Los tubos capilares funcionan como dispositivos de expansión de orificio fijo dentro de los sistemas de climatización, permitiendo la reducción pasiva de la presión del refrigerante líquido. Cuando el refrigerante a alta presión fluye hacia estos tubos estrechos (generalmente de unos 0,5 a 2 mm de grosor), la resistencia creada contra las paredes provoca una caída gradual de presión. Lo que ocurre después es bastante interesante: el líquido subenfriado se transforma en una mezcla de vapor y líquido a menor presión y temperatura, lo que lo prepara para absorber eficientemente el calor en la parte del evaporador del sistema. Una gran ventaja aquí es que no hay absolutamente ningún componente móvil involucrado. Esta simplicidad mecánica ha demostrado funcionar bien con el tiempo, algo que muchos técnicos han observado personalmente durante su experiencia en el campo con diversas instalaciones de climatización.
Las unidades de aire acondicionado pequeñas dependen completamente de la forma física del tubo capilar para controlar el flujo de refrigerante. La cantidad de refrigerante que pasa realmente depende de la longitud y el ancho del tubo. Si alguien fabrica un tubo 20% más largo, normalmente observará aproximadamente un tercio menos de refrigerante pasando a través de él debido a que hay más fricción dentro. Cuando los tubos se vuelven demasiado estrechos, crean problemas de resistencia similares a los que generan las válvulas de expansión mecánicas avanzadas. Lo interesante de estos diseños sencillos es cómo se ajustan automáticamente cuando cambian las presiones dentro del sistema. Considere, por ejemplo, temperaturas externas más cálidas. A medida que aumenta la temperatura, la presión del condensador sube, y esto provoca que más refrigerante fluya por el tubo capilar por sí solo, sin necesidad de electrónica complicada ni sensores para gestionarlo.
Cuando el refrigerante se desplaza a través del tubo capilar, experimenta una caída de presión bastante significativa, a veces superior a 100 psi, durante su transición desde el estado líquido hasta esa mezcla de líquido y vapor que llamamos mezcla bifásica. La mayor parte de esta pérdida de presión sucede justo al comienzo, de hecho alrededor del 90% ocurre dentro del primer tercio del tubo mismo. Para cuando llega a la entrada del evaporador, las presiones generalmente se estabilizan entre 60 y 80 psi para refrigerantes estándar como el R-410A o similares comúnmente utilizados hoy en día. El modo en que fluye el fluido sigue básicamente esta fórmula: Q es proporcional a delta P multiplicado por D elevado a la cuarta potencia dividido entre L. Aquí, D representa el diámetro interior del tubo mientras que L simboliza su longitud total.
El rendimiento de los tubos capilares depende realmente de conseguir la geometría correcta. Cuando los tubos se alargan, generan más resistencia, lo que reduce la cantidad de refrigerante que pasa a través de ellos. Los tubos de mayor diámetro permiten que pase más sustancia. Obtener estas medidas incorrectas provoca problemas en cualquier caso: la caída de presión es demasiado baja o consume mucha energía. Esto es muy importante para esos sistemas de aire acondicionado pequeños con tubos capilares, ya que simplemente no hay mucho espacio disponible. Incluso cambios pequeños en las dimensiones tienen mucha importancia cuando el espacio es limitado. Para que las cosas funcionen correctamente, los técnicos necesitan medir hasta el nivel del milímetro para que todo coincida con lo que el sistema requiere en términos de capacidad y eficiencia.
El diámetro interior junto con la longitud del tubo desempeñan un papel fundamental en la determinación de cuánta caída de presión ocurre entre los componentes del condensador y el evaporador. Al observar los números reales del informe de fundamentos de ASHRAE de 2022, encontramos que aumentar el diámetro en solo 0.5 mm conduce a una capacidad de flujo aproximadamente un 40% mejor. Por otro lado, agregar otro metro a la longitud del tubo generalmente resulta en aumentos de la caída de presión entre un 15% y un 22%. La mayoría de los ingenieros que trabajan en estos sistemas suelen ajustar primero los diámetros al realizar cambios generales de flujo, y luego se enfocan en los detalles más finos ajustando las longitudes. Este enfoque les ayuda a lograr efectos de subenfriamiento mejores mientras mantienen todo el sistema funcionando de manera suave sin fluctuaciones inesperadas.
Los tubos demasiado largos reducen la presión del evaporador, aumentando el trabajo del compresor, mientras que los diámetros excesivamente grandes aumentan el riesgo de inundación debido a la fluidez. El COP máximo del sistema se alcanza cuando la caída de presión se mantiene entre 1,8 y 2,5 MPa y se combina con los diferenciales de temperatura de saturación adecuados.
Los ingenieros utilizan dos enfoques principales: gráficos empíricos que correlacionan el flujo de refrigerante con los diferenciales de presión, y modelos analíticos que incorporan números sin dimensiones como Reynolds y Mach. El diseño moderno se basa cada vez más en la dinámica de fluidos computacional (CFD), que logra una precisión de hasta el 97% en la predicción del flujo de masa en comparación con los métodos tradicionales de dimensionamiento.
El caudal másico en esas unidades de aire acondicionado más pequeñas depende de varios factores, incluyendo la forma y el tamaño de los tubos, el tipo de refrigerante que se utiliza y la diferencia de presiones dentro del sistema. Analizando específicamente los sistemas con R134a, si hay un aumento de tan solo 1 bar en la presión de entrada, esto tiende a incrementar el caudal total en un rango entre 18 y 22 por ciento, según indica el ASHRAE Handbook del año 2006. Cuando hablamos de condiciones de flujo crítico (choked flow), estas ocurren cuando la presión de salida disminuye hasta aproximadamente el 35 al 40 por ciento de la presión de entrada, lo cual detona el flujo para que no aumente más. Para dar cifras concretas, consideremos una configuración típica en la que alguien pudiera instalar un tubo con un diámetro de 1,0 mm y una longitud de aproximadamente 3,3 metros. En condiciones normales de funcionamiento con una presión aplicada de 15 bares, tal configuración suministraría aproximadamente 16 kilogramos por hora de refrigerante a través del sistema. Los técnicos que trabajan en estos sistemas deben tener en cuenta todas estas relaciones durante la instalación y el mantenimiento.
La fase de entrada afecta significativamente el rendimiento. La entrada de líquido subenfriado permite caudales un 35% mayores que las mezclas bifásicas debido a la reducción de la formación de vapor y las pérdidas asociadas. Por ejemplo:
La vaporización prematura dentro del tubo provoca fluctuaciones de presión (2–3 bar), reduciendo la estabilidad. Estudios de modelado de flujo confirman que mantener al menos 8 K de subenfriamiento evita la vaporización temprana en el 89 % de las aplicaciones pequeñas de AC.
Tras una fase inicial de líquido metaestable, la expansión se acelera en el último tercio del tubo, donde los gradientes de temperatura pueden superar los 50°C/m. Esto destaca la importancia de una carga precisa de refrigerante y un diseño adecuado del sistema.
Los tubos capilares desempeñan un papel clave en los sistemas de compresión de vapor al actuar como dispositivos de expansión de orificio fijo que conectan la sección del condensador de alta presión con la parte del evaporador de baja presión del sistema. Cuando el refrigerante fluye hacia estos tubos estrechos, se produce una caída repentina de presión que provoca la evaporación súbita. Lo que ocurre aquí es bastante interesante: en realidad, el líquido subenfriado de alta presión se transforma en una mezcla saturada más fría que puede absorber calor eficazmente dentro del componente evaporador. Una gran diferencia entre los tubos capilares y las válvulas termostáticas de expansión es que estos tubos no necesitan en absoluto sensores ni componentes móviles. Esto los hace especialmente adecuados para aplicaciones en las que el mantenimiento debe ser mínimo y los sistemas estén completamente sellados para evitar cualquier interferencia externa.
Los tubos capilares se utilizan ampliamente en aplicaciones con sensibilidad al costo y carga fija debido a su fiabilidad y simplicidad. Los sistemas comunes incluyen:
La tubo capilar de corriente alterna pequeño el diseño es especialmente eficaz en instalaciones compactas donde el espacio y la fiabilidad son primordiales. Estos sistemas suelen operar por debajo de 5 toneladas y funcionan mejor bajo condiciones ambientales estables. Su naturaleza autorreguladora permite adaptarse a pequeños cambios en la carga sin necesidad de controles electrónicos, mejorando la durabilidad en sistemas sellados permanentes.
Los tubos capilares aportan beneficios reales cuando se trata de sistemas de climatización más pequeños. Dado que no existen componentes móviles involucrados, esto implica que no hay desgaste mecánico con el tiempo, lo que reduce las necesidades de mantenimiento y las averías. El hecho de que estos tubos ocupen muy poco espacio los hace fáciles de instalar en espacios reducidos también. Además, su capacidad para regular el flujo de fluido con bastante precisión ayuda a mantener un rendimiento estable del sistema bajo diferentes condiciones. Un informe reciente de 2024 sobre la fiabilidad de los sistemas de climatización reveló algo interesante: los sistemas que utilizaban tubos capilares tuvieron aproximadamente un 32 por ciento menos de llamadas de servicio por problemas con dispositivos de expansión que aquellos que dependían de versiones electrónicas.
Los tubos capilares ajustan el flujo de refrigerante automáticamente cuando hay cambios en la carga del sistema. Cuando el evaporador tiene cargas más altas, la diferencia de presión aumenta, lo que impulsa más refrigerante a través del tubo. Por el contrario, cuando las cargas disminuyen, el flujo simplemente reduce de forma natural sin necesidad de intervención externa. Lo que hace que estos tubos sean tan útiles es que mantienen una operación estable durante todo este proceso sin necesidad de sensores complejos o sistemas de control. Sin embargo, hay una limitación. Debido a que los tubos capilares tienen dimensiones fijas, no funcionan bien en situaciones donde las variaciones de carga exceden aproximadamente el 40% por encima o por debajo de lo que fue diseñado originalmente. Esta limitación significa que los operadores deben ser cuidadosos al emparejar los requisitos de la aplicación con las especificaciones del tubo.
La selección del tubo capilar adecuado implica equilibrar tres factores clave:
Hoy en día, conseguir las combinaciones adecuadas de materiales es muy importante, especialmente cuando se trabaja con refrigerantes más nuevos, como el R-454B o el R-32. La tubería estándar de cobre funciona bien para muchos refrigerantes comunes, aunque a veces necesita una capa de recubrimiento de níquel si se trata de soluciones a base de amoníaco. Cuando los materiales no se combinan correctamente, con el tiempo empiezan a degradarse tanto dentro de las tuberías como dentro de la mezcla del refrigerante. Según una investigación de ASHRAE realizada en 2023, esta incompatibilidad puede reducir la eficiencia del sistema en casi un 19 %. Por lo tanto, elegir materiales compatibles no solo es una buena práctica, sino que también es fundamental para que los sistemas sigan funcionando de manera confiable año tras año, manteniendo sus capacidades de rendimiento térmico.
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