Kapillaariputket toimivat kiinteän aukon laajenituslaitteina ilmanvaihtojärjestelmissä, mikä mahdollistaa nestemäisen kylmäaineen paineen passiivisen alentamisen. Kun korkeapaineinen kylmäaine virtaa näihin kapeisiin putkiin (yleensä noin 0,5–2 mm paksuja), putkien seiniin syntyy vastusta, joka aiheuttaa paineen laskun. Tämän jälkeen tapahtuu melko mielenkiintoinen muutos: alijäähtynyt neste muuttuu alhaisemmassa paineessa ja lämpötilassa olevaksi höyryn ja nesteen seokseksi, mikä tekee siitä tehokkaan lämmön imeytymiseen höyrystimessä, joka on järjestelmän osa. Eri suuri etu tässä on se, että mukana ei ole lainkaan liikkuva osia. Tämä mekaaninen yksinkertaisuus on osoittautunut toimivaksi ajan mittaan, mikä on monien teknikkojen käytännön kokemuksena eri ilmanvaihtojärjestelmien yhteydessä.
Pienet ilmanlämmityslaitteet riippuvat täysin kapillaariputken fyysisestä muodosta kylmäaineen virtauksen hallinnassa. Kylmäaineen määrä, joka kulkee putken läpi, riippuu todella siitä, kuinka pitkä ja leveä putki on. Jos joku tekee putkesta 20 % pidemmän, he näkevät tyypillisesti noin kolmannen vähemmän kylmäaineen virtaavan läpi, koska sisällä tapahtuu vain enemmän kitkaa. Kun putket tulevat liian kapeiksi, ne aiheuttavat samanlaisia vastusongelmia kuin ne hienot mekaaniset laajenemisventtiilit. Näissä yksinkertaisissa suunnittelussa on mielenkiintoista, kuinka ne säätävät automaattisesti kun paineet muuttuvat järjestelmässä. Ota esimerkiksi lämpimämmät ulkolämpötilat. Kun ilma lämpenee, kondensaattorin paine nousee, ja tämä itse asiassa saa aikaan, että enemmän kylmäainetta virtaa kapillaariputken läpi yksinään, ei tarvita mitään monimutkaisia elektroniikkoja tai antureita sen hallinnoimiseen.
Kun kylmäaine liikkuu kapillaariputken läpi, siihen liittyy melko suuri painehäviö, joskus yli 100 psi, sen siirtyessä nestemäisestä tilasta siihen seokseen, jota kutsutaan kahden faasin seokseksi (neste ja höyry). Suurin osa tästä paineiskusta tapahtuu itse asiassa alussa, noin 90 % ensimmäisen kolmannen osan kohdalla putkea. Sen sijaan, kun se saapuu höyrystimen sisäänmenoon, paineet asettuvat yleensä somewhere 60–80 psi:n välille standardikylmäaineilla, kuten R-410A tai vastaavilla, joita yleisesti käytetään nykyään. Nesteen virtaustapa noudattaa pohjimmiltaan tätä kaavaa: Q on suoraan verrannollinen arvoon delta P kertaa D neljänteen potenssiin jaettuna L:llä. Tässä D tarkoittaa putken sisä halkaisijaa, kun taas L kuvaa sen kokonaispituutta.
Kapillaariputken suorituskyky todella riippuu geometrian oikeellisuudesta. Kun putket pitenevät, ne aiheuttavat enemmän vastusta, mikä vähentää lämmönvaihtajan läpi virtaavaa kylmäaineen määrää. Suuremmat halkaisijat puolestaan sallivat enemmän läpivirtausta. Näiden mittausten virheistä seuraa ongelmia joko paineenerot tulevat liian pieniksi tai energiankulutus nousee hyvin suureksi. Tämä on erityisen tärkeää näille pienille ilmanvaihtojärjestelmille, joissa on kapillaariputkia, koska tila on niukkaa. Pienetkin muutokset mitoissa vaikuttavat paljon, kun tila on rajallista. Jotta järjestelmä toimisi oikein, asiantuntijoiden tulee mitata millimetrin tarkkuudella, jotta kaikki vastaa järjestelmän vaatimaa kapasiteettia ja tehokkuutta.
Sisähalkaisija yhdessä putken pituuden kanssa vaikuttaa merkittävästi siihen, kuinka paljon painehäviötä esiintyy kondensaattorin ja höyrystimen komponenttien välillä. ASHRAE:n vuoden 2022 perustietokirjasta käy ilmi, että halkaisijan kasvattaminen vain 0,5 mm:llä johtaa noin 40 %:n parantuneeseen virtauskapasiteettiin. Toisaalta, jos putken pituutta lisätään yhdellä metrillä, painehäviöt kasvavat yleensä 15–22 %:a. Useimmat näillä järjestelmillä työskentelevät insinöörit säätävät ensin halkaisijoita tehdessään laajoja virtauksen muutoksia ja sen jälkeen hiovat tarkemmin pituuksia. Tällä lähestymistavalla he voivat saavuttaa parempia alijäähdytyseffektejä ja pitää koko järjestelmän toiminnan tasapainossa ilman odottamattomia hekumoita.
Liian pitkät putket vähentävät höyrystimän painetta, mikä lisää kompressorin työtä, kun taas liian suuret halkaisijat lisäävät tulvariskiä nestevahingon vuoksi. Järjestelmän huipputehokkuus (COP) saavutetaan, kun paine-ero pidetään välillä 1,8–2,5 MPa ja sitä vastaavat kyllästyslämpötilaerot on otettu huomioon.
Insinöörit käyttävät kahta päämenetelmää: empiirisiä kaavioita, jotka yhdistävät kylmäainevirtauksen paine-eroihin, ja analyyttisiä malleja, jotka sisältävät dimensionaalisia lukuja, kuten Reynolds ja Mach. Nykyaikainen suunnittelu perustuu yhä enemmän laskennalliseen virtausmekaniikkaan (CFD), joka saavuttaa jopa 97 %:n tarkkuuden massavirran ennustamisessa verrattuna perinteisiin kooten määrittämismenetelmiin.
Pienemmissä ilmastonhallintaan käytetyissä laitteissa massavirtaus riippuu useista tekijöistä, kuten putkien muodosta ja koosta, käytetystä kylmäaineesta sekä paine-erosta järjestelmän sisällä. Tarkasteltaessa R134a-järjestelmiä, mikäli sisääntulopaine kasvaa vain yhdellä baarilla, se lisää kokonaisvirtausta johonkin 18–22 prosenttia ASHRAE-käsikirjan vuodelta 2006 mukaan. Kun puhutaan kuroutumisvirtaolosuhteista, nämä esiintyvät, kun ulostulopaine laskee noin 35–40 prosenttiin alkuperäisestä arvosta, mikä pysäyttää virran edellisen kasvun. Tukeaksemme ymmärrystä, tarkastellaan tyypillistä asennusta, jossa putkea, jonka halkaisija on 1,0 mm ja pituus noin 3,3 metriä, on käytetty. Normaalissa käytössä 15 baarin paineella tällainen järjestelmä toimittaisi noin 16 kilogrammaa kylmäainetta tunnissa. Näitä järjestelmiä asennettaessa ja huollettaessa teknikoiden tulee ottaa kaikki nämä yhteydet huomioon.
Tulovirran vaihe vaikuttaa merkittävästi suorituskykyyn. Alijäähtyneen nesteen pääsy mahdollistaa 35 % korkeammat virtausnopeudet kuin kaksivaiheisilla seoksilla, koska höyrystymistä ja siihen liittyviä häviöitä pienenee. Esimerkiksi:
Putken sisällä tapahtuva ennenaikainen höyrystyminen aiheuttaa painevaihteluita (2–3 bar), mikä heikentää stabiilisuutta. Virtausmallinnuksien tulokset vahvistavat, että vähintään 8 K:n alijäähtymisen ylläpitäminen estää ennenaikaisen höyrystymisen 89 %:ssa pienissä AC-sovelluksissa.
Alkuvaiheen metastabilin nestevaiheen jälkeen laajeneminen kiihtyy nopeasti putken viimeisessä kolmanneksessa, jossa lämpötilagradientit voivat ylittää 50 °C/m. Tämä korostaa tarkan lauhetelaajan ja järjestelmäsuunnittelun merkitystä.
Kapillaariputket ovat keskeisessä roolissa höyrynpuristusjärjestelmissä toimien kiinteän aukon laajenemislaitteina, jotka yhdistävät korkeapaineisen kondensointiosaston järjestelmän matalapaineiseen haihdutinosaan. Kun kylmäaine virtaa näihin kapeisiin putkiin, paine laskee äkillisesti, mikä aiheuttaa välähdyshaihtumisen. Tässä vaiheessa tapahtuu oikeastaan varsin mielenkiintoinen muutos, jossa korkeapaineinen alijäähtynyt neste muuttuu viileämmäksi kyllästetyksi seokseksi, joka pystyy sitten tehokkaasti sitomaan lämpöä haihdutinkomponentin sisällä. Yksi suuri ero kapillaariputkien ja thermostaattisten laajenemisventtiilien välillä on se, että nämä putket eivät tarvitse lainkaan sensoreita tai liikkuvia osia. Tämä tekee niistä erityisen hyviä sovelluksiin, joissa huoltotarvet on minimoitava ja järjestelmät on täysin eristetty ulkoisesta häiriötekijöistä.
Kapillaariputkia käytetään laajasti kustannustehokkaina ja vakiintuneina ratkaisuina sovelluksissa, joissa kuorma on vakio. Yleisiä järjestelmiä ovat:
The pieni ac kapillaariputki suunnittelu on erityisen tehokasta kompaktien asennusten yhteydessä, joissa tila ja luotettavuus ovat ensisijaisia. Näissä järjestelmissä käytetään yleensä alle 5 tonnin tehoa, ja ne toimivat parhaiten vakioituun ympäristöön. Niiden itsensä kompensoiva luonne mahdollistaa pienten kuormitusten mukautumisen ilman sähköisiä ohjausjärjestelmiä, mikä parantaa kestävyyttä pysyvissä suljetuissa järjestelmissä.
Kapillaariputket tarjoavat todellisia etuja, kun kyseessä ovat pienemmät ilmanvaihtojärjestelmät. Koska liikkuvia osia ei ole lainkaan, mekaanista kulumista ei tapahdu, mikä vähentää huoltotarvetta ja vikoja. Se, että nämä putket vievät hyvin vähän tilaa, tekee niistä helppoja asentaa tiiviiseen tiloihinkin. Niiden lisäksi, että ne pystyvät säätämään nestevirtausta melko tarkasti, auttaa ne ylläpitämään vakavaa järjestelmäsuorituskykyä eri olosuhteissa. Vuoden 2024 äskettäinen raportti ilmanvaihtojärjestelmien luotettavuudesta paljasti mielenkiintoisen seikan – järjestelmillä, jotka käyttivät kapillaariputkia, oli noin 32 prosenttia vähemmän huoltojärjestelmiä koskevia kutsuja laajennuslaitteiden ongelmiin verrattuna elektronisiin versioihin tukeutuviin järjestelmiin.
Kapillaariputket säätävät jäähdytysnestevirtausta omina voimallaan, kun järjestelmän kuormitus muuttuu. Kun haihduttimen kuormitus on suurempi, paine-ero kasvaa, mikä työntää enemmän jäähdytysnestettä putkea pitkin. Vastaavasti, kun kuormitus laskee, virtaus vähenee luonnollisesti ilman ulkoista säätöä. Näiden putkien hyödyllisyyden määrittää se, että ne ylläpitävät stabiilia toimintaa koko ajan ilman monimutkaisia antureita tai säätöjärjestelmiä. On kuitenkin yksi haittapuoli. Koska kapillaariputkilla on kiinteät mitat, ne eivät toimi hyvin tilanteissa, joissa kuormitusten vaihtelut ylittävät noin 40 %:lla suunnitellun käyttöalueen ylä- tai alapuolella. Tämä rajoitus tarkoittaa, että käyttäjien tulee varmistaa sovellusten vaatimusten ja putkien teknisten tietojen yhteensopivuus.
Oikean kapillaariputken valintaan vaikuttaa kolme keskeistä tekijää:
Nykyään oikeilla materiaaliyhdistelmillä on suuri merkitys, erityisesti kun käytetään uusia kylmäaineita, kuten R-454B tai R-32. Standardi kupariputket toimivat hyvin monien tavallisten kylmäaineiden kohdalla, mutta joskus niiden pinnalle tarvitaan nikkeliä, kun on kyse ammoniakkipohjaisista ratkaisuista. Jos materiaalit eivät sovellu toisiinsa, ne alkavat hajota ajan myötä sekä putkien sisällä että kylmäaineseoksessa. ASHRAE:n vuoden 2023 tutkimuksen mukaan epäjohdonmukaisuus voi todella vähentää järjestelmän tehokkuutta jopa 19 %. Siten yhteensopivien materiaalien valinta ei ole vain hyvä käytäntö, vaan se takaa järjestelmien luotettavan toiminnan vuosien ajan ja niiden lämpöominaisuuksien säilyttämisen.
EN
Uutiskanava