Desenvolvimento de modelos para a simulação térmica de compressores scroll

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2012Compressores scroll realizam o processo de compressão de um gás através de dois membros conjugados em forma de espiras. Tais elementos são montados de forma invertida e girados de 180° um em relação ao outro, formando múltiplas câmaras de compressão através de diferentes pontos de contato. Uma das principais fontes de ineficiência de compressores de refrigeração é o superaquecimento do fluido refrigerante na sucção e na compressão do gás devido à sua interação com componentes internos do compressor de temperatura elevada. Dois modelos térmicos baseados no método de parâmetros concentrados foram desenvolvidos e calibrados experimentalmente para prever a distribuição de temperatura de compressores scroll, com particular atenção ao superaquecimento do gás no processo de sucção. Resistências térmicas entre os componentes foram baseados em coeficientes de transferência de calor globais, enquanto que a condução de calor ao longo das espiras foi avaliada através de um modelo unidimensional baseado no método de volumes finitos. Os modelos térmicos foram acoplados a um modelo termodinâmico do ciclo de compressão e então aplicados para simular o desempenho do compressor em diferentes condições de velocidade e de razão de pressão. Os modelos foram capazes de prever corretamente a distribuição de temperatura no compressor em condições de operação dentro da faixa daquelas adotadas em suas calibrações. Os resultados mostraram que a condução de calor através das espiras reduz a temperatura de descarga. Além disso, observou-se que a transferência de calor que ocorre no contato metálico entre as espiras atua para produzir uma variação de temperatura linear ao longo das mesmas.<br>Abstract : Scroll compressors perform the compression process by using two identical inter-fitting, spiral-shaped scroll elements. Such elements are mounted inverted and rotated 180! in relation to each other and, by making contact with each other at sealing points, form multiple compression volumes. The thermodynamic efficiency of scroll compressors is a.ected by heat transfer that takes place during both the suction and the compression processes. Two lumped-parameter thermal models were developed and experimentally calibrated to predict the temperature distribution of scroll compressors with particular attention given to gas superheating in the suction process. Thermal resistances between the components were based on global heat transfer coefficients, whereas conduction heat transfer through the scroll wraps was solved via a one-dimensional finite volume method. The thermal models were coupled to a thermodynamic model of the compression cycle and then applied to simulate the compressor performance under di.erent conditions of speed and pressure ratio. The models were able to correctly predict the compressor temperature distribution for operating conditions within the range of those adopted for its calibration. The model demonstrated that heat conduction through the scroll wraps reduces slightly the discharge temperature. Moreover, it was also observed that the heat transfer that takes place during the metallic contact between scroll wraps acts to produce a linear temperature variation along their length