A kapilláris csövek rögzített nyílású expanziós eszközként működnek a hűtési rendszerekben, lehetővé téve a folyékony hűtőközeg passzív nyomáscsökkentését. Amikor a magas nyomású hűtőközeg ezekbe a keskeny csövekbe áramlik (általában kb. 0,5 és 2 mm átmérőjűek), az ellenállás, ami a csőfalak ellenében kialakul, fokozatos nyomáscsökkenést eredményez. A következő folyamat különösen érdekes: a túlhűtött folyadék átalakul alacsonyabb nyomású és hőmérsékletű gőz-folyadék keverékké, amely így hatékonyan képes hőt felvenni az elpárologtató részben. E rendszer egyik nagy előnye, hogy teljesen mozgó alkatrészek mentes. Ez a mechanikai egyszerűség időtálló megoldásnak bizonyult, amit számos technikus személyesen tapasztalt a különböző hűtési rendszerekkel való munkája során.
A kis légkondicionáló egységek teljesen a kapilláris cső fizikai formájától függenek a hűtőközeg áramlás szabályozásában. A csövön áthaladó hűtőközeg mennyisége valóban attól függ, hogy milyen hosszú és széles a cső. Ha valaki 20%-kal hosszabb csövet készít, akkor általában körülbelül harmadával kevesebb hűtőközeg áramlását fogja tapasztalni, mivel egyszerűen növekszik a cső belső felületénél keletkező súrlódás. Amikor a csövek túl keskenyek, hasonló ellenállásproblémákat okoznak, mint a kifinomult mechanikus expanziószelepek. Érdekes ezen egyszerű tervekben az, ahogyan automatikusan alkalmazkodnak a rendszeren belüli nyomásváltozásokhoz. Nézzük például a melegebb külső hőmérsékleteket. Ahogy nő a hőmérséklet, a kondenzátor nyomása is növekszik, és ez valójában önmagában okozza a kapilláris csövön keresztüli nagyobb hűtőközeg-áramlást, anélkül, hogy bonyolult elektronikára vagy érzékelőkre lenne szükség a szabályozásához.
Amikor a hűtőközeg áthalad a kapilláris csövön, jelentős nyomásesést szenved, néha meghaladja a 100 psi-t, miközben átmenetet hajt végre folyadék állapotból olyan folyadék-gőz keverékbe, amit két fázisú keveréknek nevezünk. A nyomásveszteség nagy része valójában a cső első harmad részénél következik be, kb. a teljes veszteség 90%-a. Mire a hűtőközeg eléri az elpárologtató bemenetét, a nyomás általában 60 és 80 psi között alakul szokványos hűtőközegek esetén, mint például az R-410A vagy hasonlók, amelyeket ma általánosan használnak. Az áramlás jellege lényegében követi ezt a képletet: Q arányos delta P szorozva D a negyediken, osztva L-lel. Itt D a cső belső átmérőjét jelöli, míg L a teljes hosszát.
A kapilláris csövek teljesítménye valóban a geometria helyes beállításán múlik. Amikor a csövek hosszabbak, nagyobb ellenállást okoznak, ami csökkenti a rajta áthaladó hűtőközeg mennyiségét. A nagyobb átmérőjű csövek azonban több anyagot engednek át. Ezeknek a méreteknek a helytelen beállítása mindkét esetben problémához vezet: túl kicsi a nyomásesés, vagy pedig túl sok energiát használ fel. Ez különösen fontos ezeknél a kis méretű légkondicionáló rendszereknél, amelyek kapilláris csöveket használnak, mivel egyszerűen nincs sok hely. A méretek kis változása is nagyban befolyásolja a dolgokat, ha a hely szűkös. Ahhoz, hogy minden rendben működjön, a szakembereknek milliméter pontossággal kell mérniük, hogy minden megfeleljen a rendszer által igényelt teljesítménynek és hatékonyságnak.
A belső átmérő és a cső hossza egyaránt jelentős szerepet játszik a kondenzátor és az elpárologtató komponensek közötti nyomásesés meghatározásában. Az ASHRAE 2022-es alapelvei jelentésében szereplő tényleges számokat vizsgálva azt találjuk, hogy az átmérő mindössze 0,5 mm-rel történő növelése körülbelül 40%-os áramlási kapacitás-javulást eredményez. Ugyanakkor, ha a cső hosszához hozzáadunk még egy métert, az általában 15–22% közötti nyomásesés-növekedést okoz. A rendszerekkel dolgozó mérnökök többsége először az áramlási viszonyok jelentősebb megváltoztatásakor az átmérőket állítja, majd a finomhangolást a hosszak módosításával végzi. Ez a megközelítés segít elérni a jobb alulhűtési hatást, miközben a rendszer zavartalanul és váratlan ingadozások nélkül működik.
Túl hosszú csövek csökkentik az elpárologtató nyomását, növelve a kompresszor munkáját, míg a túl nagy átmérők fokozzák a belépő folyadék miatti áradás kockázatát. A rendszer maximális COP értéke akkor érhető el, ha a nyomásesést 1,8–2,5 MPa között tartják, és összehangolják a megfelelő telítési hőmérsékletkülönbségekkel.
A mérnökök két fő módszert alkalmaznak: empirikus diagramokat, amelyek a hűtőközeg áramlását a nyomáskülönbségekkel összefüggésben ábrázolják, illetve analitikus modelleket, amelyek dimenzió nélküli számokat, mint például Reynolds és Mach-számokat is figyelembe vesznek. A modern tervezés egyre inkább számít a számítógépes áramlástanra (CFD), amely akár 97%-os pontossággal képes meghatározni a tömegáramot a hagyományos méretezési módszerekhez képest.
A kisebb légkondicionáló egységekben a tömegáram több tényezőtől függ, beleértve a csövek alakját és méretét, a használt hűtőközeg típusát, valamint a rendszeren belüli nyomáskülönbségeket. Kifejezetten az R134a rendszerekre nézve, ha csupán 1 bar-al növekszik a bemeneti nyomás, ez általában 18 és 22 százalékkal növeli az áramlási sebességet a 2006-os ASHRAE kézikönyv szerint. Akkor beszélünk elzáródó áramlásról (choked flow), amikor a kimenő nyomás körülbelül 35-40 százalékára csökken a bemenő nyomásnak, ezzel megakadályozva az áramlás további növekedését. Konkrét számokat tekintve, vegyünk egy általános elrendezést, ahol valaki 1,0 mm átmérőjű és körülbelül 3,3 méter hosszúságú csövet szerel be. Normál üzemeltetési körülmények között, 15 bar nyomás alkalmazása esetén egy ilyen konfiguráció körülbelül 16 kilogramm hűtőközeget juttat át óránként a rendszeren. Ezeket a rendszereket szerelő és karbantartó technikusoknak mindig figyelembe kell venniük ezeket az összefüggéseket a telepítés és karbantartás során.
A bemeneti fázis jelentősen befolyásolja a teljesítményt. Az alulhűtött folyadék belépése 35%-kal magasabb áramlási sebességet biztosít, mint a kétfázisú keverékek, a csökkent gőz képződés és a kapcsolódó veszteségek miatt. Például:
A cső belsejében keletkező korai párologtatás nyomásingadozást okoz (2–3 bar), csökkentve az állapotát. Áramlási modellezési tanulmányok megerősítették, hogy legalább 8 K alulhűtés fenntartása megakadályozza a korai párolgást a kis háztartási klímaalkalmazások 89%-ában.
Miután a folyadék metastabilis állapotban van, a cső utolsó harmadában a gyors tágulás felgyorsul, ahol a hőmérsékletgradiens meghaladhatja a 50°C/m értéket. Ez aláhúzza a pontos hűtőközeg-töltés és a rendszertervezés fontosságát.
A kapilláris csövek kulcsfontosságú szerepet játszanak a gőzös hűtési rendszerekben, mivel rögzített nyílású expanziós eszközként működnek, amelyek a magas nyomású kondenzátor szakaszt a rendszer alacsony nyomású elpárologtató részéhez kötik. Amikor a hűtőközeg áramlik ezekbe a keskeny csövekbe, hirtelen nyomáscsökkenés következik be, ami az un. flash elpárolgást okozza. Itt valójában érdekes dolog történik: a magas nyomású, túlhűtött folyadék hűvösebb telített keverékké alakul át, amely ezután hatékonyan képes hőt felvenni az elpárologtató egységben. A kapilláris csövek és a termosztatikus expanziós szelepek közötti egyik nagy különbség az, hogy ezek a csövek egyáltalán nem igényelnek szenzorokat vagy mozgó alkatrészeket. Ez teszi őket különösen alkalmasakká olyan alkalmazásokra, ahol a karbantartás minimális kell legyen, és a rendszerek teljesen le vannak zárva a külső behatásoktól.
A kapilláris csöveket széles körben használják költségérzékeny, állandó terhelésű alkalmazásokban a megbízhatóságuk és egyszerűségük miatt. Gyakori rendszerek:
A kis ac kapilláris cső a kialakítás különösen hatékony kompakt telepítések esetén, ahol a hely és a megbízhatóság elsődleges szempont. Ezek a rendszerek általában 5 tonna alatti teljesítménnyel működnek, és stabil környezeti körülmények között a legjobban teljesítenek. Önmagukban képesek kompenzálni a terhelés kisebb változásait elektronikus vezérlés nélkül, ezzel növelve az állandó tömörített rendszerek élettartamát.
A kapilláris csövek számos valódi előnnyel járnak a kisebb méretű szellőző- és légkondicionáló rendszerek esetében. Mivel ezeknél teljesen nincsenek mozgó alkatrészek, ez azt jelenti, hogy nem történik mechanikai kopás az idők során, csökkentve ezzel a karbantartási igényt és meghibásodások számát. Az is előny, hogy ezek a csövek nagyon kevés helyet igényelnek, így könnyen beépíthetők szűk helyekre is. Emellett képességük, hogy a folyadékáramlást meglehetősen pontosan szabályozzák, segít az állandó rendszerteljesítmény fenntartásában különböző körülmények között is. Egy 2024-es, a szellőző- és légkondicionáló rendszerek megbízhatóságát vizsgáló jelentés érdekes eredményt hozott – azoknál a rendszereknél, amelyek kapilláris csöveket használtak, körülbelül 32 százalékkal kevesebb szervizhívás történt tágulási eszközökkel kapcsolatos problémák miatt, mint az elektronikus változatokat használó rendszereknél.
A kapilláris csövek önállóan szabályozzák a hűtőközeg áramlását, amikor a rendszerterhelés megváltozik. Amikor az elpárologtató nagyobb terhelés alatt áll, a nyomáskülönbség megnő, ami több hűtőközeget nyom át a csövön. Ugyanakkor, amikor a terhelés csökken, az áramlás egyszerűen és természetesen visszaesik külső beavatkozás nélkül. A kapilláris csövek hasznosságát az adja, hogy stabil működést biztosítanak az egész folyamat során, miközben nem igényelnek bonyolult szenzorokat vagy vezérlőrendszereket. Van azonban egy hátrányuk. Mivel a kapilláris csövek mérete rögzített, nem működnek hatékonyan olyan helyzetekben, ahol a terhelés ingadozása meghaladja a körülbelül 40%-os eltérést a tervezett értékhez képest, felfelé vagy lefelé. Ez a korlát azt jelenti, hogy az üzemeltetőknek körültekintően kell megválasztaniuk a cső méretezését, figyelembe véve a konkrét alkalmazás igényeit.
A megfelelő kapilláris cső kiválasztása három fő tényező kiegyensúlyozását igényli:
Manapság nagy jelentősége van a megfelelő anyagkombinációk kiválasztásának, különösen akkor, ha újabb hűtőközegekkel, mint például az R-454B vagy az R-32 dolgozunk. A szabványos rézcsövek sokféle hagyományos hűtőközegnél megfelelőek, bár néha nikkellapáttal kell ellátni őket, ha ammónián alapuló megoldásokkal van dolgunk. Ha az anyagok nem illeszkednek megfelelően egymáshoz, akkor idővel mind a csövek belsejében, mind a hűtőközeg keverékében problémák jelentkeznek. Az ASHRAE 2023-as kutatása szerint ez az inkompatibilitás akár 19%-kal is csökkentheti a rendszer hatékonyságát. Ezért az összeférhető anyagok kiválasztása nem csupán jó gyakorlat, hanem kulcsfontosságú a rendszerek hosszú távú megbízható működése és hőteljesítmény-képességek megőrzése érdekében.
EN
Forró hírek