Untersuchung von Verbesserungspotentialen hermetischer Kolbenkompressoren mit Hilfe numerischer Methoden

Johann Wilfried Hopfgartner

Publikation: StudienabschlussarbeitDissertationForschung

Abstract

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.
Originalsprachedeutsch
QualifikationDoktor der Technik
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Almbauer, Raimund, Betreuer
Datum der Bewilligung18 Dez 2017
PublikationsstatusEingereicht - 29 Nov 2017

Dies zitieren

Untersuchung von Verbesserungspotentialen hermetischer Kolbenkompressoren mit Hilfe numerischer Methoden. / Hopfgartner, Johann Wilfried.

2017. 158 S.

Publikation: StudienabschlussarbeitDissertationForschung

@phdthesis{c71d9e87dd094ae2ac97e79e83c5f8b7,
title = "Untersuchung von Verbesserungspotentialen hermetischer Kolbenkompressoren mit Hilfe numerischer Methoden",
abstract = "Um die Leistungszahl hermetischer Hubkolbenkompressoren f{\"u}r Haushaltsk{\"u}hlger{\"a}te zu verbessern, wird in deren Entwicklung neben Experimenten vermehrt auf Simulationen gesetzt. Diese bilden ein wichtiges Instrument, um einerseits komplexe Zusammenh{\"a}nge besser zu verstehen und andererseits Verbesserungsma{\ss}nahmen zuverl{\"a}ssiger bewerten zu k{\"o}nnen.Als {\"a}u{\ss}erst kritische Bauteile haben sich die druckgesteuerten Flatterventile erwiesen. Diese kosteng{\"u}nstigen Blechbl{\"a}ttchen haben einen wesentlichen Einfluss auf Schallemissionen, Lebensdauer und Leistungszahl des Kompressors. Speziell das Saugventil birgt ein gro{\ss}es Verbesserungspotential in sich. Bleibt das Druckventil w{\"a}hrend der Aussto{\ss}phase durchgehend ge{\"o}ffnet, so f{\"u}hrt das Saugventil eine schwingende Bewegung aus. Durch diese Schwingbewegung schl{\"a}gt das Ventil mehrmalig w{\"a}hrend einer Saugphase auf den Ventilsitz auf, was sich sowohl als Druckschwankung als auch Ger{\"a}uschemission bemerkbar macht. Die damit verbundenen Str{\"o}mungsverluste 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 Str{\"o}mungsverluste. Dazu wird die K{\"a}ltemittelstr{\"o}mung durch den hermetischen Kompressor mittels dreidimensionaler CFD-Simulation berechnet, wobei die gegenseitige Beeinflussung von Str{\"o}mung und Ventildynamik ber{\"u}cksichtigt wird. Vor allem f{\"u}r die Berechnung des Saugventils muss ein Ansatz gew{\"a}hlt werden, der sowohl die genaue Ventilbewegung als auch s{\"a}mtliche am Ventil angreifenden Kr{\"a}fte (Vorspannung, {\"O}lklebekr{\"a}fte, Kontakt, usw.) modellieren kann. F{\"u}r diese Arbeit wurde ein auf der Finite-Elemente-Methode basierendes Programm erstellt, da kein kommerzielles Strukturberechnungsprogramm zur Verf{\"u}gung steht, das s{\"a}mtlichen Anforderungen gerecht wird. Dieses Programm ist f{\"u}r 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 {\"u}berpr{\"u}ft. Anschlie{\ss}end werden mit diesem Modellierungsansatz Ma{\ss}nahmen zur Verringerung von Str{\"o}mungsverlusten durch das Saugventil untersucht und diese hinsichtlich Effizienzsteigerung und Wirtschaftlichkeit bewertet.",
author = "Hopfgartner, {Johann Wilfried}",
year = "2017",
month = "11",
day = "29",
language = "deutsch",

}

TY - THES

T1 - Untersuchung von Verbesserungspotentialen hermetischer Kolbenkompressoren mit Hilfe numerischer Methoden

AU - Hopfgartner, Johann Wilfried

PY - 2017/11/29

Y1 - 2017/11/29

N2 - 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.

AB - 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.

M3 - Dissertation

ER -