[en] Supplying a scroll compressor with a two-phase oil-refrigerant mixture can, under certain circumstances, improve both machine and cycle performance. For instance, simulations of a heat pump operating with two-phase conditions at the compressor inlet indicate that supplying the compressor with a vapor quality of 40% can increase the coefficient of performance by 20%, assuming a compressor isentropic efficiency of 70%, due to a better temperature profiles matching within the condenser. These results, along with promising findings reported in the literature, motivate research on two-phase compression, in this case, using scroll compressors.
To better understand the behavior of scroll compressors operating under two-phase conditions, numerical and experimental investigations are required. First, a modeling methodology for two-phase oil-refrigerant mixtures is required to describe their behavior during compression. Several mixture property models are proposed and validated against experimental data. These property models are applied to formulate the "desolubilization" assumption, which eliminates the dependence among pressure, temperature, and vapor quality when oil is present in the mixture and consequently simplifies the subsequent numerical calculations.
Experimental investigations are carried out using a test bench dedicated to measuring the performance of compressors under controlled two-phase operating conditions. Four experimental campaigns are performed using a retrofitted compressor and a lab-scale prototype designed for two-phase applications. This lab-scale prototype includes an integrated dynamic pressure sensor, enabling partial acquisition of the pressure-volume diagram and improved validation of the model. The results are analyzed with respect to five operating variables: inlet pressure and vapor quality, pressure ratio, compressor speed, and oil circulation ratio. The results show a significant decrease in compressor performance with decreasing vapor quality.
Finally, a deterministic compressor model incorporating several physics-based features is developed and validated against experimental measurements of power consumption, mass flow rate, and pressure evolution (for the prototype). The model shows good agreement with experiments, with average relative deviations below 3.2% for the prototype and 4.45% for the retrofitted compressor. Performance analyses are then carried out to eventually propose an optimized scroll compressor geometry featuring improved sealing, reduced friction, a larger discharge port and a larger compressor size. Simulations indicate that this design can reach an isentropic efficiency close to 70% at a vapor quality of 50%, compared to 53% for the prototype under similar conditions. [fr] Alimenter un compresseur scroll avec un mélange diphasique d’huile et de réfrigérant peut, dans certaines conditions, améliorer les performances de la machine ainsi que celles du cycle dans lequel il est intégré. Par exemple, dans le cadre de simulations réalisées sur une pompe à chaleur fonctionnant avec des conditions diphasiques à l’entrée du compresseur, on observe qu’un titre vapeur de 40% peut augmenter le coefficient de performance de 20%, en faisant l’hypothèse d’une efficacité isentropique du compresseur fixée à 70%. Cette amélioration est notamment liée à une meilleure correspondance des profils de température dans le condenseur de la pompe à chaleur. Ces résultats, ainsi que quelques travaux intéressants publiés dans la littérature, motivent l’étude de la compression diphasique, réalisée ici sur des compresseurs scroll.
Afin d’améliorer la compréhension du comportement des compresseurs scroll en régime diphasique, des investigations numériques et expérimentales sont menées. Une approche de modélisation des mélanges diphasiques huile-réfrigérant est tout d’abord développée afin de décrire leur comportement au cours de la compression. Plusieurs modèles de propriétés du mélange sont proposés et validés à l’aide de données expérimentales. Ces modèles permettent notamment de formuler l’hypothèse de « désolubilisation », qui élimine la dépendance entre pression, température et qualité de vapeur lors de la présence d’huile dans le mélange, simplifiant ainsi les calculs numériques ultérieurs.
Des essais expérimentaux sont ensuite réalisés à l’aide d’un banc d’essai dédié à l’étude des performances de compresseurs, tout en contrôlant les conditions diphasiques auxquelles ils sont soumis. Quatre campagnes expérimentales sont menées sur un compresseur commercial et un prototype spécifiquement conçu pour fonctionner en régime diphasique. Ce prototype est équippé d’un capteur de pression dynamique permettant l’acquisition partielle du diagramme pression-volume ainsi qu’une validation plus précise du modèle. Les résultats sont analysés en fonction des cinq variables de fonctionnement : la pression et la qualité de vapeur à l’entrée, le rapport de pression, la vitesse du compresseur et le taux de circulation d’huile. Les résultats montrent une diminution significative des performances lorsque le titre vapeur diminue.
Pour terminer, un modèle déterministe du compresseur intégrant un grand nombre de contributions physiques liées au régime diphasique est développé et validé à partir de mesures expérimentales de puissance à l’arbre, de débit massique et d’évolution de la pression (pour le prototype). Les prédictions du modèle sont en accord avec les mesures expérimentales, avec des erreurs relatives moyennes inférieures à 3.2% pour le prototype et à 4.45% pour le compresseur commercial. Des analyses des performances sont ensuite réalisées, pour finalement proposer une géométrie optimisée de compresseur scroll, caractérisée par une meilleure étanchéité, une réduction des frottements, un orifice de refoulement plus grand et une taille de compresseur plus importante. Les simulations indiquent que cette conception pourrait atteindre un rendement isentropique proche de 70% pour un titre vapeur de 50%, contre 53% pour le prototype dans des conditions similaires.
Disciplines :
Mechanical engineering
Author, co-author :
Leclercq, Nicolas ; Université de Liège - ULiège > Aérospatiale et Mécanique (A&M)
Language :
English
Title :
Contribution to the improvement of scroll compressors operating under two-phase conditions
Defense date :
16 June 2026
Number of pages :
282
Institution :
ULiège - University of Liège [Faculty of Applied Sciences]
Degree :
Doctor of Philosophy (PhD) in Engineering Science
Promotor :
Lemort, Vincent ; Université de Liège - ULiège > Département d'aérospatiale et mécanique > Thermodynamique appliquée
President :
Gendebien, Samuel ; Université de Liège - ULiège > Aérospatiale et Mécanique (A&M)
Jury member :
Bell, Ian; Commonwealth Fusion Systems
Dewallef, Pierre ; Université de Liège - ULiège > Département d'aérospatiale et mécanique > Systèmes de conversion d'énergie pour un dévelopement durable
Lecompte, Steven; Ghent University > Department of Electromechanical, Systems and Metal Engineering
Brümmer, Andreas; Dortmund University of Technology > Chair of Fluidics
Thomas, Christiane; Dresden University of Technology > Schaufler Chair of Refrigeration, Cryogenics and Compressor Technology
Winandy, Eric; Copeland > OEM Solutions Development and Sales
Development Goals :
9. Industry, innovation and infrastructure
European Projects :
H2020 - 851541 - REGEN-BY-2 - Next REnewable multi-GENeration technology enabled by TWO-phase fluids machines
