Contribution to the improvement of scroll compressors operating under two-phase conditions

Supplying a scroll compressor with a two-phase oil-refrigerant mixture can, under certain circumstances, improve both machine and cycle performance. For instance, simulations of a heat pump operating with two-phase conditions at the compressor inlet indicate that supplying the compressor with a vapor quality of 40% can increase the coefficient of performance by 20%, assuming a compressor isentropic efficiency of 70%, due to a better matching of the temperature profiles within the condenser. These results, along with promising findings reported in the literature, motivate research on two-phase compression, in this case, using scroll compressors. To better understand the behavior of scroll compressors operating under two-phase conditions, numerical and experimental investigations are conducted. The validation of a deterministic model allows to identify the origin of the performance losses when decreasing the inlet vapor quality of the compressor. Based on these results, an optimized scroll compressor geometry is proposed, for which simulations indicate that an isentropic efficiency of 70% can be achieved, at a vapor quality of 50%, compared to 53% for one of the experimentally investigated compressors under similar operating conditions.  

Contribution à l'amélioration des compresseurs scroll fonctionnant en conditions diphasiques

Alimenter un compresseur scroll avec un mélange diphasique d'huile et de réfrigérant peut, dans certaines conditions, améliorer les performances de la machine ainsi que celles du cycle dans lequel il est intégré. Par exemple, dans le cadre de simulations réalisées sur une pompe à chaleur fonctionnant avec des conditions diphasiques à l'entrée du compresseur, on observe qu'un titre vapeur de 40% peut augmenter le coefficient de performance de 20%, en faisant l'hypothèse d'une efficacité isentropique du compresseur fixée à 70%. Cette amélioration est notamment liée à une meilleure correspondance des profils de température dans le condenseur de la pompe à chaleur. Ces résultats, ainsi que quelques travaux intéressants publiés dans la littérature, motivent l’étude de la compression diphasique, réalisée ici sur des compresseurs scroll. Afin d'améliorer la compréhension du comportement des compresseurs scroll en régime diphasique, des investigations numériques et expérimentales sont menées. La validation d’un modèle déterministe permet ensuite d’identifier l’origine des pertes de performance lorsque la qualité de vapeur d’entrée diminue.  Sur base de ces résultats, une géométrie de compresseur scroll optimisée est proposée, pour laquelle des simulations indiquent qu’une efficacité de 70% est atteignable pour une qualité de vapeur d’entrée de 50%, comparé a 53% pour un des compresseurs testés expérimentalement sous des conditions d’opération similaires. 

Jury Members

• S. GENDEBIEN, University of Liège, President;
• V. LEMORT, University of Liège, Supervisor;
• P. DEWALLEF, University of Liège;
• S. LECOMPTE, Ghent University;
• A. BRÜMMER, Dortmund University of Technology;
• C. THOMAS, Dresden University of Technology;
• E. WINANDY, OEM Solutions Development and Sales, Copeland;
• I. BELL, Commonwealth Fusion Systems.

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