Kapilárna rúrka, ktorá sa nachádza v klimatizačných zariadeniach, slúži ako dôležitá súčasť systémov HVAC a nachádza sa práve medzi kondenzátorom a výparníkom. Úlohou tejto súčiastky je regulovať množstvo chladiva, ktoré cez ňu prechádza, pričom vytvára efekt poklesu tlaku. Tento proces mení kvapalné chladivo vysokého tlaku na chladivo nižšieho tlaku ešte predtým, ako sa dostane do časti výparníka. Keďže tento systém neobsahuje žiadne pohyblivé súčiastky, pevný tvar týchto rúrok zaručuje vysokú spoľahlivosť v porovnaní s inými alternatívami, ako sú expanzné ventily, a navyše sú zvyčajne lacnejšie. Vezmite napríklad bežnú kapilárnu rúrku s priemerom približne 0,031 palca. Takýto rozmer zvyčajne znižuje hladinu tlaku približne o polovicu za bežných prevádzkových podmienok, čo pomáha udržať stabilný prietok chladiva počas celej prevádzky systému.
Spôsob, akým chladivo prechádza týmito malými kapilárnymi rúrkami, sleduje základné termodynamické princípy, o ktorých sme sa učili už v škole. Keď dojde k poklesu tlaku z kondenzátora na strane vyparovša, s chladivom sa deje niečo zaujímavé, keď mení svoj stav. Kvapalné chladivo v skutočnosti pohlcuje skryté teplo počas expanzie, čo je celkom pôsobivé, keď o tom človek pomyslí. Keď chladivo prechádza týmito úzkymi kanálmi, trenie vytvára teplo po celej trati. To spôsobuje zreteľný pokles entalpie približne od 120 až do 150 kJ na kilogram v väčšine bežných systémov. Všetky tieto faktory spoločne zabezpečujú efektívny prenos tepla cez systém a pomáhajú udržať stabilnú prevádzku, aj keď sa požiadavky počas dňa menia.
| Dĺžka trubice | Vnútorný priemer | Tlaková straty | Hmotnostný tok |
|---|---|---|---|
| 1,5 m | 0,8 mm | Ťahové | Nízke |
| 2.2 m | 1.0 mm | Mierne | Stredný |
| 3.0 m | 1.2 mm | Nízke | Ťahové |
Tvar a veľkosť kapilárnych rúr má skutočne vplyv na to, ako dobre systém funguje. Dlhšie rúry vytvárajú väčší odpor proti prúdeniu tekutiny, zatiaľ čo rúry s väčším priemerom umožňujú prejsť viac látok. Niektoré testy vykonané na rúrach s rozmermi 0,5 mm oproti 1,5 mm ukázali, že tie širšie mali približne o 63 % lepšiu priepustnosť, keď všetky ostatné podmienky ostali rovnaké. Nájsť správnu veľkosť znamená nájsť ten správny kompromis medzi príliš malým a príliš veľkým priemerom. Ak je rúra príliš úzka, odparovač nedostáva dostatok chladiva. Ak je príliš široká? Kompresor sa preplní chladivom, čo nikto nechce. Technici trávia hodiny výpočtami týchto parametrov, pretože správne nastavenie znamená rozdiel medzi efektívnym klimatizačným systémom a takým, ktorý plýtvá energiou a rýchlejšie sa pokazí.
Teplota chladiva vstupujúceho do systému zohráva dôležitú úlohu pri účinnosti úzkych rúr, pretože ovplyvňuje viskozitu chladiva a jeho prechod medzi skupenstvami. Keď teplota vstupu stúpne približne o 12 stupňov Celzia, viskozita R410A klesne približne o 18%. To spôsobí, že chladivo pretečie rúrami rýchlejšie, ale zároveň oslabí rozdiel tlakov potrebný na efektívnu výmenu tepla. Analýza údajov z komerčných klimatizačných systémov odhaľuje aj ďalší dôležitý fakt. Systémy, kde vstupná teplota nezodpovedá predpísanej hodnote, môžu podľa nedávnych štúdií z roku 2023 stratiť až 23 % svojho chladiaceho výkonu, čo uvádza ASHRAE. Táto strata sa v priebehu času prejavuje na nákladoch prevádzkovateľov budov, ktorí sa snažia udržať príjemné klimatické podmienky vo vnútornom priestore.
Keď sa meďené kapilárne rúrky zahrejú, v skutočnosti sa rozširujú približne o 0,017% na každé 10 stupňov Celzia nárast teploty. Toto rozšírenie spôsobuje, že vnútorný priemer sa zmenší približne o 0,008 milimetra, čo spôsobuje problémy s prietokom kvapaliny. Táto skutočnosť sa stáva skutočne zrejmou, keď okolité teploty stúpnu nad 45 stupňov Celzia. Podľa výskumu zverejneného vlani o prietokoch chladiva, vinuté usporiadania rúrok zvládajú tieto teplotné problémy oveľa lepšie ako rovné usporiadania. Testy ukázali, že vinuté rúrky znižujú kolísanie prietoku spôsobené teplotnými zmenami približne o dve tretiny v porovnaní s tradičnými rovnými rúrkami, čo ich činí rozumnou voľbou pre systémy vystavené výrazným teplotným výkyvom.
R407C vykazuje o 31 % väčšiu objemovú tokovú variáciu ako R410A, keď vonkajšia teplota kolíše medzi 20 °C a 40 °C. Prevádzka v čiastočnom zaťažení tento efekt zosilňuje, pričom kapilárne rúrky v kompresoroch s premennou rýchlosťou vykazujú 2,7-krát väčšiu osciláciu hmotnostného toku ako tie v systémoch s pevnou rýchlosťou.
Keď teplota stúpne nad 35 stupňov Celzia, odpor prúdenia nerastie rovnomerne, ale sa skutočne zvyšuje zrýchleným tempom – približne o 42 % rýchlejšie na každý ďalší stupeň. Prečo sa to deje? Keď sa veci zahrejú, prichádza do hry viacero faktorov. Po prvé, turbulencia sa aktivuje, keď Reynoldsovo číslo prekročí hranicu približne 2 300. Ďalej tu dochádza k vytváraniu sa plynnej fázy (tzv. „flash gas“) priamo v stredových častiach rúrok. A nemôžeme zabudnúť ani na to, ako sa drsnosť povrchu postupne zvyšuje s časom. Laboratórne experimenty tiež opakovane ukázali niečo zaujímavé. Keď teplota kolíše o 10 stupňov, výkon systému sa mení takmer o 19 % viac v porovnaní s podobnými zmenami spôsobenými výhradne tlakom. To jasne ukazuje, ako citlivé sú tieto mikroskopické kapilárne rúrky aj na malé teplotné výkyvy počas prevádzky.
Výkon R22, R407C a R410A sa v kapilárnych systémoch výrazne líši v dôsledku ich rozdielnych vlastností, ako sú viskozita, hustota a latentné tepelné charakteristiky. Pri testovaní pri okolitej teplote okolo 45 stupňov Celzia ukázali štúdie od Kima a jeho kolegov z roku 2002, že R22 preteká cez identické trubky približne o 12 až 18 percent viac hmotnosti v porovnaní s R407C. Ale existuje aj druhá strana tejto témy. R410A dosahuje približne o 15 až 22 percent lepšiu účinnosť prenosu tepla v porovnaní s dobrým starým R22, aj keď objemovo prúdi o 8 až 10 percent pomalšie. To z toho robí obľúbenú voľbu pre novšie systémy, napriek vyššiemu prevádzkovému tlaku, ktorý vyžaduje. Nedávne štúdie z roku 2022 však upozornili na ďalší problém s R407C. Jeho teplotný posun spôsobuje malý, ale zreteľný pokles účinnosti približne o 4 až 7 percent v systémoch s pevnou dýzou v porovnaní s chladiacimi látkami jedného zloženia, čo je niečo, na čo si technici musia dávať pozor počas návrhu a údržby systémov.
Spôsob, akým sa rôzne chladivá prejavujú, sa výrazne mení v závislosti od kolísania teplôt. Vezmime si napríklad to, čo sa deje pri kondenzačnej teplote okolo 30 stupňov Celzia. R410A udržiava pomerne stabilnú prevádzku s odchýlkou prietoku plus alebo mínus zhruba 3 percentá. Ale R407C ukazuje úplne iný obraz vďaka svojej zetropickej povske, keďže vykazuje oveľa väčšie výkyvy okolo plus alebo mínus 9 percent. Keď sa pozrieme na podmienky nízkeho zaťaženia, kde okolité teploty klesnú na 15 stupňov Celzia, začnú sa prejavovať problémy s R22. Jeho nižšia kritická teplota spôsobuje, že dojde k tvorbe nasýtených pár skôr, ako je žiaduce, čo zníži chladiaci výkon o 14 až 19 percent v porovnaní s tým, čo dokáže R410A. Zaujímavosťou je, že už v roku 2003 vyvinul model Choi, ktorý pomerne dobre predpovedá všetky tieto nelineárne správanie. Predpovede súhlasí s reálnymi meraniami v 88 až 92 percentách prípadov v prevádzkovom rozsahu od 20 do 55 stupňov Celzia, aj keď nikto ne tvrdí, že je dokonalý vo všetkých situáciách.
Pri modernizácii systémov R22 na R410A je potrebné zmeniť veľkosť kapilárnej trubice, aby vyhovovala o 40 % vyššiemu prevádzkovému tlaku. Údaje z 85 projektov modernizácie ukazujú, že nesprávne dimenzované trubice vedú k:
Použitie nástrojov na termodynamickú simuláciu na prekalibrovanie znížilo tieto neefektívnosti o 63 % v optimalizovaných prípadoch, podľa pokynov ASHRAE 2023 pre modernizáciu.
Rovné kapilárne rúrky majú tendenciu zachovávať lepšiu stabilitu prietoku chladiva, keď teplota stúpa, pretože majú rovnaké prierezy po celej svojej dĺžke. Testy ukazujú, že tieto rovné konštrukcie vykazujú približne o 15 percent menej poklesov tlaku v porovnaní s vinutými alternatívami počas skúšok tepelnej odolnosti. Jednoduchá rovná cesta znižuje problémy s turbulenciami, ktoré sa často vyskytujú vo vinutých rúrkach, keď vonkajšia teplota dosiahne približne 95 stupňov Fahrenheita alebo viac. Samozrejme, vinuté modely zaberie menej miesta, ale ohyby vytvárajú nadbytočný odpor, keď cez ne preteká kvapalina. Toto zvýšené trenie v skutočnosti znižuje stabilitu hmotnostného prietoku niekde medzi 8 a 12 percentami v týchto veľmi horúcich podmienkach podľa rôznych simulácií klimatizačných systémov vykonaných v priebehu posledných rokov.
Získanie správnej rovnováhy medzi priemerom a dĺžkou je veľmi dôležité pri návrhu kapilárnych trubiek, najmä s ohľadom na rozťahovanie materiálov pri zahriatí. Väčšina inžinierov zistí, že trubky s priemerom približne 0,03 až 0,05 palca fungujú celkom dobre, pričom ich dĺžka zvyčajne kolíše medzi približne 12 stopami až po 20 stôp. Tieto rozmery si udržiavajú stabilitu takmer vo všetkých počiatočných podmienkach, ktoré sa vyskytujú v bežných prevádzkových podmienkach, od chladných rán v zimnom období s teplotou okolo 40 stupňov Fahrenheita až po letnú horúčavu dosahujúcu 115 stupňov Fahrenheita. Dnešní návrhári začínajú do svojich simulačných nástrojov integrovať umeleú inteligenciu, ktorá im pomáha predpovedať, ako by sa trubky mohli deformovať pri rôznych teplotách. To umožňuje urobiť šikovnejšie rozhodnutia o úpravách hrúbky steny, aby prietok tekutiny ostal v rámci približne plus mínus 3 percentá, aj počas extrémnych teplotných výkyvov medzi ročnými obdobiami.
Použitie dynamického modelovania umožnilo predpovedať, ako sa kapilárne trubice správajú pri zmenách teploty v ich okolí. Podľa niektorých výskumov z minulého roka počítačové simulácie známe ako CFD dokážu pomerne presne predpovedať problémy s prúdením chladiva, zvyčajne v rámci asi 5 % odchýlky od skutočných testov. Čo robí tieto modely tak efektívnymi, je zohľadnenie prakticky významných faktorov, ako je prechod chladiva medzi kvapalným a plynným skupenstvom, či mierne rozširovanie medi vplyvom tepla – približne 0,02 milimetra na stupeň Celzia. Táto detailná metóda pomáha inžinierom pri navrhovaní efektívnejších systémov, najmä v tých najnáročnejších aplikáciách, kde záleží na presnosti.
Strojové učenie mení optimalizáciu kapilárnych rúrok analýzou desaťročí prevádzkových údajov. Správa odborníkov z roku 2024 zistila, že návrhy vytvorené umelou inteligenciou znižujú energetickú náročnosť o 12–18 % v porovnaní s konvenčnými metódami. Inžinieri však musia overiť výsledky umelej inteligencie pomocou fyzikálnych testov, najmä za extrémnych podmienok mimo štandardných prevádzkových limít.
Vedúci výrobcovia prijímajú teplotne reagujúce kapilárne systémy, ktoré zahŕňajú:
Táto prispôsobivá stratégia udržiava rovnomerný chladiaci výkon napriek kolísaniu okolitej teploty až do 25 °C, pričom v porovnaní s rúrkami s pevným návrhom dosahuje o 19 % lepšie výsledky v ASHRAE skúškach za namáhavých podmienok.
EN
Horúce správy