Kapilární trubice, která se nachází v klimatizačních zařízeních, slouží jako důležitá součást systémů VZT, přičemž je umístěna přímo mezi kondenzátorem a výparníkem. Účelem této součástky je regulace množství chladiva, které jí protéká, prostřednictvím vytvoření tlakové ztráty. Tento proces přeměňuje kapalné chladivo pod vysokým tlakem na chladivo s nižším tlakem, než dosáhne výparníku. Protože se v tomto případě nejedná o pohyblivé součásti, má pevný tvar těchto trubic za následek vysokou spolehlivost ve srovnání s jinými možnostmi, jako jsou expanzní ventily, a navíc jsou obvykle levnější. Například běžná kapilární trubice s průměrem přibližně 0,031 palce. Tato velikost obvykle sníží tlakovou úroveň zhruba na polovinu za běžných provozních podmínek, což pomáhá udržovat stabilní průtok chladiva v celém systému.
Způsob, jakým chladivo proudí těmi drobnými kapilárními trubkami, sleduje základní termodynamické principy, které jsme se všichni učili ve škole. Když dojde k poklesu tlaku na straně kondenzátoru ve srovnání se stranou vypařovací, stane se něco zajímavého s chladivem, protože mění své skupenství. Kapalné chladivo vlastně vstřebává skryté teplo během expanze, což je docela fascinující, pokud o tom člověk chvíli přemýšlí. Když chladivo putuje těmito úzkými průchody, tření vytváří teplo po celé trase. To způsobuje zřetelný pokles entalpie přibližně o 120 až možná i 150 kJ na kilogram většiny běžných systémů. Všechny tyto faktory spolupracují tak, aby udržely efektivní přenos tepla skrze systém a pomáhaly udržovat stabilní provoz i přes kolísání zatížení během dne.
| Délka trubky | Vnitřní průměr | Tlaková ztráta | Hmotnostní průtok |
|---|---|---|---|
| 1.5 m | 0.8 mm | Vysoká | Nízká |
| 2.2 m | 1,0 mm | Střední | Střední |
| 3,0 m | 1,2 mm | Nízká | Vysoká |
Tvar a velikost kapilárních trubek má skutečně vliv na to, jak dobře systém funguje. Delší trubky vytvářejí větší odpor proti proudění tekutiny, zatímco trubky s větším průměrem umožňují průchod většího množství tekutiny. Některé testy provedené na trubkách o velikosti 0,5 mm versus 1,5 mm ukázaly, že ty širší měly přibližně o 63 % lepší průtokovou kapacitu, když všechny ostatní podmínky zůstaly stejné. Výběr správné velikosti je otázkou nalezení ideálního kompromisu mezi příliš malým a příliš velkým průměrem. Pokud je trubka příliš malá, vypařovací zařízení nedostává dostatek chladiva. Pokud je příliš velká? Kompresor se přehřeje, což nikdo nechce. Technici tráví hodiny výpočty těchto parametrů, protože správný výběr znamená rozdíl mezi efektivním klimatizačním systémem a systémem, který plýtvá energií a rychleji se opotřebovává.
Teplota chladiva vstupujícího do systému hraje důležitou roli v účinnosti kapilárních trubek, protože ovlivňuje viskozitu chladiva a jeho přechod mezi skupenstvími. Když teplota vstupu stoupne přibližně o 12 stupňů Celsia, viskozita R410A klesne zhruba o 18 %. To způsobí rychlejší průtok chladiva trubkami, ale zároveň oslabí tlakový rozdíl potřebný pro správný přenos tepla. Analýza dat z komerčních HVAC instalací odhalila další důležitý fakt. Systémy, u kterých se vstupní teploty liší od doporučených hodnot, mohou podle nedávných studií publikovaných ASHRAE v roce 2023 ztratit až 23 % své chladicí kapacity. Tato ztráta se v průběhu času pro provozovatele budov snažících se udržet příjemné vnitřní klima výrazně projeví.
Když se měděné kapilární trubky zahřívají, skutečně se rozšiřují přibližně o 0,017 % na každé 10 °C nárůst teploty. Toto rozšíření způsobuje, že vnitřní průměr smrskne zhruba o 0,008 milimetru, což vytváří problémy pro průtok kapaliny. Tento problém se stává opravdu patrným, když okolní teplota překročí 45 stupňů Celsia. Podle výzkumu zveřejněného minulý rok o průtoku chladiv, vinutá uspořádání trubek zvládají tyto teplotně podmíněné problémy mnohem lépe než přímá uspořádání. Testy ukázaly, že vinutí snižují kolísání průtoku způsobené teplotními změnami zhruba o dvě třetiny ve srovnání s tradičními přímými trubkami, čímž se stávají chytrou volbou pro systémy, které se potýkají s výraznými výkyvy teplot.
R407C vykazuje o 31 % větší kolísání objemového průtoku než R410A, když se okolní teplota mění mezi 20 °C a 40 °C. Provoz za částečného zatížení tento efekt zesiluje, přičemž kapilární trubice v kompresorech s proměnnou rychlostí zažívají 2,7krát větší kolísání hmotnostního průtoku než u systémů s pevnou rychlostí.
Když teplota stoupne nad 35 stupňů Celsia, odpor proudění nejenže roste – skutečně se urychluje, a to zhruba o 42 % rychleji pro každý další stupeň. Proč k tomu dochází? Hraje tu roli několik faktorů, které se uplatňují, když se situace zahřeje. Za prvé, turbulenci se začne projevovat, jakmile Reynoldsovo číslo překročí hranici kolem 2 300. Dále tu máme jev, kdy se ve středních částech trubek vytváří tzv. flash gas (náhodná plynná fáze). A neměli bychom zapomínat ani na to, jak se drsnost povrchu postupně zvyšuje v průběhu času. Laboratorní experimenty opakovaně ukázaly i něco zajímavého. Když se teplota mění o 10 stupňů, výkon systému se liší téměř o 19 % více ve srovnání se stejnými změnami pouze tlaku. To opravdu zdůrazňuje, jak citlivé jsou tyto drobné kapilární trubky i na nepatrné teplotní výkyvy během provozu.
Výkon R22, R407C a R410A se v kapilárních systémech výrazně liší kvůli jejich rozdílným vlastnostem, jako je viskozita, hustota a vlastnosti latentního tepla. Při testování při okolní teplotě kolem 45 stupňů Celsia ukázaly studie od Kima a jeho kolegů z roku 2002, že R22 skutečně přepraví asi o 12 až 18 procent více hmoty přes identické trubky ve srovnání s R407C. Ale na tomto příběhu je i jiná strana. R410A dokáže dosáhnout zhruba o 15 až 22 procent lepší účinnosti přenosu tepla než dobrý starý R22, i když proudí asi o 8 až 10 procent pomaleji objemově. To činí R410A populární volbou pro novější systémy, navzdory tomu, že vyžaduje vyšší provozní tlaky. Nedávný výzkum zveřejněný v roce 2022 poukázal však na další problém s R407C. Jeho teplotní skluz způsobuje malý, ale patrný pokles účinnosti asi o 4 až 7 procent v systémech s pevnou clonou ve srovnání s jednosložkovými chladivami, což je něco, na co si technici musí dávat pozor během návrhu a údržby systémů.
Způsob, jakým různé chladiva fungují, se poměrně výrazně mění v závislosti na kolísání teplot. Vezměme si například, co se děje při kondenzační teplotě kolem 30 stupňů Celsia. R410A udržuje poměrně stabilní podmínky s variací průtoku plus minus zhruba 3 procenta. R407C však vypráví jiný příběh díky svjé zeotropní povaze, neboť vykazuje mnohem větší výkyvy kolem plus minus 9 procent. Při nízkém zatížení, kdy klesne okolní teplota na 15 stupňů Celsia, začínají vznikat problémy u R22. Jeho nižší kritická teplota způsobuje vznik tryskového plynu dříve, než je žádoucí, čímž se sníží chladící výkon o 14 až 19 procent ve srovnání s výkonem, který dokáže R410A. Zajímavé je, že už v roce 2003 vyvinul model, který poměrně přesně předpovídá tyto nelineární chování, model od Choiho. Předpovědi odpovídají skutečným měřením v 88 až 92 procentech případů v provozních rozsazích od 20 do 55 stupňů Celsia, i když samozřejmě nikdo ne tvrdí, že by byl v každé situaci dokonalý.
Při modernizaci systémů R22 na R410A je nutné upravit rozměry kapilární trubice tak, aby kompenzovala o 40 % vyšší provozní tlaky. Údaje z 85 projektů modernizací ukazují, že nedostatečně dimenzované trubice vedou k:
Podle pokynů ASHRAE 2023 pro modernizace snížení těchto neúčinností o 63 % v optimalizovaných případech umožnilo použití nástrojů pro termodynamické simulace při překalibraci.
Přímé kapilární trubky mají tendenci udržovat lepší stabilitu průtoku chladiva, když teplota stoupá, protože mají po celé své délce konzistentní průřez. Testy ukazují, že tyto přímé konstrukce vykazují přibližně o 15 procent nižší pokles tlaku ve srovnání s vinutými alternativami během tepelného zatížení. Jednoduchá přímá cesta snižuje problémy s turbulence, které často vznikají ve vinutých trubkách, jakmile okolní teplota dosáhne přibližně 95 stupňů Fahrenheita nebo více. Jistě, vinuté modely zabírají méně místa, ale ohyby vytvářejí navíc odpor, který působí při průtoku kapaliny. Toto zvýšené tření ve skutečnosti snižuje stabilitu hmotnostního průtoku někde mezi 8 a 12 procenty v těchto velmi horkých podmínkách podle různých simulací VZT systémů provedených v průběhu posledních let.
Získání správné rovnováhy mezi průměrem a délkou je při návrhu kapilárních trubek skutečně důležité, zejména s ohledem na roztažnost materiálů při zahřívání. Většina inženýrů zjistí, že trubky o šířce přibližně 0,03 až 0,05 palce fungují poměrně dobře, přičemž jejich délka obvykle kolísá od přibližně 12 stop až po 20 stop. Tyto rozměry se osvědčí v téměř všech počasí, které se běžně vyskytují v průběhu provozu, od chladných ranních hodin v zimě s teplotou kolem 40 stupňů Fahrenheita až po letní vedra dosahující 115 stupňů Fahrenheita. Dnešní návrháři začínají do svých simulačních nástrojů integrovat umělou inteligenci, což pomáhá předpovědět, jak by se trubky mohly deformovat při různých teplotách. To umožňuje učinit prozíravější rozhodnutí o úpravách tloušťky stěn, aby průtok tekutiny zůstal v rámci přibližně plus minus 3 procenta i během těchto extrémních teplotních výkyvů mezi ročními obdobími.
Použití dynamického modelování umožnilo předpovědět, jak se kapilární trubky chovají při změnách okolní teploty. Podle výzkumu zveřejněného v minulém roce mohou počítačové simulace zvané CFD poměrně přesně předpovědět problémy s prouděním chladiva, obvykle v rozmezí asi 5 % od reality. Co činí tyto modely tak přesnými, je zohlednění faktorů důležitých v praxi, jako je přechod chladiva mezi kapalným a plynným skupenstvím a také mírné roztažení měděných trubek při zvýšené teplotě – zhruba o 0,02 milimetru na stupeň Celsia. Tento detailní přístup pomáhá inženýrům vytvářet lepší návrhy, zejména pro ty náročné aplikace, kde záleží na přesnosti.
Strojové učení mění optimalizaci kapilárních trubek tím, že analyzuje desítky let provozních dat. Průmyslová zpráva z roku 2024 zjistila, že návrhy vytvořené umělou inteligencí snižují spotřebu energie o 12–18 % ve srovnání s tradičními metodami. Inženýři však musí ověřit výstupy AI pomocí fyzikálních testů, zejména pro extrémní podmínky ležící mimo běžné provozní limity.
Přední výrobci zavádějí teplotně reagující kapilární systémy, které zahrnují:
Tato adaptivní strategie udržuje stabilní chladicí výkon i přes kolísání okolní teploty až o 25 °C, čímž překonává výkonnost trubek s pevným návrhem o 19 % ve srovnání s hodnocením zátěžových testů ASHRAE.
EN
Aktuální novinky