Das in Klimaanlagen verwendete Kapillarrohr ist ein wichtiger Bestandteil von Klimaanlagen und befindet sich genau zwischen dem Kondensator und der Verdampfereinheit. Die Aufgabe dieses Bauteils besteht darin, die Kältemittelmenge zu regulieren, indem es einen Druckabfall erzeugt. Dieser Prozess wandelt das flüssige Kältemittel mit hohem Druck in eine Variante mit niedrigem Druck um, bevor es den Verdampferbereich erreicht. Da keine beweglichen Teile verbaut sind, machen die feste Form dieser Rohre sie im Vergleich zu anderen Optionen wie Expansionsventilen äußerst zuverlässig, außerdem sind sie in der Regel günstiger. Ein gängiges Kapillarrohr mit beispielsweise einem Durchmesser von etwa 0,031 Zoll. Eine solche Größe reduziert den Druck unter normalen Betriebsbedingungen in der Regel um etwa die Hälfte, was dazu beiträgt, dass der Kältemittelfluss innerhalb des Systems konstant bleibt.
Der Weg, den das Kältemittel durch diese winzigen Kapillarrohre nimmt, folgt grundlegenden thermodynamischen Prinzipien, die wir alle in der Schule kennengelernt haben. Wenn auf der Seite des Kondensators ein Druckabfall auf die Seite des Verdampfers stattfindet, passiert etwas Interessantes mit dem Kältemittel, während es seinen Aggregatzustand ändert. Flüssiges Kältemittel nimmt tatsächlich verborgene Wärme auf, während es sich ausdehnt, was ziemlich faszinierend ist, wenn man darüber nachdenkt. Während das Kältemittel durch diese engen Durchlässe strömt, entsteht durch Reibung Wärme entlang des Weges. Dies führt zu einem spürbaren Enthalpieabfall von etwa 120 bis möglicherweise sogar 150 kJ pro Kilogramm in den meisten Standardanlagen. All diese Faktoren arbeiten zusammen, um die Wärme effizient durch das System zu bewegen und selbst bei schwankender Nachfrage während des Tages eine stabile Funktion aufrechtzuerhalten.
| Rohrlänge | Innenumfang | Druckverlust | Massenstrom |
|---|---|---|---|
| 1,5 m | 0,8 mm | Hoch | Niedrig |
| 2,2 m | 1,0 mm | - Einigermaßen | Mittel |
| 3,0 m | 1.2 mm | Niedrig | Hoch |
Die Form und Größe von Kapillarrohren ist entscheidend für die Effizienz eines Systems. Längere Rohre erzeugen mehr Widerstand gegen den Flüssigkeitsstrom, während dickere Rohre mit größerem Durchmesser mehr Durchfluss ermöglichen. Verschiedene Tests an Rohren mit 0,5 mm beziehungsweise 1,5 mm Durchmesser zeigten, dass die breiteren Rohre etwa 63 % bessere Durchflusskapazität aufwiesen, wenn alle anderen Faktoren gleich blieben. Die richtige Rohrgröße zu finden, bedeutet, den idealen Mittelwert zwischen zu klein und zu groß zu finden. Ist das Rohr zu klein, bekommt der Verdampfer nicht genug Kältemittel. Ist es hingegen zu groß, kann der Kompressor überflutet werden – etwas, das niemand möchte. Techniker verbringen Stunden damit, solche Berechnungen durchzuführen, denn die richtige Dimensionierung macht den Unterschied zwischen einer effizienten Klimaanlage und einer aus, die Energie verschwendet und schneller ausfällt.
Die Temperatur des Kältemittels beim Eintritt in ein System spielt eine große Rolle für die Effizienz von Kapillarrohren, da sie die Viskosität des Kältemittels und seinen Aggregatzustandswechsel beeinflusst. Wenn die Eintrittstemperatur um etwa 12 Grad Celsius ansteigt, sinkt die Viskosität von R410A um rund 18 %. Dies bewirkt, dass das Kältemittel schneller durch die Rohre fließt, gleichzeitig aber die für den Wärmeaustausch erforderliche Druckdifferenz abnimmt. Praxisdaten aus kommerziellen Klimaanlageninstallationationen zeigen zudem etwas sehr Bedeutsames. Systeme, bei denen die Eintrittstemperaturen von den Sollwerten abweichen, verlieren nach Erkenntnissen aktueller Studien, die 2023 von ASHRAE veröffentlicht wurden, bis zu 23 % ihrer Kühlleistung. Ein solcher Verlust summiert sich im Laufe der Zeit erheblich für Betreiber, die ein behagliches Raumklima aufrechterhalten möchten.
Wenn Kupferkapillarrohre sich erwärmen, dehnen sie sich tatsächlich um etwa 0,017 % pro 10 Grad Celsius Temperaturanstieg aus. Diese Ausdehnung führt dazu, dass der Innendurchmesser um ungefähr 0,008 Millimeter schrumpft, was Probleme für den Flüssigkeitsfluss verursacht. Das Problem wird besonders deutlich, wenn die Umgebungstemperatur über 45 Grad Celsius steigt. Laut einer letztes Jahr veröffentlichten Studie zu Kältemittelströmungen kommen gewundene Rohranordnungen mit diesen temperaturbedingten Problemen deutlich besser zurecht als gerade Ausführungen. Tests zeigten, dass gewundene Rohre die Strömungsschwankungen aufgrund von Temperaturveränderungen im Vergleich zu traditionellen geraden Rohren um etwa zwei Drittel reduzieren, wodurch sie eine sinnvolle Wahl für Systeme mit erheblichen Temperaturschwankungen darstellen.
R407C weist bei Temperaturschwankungen zwischen 20°C und 40°C ein um 31 % höheres Volumenstromfluktationsverhalten als R410A auf. Der Teillastbetrieb verstärkt diesen Effekt, wobei Kapillarrohre in Kompressoren mit variabler Drehzahl 2,7-mal stärkere Massenstromschwankungen aufweisen als solche in Systemen mit fester Drehzahl.
Wenn die Temperaturen über 35 Grad Celsius steigen, erhöht sich der Strömungswiderstand nicht nur – er beschleunigt sogar, und zwar um etwa 42 % schneller pro zusätzlichem Grad. Warum passiert das? Nun, mehrere Faktoren spielen eine Rolle, sobald es heiß wird. Zunächst setzt Turbulenz ein, sobald die Reynolds-Zahl etwa 2.300 überschreitet. Hinzu kommt die Bildung von Flash-Gas in den mittleren Abschnitten der Rohre. Und schließlich darf man nicht vergessen, wie sich die Oberflächenrauheit im Laufe der Zeit verstärkt. Laborexperimente haben auch etwas Interessantes konsistent gezeigt: Wenn sich die Temperaturen um 10 Grad schwanken, variiert die Systemleistung beinahe 19 % stärker als bei vergleichbaren Änderungen des Drucks allein. Dies verdeutlicht wirklich, wie empfindlich diese winzigen Kapillarrohre selbst gegenüber geringen Temperaturschwankungen während des Betriebs sind.
Die Leistung von R22, R407C und R410A unterscheidet sich in Kapillarrohrsystemen erheblich aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften wie Viskosität, Dichte und latente Wärme. Bei Tests mit einer Umgebungstemperatur von etwa 45 Grad Celsius zeigten Studien von Kim und Kollegen aus dem Jahr 2002, dass R22 tatsächlich etwa 12 bis 18 Prozent mehr Masse durch identische Rohre transportiert als R407C. Doch es gibt eine andere Seite dieser Geschichte. R410A erreicht ungefähr 15 bis 22 Prozent bessere Wärmeübertragungseffizienz als das bewährte R22, obwohl es volumenmäßig etwa 8 bis 10 Prozent langsamer strömt. Dies macht R410A trotz der höheren Betriebsdrücke zu einer beliebten Wahl für neuere Systeme. Eine kürzlich veröffentlichte Studie aus dem Jahr 2022 wies jedoch auf ein weiteres Problem mit R407C hin. Aufgrund seines Temperaturgleits erzeugt es in Systemen mit festen Blenden eine kleine, aber bemerkbare Effizienzreduktion von etwa 4 bis 7 Prozent im Vergleich zu einkomponentigen Kältemitteln – etwas, das Techniker bei der Systemplanung und Wartung berücksichtigen müssen.
Die Leistung verschiedener Kältemittel verändert sich erheblich, wenn die Temperaturen schwanken. Ein Beispiel hierfür ist das Verhalten bei einer Kondensationstemperatur von etwa 30 Grad Celsius. R410A hält die Verhältnisse relativ stabil mit einer Abweichung von etwa plus/minus 3 Prozent in der Durchflussrate. R407C dagegen erzählt aufgrund seiner zeotropen Natur eine andere Geschichte und zeigt deutlich stärkere Schwankungen von ungefähr plus/minus 9 Prozent. Bei niedriger Last, also wenn die Umgebungstemperatur auf 15 Grad Celsius sinkt, tauchen erste Probleme bei R22 auf. Aufgrund seiner niedrigeren kritischen Temperatur bildet sich bereits früher als gewünscht Flash-Gas, wodurch die Kühlleistung um etwa 14 bis 19 Prozent geringer ausfällt als bei R410A. Interessanterweise gibt es tatsächlich ein bereits 2003 von Choi entwickeltes Modell, das diese nichtlinearen Verhaltensweisen erstaunlich gut vorhersagt. Die Vorhersagen stimmen zu 88 bis 92 Prozent mit tatsächlichen Messungen überein, und zwar über einen Temperaturbereich von 20 bis 55 Grad Celsius, obwohl niemand behauptet, dass es in jeder Situation perfekt ist.
Das Retrofit von R22-Systemen mit R410A erfordert eine Anpassung der Kapillarrohr-Größe, um den 40 % höheren Betriebsdrücken gerecht zu werden. Daten aus 85 Retrofit-Projekten zeigen, dass unzureichend dimensionierte Rohre zu folgenden Problemen führen:
Laut den ASHRAE-2023-Retrofit-Richtlinien führte die Verwendung thermodynamischer Simulationswerkzeuge zur Neukalibrierung zu einer Reduktion dieser Ineffizienzen um 63 % in optimierten Fällen.
Gerade Kapillarrohre neigen dazu, bei steigenden Temperaturen eine bessere Stabilität des Kältemittelstroms aufrechtzuerhalten, da sie über ihre gesamte Länge einen gleichmäßigen Querschnitt besitzen. Tests zeigen, dass diese geraden Designs während thermischer Belastungstests etwa 15 Prozent weniger Druckabfall aufweisen als gewundene Alternativen. Der einfache, gerade Weg reduziert Turbulenzen, die in gewundenen Rohren auftreten, sobald die Umgebungstemperatur etwa 35 Grad Celsius oder höher erreicht. Zwar benötigen gewundene Modelle weniger Platz, doch die Biegungen erzeugen zusätzlichen Widerstand, während das Fluid hindurchströmt. Diese erhöhte Reibung verringert die Stabilität des Massenstroms tatsächlich um etwa 8 bis 12 Prozent unter extrem heißen Bedingungen, wie verschiedene Klimasimulationen der letzten Jahre gezeigt haben.
Bei der Konstruktion von Kapillarrohren ist das richtige Verhältnis zwischen Durchmesser und Länge besonders wichtig, insbesondere unter Berücksichtigung der Wärmeausdehnung der Materialien. Die meisten Ingenieure stellen fest, dass Rohre mit einer Breite von etwa 0,03 bis 0,05 Zoll recht gut funktionieren, wobei die Länge typischerweise zwischen etwa 12 Fuß und 20 Fuß liegt. Diese Abmessungen haben sich unter nahezu allen Wetterbedingungen bewährt, wie sie im normalen Betrieb auftreten – von kalten Wintertagen mit etwa 40 Grad Fahrenheit bis hin zu heißen Sommertagen mit bis zu 115 Grad Fahrenheit. Heutige Konstrukteure beginnen zunehmend, künstliche Intelligenz in ihre Simulationswerkzeuge einzubinden, was dabei hilft vorherzusagen, wie sich die Rohre unter unterschiedlichen Temperaturen verformen könnten. Dadurch können gezieltere Entscheidungen über die Wanddicke getroffen werden, sodass der Flüssigkeitsfluss auch bei extremen Temperaturschwankungen zwischen den Jahreszeiten weitgehend konstant bleibt – innerhalb von etwa plus oder minus 3 Prozent.
Der Einsatz dynamischer Modellierung hat es ermöglicht, vorherzusagen, wie Kapillarrohre bei sich ändernden Umgebungstemperaturen funktionieren. Laut einigen im vergangenen Jahr veröffentlichten Forschungen können computergestützte Simulationen, sogenannte CFD-Simulationen, Strömungsprobleme von Kältemitteln tatsächlich ziemlich genau vorhersagen, normalerweise innerhalb von etwa 5 % der in realen Tests auftretenden Werte. Was diese Modelle so leistungsfähig macht, ist, dass sie praktisch relevante Faktoren berücksichtigen, wie etwa den Wechsel der Kältemittel zwischen flüssigem und gasförmigem Zustand sowie die geringfügige Ausdehnung von Kupferrohren unter Wärme – etwa 0,02 Millimeter pro Grad Celsius. Dieser detaillierte Ansatz hilft Ingenieuren dabei, bessere Konstruktionen zu entwickeln, insbesondere für jene anspruchsvollen Anwendungen, bei denen Präzision besonders wichtig ist.
Maschinelles Lernen verändert die Optimierung von Kapillarrohren, indem es Jahrzehnte an Betriebsdaten analysiert. Eine Branchenstudie aus 2024 stellte fest, dass Designs, die von KI generiert wurden, den Energieverbrauch um 12–18 % im Vergleich zu konventionellen Methoden senken. Ingenieure müssen die KI-Ausgaben jedoch anhand von physikalischen Tests validieren, insbesondere für Extrembedingungen außerhalb der Standardbetriebsbereiche.
Führende Hersteller setzen auf temperaturadaptive Kapillarsysteme mit folgenden Eigenschaften:
Diese adaptive Strategie gewährleistet trotz Umgebungsschwankungen von bis zu 25 °C eine gleichmäßige Kühlleistung und übertrifft Festrohr-Designs bei ASHRAE-Belastungstests um 19 %.
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