Investigation of the carbon dioxide centrifugal compressor working process using computational fluid dynamics methods

Abstract

The article investigates the carbon dioxide (CO₂) centrifugal compressor using computational fluid dynamics (CFD). CO₂ centrifugal compressors are used in refrigeration and cryogenic systems, power plants with subcritical and transcritical cycles, including Brayton cycle.This work is a part of a research effort aimed at developing a methodology for calculating the gas-dynamic characteristics of centrifugal compressor stages in refrigeration systems. Themain objectives of the research are to inves-tigatethe three-dimensional viscous flow parametersof carbon dioxidein the centrifugal compressor flow path using CFD and to compare two approaches of taking into account the reality of gas during modelingcomparison.Key tasks included:centrifugal compressor CFD model replicating anexperi-mentally tested compressor geometry and operation, comparing simulated outputs against experimental data, total-to-total isentropic efficiency calculation.Tworealgas modeling approaches were evaluated: Ansys CFX’s built-in real gas models and external tables of CO₂ properties. The most significant results are the describing the features of the carbon dioxide centrifugal compressorworking process using both the built-in real gas models in Ansys CFX and importedtables of real gas properties and the demonstra-tion of satisfactory agreement between simulation and experiment.The significance of the obtained results lies in increasing the efficiency of carbon dioxide centrifugal compressors in process units of refrigerating, cryogenic and power systems. Compressors efficiency improvement is provided by devel-oped recommendations application for performance of working process CFD-modeling considering pe-culiarities of carbon dioxide in subcritical state in design calculations.

Articolul investighează compresorul centrifugal cu dioxid de carbon (CO₂) utilizând dinamica fluidelor computațională (CFD).Compresoarele centrifuge cu CO₂ sunt utilizate în sistemele de refrigerare și criogenice, centralele electrice cu cicluri subcritice și transcritice, inclusiv ciclul Brayton.Această lucrare face parte dintr-un efort de cercetare care vizează dezvoltarea unei metodologii pentru calcularea caracteristicilor gazodinamice ale treptelor compresorului centrifugal în sistemele de refrigerare.Principalele obiective ale cercetării sunt investigarea parametrilor vâscoși tridimensionali ai curgerii dioxidului de carbon în traseul de curgere al compresorului centrifugal utilizând CFD și compararea a două abordări de luare în considerare a realității gazului în timpul modelării comparative.Sarcinile cheie au inclus: modelul CFD al compresorului centrifugal care reproduce geometria și funcționarea unui compresor testate experimental, compararea rezultatelor simulate cu datele experimentale, calculul eficienței izentropice total-total.Au fost evaluate două abordări de modelare a gazelor reale: modelele de gaze reale încorporate în Ansys CFX și tabelele externe cu proprietățile CO₂.Cele mai semnificative rezultate sunt descrierea caracteristicilor procesului de funcționare a compresorului centrifugal cu dioxid de carbon, utilizând atât modelele reale de gaze încorporate în Ansys CFX, cât și tabelele importate cu proprietăți reale ale gazelor, precum și demonstrarea unei concordanțe satisfăcătoare între simulare și experiment.Semnificația rezultatelor obținute constă în creșterea eficienței compresoarelor centrifuge cu dioxid de carbon în unitățile de proces ale sistemelor frigorifice, criogenice și energetice.Îmbunătățirea eficienței compresoarelor este asigurată prin dezvoltarea de recomandări pentru aplicarea performanței modelării CFD a procesului de lucru, luând în considerare particularitățile dioxidului de carbon în stare subcritică în calculele de proiectare.

Статья посвящена исследованию центробежного компрессора для диоксида углерода методами вычислительной газодинамики(CFD). Центробежные компрессоры диоксида углерода применяются в составе холодильных и криогенных систем, энергетических установках с субкритическим и транскритическим циклами, включая цикл Брайтона. Данная работа является частью исследования, посвященного разработке методики расчета газодинамических характеристик ступеней центробежных компрессоров холодильных систем. Основной целью исследования является исследование параметров трехмерного вязкого потока диоксида углерода в проточной части центробежного компрессора методами вычислительной газодинамики и сравнение двух способов учета реальности газа при моделировании. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи. Выбран объект исследования –экспериментально испытанный центробежный компрессор диоксида углерода с данными на субкритических и сверхкритических режимах работы. Компрессор состоит из входного осевого патрубка, осерадиального рабочего колеса, безлопаточного диффузора, выходной улитки, свернутой набок. Разработана детальная CFD-модель центробежного компрессора диоксида углерода в программном комплексе AnsysCFX. Для проведения валидации заданы граничные условия, отражающие реальные условия работы компрессора. Проведен численный расчет рабочего процесса компрессора в стационарной постановке. Выполнено сравнение рассчитанных выходных параметров потока (давление, температура, расход) с экспериментальными значениями. Рассчитаны значения адиабатного КПД по полным параметрам центробежного компрессора. Наиболее важные результаты исследования заключаются в описании особенностей рабочего процесса центробежного компрессора диоксида углерода посредством использования встроенных в AnsysCFXмоделей реального газа и импортируемых таблиц реальных свойств газа. Значимость полученных результатов заключается в повышенииэффективности центробежных компрессоров диоксида углерода технологических установок холодильных, криогенных и энергетических систем. Повышение эффективности компрессоров обеспечивается применением на этапе проектных расчетов разработанных рекомендаций для проведения CFD-моделирования рабочего процесса, в данной части исследования учитывающих особенности диоксида углерода в субкритическом состоянии.