Els tubs capil·lars funcionen com a dispositius d'expansió d'orifici fix dins els sistemes de climatització, permetent la reducció passiva de la pressió del refrigerant líquid. Quan el refrigerant a alta pressió flueix cap a aquests tubs estrets (generalment d'uns 0,5 a 2 mm de diàmetre), la resistència creada contra les parets provoca una caiguda gradual de pressió. El que passa després és força interessant: el líquid subrefredat es transforma en una barreja de vapor i líquid a menor pressió i temperatura, fet que el prepara per absorbir calor de manera eficient en l'evaporador del sistema. Una gran avantatge aquí és que no hi ha cap component mòbil involucrat. Aquesta simplicitat mecànica ha demostrat funcionar bé al llarg del temps, una experiència que molts tècnics han pogut observar directament en diverses instal·lacions de climatització.
Les unitats d'aire condicionat petites depenen completament de la forma física del tub capil·lar per controlar el flux de refrigerant. La quantitat de refrigerant que passa depèn realment de la longitud i l'amplada del tub. Si algú fa el tub un 20% més llarg, normalment veurà aproximadament un terç menys de refrigerant passant a través perquè simplement hi ha més fricció dins. Quan els tubs es fan massa estrets, creen problemes de resistència similars als que fan les vàlvules d'expansió mecàniques més sofisticades. El que és interessant d'aquests dissenys simples és com s'ajusten automàticament quan les pressions canvien dins del sistema. Agafeu com a exemple temperatures exteriors més altes. Quan fa més calor, la pressió del condensador augmenta, i això provoca que hi hagi més flux de refrigerant a través del tub capil·lar per si mateix, sense necessitat d'electrònica complicada ni sensors per gestionar-ho.
Quan el refrigerant es desplaça a través del tub capil·lar, experimenta una caiguda de pressió força gran, de vegades superior a 100 psi, durant la seva transició des de l'estat líquid fins a aquella barreja de líquid i vapor que anomenem barreja bifàsica. La major part d'aquesta pèrdua de pressió es produeix just al començament, de fet, al voltant del 90% es produeix en la primera tercera part del tub. Quan arriba a l'entrada de l'evaporador, les pressions solen estabilitzar-se entre 60 i 80 psi per a refrigerants habituals com el R-410A o similars que s'utilitzen habitualment avui dia. La manera com flueix el fluid segueix bàsicament aquesta fórmula: Q és proporcional a ΔP multiplicat per D elevat a la quarta potència dividit per L. Aquí, D representa el diàmetre interior del tub mentre que L n'indica la longitud total.
El rendiment dels tubs capil·lars depèn realment d'aconseguir la geometria correcta. Quan els tubs s'allarguen, generen més resistència, la qual cosa redueix la quantitat de refrigerant que hi passa. En canvi, els tubs de diàmetre més gran permeten que hi passi més substància. Cometre errors en aquestes mesures provoca problemes en qualsevol cas: la caiguda de pressió és massa petita o es consumeix molta energia. Això és molt important per aquests sistemes d'aire condicionat petits amb tubs capil·lars, ja que hi ha molt poc espai disponible. Fins i tot els petits canvis en les dimensions tenen una gran influència quan l'espai és limitat. Per fer que les coses funcionin correctament, els tècnics han de mesurar fins al nivell del mil·límetre perquè tot encaixi amb el que el sistema necessita en termes de capacitat i eficiència.
El diàmetre interior juntament amb la longitud del tub té un paper fonamental a l'hora de determinar la caiguda de pressió entre els components del condensador i l'evaporador. Si ens fixem en dades reals del informe de fonaments de l'ASHRAE del 2022, observem que augmentar el diàmetre només 0,5 mm comporta una capacitat de flux aproximadament un 40% millor. En canvi, afegir un altre metre a la longitud del tub generalment provoca augmentos en la caiguda de pressió entre un 15% i un 22%. La majoria dels enginyers que treballen en aquests sistemes solen ajustar primer els diàmetres quan fan canvis generals de flux, i després s'endinsen en els detalls més fins ajustant les longituds. Aquest enfocament els ajuda a assolir efectes de subrefrigeració millors mentre mantenen tot el sistema funcionant sense fluctuacions inesperades.
Tubs excessivament llargs redueixen la pressió de l'evaporador, augmentant el treball del compressor, mentre que diàmetres massa grans incrementen el risc de floodback a causa del bombeig de líquid. El COP màxim del sistema s'aconsegueix quan la caiguda de pressió es manté entre 1,8–2,5 MPa i es combina amb diferencials de temperatura de saturació adequats.
Els enginyers utilitzen dues aproximacions principals: gràfics empírics que relacionen el cabal del refrigerant amb les diferències de pressió, i models analítics que incorporen nombres adimensionals com Reynolds i Mach. El disseny modern depèn cada vegada més de la dinàmica de fluids computacional (CFD), que aconsegueix fins a un 97% d'exactitud en la predicció del cabal màssic en comparació amb mètodes tradicionals de dimensionament.
El cabal màssic en aquestes unitats d'aire condicionat més petites depèn de diversos factors, incloent la forma i la mida dels tubs, el tipus de refrigerant utilitzat i la diferència de pressions dins del sistema. Centrant-nos específicament en sistemes R134a, si hi ha un augment d'apenas 1 bar en la pressió d'entrada, això tendeix a augmentar el cabal global entre un 18 i un 22 percent segons el Manual ASHRAE del 2006. Quan parlem de condicions de flux bloquejat, aquestes es produeixen quan la pressió de sortida cau fins a aproximadament un 35-40 percent de la que entrava, fet que impedeix que el cabal augmenti encara més. Per donar alguns valors concrets, considerem una configuració típica on algú pogués instal·lar un tub amb un diàmetre de 1,0 mm i una longitud d'uns 3,3 metres. Sota condicions normals d'operació amb 15 bars de pressió aplicada, una configuració com aquesta subministraria aproximadament 16 quilograms per hora de refrigerant al sistema. Els tècnics que treballen en aquests sistemes han de tenir en compte totes aquestes relacions durant la instal·lació i el manteniment.
La fase d'entrada afecta significativament el rendiment. L'entrada de líquid subrefrigerat permet velocitats de flux un 35% superiors que amb barreges bifàsiques, a causa de la reducció de la formació de vapor i les pèrdues associades. Per exemple:
La vaporització prematura dins del tub provoca fluctuacions de pressió (2–3 bar), reduint l'estabilitat. Els estudis de modelatge del flux confirmen que mantenir almenys 8 K de subrefredament evita la vaporització precoç en el 89% de les aplicacions petites d'AC.
Després d'una fase líquida metastable inicial, l'expansió s'accelera a l'últim terç del tub, on els gradients de temperatura poden superar els 50°C/m. Això destaca la importància d'una càrrega precisa de refrigerant i del disseny del sistema.
Els tubs capil·lars tenen un paper clau en els sistemes de compressió de vapor actuant com a dispositius d'expansió d'orifici fix que connecten la secció del condensador d'alta pressió amb la part de l'evaporador de baixa pressió del sistema. Quan el refrigerant flueix cap a aquests tubs estrets, hi ha una caiguda sobtada de pressió que provoca l'evaporació instantània. El que passa aquí és força interessant, ja que el líquid subrefrigerat d'alta pressió es transforma en una barreja saturada més freda que pot absorbir calor de manera efectiva dins del component evaporador. Una gran diferència entre els tubs capil·lars i les vàlvules termostàtiques d'expansió és que aquests tubs no necessiten cap sensor ni cap component mòbil. Això els fa especialment adequats per a aplicacions on el manteniment ha de ser mínim i els sistemes estiguin completament hermètics i aïllats d'interferències externes.
Els tubs capil·lars s'utilitzen àmpliament en aplicacions amb costos sensibles i càrrega fixa pel seu fiabilitat i simplicitat. Els sistemes habituals inclouen:
Les tub capil·lar de CA petit el disseny és especialment efectiu en instal·lacions compactes on l'espai i la fiabilitat són fonamentals. Aquests sistemes solen funcionar sota 5 tones i donen el millor rendiment en condicions ambientals estables. La seva naturalesa autorreguladora permet adaptar-se a petits canvis de càrrega sense controls electrònics, augmentant la durabilitat en sistemes hermètics permanents.
Els tubs capil·lars aporten alguns beneficis reals en el cas de sistemes HVAC més petits. Com que no hi ha cap component mòbil involucrat, això significa que no hi ha desgast mecànic al llarg del temps, reduint així les necessitats de manteniment i les avaries. El fet que aquests tubs ocupin molt poc espai els fa fàcils d'instal·lar en espais reduïts. A més, la seva capacitat per regular el cabal de fluid de manera força precisa ajuda a mantenir un rendiment estable del sistema sota diverses condicions. Un informe recent de 2024 sobre la fiabilitat dels sistemes HVAC va mostrar una dada interessant: els sistemes que utilitzaven tubs capil·lars van requerir al voltant d'un 32% menys d'intervencions tècniques per problemes amb dispositius d'expansió que aquells que utilitzaven versions electròniques.
Els tubs capil·lars ajusten el cabal del refrigerant de manera autònoma quan hi ha canvis en la càrrega del sistema. Quan l'evaporador té càrregues més elevades, la diferència de pressió augmenta, la qual cosa empeny més refrigerant a través del tub. Per contra, quan les càrregues disminueixen, el cabal simplement decreix de manera natural sense cap intervenció externa. El que fa que aquests tubs siguin tan útils és que mantenen una operació estable durant tot això sense necessitat de sensors ni sistemes de control avançats. Tanmateix, hi ha un inconvenient. Com que els tubs capil·lars tenen dimensions fixes, no funcionen bé en situacions on les variacions de càrrega superen aproximadament el 40% per sobre o per sota del que estava previst originalment. Aquesta limitació implica que els operadors hagin de ser curosos a l'hora d'ajustar els requisits d'aplicació a les especificacions del tub.
La selecció del tub capil·lar adequat implica equilibrar tres factors clau:
Aconseguir les combinacions adequades de materials és molt important avui en dia, especialment quan es treballa amb refrigerants més nous com el R-454B o el R-32. La tuberia de coure estàndard funciona bé per a molts refrigerants habituals, tot i que de vegades necessita una capa de recobriment de níquel si es treballa amb solucions a base d'amoníac. Quan els materials no s'ajusten correctament, les coses comencen a degradar-se amb el temps tant a l'interior de les tubs com dins la mescla del refrigerant. Segons una investigació de l'ASHRAE del 2023, aquest desajust pot arribar a reduir la eficiència del sistema en un 19%. Per tant, triar materials compatibles no és només una bona pràctica, sinó que és essencial per mantenir els sistemes en funcionament de manera fiable any rere any, mantenint les seves capacitats de rendiment tèrmic.
Notícies calentes 
EN
