Untersuchung von Verbesserungspotentialen hermetischer Kolbenkompressoren mit Hilfe numerischer Methoden

Um die Leistungszahl hermetischer Hubkolbenkompressoren für Haushaltskühlgeräte zu verbessern, wird in deren Entwicklung neben Experimenten vermehrt auf Simulationen gesetzt. Diese bilden ein wichtiges Instrument, um einerseits komplexe Zusammenhänge besser zu verstehen und andererseits Verbesserungsmaßnahmen zuverlässiger bewerten zu können.
Als äußerst kritische Bauteile haben sich die druckgesteuerten Flatterventile erwiesen. Diese kostengünstigen Blechblättchen haben einen wesentlichen Einfluss auf Schallemissionen, Lebensdauer und Leistungszahl des Kompressors. Speziell das Saugventil birgt ein großes Verbesserungspotential in sich. Bleibt das Druckventil während der Ausstoßphase durchgehend geöffnet, so führt das Saugventil eine schwingende Bewegung aus. Durch diese Schwingbewegung schlägt das Ventil mehrmalig während einer Saugphase auf den Ventilsitz auf, was sich sowohl als Druckschwankung als auch Geräuschemission bemerkbar macht. Die damit verbundenen Strömungsverluste haben einen erheblichen Anteil an den thermodynamischen Verlusten im Kompressor und stehen deshalb im Fokus dieser Arbeit.
Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der durch das Saugventil verursachten Strömungsverluste. Dazu wird die Kältemittelströmung durch den hermetischen Kompressor mittels dreidimensionaler CFD-Simulation berechnet, wobei die gegenseitige Beeinflussung von Strömung und Ventildynamik berücksichtigt wird. Vor allem für die Berechnung des Saugventils muss ein Ansatz gewählt werden, der sowohl die genaue Ventilbewegung als auch sämtliche am Ventil angreifenden Kräfte (Vorspannung, Ölklebekräfte, Kontakt, usw.) modellieren kann. Für diese Arbeit wurde ein auf der Finite-Elemente-Methode basierendes Programm erstellt, da kein kommerzielles Strukturberechnungsprogramm zur Verfügung steht, das sämtlichen Anforderungen gerecht wird. Dieses Programm ist für kinetische, nichtlineare Strukturberechnungen konzipiert und wird mit einem kommerziellen CFD-Programm gekoppelt. Mithilfe von Messungen wird in einem weiteren Schritt die Eignung des gesamten Simulationsmodells überprüft. Anschließend werden mit diesem Modellierungsansatz Maßnahmen zur Verringerung von Strömungsverlusten durch das Saugventil untersucht und diese hinsichtlich Effizienzsteigerung und Wirtschaftlichkeit bewertet.