoffdioxid-Ethen-Gemischen als Ersatz für R23 in Kaskadenkältemaschinen 8. Kurzdiskussion der Ergebnisse 9. Zusammenfassung 10. Literaturverzeichnis