الأنبوب الشعري الموجود في أجهزة التكييف يُعتبر جزءًا مهمًا من أنظمة التدفئة وتكييف الهواء (HVAC)، ويقع مباشرة بين وحدة المكثف ووحدة المبخر. ما تقوم به هذه المكونات هو التحكم في كمية غاز التبريد المتدفق من خلالها عن طريق إحداث تأثير خفض الضغط. تقوم هذه العملية بتحويل غاز التبريد السائل عالي الضغط إلى مادة ذات ضغط أقل قبل أن تصل إلى قسم المبخر. وبما أنه لا توجد أجزاء متحركة في هذا النظام، فإن الشكل الثابت لهذه الأنابيب يجعلها أكثر موثوقية مقارنة بخيارات أخرى مثل صمامات التمدد، كما أنها عادةً تكون أقل تكلفة أيضًا. على سبيل المثال، الأنبوب الشعري الشائع الذي يبلغ قطره حوالي 0.031 بوصة. عادةً ما يقلل هذا الحجم من مستويات الضغط بنحو النصف في ظل الظروف العادية، مما يساعد على الحفاظ على تدفق ثابت لغاز التبريد عبر النظام بأكمله.
إن حركة التبريد عبر تلك الأنابيب الشعرية الصغيرة تخضع لمبادئ الديناميكا الحرارية الأساسية التي تعلمناها جميعًا في المدرسة. عندما يحدث انخفاض في الضغط من جانب المكثف إلى جانب المبخر، يحدث شيء مثير للاهتمام مع غاز التبريد أثناء تغيير حالته. يمتص غاز التبريد السائل حرارة خفية أثناء التمدد، وهو أمر مدهش حقًا إذا توقفنا للتفكير فيه. وعندما يتحرك غاز التبريد عبر هذه الممرات الضيقة، يُنتج الاحتكاك حرارة على طول الطريق. ويؤدي ذلك إلى انخفاض ملحوظ في المحتوى الحراري (الإنثالبي) يصل إلى ما بين 120 وربما 150 كيلوجول لكل كيلوغرام في معظم الأنظمة القياسية. تعمل كل هذه العوامل معًا على الحفاظ على حركة حرارة فعالة عبر النظام، وتساعد على الحفاظ على تشغيل مستقر حتى عندما تتغير متطلبات النظام على مدار اليوم.
| طول الأنبوب | القطر الداخلي | انخفاض الضغط | معدل تدفق الكتلة |
|---|---|---|---|
| 1.5 م | 0.8 مم | مرتفع | منخفض |
| 2.2 م | 1.0 مم | معتدلة | متوسطة |
| 3.0 م | 1.2 مم | منخفض | مرتفع |
يؤثر شكل وحجم الأنابيب الشعرية بشكل كبير على كفاءة النظام. فكلما كانت الأنابيب أطول، زادت مقاومة تدفق السوائل، في حين تسمح الأنابيب ذات القطر الأكبر بمرور كمية أكبر من السوائل. أظهرت بعض الاختبارات التي أجريت على أنابيب بقياس 0.5 مم مقابل 1.5 مم أن الأنابيب ذات القطر الأكبر كانت لديها قدرة تدفق أفضل بنسبة 63٪ تقريبًا تحت نفس الظروف. اختيار المقاس الصحيح هو مسألة تحقيق توازن دقيق بين الصغير جدًا والكبير جدًا. إذا كان القطر صغيرًا جدًا، يعاني المبخر من نقص في التبريد، أما إذا كان كبيرًا جدًا، فيحدث انسداد في الضاغط (الكومبروسر)، وهو أمر غير مرغوب فيه. يقضى الفنيون ساعات في حساب هذه الأمور بدقة، لأن الدقة في الاختيار تعني الفرق بين نظام تكييف فعال يوفر الطاقة، ونظام يهدر الطاقة ويتعرض للتلف بسرعة أكبر.
درجة حرارة غاز التبريد عند دخوله النظام تلعب دوراً كبيراً في كفاءة عمل أنابيب الشعرية، لأنها تؤثر على لزوجة الغاز وتحوله بين الحالتين. عندما ترتفع درجة الحرارة عند المدخل بمقدار 12 درجة مئوية تقريباً، تنخفض لزوجة غاز R410A بنسبة تصل إلى 18%. هذا يجعل الغاز يتدفق بسرعة أكبر عبر الأنابيب، لكنه في الواقع يقلل من فرق الضغط اللازم لنقل الحرارة بشكل فعال. تحليل البيانات الفعلية من تركيبات أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) التجارية يظهر أيضاً أمراً مهماً. الأنظمة التي لا تتوافق درجات حرارة مدخلاتها مع القيم المثالية تفقد ما يصل إلى 23% من قدرتها على التبريد وفقاً للدراسات الحديثة التي نشرها ASHRAE في عام 2023. هذا النوع من الخسائر يتراكم بمرور الوقت على مشغلي المباني الذين يسعون للحفاظ على ظروف مريحة داخل المنشآت.
عندما تسخن أنابيب النحاس الشعرية، فإنها تتوسع فعليًا بنسبة 0.017٪ لكل ارتفاع في درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية. تؤدي هذه التوسعات إلى تقلص القطر الداخلي حوالي 0.008 ملليمتر، مما يسبب مشاكل في تدفق السوائل. تصبح المشكلة ملحوظة بوضوح عندما ترتفع درجات حرارة البيئة فوق 45 درجة مئوية. وبحسب بحث نُشر السنة الماضية حول تدفق موائع التبريد، فإن الترتيب الحلزوني للأنابيب يتعامل مع هذه المشكلات المرتبطة بالحرارة بشكل أفضل من الأنابيب المستقيمة بكثير. وقد أظهرت الاختبارات أن الأنابيب الحلزونية تقلل تقلبات التدفق الناتجة عن التغيرات الحرارية بنسبة تصل إلى الثلثين مقارنة بالأنابيب المستقيمة التقليدية، مما يجعلها خيارًا ذكيًا للأنظمة التي تتعرض لتغيرات كبيرة في درجات الحرارة.
تُظهر مادة R407C تقلبات في تدفق الحجم بنسبة 31٪ أكثر من R410A عندما تتراوح درجات الحرارة المحيطة بين 20°C و 40°C. كما يزيد تشغيل الحمل الجزئي من هذا التأثير، حيث تواجه الأنبوب الشعريّة في الضواغط ذات السرعة المتغيرة تقلبات في تدفق الكتلة تصل إلى 2.7 مرة أكثر من تلك الموجودة في الأنظمة ذات السرعة الثابتة.
عندما تتجاوز درجات الحرارة 35 درجة مئوية، لا تزداد مقاومة التدفق فقط، بل تتسارع أيضًا، حيث تزداد بنسبة تصل إلى 42% أسرع لكل درجة إضافية. لماذا يحدث هذا؟ في الواقع، هناك عدة عوامل تلعب دورًا عندما ترتفع درجات الحرارة. أولًا، تبدأ التيارات المضطربة بالظهور بمجرد تجاوز رقم رينولدز عتبة 2300. ثم هناك ظاهرة تشكل الغاز المفاجئ (flash gas) في منتصف أجزاء الأنابيب. ولا ننسى أيضًا كيف تتراكم خشونة السطح مع مرور الوقت. أظهرت التجارب المعملية باستمرار أمرًا مثيرًا للاهتمام أيضًا. عندما تتقلب درجات الحرارة بمقدار 10 درجات، فإن أداء النظام يختلف بنسبة تصل إلى 19% أكثر مقارنة بتغيرات مشابهة في الضغط وحده. هذا يبرز بوضوح مدى حساسية هذه الأنابيب الشعرية الصغيرة حتى للتغيرات الطفيفة في درجات الحرارة أثناء التشغيل.
تختلف أداء غازات R22 وR407C وR410A بشكل كبير في أنظمة الأنبوب الشعري بسبب اختلاف خصائصها مثل اللزوجة والكثافة وخصائص الحرارة الكامنة. وعند اختبارها عند درجة حرارة محيطة تبلغ حوالي 45 درجة مئوية، أظهرت دراسات قام بها كيم وزملاؤه في عام 2002 أن غاز R22 ينقل حوالي 12 إلى 18 بالمائة أكثر من الكتلة عبر أنابيب متطابقة مقارنة بـR407C. ولكن هناك جانب آخر في هذه القصة. إذ يحقق R410A كفاءة نقل حرارة أفضل بنسبة 15 إلى 22 بالمائة مقارنة بـR22 القديم الجيد، حتى وإن كان تدفقه أقل حجمًا بنسبة 8 إلى 10 بالمائة. هذا يجعل من R410A خيارًا شائعًا للأنظمة الحديثة رغم الحاجة إلى ضغوط تشغيل أعلى. وسلطت أبحاث نُشرت عام 2022 الضوء على مشكلة أخرى تتعلق بـR407C. إذ إن الانزلاق الحراري (Temperature Glide) الذي يسببه يؤدي إلى انخفاض طفيف ولكن ملحوظ في الكفاءة بنسبة 4 إلى 7 بالمائة في الأنظمة ذات الفتحة الثابتة مقارنة بغازات التبريد المكونة من مادة واحدة، وهو أمر يجب أن يأخذه الفنيون بعين الاعتبار أثناء تصميم النظام وصيانته.
تتغير أداءات الغازات المختلفة بشكل ملحوظ عندما ترتفع وتنخفض درجات الحرارة. خذ مثلاً ما يحدث عند درجة حرارة تكثيف تبلغ حوالي 30 مئوية. يحافظ غاز R410A على استقرار جيد مع تغير لا يزيد عن زائد أو ناقص 3 بالمئة في معدل التدفق. لكن غاز R407C يروي قصة مختلفة بسبب طبيعته الزئوتropic، حيث يُظهر تقلبات أكبر تصل إلى زائد أو ناقص 9 بالمئة. عندما ننظر إلى ظروف الحمل المنخفض حيث تنخفض درجات الحرارة المحيطة إلى 15 مئوية، تبدأ المشاكل بالظهور لغاز R22. درجة الحرارة الحرجة الأقل تعني تشكل الغاز المفاجئ (flash gas) قبل الأوان، مما يقلل من قدرة التبريد بنسبة تتراوح بين 14 إلى 19 بالمئة مقارنة بما يمكن أن تقدمه غاز R410A. ومن المثير للاهتمام، أن هناك نموذجًا تم تطويره في عام 2003 من قبل تشوي يقوم بعمل جيد في التنبؤ بجميع هذه السلوكيات غير الخطية. التوقعات تتماشى مع القياسات الفعلية بنسبة تتراوح بين 88 إلى 92 بالمئة عبر نطاقات التشغيل من 20 إلى 55 مئوية، على الرغم من أنه لا يُدعى كونه مثاليًا في كل الظروف.
يتطلب تحويل أنظمة R22 إلى R410A تعديل حجم أنبوب الشعيرة لاستيعاب ضغوط تشغيل أعلى بنسبة 40%. تُظهر البيانات من 85 مشروعًا تم تحويلها أن استخدام أنابيب ذات حجم غير كافٍ يؤدي إلى:
وبحسب إرشادات ASHRAE لعام 2023 الخاصة بالتحويل، فإن استخدام أدوات المحاكاة الحرارية لضبط النظام خفض هذه الهدرات بنسبة 63% في الحالات المُحسنة.
تتميز الأنابيب الشعرية المستقيمة بقدرتها على الحفاظ على استقرار أفضل لتدفق غاز التبريد عندما ترتفع درجات الحرارة، وذلك بسبب اتساق مساحة مقطعها العرضي على طول كاملها. أظهرت الاختبارات أن هذه التصاميم المستقيمة تواجه حوالي 15 بالمئة أقل في الانخفاضات الضغطية مقارنة بالتصاميم الملفوفة أثناء اختبارات الإجهاد الحراري. إن المسار المستقيم البسيط يقلل من مشاكل الاضطراب التي تحدث غالبًا في الأنابيب الملتفة بمجرد وصول درجة الحرارة المحيطة إلى حوالي 95 درجة فهرنهايت أو أعلى. بالتأكيد، تشغل النماذج الملتفة مساحة أقل، لكن الانحناءات تخلق مقاومة إضافية أثناء حركة السائل من خلالها. هذه الاحتكاكات المتزايدة تقلل فعليًا من استقرار تدفق الكتلة ما بين 8 إلى 12 بالمئة في تلك الظروف الحارة وفقًا لمحاكاة أنظمة التدفئة وتكييف الهواء المختلفة التي أجريت خلال السنوات الأخيرة.
إن تحقيق التوازن الصحيح بين القطر والطول مهم للغاية عند تصميم أنابيب الشعريّة، خاصةً مع أخذ التمدد الحراري للمواد في الاعتبار. يجد معظم المهندسين أن الأنابيب التي تتراوح سعتها بين 0.03 إلى 0.05 بوصة تعمل بشكل جيد نسبيًا، مع أطوال تتراوح عادةً بين 12 قدمًا حتى 20 قدمًا. تميل هذه الأبعاد إلى أن تكون مستقرة في ظل جميع الظروف الجوية التي نواجهها في العمليات العادية، من الصباحات الباردة في الشتاء عند حوالي 40 درجة فهرنهايت وحتى الحرارة الشديدة في الصيف التي تصل إلى 115 درجة فهرنهايت. بدأ المصممون في الوقت الحالي باستخدام الذكاء الاصطناعي في أدوات المحاكاة الخاصة بهم، مما يساعد على التنبؤ بكيفية تشوه الأنابيب تحت درجات حرارة مختلفة. يسمح هذا باتخاذ قرارات أكثر ذكاءً فيما يتعلق بتعديلات سمك الجدار، بحيث تظل تدفق السائل مستقرة ضمن نطاق زائد أو ناقص 3 في المئة حتى أثناء التقلبات الحرارية الشديدة بين الفصول.
لقد جعلت استخدام النمذجة الديناميكية من الممكن التنبؤ بكيفية أداء الأنابيب الشعرية عندما تتغير درجات الحرارة المحيطة بها. وبحسب ما ذكرته بعض الدراسات التي نُشرت السنة الماضية، فإن المحاكاة الحاسوبية المعروفة باسم CFD قادرة فعليًا على التنبؤ بمشاكل تدفق غاز التبريد بدقة كبيرة، وعادة ما تكون ضمن نسبة 5٪ من النتائج الحقيقية في الاختبارات العملية. ما يجعل هذه النماذج دقيقة إلى هذه الدرجة هو أنها تأخذ بعين الاعتبار عوامل مهمة في التطبيقات العملية، مثل الانتقال بين الحالة السائلة والغازية لغاز التبريد، بالإضافة إلى كيفية تمدد الأنابيب النحاسية بشكل طفيف مع الحرارة - حوالي 0.02 ملليمتر لكل درجة مئوية. إن هذا النهج المفصل من هذا النوع يساعد المهندسين في إنشاء تصميمات أفضل، خاصة في تلك التطبيقات الصعبة التي تكون فيها الدقة مهمة للغاية.
يُحدث التعلم الآلي ثورة في تحسين أنابيب الشعيرات من خلال تحليل عقود من البيانات التشغيلية. ووجد تقرير صناعي نُشر في 2024 أن التصاميم التي تولدها الذكاء الاصطناعي تقلل استهلاك الطاقة بنسبة 12–18% مقارنة بالطرق التقليدية. ومع ذلك، يجب على المهندسين التحقق من صحة مخرجات الذكاء الاصطناعي عبر الاختبارات الفعلية، خاصة في الظروف القاسية التي تقع خارج نطاق الظروف التشغيلية القياسية.
يتجه المصنعون الرائدون إلى تبني أنظمة شعيرية تستجيب لدرجة الحرارة وتتضمن:
تحافظ هذه الاستراتيجية التكيفية على إنتاج ثابت للتبريد رغم التقلبات المحيطة التي تصل إلى 25°م، ما يتفوق على أداء الأنابيب ذات التصميم الثابت بنسبة 19% في تقييمات ASHRAE تحت ظروف الإجهاد.
EN
أخبار ساخنة