cComprex: a code for centrifugal compressor performance prediction and its application in the design of refrigeration machines

Accurate performance prediction of the centrifugal compressor is crucial during the preliminary design phase in order to conclude successfully the whole design process. An accurate performance estimation is based on the analysis of the different loss contributions reducing compression efficiency in such machines. Primary task is to understand phenomenology and physics behind the losses in order to identify a set of independent loss mechanisms. Then the development of loss correlations establish a link between geometrical, fluid dynamic and thermodynamic variables and the actual efficiency reduction. In this work an energetic methodology capable, given the geometry of the machine, to estimate its performance. This method is based on a mean flow computation and implemented in a FORTRAN code named cComprex. Results given by this code are then validated through comparison with experimental data sets coming from the centrifugal compressor present in Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine at Politecnico di Milano and from a centrifugal compressor developed at Sandia National Laboratories. Subsequently a compression problem regarding a refrigerating cycle is faced. Due to its toxicity the current working fluid present in the cycle, R245FA, have to be replaced with a safer one: R1233ZD. Current machine providing the required pressure rise is a displacement compressor, its efficiency is low estimated around 37 %. The feasibility of the substitution of the current displacement compressor with a new centrifugal one, which is statistically more efficient, is studied. Increasing the compressor efficiency in the cycle directly improve its performance increasing the Coefficient of Performance. The analysis of this problem have been faced through a design procedure based on the code developed in the first part of the work.

Stimare accuratamente le prestazioni del compressore centrifugo è essenziale durante la sua fase di design preliminare al fine di concludere con successo il suo progetto. Un’accurata stima passa dall’analisi dei differenti contributi di perdita che riducono l’efficienza della compressione in tale macchina. Obiettivo primario è comprendere la fenomenologia e la fisica dietro tali perdite al fine di identificare un set di meccanismi di perdita indipendenti. Successivamente lo sviluppo di correlazioni stabilisce un legame tra variabili geometriche, fluidodinamiche e termodinamiche e la reale riduzione dell’efficienza. In questo lavoro viene sviluppato un metodo di tipo energetico che, basandosi su un calcolo a flusso medio, stima le prestazioni di un compressore centrifugo data la sua geometria. Il metodo è stato implementato su un codice FORTRAN denominato cComprex. I risultati generati dal codice vengono successivamente validati tramite dati sperimentali del compressore centrifugo presente presso il Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine del Politecnico di Milano e con i dati provenienti da un compressore centrifugo progettato dai laboratori SANDIA. Successivamente viene affrontato un problema di compressione riguardante un ciclo frigorifero. A causa dell’elevata tossicità il fluido attuale presente nel ciclo (R245FA) deve essere sostituito con uno nuovo R1233ZD. La macchina attualmente presente in tale ciclo è un compressore volumetrico la sua efficienza è bassa, stimata attorno al 37%. Viene studiata la fattibilità della sostituzione di tale compressore volumetrico con un centrifugo, ritenuto statisticamente una macchina più efficiente. Aumentare l’efficienza di compressione implica aumentare il Coefficiente di Prestazione del ciclo frigorifero. L’analisi di questo problema è stata affrontata mediante un procedimento che coinvolge il codice sviluppato nella prima parte del lavoro.