Modelo para previsão do torque resistivo de compressores alternativos utilizando a linguagem modelica

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2019Compressores alternativos com mecanismo biela-manivela são amplamente utilizados em refrigeração. O motor elétrico deve suprir a energia necessária para o acionamento do mecanismo, o qual é responsável pela variação cíclica do volume da câmara de compressão. Dessa maneira, o conhecimento dos esforços mecânicos resultantes do acoplamento entre o motor elétrico e o mecanismo de acionamento é fundamental para o projeto de componentes do compressor, principalmente o motor elétrico. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo de simulação de compressores alternativos com foco na previsão do torque resistivo, implementado em linguagem Modelica. O modelo utiliza a biblioteca padrão do Modelica e as bibliotecas de código aberto ThermoCycle e ExternalMedia. A dinâmica do mecanismo e o seu acoplamento à câmara de compressão são incluídas no modelo, considera também o efeito das válvulas de sucção e descarga no ciclo de compressão. Simulações são realizadas para o compressor operando em regime cíclico plenamente desenvolvido e regime de transiente de partida, com a prescrição da velocidade angular do eixo e propriedades termodinâmicas nas câmaras de sucção e descarga. A validação do modelo foi realizada através da comparação entre os resultados numéricos e dados de outros trabalhos para três diferentes geometrias de compressor alternativo. Com o modelo validado, procedeu-se uma análise do torque resistivo em função de parâmetros geométricos e condições de operação do compressor. Verificou-se que a inércia do pistão auxilia o motor elétrico nos picos de torque resistivo durante a compressão do gás. Observou-se também que a transferência de calor entre o gás e as paredes da câmara de sucção e do cilindro afetam de forma significativa a vazão mássica, mas tem efeito insignificante sobre o torque resistivo. Verificou-se que o torque resistivo nos primeiros instantes de funcionamento do compressor é fortemente influenciado pela pressão de equalização do fluido refrigerante e são consideravelmente maiores do que aqueles resultantes no primeiro ciclo e na condição de regime cíclico plenamente desenvolvido. Considerando sua simplicidade, baixo custo computacional e poucos dados de entrada, o modelo se mostrou adequado para previsão do torque resistivo de compressores alternativos requerido para o dimensionamento de motores elétricos.Abstract: Reciprocating compressors operating with crankshaft mechanism are widely applied in refrigeration systems. The electric motor adopted in these compressors must supply the energy required by the mechanism to vary the volume of the compression chamber during the compression cycle. Therefore, estimates for the mechanical loads due to the coupling between the electric motor and the mechanism are very important in the design of compressors components, especially the electric motor. The objective of this work is the development of a simulation model to predict the resistive torque on the electric motor shaft of reciprocating compressors using the Modelica language. The model adopts the standard library available in Modelica and the open source libraries ThermoCycle and ExternalMedia. The model solves the mechanism dynamics and its coupling to the compression chamber, considering the effect of suction and discharge valves. Simulations are carried out for fully developed cyclic regime and startup transient condition, by prescribing the shaft angular speed and the gas thermodynamic properties in the suction and discharge chambers. The model is validated through comparisons between its numerical results and data available in the literature of three different reciprocating compressors. After being validated, the model was adopted to investigate the effects of compressor geometry and boundary conditions on the resistive torque. The piston inertia was found to reduce the resistive torque during the late stage of the compression process. The suction gas superheating was seen to reduce significantly the mass flow rate but it had negligible effect on the resistive torque. The resistive torque in the first cycles after the compressor startup was strongly affected by the equalization pressure, being considerably higher than the torques associated with both the first cycle and the fully developed cyclic regime. Considering its simplicity, low computational cost and the small number of input data, the model showed to be suitable for prediction of resistive torque of reciprocating compressors, which is required in the design of the electric motor