The feasibility of an oil-free, motor-driven, two-stage centrifugal compressor supported by air bump bearings is investigated. This centrifugal compressor is driven by a 75 kW motor at an operating speed of 39,000 RPM, and a pressure ratio of the compressor is set up to 4. The analysis is performed by using bearing equilibrium position, heaving stillness, Campbell diagram, unbalance response, and stability. It is demonstrated in this paper that air bump bearings can be adopted well to an oil-free, motor-driven, centrifugal compressor. Specially, Cu-coated bump bearings have enough damping force to reduce a synchronous unbalance for rigid modes of the two-stage compressor. Futhermore, this concept may be applied to the flexible rotor system such as high speed turbomachinery with a super critical speed.
In this paper, cycle performance analysis of R744($CO_2$) two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system is presented to offer the basic design data for the operating parameters of the system. The operating parameters considered in this study include superheating degree, compressor efficiency, gas cooling pressure, mass flowrate ratio, outlet temperature of gas cooler and evaporating temperature in the carbon dioxide two-stage refrigeration cycle. The main results were summarized as follows : The cooling capacity of two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system increases with the increasing superheating degree, compressor efficiency and gas cooling pressure, but decreases with the increasing mass flowrate ratio and evaporating temperature. The compression work of two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system increases with the increasing superheating degree, outlet temperature of gas cooler, gas cooling pressure and evaporating temperature, but decreases with the increasing compressor efficiency and mass flowrate ratio. The COP of two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system increases with the increasing compressor efficiency, but decreases with the increasing superheating degree, gas cooling pressure, mass flowrate ratio and evaporating temperature. Therefore, superheating degree, compressor efficiency, gas cooling pressure, mass flowrate ratio, outlet temperature of gas cooler and evaporating temperature of R744($CO_2$) two-stage compression and one-stage expansion refrigeration system have an effect on the cooling capacity, compressor work and COP of this system.
International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration
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v.17
no.3
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pp.107-113
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2009
The objective of this study is to investigate performance characteristics of a household refrigerator using a two-stage compression cycle. The performance of the two-stage compression cycle was measured by varying the compressor speed, condensing temperature, and evaporating temperature. The COP of the two-stage compression cycle was analyzed and then compared with that of the single-stage compression cycle. The optimum combination of compressor speeds for a low- and a high-stage was determined. The COP of the two-stage compression cycle using a PTC (parallel two-stage compression) method was 5.85% higher than that of a STC (serial two-stage compression) method at optimum operating conditions.
Recently, focus has been drawn on natural refrigerants due to increasing concern on global warming. As a consequence, CO2 systems such as a heat pump water heater using CO2 as a refrigerant are rapidly growing on the market. Currently, rolling piston rotary compressors are widely used for CO2 heating and/or refrigeration systems. There are several ways of realizing gas compression structure. They are single stage compression with single cylinder, single stage compression with two cylinders, and two stage compression with two cylinders. In this paper, computer simulation program which was validated for a single stage rotary compressor with one cylinder has been extended for a single stage, two cylinder rotary type. Numerical investigation has been made on optimal design for the cylinder configuration using the extended simulation program. For a single stage two cylinder rotary compressor having a displacement volume of 4 cc for each cylinder, compressor efficiency has been found to be maximum when the cylinder radius and height are 31mm and 10mm, respectively.
As one way of design optimization of two-stage two-cylinder rotary compressor used for R410A heat pump application, displacement volume ratio, being defined by the ratio of the second stage cylinder volume to that of the first stage, has been varied and its effect on the compressor performance has been investigated by a computer simulation program. For simplicity, only the cylinder height of the second stage was varied to change the volume ratio. With increasing the volume ratio in the range of VR=$0.55{\sim}0.9$, volumetric efficiency increased monotonically, but adiabatic efficiency showed a maximum at around VR=0.6. Mechanical efficiency was little influenced by the volumetric ratio. As a consequence, maximum improvement of the compressor performance was found at around VR=0.7. Compared to a one-stage two-cylinder rotary compressor with about the same cooling capacity, COP improvement was about 6.96%.
Kim, Woo-Young;Shim, Jae-Hwi;Lee, Yong-Ho;Kim, Hyun-Jin
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.10
no.2
s.41
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pp.16-21
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2007
Potential advantages of using vapor injection in a two stage rotary compressor for a $CO_2$ heat pump water heater system were addressed in this paper by numerical simulation. Vapor separated from a flash tank in the middle of the expansion process can be used for injection into the second stage suction plenum of the compressor to improve the system performance. Vapor injection increases the intermediate pressure between the two stages, thus increasing the first stage compressor work and reducing that of the second stage. As a whole, however, the compressor input power increases due to injected mass flow rate for the second stage. Computer simulation showed that increment of the cooling capacity by vapor injection exceeded that of the compressor work, thus improving the system performance. COP improvement by vapor injection was calculated to be about 5-14% for normal operating conditions. With vapor injection, a maximum COP was found when the displacement volume of the second stage becomes 90-95% of that of the first stage of the compressor.
Kim, Woo-Young;Ahn, Jong-Min;Kim, Hyun-Jin;Cho, Sung-Oug
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.19
no.1
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pp.19-27
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2007
Analytical investigation on the performance of a two stage twin rotary compressor for $CO_2$ heat pump water heater system has been carried out. A computer simulation program was made based on analytical models for gas compression in control volumes, leakages among neighboring volumes, and dynamics of moving elements of the compressor. Calculated cooling capacity, compressor input, and COP were well compared to those of experiments over the compressor speeds tested. For the operating condition of suction pressure of 3 MPa, and discharge pressure of 9 MPa, and compressor inlet temperature of $35^{\circ}C$, the compressor efficiency was calculated to be 80.2%: volumetric, adiabatic, and mechanical efficiencies were 88.3%, 93.2%, and 92.7%, respectively. For the present compressor model, volumetric and adiabatic efficiencies of the second stage cylinder were lower by about $6{\sim}7%$ than those of the first stage mainly due to the smaller discharge port at the second stage. Parametric study on the discharge port size showed that the compressor performance could be improved by 3.5% just by increasing the discharge port diameter by 20%.
The feasibility of a oil-free motor-driven two-stage centrifugal compressor supported by air bump bearings is investigated. This centrifugal compressor is driven by 75kW motor at an operating speed of 39,000RPM md a pressure ratio of the compressor is up to 4. The analysis is performed, based upon bearing equilibrium position, bearing stiffness, Campbell diagram, unbalance response and stability. It is demonstrated in this paper that air bump bearings can be adopted well to a oil-free motor-driven centrifugal compressor.
The paper presents the optimal design of a oil-free two-stage compressor, which is driven by 75 kW motor at an operating speed of 39,000 rpm, and the pressure ratio of which is up to 4. First, an attempt is made to obtain the optimal design of a bump bearing which supports a compressor rotor. Second, bump bearings and shaft are considered simultaneously, and the weighted sum of rotor weight and frictional torque is minimized. Finally, the optimal geometry of compressor wheel is considered. The mean efficiency and the - minimum efficiency are maximized respectively. The results presented in this paper provide important design information necessary to reduce the energy loss.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.05a
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pp.936-941
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2001
This paper deals with the design of oil-tree motor-driven two-stage centrifugal compressor supported by air-lubricated multi-leaf foil bearings. The design of this compressor is performed, based upon prediction of critical speeds, load capacity, and stability. It is demonstrated in this paper that multi-leaf foil bearings can be adopted to satisfactorily support this centrifugal compressor.
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