Tubul capilar din aerul condiționat servește ca o parte importantă a sistemelor HVAC, fiind plasat chiar între condensor și unitatea de evaporare. Rolul acestui component este de a controla cantitatea de agent frigorific care circulă prin el, provocând un efect de scădere a presiunii. Acest proces transformă agentul frigorific lichid sub presiune ridicată într-unul cu presiune mai joasă, înainte ca acesta să ajungă la secțiunea de evaporare. Deoarece nu există piese mobile, forma fixă a acestor tuburi le face destul de fiabile comparativ cu alte opțiuni, cum ar fi valvele de expansiune, iar în plus sunt și mai ieftine. De exemplu, un tub capilar obișnuit are în medie 0,031 inci în diametru. O astfel de dimensiune reduce în mod obișnuit nivelul presiunii cu aproximativ jumătate în condiții normale de funcționare, ceea ce ajută la menținerea unui flux stabil de agent frigorific în întregul sistem.
Modul în care agentul frigorific circulă prin aceste tuburi capilare subțiri urmează principii termodinamice de bază pe care le-am învățat cu toții în școală. Atunci când există o scădere a presiunii dinspre partea condensatorului către partea evaporatorului, se întâmplă ceva interesant cu agentul frigorific, în timpul schimbării stării sale. Agentul frigorific lichid absoarbe de fapt căldura ascunsă în timpul expansiunii, ceea ce este destul de interesant dacă te gândești la acest aspect. Pe măsură ce agentul frigorific parcurge aceste canale înguste, frecarea creează căldură pe parcurs. Acest fenomen determină o scădere semnificativă a entalpiei, undeva în jur de 120 până la chiar 150 kJ pe kilogram în majoritatea sistemelor standard. Toți acești factori lucrează împreună pentru a menține o mișcare eficientă a căldurii prin sistem și ajută la menținerea unei funcționări stabile chiar și atunci când cererea variază pe durata zilei.
| Lungimea tubului | Diametru interior | Scăderea presiunii | Debit masic |
|---|---|---|---|
| 1,5 m | 0.8 mm | Înaltelor | Scăzut |
| 2,2 m | 1.0 mm | Moderat | Mediu |
| 3,0 m | 1.2 mm | Scăzut | Înaltelor |
Forma și dimensiunea tuburilor capilare contează cu adevărat pentru modul în care funcționează un sistem. Tuburile mai lungi creează o mai mare rezistență la curgerea fluidului, în timp ce tuburile cu diametrul mai mare permit trecerea unei cantități mai mari de fluid. Unele teste efectuate pe tuburi cu dimensiunile de 0,5 mm versus 1,5 mm au arătat că acestea din urmă au avut o capacitate de curgere cu aproximativ 63% mai bună atunci când toți ceilalți factori au rămas constanți. Alegerea dimensiunii potrivite este o chestiune de găsire a punctului optim dintre prea puțin și prea mult. Dacă este prea mică, evaporatorul nu primește suficient refrigerent. Dacă este prea mare? Compressorul se poate inunda, ceea ce nimeni nu își dorește. Tehnicienii petrec ore întregi făcând calcule pentru aceste aspecte, pentru că alegerea corectă face diferența între un sistem HVAC eficient și unul care consumă energie în exces și se degradează mai repede.
Temperatura agentului frigorific care intră într-un sistem joacă un rol important în modul în care funcționează corect tuburile capilare, deoarece influențează vâscozitatea agentului frigorific și modul în care acesta trece între stări. Atunci când temperatura de intrare crește cu aproximativ 12 grade Celsius, vâscozitatea R410A scade cu aproximativ 18%. Acest lucru face ca agentul frigorific să curgă mai repede prin tuburi, dar, de fapt, reduce diferența de presiune necesară pentru o transfer termic corespunzător. Analizând date reale provenite din instalații HVAC comerciale se observă și un aspect foarte important. Sistemele la care temperaturile de intrare nu corespund valorilor dorite ajung să piardă până la 23% din capacitatea de răcire, conform studiilor recent publicate de ASHRAE în 2023. O astfel de pierdere se acumulează în timp pentru operatorii de clădiri care încearcă să mențină condiții confortabile în interior.
Atunci când tuburile capilare din cupru se încălzesc, acestea se extind cu aproximativ 0,017% pentru fiecare creștere de 10 grade Celsius a temperaturii. Această expansiune determină diametrul interior să se reducă cu aproximativ 0,008 milimetri, ceea ce creează probleme pentru curgerea fluidului. Problema devine cu adevărat vizibilă atunci când temperaturile ambientale depășesc 45 de grade Celsius. Conform unui studiu publicat anul trecut despre curgerea agenților frigorifici, configurațiile de tuburi spirale gestionează mult mai bine aceste probleme legate de temperatură decât cele drepte. Testele au arătat că tuburile spirale reduc variațiile de curgere cauzate de schimbările termice cu aproximativ două treimi, comparativ cu tuburile drepte tradiționale, făcându-le o alegere inteligentă pentru sistemele care se confruntă cu variații mari de temperatură.
R407C prezintă o variație a debitului volumetric cu 31% mai mare decât R410A atunci când temperaturile ambientale variază între 20°C și 40°C. Funcționarea la sarcină parțială intensifică acest efect, capilarele din compresoarele cu viteză variabilă înregistrând oscilații ale debitului masic de 2,7 ori mai mari decât cele din sistemele cu vitezate fixă.
Pe măsură ce temperaturile depășesc 35 de grade Celsius, rezistența la curgere nu doar că crește, ci se accelerează, crescând cu aproximativ 42% mai rapid pentru fiecare grad suplimentar. De ce se întâmplă acest lucru? Ei bine, mai mulți factori intră în joc atunci când lucrurile se încălzesc. În primul rând, turbulența începe să apară odată ce numerele Reynolds depășesc valoarea de 2.300. Apoi există întregul fenomen al formării gazului flash chiar în partea centrală a tuburilor. Și să nu uităm cum rugozitatea suprafeței se acumulează în timp. Experimentele de laborator au demonstrat în mod constant și ceva interesant. Atunci când temperaturile fluctuează cu 10 grade, performanța sistemului variază cu aproape 19% mai mult comparativ cu variații similare doar ale presiunii. Acest lucru evidențiază cu adevărat cât de sensibile sunt aceste tuburi capilare la chiar și mici variații de temperatură în timpul funcționării.
Performanța R22, R407C și R410A variază semnificativ în sistemele cu tub capilar datorită proprietăților lor diferite, cum ar fi vâscozitatea, densitatea și caracteristicile căldurii latente. Atunci când au fost testate la o temperatură ambientală de aproximativ 45 de grade Celsius, studiile realizate de Kim și colegii încă din 2002 au arătat că R22 transportă de fapt cu 12-18 procente mai multă masă prin tuburi identice comparativ cu R407C. Dar există și o altă perspectivă a acestei povești. R410A reușește să ofere o eficiență de transfer termic cu aproximativ 15-22 la sută mai bună decât bunicul R22, deși curge cu 8-10 procente mai lent în volum. Acest fapt face ca R410A să fie o alegere populară pentru sistemele moderne, în ciuda faptului că necesită presiuni de funcționare mai mari. O cercetare recentă publicată în 2022 a evidențiat totuși o altă problemă legată de R407C. Alunecarea sa de temperatură creează o scădere mică, dar vizibilă, a eficienței de aproximativ 4-7 procente în sistemele cu orificiu fix comparativ cu agenții frigorifici monocomponenți, un aspect la care tehnicienii trebuie să țină cont în timpul proiectării și întreținerii sistemelor.
Modul în care diferiții agenți frigorifici își fac treaba se schimbă destul de mult când temperaturile urcă și coboară. Să luăm, de exemplu, ce se întâmplă la aproximativ 30 de grade Celsius temperatură de condensare. R410A păstrează lucrurile destul de stabile, cu o variație de cam plus-minus 3 procente în debit. Dar R407C are o altă poveste din cauza naturii sale zeotropice, arătând variații mult mai mari, de aproximativ plus-minus 9 procente. Atunci când privim condițiile de sarcină redusă, unde temperatura ambientală scade la 15 grade Celsius, apar probleme pentru R22. Temperatura sa critică mai joasă înseamnă că gazul flash apare mai devreme decât s-ar dori, ceea ce reduce capacitatea de răcire cu între 14 și 19 procente comparativ cu ceea ce poate oferi R410A. În mod interesant, există chiar un model dezvoltat încă din 2003 de Choi care face o treabă destul de bună previzionând toate aceste comportamente neliniare. Predicțiile se potrivesc cu măsurătorile reale în proporție de 88-92% din timp, în game de funcționare între 20 și 55 grade Celsius, deși nimeni nu susține că este perfect în fiecare situație.
Retrofitarea sistemelor cu R22 cu R410A necesită redimensionarea tubului capilar pentru a face față presiunilor de funcționare cu 40% mai mari. Datele provenite din 85 de proiecte de retrofitare arată că tuburile subdimensionate duc la:
Utilizarea uneltelor de simulare termodinamică pentru recalibrare a redus aceste ineficiențe cu 63% în cazurile optimizate, conform ghidurilor ASHRAE 2023 pentru retrofitare.
Țevile capilare drepte tind să mențină o stabilitate mai bună a fluxului de agent frigorific atunci când temperatura crește, deoarece au secțiuni transversale constante pe toată lungimea lor. Testele arată că aceste designuri drepte înregistrează aproximativ cu 15 procente mai puține scăderi de presiune comparativ cu alternativele spiralate în timpul testelor de stres termic. Traseul simplu și drept reduce problemele de turbulență care apar frecvent în țevile spiralate atunci când temperatura ambientală atinge aproximativ 95 de grade Fahrenheit sau mai mult. Desigur, modelele spiralate ocupă mai puțin spațiu, dar coturile creează o rezistență suplimentară pe măsură ce fluidul se deplasează prin ele. Această frecare crescută reduce de fapt stabilitatea fluxului de masă cu undeva între 8 și 12 procente în acele condiții extrem de calde, conform diverselor simulări ale sistemelor HVAC efectuate în ultimii ani.
Obținerea unui echilibru corect între diametru și lungime este foarte importantă atunci când se proiectează tuburile capilare, mai ales având în vedere modul în care materialele se dilată la căldură. Majoritatea inginerilor consideră că tuburile cu o lățime de aproximativ 0,03 - 0,05 inci funcționează destul de bine, lungimile fiind de obicei cuprinse între 12 picioare și 20 de picioare. Aceste dimensiuni tind să se mențină eficiente într-o gamă foarte largă de condiții meteorologice întâlnite în mod obișnuit în timpul funcționării, de la diminețile reci de iarnă, de aproximativ 40 grade Fahrenheit, până la căldura estivală care poate atinge 115 grade Fahrenheit. Proiectanții de astăzi încep să includă inteligența artificială în instrumentele lor de simulare, ceea ce ajută la previzionarea modului în care tuburile s-ar putea deforma sub influența diferitelor temperaturi. Acest lucru permite luarea unor decizii mai inteligente privind ajustarea grosimii pereților, astfel încât debitul fluidului să rămână stabil, într-o marjă de aproximativ plus-minus 3 procente, chiar și în timpul variațiilor extreme de temperatură între anotimpuri.
Utilizarea modelării dinamice a permis previzionarea modului în care tuburile capilare își desfășoară activitatea atunci când temperatura se modifică în jurul lor. Conform unor cercetări publicate anul trecut, simulările computerizate numite CFD pot, de fapt, să prevadă destul de precis problemele legate de curgerea agentului frigorific, în general cu o abatere de circa 5% față de ceea ce se întâmplă în testele reale. Ceea ce face aceste modele atât de bune este faptul că iau în considerare lucruri esențiale în practică, precum schimbarea stării agentului frigorific între lichid și gaz, precum și modul în care tuburile de cupru se extind ușor odată cu căldura - aproximativ 0,02 milimetri pe grad Celsius. Această abordare detaliată ajută inginerii să creeze soluții de proiectare mai bune, în special pentru acele aplicații dificile unde precizia este esențială.
Învățarea automată (machine learning) transformă optimizarea tubului capilar prin analizarea datelor operaționale din ultimele decenii. Un raport din 2024 al industriei a constatat că designurile generate de inteligența artificială reduc consumul de energie cu 12–18% comparativ cu metodele convenționale. Cu toate acestea, inginerii trebuie să valideze rezultatele oferite de IA prin teste fizice, în special pentru condiții extreme aflate în afara parametrilor standard de operare.
Producătorii de vârf adoptă sisteme capilare care răspund la temperatură și care includ:
Această strategie adaptivă menține un output constant de răcire, în ciuda variațiilor ambientale de până la 25°C, depășind performanța tuburilor cu design fix cu 19% în evaluările ASHRAE de stres.
Știri Populare
EN
