8/,%7.
8OXVDO,VÕ%LOLPLYH7HNQL÷L.RQJUHVL(\OO6$0681
HERMETİK BİR KOMPRESÖRDEKİ YAĞ DEBİSİNİN SAYISAL İNCELENMESİ
Mustafa ÖZSİPAHİ* Sertaç ÇADIRCI* ve Hasan GÜNEŞ*
Kemal SARIOĞLU** ve Hüsnü KERPİÇÇİ**
*İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi
34437 Gümüşsuyu, İstanbul, [email protected], [email protected], [email protected]
** Arçelik A.Ş. Ar-Ge Merkezi, Akışkanlar Mekaniği Grubu, E-5 Yanyol
34950 Tuzla, İstanbul, [email protected], [email protected]
Özet: Bu çalışmanın amacı buzdolaplarında kullanılan hermetik kompresörlerin yağlama sistemindeki yağlayıcı (yağ)
–soğutkan iki fazlı akışına etki eden parametrelerin sayısal modelleme ile incelenmesidir. Kompresör muhafazası
içinde biriken yağ, krank milinin yağ emme bölgesine açılmış asimetrik bir delikten dönme hareketi ile merkezkaç
kuvvet etkisi altında yukarıya doğru taşınır ve krank milinin dış-yüzeyinde açılmış olan helisel bir kanal üzerinden
yağ filmi halinde tırmanır. Bu yağ filmi, krank mili çıkışına doğru yönlendirilerek soğutucu akışkan içerisinde
savrularak piston başta olmak üzere yatakların yağlanmasında kullanılır. Yağ hava ile çözünmeyen bir karışım
oluşturmaktadır bu nedenle çalışmada ayrı fazların bir arada bulunmasına izin veren akışkan hacmi “Volume of
Fluid” (VoF) yaklaşımı iki fazlı akış modeli olarak kullanılmıştır. Bu çalışmada krank mili devir sayısı, yağ
viskozitesi ve yağ-soğutkan arasındaki yüzey gerilmesinin etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Artan devir sayısı ile
krank mili ucundan savrulan kütlesel yağ debisi artmaktadır. Yağ viskozitesi arttıkça, krank mili ucundan çıkan
kütlesel debi azalmaktadır. Ayrıca, yağ karteri içindeki basınç çalkantıların spektrumu belirlenmiş olup, ileriki
aşamalarda kompresör ses seviyesine etkisi incelenecektir.
Anahtar Kelimler: Hermetik kompresör, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD), Volume of Fluid (VoF), İki fazlı
akış.
NUMERICAL INVESTIGATION OF OIL FLOW RATE IN A HERMETIC
COMPRESSOR
Abstract: The purpose of this study is to numerically investigate the effects of parameters on the lubricant (oil)coolant two phase flows in the lubrication system of hermetic compressors used by household refrigerators.
Lubrication oil is pumped from the sump through an asymmetrically opened hole on the bottom of the crankshaft
(suction side or inlet) by its rotational movement and climbs as an oil film on the internal surface of the helical
channel carved on the shaft wall. This oil film is directed to crank shaft exit penetrating into the refrigerant medium
and it’s used to lubricate the main components of the compressor including the piston housing. The oil forms an
immiscible mixture with coolant, thus a two phase flow model should be analyzed using Volume of Fluid (VOF)
approximations in the flow solver. In this study, the rotational speed of the crankshaft, viscosity of the oil and surface
tension effects are investigated numerically in detail. With increasing rotational speed the mass flow-rate through the
crankshaft’s upper outlet also increases. With increasing oil viscosity the mass flow-rate ejected through the
crankshaft’s upper outlet decreases. In addition, pressure fluctuations in the sump are reported in an effort to
investigate the flow-induced noise in the compressor.
Keywords: Hermetic compressor, Computational Fluid Dynamics (CFD), Volume of Fluid (VoF), Two phase flow.
1. GİRİŞ
Buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimlerinde, soğutma
sisteminin performansını belirleyen ana elemanlardan
biri kompresördür. Kompresörler çalışma prensipleri
bakımından
çeşitlere
ayrılmaktadır.
Ev
tipi
buzdolaplarında, genellikle, ileri-geri hareket yapan
hermetik pistonlu kompresörler kullanılır. Hermetik
kompresörler başlıca şu ana bölümlerden oluşmaktadır:
kompresör ana gövdesi (silindir, silindir kafası, emme ve
egzoz valfları, emme susturucusu, emme plenumu, egzoz
1093
plenumu, egzoz susturucuları, rezonatör, valf tablası ve
mekanik sistemin yatakları); mekanik sistem (krank mili,
biyel kolu ve piston); yay sistemi; elektrik motoru (rotor,
stator) ve muhafaza. Kompresör muhafazasının görevi,
kompresör iç ortamının dış ortamdan hava almayacak
şekilde yalıtılmasını sağlamaktır. Bunun yanında
kompresörde yağlamanın yapılması için yağlama haznesi
olarak
kullanılmaktadır.
Hermetik
kompresör
muhafazası içerisinde yağlanması gerekli olan bileşenler;
piston-silindir yatağı, biyel-perno yatağı, krank eksantrik
8/,%7.
8OXVDO,VÕ%LOLPLYH7HNQL÷L.RQJUHVL(\OO6$0681
muylu yatağı, krank uzun muylu ve oturma yüzeyi
(basmalı yatağı) olarak tanımlanmıştır.
Soğutma sistemlerinde kullanılan pistonlu kompresörlere
ait yağlanma ile ilgili iki fazlı akış olayını modellemede
VoF yaklaşımı kullanılarak Hesaplamalı Akışkanlar
Dinamiği (HAD) ile yağlama yağı akışının sayısal
analizi yapılmış ve krank harekete geçtiği andan itibaren
daimi rejime gelene kadar geçen süre ve krank mili üst
ucundan çıkan kütlesel yağ debisi değişimi
modellenmiştir (Lückmann vd., 2008). Benzer bir
çalışmada krank mili ucundan çıkan toplam yağ
debisinin deneysel ve sayısal sonuçları karşılaştırılmış ve
yağlama yağının sıcaklığa bağlı olduğu ve yağ
viskozitesinin arttığı düşük sıcaklıklarda yağ debisinin
azaldığı gözlemlenmiştir (Kim vd., 2002). Popovic
(1999), yağlama yağının soğutma sistemi içerisinde
kullanılan R134a soğutkanının performansı üzerinde
etkisini deneysel olarak incelemiş ve farklı yağların
soğutma çevriminin etkinlik katsayısını (COP) %5
oranında değiştirebildiğini göstermiştir.
Buzdolaplarında
bulunan
hermetik
pistonlu
kompresörlerin çalışma ilkesinin içten yanmalı motorlara
benzemesinden dolayı, piston hareketinin emme ve
basma fazları üç boyutlu olarak sayısal modellenmiş ve
gaz akışının valfin hareketi üzerindeki etkisi
hesaplanmıştır (Koçaş, 2005).
Yüzer (2005), buzdolabı kompresörlerindeki hareketli
parçaların tasarımında kullanılacak yağ-soğutkan karışım
bilgilerini deneysel ve teorik yöntemlerle elde etmiş ve
yağlama yağı-soğutkan ilişkisini incelemiştir.
Ünal (2005), yaptığı deneysel çalışmada pistonlu
hermetik kompresörlerde yağ debisinin devir, sıcaklık ve
karter içerisindeki yağ seviyesi ile olan ilişkisini
belirlemiştir.
Yağcı (2011), yağlama ve düşük devirlerde sorunsuz
çalışabilme için modifiye edilmiş bir krank mili tasarımı
yapmıştır ve bu şekilde 1000 d/d’nın altındaki devirlerde
de krank mili ucundan yağ çıkışını sağlamıştır.
Hermetik kompresör yağlama sistemi VoF iki fazlı akış
yaklaşımı ile sayısal olarak modellenmiş ve krank mili
ucundan çıkan kütlsesel yağ debisinin devir ile arttığı
ancak yağ viskozitesi ile azaldğı gözlemlenmiştir
(Kerpiççi vd., 2013).
Benzer bir sayısal çalışmada krank mili ucundan çıkan
kütlesel yağ debisinin krank milinin karter içerisindeki
daldırma derinliği ile değişimi incelenmiş ve daldırma
derinliği arttıkça yağ debisinin arttığı gözlemlenmiştir.
Bu çalışmadaki sayısal sonuçlar kütlesel yağ debisini
veren analitik modelleme ile doğrulanmıştır (Alves vd.,
2012).
1094
Şekil 1: Kompresörün rotor ve krank mili detayı
(Kerpicci vd., 2013)
Şekil 1’de ev tipi buzdolaplarında kullanılan hermetik
kompresörün rotor ve krank mili detayı görülmektedir.
2. YÖNETEN
MODELLEME
DENKLEMLER
VE
SAYISAL
2.1. Yöneten Denklemler
İki fazlı akışın olduğu durumlarda, hareket denklemine
ilave olarak denklem (1)’deki transport denklemi de
çözülmektedir. Bu analizlerde VoF (Volume of Fluid)
yaklaşımı (Scardovelli ve Zaleski, 1999) kullanılarak
çözüm elde edilmiştir.
w(Dl Ul )
’(Dl Ul vl ) 0
wt
w
( U v ) ’( U vv ) ’p ’(W ) U g F
wt
(1 )
(2)
Denklem (1) ikinci faza ait hacimsel oranı (Dl ifade
eden transport denklemi olup kaynak terimi ve fazlar
arası çözünme olmadığı için eşitliğin sağ tarafı sıfırdır.
Denklem (2) ise momentumun korunumunu ifade eden
denklemdir.
2.2. Sayısal Hesaplama Ağı ve Sınır Koşulları
Şekil 2’de hermetik kompresöre ait yağlama sisteminde
yer alan karter ve krank miline ait akış alanının
hesaplama ağı görülmektedir. Yağ karteri hesaplama
ağının kolay oluşturulabilmesi için basitleştirilerek tam
silindirik yapılmıştır. Krank miline ait akış alanı ise
yağın tırmanabilmesi için mil içerisine asimetrik olarak
açılmış yağ kanalını, helisel kanalı ve krank mili
ucundan yağın çıktığı kanalını içermektedir. Hesaplama
ağı yaklaşık olarak 565.000 üçgen piramit (tetrahedral)
hücreden oluşmaktadır. Çözüm için kritik olan katı
cidarlarda ve yağ-akışkan arayüzünde hesaplama ağı
sıklaştırılmıştır.
8/,%7.
8OXVDO,VÕ%LOLPLYH7HNQL÷L.RQJUHVL(\OO6$0681
Basınç Sınır Şartı
Krank Mili
3.1. Faz alanlarının zamanla değişimi
Helisel
Kanal
Krank Gömleği
Silindirik Karter
*P
Şekil 2. Yağlama sistemi akış hacminin hesaplama ağı
Hesaplama ağında akışkanın krank mili girişinden
çıkışına kadar merkezkaç kuvveti etkisi ile ilerlediği
kısma ve krank mili ceketine dönme hareketi
tanımlanmıştır. Krank milinin açısal hızı sınır koşulu
olarak tanımlanırken elektrik motorunun ivmelenerek
kalkışı ihmal edilmiş ve sabit bir devir sayısı girilmiştir.
Yağ karteri ise statik olarak modellenmiştir, dolayısıyla
karter cidarlarında kaymama sınır koşulu geçerlidir.
Yapılan analizlerde krank mili ucundan çıkan yağ,
silindirik kartere geri dönmemektedir. Silindirik karterin
üst kısmı ile krank milinin çıkışına basınç sınır koşulu
girilerek yağ karterinde oluşabilecek basınç farkının yağ
iletimine etki etmesi önlenmiştir.
Analizler FLUENT yazılımı ile zamana bağlı olarak
yapılmıştır ve her iterasyon için geçerli sabit zaman
adımı 5x10-4 s alınmıştır. Modellemede süreklilik ve
momentum denklemleri ile VoF iki fazlı akış
denklemlerinin ayrıklaştırılması ikinci mertebeden
doğrulukta yapılarak bir çözüm elde edilmiş ve uygun
rahatlatma faktörleri ile yakınsama hızlandırılmıştır.
Zamana bağlı akışlar için uygun olan PISO (Pressure
Implicit with Split Operator) algoritması kullanılmıştır
(Issa, 1980).
Yağ akışının en yüksek devirdeki Reynolds sayısı
(Re=vD/Q) 14 civarında olduğundan akış laminerdir.
Analiz süresince sıcaklık farkından oluşabilecek
değişimler ihmal edilmiş olup, yağ ve havanın
termofiziksel özellikleri sabit alınmıştır. Yağ ve hava
fazları arasındaki yüzey gerilmesi (W 0.024 N/m
alınmıştır. Kütlesel debi değerinin belirlenmesinde
yapılan deneylerde soğutkan yerine hava kullanılması
nedeniyle bu çalışmadaki simülasyonlarda da soğutkan
yerine yağ kullanılmıştır. Bununla beraber, yağ-soğutucu
akışan yerine yağ-hava kullanılmasının kütlesel debi
değerinde kayda değer bir değişim oluşturmadığı yapılan
simülasyonlarda gösterilmiştir.
Şekil 4’de sayısal modelleme sonucunda elde edilmiş
olan kesitlerdeki faz alanı değişimi görülmektedir.
Başlangıç durumunda (t = 0 anında) yağ ile havanın
temas yüzeyi yatay bir çizgi olarak görülmektedir.
Hesaplama zamanı ilerledikçe krank mili ceketi etrafında
bir vorteks oluşmakta ve eksantriklik etkisi ile yağ filmi
sol iç cidardan helise doğru kalınlaşarak tırmanmaktadır.
Şekil 4’deki sonuçlar 3000 d/d’da ve standart yağ
daldırma derinliğinde elde edilmiştir. Daldırma derinliği
başlangıçta krank mili içerisindeki yağ yüksekliğini ifade
etmektedir. Yağın fiziksel özelliklerinden yoğunluk
U kg/m3 ve kinematik viskozite Q cSt olarak
alınmıştır.
Şekil 3. Kütlesel debi değerinin çözüm ağına bağlı olarak
değişimi.
3. SAYISAL MODELLEME SONUÇLARI
Hesaplamalardaki sonuçların çözüm ağı eleman
sayısından bağımsızlığını göstermek için farklı eleman
sayılarında (375.000; 460.000; 575.000; 785.000 ve
925.000 tetrahedral elemanlı) hesaplamalar yapılmıştır.
Krank mili ucundan çıkan kütlesel yağ debisinin 10 s.
sonundaki değerinin hesaplama ağı eleman sayısına bağlı
değişimi Şekil 3’te gösterilmiştir.
1095
Şekil 4. Yağ fazının zamana bağlı değişimi
8/,%7.
8OXVDO,VÕ%LOLPLYH7HNQL÷L.RQJUHVL(\OO6$0681
Şekil 5’te üç boyutlu çözüm ağında yağ fazının helisel
kanalda ilerlemesi ve zamanla krank mili ucuna
tırmanması gösterilmiştir. Şekilden anlaşılacağı üzere t =
0.28 s’de helis kanalına giren yağ, yaklaşık 0.72 s
sonunda helis kanalını doldurmaktadır ve yaklaşık t = 1
sn sonra krank ucundan çıkış gözlemlenmektedir.
3.2. Devir sayısının etkisi
Devir sayısının krank mili ucundan çıkan kütlesel yağ
debisine etkisi literatürdeki benzer çalışmalarda
gözlemlendiği gibi çıkmıştır. Devir sayısı arttıkça yağ
debisi de artmaktadır. Şekil 7’de sırasıyla farklı devirler
için 20 s süren hesaplama sonucunda krank mili ucundan
çıkan kütlesel yağ debisinin değişimi görülmektedir.
Yağın fiziksel özelliklerinden yoğunluk U kg/m3 ve
kinematik viskozite Q cSt olarak alınmıştır. n = 4000
d/dk ve üzeri devir sayılarında kütlesel debideki artışın
azaldığı görülmektedir.
Şekil 5. Yağ fazının zamana bağlı olarak helis kanalında
ilerlemesi
Şekil 6’da görüldüğü gibi krank mili girişindeki
eksantriklik nedeniyle basınç dağılımı krank girişinde
uniform değildir. Koyu renkte olan alan negatif basınç
değerlerinde olup akışı krank mili çıkışına doğru
yönlendirirken, pozitif basınç alanını temsil eden açık
renkli alanda ise hız vektörleri aşağı doğrudur ve ters
akış gözlemlenmektedir. Krank mili girişinde akışın
düzeltilmesiyle kütlesel debi artışının mümkün olduğu,
bu konuda parametrik çalışmaların yapılması gerektiği
anlaşılmaktadır.
Şekil 6. Krank mili girişindeki hız vektörleri ve basınç alanı
1096
Şekil 7. Krank mili ucundan çıkan kütlesel yağ debisinin
farklı devirlerde zamana bağlı değişimi.
3.3. Viskozitenin etkisi
Sayısal hesaplamalarda hermetik kompresörlerde
kullanılan üç farklı yağın 40 ̊C’taki kinematik viskozite
değerleri (5-10-15 cSt) ve referans olması açısından
suyun kinematik viskozitesi (1 cSt) alınmış olup,
yoğunluğun ve viskozitenin sıcaklıkla değişimi ihmal
edilmiştir. Literatürdeki benzer çalışmalarda olduğu gibi
(Kerpiççi vd., Alves vd.) viskozitenin azalması ile yağ ile
cidar arasındaki sürtünme kuvvetlerinin azalması
sonucunda aynı çalışma koşullarında krank mili ucundan
çıkan kütlesel yağ debisi artmaktadır (bkz. Şekil 8).
8/,%7.
8OXVDO,VÕ%LOLPLYH7HNQL÷L.RQJUHVL(\OO6$0681
3.5. Basınç ve faz çalkantıları
Karter içerisinde krank mili gömleğine yakın bir yerdeki
arayüzden (bkz. Şekil 2’deki P noktası) hesaplama
süresince kaydedilen statik basınç ve yağ fazına ait
noktasal çalkantı değerlerinin zamana bağlı değişimi
incelenmiştir (bkz. Şekil 10a ve 10b). Şekil 11’de basınç
verisinin FFT (Fast Fourier Transform) analizi yapılarak
frekans spektrumu çıkarılmıştır.
Krank mili ucundan çıkan kütlesel yağ debisinin zamana
bağlı bir değişim göstermemesinden sonra
(20 s
hesaplama sonrasında) krank mili dönme hareketinin yağ
fazı ve basınç çalkantıları üzerinde sanki-periyodik bir
etkisi gözlemlenmektedir. Karter içerisindeki yağ
partikülleri krank mili gömleğinden olan mesafesine
bağlı olarak dönme hareketinin frekansından çok düşük
bir frekans ile çalkantı yaptığı tespit edilmiştir.
Şekil 8. Krank mili ucundan çıkan kütlesel yağ debisinin
farklı yağ viskoziteleri için zamana bağlı değişimi.
(a)
3.4. Yüzey gerilmesinin etkisi
Sayısal hesaplamalarda fazlar arası yüzey gerilmesinin
krank mili ucundan çıkan kütlesel debiye etkisi
literatürdeki bazı araştırmalarda (Kerpiççi vd., 2013)
ihmal edilmiştir. Krank mili ucundan çıkan kütlesel
debinin zamana bağlı değişimi, fazlar arası yüzey
gerilmesinin hesaba katıldığı ve ihmal edildiği
durumlarda Şekil 9’da gösterilmiştir. Yerçekimi
kuvvetinin yüzey gerilmesi kuvvetine oranını ifade eden
Bond saysı (Bo) -Denklem (3) bu çalışmada yaklaşık
olarak 7000 olarak bulunmuştur. Dolayısıyla yerçekimi
kuvvetleri yüzey gerilmesi kuvvetlerine göre baskın
olup, yüzey gerilmeleri ihmal ediilebilir. Burada ‘L’
krank mili boyunu ifade etmektedir.
Bo
US UG gL2
V
( 3)
(b)
Şekil 10. Noktasal (a) basınç, (b) yağ fazı değerinin zamana
bağlı değişimi.
Şekil 9. Yüzey gerilmesinin krank mili ucundan çıkan kütlesel
yağ debisine etkisi.
1097
8/,%7.
8OXVDO,VÕ%LOLPLYH7HNQL÷L.RQJUHVL(\OO6$0681
Issa, R.I., “Solution of the implicity discretized fluidflow equations by operator-splitting,”J. Comput. Phys.,
vol. 62, pp. 40-65,1986.
Kerpiççi, H., Yağcı, A., Onbaşıoğlu, S.U., Investigation
of Oil Flow in a Hermetic Reciprocating Compressor,
International Journal of Refrigeration, 2013.
Kim, H.J., Lee, T.J., Kim, K.H., and Bae, Y.J.,
Numerical Simulation of Oil Supply System of
Reciprocating Compressor for Household Refrigerators,
International Compressor Engineering Conference at
Purdue, 2002.
Koçaş, M., Hermetic Reciprocating Compressor
Modelling with KIVA 3V, İTÜ Bilişim Enst., 2005.
Şekil 11. P noktasındaki basınç verisinin frekans spektrumu
4. SONUÇLAR
Bu çalışmada buzdolaplarında kullanılan hermetik
kompresöre ait yağlama sistemi sonlu hacim tabanlı bir
yazılım ile (FLUENT) incelenmiş olup devir sayısı, yağ
viskozitesi ve yağ-akışkan yüzey geriliminin krank mili
ucundan çıkan kütlesel yağ debisine etkisi zamana bağlı
olarak gösterilmiştir. Devir sayısı arttıkça artan kütlesel
yağ debisi, viskozite arttıkça azalmaktadır. Ayrıca
yüksek devirlerde (4000 d/d ve üstü) yüksek basınç
kayıplarından dolayı krank mili ucundan çıkan kütlesel
debi belli bir süre sonra azalma eğilimindedir. Fazlar
arası yüzey gerilmesinin krank mili ucundan çıkan
kütlesel debiye etkisi ihmal edilebilir düzeydedir. Karter
içerisindeki basınç çalkantılarının analiz edilerek,
kompresör karteri içindeki yağ kaynaklı gürültü tahmini
yapılabileği öngörülmüştür.
Popovic, P., Investigation and Analysis of Lubricant
Effects on the Performance of an HFC-134a
Refrigeration System, Iowa State University, 1999.
Scardovelli, R., Zaleski, S., Direct Numerical Simulation
of Free-Surface and Interfacial Flows, Annual Review
of Fluid Mechanics, 1999.
Ünal, Ş.B., Hermetik Pistonlu Kompresörlerde Yağlama,
İTÜ Fen Bilimleri Enst., 2005.
Yağcı, A., Değişken Kapasiteli Bir Kompresörde
Minimum 1200 RPM’de Sorunsuz Çalışabilen
Kompresör Krank Mili Tasarımının Gerçekleştirilmesi,
İTÜ Fen Bilimleri Enst., 2011.
Yüzer, N.S., Buzdolabı Kompresörlerinde Yağlama
Yağı-Soğutkan İlişkisinin İncelenmesi, İTÜ Fen
Bilimleri Enst., 2005.
SEMBOLLER
D
L
v
U
D
V
t
Bo
Re
Lückmann, A.J., Alves, M.V.C., and Barbosa, J.R.
Analysis of Oil Pumping in a Reciprocating Compressor,
International Compressor Engineering Conference at
Purdue, July 14-17, 2008.
Çap [m]
Krank mili boyu [m]
Hız [m/s]
Yoğunluk [kg/m3]
Hacimsel oran [kg/m3]
Yüzey gerilmesi [N/m]
Zaman [s]
Bond sayısı [(ρs-ρg)gL2/V@
Reynolds sayısı [vD/Q]
Ansys Fluent 14.0 Theory Guide, pp500-524, 2011.
TEŞEKKÜRLER
Bu çalışma SANTEZ-0134 “Buzdolaplarinda Kullanılan
Değişken Kapasiteli Hermetik Kompresörlerin Yeni
Nesil Yağlama Sisteminin Tasarımı ve Prototip Üretimi”
başlıklı proje çerçevesinde yapılan çalışmalardan elde
edilmiş olup projeyi destekleyen T.C. Bilim, Sanayi ve
Teknoloji Bakanlığı’na ve Arçelik A.Ş.’ye teşekkürü bir
borç biliriz.
KAYNAKLAR
Alves, M.V.C., Barbosa, J.R., Analytical and CFD
Modelling of The Fluid Flow in an Eccentric-Tube
Centrifugal Oil Pump for Hermetic Compressors,
International Journal of Refrigeration, 2012
1098
Download

hermetik bir kompresördeki yağ debisinin sayısal