تعمل الأنابيب الشعرية كأجهزة توسع ذات فتحة ثابتة داخل أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، مما يسمح بخفض ضغط سائل التبريد بشكل سلبي. عندما يتدفق سائل التبريد عالي الضغط إلى هذه الأنابيب الضيقة (عادة ما تكون بسماكة تتراوح بين 0.5 إلى 2 مم)، فإن المقاومة الناتجة عن الجدران تسبب انخفاضاً تدريجياً في الضغط. ما يحدث بعد ذلك مثير للاهتمام - يتحول السائل المبرد والمكثف إلى مزيج من البخار والسائل عند ضغط ودرجة حرارة أقل، مما يجهزه لامتصاص الحرارة بكفاءة في جزء المبخر من النظام. الميزة الكبيرة هنا هي عدم وجود أي مكونات متحركة على الإطلاق. إن هذه البساطة الميكانيكية قد أثبتت فعاليتها على مر الزمن، وهو أمر لاحظه العديد من الفنيين خلال تجاربهم الميدانية مع مختلف تركيبات أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء.
تعتمد وحدات تكييف الهواء الصغيرة تمامًا على الشكل الفيزيائي لأنبوب الشعرية للتحكم في تدفق غاز التبريد. ويعتمد كمية غاز التبريد التي تمر عبر الأنبوب حقًا على طول الأنبوب وعرضه. إذا قام أحدهم بزيادة طول الأنبوب بنسبة 20%، فعادةً ما سيلاحظ تقليلًا في كمية غاز التبريد المتدفق بنسبة تقارب الثلث بسبب زيادة الاحتكاك الداخلي. عندما تصبح الأنابيب ضيقة جدًا، فإنها تخلق مشاكل مقاومة مشابهة لتلك التي تسببها صمامات التوسع الميكانيكية المتقدمة. الشيء المثير للاهتمام في هذه التصاميم البسيطة هو قدرتها على التكيف تلقائيًا عندما تتغير الضغوط داخل النظام. خذ على سبيل المثال ارتفاع درجات الحرارة الخارجية. مع ازدياد الحرارة، يرتفع ضغط المكثف، وهذا بدوره يؤدي إلى تدفق كمية أكبر من غاز التبريد عبر الأنبوب الشعرية من تلقاء نفسه، دون الحاجة إلى إلكترونيات معقدة أو أجهزة استشعار لإدارته.
عندما يتحرك غاز التبريد عبر الأنبوب الشعري، فإنه يواجه انخفاضًا كبيرًا في الضغط، أحيانًا يتجاوز 100 رطل لكل بوصعة مربعة، وذلك أثناء انتقاله من الحالة السائلة إلى تلك المزيج من السائل والبخار التي نطلق عليها مزيج ثنائي الطور. وتحدث معظم هذه الخسارة في الضغط فعليًا في البداية، حيث تحدث حوالي 90% من الخسارة في الضغط ضمن الثلث الأول من الأنبوب نفسه. بحلول الوقت الذي يصل فيه إلى مدخل المبخر، عادةً ما يستقر الضغط بين 60 إلى 80 رطل لكل بوصة مربعة بالنسبة لغازات التبريد القياسية مثل R-410A أو ما شابهها التي تُستخدم بشكل شائع اليوم. يتبع تدفق السائل بشكل أساسي هذه الصيغة: Q يتناسب طرديًا مع ΔP مضروبًا بـ D مرفوعًا للأس الرابع مقسومًا على L. في هذه الحالة، D يرمز إلى القطر الداخلي للأنبوب بينما L يمثل طوله الكلي.
يعتمد أداء أنابيب الشعرية حقًا على الحصول على الأبعاد الهندسية الصحيحة. عندما تزداد طول الأنابيب، فإنها تخلق مقاومة أكبر، مما يقلل من كمية الغاز المبرد المتدفق من خلالها. أما الأنابيب ذات القطر الأكبر فتسمح بمرور كمية أكبر من الغاز. إن ارتكاب أخطاء في هذه القياسات يؤدي إلى مشاكل، سواء من خلال خفض الضغط بشكل غير كافٍ أو استهلاك طاقة كبيرة جدًا. هذا الأمر مهم للغاية في أنظمة التكييف الصغيرة التي تحتوي على أنابيب شعرية، وذلك بسبب ضيق المساحة المتاحة للعمل. حتى التغييرات الصغيرة في الأبعاد لها تأثير كبير جدًا عندما تكون المساحة محدودة. ولضمان تشغيل الأنظمة بشكل صحيح، يحتاج الفنيون إلى قياس الأبعاد بدقة تصل إلى مستوى المليمتر كي تتماشى تمامًا مع متطلبات النظام من حيث السعة والكفاءة.
القطر الداخلي مع طول الأنبوب يلعب دوراً كبيراً في تحديد مقدار انخفاض الضغط الذي يحدث بين مكونات المكثف والمُبَخِّر. عند النظر في الأرقام الفعلية من تقرير أسس الجمعية الأمريكية للمهندسين المُبرِدِين (ASHRAE) لعام 2022، نجد أن زيادة القطر بمقدار 0.5 مم فقط يؤدي إلى تحسين سعة التدفق بنسبة تقارب 40%. من ناحية أخرى، إضافة متر آخر إلى طول الأنبوب يؤدي عموماً إلى زيادة في انخفاض الضغط تتراوح بين 15% و22%. معظم المهندسين الذين يعملون على هذه الأنظمة يميلون إلى تعديل الأقطار أولاً عند إجراء تغييرات واسعة على التدفق، ثم يدخلون في التفاصيل الدقيقة من خلال تعديل الأطوال. يساعد هذا النهج في تحقيق تأثيرات تبريد فائض أفضل مع الحفاظ على تشغيل النظام بشكل سلس دون حدوث تقلبات غير متوقعة.
تؤدي الأنابيب الطويلة بشكل مفرط إلى تقليل ضغط المبخر، مما يزيد من عمل الضاغط، في حين أن الأقطار الكبيرة بشكل مفرط ترفع خطر الفيضان العكسي بسبب دخول السائل بشكل مفاجئ. تتحقق COP القصوى للنظام عندما يُحافظ على انخفاض الضغط ضمن نطاق 1.8–2.5 ميغاباسكال ويتم مطابقته مع فروقات درجات الحرارة المشبعة المناسبة.
يستخدم المهندسون نهجين أساسيين: مخططات تجريبية تربط تدفق غاز التبريد بفروق الضغط، ونماذج تحليلية تدمج أرقامًا بلا أبعاد مثل رينولدز وماخ. يعتمد التصميم الحديث بشكل متزايد على ديناميكا الموائع الحاسوبية (CFD)، والتي تحقق دقة تصل إلى 97% في التنبؤ بتدفق الكتلة مقارنة بالطرق التقليدية لتحديد الأحجام.
يعتمد معدل تدفق الكتلة في وحدات تكييف الهواء الأصغر على عدة عوامل، منها شكل وحجم الأنابيب، ونوع غاز التبريد المستخدم، وفرق الضغط داخل النظام. إذا نظرنا بشكل خاص إلى أنظمة R134a، فإن زيادة الضغط عند المدخل بمقدار 1 بار فقط تميل إلى زيادة المعدل الكلي للتدفق ما بين 18 إلى 22 بالمئة وفقًا لدليل ASHRAE لعام 2006. وتحدث حالة تدفق الانحباس (Choked Flow) عندما ينخفض الضغط الخارج إلى حوالي 35 إلى 40 بالمئة من الضغط الداخل، مما يؤدي إلى توقف زيادة التدفق. ولتقديم بعض الأرقام الواقعية، تخيل تركيب أنبوب قطره 1.0 مم وطوله حوالي 3.3 متر في نظام نموذجي. تحت ظروف تشغيل طبيعية مع ضغط مقداره 15 بار، فإن هذا التكوين سيؤدي إلى تدفق ما يقارب 16 كجم في الساعة من غاز التبريد داخل النظام. يحتاج الفنيون الذين يعملون على هذه الأنظمة إلى أخذ جميع هذه العلاقات بعين الاعتبار أثناء التركيب والصيانة.
طور المدخل يؤثر بشكل كبير على الأداء. دخول السائل المبرد إضافيًا يدعم معدلات تدفق أعلى بنسبة 35% مقارنة بالمزيج ثنائي الطور بسبب تقليل تكوين البخار والخسائر المرتبطة به. على سبيل المثال:
التبخر المبكر داخل الأنبوب يتسبب في تقلبات ضغط (2–3 بار)، مما يقلل من الاستقرار. تؤكد دراسات نمذجة التدفق أن الحفاظ على تبريد إضافي لا يقل عن 8K يمنع التبخر المبكر في 89% من تطبيقات التكييف الصغيرة.
بعد مرحلة سائلة غير مستقرة في البداية، يزداد التمدد بسرعة في الثلث الأخير من الأنبوب، حيث يمكن أن تتجاوز تدرجات درجة الحرارة 50°م/م. وهذا يبرز أهمية دقة شحن غاز التبريد وتصميم النظام.
تلعب الأنابيب الشعرية دوراً أساسياً في أنظمة الضغط البخاري من خلال عملها كأجهزة توسيع ذات فتحة ثابتة تربط قسم المكثف عالي الضغط بقسم المبخر منخفض الضغط في النظام. عندما يتدفق غاز التبريد داخل هذه الأنابيب الضيقة، يحدث انخفاض مفاجئ في الضغط ما يؤدي إلى حدوث تبخر فوري. ما يحدث هنا مثير للاهتمام حقاً، إذ يتم تحويل السائل المضغوط والمُبرد فوق نقطة التكاثف إلى خليط مشبع أكثر برودة يمكنه حينئذٍ امتصاص الحرارة بشكل فعال داخل مكون المبخر. أحد الفروقات الكبيرة بين الأنابيب الشعرية وصمامات التوسع الحرارية هي أن هذه الأنابيب لا تحتاج إلى أي أجهزة استشعار أو مكونات متحركة على الإطلاق. مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب صيانة محدودة وأنظمة تكون معزولة تماماً عن التدخلات الخارجية.
تُستخدم الأنابيب الشعرية على نطاق واسع في التطبيقات الحساسة من حيث التكلفة والتي تكون الأحمال فيها ثابتة، وذلك لموثوقيتها وبساطتها. وتشمل الأنظمة الشائعة ما يلي:
ال أنبوب شعري صغير تيار متردد يُعد التصميم فعالًا بشكل خاص في التركيبات المدمجة حيث تكون المساحة والموثوقية من العوامل الأساسية. تعمل هذه الأنظمة عادةً بقدرة أقل من 5 أطنان وتؤدي أفضل أداء لها في الظروف الجوية المستقرة. تتيح طبيعتها ذاتية التعويض التكيف مع التغيرات الطفيفة في الأحمال دون الحاجة إلى تحكم إلكتروني، مما يعزز المتانة في الأنظمة المغلقة بشكل دائم.
تُعدّ الأنابيب الشعرية مصدرًا لفوائد حقيقية عندما يتعلق الأمر بالأنظمة الصغيرة لتكييف الهواء والتدفئة والتهوية. وبما أنه لا توجد أي مكونات متحركة على الإطلاق، فهذا يعني عدم حدوث أي تآكل ميكانيكي بمرور الوقت، مما يقلل من احتياجات الصيانة والأعطال. كما أن حقيقة أن هذه الأنابيب تشغل مساحة صغيرة للغاية تجعل من السهل تركيبها في الأماكن المحدودة أيضًا. وبالإضافة إلى ذلك، فإن قدرتها على تنظيم تدفق السوائل بدقة تساعد في الحفاظ على أداء مستقر للنظام تحت مختلف الظروف. لقد أظهر تقرير حديث صدر في عام 2024 حول موثوقية أنظمة تكييف الهواء شيئًا مثيرًا للاهتمام فعليًا - حيث سجلت الأنظمة التي تستخدم أنابيب شعرية حوالي 32 بالمائة أقل من عدد مرات الاتصال للصيانة المتعلقة بأعطال في أجهزة التمدد مقارنةً بتلك التي تعتمد على الإصدارات الإلكترونية.
تحسّن أنابيب الشعرية تدفق المبرّد بشكل تلقائي عندما تتغير الأحمال في النظام. فعندما يرتفع الحمل على المبخر، يزداد الفرق في الضغط مما يؤدي إلى دفع كمية أكبر من المبرّد عبر الأنبوب. على الجانب الآخر، عندما ينخفض الحمل، يقل التدفق بشكل طبيعي دون الحاجة إلى أي تدخل خارجي. ما يجعل هذه الأنابيب مفيدة للغاية هو قدرتها على الحفاظ على تشغيل مستقر طوال هذه العمليات دون الحاجة إلى أجهزة استشعار أو أنظمة تحكم معقدة. مع ذلك، هناك عيب واحد. نظرًا لأن أنابيب الشعرية لها أبعاد ثابتة، فإنها لا تعمل بشكل جيد في المواقف التي تتغير فيها الأحمال بأكثر من 40٪ عن القيمة المصممة أصلاً. يعني هذا التقييد أن المشغلين بحاجة إلى الانتباه عند مطابقة متطلبات التطبيق مع مواصفات الأنبوب.
يشمل اختيار الأنبوب الشعرية المناسب تحقيق توازن بين ثلاثة عوامل رئيسية:
يعد اختيار التوليفات الصحيحة للمواد أمراً في غاية الأهمية هذه الأيام، وخاصة عند التعامل مع مواد التبريد الجديدة مثل R-454B أو R-32. تعمل الأنابيب النحاسية القياسية بشكل جيد مع العديد من مواد التبريد التقليدية، على الرغم من أنها في بعض الأحيان تحتاج إلى طبقة من الطلاء النيكل إذا كنا نتعامل مع المحاليل القائمة على الأمونيا. عندما لا تتناسب المواد بشكل صحيح، تبدأ الأنظمة في التدهور بمرور الوقت سواء من داخل الأنابيب نفسها أو داخل خليط التبريد. وبحسب بحث نشرته ASHRAE في عام 2023، فإن هذا عدم التوافق يمكن أن يقلل كفاءة النظام بنسبة تصل إلى 19%. لذا فإن اختيار المواد المتوافقة ليس فقط ممارسة جيدة، بل هو ما يحافظ على تشغيل الأنظمة بشكل موثوق به على مدار السنين مع الحفاظ على قدرتها على الأداء الحراري.
EN
أخبار ساخنة