Rurki kapilarne działają jako urządzenia rozprężne o stałym przekroju w systemach HVAC, umożliwiając bierne obniżenie ciśnienia ciekłego czynnika chłodniczego. Gdy czynnik o wysokim ciśnieniu wpływa do tych wąskich rurek (zwykle o grubości około 0,5 do 2 mm), opór powstający przy ich ściankach powoduje stopniowy spadek ciśnienia. To, co dzieje się dalej, jest dość interesujące – ciekły czynnik podchlodzony zostaje przekształcony w mieszaninę pary i cieczy o niższym ciśnieniu i temperaturze, co umożliwia mu skuteczne pobieranie ciepła w parowni, czyli części systemu. Dużą zaletą jest tu brak elementów ruchomych. Ta prostota mechaniczna sprawdza się w praktyce od lat, co wielu techników mogło zaobserwować podczas swojej pracy w terenie z różnymi instalacjami HVAC.
Małe jednostki klimatyzacyjne w całości zależą od kształtu fizycznego rurki kapilarnej w celu kontrolowania przepływu czynnika chłodniczego. Ilość czynnika chłodniczego, który przez nią przechodzi, naprawdę zależy od długości i średnicy rurki. Jeżeli ktoś wydłuży rurkę o 20%, zazwyczaj zauważy, że czynnika chłodniczego przepływa przez nią około jednej trzeciej mniej, ponieważ zwiększa się tarcie wewnątrz. Kiedy rurki stają się zbyt wąskie, powodują podobne problemy z oporem, jak te bardziej zaawansowane zawory rozprężne mechaniczne. Co ciekawe, te proste konstrukcje potrafią się automatycznie dostosować, gdy ciśnienie w systemie się zmienia. Weźmy na przykład cieplejszą pogodę na zewnątrz. Gdy temperatura rośnie, ciśnienie w kondensatorze wzrasta i to właśnie ono powoduje, że przez rurkę kapilarną zaczyna przepływać więcej czynnika chłodniczego, i to zupełnie bez potrzeby stosowania skomplikowanej elektroniki czy czujników.
Gdy czynnik chłodniczy przepływa przez rurkę kapilarną, doświadcza dość znacznego spadku ciśnienia, czasem przekraczającego 100 psi, podczas przejścia ze stanu ciekłego do mieszaniny ciekłej i parowej, zwaną mieszaniną dwufazową. Większość tego spadku ciśnienia zachodzi na samym początku – około 90% występuje w pierwszej trzeciej części rurki. Kiedy czynnik dociera do wlotu parownika, ciśnienie zazwyczaj ustala się na poziomie od 60 do 80 psi dla standardowych czynników chłodniczych, takich jak R-410A lub podobnych, powszechnie używanych współcześnie. Sposób przepływu płynu można opisać wzorem: Q jest proporcjonalne do ΔP pomnożonego przez D do potęgi czwartej, podzielonego przez L. W tym przypadku D oznacza średnicę wewnętrzną rurki, a L jej całkowitą długość.
Wydajność rurek kapilarnych naprawdę zależy od prawidłowego dobrania geometrii. Gdy rurki stają się dłuższe, generują większy opór, co ogranicza ilość czynnika chłodniczego przepływającego przez nie. Rurki o większym średnicy pozwalają natomiast przepływać większej ilości substancji. Błędne dobranie tych wymiarów prowadzi do problemów – spadek ciśnienia jest zbyt mały lub zużycie energii jest znacznie zbyt wysokie. Ma to szczególne znaczenie w przypadku tych małych systemów klimatyzacyjnych z rurkami kapilarnymi, ponieważ miejsca do pracy jest po prostu niewiele. Nawet drobne zmiany wymiarów dużo znaczą, gdy przestrzeń jest ograniczona. Aby wszystko działało poprawnie, konieczne jest, aby technicy dokonywali pomiarów na poziomie milimetra, tak aby wszystko odpowiadało wymaganiom systemu pod względem wydajności i efektywności.
Średnica wewnętrzna wraz z długością rury odgrywa kluczową rolę w określaniu wielkości spadku ciśnienia pomiędzy elementami skraplacza i parownika. Analizując rzeczywiste dane z raportu ASHRAE za 2022 rok, zauważamy, że zwiększenie średnicy jedynie o 0,5 mm prowadzi do około 40% lepszej przepustowości. Z drugiej strony, dodanie kolejnego metra do długości rury zazwyczaj powoduje wzrost spadku ciśnienia o około 15–22%. Większość inżynierów pracujących nad takimi systemami najpierw dostosowuje średnice, aby wprowadzić istotne zmiany przepływu, a dopiero potem koryguje długości, by dopracować drobne szczegóły. Takie podejście pozwala im osiągnąć lepsze efekty podchlodzenia, jednocześnie zapewniając płynne działanie całego systemu bez nieprzewidzianych fluktuacji.
Zbyt długie rury obniżają ciśnienie w parowni, zwiększając pracę sprężarki, a zbyt duże średnice podnoszą ryzyko powrotu cieczy z powodu uderzenia hydraulicznego. Maksymalny współczynnik COP układu osiągany jest, gdy spadek ciśnienia utrzymywany jest na poziomie 1,8–2,5 MPa i jest dopasowany do odpowiednich różnic temperatur nasycenia.
Inżynierowie stosują dwa główne podejścia: wykresy empiryczne korelujące przepływ czynnika chłodniczego z różnicą ciśnień oraz modele analityczne wykorzystujące liczby uogólnione, takie jak Reynoldsa i Macha. Współczesne projektowanie polega w coraz większym stopniu na obliczeniowej dynamice płynów (CFD), która osiąga aż 97% dokładności w przewidywaniu przepływu masowego w porównaniu do tradycyjnych metod doboru wielkości.
Współczynnik przepływu masowego w mniejszych jednostkach klimatyzacyjnych zależy od wielu czynników, w tym od kształtu i wielkości rur, rodzaju używanego czynnika chłodzącego oraz różnicy ciśnień panujących w systemie. Patrząc konkretnie na systemy R134a, jeśli ciśnienie wlotowe wzrośnie jedynie o 1 bar, zazwyczaj prowadzi to do zwiększenia całkowitego współczynnika przepływu o około 18 do 22 procent, zgodnie z wydanym w 2006 roku podręcznikiem ASHRAE. Mówiąc o warunkach przewężenia przepływu (choked flow), zachodzą one w momencie, gdy ciśnienie wylotowe spada do około 35–40 procent ciśnienia początkowego, co z kolei uniemożliwia dalszy wzrost przepływu. Aby przytoczyć konkretne liczby, rozważmy typowy układ, w którym ktoś mógłby zainstalować rurę o średnicy 1,0 mm i długości około 3,3 metra. W warunkach normalnej pracy przy zastosowaniu ciśnienia wynoszącego 15 barów, taka konfiguracja zapewnia przepływ około 16 kilogramów czynnika chłodzącego na godzinę. Technicy pracujący nad tymi systemami muszą mieć na uwadze wszystkie te zależności podczas instalacji i wykonywania prac konserwacyjnych.
Faza na wlocie znacząco wpływa na wydajność. Wlot cieczy podchlodzonej wspiera wyższe o 35% natężenie przepływu niż mieszanka dwufazowa dzięki ograniczeniu tworzenia się pary i związanych z tym strat. Na przykład:
Wczesne parowanie wewnątrz rury powoduje fluktuacje ciśnienia (2–3 bar), zmniejszając stabilność. Badania modelowania przepływu potwierdzają, że utrzymywanie co najmniej 8K podchlodzenia zapobiega wczesnemu parowaniu w 89% małych zastosowań klimatyzacji.
Po początkowej fazie metastabilnej cieczy, szybkie rozprężanie przyspiesza w ostatniej trzeciej części rury, gdzie gradienty temperatury mogą przekraczać 50°C/m. To podkreśla znaczenie dokładnego dozowania czynnika chłodniczego i projektowania systemu.
Kapilary odgrywają kluczową rolę w systemach sprężarkowych parowych, działając jako urządzenia rozprężne o stałym przekroju, łączące sekcję kondensatora o wysokim ciśnieniu z częścią parownika o niskim ciśnieniu systemu. Gdy czynnik chłodniczy przepływa przez te wąskie rury, następuje gwałtowny spadek ciśnienia, który powoduje parowanie błyskowe. To zjawisko jest dość ciekawe – ciecz podchlodzona o wysokim ciśnieniu przekształca się w chłodniejszą mieszankę nasyconą, która może skutecznie pobierać ciepło w komponencie parownika. Jedną z głównych różnic między kapilarami a zaworami rozprężnymi termostatycznymi jest fakt, że kapilary nie wymagają żadnych czujników ani ruchomych elementów. Dzięki temu są szczególnie przydatne w zastosowaniach, gdzie konieczne jest minimalne konserwowanie i całkowite zabezpieczenie systemów przed wpływami zewnętrznymi.
Rurki kapilarne są powszechnie stosowane w aplikacjach o stałym obciążeniu i wrażliwych cenowo dzięki swojej niezawodności i prostocie. Typowe systemy to:
The mała rurka kapilarna do prądu przemiennego projekt jest szczególnie skuteczny w kompaktowych instalacjach, gdzie kluczowe znaczenie mają przestrzeń i niezawodność. Systemy te zazwyczaj pracują poniżej 5 ton i najlepiej sprawdzają się w stabilnych warunkach otoczenia. Ich samokompensująca się natura pozwala na adaptację do drobnych zmian obciążenia bez zastosowania sterowania elektronicznego, zwiększając trwałość w permanentnych systemach uszczelnionych.
Rurki kapilarne przynoszą realne korzyści w przypadku mniejszych systemów HVAC. Skoro nie ma w nich żadnych ruchomych elementów, oznacza to brak zużycia mechanicznego w czasie eksploatacji, co zmniejsza konieczność konserwacji i liczbę awarii. Dodatkowo fakt, że te rurki zajmują bardzo mało miejsca, ułatwia ich montaż w miejscach o ograniczonej przestrzeni. Ich zdolność do dość dokładnej regulacji przepływu cieczy pomaga utrzymać stabilną pracę systemu w różnych warunkach. Ostatni raport z 2024 roku dotyczący niezawodności systemów HVAC wykazał ciekawą tendencję – systemy wykorzystujące rurki kapilarne generowały o około 32 procent mniej zgłoszeń serwisowych związanych z problemami dotyczącymi urządzeń rozprężnych w porównaniu do tych, które opierały się na wersjach elektronicznych.
Rurki kapilarne samodzielnie regulują przepływ czynnika chłodniczego w przypadku zmian obciążenia systemu. Gdy parownik pracuje z większym obciążeniem, różnica ciśnienia wzrasta, co powoduje przepływ większej ilości czynnika przez rurkę. Z kolei, gdy obciążenie maleje, przepływ naturalnie się zmniejsza, bez potrzeby ingerencji z zewnątrz. Co czyni te rurki szczególnie przydatnymi, to ich zdolność do utrzymywania stabilnej pracy w całym tym procesie bez potrzeby stosowania zaawansowanych czujników czy systemów sterowania. Istnieje jednak pewna wada. Ze względu na stałe wymiary rurek kapilarnych, nie radzą one sobie dobrze w warunkach, gdzie zmiany obciążenia przekraczają około 40% powyżej lub poniżej zaprojektowanego poziomu. To ograniczenie oznacza, że operatorzy muszą dokładnie dopasować wymagania aplikacji do specyfikacji rurek.
Dobór odpowiedniej rurki kapilarnej wymaga uwzględnienia trzech kluczowych czynników:
Dobór odpowiednich kombinacji materiałów ma obecnie duże znaczenie, zwłaszcza przy stosowaniu nowszych czynników chłodniczych, takich jak R-454B lub R-32. Standardowe rury miedziane sprawdzają się z wieloma typowymi czynnikami chłodniczymi, jednak czasem wymagają warstwy niklowej, jeśli mamy do czynienia z roztworami opartymi na amoniaku. Kiedy materiały nie są dobrze dopasowane, z czasem zaczynają się one rozkładać zarówno wewnątrz rur, jak i w samym czynniku chłodniczym. Zgodnie z badaniami przeprowadzonymi przez ASHRAE w 2023 roku, taki niedopasowanie może faktycznie obniżyć sprawność systemu aż o 19%. Dlatego dobór kompatybilnych materiałów to nie tylko dobra praktyka – to właśnie one pozwalają na niezawodną pracę systemów przez wiele lat, zachowując ich możliwości wydajności cieplnej.
Gorące wiadomości
EN
