Tabung kapiler yang ditemukan pada pendingin udara berfungsi sebagai bagian penting dari sistem HVAC, terletak tepat di antara kondensor dan unit penguap. Komponen ini mengatur jumlah refrigeran yang mengalir melalui efek penurunan tekanan. Proses ini mengubah refrigeran cair bertekanan tinggi menjadi refrigeran bertekanan lebih rendah sebelum mencapai bagian penguap. Karena tidak ada bagian bergerak yang terlibat, bentuk tetap tabung-tabung ini membuatnya cukup andal dibandingkan opsi lain seperti katup ekspansi, apalagi harganya juga cenderung lebih murah. Contohnya adalah tabung kapiler umum yang memiliki diameter sekitar 0,031 inci. Ukuran semacam ini biasanya mampu mengurangi tingkat tekanan sekitar separuhnya dalam kondisi kerja normal, yang membantu menjaga aliran refrigeran tetap stabil di seluruh sistem.
Cara refrigeran bergerak melalui pipa kapiler kecil tersebut mengikuti prinsip-prinsip termodinamika dasar yang pernah kita pelajari di sekolah. Ketika terjadi penurunan tekanan dari sisi kondensor ke sisi evaporator, sesuatu yang menarik terjadi pada refrigeran saat berubah wujud. Refrigeran cair sebenarnya menyerap panas tersembunyi saat mengembang, yang tergolong menarik jika dipikirkan. Saat refrigeran melewati saluran sempit ini, gesekan menciptakan panas sepanjang jalannya. Hal ini menyebabkan penurunan entalpi yang cukup signifikan sekitar 120 hingga bahkan 150 kJ per kilogram pada sebagian besar sistem standar. Semua faktor ini bekerja sama untuk menjaga perpindahan panas secara efisien dalam sistem dan membantu menjaga operasi tetap stabil meskipun permintaan berfluktuasi sepanjang hari.
| Panjang tabung | Diameter dalam | Penurunan tekanan | Laju Aliran Massa |
|---|---|---|---|
| 1,5 m | 0.8 mm | Tinggi | Rendah |
| 2,2 m | 1.0 mm | Sedang | Sedang |
| 3,0 m | 1,2 mm | Rendah | Tinggi |
Bentuk dan ukuran pipa kapiler sangat berpengaruh terhadap kinerja suatu sistem. Pipa yang lebih panjang menciptakan hambatan aliran fluida yang lebih besar, sedangkan pipa berdiameter lebih lebar memungkinkan lebih banyak aliran melewati. Beberapa pengujian yang dilakukan pada pipa berukuran 0,5 mm dibandingkan dengan 1,5 mm menunjukkan bahwa pipa dengan diameter lebih lebar memiliki kapasitas aliran sekitar 63% lebih baik ketika semua kondisi lain tetap sama. Memilih ukuran yang tepat adalah upaya menemukan titik optimal antara terlalu kecil dan terlalu besar. Jika terlalu kecil, evaporator akan kekurangan refrigeran. Jika terlalu besar? Kompresor akan tergenang, yang tentu tidak diinginkan. Teknisi menghabiskan berjam-jam untuk melakukan perhitungan ini karena ketepatan dalam pemilihan ukuran menentukan perbedaan antara sistem HVAC yang efisien dan sistem yang membuang energi serta lebih cepat rusak.
Suhu refrigeran yang masuk ke dalam sistem memainkan peran penting dalam kinerja tabung kapiler karena mempengaruhi viskositas refrigeran serta perpindahannya antar fase. Ketika suhu inlet naik sekitar 12 derajat Celsius, viskositas R410A berkurang sekitar 18%. Hal ini membuat refrigeran mengalir lebih cepat melalui tabung, tetapi justru melemahkan perbedaan tekanan yang diperlukan untuk perpindahan panas yang memadai. Melihat data aktual dari instalasi HVAC komersial menunjukkan hal yang cukup penting juga. Sistem dengan suhu inlet yang tidak sesuai spesifikasi ternyata mengalami penurunan daya pendinginan hingga 23% menurut studi terbaru yang dipublikasikan oleh ASHRAE pada tahun 2023. Kerugian semacam ini akan terakumulasi seiring waktu bagi operator bangunan yang berusaha mempertahankan kenyamanan kondisi dalam ruangan.
Ketika tabung kapiler tembaga dipanaskan, sebenarnya ukurannya memuai sekitar 0,017% untuk setiap kenaikan suhu 10 derajat Celsius. Pemuaian ini menyebabkan diameter bagian dalam berkurang sekitar 0,008 milimeter, yang menimbulkan masalah pada aliran fluida. Masalah ini menjadi sangat terlihat ketika suhu lingkungan melebihi 45 derajat Celsius. Menurut penelitian yang dipublikasikan tahun lalu mengenai aliran refrigeran, susunan tabung berbentuk kumparan (coil) mengatasi masalah yang terkait dengan suhu jauh lebih baik dibandingkan susunan lurus. Pengujian menunjukkan bahwa susunan kumparan mampu mengurangi variasi aliran akibat perubahan termal sekitar dua pertiga dibandingkan tabung lurus konvensional, menjadikannya pilihan cerdas untuk sistem yang menghadapi fluktuasi suhu signifikan.
R407C menunjukkan variasi aliran volumetrik 31% lebih besar daripada R410A ketika suhu lingkungan berfluktuasi antara 20°C dan 40°C. Operasi pada beban parsial memperkuat efek ini, dengan tabung kapiler pada kompresor kecepatan variabel mengalami osilasi laju aliran massa 2,7 kali lebih besar dibandingkan yang ada pada sistem kecepatan tetap.
Saat suhu naik di atas 35 derajat Celsius, hambatan aliran tidak hanya meningkat—ia justru mempercepat peningkatan, naik sekitar 42% lebih cepat untuk setiap kenaikan derajat tambahan. Mengapa hal ini terjadi? Ada beberapa faktor yang berperan ketika suhu menjadi panas. Pertama, turbulensi mulai terjadi ketika angka Reynolds melewati sekitar 2.300. Lalu ada fenomena pembentukan gas yang terjadi tepat di bagian tengah tabung. Dan jangan lupa bagaimana kekasaran permukaan terus meningkat seiring waktu. Eksperimen di laboratorium secara konsisten menunjukkan sesuatu yang menarik juga. Ketika suhu berfluktuasi sebesar 10 derajat, performa sistem bervariasi hampir 19% lebih besar dibandingkan perubahan tekanan semata. Ini benar-benar menunjukkan betapa sensitifnya tabung kapiler kecil ini terhadap bahkan sedikit variasi suhu selama operasi berlangsung.
Kinerja R22, R407C, dan R410A bervariasi secara signifikan dalam sistem pipa kapiler karena sifat-sifat berbeda seperti viskositas, densitas, dan karakteristik panas laten mereka. Ketika diuji pada suhu sekitar 45 derajat Celsius, studi dari Kim dan rekan-rekannya pada tahun 2002 menunjukkan bahwa R22 sebenarnya mengalirkan massa sekitar 12 hingga 18 persen lebih banyak melalui pipa identik dibandingkan R407C. Namun ada sisi lain dari cerita ini. R410A mampu memberikan efisiensi perpindahan panas sekitar 15 hingga 22 persen lebih baik dibandingkan R22 yang sudah lama digunakan meskipun secara volume alirannya lebih lambat sekitar 8 hingga 10 persen. Hal ini membuat R410A menjadi pilihan populer untuk sistem yang lebih baru meskipun membutuhkan tekanan operasional yang lebih tinggi. Penelitian terbaru yang dipublikasikan pada tahun 2022 juga mengungkapkan masalah lain terkait R407C. Glide suhu (temperature glide) yang dimilikinya menyebabkan penurunan efisiensi kecil namun terlihat sekitar 4 hingga 7 persen dalam sistem orifice tetap (fixed-orifice) dibandingkan refrigeran berkomponen tunggal, suatu aspek yang perlu diperhatikan teknisi saat mendesain maupun melakukan pemeliharaan sistem.
Cara kinerja refrigeran berbeda-beda cukup signifikan ketika suhu naik dan turun. Ambil contoh apa yang terjadi pada sekitar 30 derajat Celsius suhu kondensasi. R410A menjaga kondisi tetap stabil dengan variasi laju aliran sekitar plus minus 3 persen. Namun berbeda dengan R407C yang karena sifat zeotropiknya, menunjukkan perubahan yang jauh lebih besar, sekitar plus minus 9 persen. Ketika melihat kondisi beban rendah di mana suhu ambient turun hingga 15 derajat Celsius, mulai muncul masalah pada R22. Suhu kritisnya yang lebih rendah menyebabkan gas flash terbentuk lebih awal dari yang diinginkan, sehingga kapasitas pendinginan berkurang sekitar 14 hingga 19 persen dibandingkan dengan yang bisa diberikan oleh R410A. Menariknya, sebenarnya ada model yang dikembangkan pada tahun 2003 oleh Choi yang cukup baik dalam memprediksi perilaku non-linear ini. Prediksi tersebut sesuai dengan pengukuran aktual sekitar 88 hingga 92 persen dari kisaran operasional 20 hingga 55 derajat Celsius, meskipun tidak ada klaim bahwa model tersebut sempurna di semua situasi.
Meretrofit sistem R22 dengan R410A memerlukan penggantian ukuran pipa kapiler untuk menyesuaikan tekanan operasi yang 40% lebih tinggi. Data dari 85 proyek retrofit menunjukkan bahwa pipa yang terlalu kecil menyebabkan:
Penggunaan alat simulasi termodinamika untuk kalibrasi ulang mengurangi inefisiensi tersebut sebesar 63% pada kasus yang dioptimalkan, menurut panduan retrofit ASHRAE 2023.
Tabung kapiler lurus cenderung mempertahankan stabilitas aliran refrigeran yang lebih baik ketika suhu meningkat karena memiliki penampang yang konsisten sepanjang panjangnya. Pengujian menunjukkan bahwa desain lurus ini mengalami penurunan tekanan sekitar 15 persen lebih sedikit dibandingkan alternatif berbentuk kumparan selama pengujian tekanan termal. Jalur lurus yang sederhana mengurangi masalah turbulensi yang sering terjadi pada tabung berbentuk kumparan ketika suhu sekitar mencapai sekitar 95 derajat Fahrenheit atau lebih tinggi. Memang, model berbentuk kumparan memakan lebih sedikit ruang, tetapi tikungan-tikungannya menciptakan hambatan tambahan saat cairan mengalir melalui tabung tersebut. Gesekan yang meningkat ini sebenarnya mengurangi stabilitas laju aliran massa sebesar 8 hingga 12 persen dalam kondisi yang sangat panas menurut berbagai simulasi sistem HVAC yang dilakukan dalam beberapa tahun terakhir.
Mendapatkan keseimbangan yang tepat antara diameter dan panjang sangat penting saat merancang tabung kapiler, terutama mempertimbangkan bagaimana bahan memuai ketika dipanaskan. Kebanyakan insinyur menemukan bahwa tabung berukuran sekitar 0,03 hingga 0,05 inci lebarnya bekerja cukup baik, dengan panjang yang umumnya berkisar dari sekitar 12 kaki hingga 20 kaki. Dimensi ini cenderung tetap stabil hampir di semua kondisi cuaca yang kita alami dalam operasi normal, dari pagi musim dingin yang dingin pada suhu sekitar 40 derajat Fahrenheit hingga terik panas musim panas yang mencapai 115 derajat Fahrenheit. Para perancang saat ini mulai mengintegrasikan kecerdasan buatan ke dalam alat simulasi mereka, yang membantu memprediksi bagaimana tabung mungkin berubah bentuk di bawah suhu yang berbeda. Hal ini memungkinkan pengambilan keputusan yang lebih cerdas mengenai penyesuaian ketebalan dinding sehingga aliran fluida tetap konsisten dalam kisaran plus atau minus 3 persen bahkan selama perubahan suhu ekstrem antar musim.
Penggunaan pemodelan dinamis telah memungkinkan prediksi kinerja pipa kapiler ketika suhu di sekitarnya berubah. Menurut beberapa penelitian yang dipublikasikan tahun lalu, simulasi komputer yang disebut CFD sebenarnya dapat memprediksi masalah aliran refrigeran cukup akurat, biasanya dalam kisaran 5% dari hasil yang terjadi dalam pengujian sebenarnya. Yang membuat model-model ini begitu baik adalah pertimbangan faktor-faktor penting dalam praktik, seperti saat refrigeran berubah wujud antara cair dan gas, serta bagaimana pipa tembaga memuai sedikit ketika terkena panas—sekitar 0,02 milimeter per derajat Celsius. Pendekatan rinci seperti ini membantu insinyur menciptakan desain yang lebih baik, terutama untuk aplikasi-aplikasi rumit yang menuntut ketelitian tinggi.
Machine learning sedang mengubah optimasi tabung kapiler dengan menganalisis puluhan tahun data operasional. Laporan industri 2024 menemukan bahwa desain yang dihasilkan AI mengurangi konsumsi energi sebesar 12–18% dibandingkan metode konvensional. Namun, insinyur harus memvalidasi hasil AI terhadap pengujian fisik, khususnya untuk kondisi ekstrem di luar batas operasional standar.
Produsen terkemuka sedang mengadopsi sistem kapiler responsif terhadap suhu yang mencakup:
Strategi adaptif ini mempertahankan output pendinginan yang konsisten meskipun terjadi fluktuasi suhu ambient hingga 25°C, mengungguli tabung desain tetap sebesar 19% dalam evaluasi stres ASHRAE.
EN
Berita Terkini