HERMETİK BİR KOMPRESÖRDEKİ YAĞ DEBİSİNİN SAYISAL İNCELENMESİ

Transkript

1 HERMETİK BİR KOMPRESÖRDEKİ YAĞ DEBİSİNİN SAYISAL İNCELENMESİ Mustafa ÖZSİPAHİ* Sertaç ÇADIRCI* ve Hasan GÜNEŞ* Kemal SARIOĞLU** ve Hüsnü KERPİÇÇİ** *İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi Gümüşsuyu, İstanbul, ** Arçelik A.Ş. Ar-Ge Merkezi, Akışkanlar Mekaniği Grubu, E-5 Yanyol Tuzla, İstanbul, 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 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 1093

2 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). 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 DENKLEMLER VE SAYISAL MODELLEME 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. ( l l) ( l lvl ) 0 t (1) ( v ) ( vv ) p ( ) g F t (2) Denklem (1) ikinci faza ait hacimsel oranı ( l 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 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 üçgen piramit (tetrahedral) hücreden oluşmaktadır. Çözüm için kritik olan katı cidarlarda ve yağ-akışkan arayüzünde hesaplama ağı sıklaştırılmıştır. 1094

3 Basınç Sınır Şartı Krank Mili Krank Gömleği Silindirik Karter Helisel Kanal *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/ ) 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 ( 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 Faz alanlarının zamanla değişimi 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 kg/m 3 ve kinematik viskozite 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 ( ; ; ; ve 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. Şekil 4. Yağ fazının zamana bağlı değişimi 1095

4 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 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 kg/m 3 ve kinematik viskozite 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 7. Krank mili ucundan çıkan kütlesel yağ debisinin farklı devirlerde zamana bağlı değişimi Viskozitenin etkisi Sayısal hesaplamalarda hermetik kompresörlerde kullanılan üç farklı yağın 40 C taki kinematik viskozite değerleri ( 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). Şekil 6. Krank mili girişindeki hız vektörleri ve basınç alanı 1096

5 3.5. Basınç ve faz çalkantıları Şekil 8. Krank mili ucundan çıkan kütlesel yağ debisinin farklı yağ viskoziteleri için zamana bağlı değişimi Yüzey gerilmesinin etkisi 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. (a) 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. 2 Bo (3) S G gl (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

6 Issa, R.I., Solution of the implicity discretized fluidflow equations by operator-splitting, J. Comput. Phys., vol. 62, pp ,1986. Kerpiççi, H., Yağcı, A., Onbaşıoğlu, S.U., Investigation of Oil Flow in a Hermetic Reciprocating Compressor, International Journal of Refrigeration, 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, Koçaş, M., Hermetic Reciprocating Compressor Modelling with KIVA 3V, İTÜ Bilişim Enst., 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. SEMBOLLER D Çap [m] L Krank mili boyu [m] v Hız [m/s] Yoğunluk [kg/m 3 ] Hacimsel oran [kg/m 3 ] Yüzey gerilmesi [N/m] t Zaman [s] Bo Bond sayısı [(ρ s -ρ g )gl 2 / Re Reynolds sayısı [vd/ ] 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 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, Popovic, P., Investigation and Analysis of Lubricant Effects on the Performance of an HFC-134a Refrigeration System, Iowa State University, Scardovelli, R., Zaleski, S., Direct Numerical Simulation of Free-Surface and Interfacial Flows, Annual Review of Fluid Mechanics, Ünal, Ş.B., Hermetik Pistonlu Kompresörlerde Yağlama, İTÜ Fen Bilimleri Enst., Yağcı, A., Değişken Kapasiteli Bir Kompresörde Minimum 1200 RPM de Sorunsuz Çalışabilen Kompresör Krank Mili Tasarımının Gerçekleştirilmesi, İTÜ Fen Bilimleri Enst., Yüzer, N.S., Buzdolabı Kompresörlerinde Yağlama Yağı-Soğutkan İlişkisinin İncelenmesi, İTÜ Fen Bilimleri Enst., Ansys Fluent 14.0 Theory Guide, pp , 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. 1098