Análise numérica da transferência de calor no interior de cilindros de compressores alternativos de refrigeração doméstica

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2011A eficiência de compressores alternativos de refrigeração é afetada de forma significativa pelo superaquecimento do gás através do sistema de sucção e, posteriormente, em sua entrada no cilindro. Dentro deste contexto, estimar corretamente o fluxo de calor que ocorre entre as paredes do cilindro e o fluido é crucial na determinação das eficiências volumétrica e isentrópica e, assim, para a otimização do desempenho de compressores. A presente dissertação apresenta o estudo numérico da transferência de calor transiente em cilindros de compressores alternativos de refrigeração doméstica, considerando os processos de compressão, descarga, expansão e sucção. A modelagem computacional do problema, envolvendo formulações bidimensionais e tridimensionais, utiliza o método de volumes finitos e os modelos de turbulência SST, RNG k-e e k-e Realizável na solução do escoamento turbulento e compressível, na presença de transferência de calor. A dinâmica das válvulas é descrita com um modelo de um grau de liberdade. Os resultados mostram que o escoamento de alta velocidade que ocorre nos momentos iniciais de abertura das válvulas de sucção e descarga produz taxas elevadas de transferência de calor no cilindro. Efeitos tridimensionais sobre o fluxo de calor no cilindro foram investigados a partir de geometrias de orifício de sucção com três diferentes ângulos de inclinação. Constatou-se que a inclinação do orifício produz uma variação da distribuição do fluxo de calor na lateral do cilindro, mas não altera de forma significativa o calor total trocado no cilindro ao longo de um ciclo. Observou-se que estimativas de fluxo de calor obtidas de correlações disponíveis na literatura apresentam pouca concordância em relação aos resultados obtidos no presente estudo. Uma nova correlação de transferência de calor é proposta e avaliada para diferentes condições de operação do compressor, produzindo resultados satisfatórios.The efficiency of reciprocating compressors adopted for refrigeration purpose is significantly affected by gas superheating that takes place as the refrigerant flows through the suction system and enters the cylinder. Therefore, it is quite important to correctly predict heat transfer between the cylinder walls and the refrigerant in order to optimize the compressor performance, by increasing its volumetric and isentropic efficiencies. This dissertation considers the numerical modeling of the heat transfer process within the cylinder of reciprocating compressors used for household refrigeration, taking into account contributions of the compression, discharge, expansion and suction processes. The mode is tested for two-dimensional and three-dimensional formulations and numerically solved via the finite volume method. Three different turbulence models (SST, Realizable k-å and RNG k-å) have been adopted to solve the associated compressible, turbulent flow in the presence of heat transfer. The dynamics of both valves is described with a single degree-of-freedom model. The results show that high-speed flow that occurs in the initial opening stages of the suction and discharge valves gives rise to high rates of heat transfer in the cylinder. On the other hand, the analysis reveals that the inclination of the suction orifice, commonly adopted in actual compressors, affects the heat flux distribution on the cylinder lateral wall. Nevertheless, the overall heat transfer over a complete cycle is virtually insensitive to such geometric feature. It was also observed that estimates for in-cylinder heat flux given by correlations available in the literature are not in agreement with the numerical results obtained in the present study. A new correlation is proposed and tested for different compressor operating conditions, showing satisfactory results