एयर कंडीशनर में पाई जाने वाली केपिलरी ट्यूब HVAC सिस्टम का एक महत्वपूर्ण हिस्सा होती है, जो कंडेनसर और इवैपोरेटर यूनिट के बीच में स्थित होती है। इस घटक का कार्य यह नियंत्रित करना है कि कितना रेफ्रिजरेंट प्रवाहित होता है, इस पर दबाव में कमी का प्रभाव डालकर। यह प्रक्रिया इवैपोरेटर भाग में जाने से पहले उच्च दबाव वाले तरल रेफ्रिजरेंट को कम दबाव वाले में बदल देती है। चूंकि इसमें कोई गतिमान भाग शामिल नहीं होते हैं, इसलिए इन ट्यूबों का निश्चित आकार अन्य विकल्पों, जैसे कि एक्सपैंशन वाल्व की तुलना में काफी भरोसेमंद होता है, इसके अलावा ये आमतौर पर सस्ती भी होती हैं। उदाहरण के लिए, 0.031 इंच व्यास वाली एक सामान्य केपिलरी ट्यूब लें। ऐसे आकार से सामान्य कार्य स्थितियों में दबाव स्तर लगभग आधा हो जाता है, जिससे सिस्टम में रेफ्रिजरेंट के प्रवाह को स्थिर रखने में मदद मिलती है।
जब रेफ्रिजरेंट इन छोटी केशिका नलिकाओं से होकर गुजरता है, तो यह उन्हीं मूलभूत ऊष्मागतिक सिद्धांतों का पालन करता है, जिनके बारे में हम सभी ने स्कूल में सीखा था। जब संघनक से वाष्पीकरण तक दबाव में गिरावट आती है, तो रेफ्रिजरेंट की अवस्था में बदलाव के साथ कुछ दिलचस्प घटना घटित होती है। तरल रेफ्रिजरेंट वास्तव में छिपी हुई ऊष्मा को सोख लेता है जबकि यह फैलता है, जो कि सोचने पर काफी अचंभित करने वाला है। जैसे-जैसे रेफ्रिजरेंट इन संकीर्ण मार्गों से गुजरता है, घर्षण के कारण ऊष्मा उत्पन्न होती रहती है। इससे अधिकांश मानक प्रणालियों में प्रति किलोग्राम लगभग 120 से लेकर शायद 150 किलोजूल तक एन्थैल्पी में ध्यान देने योग्य गिरावट आती है। ये सभी कारक एक साथ मिलकर ऊष्मा को प्रणाली में दक्षतापूर्वक संचालित रखने और दिनभर मांग में उतार-चढ़ाव के बावजूद भी स्थिर संचालन बनाए रखने में मदद करते हैं।
| ट्यूब की लंबाई | आंतरिक व्यास | दबाव कमी | द्रव्यमान प्रवाह दर |
|---|---|---|---|
| 1.5 मीटर | 0.8 मिमी | उच्च | कम |
| 2.2 मीटर | 1.0 मिमी | मध्यम | माध्यम |
| 3.0 मी | 1.2 मिमी | कम | उच्च |
कैपिलरी ट्यूब के आकार और आकृति से यह निर्धारित होता है कि एक सिस्टम कितनी अच्छी तरह से काम करता है। लंबी ट्यूब तरल प्रवाह के खिलाफ अधिक प्रतिरोध पैदा करती है, जबकि बड़े व्यास वाली ट्यूब में अधिक पदार्थ गुजर सकते हैं। कुछ परीक्षण 0.5 मिमी और 1.5 मिमी मापने वाली ट्यूबों पर किए गए थे, जिनमें पाया गया कि उन चौड़ी ट्यूबों में लगभग 63% बेहतर प्रवाह क्षमता थी, जबकि अन्य सभी चीजें समान रहीं। सही आकार पाना बहुत जरूरी है, यह बहुत कम और बहुत अधिक के बीच सही संतुलन है। अगर यह बहुत छोटा है, तो इवैपोरेटर को रेफ्रिजरेंट से वंचित कर दिया जाता है। बहुत बड़ा? कंप्रेसर में जल जाने की समस्या आती है, जिसकी किसी को आवश्यकता नहीं होती है। तकनीशियन इन चीजों की गणना करने में घंटों बिताते हैं क्योंकि इसे सही करने का मतलब है कि एक कुशल एचवीएसी सिस्टम और एक ऊर्जा को बर्बाद करने वाले और तेजी से खराबा होने वाले सिस्टम के बीच अंतर है।
एक प्रणाली में प्रवेश करने वाले रेफ्रिजरेंट का तापमान कैपिलरी ट्यूबों के कार्य करने की क्षमता पर बहुत प्रभाव डालता है, क्योंकि यह रेफ्रिजरेंट की मोटाई और उसकी अवस्था में परिवर्तन को बदल देता है। जब प्रवेश तापमान लगभग 12 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ जाता है, तो R410A की श्यानता में लगभग 18% की कमी आती है। इससे रेफ्रिजरेंट ट्यूबों के माध्यम से तेजी से प्रवाहित होता है, लेकिन वास्तव में उस दबाव अंतर को कमजोर कर देता है जो उचित ऊष्मा स्थानांतरण के लिए आवश्यक है। वास्तविक डेटा को देखने से यह भी पता चलता है कि वाणिज्यिक HVAC स्थापनाओं में क्या होता है। वे सिस्टम जहां प्रवेश तापमान आवश्यकता के अनुसार नहीं होता, तो अध्ययनों के अनुसार, ASHRAE द्वारा 2023 में प्रकाशित जानकारी के अनुसार, अपनी शीतलन क्षमता का लगभग 23% तक नुकसान करते हैं। इस तरह का नुकसान समय के साथ बिल्डिंग ऑपरेटरों के लिए बढ़ता जाता है, जो आंतरिक स्थितियों को आरामदायक बनाए रखने की कोशिश कर रहे होते हैं।
जब तांबे की केशिका नलियों को गर्म किया जाता है, तो वास्तव में तापमान में प्रत्येक 10 डिग्री सेल्सियस वृद्धि के लगभग 0.017% तक फैल जाती हैं। इस फैलाव के कारण आंतरिक व्यास लगभग 0.008 मिलीमीटर तक सिकुड़ जाता है, जिससे तरल प्रवाह के लिए समस्याएं उत्पन्न होती हैं। जब वातावरण का तापमान 45 डिग्री सेल्सियस से ऊपर चला जाता है, तो यह समस्या काफी ध्यान देने योग्य हो जाती है। पिछले साल प्रकाशित एक शोध के अनुसार शीतलक प्रवाह पर, कुंडलित नली की व्यवस्था तापमान से संबंधित समस्याओं के साथ बहुत बेहतर ढंग से निपटती है तुलना में सीधी नलियों के। परीक्षणों में दिखाया गया कि कुंडलित नलियां पारंपरिक सीधी नलियों की तुलना में तापीय परिवर्तनों से प्रवाह में होने वाले भिन्नता को लगभग दो तिहाई तक कम कर देती हैं, जो तापमान में काफी उतार-चढ़ाव वाले सिस्टम के लिए एक स्मार्ट विकल्प बनाती हैं।
जब वातावरण का तापमान 20°C से 40°C के बीच में उतार-चढ़ाव करता है, तब R407C, R410A की तुलना में 31% अधिक आयतन प्रवाह परिवर्तन प्रदर्शित करता है। आंशिक भार संचालन इस प्रभाव को और तीव्र कर देता है, जिसमें चर गति वाले कंप्रेसरों में द्रव्यमान प्रवाह में 2.7 गुना अधिक दोलन होता है जो स्थिर-गति प्रणालियों में केशिका नलियों में होता है।
जैसे-जैसे तापमान 35 डिग्री सेल्सियस से ऊपर बढ़ता है, प्रवाह प्रतिरोध केवल बढ़ता ही नहीं है, बल्कि तेजी से बढ़ता है, प्रत्येक अतिरिक्त डिग्री के लिए लगभग 42% तेजी से बढ़ जाता है। ऐसा क्यों होता है? ठीक है, जब चीजें गर्म होती हैं, तो कई कारक काम करने लगते हैं। सबसे पहले, जब रेनॉल्ड्स संख्या लगभग 2,300 के चिह्न से गुजरती है, तो टर्बुलेंस शुरू हो जाता है। फिर ट्यूबों के मध्य भागों में फ्लैश गैस बनने की प्रक्रिया भी होती है। और फिर सतह की खुरदरापन के समय के साथ-साथ बढ़ना भी नहीं भूलना चाहिए। प्रयोगशाला के प्रयोगों ने लगातार कुछ दिलचस्प बातें भी दिखाई हैं। जब तापमान में 10 डिग्री का उतार-चढ़ाव होता है, तो प्रणाली के प्रदर्शन में लगभग 19% अधिक भिन्नता आती है, दबाव में समान परिवर्तनों की तुलना में। यह वास्तव में इन छोटे केशिका ट्यूबों की संवेदनशीलता को रेखांकित करता है, जो संचालन के दौरान छोटे तापमान परिवर्तनों के प्रति भी संवेदनशील होते हैं।
कैपिलरी ट्यूब सिस्टम में R22, R407C और R410A का प्रदर्शन काफी भिन्न होता है क्योंकि उनके गुण जैसे श्यानता, घनत्व और गुप्त ऊष्मा विशेषताएं अलग-अलग होते हैं। जब लगभग 45 डिग्री सेल्सियस परिवेश तापमान पर परीक्षण किया जाता है, 2002 में किम और उनके सहयोगियों द्वारा किए गए अध्ययनों से पता चला कि समान ट्यूबों के माध्यम से R22 वास्तव में R407C की तुलना में लगभग 12 से 18 प्रतिशत अधिक द्रव्यमान ले जाता है। लेकिन इस कहानी की एक अन्य बाजू भी है। R410A भले ही आयतन के हिसाब से लगभग 8 से 10 प्रतिशत धीमी गति से बहता है, फिर भी यह पुराने अच्छे R22 की तुलना में लगभग 15 से 22 प्रतिशत बेहतर ऊष्मा स्थानांतरण दक्षता प्रदान करने में सक्षम है। इसके कारण नए सिस्टम के लिए R410A का उपयोग अधिक होता है, भले ही इसे उच्च संचालन दबाव की आवश्यकता हो। हालांकि, 2022 में प्रकाशित हुए नवीनतम अनुसंधान ने R407C के साथ एक अन्य समस्या को रेखांकित किया। इसका तापमान ग्लाइड निश्चित-एपर्चर सिस्टम में एकल घटक रेफ्रिजरेंट की तुलना में लगभग 4 से 7 प्रतिशत तक दक्षता में थोड़ी-सी लेकिन स्पष्ट गिरावट लाता है, जिसे सिस्टम डिज़ाइन और रखरखाव के दौरान तकनीशियनों को ध्यान में रखना आवश्यक है।
अलग-अलग रेफ्रिजरेंट्स के प्रदर्शन का तरीका काफी बदल जाता है जब तापमान ऊपर-नीचे होता है। उदाहरण के लिए, लगभग 30 डिग्री सेल्सियस संघनन तापमान पर जो होता है उसे लीजिए। R410A प्रवाह दर में केवल लगभग प्लस या माइनस 3 प्रतिशत के उतार-चढ़ाव के साथ चीजों को काफी स्थिर रखता है। लेकिन R407C की कहानी अलग है क्योंकि इसकी ज़ीओट्रोपिक प्रकृति के कारण, यह लगभग प्लस या माइनस 9 प्रतिशत के काफी बड़े उतार-चढ़ाव को दर्शाता है। जब हम कम भार की स्थिति पर देखते हैं जहां परिवेश का तापमान गिरकर 15 डिग्री सेल्सियस हो जाता है, तो R22 के लिए समस्याएं उत्पन्न होने लगती हैं। इसका निम्न क्रांतिक तापमान इस बात का कारण बनता है कि फ्लैश गैस वांछित समय से पहले बनने लगती है, जिससे शीतलन क्षमता में 14 से 19 प्रतिशत की कमी आती है जो R410A की तुलना में दी जाने वाली है। दिलचस्प बात यह है कि वास्तव में 2003 में चोई द्वारा विकसित एक मॉडल है जो इन सभी गैर-रैखिक व्यवहारों की भविष्यवाणी करने में काफी अच्छा काम करता है। भविष्यवाणियां 20 से 55 डिग्री सेल्सियस तक के परिचालन सीमा में वास्तविक माप के 88 से 92 प्रतिशत समय तक मेल खाती हैं, हालांकि कोई भी यह दावा नहीं करता कि यह हर स्थिति में पूरी तरह से सही है।
आर 22 सिस्टम को आर 410 ए के साथ अपग्रेड करने के लिए 40% अधिक संचालन दबाव को समायोजित करने के लिए केपिलरी ट्यूब के आकार को बदलना आवश्यक है। 85 रेट्रोफिट परियोजनाओं से प्राप्त डेटा दर्शाता है कि छोटी ट्यूबों के उपयोग से होता है:
थर्मोडायनामिक सिमुलेशन टूल्स का उपयोग पुन: कैलिब्रेशन के लिए किया गया जिससे अनुकूलित मामलों में 63% तक अक्षमता में कमी आई, एएसएचआरएई 2023 रेट्रोफिट दिशानिर्देशों के अनुसार।
सीधी केशिका नलिकाएं तापमान बढ़ने पर बेहतर रेफ्रिजरेंट प्रवाह स्थिरता बनाए रखती हैं क्योंकि उनकी लंबाई में समान अनुप्रस्थ काट होती है। परीक्षणों से पता चलता है कि इन सीधी डिज़ाइनों में थर्मल स्ट्रेस परीक्षण के दौरान कुंडलित विकल्पों की तुलना में लगभग 15 प्रतिशत कम दबाव में गिरावट आती है। सरल सीधा मार्ग उस टर्बुलेंस की समस्याओं को कम कर देता है जो अक्सर कुंडलित नलिकाओं में होती है जब परिवेश का तापमान लगभग 95 डिग्री फारेनहाइट या उससे अधिक हो जाता है। निश्चित रूप से, कुंडलित मॉडल कम जगह लेते हैं, लेकिन मोड़ अतिरिक्त प्रतिरोध पैदा करते हैं क्योंकि तरल उनके माध्यम से बहता है। नए वर्षों में किए गए विभिन्न एचवीएसी प्रणाली सिमुलेशन के अनुसार, इस बढ़ी हुई घर्षण वास्तव में उन बहुत गर्म स्थितियों में द्रव्यमान प्रवाह स्थिरता को 8 से 12 प्रतिशत के बीच कम कर देता है।
केपिलरी ट्यूबों के डिज़ाइन करते समय व्यास (diameter) और लंबाई के बीच सही संतुलन बनाए रखना बहुत महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से इस बात को ध्यान में रखते हुए कि गर्म होने पर सामग्री कैसे फैलती है। अधिकांश इंजीनियरों को लगता है कि लगभग 0.03 से 0.05 इंच चौड़ी ट्यूबें काफी अच्छा प्रदर्शन करती हैं, जिनकी लंबाई आमतौर पर लगभग 12 फीट से लेकर 20 फीट तक होती है। ये माप लगभग सभी मौसमी स्थितियों में अच्छा प्रतिरोध दिखाते हैं जो हमारे सामान्य संचालन में आती हैं, ठंडी सर्दियों की सुबह लगभग 40 डिग्री फारेनहाइट से लेकर गर्मियों की तेजी से बढ़ते हुए 115 डिग्री फारेनहाइट तक के तापमान में भी। आज के डिज़ाइनर अपने सिमुलेशन टूल्स में कृत्रिम बुद्धिमत्ता (आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस) को शामिल करना शुरू कर रहे हैं, जो विभिन्न तापमानों के तहत ट्यूबों के विकृत होने की भविष्यवाणी करने में मदद करता है। यह दीवार की मोटाई में समायोजन के बारे में स्मार्ट निर्णय लेने की अनुमति देता है ताकि तरल प्रवाह मौसमों के बीच चरम तापमान परिवर्तन के दौरान भी लगभग प्लस या माइनस 3 प्रतिशत के भीतर स्थिर बना रहे।
गतिक मॉडलिंग के उपयोग से यह भविष्यवाणी करना संभव हो गया है कि जब तापमान में परिवर्तन होता है तो केशिका ट्यूब कैसे कार्य करती है। पिछले वर्ष प्रकाशित कुछ अनुसंधान के अनुसार, कंप्यूटर सिमुलेशन जिन्हें सीएफडी (CFD) कहा जाता है, वास्तविक परीक्षणों में जो समस्याएं होती हैं, उनकी तुलना में लगभग 5% के भीतर तक शीतलक प्रवाह समस्याओं की भविष्यवाणी कर सकते हैं। इन मॉडल्स को इतना अच्छा बनाने वाली बात यह है कि वे व्यवहार में वास्तव में महत्वपूर्ण चीजों को ध्यान में रखते हैं, जैसे कि जब शीतलक तरल और गैस अवस्थाओं के बीच स्विच होता है, इसके अलावा यह भी ध्यान में रखते हैं कि ताप से तांबे की ट्यूब कितना थोड़ा-सा फैलती है - लगभग 0.02 मिलीमीटर प्रति सेल्सियस डिग्री। इस तरह के विस्तृत दृष्टिकोण से इंजीनियरों को बेहतर डिज़ाइन बनाने में मदद मिलती है, विशेष रूप से उन कठिन अनुप्रयोगों के लिए जहां सटीकता सबसे अधिक महत्वपूर्ण होती है।
मशीन लर्निंग ऑपरेशनल डेटा के दशकों के विश्लेषण द्वारा केशिका नली अनुकूलन को बदल रही है। 2024 की एक उद्योग रिपोर्ट में पाया गया कि एआई द्वारा उत्पादित डिज़ाइन सामान्य विधियों की तुलना में 12–18% तक ऊर्जा खपत कम करते हैं। हालांकि, इंजीनियरों को मानक संचालन सीमा से बाहर की चरम परिस्थितियों के लिए भौतिक परीक्षण के आधार पर एआई उत्पादन की पुष्टि करनी चाहिए।
अग्रणी निर्माता तापमान-प्रतिक्रियाशील केशिका प्रणालियों को अपना रहे हैं जिनमें शामिल हैं:
यह अनुकूलित रणनीति 25°C तक के परिवेशीय परिवर्तन के बावजूद लगातार शीतलन उत्पादन बनाए रखती है, एएसएचआरएई तनाव मूल्यांकन में निश्चित-डिज़ाइन ट्यूबों से 19% बेहतर प्रदर्शन करते हुए।
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