Entwicklung kraftunterstützter Kompressorventile

Projektdauer:                  Juli 2017 – Juni 2019

Projektförderung durch: FFG

Projektleiter:                   Raimund Almbauer

Projektpartner:               Nidec Global Appliances Austria, IVT

Projektmitarbeiter IVT:   Andreas Egger, Johann Hopfgartner

Die in hermetischen Kolbenkompressoren eingesetzten Membranventile sind für einen beträchtlichen Teil der thermodynamischen Verluste verantwortlich. Insbesondere das Saugventil, das fast die gesamte Saugphase geöffnet ist, weist ein erhebliches Verbesserungspotenzial auf. Saugventile in hermetischen Hubkolbenverdichtern werden normalerweise nur durch die vom Kolben erzeugte Druckdifferenz geöffnet und sollten vor Beginn der Verdichtungsphase geschlossen werden, um einen Rückstrom durch das Ventil zu vermeiden. Die Ventile sind meist vorgespannt, was wiederum zu einem höheren Strömungswiderstand führt.

In dieser Arbeit wird ein kraftunterstütztes Saugventil untersucht. Eine periodisch angeregte Feder erzeugt eine zusätzliche Kraft, die auf das herkömmliche Saugventil wirkt. Diese Kraft führt zu einer völlig anderen Ventilbewegung und zu einer erheblichen Verringerung der durch das Saugventil verursachten Verluste. Ein herkömmliches Saugventil flattert während der Saugphase. Somit trifft es mehrmals auf den Ventilsitz, was neben einem erhöhten Strömungswiderstand die Zuverlässigkeit des Membranventils und die Geräuschemission negativ beeinflusst. Mit Hilfe der zusätzlichen Kraft kann die Öffnungsverzögerung aufgrund der Vorspannung und des Öl-Hafteffekts überwunden werden. Darüber hinaus kann das Ansaugventil während der gesamten Ansaugphase offen gehalten werden und schließt kurz nach dem unteren Totpunkt des Kolbens. Die Untersuchung des kraftunterstützten Saugventils erfolgt sowohl durch numerische Simulationen als auch durch Experimente. Erste Ergebnisse zeigen eine Verbesserung der Leistungszahl (COP) um ca. 0,7 - 1,6%, abhängig von den Betriebsbedingungen.

Voruntersuchungen

Im Projekt wurden bereits Messungen des Ventilhubs mit Laser-Doppler-Velozimetrie durchgeführt, um den Mechanismus des kraftunterstützten Ansaugventils zu testen und das Ventilmodell der CFD-Simulation zu überprüfen. Die Messungen wurden an einem Testkompressor ohne hermetische Oberschale durchgeführt, um den Laser in der Mitte der Ventilplatte einstellen zu können. Die CFD-Simulation wird an diesen Betriebszustand angepasst, wobei Luft anstelle von Kältemittel und Umgebungstemperatur sowie Umgebungsdruck als Randbedingungen für den Einlass verwendet werden. Durch Druckmessung im Zylinderkopf wird der Gegendruck bestimmt. Abbildung 1 zeigt die Ventilhubkurven des konventionell arbeitenden Saugventils (schwarze Linien) und des Ventils mit Kraftunterstützung (graue Linien). Der Gegendruck wurde in diesem Fall auf 5 bar geregelt. Ein Vergleich zwischen der Bewegung des konventionellen und des kraftunterstützten Saugventils zeigt, dass der Mechanismus funktioniert und es möglich ist, das Membranventil früher zu öffnen, während des gesamten Saughubs offen zu halten und langsam zu schließen. Des Weiteren sind nur geringe Abweichungen zwischen der simulierten und der gemessenen Ventilhubkurve des herkömmlichen Saugventils zu beobachten. Neben der Amplitude der Kurve kann insbesondere die Flatterfrequenz sehr genau reproduziert werden. Größere Abweichungen treten zwischen den Ventilhubkurven des kraftunterstützten Saugventils auf. Es ist offensichtlich, dass die Simulation niedrigere Amplituden aber eine ähnliche Frequenz der Schwingung zeigt. Dies lässt sich teilweise durch die leicht veränderte Ausrichtung des Laserstrahls erklären. Der Fokus des Lasers muss aufgrund der Anordnung des Mechanismus zur Erzeugung der zusätzlichen Kraft in Richtung der Spitze des Saugventils verschoben werden. Die gemessene Amplitude ist somit größer als die simulierte. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das Simulationsmodell ausreichend genau zu sein scheint, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen.

Abb. 1: Saugventilhubkurven aus den Voruntersuchungen

Simulationsmodell

Numerische 3D-Simulationen werden mit dem kommerziellen CFD-Softwarepaket Fluent von ANSYS durchgeführt und basieren auf der Arbeit von Hopfgartner et al. Der Simulationsbereich, der in Abbildung 2 zu sehen ist, umfasst den Saugschalldämpfer, Ansaug- und Auslassventil, den Zylinder, den Zylinderkopf und die Druckleitung. Die Anzahl der Zellen der Domäne variiert je nach Position des Kolbens und der Membranventile zwischen 1,9 und 5,2 Millionen Zellen. Die Bewegung des Kolbens und der Membranventile erfordert ein dynamisches Netz, das durch die Verwendung von speziellen Techniken der Software, wie erneutem Netzaufbau, Schichtauf- und Schichtabbau oder Vergleichmäßigen der Netze ermöglicht wird. Während die erzwungene Kolbenbewegung leicht modelliert werden kann, muss die Bewegung der Membranventile mit der komplexen Wechselwirkung zwischen Fluid und Struktur modelliert werden. Der druck-basierende gekoppelte Löser wird zur Kopplung von Druck und Geschwindigkeit eingesetzt. Turbulenz wird mit Hilfe des „realizable k-ε-Modell“ unter Verwendung einer verbesserten Behandlung der wandnahen Schichten berücksichtigt. Je nach Ventilstellung variiert der Zeitschritt zwischen 1,4 µs und 17 µs, was einem Kurbelwinkel von 0,025 ° bzw. 0,3 ° entspricht.

Abb. 2: Simulationsgebiet Quelle: Hopfgartner J, et al.: Reduction of the suction losses through reed valves in hermetic reciprocating compressors using a magnet coil. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 232 (2017), paper no. 012034, pp. 1-10. IOP Publishing.