Internal flow and valve dynamics in a reciprocating compressor

Abstract

Die Strömung in einem Koblenkompressor wird durch die Bewegung des Kolbens und durch das Öffnen und Schließen der Ventile hervorgerufen. Vor allem die Wechselwirkung von Druckwellen mit der Ventilbewegung bestimmt die auftretenden Strömungsformen.<br />Die vorliegende Dissertation liefert ein genaues aber einfaches numerisches Verfahren um die Innenströmung und die Ventildynamik zu berechnen. Dabei erstreckt sich das betrachtete Rechengebiet von den Ventilen der Saugseite bis zur Druckkammer des Kompressors auf der Auslassseite. Für die mathematische Beschreibung des Strömungsfeldes werden quasi eindimensionale Eulergleichungen verwendet. Bei Kompressoren mit mehr als zwei Ventilen wird hingegen ein zweidimensionales Modell eingeführt um den Einfluss mehrerer Ventiltaschen zu berücksichtigen. Obwohl die Energiegleichungen bei den Eulergleichungen durch die Isentropenbeziehung ersetzt werden, werden Druckverluste an Sprüngen des Strömungsquerschnittes mit Hilfe von Verlustkoeffizienten eingerechnet. Verschiedene Randbedingungen vervollständigen das mathematische Strömungsmodell. Für die Ventilbewegung wird das Modell von Costagliola dahingehend modifiziert, dass auch Druckwellen im Zylinder berücksichtigt werden können.<br />Die resultierenden Gleichungssysteme werden mit Hilfe finiter Volumenverfahren von Le Veque, Mac-Cormack, Lax, Wendroff und Friedrichs gelöst. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf die Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren gerichtet.<br />Schließlich wurden Messungen an einem Testkompressor mit zwei Ventilen von Burckhardt Compression (Schweiz) durchgeführt. Vergleiche mit den numerischen Lösungen zeigen, dass die wichtigsten physikalischen Effekte genau beschrieben werden und daher sowohl die Strömungsform als auch die Ventilbewegung gut bestimmbar sind. Zusätzlich wurden die Messergebnisse eines Kompressors mit acht Ventilen von Ariel (USA) mit der Lösung des zweidimensionalen Modells verglichen. Hier werden die von der Simulation vorhergesagten komplizierten Wellensysteme von der Messung bestätigt.

The gas flow inside a reciprocating compressor is the result of the oscillating piston motion and the opening and closing of the valves.<br />Above all, the interaction of pressure waves with the valve motion determines the present flow patterns. This thesis provides an accurate but simple numerical model capable of calculating internal flows and valve dynamics in a reciprocating compressor. The considered computational domain extends from the valves of the suction side to the pressure chamber of the discharge side. Quasi one-dimensional Euler equations are employed to describe the gas flow.<br />However, in case of cylinders with more than two valves two-dimensional models are introduced to account for the effects of multiple valve pockets. Although the energy equation is replaced by the isentropic condition, pressure losses at sudden changes of flow cross-section are taken into account by means of loss coefficients. Different kinds of boundary conditions complete the mathematical model of the gas flow. The valve dynamics are described by a modified Costagliola-model which takes pressure waves in the cylinder into account. In order to solve the governing systems of equations finite volume methods from LeVeque, Mac-Cormack, Lax, Wendroff and Friedrich are employed and their advantages highlighted. Finally measurements have been carried out on a test compressor with two valves from Burckhardt Compression (Switzerland). Comparisons with the results of the quasi-one-dimensional model show that main physical effects are described accurately and thus both, gas flow in the compressor and valve motion can be predicted well. In addition the measurement results of a compressor from Ariel (USA) with eight valves are compared to the solution of the quasi two-dimensional model. Here the complicated two-dimensional wave pattern inside the cylinder and valve motion agrees well with the measurement data.