El tub capil·lar que es troba als aireadors condicionats és una part important dels sistemes HVAC, situat just entre el condensador i l'evaporador. La funció d'aquest component és controlar la quantitat de refrigerant que hi passa provocant un efecte de caiguda de pressió. Aquest procés converteix el refrigerant líquid d'alta pressió en un de pressió més baixa abans d'arribar a la secció de l'evaporador. Com que no hi ha peces mòbils, la forma fixa d'aquests tubs els fa força fiables comparats amb altres opcions com les vàlvules d'expansió, a més tendeixen a ser més econòmics. Per exemple, un tub capil·lar comú pot mesurar al voltant de 0,031 polzades de diàmetre. Una mida com aquesta sol reduir els nivells de pressió aproximadament a la meitat en condicions normals de funcionament, cosa que ajuda a mantenir un flux constant de refrigerant al llarg del sistema.
La manera com el refrigerant es desplaça a través d'aquests petits tubs capil·lars segueix principis termodinàmics bàsics que vam aprendre a l'escola. Quan hi ha una caiguda de pressió des del costat del condensador fins al costat de l'evaporador, passa alguna cosa interessant amb el refrigerant mentre canvia d'estat. El refrigerant líquid absorbeix calor latent mentre s'expandeix, cosa que és força curiosa si ho penses. A mesura que el refrigerant circula a través d'aquests passadissos estrets, la fricció genera calor al llarg del camí. Això provoca una caiguda apreciable d'entalpia d'aproximadament 120 fins i tot 150 kJ per quilogram en la majoria dels sistemes estàndard. Tots aquests factors actuen conjuntament per mantenir el moviment eficient de la calor a través del sistema i ajuden a mantenir una operació estable fins i tot quan la demanda fluctua al llarg del dia.
| Longitud del tub | Diàmetre interior | Caiguda de pressió | Cabal màssic |
|---|---|---|---|
| 1.5 m | 0,8 mm | Alta | Baix |
| 2,2 m | 1.0 mm | Moderat | Mitjà |
| 3,0 m | 1,2 mm | Baix | Alta |
La forma i la mida dels tubs capil·lars importen molt per al correcte funcionament del sistema. Els tubs més llargs generen més resistència al flux del fluid, mentre que els tubs de diàmetre més gran permeten que passi més substància. Algunes proves realitzades amb tubs de 0,5 mm respecte a tubs de 1,5 mm van mostrar que aquests últims tenien una capacitat de flux aproximadament un 63% millor quan tota la resta es mantenia igual. Trobar la mida adequada és qüestió d'equilibri entre massa petita i massa gran. Si és massa petita, l'evaporador no rep prou refrigerant. Si és massa gran? El compressor es pot inundar, cosa que ningú vol. Els tècnics dediquen hores a fer aquests càlculs perquè fer-ho bé marca la diferència entre un sistema d'aire condicionat eficient i un altre que gasta més energia i s'aparca abans.
La temperatura del refrigerant que entra en un sistema té un paper important en el funcionament dels tubs capil·lars, ja que afecta la viscositat del refrigerant i el seu canvi d'estat. Quan la temperatura d'entrada augmenta uns 12 graus Celsius, la viscositat de l'R410A disminueix aproximadament un 18%. Això fa que el refrigerant flueixi més ràpidament pel tub, però redueix la diferència de pressió necessària per a una correcta transferència de calor. L'anàlisi de dades reals d'instal·lacions comercials de calefacció, ventilació i aire condicionat (HVAC) també revela un aspecte molt important. Els sistemes en què les temperatures d'entrada no són les adequades poden arribar a perdre fins a un 23% de la seva capacitat de refrigeració, segons estudis recents publicats per l'ASHRAE l'any 2023. Aquest tipus de pèrdues s'acumulen amb el temps per als operadors d'edificis que intenten mantenir condicions interiors còmodes.
Quan els tubs capil·lars de coure es calen, en realitat es expandeixen al voltant del 0,017% per cada augment de temperatura de 10 graus Celsius. Aquesta expansió fa que el diàmetre interior es redueixi aproximadament 0,008 mil·límetres, cosa que crea problemes per al flux del fluid. El problema esdevé realment notable quan les temperatures ambientals superen els 45 graus Celsius. Segons una investigació publicada l’any passat sobre fluxos de refrigerant, els arranjaments amb tubs en espiral gestionen millor aquests problemes relacionats amb la temperatura que els tubs rectes. Les proves van mostrar que les espirals redueixen les variacions de flux causades per canvis tèrmics en aproximadament dues terceres parts en comparació amb els tubs rectes tradicionals, convertint-los en una opció intel·ligent per a sistemes que han de gestionar grans oscil·lacions de temperatura.
R407C presenta una variació del cabal volumètric un 31% superior a la de R410A quan les temperatures ambient fluctuen entre 20°C i 40°C. L'operació a càrrega parcial intensifica aquest efecte, amb tubs capil·lars en compressors de velocitat variable que experimenten 2,7 vegades més oscil·lacions de cabal màssic que els dels sistemes de velocitat fixa.
A mesura que les temperatures superen els 35 graus Celsius, la resistència al flux no només augmenta, sinó que ho fa de manera accelerada, incrementant-se aproximadament un 42% més ràpid per cada grau addicional. Per què passa això? Doncs intervenen diversos factors quan les temperatures pugen. Primer, la turbulència comença a actuar quan els nombres de Reynolds superen la marca dels 2.300. Després hi ha aquest fenomen de formació de gasos instantanis exactament al centre dels tubs. I no podem oblidar com la rugositat de la superfície va augmentant amb el temps. Els experiments de laboratori també han mostrat consistentment una cosa interessant. Quan les temperatures fluctuen en 10 graus, el rendiment del sistema varia gairebé un 19% més en comparació amb canvis similars només en pressió. Això destaca realment fins a quin punt aquests tubs capil·lars són sensibles fins i tot a petites variacions de temperatura durant el funcionament.
El rendiment de R22, R407C i R410A varia significativament en sistemes de tub capil·lar a causa de les seves diferents propietats com la viscositat, la densitat i les característiques de calor latent. Quan es va provar a una temperatura ambient d'uns 45 graus Celsius, estudis de Kim i col·legues del 2002 van mostrar que l'R22 transportava realment una massa un 12 a 18 percentual superior a través de tubs idèntics en comparació amb l'R407C. Però hi ha una altra cara d'aquesta història. L'R410A aconsegueix una eficiència de transferència de calor aproximadament un 15 a 22 percentual millor que l'antic R22, tot i que flueix un 8 a 10 percentual més lentament en volum. Això fa que l'R410A sigui una opció popular per a sistemes més nous malgrat necessiti pressions de funcionament més elevades. Recents investigacions publicades el 2022 han destacat una altra problemàtica amb l'R407C. El seu desplaçament tèrmic crea una caiguda d'eficiència petita però perceptible d'uns 4 a 7 percentuals en sistemes amb orifici fix comparat amb refrigerants d'un sol component, una cosa que els tècnics han de tenir en compte durant el disseny i el manteniment del sistema.
La manera com actuen els diferents refrigerants canvia força quan les temperatures pugen i baixen. Per exemple, penseu en el que passa al voltant dels 30 graus Celsius de temperatura de condensació. L’R410A manté les coses força estables amb una variació d’aproximadament el ±3 percent en el cabal. Però l’R407C presenta una situació diferent a causa de la seva naturalesa zeotrópica, mostrant variacions molt més grans d’aproximadament el ±9 percent. Quan analitzem condicions de càrrega baixa on la temperatura ambient baixa fins als 15 graus Celsius, comencen a sorgir problemes amb l’R22. La seva temperatura crítica més baixa significa que el gas s’escalfa abans del desitjat, cosa que redueix la capacitat de refrigeració entre un 14 i un 19 percent en comparació amb la que pot oferir l’R410A. Curiosament, hi ha un model desenvolupat l’any 2003 per Choi que fa una feina força bona predient aquests comportaments no lineals. Les prediccions coincideixen amb les mesures reals entre el 88 i el 92 percent de les vegades en rangs de funcionament de 20 a 55 graus Celsius, tot i que ningú no afirma que sigui perfecte en totes les situacions.
La modernització de sistemes amb R22 a R410A requereix redimensionar els tubs capil·lars per acomodar pressions de funcionament un 40% més elevades. Les dades de 85 projectes de modernització mostren que els tubs de mida insuficient causen:
L'ús d'eines de simulació termodinàmica per a la recalibració va reduir aquestes ineficiències en un 63% en els casos optimitzats, segons les directrius de modernització d'ASHRAE 2023.
Els tubs capil·lars rectes tendeixen a mantenir una millor estabilitat del flux de refrigerant quan pugen les temperatures, ja que tenen seccions transversals consistents al llarg de la seva longitud. Les proves mostren que aquests dissenys rectes experimenten aproximadament un 15 percent menys de caigudes de pressió comparats amb les alternatives enrotllades durant proves de stress tèrmic. El camí recte simple redueix problemes de turbulència que solen ocorrer en tubs enrotllats quan les temperatures ambientals arriben als uns 35 graus Celsius o més. És cert que els models enrotllats ocupen menys espai, però els corbs creen resistència addicional mentre el fluid es mou a través seu. Aquesta fricció augmentada redueix realment la estabilitat del flux de massa entre un 8 i un 12 percent en aquelles condicions molt calentes, segons diverses simulacions de sistemes HVAC realitzades en els darrers anys.
Conseguir el bon equilibri entre diàmetre i longitud és realment important en el disseny de tubs capil·lars, especialment tenint en compte com es dilaten els materials quan es calfan. La majoria d'enginyers consideren que els tubs d'uns 0,03 a 0,05 polzades de gruix funcionen força bé, amb longituds que solen variar entre aproximadament 12 peus fins a 20 peus de llarg. Aquestes dimensions tendeixen a mantenir-se vàlides pràcticament en totes les condicions meteorològiques habituals en operacions normals, des de matins d'hivern freds a uns 40 graus Fahrenheit fins a la calor de l'estiu que pot arribar als 115 graus F. Els dissenyadors actuals comencen a incorporar intel·ligència artificial en les seves eines de simulació, la qual cosa ajuda a predir com podrien deformar-se els tubs sota diferents temperatures. Això permet prendre decisions més encertades respecte als ajustos del gruix de la paret per tal de mantenir el cabal del fluid dins d'uns límits d'aproximadament el més o menys 3 percent, fins i tot durant les oscil·lacions extremes de temperatura entre estacions.
L'ús de la modelització dinàmica ha permès predir com actuen els tubs capil·lars quan canvia la temperatura al seu voltant. Segons algunes investigacions publicades l'any passat, les simulacions per ordinador conegudes com a CFD poden predir amb precisió els problemes de flux del refrigerant, normalment dins del 5% del que ocorre en proves reals. El que fa que aquests models siguin tan bons és que tenen en compte factors rellevants en la pràctica, com el canvi del refrigerant entre estat líquid i gasós, així com la dilatació lleugera dels tubs de coure amb la calor: aproximadament 0,02 mil·límetres per cada grau Celsius. Aquest enfocament detallat ajuda els enginyers a dissenyar solucions millors, especialment per a aquelles aplicacions complexes on la precisió és fonamental.
L'aprenentatge automàtic està transformant l'optimització del tub capil·lar en analitzar dades operatives de dècades. Un informe del sector de 2024 va trobar que els dissenys generats per IA redueixen el consum d'energia entre un 12% i un 18% en comparació amb els mètodes convencionals. Tanmateix, els enginyers han de validar les sortides de la IA amb proves físiques, especialment en condicions extremes fora dels límits operatius habituals.
Els fabricants principals estan adoptant sistemes capil·lars amb resposta a la temperatura que inclouen:
Aquesta estratègia adaptativa manté una sortida de refrigeració constant malgrat les oscil·lacions ambientals de fins a 25 °C, superant en un 19% els tubs de disseny fix en avaluacions de stress ASHRAE.
Notícies calentes 
EN
