De capillairbuis die wordt aangetroffen in airconditioners fungeert als een belangrijk onderdeel van HVAC-systemen en bevindt zich precies tussen de condensor en de verdampereenheid. Wat dit onderdeel doet, is de hoeveelheid koelvloeistof regelen die erdoorheen stroomt, door een drukval-effect te veroorzaken. Dit proces zet vloeibare koelvloeistof met hoge druk om in een vorm met lagere druk voordat het de verdampereenheid bereikt. Aangezien er geen bewegende onderdelen aan te pas komen, maakt de vaste vorm van deze buizen ze vrij betrouwbaar in vergelijking met andere opties zoals expansiekleppen, en zijn ze bovendien goedkoper. Neem bijvoorbeeld een gangbare capillairbuis met een diameter van ongeveer 0,031 inch. Een dergelijke maat zorgt er in normale werkomstandigheden over het algemeen voor dat de drukniveaus ongeveer gehalveerd worden, wat helpt om een constante koelvloeistofstroom door het systeem te behouden.
De manier waarop koudemiddel zich verplaatst door die kleine capillaire buizen, volgt basisprincipes van thermodynamica die we allemaal op school hebben geleerd. Wanneer er een drukval optreedt vanaf de condensatorzijde naar de verdampingszijde, gebeurt er iets interessants met het koudemiddel terwijl het van aggregatietoestand verandert. Vloeibaar koudemiddel neemt namelijk verborgen warmte op tijdens het uitzetten, wat vrij bijzonder is als je erover nadenkt. Terwijl het koudemiddel door deze smalle kanalen stroomt, ontstaat er wrijving die warmte genereert onderweg. Dit zorgt voor een merkbare daling van de enthalpie, ergens rond 120 tot wel 150 kJ per kilogram in de meeste standaardsystemen. Al deze factoren samen zorgen ervoor dat warmte efficiënt door het systeem blijft stromen en draagt dit bij aan een stabiele werking, zelfs wanneer de vraag gedurende de dag fluctueert.
| Buislengte | Inwendige diameter | Drukverlies | Massastroom |
|---|---|---|---|
| 1,5 m | 0,8 mm | Hoge | Laag |
| 2,2 m | 1,0 mm | Matig | Medium |
| 3,0 m | 1.2 mm | Laag | Hoge |
De vorm en grootte van capillaire buizen spelen een grote rol in hoe goed een systeem werkt. Langere buizen veroorzaken meer weerstand tegen vloeistofstroming, terwijl buizen met een grotere diameter meer inhoud kunnen doorlaten. Enkele tests uitgevoerd op buizen van 0,5 mm versus 1,5 mm toonden aan dat de bredere buizen ongeveer 63% betere stroomcapaciteit hadden, terwijl alle andere factoren hetzelfde bleven. Het vinden van de juiste maat is een kwestie van het juiste evenwicht vinden tussen te weinig en te veel. Als de maat te klein is, krijgt de verdampingsspoel te weinig koelvloeistof. Te groot? Dan raakt de compressor overspoeld, wat niemand wil. Technici besteden uren aan het berekenen van deze aspecten, omdat het verschil betekent tussen een efficiënt airco-systeem en een dat energie verspilt en sneller kapotgaat.
De temperatuur van het koudemiddel dat een systeem binnenkomt, speelt een grote rol in hoe goed capillairbuizen werken, omdat dit de viscositeit van het koudemiddel en de faseovergang beïnvloedt. Wanneer de inlaattemperatuur stijgt met ongeveer 12 graden Celsius, daalt de viscositeit van R410A ongeveer 18%. Hierdoor stroomt het koudemiddel sneller door de buizen, maar de vereiste drukval voor een goede warmteoverdracht wordt hierdoor juist verzwakt. Een analyse van daadwerkelijke gegevens uit commerciële HVAC-installaties toont ook een ander belangrijk aspect aan. Systemen waarbij de inlaattemperaturen niet overeenkomen met de vereisten, verliezen volgens recente studies van ASHRAE uit 2023 tot wel 23% van hun koelvermogen. Van dergelijke verliezen merken gebouwbeheerders op de lange termijn veelal nare gevolgen als het comfortabel houden van binnenklimaten steeds moeilijker wordt.
Wanneer koperen capillairbuizen opwarmen, zetten ze ongeveer 0,017% uit per 10 graden Celsius temperatuurstijging. Deze uitzetting zorgt ervoor dat de binnendiameter ongeveer 0,008 millimeter kleiner wordt, wat problemen veroorzaakt voor de vloeistofstroom. Het probleem wordt echt merkbaar wanneer de omgevingstemperatuur boven de 45 graden Celsius komt. Volgens onderzoek dat vorig jaar is gepubliceerd over koudemiddelenstromingen, lossen gebogen buisconfiguraties deze temperatuurgevoelige problemen veel beter op dan rechte buizen. Tests toonden aan dat gebogen buizen de stroomvariaties door temperatuurveranderingen met ongeveer twee derde verminderen in vergelijking met traditionele rechte buizen, waardoor ze een slimme keuze zijn voor systemen die te maken hebben met significante temperatuurschommelingen.
R407C vertoont 31% meer variatie in volumestroom dan R410A wanneer de buitentemperatuur varieert tussen 20°C en 40°C. Deelbelasting versterkt dit effect, waarbij capillaire buizen in variabelsnelheidscompressoren 2,7 keer meer massastroomoscillatie ondervinden dan die in vastsnelheidsystemen.
Terwijl de temperaturen stijgen boven 35 graden Celsius, neemt de stromingsweerstand niet alleen toe, maar versnelt deze ook, met ongeveer 42% meer toename per extra graad. Waarom gebeurt dit? Er zijn verschillende factoren die een rol spelen wanneer het erg warm wordt. Allereerst ontstaat er turbulentie zodra het Reynolds-getal rond de 2.300 komt. Daarnaast ontstaat er ook nog gasvorming precies in het midden van de buizen. En dan is er ook nog het opbouweffect van oppervlakteruwheid over tijd. Labexperimenten hebben ook iets interessants aangetoond. Wanneer de temperatuur met 10 graden varieert, varieert de systeemprestatie bijna 19% sterker in vergelijking met gelijkaardige veranderingen door druk alleen. Dit benadrukt duidelijk hoe gevoelig deze kleine capillaire buizen zijn voor al het kleinste temperatuurschommelingen tijdens bedrijf.
De prestaties van R22, R407C en R410A verschillen aanzienlijk in capillairbuissystemen vanwege hun verschillende eigenschappen zoals viscositeit, dichtheid en latente warmtekenmerken. Bij tests uitgevoerd bij ongeveer 45 graden Celsius omgevingstemperatuur toonden studies van Kim en collega’s uit 2002 aan dat R22 ongeveer 12 tot 18 procent meer massa verplaatst door identieke buizen in vergelijking met R407C. Maar er is nog een kant aan dit verhaal. R410A weet ongeveer 15 tot 22 procent betere warmteoverdrachtoverdrachtsefficiëntie te realiseren dan de goede oude R22, ondanks dat het qua volume ongeveer 8 tot 10 procent langzamer stroomt. Hierdoor is R410A een populaire keuze geworden voor nieuwsystemen, ondanks het hogere bedrijfsdrukken vereist zijn. Recente onderzoeken uit 2022 brachten echter nog een probleem met R407C aan het licht. Zijn temperatuurschuif veroorzaakt een kleine maar merkbare efficiëntiedaling van ongeveer 4 tot 7 procent in systemen met vaste doorlaat in vergelijking met enkelvoudige koudemiddelen, iets waar technici rekening mee moeten houden tijdens het ontwerp en het onderhoud van systemen.
De manier waarop verschillende koudemiddelen presteren, verandert behoorlijk wanneer de temperaturen stijgen en dalen. Neem bijvoorbeeld wat er gebeurt bij een condensatietemperatuur van ongeveer 30 graden Celsius. R410A houdt de zaken vrij stabiel met slechts ongeveer plus of min 3 procent variatie in de debietstroom. Maar R407C vertelt een ander verhaal vanwege zijn zeotropische aard en toont veel grotere schommelingen van ongeveer plus of min 9 procent. Wanneer we kijken naar lage belastingsomstandigheden waarbij de omgevingstemperatuur daalt tot 15 graden Celsius, beginnen er problemen op te duiken voor R22. Vanwege zijn lagere kritische temperatuur ontstaat er eerder dan gewenst flashgas, wat de koelcapaciteit vermindert met tussen 14 en 19 procent vergeleken met wat R410A kan leveren. Interessant genoeg is er eigenlijk al in 2003 een model ontwikkeld door Choi dat vrij goed is in het voorspellen van al deze niet-lineaire gedragingen. De voorspellingen komen overeen met daadwerkelijke metingen tussen 88 en 92 procent van de tijd binnen bedrijfstemperatuurbereiken van 20 tot 55 graden Celsius, hoewel niemand beweert dat het in elke situatie perfect is.
Het retrofitten van R22-systemen met R410A vereist het aanpassen van de capillairbuis om te accommoderen dat de werkdruk met 40% hoger is. Gegevens uit 85 retrofitprojecten tonen aan dat te kleine buizen leiden tot:
Het gebruik van thermodynamische simulatiehulpmiddelen voor herberekening verminderde deze inefficiënties met 63% in geoptimaliseerde gevallen, volgens de ASHRAE 2023 richtlijnen voor retrofitten.
Rechte capillaire buizen behouden bij hogere temperaturen doorgaans een betere stabiliteit van de koudemiddelstroom, omdat zij over hun gehele lengte een consistente doorsnede hebben. Tests tonen aan dat deze rechte ontwerpen ongeveer 15 procent minder drukval vertonen in vergelijking met gebogen alternatieven tijdens thermische belastingstests. Het eenvoudige rechte verloop vermindert turbulentieproblemen die vaak optreden in gebogen buizen zodra de omgevingstemperatuur ongeveer 35 graden Celsius of hoger wordt. Natuurlijk nemen gebogen modellen minder ruimte in beslag, maar de bochten creëren extra weerstand terwijl het medium erdoorheen stroomt. Deze verhoogde wrijving vermindert de massastroomstabiliteit tussen 8 en 12 procent in die zeer hete omstandigheden, volgens diverse HVAC-simulaties uit de afgelopen jaren.
Het vinden van het juiste evenwicht tussen diameter en lengte is erg belangrijk bij het ontwerpen van capillairbuizen, vooral als je rekening houdt met de manier waarop materialen uitzetten bij verwarming. De meeste ingenieurs ontdekken dat buizen van ongeveer 0,03 tot 0,05 inch breed behoorlijk goed werken, met lengtes die meestal variëren van ongeveer 12 voet tot wel 20 voet. Deze afmetingen blijken standaard houdbaar te zijn onder vrijwel alle weersomstandigheden die we tegenkomen in normale bedrijfsomstandigheden, van koude wintervroegten van ongeveer 40 graden Fahrenheit tot zomerse hitte die 115 graden Fahrenheit kan bereiken. Tegenwoordig beginnen ontwerpers kunstmatige intelligentie op te nemen in hun simulatietools, wat helpt bij het voorspellen hoe buizen mogelijk vervormen onder verschillende temperaturen. Dit maakt slimme beslissingen mogelijk over aanpassingen van wanddikte, zodat de vloeistofstroom consistent blijft binnen ongeveer plus of min 3 procent, zelfs tijdens die extreme temperatuurschommelingen tussen de seizoenen.
Het gebruik van dynamische modellering heeft het mogelijk gemaakt om te voorspellen hoe capillairbuizen zich gedragen wanneer de temperatuur rondom hen verandert. Volgens onderzoek dat vorig jaar is gepubliceerd, kunnen computer simulaties, bekend als CFD, de stroming van koudemiddelen vrij nauwkeurig voorspellen, meestal binnen circa 5% van wat er gebeurt in daadwerkelijke tests. Wat deze modellen zo goed maakt, is dat ze rekening houden met zaken die in de praktijk echt belangrijk zijn, zoals wanneer koudemiddelen overgaan tussen vloeistof- en gasvorm, plus hoe koperen buizen licht uitbreiden bij warmte - ongeveer 0,02 millimeter per graad Celsius. Deze gedetailleerde aanpak helpt ingenieurs bij het ontwikkelen van betere ontwerpen, vooral voor die complexe toepassingen waar precisie het meest telt.
Machine learning transformeert de optimalisatie van capillairbuizen door het analyseren van decennia aan operationele gegevens. Een sectorrapport uit 2024 stelde vast dat door AI gegenereerde ontwerpen de energieconsumptie met 12–18% verminderen in vergelijking met conventionele methoden. Echter, ingenieurs moeten AI-resultaten valideren aan de hand van fysieke tests, met name voor extreme omstandigheden buiten de standaardbedrijfsomgeving.
Fabrikanten gebruiken steeds vaker temperatuurgevoelige capillairsystemen met de volgende kenmerken:
Deze adaptieve strategie behoudt een consistente koelprestatie ondanks omgevingsschommelingen tot 25°C, wat 19% beter is dan vaste ontwerpen in ASHRAE-stresstests.
EN
Hot News