Simulation of heat transfer in reciprocating compressors

In this thesis, heat transfer in reciprocating-type compressors is modelled, which is of relevance due to its applicability to hydrogen gas storage. This is of great interest in facilitating the energy transition. This work contains and shows an overview of the technical literature, along with equations of the heat loss models proposed by a few scholars, namely Annand, Woschni, Adair, Disconzi, and Aigner. Detailed information on the implementation of these models in MATLAB, using the REFPROP library to obtain fluid properties, is presented. Later, preliminary results from the simulations are compared with the literature models, to assess the validity of the current model implementation, in a small reciprocating-piston compressor for refrigeration applications. The working fluids analysed are R134a, carbon dioxide, and dry air. A case study on a larger hydrogen reciprocating-piston compressor is then presented, with a parametric analysis performed on the wall temperature. It is ascertained that heat transfer in compressors requires consideration, although its effect is small compared to the power required for compression.

In questa tesi è stato modellato lo scambio termico nei compressori alternativi a pistoni, aspetto rilevante con riferimento alla possibile applicazione alla compressione dell’idrogeno. Una volta introdotto un esauriente riassunto della letteratura tecnica, unitamente alle equazioni e ai modelli di dispersione termica proposti da Annand, Woschni, Adair, Disconzi e Aigner, si è passati all’implementazione dei modelli in ambiente MATLAB, tenendo conto delle proprietà dei fluidi reali grazie a REFPROP. Quindi si sono confrontati i risultati delle simulazioni con risultati da letteratura, per valutare la validità dei modelli implementati, in un piccolo compressore alternativo a pistone per refrigerazione. I fluidi di lavoro analizzati sono R134a, anidride carbonica e aria secca. Successivamente, si dettaglia un caso studio per un compressore alternativo a pistone, di taglia più grande, per compressione di idrogeno, sviluppando anche un’analisi parametrica sulla temperatura della parete. In conclusione, sebbene lo scambio termico nei compressori alternativi è meritevole di attenzione, influisce limitatamente sulla potenza di compressione.