Ο επιστήμονας σωλήνας που υπάρχει στους κλιματιστές λειτουργεί ως σημαντικό μέρος των συστημάτων HVAC, βρίσκεται ακριβώς ανάμεσα στο συμπυκνωτή και τη μονάδα εξάτμισης. Αυτό που κάνει αυτό το εξάρτημα είναι να ρυθμίζει την ποσότητα του ψυκτικού μέσου που διέρχεται, δημιουργώντας ένα φαινόμενο πτώσης πίεσης. Αυτή η διαδικασία μετατρέπει το ψυκτικό μέσο υγρό υπό υψηλή πίεση σε κάτι με χαμηλότερη πίεση πριν φτάσει στην ενότητα εξάτμισης. Εφόσον δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη, η σταθερή μορφή αυτών των σωλήνων τα καθιστά αρκετά αξιόπιστα σε σχέση με άλλες επιλογές, όπως οι βαλβίδες διαστολής, ενώ επίσης τείνουν να είναι φθηνότερες. Για παράδειγμα, ένας συνηθισμένος επιστήμονας σωλήνας με διάμετρο περίπου 0,031 ίντσες. Τέτοιο μέγεθος συνήθως μειώνει τα επίπεδα πίεσης κατά το ήμισυ κάτω από φυσιολογικές συνθήκες λειτουργίας, κάτι που βοηθά στη διατήρηση σταθερής ροής του ψυκτικού μέσου σε όλο το σύστημα.
Ο τρόπος με τον οποίο το ψυκτικό υγρό κινείται μέσα από αυτούς τους μικροσκοπικούς σωλήνες ακολουθεί βασικές αρχές της θερμοδυναμικής που μάθαμε όλοι μας πίσω στο σχολείο. Όταν υπάρχει πτώση πίεσης από την πλευρά του συμπυκνωτή στην πλευρά του εξατμιστή, συμβαίνει κάτι ενδιαφέρον με το ψυκτικό υγρό καθώς αλλάζει φάση. Το υγρό ψυκτικό υγρό απορροφά στην πραγματικότητα κρυμμένη θερμότητα κατά τη διαστολή του, κάτι που είναι αρκετά εντυπωσιακό αν το σκεφτείς. Καθώς το ψυκτικό υγρό ταξιδεύει μέσα από αυτούς τους στενούς διαδρόμους, η τριβή δημιουργεί θερμότητα καθ' οδόν. Αυτό προκαλεί μια αξιοσημείωτη πτώση στην ενθαλπία κάπου γύρω στα 120 έως ίσως και 150 kJ ανά χιλιόγραμμο στα περισσότερα τυπικά συστήματα. Όλοι αυτοί οι παράγοντες συνεργάζονται για να διατηρείται η θερμότητα σε αποτελεσματική κίνηση μέσα από το σύστημα και να βοηθά να διατηρείται σταθερή λειτουργία ακόμη και όταν η ζήτηση μεταβάλλεται καθ' όλη τη διάρκεια της ημέρας.
| Μήκος του τάβουρλου | Εσωτερική διάμετρος | Πτώση πίεσης | Παροχής |
|---|---|---|---|
| 1.5 μ | 0.8 mm | Υψηλές | Χαμηλά |
| 2,2 μέτρα | 1,0 mm | Μετριοπαθής | Μεσαίο |
| 3,0 μ | 1.2 mm | Χαμηλά | Υψηλές |
Το σχήμα και το μέγεθος των τριχοειδών σωλήνων έχουν πραγματικά σημασία για την καλή λειτουργία ενός συστήματος. Οι πιο μακριοί σωλήνες δημιουργούν μεγαλύτερη αντίσταση στη ροή του υγρού, ενώ οι σωλήνες μεγαλύτερης διαμέτρου επιτρέπουν τη διέλευση περισσότερης ύλης. Ορισμένες δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν σε σωλήνες με μέτρηση 0,5 mm σε σχέση με 1,5 mm έδειξαν ότι οι πιο ευρείς είχαν περίπου 63% καλύτερη χωρητικότητα ροής, όταν όλοι οι άλλοι παράγοντες παρέμεναν σταθεροί. Η επιλογή του σωστού μεγέθους αποτελεί θέμα εύρεσης του τέλειου σημείου ισορροπίας μεταξύ πολύ μικρού και πολύ μεγάλου. Αν είναι πολύ μικρό, ο εξατμιστήρας στερείται ψυκτικού. Αν είναι πολύ μεγάλο; Ο συμπιεστής καταλήγει να υπερβολικοφορτωθεί, κάτι που κανείς δεν επιθυμεί. Οι τεχνικοί ξοδεύουν ώρες στους υπολογισμούς αυτών των παραμέτρων, γιατί το να τα πετύχεις σωστά σημαίνει τη διαφορά μεταξύ ενός αποδοτικού συστήματος θέρμανσης και ψύξης και ενός που σπαταλά ενέργεια και χαλάει πιο γρήγορα.
Η θερμοκρασία του ψυκτικού μέσου που εισέρχεται σε ένα σύστημα παίζει σημαντικό ρόλο στην αποτελεσματικότητα των λειτουργιών των τριχοειδών σωλήνων, καθώς επηρεάζει το πόσο παχύ είναι το ψυκτικό μέσο και πώς μεταβάλλεται η φυσική του κατάσταση. Όταν η θερμοκρασία εισόδου αυξάνεται κατά περίπου 12 βαθμούς Κελσίου, η ιξώδης τιμή του R410A μειώνεται κατά περίπου 18%. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το ψυκτικό να ρέει πιο γρήγορα μέσα από τους σωλήνες, αλλά στην πραγματικότητα μειώνεται η απαραίτητη διαφορά πίεσης για την κατάλληλη μεταφορά θερμότητας. Η μελέτη πραγματικών δεδομένων από εμπορικές εγκαταστάσεις θέρμανσης και ψύξης δείχνει επίσης κάτι εξαιρετικά σημαντικό. Συστήματα στα οποία οι θερμοκρασίες εισόδου δεν ανταποκρίνονται στις προβλεπόμενες τιμές καταγράφουν απώλειες ψυκτικής ισχύος που φτάνουν μέχρι και το 23%, σύμφωνα με πρόσφατες μελέτες που δημοσιεύθηκαν από το ASHRAE το 2023. Αυτού του είδους οι απώλειες αθροίζονται με την πάροδο του χρόνου για τους φορείς που επιχειρούν να διατηρήσουν άνετες συνθήκες εντός των κτιρίων.
Όταν οι σωλήνες από χαλκό θερμανθούν, στην πραγματικότητα διαστέλλονται περίπου 0,017% για κάθε αύξηση θερμοκρασίας κατά 10 βαθμούς Κελσίου. Η διαστολή αυτή προκαλεί μείωση της εσωτερικής διαμέτρου κατά περίπου 0,008 χιλιοστά, γεγονός που δημιουργεί προβλήματα στη ροή του υγρού. Το πρόβλημα γίνεται πραγματικά αισθητό όταν η θερμοκρασία περιβάλλοντος ξεπερνά τους 45 βαθμούς Κελσίου. Σύμφωνα με έρευνα που δημοσιεύθηκε πέρυσι για τη ροή ψυκτικών μέσων, οι σπειροειδείς διατάξεις σωλήνων αντιμετωπίζουν πολύ καλύτερα αυτά τα θερμοκρασιακά προβλήματα σε σχέση με τους ευθείς. Οι δοκιμές έδειξαν ότι οι σπείρες μειώνουν τις μεταβολές ροής από θερμικές αλλαγές κατά περίπου τα δύο τρίτα σε σχέση με τους παραδοσιακούς ευθείς σωλήνες, καθιστώντας τους μια έξυπνη επιλογή για συστήματα που αντιμετωπίζουν σημαντικές διακυμάνσεις θερμοκρασίας.
Το R407C παρουσιάζει 31% μεγαλύτερη μεταβολή της όγκος-παροχής σε σχέση με το R410A, όταν η θερμοκρασία περιβάλλοντος μεταβάλλεται μεταξύ 20°C και 40°C. Η λειτουργία σε μερικό φορτίο ενισχύει αυτό το φαινόμενο, καθώς οι σωλήνες τριχοειδούς στους συμπιεστές μεταβλητής ταχύτητας υφίστανται 2,7 φορές περισσότερες διακυμάνσεις παροχής μάζας σε σχέση με αυτούς σε συστήματα σταθερής ταχύτητας.
Καθώς η θερμοκρασία ξεπερνά τους 35 βαθμούς Κελσίου, η αντίσταση στη ροή δεν απλώς αυξάνεται, επιταχύνεται, αυξανόμενη κατά περίπου 42% ταχύτερα για κάθε επιπλέον βαθμό. Γιατί συμβαίνει αυτό; Πολλοί παράγοντες συμμετέχουν όταν τα πράγματα ζεσταίνονται. Πρώτον, η τύρβη αρχίζει να εμφανίζεται μόλις ο αριθμός Reynolds ξεπεράσει το όριο των 2.300. Υπάρχει επίσης το φαινόμενο της δημιουργίας αερίου εντός των μεσαίων τμημάτων των σωλήνων. Και μην ξεχνάμε πώς η τραχύτητα της επιφάνειας αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου. Πειράματα σε εργαστήριο έχουν δείξει επίσης κάτι ενδιαφέρον. Όταν οι θερμοκρασίες μεταβάλλονται κατά 10 βαθμούς, η απόδοση του συστήματος διαφοροποιείται κατά 19% περίπου περισσότερο σε σχέση με παρόμοιες μεταβολές της πίεσης μόνο. Αυτό τονίζει πόσο ευαίσθητοι είναι αυτοί οι μικροσκοπικοί σωλήνες σε ακόμη και μικρές θερμοκρασιακές μεταβολές κατά τη λειτουργία.
Η απόδοση των R22, R407C και R410A διαφέρει σημαντικά στα συστήματα με τριχοειδή σωλήνα λόγω των διαφορετικών τους ιδιοτήτων, όπως η ιξώδης συνοχή, η πυκνότητα και τα χαρακτηριστικά λανθάνουσας θερμότητας. Όταν δοκιμάστηκαν σε περιβαλλοντική θερμοκρασία περίπου 45 βαθμών Κελσίου, μελέτες των Kim και συνεργατών από το 2002 έδειξαν ότι το R22 μετακινεί πραγματικά περίπου 12 έως 18 τοις εκατό περισσότερη μάζα μέσα από τους ίδιους σωλήνες σε σχέση με το R407C. Ωστόσο, υπάρχει και μια άλλη πλευρά σε αυτήν την ιστορία. Το R410A καταφέρνει να παρέχει περίπου 15 έως 22 τοις εκατό καλύτερη απόδοση μεταφοράς θερμότητας από το καλό παλιό R22, ακόμη και αν κατά όγκο ρέει περίπου 8 έως 10 τοις εκατό πιο αργά. Αυτό καθιστά το R410A μια δημοφιλή επιλογή για νεότερα συστήματα, παρότι απαιτεί υψηλότερες πιέσεις λειτουργίας. Πρόσφατες έρευνες που δημοσιεύθηκαν το 2022 επισήμαναν όμως ένα άλλο ζήτημα με το R407C. Η θερμοκρασιακή του μετάβαση (temperature glide) δημιουργεί μια μικρή αλλά αισθητή πτώση απόδοσης περίπου 4 έως 7 τοις εκατό σε συστήματα σταθερής διατομής σε σχέση με ψυκτικά μέσα ενός μόνο συστατικού, κάτι που οι τεχνικοί πρέπει να λαμβάνουν υπόψη τους κατά τη σχεδίαση και συντήρηση συστημάτων.
Ο τρόπος με τον οποίο διαφορετικά ψυκτικά μέσα εμφανίζουν απόδοση αλλάζει αρκετά όταν οι θερμοκρασίες αυξομειώνονται. Για παράδειγμα, ας δούμε τι συμβαίνει στους περίπου 30 βαθμούς Κελσίου θερμοκρασίας συμπύκνωσης. Το R410A διατηρεί αρκετά σταθερές συνθήκες, με μεταβολή της παροχής περίπου ±3 τοις εκατό. Το R407C όμως διηγείται μια διαφορετική ιστορία λόγω της ζεωτροπικής του φύσης, παρουσιάζοντας πολύ μεγαλύτερες διακυμάνσεις περίπου ±9 τοις εκατό. Όταν εξετάσουμε συνθήκες χαμηλού φορτίου, όπου η θερμοκρασία του περιβάλλοντος πέφτει στους 15 βαθμούς Κελσίου, αρχίζουν να εμφανίζονται προβλήματα στο R22. Η χαμηλότερη κρίσιμη θερμοκρασία του σημαίνει ότι το αέριο εκλυόμενο από την εξάτμιση δημιουργείται νωρίτερα από το επιθυμητό, με αποτέλεσμα η ψυκτική ικανότητα να μειώνεται κατά 14 έως 19 τοις εκατό σε σχέση με αυτήν που μπορεί να παρέχει το R410A. Ενδιαφέρον είναι ότι υπάρχει στην πραγματικότητα ένα μοντέλο που αναπτύχθηκε το 2003 από τον Choi, το οποίο κάνει αρκετά καλή πρόβλεψη όλων αυτών των μη γραμμικών συμπεριφορών. Οι προβλέψεις συμφωνούν με τις πραγματικές μετρήσεις σε ποσοστό 88 έως 92 τοις εκατό, σε εύρος λειτουργίας από 20 έως 55 βαθμούς Κελσίου, αν και κανείς δεν ισχυρίζεται ότι είναι τέλειο σε κάθε περίπτωση.
Η μετατροπή συστημάτων R22 σε R410A απαιτεί αλλαγή της διαμέτρου του τριχοειδούς σωλήνα για να ανταποκριθεί στις 40% υψηλότερες πιέσεις λειτουργίας. Στοιχεία από 85 έργα μετατροπής δείχνουν ότι οι μικρές διαμέτρους σωλήνων οδηγούν σε:
Η χρήση εργαλείων θερμοδυναμικής προσομοίωσης για επαναρύθμιση μείωσε αυτές τις ανεπάρκειες κατά 63% σε βελτιστοποιημένες περιπτώσεις, σύμφωνα με τις οδηγίες μετατροπής ASHRAE 2023.
Οι ευθείες τριχοειδείς σωλήνες τείνουν να διατηρούν καλύτερη σταθερότητα ροής ψυκτικού μέσου όταν αυξάνεται η θερμοκρασία, διότι διαθέτουν σταθερές διατομές σε όλο το μήκος τους. Δοκιμές έχουν δείξει ότι αυτοί οι ευθείεις σχεδιασμοί παρουσιάζουν περίπου 15% λιγότερες πτώσεις πίεσης σε σχέση με τους περιελιγμένους τύπους κατά τη διάρκεια δοκιμών θερμικής καταπόνησης. Η απλή ευθεία διαδρομή μειώνει τα προβλήματα της τύρβης που συχνά προκύπτουν στους περιελιγμένους σωλήνες, όταν η περιβάλλουσα θερμοκρασία φτάνει τους 95 βαθμούς Φαρένυπτ ή και περισσότερο. Βέβαια, οι περιελιγμένοι τύποι καταλαμβάνουν λιγότερο χώρο, αλλά οι καμπύλες δημιουργούν επιπλέον αντίσταση καθώς το υγρό κινείται μέσα από αυτούς. Η αυξημένη τριβή μειώνει τη σταθερότητα της μαζικής ροής κατά 8 έως 12% σε εκείνες τις πολύ ζεστές συνθήκες, σύμφωνα με διάφορες προσομοιώσεις συστημάτων ΚΑΨ (κλιματισμός, αερισμός, ψύξη) που έχουν διεξαχθεί τα τελευταία χρόνια.
Η επίτευξη της σωστής ισορροπίας μεταξύ διαμέτρου και μήκους είναι πραγματικά σημαντική κατά τη σχεδίαση σωλήνων τριχοειδούς δράσης, ιδιαίτερα λαμβάνοντας υπόψη τον τρόπο με τον οποίο τα υλικά διαστέλλονται όταν θερμαίνονται. Οι περισσότεροι μηχανικοί διαπιστώνουν ότι οι σωλήνες που έχουν πλάτος περίπου 0,03 έως 0,05 ίντσες λειτουργούν αρκετά καλά, με μήκη που κυμαίνονται συνήθως από περίπου 12 πόδια έως 20 πόδια. Οι διαστάσεις αυτές τείνουν να διατηρούνται σε σχεδόν όλες τις καιρικές συνθήκες που συναντάμε σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας, από τις κρύες πρωινές των χειμώνων στους 40 βαθμούς Φαρέναϊτ μέχρι και την καλοκαιρινή ζέστη που φτάνει τους 115 βαθμούς Φαρέναϊτ. Οι σημερινοί σχεδιαστές αρχίζουν να ενσωματώνουν τεχνητή νοημοσύνη στα εργαλεία προσομοίωσης, κάτι που βοηθά στην πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο οι σωλήνες μπορεί να παραμορφωθούν υπό διαφορετικές θερμοκρασίες. Αυτό επιτρέπει πιο εύστοχες αποφάσεις σχετικά με τις ρυθμίσεις του πάχους των τοιχωμάτων, ώστε η ροή του υγρού να παραμένει σταθερή εντός περίπου συν ή πλην 3 τοις εκατό, ακόμη και κατά τη διάρκεια αυτών των ακραίων μεταβολών θερμοκρασίας μεταξύ των εποχών.
Η χρήση δυναμικής μοντελοποίησης έχει καταστήσει δυνατή την πρόβλεψη της απόδοσης των σωλήνων τριχοειδούς όταν η θερμοκρασία μεταβάλλεται στο περιβάλλον τους. Σύμφωνα με ερευνητική δημοσίευση του περασμένου έτους, οι ηλεκτρονικές προσομοιώσεις, γνωστές ως CFD, μπορούν πραγματικά να προβλέπουν με αρκετή ακρίβεια τα προβλήματα ροής του ψυκτικού μέσου, συνήθως εντός περίπου 5% σε σχέση με τα αποτελέσματα πραγματικών δοκιμών. Αυτό που καθιστά αυτά τα μοντέλα τόσο αποτελεσματικά είναι το γεγονός ότι λαμβάνουν υπόψη τους παράγοντες που έχουν πραγματική σημασία στην πράξη, όπως η μετάβαση του ψυκτικού μέσου από υγρή σε αέρια κατάσταση, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο τα χάλκινα σωλήνια διαστέλλονται ελαφρώς με την επίδραση της θερμοκρασίας - περίπου 0,02 χιλιοστά ανά βαθμό Κελσίου. Αυτή η λεπτομερής προσέγγιση βοηθά τους μηχανικούς να δημιουργούν καλύτερα σχέδια, ειδικά για εκείνες τις περίπλοκες εφαρμογές όπου η ακρίβεια είναι καθοριστικής σημασίας.
Η μηχανική μάθηση μεταμορφώνει τη βελτιστοποίηση των τριχοειδών σωλήνων αναλύοντας δεκαετίες δεδομένων λειτουργίας. Μια έκθεση της βιομηχανίας του 2024 διαπίστωσε ότι οι σχεδιασμοί που δημιουργούνται από την τεχνητή νοημοσύνη μειώνουν την κατανάλωση ενέργειας κατά 12-18% σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους. Ωστόσο, οι μηχανικοί πρέπει να επιβεβαιώνουν τα αποτελέσματα της τεχνητής νοημοσύνης με φυσικές δοκιμές, ιδιαίτερα για ακραίες συνθήκες που βρίσκονται εκτός των συνήθων ορίων λειτουργίας.
Οι κορυφαίοι κατασκευαστές υιοθετούν συστήματα τριχοειδών σωλήνων που ανταποκρίνονται στη θερμοκρασία και περιλαμβάνουν:
Αυτή η προσαρμοστική στρατηγική διατηρεί σταθερή απόδοση ψύξης παρά τις διακυμάνσεις της περιβάλλουσας θερμοκρασίας έως και 25°C, υπερτερώντας των σωλήνων σταθερού σχεδιασμού κατά 19% σε δοκιμές καταπόνησης ASHRAE.
Τελευταία Νέα
EN
