A klímakészülékekben található kapilláris cső az HVAC rendszerek fontos alkatrészeként működik, éppen a kondenzátor és az elpárologtató egység között helyezkedik el. Feladata, hogy szabályozza a hűtőközeg áramlását, nyomáscsökkenést okozva. Ez a folyamat a magas nyomású folyadék hűtőközeget alacsonyabb nyomásúvá alakítja, mielőtt az az elpárologtató részbe jutna. Mivel nincsenek mozgó alkatrészek, ezeknek a csöveknek a rögzített formája megbízhatóbb, mint más megoldások, például a tágulási szelepek, ráadásul olcsóbbak is. Vegyünk például egy általánosan használt kapilláris csövet, amely átmérőben kb. 0,031 hüvelyk. Ez a méret normál üzemeltetési körülmények között általában a nyomást körülbelül felére csökkenti, így biztosítva a hűtőközeg állandó áramlását az egész rendszerben.
A hűtőközeg mozgása ezeken a mikroszkopikus kapilláris csöveken keresztül az alapvető termodinamikai elveket követi, amelyekről még az iskolában tanultunk. Amikor a nyomás leeshet a kondenzátor oldalról az elpárologtató oldalra, valami érdekes dolog történik a hűtőközeggel az aggregátumváltozása során. A folyékony hűtőközeg valójában felveszi a rejtett hőt a tágulás során, ami elgondolkoztató, ha jobban megnézzük. Ahogy a hűtőközeg áthalad ezeken a szűk járatokon, a súrlódás hőt generál útközben. Ez körülbelül 120 és akár 150 kJ/kg közötti entalpiacsökkenést okoz a legtöbb szabványos rendszerben. Mindezen tényezők együttesen biztosítják, hogy a hő hatékonyan mozogjon végig a rendszeren, és segítenek fenntartani a stabil működést még akkor is, amikor a terhelés ingadozik a nap során.
| Csöv hossz | Belső átmérő | Nyomás esése | Tömegáram |
|---|---|---|---|
| 1.5 m | 0.8 MM | Magas | Alacsony |
| 2.2 m | 1,0 mm | Mérsékelt | Közepes |
| 3,0 m | 1.2 mm | Alacsony | Magas |
A kapilláris csövek alakja és mérete valóban nagyban befolyásolja a rendszer működésének hatékonyságát. A hosszabb csövek nagyobb ellenállást jelentenek a folyadék áramlásával szemben, míg a nagyobb átmérőjű csövek lehetővé teszik, hogy több anyag jusson át rajtuk. Egyes tesztek során 0,5 mm-es és 1,5 mm-es csöveket hasonlítottak össze, és megállapították, hogy a szélesebbek körülbelül 63%-kal jobb átfolyási kapacitással rendelkeztek minden egyéb tényező azonos maradása mellett. A megfelelő méret kiválasztása tehát mindig a túl kicsi és túl nagy közötti arany középutat jelenti. Ha túl kicsi a cső, akkor az elpárologtató nem kap elegendő hűtőközeget, ha viszont túl nagy, akkor a kompresszor elárasztódhat, amit mindenki szeretne elkerülni. A szakemberek órákat töltenek ezeknek a paramétereknek a kiszámításával, mivel a helyes méretezés jelenti a különbséget egy hatékony, energiatakarékos légkondicionáló rendszer és egy olyan között, amely energiapazarló és gyorsabban meghibásodik.
A hűtőközeg rendszerbe lépési hőmérséklete jelentős szerepet játszik a kapilláris csövek hatékonyságában, mivel befolyásolja a hűtőközeg viszkozitását és az állapotváltozását. Amikor a bemeneti hőmérséklet körülbelül 12 Celsius-fokkal emelkedik, az R410A hűtőközeg viszkozitása körülbelül 18 százalékkal csökken. Ez gyorsabb áramlást eredményez a csövekben, de csökkenti a megfelelő hőcserehez szükséges nyomáskülönbséget. A kereskedelmi HVAC-telepítésekből származó tényleges adatok elemzése is rávilágít egy fontos tényre. Azoknál a rendszereknél, ahol a bemeneti hőmérséklet nem felel meg az előírtnak, a 2023-ban az ASHRAE által közzétett tanulmányok szerint akár 23 százalékos hűtőteljesítmény-veszteség következett be. Ez a veszteség idővel jelentőssé válhat az épületüzemeltetők számára, akik a komfortos beltéri körülmények fenntartására törekednek.
Amikor a réz kapilláris csövek felmelegednek, valójában körülbelül 0,017%-kal tágulnak minden 10 Celsius-fokos hőmérséklet-emelkedés során. Ez a tágulás azt eredményezi, hogy a belső átmérő körülbelül 0,008 milliméterrel csökken, ami problémákat okoz a folyadékáramlásban. A probléma különösen érezhetővé válik, amikor a környezeti hőmérséklet meghaladja a 45 Celsius-fokot. A tavaly közzétett kutatások szerint a hűtőközeg-áramlás tekercselt csőelrendezésekkel sokkal hatékonyabban kezelhető, mint egyenesekkel. A tesztek azt mutatták, hogy a tekercsek a hőmérsékletváltozásokból fakadó áramlási ingadozásokat két harmaddal csökkentik az egyenes csövekkel összehasonlítva, így ezek a rendszerek különösen alkalmasak a jelentős hőmérsékletváltozásokkal szemben.
A R407C 31%-kal nagyobb térfogatáram-ingadozást mutat, mint a R410A, amikor a környezeti hőmérséklet 20 °C és 40 °C között változik. A részterheléses üzem ezt az effektust fokozza, a változó sebességű kompresszorok kapilláris csöveiben 2,7-szer nagyobb tömegáram-ingadozás tapasztalható, mint az állandó sebességű rendszerekben.
Ahogy a hőmérséklet 35 Celsius-fok fölé emelkedik, az áramlási ellenállás nem egyszerűen növekszik, hanem gyorsul is – körülbelül 42%-kal gyorsabban növekszik fokonként. Miért történik mindez? Nos, több tényező is közrejátszik, amikor melegszik az időjárás. Először is, a turbulencia beindul, amint a Reynolds-szám eléri a 2300-as értéket. Azután ott van még a jelenség, amikor gőzbuborékok kezdenek képződni a csövek középső szakaszain. És ne feledkezzünk meg arról sem, hogyan halmozódik fel az idő múlva a felületi érdesedés. Laboratóriumi kísérletek mindig is egy érdekes tényt mutattak. Amikor a hőmérséklet 10 fokkal ingadozik, a rendszer teljesítménye majdnem 19%-kal nagyobb mértékben változik, mint amikor csak a nyomás változik hasonló módon. Ez igazán rávilágít arra, mennyire érzékenyek ezek a mikroszkopikus kapilláris csövek még a legkisebb hőmérséklet-ingadozásokra is az üzemelés során.
Az R22, R407C és R410A teljesítménye jelentősen eltér a kapilláris csőrendszerekben az eltérő viszkozitásuk, sűrűségük és látens hőjellemzőik miatt. Kim és munkatársai 2002-es vizsgálatai körülbelül 45 °C környezeti hőmérsékleten azt mutatták, hogy az R22 körülbelül 12-18 százalékkal nagyobb tömegáramot biztosít azonos csövekben, mint az R407C. De van e történetnek egy másik oldala is. Az R410A körülbelül 15-22 százalékkal jobb hőátadási hatékonyságot nyújt, mint a megbízható régi R22, annak ellenére, hogy térfogatáramban körülbelül 8-10 százalékkal lassabban áramlik. Ez teszi az R410A-t népszerű választássá az újabb rendszerekhez, annak ellenére, hogy magasabb üzemeltetési nyomást igényel. A 2022-ben közzétett legújabb kutatások rávilágítottak azonban az R407C további problémájára. Hőmérsékleti csúszása kismértékű, de észlelhető 4-7 százalékos hatékonyságveszteséget okoz rögzített fojtórendszerű rendszerekben az egynemetes hűtőközegekhez képest, amit a szakembereknek figyelembe kell venniük a rendszerek tervezése és karbantartása során.
A különböző hűtőközegek teljesítménye meglehetősen eltérően változik a hőmérséklet ingadozásával. Nézzük például, mi történik körülbelül 30 °C-os kondenzációs hőmérsékleten. Az R410A viszonylag stabilan működik, mindössze körülbelül plusz-mínusz 3 százalékos áramlási sebesség-ingadozással. Az R407C azonban más történetet mesél a zeotrópus jellege miatt, körülbelül plusz-mínusz 9 százalékos, jóval nagyobb ingadozásokat mutatva. Amikor az alacsony terhelési körülményekre nézünk, ahol a környezeti hőmérséklet 15 °C-ra csökken, problémák jelentkeznek az R22 esetében. Alacsonyabb kritikus hőmérséklete miatt a gázbuborékosodás már korábban megkezdődik, ami a hűtési teljesítményt 14 és 19 százalékkal csökkenti az R410A-hez képest. Érdekes módon létezik egy 2003-ban, Choi által kidolgozott modell, amely meglepően jól képes előrejelezni ezeket a nemlineáris viselkedéseket. Az előrejelzések 88 és 92 százalékos pontossággal egyeznek meg a tényleges mérésekkel 20-tól 55 °C-ig terjedő működési tartományban, bár senki sem állítja, hogy minden helyzetben tökéletes.
Az R22 rendszerek R410A-val való átalakításához szükséges a kapilláris cső méretének újraállítása a 40%-kal magasabb üzemeltetési nyomások kompenzálására. 85 átalakítási projektből származó adat azt mutatja, hogy a túl kicsi csövek az alábbi problémákat okozzák:
A termikus szimulációs eszközök használata a visszakalibráláshoz csökkentette ezeket a veszteségeket az ASHRAE 2023-as átalakítási iránymutatásainak megfelelően az optimalizált esetekben 63%-kal.
Az egyenes kapilláris csövek hajlamosak a jobb hűtőközeg-áramlási stabilitás fenntartására, amikor a hőmérséklet emelkedik, mivel keresztmetszeteik végig állandóak. Tesztek azt mutatják, hogy ezek az egyenes kialakítások körülbelül 15 százalékkal kevesebb nyomásesést tapasztalnak a hőmérsékleti feszültségvizsgálat során, mint a spirál alakú alternatívák. Az egyszerű egyenes útvonal csökkenti a turbulencia okozta problémákat, amelyek gyakran a spirálcsövekben jelentkeznek, amint a környezeti hőmérséklet eléri körülbelül 35 Celsius-fokot vagy annál magasabbat. Persze a spirál alakú modellek kevesebb helyet foglalnak el, de a hajlítások extra ellenállást eredményeznek az áramló folyadék számára. Ez a növekedett súrlódás valahol 8 és 12 százalékkal csökkenti a tömegáram stabilitást ezekben a rendkívül meleg körülményekben, a legújabb években végzett légkondicionáló rendszer szimulációk szerint.
A megfelelő arány kialakítása az átmérő és a hosszúság között kritikus fontosságú a kapilláris csövek tervezésekor, különösen figyelembe véve, hogyan tágulnak ki az anyagok hőmérséklet-emelkedés hatására. A legtöbb mérnök szerint a körülbelül 0,03 és 0,05 hüvelyk átmérőjű csövek meglehetősen jól működnek, hosszúságuk pedig általában körülbelül 12 lábtól kb. 20 lábig terjed. Ezek a méretek lényegében minden olyan időjárási körülmény közepette stabilan működnek, amelyekkel a normál üzem során találkozunk: hideg téli reggelektől, amikor a hőmérséklet körülbelül 40 Fahrenheit fok, egészen a nyári hőségekig, ahol akár 115 Fahrenheit fokos értékeket is elérhet a hőmérő. A mai tervezők egyre inkább mesterséges intelligenciát építenek be szimulációs eszközeikbe, amelyek segítenek megjósolni, hogy a csövek hogyan deformálódhatnak különböző hőmérsékleti viszonyok között. Ez lehetővé teszi a falvastagság beállításairól készült okosabb döntéseket, így a folyadékáramlás körülbelül plusz-mínusz 3 százalékon belül maradhat még az extrém hőmérsékletváltozások alatt is.
A dinamikus modellezés alkalmazása lehetővé tette annak előrejelzését, hogy a kapillárcsövek hogyan működnek a környezetük hőmérsékletváltozásai során. Egy tavaly megjelent kutatás szerint a számítógépes szimulációkat használó CFD módszer ténylegesen elég pontosan képes előrejelezni a hűtőközeg áramlási problémáit, általában a valós tesztek eredményének plusz-mínusz 5%-os tartományában. Ezeket a modelleket különösen hatékonyabbá teszi, hogy figyelembe veszik a gyakorlatban fontos tényezőket, például amikor a hűtőközegek folyadék és gáz állapot között változnak, illetve hogy a rézcsövek hogyan tágulnak enyhén hő hatására – körülbelül 0,02 milliméter Celsius-fokonként. Ez az aprólékos megközelítés segít a mérnököknek különösen azokban az alkalmazásokban jobb tervek létrehozásában, ahol a pontosság a legfontosabb.
A gépi tanulás átalakítja a kapilláris cső optimalizálását az üzemeltetési adatok évtizedeinek elemzésével. Egy 2024-es ipari jelentés szerint az AI által generált tervek 12–18%-kal csökkentik az energiafogyasztást a hagyományos módszerekhez képest. Ugyanakkor a mérnököknek validálniuk kell a gépi eredményeket fizikai teszteléssel, különösen a szabványos üzemeltetési körülményeken kívüli extrém állapotok esetén.
A vezető gyártók már hőmérsékletre reagáló kapilláris rendszereket alkalmaznak, melyek a következők:
Ez az adaptív stratégia a hűtési teljesítményt állandó szinten tartja még akkor is, ha a környezeti hőmérséklet ingadozás eléri a 25 °C-ot, a hagyományos csöveknél 19%-kal jobb teljesítményt nyújtva az ASHRAE stressztesztek során.
EN
Forró hírek