لوله مویینی که در دستگاههای تهویه هوا یافت میشود، به عنوان یک قطعه مهم در سیستمهای تهویه مطبخی (HVAC) عمل میکند و دقیقاً بین کندانسور و واحد تبخیرکننده قرار میگیرد. عملکرد این قطعه کنترل مقدار شارش مبرد از طریق ایجاد افت فشار است. این فرآیند مایع مبرد با فشار بالا را به مایعی با فشار پایین تبدیل میکند قبل از اینکه به بخش تبخیرکننده برسد. از آنجا که هیچ قطعه متحرکی در این فرآیند وجود ندارد، شکل ثابت این لولهها را در مقایسه با گزینههای دیگر مانند شیرهای انبساطی بسیار قابل اعتماد میکند، همچنین این لولهها تمایل دارند ارزانتر باشند. به عنوان مثال یک لوله مویینی معمولی با قطر حدود 0.031 اینچ. در چنین اندازهای، در شرایط عادی کاری، فشار را تقریباً به میزان نصف کاهش میدهد که به حفظ جریان مداوم مبرد در کل سیستم کمک میکند.
حرکت مادهٔ خنککننده از طریق این لولههای مویینی اصول ترمودینامیکی اساسی را دنبال میکند که قبلاً در مدرسه دربارهٔ آنها یاد گرفتهایم. وقتی فشار از سمت کندانسور به سمت اواپراتور کاهش پیدا میکند، اتفاق جالبی در مورد مادهٔ خنککننده رخ میدهد و مادهٔ خنککننده تغییر وضعیت میدهد. مایع خنککننده در واقع گرمای پنهانی را در هنگام انبساط جذب میکند که اگر فکر کنید، واقعاً جالب است. در حالی که مادهٔ خنککننده از این مسیرهای باریک عبور میکند، اصطکاک در طول مسیر باعث تولید گرما میشود. این موضوع منجر به کاهش قابل توجهی در آنتالپی میشود، تقریباً حدود 120 تا شاید حتی 150 کیلوژول بر کیلوگرم در بیشتر سیستمهای استاندارد. تمام این عوامل با هم کار میکنند تا انتقال گرما را بهصورت کارآمد درون سیستم حفظ کنند و به عملکرد پایدار سیستم کمک کنند، حتی زمانی که تقاضا در طول روز تغییر میکند.
| طول لوله | قطر داخلی | کاهش فشار | دبی جرمی |
|---|---|---|---|
| 1.5 متر | 0.8 میلی متر | بالا | کم |
| 2.2 متر | 1.0 میلیمتر | متوسط | متوسط |
| 3.0 متر | 1.2 میلیمتر | کم | بالا |
شکل و اندازه لولههای مویینه واقعاً بر کارایی یک سیستم تأثیر میگذارد. لولههای بلندتر مقاومت بیشتری در برابر جریان سیال ایجاد میکنند، در حالی که لولههای با قطر بزرگتر اجازه میدهند مقدار بیشتری ماده از آنها عبور کند. برخی آزمایشها که روی لولههایی به قطر ۰٫۵ میلیمتر و ۱٫۵ میلیمتر انجام شده نشان داد که لولههای پهنتر در شرایط یکسان تقریباً ۶۳ درصد ظرفیت جریان بهتری داشتند. انتخاب اندازه مناسب همه چیز در پیدا کردن آن نقطه شیرین بین خیلی کم و خیلی زیاد است. اگر خیلی کوچک باشد، تبخیرکننده دچار کمبود سرمازا میشود. خیلی بزرگ؟ خروپف کمپرسور اتفاق میافتد که هیچکس دوست ندارد. تکنسینها ساعات زیادی را صرف محاسبه این موارد میکنند، چون درست کردن آن تفاوتی اساسی بین یک سیستم اچویاِی سی کارآمد و یک سیستم بیکیفیت که انرژی را هدر میدهد و زودتر از کار میافتد، ایجاد میکند.
دمای مبرد ورودی به یک سیستم نقش مهمی در نحوه عملکرد لولههای مویینه دارد، زیرا این دما ضخامت مبرد و گذار آن بین مراحل مختلف را تغییر میدهد. وقتی دمای ورودی حدود 12 درجه سانتیگراد افزایش یابد، ویسکوزیته R410A حدود 18% کاهش مییابد. این امر باعث میشود مبرد سریعتر از طریق لولهها جریان یابد، اما در عین حال اختلاف فشار لازم برای انتقال حرارت مناسب را کاهش میدهد. بررسی دادههای واقعی از نصبهای تهویه مطبوع تجاری نیز چیزی مهمتر را نشان میدهد. سیستمهایی که دمای ورودی آنها مطابق با مقدار تعیینشده نباشد، از دست دادن تا 23% ظرفیت سرمایشی خود را بر اساس مطالعات اخیر منتشر شده توسط ASHRAE در سال 2023 تجربه میکنند. این نوع از دست دادن با گذشت زمان برای بهرهبرداران ساختمانها که سعی در حفظ شرایط آرامش درونی دارند، جمع میشود.
هنگامی که لولههای مویین مسی گرم میشوند، در واقع حدود 0.017% برای هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دما منبسط میشوند. این انبساط باعث میشود قطر داخلی لوله تقریباً 0.008 میلیمتر کاهش یابد، که مشکلاتی برای جریان سیال ایجاد میکند. این مشکل زمانی که دمای اطراف از 45 درجه سانتیگراد بیشتر میشود بهخوبی مشهود میگردد. طبق تحقیقات منتشرشده سال گذشته در مورد جریان مبردها، آرایش لولههای پیچدار در مقابله با این مشکلات دمایی عملکرد بهتری نسبت به لولههای مستقیم دارند. آزمایشها نشان دادند که استفاده از لولههای پیچدار نسبت به لولههای مستقیم سنتی، نوسانات جریان ناشی از تغییرات دمایی را تا حدود دو سوم کاهش میدهند و این امر آنها را انتخاب مناسبی برای سیستمهایی که با نوسانات قابلتوجه دمایی روبرو هستند، قرار میدهد.
R407C در دمای محیطی بین 20 تا 40 درجه سانتیگراد، نوسان جریان حجمی 31٪ بیشتری نسبت به R410A از خود نشان میدهد. عملکرد در بار جزئی این اثر را تشدید میکند، بهطوریکه لولههای موئین در کمپرسورهای سرعت متغیر، 2.7 برابر نوسان بیشتر جرمی نسبت به سیستمهای سرعت ثابت را تجربی میکنند.
با افزایش دما به بیش از 35 درجه سانتیگراد، مقاومت در برابر جریان تنها افزایش نمییابد، بلکه سرعت افزایش آن نیز تسریع میشود و تقریباً 42٪ سریعتر برای هر درجه اضافی افزایش مییابد. چرا این اتفاق میافتد؟ در واقع، چندین عامل زمانی که دما بالا میرود، نقش ایفا میکنند. اول اینکه، توربولانس (جریان متلاطم) زمانی شروع میشود که عدد رینولدز به حدود 2300 برسد. سپس تشکیل گاز در ناحیه مرکزی لولهها نیز نقش دارد. و همچنین نباید فراموش کرد که زبری سطح با گذشت زمان افزایش مییابد. آزمایشهای آزمایشگاهی به طور مداوم چیزی جالب را نشان دادهاند. وقتی دما 10 درجه تغییر کند، عملکرد سیستم تقریباً 19٪ بیشتر نسبت به تغییرات مشابه تنها در فشار، دچار نوسان میشود. این موضوع واقعاً برجسته میکند که این لولههای مویینگی چقدر به حتی تغییرات کوچک دمایی در طول کار حساس هستند.
عملکرد R22، R407C و R410A در سیستمهای لوله موئینه بهطور قابلتوجهی متفاوت است، زیرا خواص متفاوتی مانند ویسکوزیته، چگالی و ویژگیهای گرمای نهانی دارند. وقتی در دمای محیط حدود 45 درجه سانتیگراد آزمایش شوند، مطالعاتی که کیم و همکارانش در سال 2002 انجام دادند نشان داد که R22 در واقع جرمی حدود 12 تا 18 درصدی بیشتر از R407C را از لولههای یکسان منتقل میکند. اما داستان اینجا تمام نمیشود. R410A توانایی انتقال گرما را با 15 تا 22 درصد بهتری نسبت به همان R22 فراهم میکند، هرچند از نظر حجمی 8 تا 10 درصد کندتر جریان دارد. این موضوع R410A را به یک انتخاب محبوب برای سیستمهای جدید تبدیل میکند، هرچند فشار کاری بالاتری میطلبد. تحقیقات اخیر منتشر شده در سال 2022 مشکل دیگری را در مورد R407C برجسته کردند. لغزش دمایی آن باعث کاهش کوچک اما قابلتوجهی در راندمان به میزان 4 تا 7 درصد در سیستمهای دارای اوریفیس ثابت نسبت به مبردهای تکمؤلفهای میشود، چیزی که تکنسینها باید در طراحی و نگهداری سیستمها به آن توجه کنند.
عملکرد مبردهای مختلف وقتی دماها بالا و پایین میروند، تفاوتهای قابل توجهی دارد. به عنوان مثال، در دمای تراکم حدود 30 درجه سانتیگراد چه اتفاقی میافتد را در نظر بگیرید. R410A عملکردی بسیار پایدار دارد و تنها دارای تغییراتی در حدود 3 درصد (مثبت و منفی) در میزان جریان است. اما R407C به دلیل ماهیت زئوتروپیک خود داستان متفاوتی دارد و نوسانات بسیار بزرگتری در حدود 9 درصد (مثبت و منفی) نشان میدهد. وقتی به شرایط بار پایین نگاه میکنیم که دمای اطراف به 15 درجه سانتیگراد کاهش مییابد، مشکلاتی برای R22 ظاهر میشود. دمای بحرانی پایینتر آن باعث میشود گاز فلش زودتر از زمان مورد نظر تشکیل شود و این امر ظرفیت سرمایشی آن را در مقایسه با R410A بین 14 تا 19 درصد کاهش دهد. جالب است که در واقع یک مدل در سال 2003 توسط چوی توسعه داده شده است که پیشبینی خوبی از این رفتارهای غیرخطی ارائه میدهد. این پیشبینیها در 88 تا 92 درصد مواقع با اندازهگیریهای واقعی همخوانی دارند و این در محدوده دمایی 20 تا 55 درجه سانتیگراد است، هرچند کسی نمیگوید که در تمام شرایط کامل باشد.
بازسازی سیستمهای R22 با استفاده از R410A نیازمند تغییر اندازه لوله مویین است تا بتواند فشار کاری 40% بالاتر را تحمل کند. دادههای حاصل از 85 پروژه بازسازی نشان میدهد که استفاده از لولههای کوچکتر از اندازه مناسب منجر به:
استفاده از ابزارهای شبیهسازی ترمودینامیکی برای تنظیم مجدد، در موارد بهینهسازی شده، این ناکارآمدیها را 63% کاهش داده است، مطابق با راهنمایهای ASHRAE 2023 برای بازسازی.
لولههای مویینهای مستقیم به دلیل داشتن سطح مقطع یکنواخت در سراسر طولشان، در دماهای بالا روند بهتری در حفظ ثبات جریان مبرد دارند. آزمایشها نشان میدهند که این طراحیهای مستقیم در آزمونهای تنش حرارتی حدود 15 درصد کمتر افت فشار را نسبت به گزینههای پیچخورده تجربی میکنند. مسیر ساده و مستقیم، مشکلات آشفتگی را که اغلب در لولههای پیچخورده زمانی که دمای اطراف به حدود 95 درجه فارنهایت یا بالاتر میرسد بوجود میآید، کاهش میدهد. البته مدلهای پیچخورده فضای کمتری را اشغال میکنند، اما انحناها مقاومت اضافی ایجاد میکنند که با حرکت سیال از طریق آنها اتفاق میافتد. این اصطکاک اضافی در واقع ثبات جریان جرمی را در شرایط بسیار گرم بین 8 تا 12 درصد کاهش میدهد که بر اساس شبیهسازیهای مختلف سیستمهای HVAC در سالهای اخیر مشاهده شده است.
در طراحی لولههای مویین، داشتن تعادل مناسب بین قطر و طول امری بسیار مهم است، بهویژه با توجه به اینکه مواد در اثر گرما چقدر منبسط میشوند. بیشتر مهندسان دریافتهاند که لولههایی با عرض تقریبی ۰٫۰۳ تا ۰٫۰۵ اینچ بهخوبی کار میکنند و طول آنها معمولاً از حدود ۱۲ فوت تا ۲۰ فوت متغیر است. این ابعاد در شرایط آبوهوایی معمولی که از صبحهای سرد زمستانی با دمای حدود ۴۰ درجه فارنهایت تا گرمای تابستانی با دمای ۱۱۵ درجه فارنهایت رخ میدهد، بهخوبی عمل میکنند. طراحان امروزی شروع به استفاده از هوش مصنوعی در ابزارهای شبیهسازی خود کردهاند که این امر به پیشبینی نحوه تغییر شکل لولهها در دماهای مختلف کمک میکند. این قابلیت به تصمیمگیری هوشمندانهتر در مورد ضخامت دیواره لوله کمک میکند تا جریان سیال در محدوده تقریبی ۳ درصد بالا یا پایین ثابت بماند، حتی در شرایط تغییرات دمایی شدید فصلی.
استفاده از مدلسازی دینامیکی امکان پیشبینی نحوه عملکرد لولههای مویینه را در شرایطی که دما در اطراف آنها تغییر میکند فراهم کرده است. بر اساس برخی تحقیقات منتشر شده در سال گذشته، مشخص شده است که شبیهسازیهای کامپیوتری به نام CFD در واقع قادر به پیشبینی دقیق مشکلات جریان مبرد هستند، معمولاً در محدوده ۵ درصد از نتایج آزمایشهای واقعی. دقت این مدلها به این دلیل است که عوامل مهم در عملکرد واقعی را در نظر میگیرند، مانند تغییر فاز مبرد بین حالت مایع و گاز، همچنین انبساط اندک لولههای مسی در اثر گرما - تقریباً ۰/۰۲ میلیمتر در هر درجه سانتیگراد. این رویکرد دقیق به مهندسان کمک میکند تا طراحیهای بهتری ارائه دهند، بهویژه در کاربردهای پیچیده که دقت بیشتری مورد نیاز است.
یادگیری ماشینی با تحلیل دههها داده عملیاتی، بهینهسازی لوله مویینه را دچار تحول کرده است. گزارش صنعتی 2024 نشان داد که طراحیهای تولید شده توسط هوش مصنوعی مصرف انرژی را 12 تا 18 درصد نسبت به روشهای متداول کاهش میدهند. با این حال، مهندسان باید خروجیهای هوش مصنوعی را با آزمایشهای فیزیکی معتبر کنند، به ویژه در شرایط بحرانی خارج از محدوده عملیات استاندارد.
تولیدکنندگان پیشرو در حال استفاده از سیستمهای مویینه پویا با قابلیت پاسخگویی به دما هستند که شامل:
این استراتژی خودگردان، خروجی سرمایشی یکنواختی را حتی در شرایط تغییر دمای محیط تا 25 درجه سانتیگراد حفظ میکند و عملکردی 19 درصد بهتر از لولههای با طراحی ثابت در ارزیابیهای استرس ASHRAE ارائه میدهد.
EN
اخبار داغ