Study of Compression Stages and Cylinder Arrangements for Reciprocating Air Compressor: A Modelling and Simulation Approach

Abstract

En modell av en stempelkompressor er utviklet for å studere kompresjonstrinn og sylinderarrangement. Bond-graf metoden er valgt til å utvikle en to-sylindret stempelkompressor med fokus på det termodynamiske og mekaniske.

Denne modellen har blitt skalert for å utforske andre kompressorkonfigurasjoner, sylinderarrangement og driftsforhold. Tre-sylindret, tre-trinns og fire-sylindret, fire-trinns kompressormodeller med forskjellige sylinderarrangementer og driftsforhold har blitt evaluert og sammenlignet med referansemodellen.

Referansemodellen, en to-sylindret, to-trinns modell, er justert basert på eksperimentelle målinger. Kompresjonstemperaturer og ubalanserte krefter simuleres for to- sylindret, tre-sylindret og fire-sylindret modeller med ulike sylinderarrangementer og driftsforhold. Endringen i driftsforhold er knyttet til trykkøkning og endring i hastighet. Tre forskjellige hastigheter, 1000 RPM, 1500 RPM og 1800 RPM har blitt simulert.

Denne oppgaven har som mål å forstå implikasjonene og begrensningene ved å skalere en referanse modell til andre modellkonfigurasjoner og sylinderarrangementer. Når kompleksiteten av modellene økes, avviker resultatene mer sammenlignet med referansemodellene. Endring av driftsforhold påvirker både den termodynamiske og mekaniske modellen. Resultatene viser at den termodynamiske modellen er mer krevende å skalere sammenlignet med den mekaniske del av modellen.

A model of a reciprocating air compressor has been developed to study compression stages and cylinder arrangements. Bond graph method is used to develop a two-cylinder reciprocating compressor with a focus on thermodynamic and mechanical.

This model has been scaled to explore other compressor configurations, cylinder arrangements and operational conditions. Three-cylinder, three-stage and four-cylinder, four stage compressor models with different cylinder arrangements and operational conditions are evaluated and compared against the reference model.

The reference model, a two-cylinder, two-stage model, is adjusted based on experimental measurements. Compression temperatures and unbalanced forces are simulated for two-cylinder, three-cylinder and four-cylinder models with different cylinder arrangements and operational conditions.

The change in operational condition is related to pressure increase and a change in speed. Three different speeds, 1000 RPM, 1500 RPM and 1800 RPM have been simulated.

This thesis aims is to understand the implications and limitations of scaling a reference model to other model configurations and cylinder arrangements. When the complexity of models is increased the results deviate more compared to the reference models. Change in operational conditions has effects on both the thermodynamic and mechanical. The results showed that the thermodynamic part is more challenging to scale compared to the mechanical part of the model.