Resumo: A compreensão do escoamento em válvulas de compressores herméticos alternativos é de fundamental importância para introduzir modificações no projeto delas de maneira a aumentar a performance dos compressores, e por fim, dos ciclos de refrigeração. A válvula do compressor é um dispositivo ímpar, umas vez que seu funcionamento se dá pela ação da pressão exercida pelo escoamento, caracterizando um problema de forte interação fluido- estrutura. O uso da modelagem numérica através das ferramentas da mecânica dos fluidos computacional (CFD) tem se destacado como a alternativa mais dinâmica para o estudo do fenômeno. O trabalho desenvolvido foi voltado para o estudo numérico do escoamento através do difusor radial, o qual é um modelo simplificado da válvula, com o emprego do Método da Fronteira Imersa com Modelo Físico Virtual para a modelagem do disco superior do difusor (palheta). O ponto forte desta metodologia é que a representação de regiões sólidas é feita pelo cálculo de um campo de força, o qual é introduzido nas equações das células na vizinhança do sólido. Este procedimento dispensa o uso de malhas que se adaptam ao corpo, possibilitando o uso de malhas cartesianas convencionas para modelar geometrias complexas e móveis. A metodologia foi acoplada com a solução das equações governantes do escoamento em coordenadas cilíndricas através do Método dos Volumes Finitos. Inicialmente, a metodologia foi validada, utilizando como dados de referência resultados provenientes de estudos numéricos e experimentais, e foi avaliada a influência dos parâmetros do procedimento na qualidade final dos resultados. Na segunda etapa foram desenvolvidos estudos preliminares referentes ao movimento do disco superior, com a imposição artificial dos processos de abertura e fechamento da válvula. Os resultados obtidos mostraram que a metodologia adotada ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The fully understanding of the flow through automatic valves of alternative hermetic compressors is essentiall to introduce modifications in its project aiming the improvement of the compressor performance and, also, the refrigeration cycle. The compressor valve is a singular device, once its operation is ruled by the flow pressure, characterizing a case with a strong fluid-structure interaction. The using of numerical tools trough the methods of computational fluid dynamics (CFD) has gained especial attention due to its flexibility to study the phenomenon. The present work was developed to study numerically the flow through the radial diffuser, which is a simplified model of the valve, with the employment of the Immersed Boundary Method with Virtual Physical Model to modeling the superior disk (valve reed). The main advantage of this methodology is that the modeling of solid boundaries is performed with the calculus of a force field, which is introduced in the cells equations nearby the solid. This procedure dispenses the using of body-fitted meshes, enabling the adoption of conventional Cartesian meshes to model complex and moving geometries. The methodology was coupled with the solution of the governing equations in cylindrical coordinates though the Finite Volume Method. Firstly, the methodology was validated, confronting the results obtained with data from numerical and experimental studies, where the influence of the main parameters in the quality of the final results was evaluated. In the second step were developed preliminary studies concerning the movement of the superior disk, whose opening and closing movements were artificially imposed. The results obtained showed that the adopted methodology is quit promising and flexible, and can be employed in more refined studies to the comprehension of the flow through the valve regarding the fluid-structure interaction that rules the problem / Orientador: José Luiz Gasche / Coorientador: Júlio Militzer / Banca: Cassio Roberto Macedo Maia / Banca: Elie Luis Martinez Padilla / Mestre

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

Orientador: José Luiz Gasche / Banca: André Luiz Seixlack / Banca: Odenir de Almeida / Resumo: O presente trabalho refere-se à investigação experimental e numérica do escoamento em difusores radiais, que são usados como modelos de representação de sistemas de válvulas de compressores de refrigeração. Uma bancada experimental é projetada, construída e validada para medir a distribuição de pressão, sobre o disco frontal de um difusor radial de razão de diâmetro 3, para números de Reynolds de 1500 a 9000 e afastamento entre os discos frontal e anterior variando de 0,415mm a 0,705mm aproximadamente. Paralelamente, desenvolve-se um código computacional, baseado na metodologia de Volumes Finitos para malhas desencontradas, para simular o escoamento na geometria do difusor radial. O código computacional é primeiramente validado por meio dos resultados experimentais obtidos da bancada construída. Após sua validação, o código é usado para analisar o escoamento em um difusor de razão de diâmetro igual a 1,4, para números de Reynolds variando de 500 a 2500 e afastamento entre discos na fixa de 0,125 a 1,0mm. Os resultados numéricos mostram o surgimento de recirculação extendendo-se em toda região do difusor. Além disso, os resultados de perfil de pressão sobre o disco frontal fornecem forças e quedas totais de pressão no difusor que aumentam com o número de Reynolds e afastamento entre disco. Esse comportamento produz um ponto de mínima área efetiva de força localizado na faixa de , para números de Reynolds variando de 500 a 1500. Para número de Reynolds mais elevados, , a área efetiva de força sempre aumenta com o aumento do afastamento entre discos. A área efetiva de escoamento, outro parâmetro de interesse para a simulação do compressor, apresenta um crescimento linear com o afastamento entre discos, independentemente do número de Reynolds avaliado. / Abstract: In this work, an experimental and numerical investigation of the flow in radial diffusers representing the valve system of refrigeration compressor is accomplished. An experimental bench is designed, build, and validated allowing the measurement of the pressure distribution on the frontal disk surface of a radial diffuser with diameter ratio equal to 3, for Reynolds number varying from 1500 to 9000 and distances between disks in the ranges of 0.415 to 0.705mm. In addition, a computational code based on the Finite Volume Methodology for staggered mesh is developed in order to simulate the flow though the radial diffuser. The computational code is firstly validated by using the experimental data obtained from the experimental bench. After its validation, the code is used for analyzing the flow through a radial diffuser with diameter ratio equal to 1.4, for Reynolds numbers varying from 500 to 2500 and distance between disks in the range of 0.125 a 1.0 mm. The numerical results showed recirculation regions extending through the whole diffuser for the majority of the analyzed cases. The pressure profiles on the frontal disk surface produce forces and total pressure drops through the diffuser that increase with both Reynolds number and distance between disks. There is a minimum effective force area in the range of , for Reynolds numbers varying from 500 a 1500. For higher Reynolds numbers, , the effective force area always increases for increasing distance between disks. The effective flow area, another parameter used for simulating the compressor, increases linearly with the distance between disks, independently of the Reynolds number. / Mestre