W przewodach kapilarnych stosowanych w klimatyzatorach występuje istotna część systemów HVAC, umiejscowiona dokładnie pomiędzy skraplaczem a jednostką parownika. Funkcją tego elementu jest kontrolowanie ilości czynnika chłodniczego przepływającego przez niego, poprzez wywoływanie efektu spadku ciśnienia. Proces ten przekształca ciecz o wysokim ciśnieniu w substancję o niższym ciśnieniu zanim trafi ona do sekcji parownika. Ponieważ nie występują tu żadne ruchome części, stały kształt tych rur czyni je dość niezawodnymi w porównaniu do innych rozwiązań, takich jak zawory rozprężne, a dodatkowo są one tańsze. Przykładowo, typowy przewód kapilarny o średnicy około 0,031 cala. Taka wielkość zazwyczaj obniża poziom ciśnienia o około połowę w standardowych warunkach pracy, co pomaga utrzymać stabilny przepływ czynnika chłodniczego w całym systemie.
Sposób, w jaki czynnik chłodniczy przepływa przez te drobne rurki kapilarne, opiera się na podstawowych zasadach termodynamiki, które wszyscy poznaliśmy jeszcze w szkole. Kiedy ciśnienie spada ze strony kondensatora na stronę parownika, z czynnikiem chłodniczym zachodzi ciekawe zjawisko, podczas którego zmienia on stan skupienia. Ciecz chłodząca faktycznie wchłania ukryte ciepło podczas rozprężania, co jest dość imponujące, jeśli się nad tym zastanowić. Gdy czynnik przemieszcza się przez te wąskie kanały, tarcie wytwarza ciepło wzdłuż całej drogi. Powoduje to znaczący spadek entalpii gdzieś w granicach od 120 do nawet 150 kJ na kilogram w większości standardowych systemów. Wszystkie te czynniki działają razem, aby zapewnić efektywne przemieszczanie się ciepła przez system i pomóc utrzymać stabilną pracę, nawet gdy zapotrzebowanie zmienia się w ciągu dnia.
| Długość rury | Średnica wewnętrzna | Spadek ciśnienia | Natężenie przepływu masowego |
|---|---|---|---|
| 1,5 m | 0.8 mm | Wysoki | Niski |
| 2,2 m | 1.0 mm | Umiarkowany | Średni |
| 3,0 m | 1.2 mm | Niski | Wysoki |
Kształt i rozmiar rurek kapilarnych ma istotne znaczenie dla skuteczności działania systemu. Dłuższe rurki powodują większy opór przepływu cieczy, natomiast rurki o większym średnicy pozwalają przepływać większej ilości substancji. Pewne testy przeprowadzone na rurkach o wymiarach 0,5 mm w porównaniu do 1,5 mm wykazały, że te szersze miały około 63% lepszą wydajność przepływu przy niezmienionych pozostałych warunkach. Dobór odpowiedniego rozmiaru polega na znalezieniu złotego środka pomiędzy zbyt małym a zbyt dużym. Jeśli rurka będzie zbyt mała, parownik będzie niedożywiany z chłodnikiem. Zbyt duża? Sprężarka może ulec zalaniu, co nikt nie chce. Technicy spędzają godziny na wykonywaniu tych obliczeń, ponieważ prawidłowy dobór oznacza różnicę między efektywnym systemem klimatyzacji a takim, który marnuje energię i szybciej się psuje.
Temperatura czynnika chłodniczego wpływającego do systemu odgrywa dużą rolę w skuteczności działania rurek kapilarnych, ponieważ wpływa na lepkość czynnika oraz na jego przejście między stanami. Gdy temperatura na wejściu wzrasta o około 12 stopni Celsjusza, lepkość R410A spada o około 18%. Powoduje to szybsze przepływanie czynnika przez rurki, jednak osłabia różnicę ciśnienia niezbędną do skutecznego wymiany ciepła. Analiza rzeczywistych danych z komercyjnych instalacji HVAC ujawnia również coś bardzo istotnego. Systemy, w których temperatury na wejściu nie odpowiadają oczekiwanym, tracą aż 23% swojej mocy chłodniczej, według najnowszych badań opublikowanych przez ASHRAE w 2023 roku. Tego typu straty w czasie sumują się i znacząco wpływają na koszty utrzymania komfortowych warunków wewnętrznych dla operatorów budynków.
Podczas podgrzewania się miedziane rurki włosowate rozszerzają się o około 0,017% przy wzroście temperatury o 10 stopni Celsjusza. To rozszerzenie powoduje zmniejszenie się średnicy wewnętrznej o około 0,008 milimetra, co powoduje problemy z przepływem cieczy. Problem staje się naprawdę zauważalny, gdy temperatura otoczenia przekracza 45 stopni Celsjusza. Zgodnie z badaniami opublikowanymi w zeszłym roku dotyczącymi przepływu czynnika chłodniczego, układ zwojów rurek znacznie lepiej radzi sobie z tymi problemami temperaturowymi niż proste rurki. Testy wykazały, że zwoje zmniejszają wariacje przepływu spowodowane zmianami temperatury o około dwie trzecie w porównaniu do tradycyjnych prostych rurek, co czyni je mądrym wyborem dla systemów narażonych na znaczne wahania temperatury.
R407C wykazuje 31% większą zmienność przepływu objętościowego niż R410A, gdy temperatura otoczenia zmienia się w zakresie od 20°C do 40°C. Praca w warunkach obciążenia częściowego nasila ten efekt, przy czym w układach z kompresorami o zmiennej prędkości masa czynnika w kapilarach ulega drganiom 2,7 razy większym niż w systemach o stałej prędkości.
Gdy temperatura przekracza 35 stopni Celsjusza, opór przepływu nie tylko rośnie – przyspiesza, zwiększając się o około 42% szybciej dla każdego kolejnego stopnia. Dlaczego tak się dzieje? Otóż, gdy robi się gorąco, zaczynają działać różne czynniki. Po pierwsze, turbulencje pojawiają się, gdy liczba Reynoldsa przekroczy około 2 300. Następnie mamy do czynienia z powstawaniem gazów w środkowych częściach rurek. A także nie można zapomnieć o tym, jak chropowatość powierzchni zwiększa się z czasem. Eksperymenty laboratoryjne wykazały również coś ciekawego. Gdy temperatura zmienia się o 10 stopni, wydajność systemu różni się aż o 19% w porównaniu do podobnych zmian ciśnienia samego w sobie. To naprawdę pokazuje, jak wrażliwe są te miniaturowe rurki kapilarne nawet na niewielkie zmiany temperatury podczas pracy.
Właściwości R22, R407C i R410A różnią się znacząco w układach rurociągów kapilarnych ze względu na ich różne właściwości, takie jak lepkość, gęstość czy charakterystyka ciepła utajonego. Podczas testów przeprowadzonych w temperaturze otoczenia wynoszącej około 45 stopni Celsjusza badania przeprowadzone przez Kima i współpracowników w 2002 roku wykazały, że R22 przepływa przez identyczne rury około 12–18 procent większą masę w porównaniu do R407C. Istnieje jednak druga strona medalu. R410A osiąga mimo wszystko około 15–22 procent lepszą wydajność przenoszenia ciepła niż dobry stary R22, mimo że objętościowo przepływa on około 8–10 procent wolniej. Dzięki temu R410A stał się popularnym wyborem dla nowych systemów, pomimo wymogu wyższego ciśnienia roboczego. Najnowsze badania opublikowane w 2022 roku zwracają uwagę na kolejny problem związany z R407C. Jego poślizg temperatury powoduje niewielki, ale zauważalny spadek wydajności o około 4–7 procent w systemach z zaworami o stałym przekroju przepływu w porównaniu do związków jednoskładnikowych, co należy uwzględnić przy projektowaniu i konserwacji systemów.
Sposób, w jaki różne czynniki chłodzące się zachowują, zmienia się w zależności od zmian temperatury. Weźmy na przykład, co się dzieje w okolicach 30 stopni Celsjusza temperatury skraplacza. R410A zapewnia dość stabilną pracę, z odchyleniem wydajności rzędu plus/minus 3 procent. Natomiast R407C przedstawia zupełnie inną sytuację ze względu na swoją naturę zepotropową, wykazując znacznie większe wahania rzędu około plus/minus 9 procent. Przy warunkach obciążenia na niskim poziomie, kiedy temperatura otoczenia spada do 15 stopni Celsjusza, pojawiają się problemy z R22. Jego niższa temperatura krytyczna powoduje wcześniejsze powstawanie gazu błyskowego, co obniża zdolność chłodzenia o 14 do 19 procent w porównaniu z tym, co potrafi osiągnąć R410A. Ciekawym faktem jest, że istnieje model opracowany jeszcze w 2003 roku przez Choi, który całkiem skutecznie przewiduje te nieliniowe zachowania. Prognozy zgodne są z rzeczywistymi pomiarami w 88 do 92 procentach przypadków w zakresie temperatur pracy od 20 do 55 stopni Celsjusza, choć nikt nie twierdzi, że jest on idealny we wszystkich warunkach.
Modernizacja systemów R22 do R410A wymaga zmiany wymiarów rurki kapilarnej, aby dostosować się do o 40% wyższych ciśnień roboczych. Dane z 85 projektów modernizacji pokazują, że zbyt cienkie rurki prowadzą do:
Zastosowanie narzędzi symulacyjnych do analizy termodynamicznej w procesie kalibracji pozwoliło zmniejszyć te nieefektywności o 63% w zoptymalizowanych przypadkach, zgodnie z wytycznymi ASHRAE z 2023 roku dotyczącymi modernizacji.
Proste rurki kapilarne zazwyczaj lepiej utrzymują stabilność przepływu czynnika chłodniczego w podwyższonej temperaturze, ponieważ mają spójne przekroje na całej długości. Badania wykazują, że te proste konstrukcje charakteryzują się o około 15 procent mniejszą liczbą spadków ciśnienia w porównaniu z wersjami zwojowymi podczas testów wytrzymałości cieplnej. Prosta, prosta ścieżka zmniejsza problemy z turbulencją, które często występują w rurkach zwojowych, gdy temperatura otoczenia osiągnie około 95 stopni Fahrenheita lub wyższą. Oczywiście modele zwojowe zajmują mniej miejsca, ale zagięcia tworzą dodatkowy opór podczas przepływu cieczy. Ten zwiększony opór rzeczywiście obniża stabilność przepływu masowego o około 8 do 12 procent w warunkach bardzo wysokiej temperatury, zgodnie z różnymi symulacjami systemów HVAC przeprowadzonymi w ostatnich latach.
Uzyskanie właściwego balansu między średnicą a długością jest naprawdę istotne przy projektowaniu rurek kapilarnych, zwłaszcza zważywszy, jak materiały się rozszerzają pod wpływem ciepła. Większość inżynierów stwierdza, że rurki o średnicy około 0,03 do 0,05 cala sprawdzają się całkiem dobrze, przy długościach sięgających typowo od około 12 stóp do 20 stóp. Tego typu wymiary sprawdzają się niemal we wszystkich warunkach pogodowych, jakie występują w standardowych warunkach eksploatacji, od zimnych poranków zimowych o temperaturze około 40 stopni Fahrenheita aż po upały letnie dochodzące do 115 stopni Fahrenheita. Obecni projektanci zaczynają integrować sztuczną inteligencję z narzędziami symulacyjnymi, co pomaga przewidzieć, w jaki sposób rurki mogą się odkształcać pod wpływem różnych temperatur. Pozwala to na podejmowanie bardziej świadomych decyzji dotyczących korekty grubości ścianek, tak aby przepływ cieczy pozostawał stabilny w granicach około plus-minus 3 procent nawet podczas ekstremalnych zmian temperatury pomiędzy porami roku.
Wykorzystanie modelowania dynamicznego umożliwiło przewidywanie zachowania rurek kapilarnych w warunkach zmieniających się temperatur. Zgodnie z badaniami opublikowanymi w zeszłym roku, symulacje komputerowe zwane CFD mogą dość dokładnie przewidzieć problemy związane z przepływem czynnika chłodniczego, zazwyczaj z błędem rzędu 5% w porównaniu do rzeczywistych testów. Modele te są tak dobre, ponieważ uwzględniają czynniki mające istotne znaczenie w praktyce, takie jak zmiana stanu skupienia czynnika chłodniczego z ciekłego na gazowy oraz rozszerzalność miedzianych rurek pod wpływem ciepła – około 0,02 milimetra na każdy stopień Celsjusza. Taki szczegółowy podejście pozwala inżynierom tworzyć lepsze projekty, szczególnie przy złożonych zastosowaniach, gdzie liczy się precyzja.
Uczenie maszynowe przekształca optymalizację rurek kapilarnych poprzez analizę dziesięcioleci danych operacyjnych. Raport branżowy z 2024 roku wykazał, że projekty oparte na sztucznej inteligencji zmniejszają zużycie energii o 12–18% w porównaniu z tradycyjnymi metodami. Jednak inżynierowie muszą zweryfikować wyniki AI poprzez testy fizyczne, szczególnie w warunkach ekstremalnych, wykraczających poza standardowe zakresy pracy.
Czołowi producenci wdrażają systemy kapilarne reagujące na zmiany temperatury, w tym:
Ta strategia adaptacyjna zapewnia stabilną wydajność chłodzenia mimo zmian temperatury otoczenia o nawet 25°C, osiągając wynik o 19% lepszy niż rurki o stałym projekcie w testach obciążeniowych ASHRAE.
Gorące wiadomości
EN
