Doctoral Thesis

Heat transfer in a reciprocating compressor

Final Thesis 4.64 MB

Author of thesis: Ing. Patrik Rapta, Ph.D.

Acad. year: 2026/2027

Supervisor: prof. Ing. Miroslav Jícha, CSc.

Reviewers: prof. Ing. Václav Dvořák, Ph.D., prof. Ing. Michal Masaryk, Ph.D.

Abstract:

The heat exchanged between the gas and the cylinder wall superheats the suction charge and lowers the volumetric efficiency of a reciprocating compressor. This heat transfer is routinely predicted by dimensionless correlations some of which are calibrated on internal combustion engines, which have not been tested directly against the instantaneous in-cylinder flux of a running compressor they are meant to reproduce. The instantaneous in-cylinder heat flux of a small air compressor was therefore measured directly over several pressure ratios, to identify the fluxes, to determine the heat transfer coefficients on selected surfaces, and to assess five published correlations. The surface temperature was recorded with flush-mounted coaxial thermocouples at the valve plate and at two liner positions. The heat flux was recovered through the semi-infinite-solid solution, and the gas temperature was reconstructed from the cylinder pressure with a self-consistent energy balance. The flux reaches tens of kilowatts per square metre and exceeds one hundred at the valve plate. It changes direction at least twice in each revolution and on average carries heat from the wall into the gas, superheating the charge by 35 to 85 K. The heat transfer coefficient is recovered reliably only as a two-term quantity with a magnitude and a phase, because the flux lags the gas-to-wall temperature difference. None of the five correlations reproduces the flux without refitting, and refitting reaches only a common residual floor set by the phase structure of the flux. The analysis also quantified the gas leakage and the suction-line acoustic resonance. The work is the first direct, crank-angle-resolved validation of in-cylinder heat-transfer correlations on a running compressor and shows that the quasi-static coefficient cannot represent the measured phase lag.

Keywords:

reciprocating compressor, in-cylinder heat transfer, semi-infinite solid, heat transfer correlations, phase lag

Date of defence

07.09.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Student prezentoval a obhájil výsledky získané při řešení disertační práce. Student zodpověděl uspokojivě položené dotazy. Komise konstatuje splnění cílů studia.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Design and Process Engineering (D-KPI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Jaroslav Katolický, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Michal Masaryk, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Václav Dvořák, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Jedelský, Ph.D. (člen)
Ing. Ján Tuhovčák, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Miroslav Jícha, CSc.

Ing. Patrik Rapta nastoupil doktorandské studium v akademickém roce 2020/2021 se zájmem o spolupráci na tématu Metody energeticky efektivního tepelného managementu kabin dopravních prostředků. Nicméně již v průběhu 1. ročníku DS se začal též věnovat problematice semi-hermetických kompresorů, zejména experimentálnímu výzkumu přenosu tepla v jednotlivých fázích cyklu. Tato problematika ho zaujala, a proto po prvním roce studia došlo ke změně tématu na Přenos tepla v semi-hermetickém pístovém kompresoru.

Od začátku studia také začal spolupracovat s firmou Emerson Climate Technologies v Mikulově. Cílem jeho disertační práce bylo nalézt vhodné kriteriální rovnice pro určení součinitele přestupu tepla v hlavních částech semi-hermetického pístového kompresoru.

Jeho hlavní aktivity se proto soustředili na stavbu experimentálního stendu určeného ke studiu přenosu tepla v kompresoru a konfrontace experimentálních dat s numerickými simulacemi. Jeho práce navazuje na vynikající doktorát ing. Jána Tuhovčáka.

V této souvislosti je třeba zmínit významnou roli Ing. Hejčíka, který dal experimentálnímu stendu základní myšlenku.

Kromě svého hlavního zaměření na problematiku kompresoru se od roku 2022 Ing. Rapta zapojil do řešení už druhého mezinárodního projektu programů Lead Agency a Weave s Politechnikou Lodž a TU Berlin na téma zachytávání CO2 v rotujícím absorbéru. V rámci vývoje geometrií vnitřní vestavby převzal odpovědnost za spolupráci s Helmholtz centrem v Rossendorfu-Dresden. Současně je spoluřešitel projektu Theta II na vývoj pilotní instalace záchytu CO2 v bioplynové stanici a projektů Mestec2, MEBioSys a Bovenac.

Od počátku svého studia prokazoval Ing. Rapta velký zájem o téma svého studia a plně se věnoval velmi náročnému návrhu, následně oživování experimentálního stendu a zejména analýze výsledků a jejich ověřování. Svou dosavadní prací přispěl k rozvoji jednoho z nosných témat našeho odboru a na základě analýzy výsledků dokázal navrhnout zásadní úpravy stávajících vztahů pro tepelný výpočet kompresoru. Náš odbor nyní disponuje unikátním systémem, kterým lze ověřovat jednotlivé fáze kompresoru.

Grade proposed by supervisor: A

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 3,61 MB

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 132,39 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová