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Tesi etd-09152016-105229


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
ROSSI, FERRUCCIO
URN
etd-09152016-105229
Title
MODELLAZIONE NUMERICA E SIMULAZIONE DI UN COMPRESSORE A DOPPIA VITE A SECCO
Struttura
INGEGNERIA DELL'ENERGIA, DEI SISTEMI, DEL TERRITORIO E DELLE COSTRUZIONI
Corso di studi
INGEGNERIA ENERGETICA
Supervisors
relatore Prof. Desideri, Umberto
Parole chiave
  • Simulazione
  • Modellazione numerica
  • Matlab
  • Compressore a doppia vite
  • AMESim
  • Solidworks
Data inizio appello
06/10/2016;
Consultabilità
Completa
Riassunto analitico
Il compressore a doppia vite è una macchina volumetrica rotativa impiegata nella compressione dei gas fino a moderate pressioni. Comprende una coppia di rotori accoppiati tra loro e controrotanti, sui quali sono presenti delle scanalature elicoidali. Un involucro avvolge le due viti con tolleranze molto strette. Esistono compressori a doppia vite funzionanti a secco, cioè senza lubrificazione interna, ma anche con iniezione di fluidi durante la fase di compressione, come per esempio l’acqua o l’olio.
La rapida accettazione dei compressori a vite in varie industrie nel corso degli ultimi trent’anni è dovuta alla loro relativamente elevata velocità di rotazione, che li rende compatti rispetto agli altri tipi di macchine volumetriche. Inoltre la capacità di mantenere elevati rendimenti in un ampio intervallo di pressioni di esercizio, oltre alla possibilità di trattare significative portate volumetriche con un ottima affidabilità ed una lunga vita operativa li rendono competitivi nello scenario industriale.
In questo lavoro di tesi è stato sviluppato un modello numerico a parametri concentrati, mediante l’utilizzo del codice numerico AMESim® per simulare un compressore a doppia vite a secco. Dopo un’indagine bibliografica, condotta per analizzare lo stato dell’arte della modellazione di questa macchina, sono state introdotte le equazioni del modello matematico generale, per comprendere i fattori che influenzano il funzionamento di questi compressori tra cui la possibile iniezione di olio.
Sono stati descritti i tre principali metodi di generazione dei profili dei rotori che sono stati riprodotti tramite modellazione solida, mediante l’utilizzo del software Solidworks®, al fine di ricavare l’effettiva legge di variazione del volume della camera, in quanto la trattazione analitica è risultata difficoltosa. Come risultato sono stati identificati gli andamenti delle aree dei corrispondenti trafilamenti in funzione dell’angolo di rotazione del rotore maschio che, inseriti in un’apposita tabella, sono stati forniti al modello numerico.
Il modello a parametri concentrati si basa su un algoritmo che inizialmente simula la condizione iniziale di partenza con le scanalature prive di aria per ottenere il raggiungimento del funzionamento in condizioni stazionarie. In quest’ultima condizione sono stati ricavati gli andamenti di pressione, temperatura e di tutti i flussi di massa per ogni camera (scanalatura). Il modello numerico prevede la simulazione, simultanea, di cinque scanalature (simulate con dieci camere), le quali rappresentano l’alternarsi continuo delle fasi di aspirazione, compressione e scarico del gas. Sono inoltre stati ricavati il ciclo ideale ed il ciclo reale del compressore ed il suo rendimento volumetrico in differenti situazioni di funzionamento e sotto parametri geometrici differenti. I risultati ottenuti dal modello numerico sono stati confrontati con quelli ricavati da prove sperimentali presenti su articoli in letteratura, mostrandosi in accordo. In tal modo, si può affermare che il modello ricavato durante questa attività possa ritenersi validato, anche se risulta molto semplificato data la natura preliminare dello studio del problema.

The twin-screw compressori s a positive displacement machine used for compressing gases until moderate pressures. It comprises a pair of rotors, which rotate in opposition, with helical grooves on them. A casing contains the two screws with narrow tolerances. There are twin-screw compressor operating without injection, namely without internal lubrification, but also with fluid injection during the compression phase, as for example water or oil.
The rapid acceptance of screw compressors in various industries over the past thirty years is due to their relatively high rotation speed, which makes them compact compared to other types of positive displacement machine. Furthermore, the ability to maintain high efficiency over a wide range of operating pressures in addition to the possibility of treating significant volumetric flow rates, with an excellent reliability and very long operational life, make them competitive in the industrial scenario.
In this thesis has been developed a numerical model with lumped parameters, through the use of the numeric code AMESim®, to simulate a dry twin-screw compressor. After a bibliographic survey, conducted to analyze the status of the art of the modeling of this machine, have been introduced the equations of the general mathematical model, to understand the factors that influence the operation of these compressors including the possible oil injection.
The three main methods of generating the profiles of the rotors have been described, which have been reproduced through solid modeling, through the use of Solidworks® software, in order to derive the actual law of variation of the volume of the chamber, in that the treatment analytical was difficult. As a result, the changes of the areas of the corresponding leakages as a function of the male rotor rotation have been identified, that inserted in a table, were supplied to the numerical model.
The lumped parameters model is based on an algorithm that simulates the initial condition of start with the grooves devoid of air to obtain the achievement of the operation in stationary conditions. In the latter condition, the pressure change, temperature and all mass flows were taken for each chamber (groove). The numerical model requires the simulation, simultaneous, of five grooves (simulated with ten chambers), which represent the continuous alternation of phases of intake, compression and discharge of the gas. They also were obtained the ideal cycle and the real cycle of the compressor and its volumetric efficiency at different operating situations and under different geometric parameters. The results obtained with the numerical model have been compared with those obtained from experimental tests present on articles in literature, showing itself in agreement. Thereby, it can be affirmed that the model obtained during this activity can be deemed validated, although it is greatly simplified because of the preliminary nature of the study of the problem.
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