הצינורית הקפילרית המצוייה במקררים משמשת כחלק חשוב במערכות קירור, והיא ממוקמת בדיוק בין הקונדנסר לבין יחידת המאדה. המטרה של רכיב זה היא לשלוט בכמות הנוזל הקולח שזורם דרכו על ידי יצירת אפקט של ירידה בלחץ. תהליך זה הופך את נוזל הקולח מהלחץ הגבוה לנוזל בלחץ נמוך עוד לפני שהוא מגיע לחלק המאדה. מאחר שאין כאן חלקים נעים, צורת הצינורות הקבועה הופכת אותם לדי אמינים בהשוואה לאפשרויות אחרות כמו שסתומי הרחבה, ובנוסף הם נוטים להיות זולים יותר. לדוגמה, צינורית קפילרית נפוצה באורך של כ-0.031 אינץ' בקוטר. גודל כזה מקטין את רמות הלחץ בדרך כלל במחצית בערך בתנאי עבודה רגילים, מה שעוזר לשמור על זרימת קולח יציבה במערכת כולה.
הדרך שבה הנוזל הקורר עובר דרך הצינורות הקפילריים הקטנים הללו עוקבת אחרי עקרונות תרמודינמיים בסיסיים שלמדנו עליהם פעם בבית הספר. כשיש ירידה בלחץ מהצד של הקונדנסר לצד המאדים, קורה משהו מעניין עם הנוזל הקורר בזמן שהוא משנה מצב. הנוזל הקורר הנוזלי בולע למעשה חום סמוי בזמן שהוא מתרחב, וזה די מרהיב אם חושבים על זה. בזמן שהנוזל הקורר עובר דרך המעברים הצרים הללו, החיכוך יוצר חום בדרכו. זה גורם לירידה מורגשת באנתלפיה בטווח של בערך 120 ועד אולי אפילו 150 קילו ג'ול לקילוגרם במערכות סטנדרטיות מרובות. כל הגורמים הללו פועלים יחד כדי לשמור על תנועת חום יעילה דרך המערכת ועוזרים לשמור על תפעול יציב גם כשמגוון של דרישות משתנות מתרחשות במהלך היום.
| אורך צינור | קוטר פנימי | נפילת לחץ | קצב זרימת המסה |
|---|---|---|---|
| 1.5 מ' | 0.8 מ"מ | גבוה | נמוך |
| 2.2 מ' | 1.0 מ"מ | לְמַתֵן | בינוני |
| 3.0 מטר | 1.2 מ"מ | נמוך | גבוה |
צורתו וגודלו של צינור الشعر חשובים מאוד לאופן הפעולה של המערכת. צינורות ארוכים יותר יוצרים התנגדות רבה יותר לזרימת הנוזל, בעוד שצינורות בעלי קוטר גדול יותר מאפשרים מעבר של יותר חומר. מספר בדיקות שנערכו על צינורות שגודלם 0.5 מ"מ לעומת 1.5 מ"מ הראו כי הצינורות הרחבים יותר הציגו שיפור של כ-63% בקיבולת הזרימה, כל עוד שאר הפקטורים נשמרו זהים. בחירת הגודל הנכון היא בעצם מציאת נקודת השווייה שבין קטן מדי לבין גדול מדי. אם הצינור קטן מדי, מתקרר המאדים על ידי הקפאית של הנוזל. אם הוא גדול מדי? הקומפרסור סובל מהתפלף, מצב שכולם רוצים להימנע ממנו. טכנאיות בוזלות שעות רבות בחישובים האלה, כי הבחירה הנכונה היא ההבדל שבין מערכת מיזוג הולמת ויעילה לבין מערכת שמבזבזת אנרגיה ונדפתת להתקלקל במהרה.
הטמפרטורה של הנוזל הקולח שנכנס למערכת מושכת תפקיד גדול ביעילות של צינורות קפילריים, שכן היא משפיעה על סמיכות הנוזל ועל המעבר שלו בין מצבי הצבירה. כאשר טמפרטורת הכניסה עולה ב-12 מעלות צלזיוס, הסמיכות של R410A יורדת בכ-18%. הדבר גורם לנוזל הקולח לזרום מהר יותר דרך הצינורות, אך בפועל מחליש את הפרש הלחץ הנדרש להעברת חום תקינה. ניתוח של נתונים ממשליות HVAC מסחריות חשף גם כן ממצא חשוב. במערכות שבהן טמפרטורות הכניסה אינן תואמות את הרצוי, ניכרת אובדן של עד 23% מהיכולת הקירור, על פי מחקרים עדכניים שפורסמו על ידי ASHRAE בשנת 2023. אובדן שכזה מצטבר לאורך זמן עבור מפעילי מבנים שמבקשים לשמור על תנאים פנימיים נעימים.
כשأنבות נחושת קפילרית מתחממים, הם למעשה מתרחבים בכ-0.017% עבור כל עלייה של 10 מעלות צלזיוס בטמפרטורה. הרחבה זו גורמת לקוטר הפנימי להצטמצם בכ-0.008 מילימטרים, מה שсоздает בעיות לזרימת נוזל. הנקודה הופכת להיות בולטת במיוחד כשטמפרטורת הסביבה עולה מעל 45 מעלות צלזיוס. לפי מחקר שפורסם בשנה שעברה על זרימת מקשה, סידורי צינורות ملفופים מתמודדים עם אתגרים הקשורים לטמפרטורה בצורה טובה בהרבה מאשר צינורות ישרים. בדיקות הראו שצינורות ملفופים מקטינים את נחיתות הזרימה שמתקבלות משינויים תרמיים בכ-שני שלישים בהשוואה לצינורות ישרים מסורתיים, מה שהופך אותם לבחירה חכמה במערכות deal עם תנודות טמפרטורה משמעותיות.
ל-R407C יש שילוב של 31% בשינוי נפח הזרימה ביחס ל-R410A כאשר טמפרטורת הסביבה נעה בין 20°C ל-40°C. תפעול בחלקו מחזק את האפקט הזה, כאשר צינורות קפילריים בקומפרסורים בעלי מהירות משתנה חווים על 2.7 פעמים יותר תנודות מסה של זרימה מאלה במערכות מהירות קבועות.
כאשר הטמפרטורות עולות מעבר ל-35 מעלות צלזיוס, התנגדות הזרימה לא רק גדלה - היא ממש מאיצה, ועולה ב-42% מהר יותר עבור כל מעלות נוספת. למה זה קורה? ובכן, מספר גורמים משתתפים כשמגיעים לטמפרטורות גבוהות. ראשית, הטורבולנציה מתחילה להופיע כאשר מספר ריינולדס עובר את ה-2,300. נוסף על כך, נוצר גז בועה בדיוק באמצע הצינורות. ואל נשכח גם את העובדה שככל שעובר הזמן, שטח הפנים הופך להיות מחוספס יותר. ניסויים במעבדה הראו גם משהו מעניין - כאשר הטמפרטורה מתרוממת ב-10 מעלות, ביצועי המערכת משתנים ב-19% יותר בהשוואה לשינויים דומים בלחץ בלבד. זה מדגיש עד כמה הצינורות הקפילריים הקטנים האלה רגישים לשינויים קטנים בטמפרטורה במהלך הפעולה.
הביצועים של R22, R407C ו-R410A משתנים משמעותית במערכות של צינורות קפילריים עקב תכונות שונות שלהם כמו צמיגות, צפיפות ותכונות חום ספוח. כאשר נבדקו בטמפרטורת סביבה של כ-45 מעלות צלזיוס, מחקריו של קים ועמיתיו מ-2002 הראו כי בפועל R22 מעביר כ-12 עד 18 אחוז יותר מסה דרך צינורות זהים בהשוואה ל-R407C. אך ישנה צד שני לסיפור. ל-R410A מצליח לספק יעילות העברת חום טובה ב-15 עד 22 אחוזים מאשר ה-R22 הישן והטוב, גם כאשר הוא זורם איטי יותר ב-8 עד 10 אחוזים מבחינת נפח. עובדה זו הופכת את R410A לבחירה פופולרית למערכות חדשות, למרות שהוא מחייב לחצי עבודה גבוהות יותר. מחקר חדש שפורסם בשנת 2022 הדגיש בעיה נוספת עם R407C. הגלישה הטמפרטורתית שלו יוצרת ירידה ביעילות קטנה אך מורגשת של כ-4 עד 7 אחוזים במערכות עם צ aperture קבוע בהשוואה למקררים בעלי רכיב בודד, משהו שמכונאיו צריכים לשקול בעיצוב ובתפעול המערכת.
הביצועים של גזים מקררים שונים משתנים בצורה משמעותית כאשר הטמפרטורות עולות ויורדות. לדוגמה, מה שקורה בטמפרטורת התמצקות של כ-30 מעלות צלזיוס. הגז R410A שומר על יציבות רבה עם סטייה של כ-פלוס/מינוס 3 אחוזים בערך בזרימת המדיום. אך עם R407C הסיפור שונה בגלל האופי הזאוטרופי שלו, ושם רואים תנודות גדולות בהרבה, כ-פלוס/מינוס 9 אחוזים. כשמביטים בתנאי עומס נמוך שבהם הטמפרטורה בסביבה ירדה ל-15 מעלות צלזיוס, מתחילים לצוץ בעיות עם הגז R22. הטמפרטורה הקריטית הנמוכה שלו גורמת ליצירת גז בועות מוקדם מדי, מה שמפחית את הקיבולת הקירורית ב-14 עד 19 אחוזים בהשוואה למה ש-R410A מסוגל לספק. מעניין לציין, שבנוסף, קיים מודל שפותח בשנת 2003 על ידי צ'וי שמנבא בצורה טובה מאוד את ההתנהגויות הלא ליניאריות הללו. הניבויים תואמים למדידה בפועל ב-88 עד 92 אחוזים מהפעמים בטווחי עבודה של 20 עד 55 מעלות צלזיוס, אם כי אף אחד לא טוען שהוא מושלם בכל מצב.
המרה של מערכות R22 ל-R410A מחייבת שינוי בקוטר צינור הקפילרי כדי לאפשר התאמה ללחצים הגבוהים ב-40%. נתוני סקר על 85 פרויקטים של המרה הראו כי צינורות קטנים מדי מובילים ל:
שימוש בכלים סימולטיביים תרמודינמיים recalibration צמצם את היעילות ב-63% במקרי אופטימיזציה, לפי הנחיות ה-ASHRAE לשנת 2023.
צינורות קפילריים ישרים נוטים לשמור על יציבות טובה יותר של זרימת המקרר כאשר הטמפרטורות עולות, מאחר שיש להם חתכים רוחביים עקביים לאורך כל אורכם. מבחנים מראים שצורות ישרות אלו חוות כ-15 אחוז פחות ירידות בלחץ בהשוואה לאפשרויות הליפופיות במהלך בדיקות לחץ תרמי. המסלול הישר והפשוט מפחית בעיות של סערה שغالבית מתרחשות בצינורות ליפופיים כאשר הטמפרטורה בסביבה מגיעה לכ-95 מעלות פארנהייט או גבוה יותר. ברור, שדגם הליפופי תופס פחות מקום, אך הפניות יוצרות התנגדות נוספת כשנוזל זורם דרכן. החיכוך המוגזם הזה בעצם מקטין את היציבות של זרימת המסה בטווח של 8 עד 12 אחוז בתנאים חמים במיוחד, כפי שמוצג בסימולציות שונות של מערכות קירור וחימום שנערכו בשנים האחרונות.
השאלה של מציאת האיזון הנכון בין קוטר לאורך היא חשובה במיוחד בפיתוח צינורות קפילריים, במיוחד כאשר מתחשבים בexpansion של החומרים כאשר הם מתחממים. רוב המהנדסים מגלים שצינורות ברוחב 0.03 עד 0.05 אינץ' פועלים די טוב, עם אורכים הנעים בדרך כלל בין כ-12 רגל ועד 20 רגל. הממדים הללו נותרים יציבים תחת כמעט כל תנאי מזג אוויר רגילים שאנו נתקלים בהם בפעולה שוטפת, מזמני בוקר קרים בחורף עם טמפרטורות של כ-40 מעלות פרנהייט ועד לחום הקיצי שיכול להגיע ל-115 מעלות פרנהייט. בימינו, מתחילים להטמין במכשור את השימוש באלגוריתמי אינטליגנציה מלאכותית אשר עוזרים לחזות את האופן שבו הצינורות עלולים להתעוות תחת טמפרטורות שונות. זה מאפשר החלטות מושכלות יותר בבחירת עובי הקירות, כך שזרימת הנוזל תישאר יציבה בקירוב של פלוס מינוס 3 אחוזים גם במהלך תנודות הטמפרטורה הקיצוניות בין העונות השונות.
השימוש במודלינג דינמי הפך לאפשר לחזות כיצד צינורות קפילריים פועלים כאשר הטמפרטורות בסביבה משתנות. על פי מחקר שפורסם בשנה שעברה, הדימום באמצעות מחשב (CFD) יכול לחזות בצורה מדויקת את תהליכי הזרימה של נוזל קירור, בדרך כלל עם סטייה של עד 5% מהתוצאות המתקבלות בבדיקות מעשיות. מה שעושה למודלים האלה את היכולת לחזות בצורה כה מדויקת הוא התחשבות בגורמים שחשובים בפועל, כמו המעבר של נוזל הקירור בין מצב נוזלי למצב גז, וכן את ההתפשטות הקלה של צינורות נחושת כתוצאה מחום - בערך 0.02 מילימטרים על כל מעלה צלזיוס. הגישה המדויקת הזאת עוזרת מהנדסים לעצב מערכות טובות יותר, במיוחד ליישומים מורכבים שבהם יש חשיבות רבה לדقة.
למידה מכאנית משנה את אופטימיזציית צינור הקפילות על ידי ניתוח של עשרות שנים של נתונים תפעוליים. דוח תעשייתי משנת 2024 גילה שעיצובים שמייצרת בינה מלאכותית מקטינים את צריכה האנרגיה ב-12–18% בהשוואה לשיטות מוסדרות. עם זאת, על מהנדסים לאמת את הפלטים של הבינה המלאכותית מול בדיקות פיזיקליות, במיוחד בתנאים קיצוניים שמעבר למסגרות הפעולה הסטנדרטיות.
יצרנים מובילים מאמצים מערכות קפילות המותאמות לטמפרטורת הפעולה, הכוללות:
אסטרטגיה מותאמת זו שומרת על תפוקת קירור עקבית למרות תנודות טמפרטורת הסביבה של עד 25 מעלות צלזיוס, ומביאה לשיפור של 19% בהערכות עומס של ASHRAE לעומת צינורות בעלי עיצוב קבוע.
EN
חדשות חמות