Os tubos capilares funcionam como dispositivos de expansão com orifício fixo dentro dos sistemas de climatização, permitindo a redução passiva da pressão do refrigerante líquido. Quando o refrigerante sob alta pressão flui para dentro desses tubos estreitos (geralmente com espessura entre 0,5 e 2 mm), a resistência criada pelas paredes provoca uma queda gradual de pressão. O que acontece em seguida é bastante interessante – o líquido sub-resfriado é transformado em uma mistura de vapor e líquido com pressão e temperatura mais baixas, preparando-o para absorver calor de maneira eficiente na parte do sistema conhecida como evaporador. Uma grande vantagem aqui é que não há componentes móveis envolvidos. Essa simplicidade mecânica mostrou-se eficaz ao longo do tempo, algo que muitos técnicos já observaram pessoalmente em suas experiências práticas com diversas instalações de climatização.
Unidades de ar condicionado pequenas dependem completamente do formato físico do tubo capilar para controlar o fluxo de refrigerante. A quantidade de refrigerante que passa realmente depende do comprimento e da largura do tubo. Se alguém fabricar um tubo 20% mais longo, normalmente verá cerca de um terço menos refrigerante passando por ele, devido ao aumento do atrito interno. Quando os tubos ficam muito estreitos, eles criam problemas de resistência semelhantes aos das válvulas mecânicas de expansão mais sofisticadas. O que é interessante nesses designs simples é como eles se ajustam automaticamente quando as pressões mudam dentro do sistema. Considere, por exemplo, temperaturas externas mais quentes. Quando aumenta o calor, a pressão no condensador também sobe, e isso faz com que mais refrigerante flua através do tubo capilar por conta própria, sem necessidade de eletrônicos complicados ou sensores para gerenciá-lo.
Quando o refrigerante passa pelo tubo capilar, ele sofre uma queda de pressão bastante significativa, às vezes superior a 100 psi, durante sua transição do estado líquido para aquela mistura de líquido e vapor que chamamos de mistura bifásica. A maior parte dessa perda de pressão acontece logo no início, na verdade cerca de 90% ocorre dentro do primeiro terço do comprimento do tubo. Quando o refrigerante chega à entrada do evaporador, as pressões geralmente se estabilizam entre 60 e 80 psi para refrigerantes comuns como o R-410A ou similares amplamente utilizados atualmente. O modo como o fluido flui basicamente segue esta fórmula: Q é proporcional a delta P multiplicado por D elevado à quarta potência dividido por L. Nesta fórmula, D representa o diâmetro interno do tubo enquanto L indica seu comprimento total.
O desempenho dos tubos capilares realmente depende de acertar a geometria. Quando os tubos ficam mais longos, eles criam mais resistência, o que reduz a quantidade de refrigerante que flui através deles. Tubos de diâmetro maior permitem que mais substância passe. Errar essas medidas leva a problemas de qualquer forma: a queda de pressão é muito pequena ou consome muita energia. Isso é muito importante para aqueles sistemas de ar condicionado pequenos que usam tubos capilares, porque há pouco espaço disponível. Pequenas alterações nas dimensões fazem muita diferença quando o espaço é limitado. Para que tudo funcione corretamente, os técnicos precisam medir com precisão de milímetro, para que tudo corresponda às necessidades do sistema em termos de capacidade e eficiência.
O diâmetro interno juntamente com o comprimento do tubo desempenha um papel fundamental na determinação da queda de pressão entre os componentes do condensador e do evaporador. Ao analisar os números reais do relatório ASHRAE de 2022 sobre fundamentos, verificamos que aumentar o diâmetro em apenas 0,5 mm resulta em uma capacidade de fluxo cerca de 40% melhor. Por outro lado, adicionar mais um metro ao comprimento do tubo geralmente resulta em aumentos na queda de pressão entre 15% e 22%. A maioria dos engenheiros que trabalham nesses sistemas tende a ajustar primeiro os diâmetros ao realizar mudanças amplas no fluxo, e depois aprimorar os detalhes ajustando os comprimentos. Essa abordagem ajuda-os a alcançar efeitos melhores de sub-resfriamento enquanto mantém o sistema funcionando de forma suave e sem flutuações inesperadas.
Tubos excessivamente longos reduzem a pressão do evaporador, aumentando o trabalho do compressor, enquanto diâmetros superdimensionados elevam o risco de inundação devido ao golpe de líquido. O COP máximo do sistema é alcançado quando a queda de pressão é mantida entre 1,8–2,5 MPa e combinada com diferenciais adequados de temperatura de saturação.
Os engenheiros utilizam duas abordagens principais: gráficos empíricos que correlacionam o fluxo de refrigerante com diferenciais de pressão e modelos analíticos que incorporam números adimensionais como Reynolds e Mach. O projeto moderno depende cada vez mais da dinâmica computacional dos fluidos (CFD), que alcança até 97% de precisão na previsão do fluxo de massa em comparação com métodos tradicionais de dimensionamento.
A vazão mássica nesses pequenos condicionadores de ar depende de vários fatores, incluindo o formato e o tamanho dos tubos, o tipo de refrigerante utilizado e a diferença de pressão dentro do sistema. Olhando especificamente para sistemas R134a, se houver um aumento de apenas 1 bar na pressão de entrada, isso tende a aumentar a vazão global em cerca de 18 a 22 por cento, segundo o ASHRAE Handbook de 2006. Quando falamos em condições de fluxo crítico (choked flow), elas ocorrem quando a pressão de saída cai para cerca de 35 a 40 por cento da pressão de entrada, impedindo que o fluxo aumente ainda mais. Para dar números concretos, considere uma configuração típica em que alguém instale um tubo com diâmetro de 1,0 mm e comprimento de aproximadamente 3,3 metros. Em condições normais de operação com 15 bares de pressão aplicada, tal configuração forneceria aproximadamente 16 quilogramas por hora de refrigerante através do sistema. Os técnicos que trabalham nesses sistemas precisam ter em mente todas essas relações durante a instalação e a manutenção.
A fase de entrada afeta significativamente o desempenho. A entrada de líquido subresfriado permite uma vazão 35% maior do que em misturas bifásicas, devido à redução da formação de vapor e às perdas associadas. Por exemplo:
A vaporização prematura dentro do tubo causa flutuações de pressão (2–3 bar), reduzindo a estabilidade. Estudos de modelagem de fluxo confirmam que manter pelo menos 8K de sub-resfriamento evita a vaporização precoce em 89% das aplicações pequenas de AC.
Após uma fase líquida inicial metastável, a expansão acelera rapidamente no último terço do tubo, onde os gradientes de temperatura podem exceder 50°C/m. Isso destaca a importância de uma carga precisa de refrigerante e do projeto do sistema.
Os tubos capilares desempenham um papel fundamental nos sistemas de compressão de vapor, atuando como dispositivos de expansão com orifício fixo que conectam a seção do condensador de alta pressão à parte do evaporador de baixa pressão do sistema. Quando o refrigerante flui para dentro desses tubos estreitos, ocorre uma queda súbita na pressão, provocando a evaporação súbita. O que acontece aqui é bastante interessante: o líquido sub-resfriado de alta pressão é transformado em uma mistura saturada mais fria, que pode então absorver calor de maneira eficaz dentro do componente evaporador. Uma grande diferença entre os tubos capilares e as válvulas termostáticas de expansão é que esses tubos não necessitam de sensores ou componentes móveis em absoluto. Isso os torna especialmente adequados para aplicações em que a manutenção precisa ser mínima e os sistemas estão totalmente selados contra interferências externas.
Tubos capilares são amplamente utilizados em aplicações com sensibilidade ao custo e carga fixa devido à sua confiabilidade e simplicidade. Sistemas comuns incluem:
A tubo capilar de pequena válvula de ar condicionado o projeto é especialmente eficaz em instalações compactas onde espaço e confiabilidade são fundamentais. Esses sistemas normalmente operam abaixo de 5 toneladas e apresentam melhor desempenho em condições ambientais estáveis. Sua natureza auto-compensatória permite adaptação a pequenas variações na carga sem o uso de controles eletrônicos, aumentando a durabilidade em sistemas selados permanentes.
Os tubos capilares trazem alguns benefícios reais quando se trata de sistemas de climatização menores. Como não existem componentes móveis envolvidos, isso significa que não há desgaste mecânico ao longo do tempo, reduzindo as necessidades de manutenção e as falhas. O fato de esses tubos ocuparem tão pouco espaço os torna fáceis de instalar em locais com pouco espaço. Além disso, sua capacidade de regular o fluxo de fluido com razoável precisão ajuda a manter um desempenho estável do sistema sob diferentes condições. Um relatório recente de 2024 que analisou a confiabilidade de sistemas HVAC mostrou algo interessante — sistemas que utilizam tubos capilares tiveram cerca de 32 por cento menos chamadas de serviço para problemas com dispositivos de expansão do que aqueles que dependem de versões eletrônicas.
Os tubos capilares ajustam o fluxo de refrigerante automaticamente quando há alterações na carga do sistema. Quando o evaporador tem cargas mais altas, a diferença de pressão aumenta, o que empurra mais refrigerante através do tubo. Por outro lado, quando as cargas diminuem, o fluxo simplesmente reduz naturalmente, sem necessidade de intervenção externa. O que torna esses tubos tão úteis é que eles mantêm uma operação estável durante todo esse processo, sem necessidade de sensores sofisticados ou sistemas de controle. Há, porém, uma limitação. Como os tubos capilares têm dimensões fixas, não funcionam bem em situações em que as variações de carga excedem cerca de 40% acima ou abaixo do valor para o qual foram originalmente projetados. Essa limitação significa que os operadores precisam ter cuidado ao associar os requisitos da aplicação às especificações do tubo.
A seleção do tubo capilar adequado envolve o equilíbrio entre três fatores principais:
Atualmente, é muito importante utilizar as combinações corretas de materiais, especialmente ao trabalhar com refrigerantes mais novos, como o R-454B ou o R-32. Os tubos padrão de cobre funcionam bem com muitos refrigerantes comuns, embora às vezes necessitem de uma camada de revestimento de níquel quando se trabalha com soluções à base de amônia. Quando os materiais não são compatíveis, ocorre degradação ao longo do tempo, tanto no interior dos próprios tubos quanto dentro da mistura do refrigerante. De acordo com uma pesquisa da ASHRAE realizada em 2023, essa incompatibilidade pode reduzir a eficiência do sistema em até 19%. Assim, escolher materiais compatíveis não é apenas uma boa prática, mas essencial para manter o sistema funcionando com confiabilidade ano após ano, preservando suas capacidades de desempenho térmico.
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