Analisi CFD di un Compressore Scroll operante con una miscela aria-olio lubrificante

Negli ultimi decenni i compressori volumetrici, in particolare quelli di tipo Scroll, hanno guadagnato una grande popolarità in moltissime applicazioni, come la climatizzazione di autovetture, di edifici e la compressione dell’aria in ambienti industriali. Il loro successo deriva dalle loro caratteristiche distintive: gli Scroll vantano infatti un’efficienza globale molto elevata, un alto grado di affidabilità e una bassa rumorosità durante il funzionamento. Il processo di compressione in un compressore Scroll avviene mediante la progressiva riduzione del volume delle camere che ospitano il fluido aeriforme. Questo avviene grazie al movimento orbitale di una spirale all'interno di un'altra, spostando il fluido verso il centro del compressore e successivamente espellendolo assialmente. Inoltre, in moltissime applicazioni oltre al gas viene fatto circolare anche olio lubrificante perché migliora la tenuta, asporta calore dal compressore e lubrifica le superfici. Tuttavia, la loro popolarità non è stata accompagnata nel tempo da un adeguato studio del loro comportamento fluidodinamico, in letteratura tutt’oggi sono scarse le informazioni reperibili sui compressori Scroll sia per quanto riguarda le simulazioni monofasiche che bifasiche. Il presente elaborato di Tesi Magistrale si propone quindi l’obiettivo di analizzare il comportamento fluidodinamico di un compressore di tipo Scroll mediante simulazioni CFD effettuate con Ansys CFX in presenza di tracce d’olio all’interno del flusso. Per discretizzare il dominio è stato utilizzato il software TwinMesh che ha permesso l’ottenimento di una mesh dinamica specifica per la geometria analizzata. Al fine di valutare le caratteristiche prestazionali del compressore Scroll in esame in presenza di olio, è stato scelto l’aria come fluido operativo e sono state effettuate numerose simulazioni variando la concentrazione d’olio immessa all’interno del dominio. Il modello k-ω SST è stato considerato come modello di turbolenza, mentre l’accoppiamento tra le due fasi (aria ed olio) è stato riprodotto tramite il modello multifase Mixture Model. I risultati delle simulazioni hanno portato alla luce una serie di differenze in termini prestazionali. È stato infatti dimostrato che l’aggiunta di particelle d’olio disperse provoca una diminuzione della temperatura del fluido in uscita proporzionale alla frazione volumetrica d’olio circolante, la quale genera un aumento significativo del rendimento isoentropico della macchina. Inoltre, è stato dimostrato anche che l’aggiunta dell’olio non apporta modifiche sensibili al coefficiente di riempimento della macchina e che la politropica che descrive la trasformazione di compressione all’interno dello scroll, all’aumentare della frazione d’olio circolante, presenta un esponente n che si avvicina significativamente a quello della trasformazione isoentropica di riferimento (γ = 1.4) all’aumentare della frazione di olio circolante.