Capillairbuizen fungeren als expansieapparaten met een vaste orifice in HVAC-systemen, waarmee de druk van vloeistofkoelmiddel op een passieve manier wordt verlaagd. Wanneer koelmiddel onder hoge druk deze smalle buizen binnenstroomt (meestal circa 0,5 tot 2 mm dik), ontstaat er weerstand tegen de wanden, wat een geleidelijke drukverlaging veroorzaakt. Wat er vervolgens gebeurt, is vrij interessant – de onderkoelde vloeistof wordt omgezet in een mengsel van damp en vloeistof bij een lagere druk en temperatuur, waardoor het efficiënt warmte kan opnemen in het verdampingsgedeelte van het systeem. Een groot voordeel is dat er absoluut geen bewegende onderdelen zijn. Deze mechanische eenvoud heeft zich in de tijd bewezen en is volgens veel technici goed functionerend gebleken bij ervaring in het veld met diverse HVAC-installaties.
Kleine airconditioningunits zijn volledig afhankelijk van de fysieke vorm van de capillaire buis voor het reguleren van de koudemiddelstroom. De hoeveelheid koudemiddel die erdoorheen stroomt, hangt sterk af van de lengte en breedte van de buis. Als iemand de buis 20% langer maakt, dan zal doorgaans ongeveer een derde minder koudemiddel erdoorheen stromen, simpelweg omdat er meer wrijving ontstaat binnen de buis. Wanneer de buizen te smal worden, veroorzaken ze vergelijkbare weerstandsproblemen als die ontstaan bij moderne mechanische expansiekleppen. Het bijzondere aan deze eenvoudige ontwerpen is hoe ze automatisch meeadjusteren wanneer de druk in het systeem verandert. Neem bijvoorbeeld warmere buitentemperaturen. Wanneer het heter wordt, stijgt de druk in de condensor, en dit zorgt er op zijn eigen ervoor dat er automatisch meer koudemiddel door de capillaire buis stroomt, zonder dat er behoefte is aan gecompliceerde elektronica of sensoren om dit te reguleren.
Wanneer het koelmiddel door de capillairbuis stroomt, ondergaat het een vrij grote drukval, soms meer dan 100 psi, tijdens de overgang van vloeibare toestand naar het mengsel van vloeistof en damp dat we een tweefasig mengsel noemen. Het grootste deel van deze drukverliezen vindt plaats aan het begin, eigenlijk rond de 90% binnen het eerste derde deel van de buis zelf. Tegen de tijd dat het de verdampingstoestel binnenkomt, ligt de druk meestal tussen 60 en 80 psi voor standaardkoelmiddelen zoals R-410A of vergelijkbare koelmiddelen die momenteel vaak worden gebruikt. De manier waarop de vloeistof stroomt, volgt ongeveer deze formule: Q is evenredig met delta P vermenigvuldigd met D tot de vierde macht, gedeeld door L. Hier staat D voor de binnendiameter van de buis, terwijl L de totale lengte ervan aangeeft.
De prestaties van capillairbuizen hangen echt af van het correct instellen van de geometrie. Wanneer de buizen langer worden, ontstaat er meer weerstand, waardoor de hoeveelheid koelvloeistof die erdoorheen stroomt afneemt. Buizen met een grotere diameter laten echter meer vloeistof door. Als deze afmetingen verkeerd worden gekozen, leidt dit tot problemen, zoals een te geringe drukval of een veel te hoog energieverbruik. Dit is vooral belangrijk voor die kleine airco-systemen die gebruikmaken van capillaire buizen, omdat er gewoonweg weinig ruimte is om mee te werken. Zelfs kleine veranderingen in afmetingen spelen een grote rol wanneer de ruimte beperkt is. Om ervoor te zorgen dat alles goed werkt, moeten technici afmetingen tot op de millimeter nauwkeurig opmeten, zodat alles aansluit bij wat het systeem nodig heeft voor capaciteit en efficiëntie.
De binnendiameter in combinatie met de buislengte speelt een grote rol bij het bepalen van de drukval tussen de condensor en de verdamper. Uit cijfers uit het ASHRAE Fundamentals rapport van 2022 blijkt dat een toename van de diameter met slechts 0,5 mm leidt tot ongeveer 40% betere stroomcapaciteit. Een extra meter aan buislengte daarentegen zorgt over het algemeen voor een stijging van de drukval tussen 15% en 22%. De meeste ingenieurs die aan deze systemen werken, passen eerst de diameters aan wanneer ze grote veranderingen in de stroom willen doorvoeren, en gaan daarna de details in door de lengtes bij te stellen. Deze aanpak helpt hen betere subkoeling te bereiken, terwijl het systeem soepel blijft draaien zonder onverwachte fluctuaties.
Te lange buizen verlagen de verdampingsdruk en vergroten het werk van de compressor, terwijl te grote diameters het risico op floodback verhogen door vloeistofslugging. De piek COP van het systeem wordt behaald wanneer de drukval wordt gehandhaafd tussen 1,8–2,5 MPa en wordt gecombineerd met de juiste temperatuurverschillen in verzadiging.
Ingenieurs gebruiken twee hoofdmethoden: empirische grafieken die de koelstofstroom relateren aan drukverschillen, en analytische modellen die dimensieloze getallen zoals Reynolds en Mach meenemen. Tegenwoordig steunt men steeds meer op computational fluid dynamics (CFD), die een nauwkeurigheid van tot 97% bereikt bij het voorspellen van massastroom vergeleken met traditionele berekeningsmethoden.
De massadebietstroom in die kleinere airconditioningunits is afhankelijk van verschillende factoren, waaronder de vorm en grootte van de buizen, het type koelvloeistof dat wordt gebruikt en het drukverschil binnen het systeem. Als we specifiek kijken naar R134a-systemen, dan leidt een toename van slechts 1 bar in de inlaatdruk tot een verhoging van het totale debiet met ongeveer 18 tot 22 procent, volgens het ASHRAE Handbook uit 2006. Bij het verschijnsel van 'choked flow' (beperkte stroming) treedt op wanneer de uitgaande druk daalt tot ongeveer 35 tot 40 procent van de ingaande druk, wat vervolgens voorkomt dat de stroom verder toeneemt. Om dit met concrete getallen te illustreren, nemen we een typische opstelling waarbij iemand een buis installeert met een diameter van 1,0 mm en een lengte van ongeveer 3,3 meter. Onder normale werkomstandigheden, met 15 bar druk toegepast, levert een dergelijke configuratie ongeveer 16 kilogram per uur koelvloeistof door het systeem. Technici die werken aan deze systemen moeten al deze verbanden in gedachten houden tijdens installatie- en onderhoudswerkzaamheden.
De inlaatfase heeft een aanzienlijke invloed op de prestaties. Een subgekoelde vloeistofinlaat ondersteunt een debiet dat 35% hoger is dan tweefasige mengsels, als gevolg van verminderde dampvorming en bijbehorende verliezen. Voorbeeld:
Vroege verdamping binnen de buis veroorzaakt drukvariaties (2–3 bar), waardoor de stabiliteit afneemt. Stroommodeleringsstudies bevestigen dat het behouden van minstens 8 K onderkoeling voorkomt dat 89% van de kleine AC-toepassingen vroegtijdig verdampen.
Na een initiële metastabiele vloeistof fase versnelt de expansie in het laatste derde deel van de buis, waar temperatuurgradiënten 50°C/m kunnen overschrijden. Dit benadrukt het belang van nauwkeurige koudemiddel bijvulling en systeemontwerp.
Capillairbuizen spelen een sleutelrol in dampcompressiesystemen door te fungeren als vaste orifice-expansieapparaten die het hoge drukcondensatorgedeelte verbinden met het lage drukverdampingsgedeelte van het systeem. Wanneer het koelmiddel deze smalle buizen binnenstroomt, treedt er plotseling een drukdaling op, wat leidt tot flashverdamping. Wat zich hier afspeelt, is vrij interessant: de onderkoelde vloeistof onder hoge druk wordt omgezet in een koelere verzadigde mengsels die vervolgens effectief warmte kan opnemen binnen het verdampingscomponent. Een groot verschil tussen capillairbuizen en thermostatische expansieveer is dat deze buizen geen sensoren of bewegende onderdelen nodig hebben. Dit maakt ze bijzonder geschikt voor toepassingen waarbij het onderhoud minimaal moet zijn en de systemen volledig afgesloten zijn voor externe inmenging.
Capillaire buizen worden veel gebruikt in toepassingen met een vaste belasting waarbij kosten een belangrijk aspect zijn, vanwege hun betrouwbaarheid en eenvoud. Algemene systemen zijn:
De kleine ac capillairbuis het ontwerp is bijzonder effectief in compacte installaties waarbij ruimte en betrouwbaarheid van groot belang zijn. Deze systemen werken meestal onder de 5 ton en presteren het beste onder stabiele omgevingsomstandigheden. Hun zelfcompenserende aard maakt aanpassing aan kleine belastingsveranderingen mogelijk zonder elektronische regeling, waardoor de levensduur in permanente gesloten systemen wordt verlengd.
Capillaire buizen bieden enkele reële voordelen wanneer het gaat om kleinere HVAC-systemen. Aangezien er absoluut geen bewegende onderdelen zijn betrokken, vindt er geen mechanische slijtage plaats in de loop van de tijd, wat zorgt voor minder onderhoudsbehoefte en storingen. Het feit dat deze buizen weinig ruimte innemen, maakt ze gemakkelijk in te passen in benauwde installaties. Bovendien helpt hun vermogen om de vloeistofstroom vrij nauwkeurig te reguleren bij het behouden van een stabiele systeemprestatie onder verschillende omstandigheden. Een recent rapport uit 2024 over de betrouwbaarheid van HVAC-systemen toonde iets interessants aan - systemen die capillaire buizen gebruikten, kenden ongeveer 32 procent minder service-oproepen voor problemen met expansieapparatuur in vergelijking met systemen die gebruik maakten van elektronische versies.
Capillaire buizen regelen de koudemiddelstroom automatisch wanneer er veranderingen zijn in de belasting van het systeem. Wanneer de verdampingseenheid zwaarder belast is, neemt het drukverschil toe, waardoor er meer koudemiddel door de buis wordt geperst. Omgekeerd neemt de stroom vanzelf af wanneer de belasting daalt, zonder dat er externe ingrepen nodig zijn. Wat deze buizen zo nuttig maakt, is dat ze gedurende al deze processen een stabiele werking behouden zonder dat er geavanceerde sensoren of besturingssystemen nodig zijn. Er is echter één beperking. Aangezien capillaire buizen vaste afmetingen hebben, presteren ze niet goed in situaties waarin belastingvariaties ongeveer 40% boven of onder de oorspronkelijk ontworpen waarden uitkomen. Deze beperking betekent dat gebruikers zorgvuldig moeten afwegen of de toepassingsvereisten overeenkomen met de specificaties van de buis.
Het kiezen van de juiste capillaire buis houdt het in balans brengen van drie belangrijke factoren:
Het kiezen van de juiste materialencombinaties is tegenwoordig erg belangrijk, vooral wanneer je werkt met nieuwere koudemiddelen zoals R-454B of R-32. Standaard koperen buizen werken goed met veel gebruikelijke koudemiddelen, maar soms is een laagje nikkel nodig wanneer er wordt gewerkt met ammoniakoplossingen. Wanneer materialen niet goed op elkaar zijn afgestemd, ontstaat er op de lange termijn schade, zowel binnen de buizen als in het koudemiddelmengsel. Volgens onderzoek van ASHRAE uit 2023 kan deze ongeschikte combinatie de systeemefficiëntie zelfs met bijna 19% doen afnemen. Het kiezen van compatibele materialen is daarom niet alleen een goede praktijk, maar essentieel om de betrouwbaarheid en thermische prestaties van systemen op lange termijn te waarborgen.
EN
Hot News