Análise numérico-experimental da transferência de calor no escoamento pulsante em sistemas de sucção de compressores alternativos

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.As eficiências volumétrica e isentrópica de compressores alternativos são reduzidas pelo superaquecimento do gás ao longo do sistema de sucção. Considerando que o escoamento nesses sistemas é pulsante, torna-se importante saber em que grau os transientes do escoamento afetam o superaquecimento. Assim, o presente estudo objetiva a caracterização da transferência de calor no escoamento pulsante de sistemas de sucção de compressores alternativos. Com este propósito, um sistema de sucção simplificado foi construído e instrumentado com transdutores de pressão piezelétricos e sondas de fio quente e de fio frio os quais são empregados para medições de transientes de pressão, velocidade e temperatura e pressão em pontos específicos do sistema de sucção, respectivamente, considerando três condições de operação do compressor. Para essas mesmas condições, o escoamento foi também simulado numericamente pelo método dos volumes finitos, com o emprego do modelo RNG - para previsão do transporte turbulento. A partir da investigação, pôde-se constatar um aumento significativo da temperatura do fluido junto à câmara de sucção do sistema no curto período de tempo em que a válvula encontra-se fechada. Além disto, verificou-se dos resultados numéricos que a taxa de transferência de calor no sistema de sucção para o escoamento transiente pode ser até 8% mais intensa do que aquela que ocorreria em regime estacionário. Por fim, observou-se que, para o sistema de sucção indireta testado, grande parte do superaquecimento ocorre no trajeto e mistura do gás entre o passador de sucção na carcaça e a entrada do sistema de sucção, sendo que o aumento médio da temperatura do gás no sistema de sucção propriamente dito é de apenas 9% do aumento total.The volumetric and isentropic efficiencies of reciprocating compressors are reduced by the gas superheating through the suction system. Since a pulsating flow condition prevails in such systems, it is important to verify to what extent the transient flow regime affects the gas superheating. The present study is aimed at characterizing the heat transfer process in the suction systems of reciprocating compressors. For this purpose, a simplified geometry of suction system was adopted and instrumented with piezoelectric pressure transducers and hot wire and cold wire probes for measurements of pressure, velocity and temperature at specific points in the flow under three compressor operating conditions. In order to complement the analysis, the flow in the suction system was numerically solved via the finite volume method, with the RNG k-E model being employed to predict the turbulent transport. The analysis revealed a significant rise in the gas temperature near the suction chamber within the short period in which the suction valve is closed. Additionally, the numerical predictions have shown that heat transfer rate under the flow transient regime can be up to 8% greater than that which would occur in a steady flow regime. Finally, it has been found that superheating in the tested indirect suction system prevails inside the compressor shell due to mixing between hot and cold streams of gas that takes place between the compressor inlet and the suction system entrance, with the temperature increase in the suction system itself corresponding to only 9% of the total increase