ท่อแคปิลลารีทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ลดความดันแบบทางผ่านคงที่ภายในระบบ HVAC ทำให้สารทำความเย็นในสถานะของเหลวมีความดันลดลงโดยอัตโนมัติ เมื่อสารทำความเย็นที่มีความดันสูงไหลเข้าสู่ท่อแคบเหล่านี้ (โดยปกติจะมีขนาดประมาณ 0.5 ถึง 2 มม.) แรงต้านที่เกิดขึ้นจากผนังของท่อจะทำให้ความดันลดลงอย่างช้าๆ สิ่งที่เกิดขึ้นต่อไปนั้นน่าสนใจมาก ของเหลวที่เย็นตัวเกินจะเปลี่ยนสถานะเป็นส่วนผสมของไอและของเหลวที่มีอุณหภูมิและความดันต่ำกว่า ซึ่งพร้อมที่จะดูดซับความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพในส่วนของตัวระเหยของระบบ ข้อได้เปรียบที่สำคัญคือไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวภายในเลย ความเรียบง่ายทางกลเช่นนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าใช้งานได้ดีตามระยะเวลาที่ผ่านมา ซึ่งช่างเทคนิคหลายคนได้ประสบพบเจอกับตนเองในระหว่างที่ติดตั้งและซ่อมแซมระบบ HVAC ที่หลากหลาย
เครื่องปรับอากาศขนาดเล็กพึ่งพาลักษณะทางกายภาพของท่อแคปิลลารีทั้งหมดในการควบคุมการไหลของสารทำความเย็น ปริมาณของสารทำความเย็นที่ไหลผ่านขึ้นอยู่กับความยาวและความกว้างของท่อเป็นหลัก หากมีการเพิ่มความยาวของท่ออีก 20% โดยทั่วไปจะเห็นการไหลของสารทำความเย็นลดลงประมาณหนึ่งในสาม เนื่องจากแรงเสียดทานภายในเพิ่มมากขึ้น เมื่อท่อแคบเกินไป ก็จะสร้างแรงต้านทานในลักษณะเดียวกันกับวาล์ขยายความดันชนิดกลไกที่ซับซ้อน เมื่อพิจารณาถึงการออกแบบที่เรียบง่ายนี้ สิ่งที่น่าสนใจคือความสามารถในการปรับตัวโดยอัตโนมัติเมื่อความดันภายในระบบเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่น เมื่ออุณหภูมิภายนอกสูงขึ้น ความดันของคอนเดนเซอร์จะเพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำให้สารทำความเย็นไหลผ่านท่อแคปิลลารีได้มากขึ้นเอง โดยไม่ต้องพึ่งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรือเซ็นเซอร์ที่ซับซ้อนในการควบคุม
เมื่อสารทำความเย็นเคลื่อนที่ผ่านท่อแคปพิลลารี จะเกิดการลดลงของแรงดันค่อนข้างมาก บางครั้งมากกว่า 100 psi ระหว่างการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นส่วนผสมของของเหลวและไอ ซึ่งเราเรียกว่าส่วนผสมสองเฟส ส่วนใหญ่ของการสูญเสียแรงดันนี้เกิดขึ้นที่ตอนต้นของท่อ โดยประมาณ 90% เกิดขึ้นภายในส่วนที่หนึ่งในสามของท่อ เมื่อถึงทางเข้าของตัวระเหย แรงดันมักจะอยู่ระหว่าง 60-80 psi สำหรับสารทำความเย็นมาตรฐาน เช่น R-410A หรือสารทำความเย็นอื่นๆ ที่นิยมใช้ในปัจจุบัน ลักษณะการไหลของของไหลนั้นตามสูตร Q มีความสัมพันธ์โดยตรงกับ ΔP คูณกับ D ยกกำลังสี่ หารด้วย L โดยที่ D หมายถึงเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อ และ L หมายถึงความยาวทั้งหมดของท่อ
ประสิทธิภาพของท่อแบบแคปิลลารีขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าเรขาคณิตให้ถูกต้อง เมื่อท่อมีความยาวมากขึ้น จะเกิดการต้านทานเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้ปริมาณสารทำความเย็นที่ไหลผ่านลดลง ท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้นจะช่วยให้สารทำความเย็นไหลผ่านได้มากขึ้น อย่างไรก็ตาม การวัดค่าที่ผิดพลาดจะนำไปสู่ปัญหา เช่น การลดลงของแรงดันไม่เพียงพอ หรือการใช้พลังงานมากเกินไป ประเด็นนี้มีความสำคัญอย่างมากสำหรับระบบเครื่องปรับอากาศขนาดเล็กที่ใช้ท่อแบบแคปิลลารี เนื่องจากมีพื้นที่จำกัดในการทำงาน การเปลี่ยนแปลงขนาดเพียงเล็กน้อยจึงมีผลอย่างมากเมื่ออยู่ในพื้นที่จำกัด เพื่อให้ระบบทำงานได้อย่างเหมาะสม ช่างเทคนิคจำเป็นต้องวัดขนาดให้ละเอียดถึงระดับมิลลิเมตร เพื่อให้ตรงกับความต้องการของระบบในด้านกำลังการผลิตและประสิทธิภาพ
เส้นผ่านศูนย์กลางภายในร่วมกับความยาวของท่อ มีบทบาทสำคัญในการกำหนดว่าจะมีการลดลงของแรงดันระหว่างชิ้นส่วนคอนเดนเซอร์และอีวาโพอเรเตอร์มากน้อยเพียงใด เมื่อพิจารณาจากตัวเลขจริงในรายงาน ASHRAE's 2022 fundamentals เราพบว่าการเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 0.5 มม. จะส่งผลให้ความสามารถในการไหลดีขึ้นประมาณ 40% ในทางกลับกัน การเพิ่มความยาวของท่ออีกหนึ่งเมตรโดยทั่วไปจะทำให้แรงดันลดลงเพิ่มขึ้นระหว่าง 15% ถึง 22% วิศวกรส่วนใหญ่ที่ทำงานกับระบบเหล่านี้มักจะปรับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางก่อนเมื่อต้องการเปลี่ยนการไหลในภาพรวม จากนั้นจึงปรับรายละเอียดด้วยการเปลี่ยนความยาว วิธีการนี้ช่วยให้พวกเขาบรรลุผลลัพธ์ของการระบายความร้อนเพิ่มเติม (subcooling) ที่ดีขึ้น ขณะเดียวกันก็ทำให้ระบบทำงานได้อย่างราบรื่นโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่ไม่คาดคิด
ท่อที่ยาวเกินไปจะลดความดันที่ระเหย ทำให้คอมเพรสเซอร์ทำงานหนักขึ้น ในขณะที่เส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่เกินไปจะเพิ่มความเสี่ยงของการไหลย้อนกลับจากของเหลวกระทบระบบ ค่า COP สูงสุดของระบบจะเกิดขึ้นเมื่อรักษาระดับการลดลงของความดันไว้ระหว่าง 1.8–2.5 MPa และปรับให้เหมาะสมกับความแตกต่างของอุณหภูมิที่อิ่มตัว
วิศวกรใช้สองวิธีหลัก ได้แก่ แผนภูมิเชิงประจักษ์ที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างการไหลของสารทำความเย็นกับความแตกต่างของความดัน และแบบจำลองเชิงวิเคราะห์ที่ใช้ตัวเลขไร้มิติ เช่น เลขเรย์โนลด์สและเลขมาค์ ปัจจุบันการออกแบบเริ่มพึ่งพาการจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) มากขึ้น ซึ่งสามารถทำนายอัตราการไหลของมวลได้แม่นยำสูงถึง 97% เมื่อเทียบกับวิธีการคำนวณขนาดแบบดั้งเดิม
อัตราการไหลของสารทำความเย็นในเครื่องปรับอากาศขนาดเล็กขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย ได้แก่ รูปร่างและขนาดของท่อ ชนิดของสารทำความเย็นที่ใช้ และความแตกต่างของแรงดันภายในระบบ โดยเฉพาะในระบบ R134a หากแรงดันทางเข้าเพิ่มขึ้นเพียง 1 บาร์ จะช่วยเพิ่มอัตราการไหลโดยรวมประมาณ 18 ถึง 22 เปอร์เซ็นต์ ตามข้อมูลจาก ASHRAE Handbook ปี 2006 เมื่อพูดถึงสภาวะการไหลอิ่มตัว (choked flow) สภาวะนี้จะเกิดขึ้นเมื่อแรงดันทางออกลดลงเหลือประมาณ 35 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ของแรงดันทางเข้า ซึ่งจะทำให้การไหลไม่เพิ่มขึ้นอีกต่อไป เพื่อให้เห็นภาพชัดเจนขึ้น พิจารณาตัวอย่างการติดตั้งท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.0 มิลลิเมตร และยาวประมาณ 3.3 เมตร ในสภาวะการทำงานปกติภายใต้แรงดัน 15 บาร์ การติดตั้งเช่นนี้จะสามารถส่งสารทำความเย็นได้ประมาณ 16 กิโลกรัมต่อชั่วโมง ช่างเทคนิคที่ทำงานกับระบบนี้จำเป็นต้องคำนึงถึงความสัมพันธ์ทั้งหมดเหล่านี้ในระหว่างการติดตั้งและการบำรุงรักษา
เฟสของสารที่เข้ามามีผลต่อประสิทธิภาพอย่างมาก การไหลของของเหลวเย็นจัดให้ค่าอัตราการไหลสูงขึ้น 35% เมื่อเทียบกับสารผสมสองเฟส เนื่องจากมีการสร้างไอน้ำลดลงและลดการสูญเสียที่เกี่ยวข้อง ตัวอย่างเช่น:
การกลายเป็นไอภายในท่อเกิดขึ้นก่อนเวลา ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของความดัน (2–3 บาร์) ซึ่งลดความเสถียร ผลการศึกษาด้านการจำลองการไหลยืนยันว่า การรักษาระดับการเย็นตัวไว้ไม่น้อยกว่า 8 เคลวิน สามารถป้องกันการกลายเป็นไอในท่อได้ถึง 89% สำหรับแอปพลิเคชันเครื่องปรับอากาศขนาดเล็ก
หลังจากช่วงของเหลวไม่เสถียรในช่วงเริ่มต้น การขยายตัวจะเพิ่มความเร็วขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงหนึ่งในสามสุดท้ายของท่อ ซึ่งความต่างของอุณหภูมิอาจสูงเกิน 50°C/ม. นี่แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการชาร์จสารทำความเย็นอย่างแม่นยำและการออกแบบระบบ
ท่อแคปิลลารีมีบทบาทสำคัญในระบบอัดไอระเหย โดยทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ขยายแบบออริฟิซที่เชื่อมต่อส่วนคอนเดนเซอร์ที่มีแรงดันสูงกับส่วนอีวาโพอเรเตอร์ที่มีแรงดันต่ำของระบบ เมื่อสารทำความเย็นไหลเข้าไปในท่อแคบเหล่านี้ จะเกิดการลดลงของแรงดันอย่างกะทันหัน ซึ่งทำให้เกิดการระเหยฉับพลัน (flash evaporation) ที่เกิดขึ้นที่นี่นั้นน่าสนใจมาก เพราะของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดอิ่มตัวที่มีแรงดันสูงจะถูกเปลี่ยนเป็นสารผสมอิ่มตัวที่เย็นลง ซึ่งสามารถดูดซับความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพภายในองค์ประกอบอีวาโพอเรเตอร์ ความแตกต่างที่สำคัญอย่างหนึ่งระหว่างท่อแคปิลลารีกับวาล์วขยายอุณหภูมินั้นคือ ท่อเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องใช้เซ็นเซอร์หรือชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวเลย สิ่งนี้ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการการบำรุงรักษาให้น้อยที่สุด และระบบถูกปิดผนึกอย่างสมบูรณ์เพื่อป้องกันการรบกวนจากภายนอก
ท่อแคปิลลารีถูกใช้อย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันที่มีต้นทุนจำกัดและโหลดคงที่ เนื่องจากความน่าเชื่อถือและการออกแบบที่เรียบง่าย ระบบที่พบโดยทั่วไป ได้แก่:
The ท่อแคปิลลารีแบบ ac ขนาดเล็ก การออกแบบนี้มีประสิทธิภาพเป็นพิเศษในติดตั้งระบบขนาดเล็กที่มีพื้นที่จำกัดและความน่าเชื่อถือมีความสำคัญสูงสุด ระบบที่ใช้ท่อแคปิลลารีมักจะทำงานได้ดีภายใต้กำลังการผลิตต่ำกว่า 5 ตัน และให้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดภายใต้สภาพแวดล้อมที่คงที่ ธรรมชาติของระบบที่สามารถปรับตัวเองได้ช่วยให้สามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของโหลดเพียงเล็กน้อยโดยไม่ต้องใช้ระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ ช่วยเพิ่มความทนทานในระบบปิดถาวร
ท่อแบบแคปิลลารีมีประโยชน์จริงเมื่อพูดถึงระบบปรับอากาศและระบบทำความร้อนขนาดเล็ก เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวเลย จึงไม่เกิดการสึกหรอทางกลในระยะยาว ช่วยลดความจำเป็นในการบำรุงรักษาและปัญหาขัดข้องต่างๆ ได้ ความที่ท่อเหล่านี้มีขนาดเล็กมาก ทำให้ติดตั้งได้ง่ายแม้ในพื้นที่จำกัด นอกจากนี้ ความสามารถในการควบคุมการไหลของของเหลวอย่างค่อนข้างแม่นยำ ยังช่วยให้ระบบทำงานได้อย่างคงที่ภายใต้สภาวะที่แตกต่างกัน อีกทั้งรายงานล่าสุดในปี 2024 ที่ศึกษาเกี่ยวกับความน่าเชื่อถือของระบบปรับอากาศและระบบทำความร้อนยังได้ข้อมูลที่น่าสนใจอีกด้วย ระบบที่ใช้ท่อแคปิลลารีมีการเรียกช่างเพื่อแก้ไขปัญหาเกี่ยวกับอุปกรณ์ขยายระบบต่างๆ ลดลงประมาณร้อยละ 32 เมื่อเทียบกับระบบที่ใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แทน
ท่อแบบแคปิลลารีปรับการไหลของสารทำความเย็นโดยอัตโนมัติเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของภาระงานในระบบ เมื่อเครื่องระเหยมีภาระงานเพิ่มมากขึ้น ความแตกต่างของแรงดันจะเพิ่มขึ้น ซึ่งจะผลักสารทำความเย็นให้ไหลผ่านท่อมากขึ้น ในทางกลับกัน เมื่อภาระงานลดลง การไหลก็จะลดลงตามธรรมชาติโดยไม่ต้องมีการแทรกแซงจากภายนอก สิ่งที่ทำให้ท่อประเภทนี้มีประโยชน์คือ สามารถรักษาการทำงานให้คงที่ตลอดกระบวนการโดยไม่ต้องใช้เซ็นเซอร์หรือระบบควบคุมที่ซับซ้อน แต่มีข้อจำกัดอยู่หนึ่งอย่าง คือ เนื่องจากท่อแคปิลลารีมีขนาดที่ตายตัว จึงทำงานได้ไม่ดีนักในสถานการณ์ที่ภาระงานเปลี่ยนแปลงเกินกว่า 40% ของค่าที่ออกแบบไว้ ข้อจำกัดนี้หมายความว่าผู้ใช้งานจำเป็นต้องระมัดระวังในการเลือกใช้ท่อให้ตรงกับข้อกำหนดการใช้งาน
การเลือกท่อแคปิลลารีที่เหมาะสมต้องคำนึงถึงสมดุลของปัจจัยหลักสามประการ:
ในปัจจุบันนี้ การเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างมาก โดยเฉพาะเมื่อต้องทำงานกับสารทำความเย็นรุ่นใหม่ๆ เช่น R-454B หรือ R-32 ท่อทองแดงมาตรฐานสามารถใช้งานได้ดีกับสารทำความเย็นทั่วไปที่มีอยู่หลายชนิด แม้ว่าในบางครั้งอาจจำเป็นต้องเพิ่มชั้นเคลือบด้วยนิกเกิลในกรณีที่ต้องใช้สารละลายที่มีส่วนผสมของแอมโมเนีย เมื่อวัสดุไม่เข้ากันอย่างเหมาะสม ปัญหาต่างๆ จะค่อยๆ เกิดขึ้นตามกาลเวลาทั้งภายในท่อเองและภายในสารผสมทำความเย็น จากการวิจัยของ ASHRAE ในปี 2023 พบว่าความไม่สอดคล้องกันนี้สามารถลดประสิทธิภาพของระบบลงได้ถึง 19% ดังนั้น การเลือกวัสดุที่เข้ากันได้จึงไม่ใช่แค่เพียงแนวทางปฏิบัติที่ดี แต่ยังเป็นสิ่งสำคัญที่ทำให้ระบบต่างๆ ทำงานได้อย่างมีความน่าเชื่อถือต่อเนื่องในระยะยาว และรักษาประสิทธิภาพด้านการถ่ายเทความร้อนไว้ได้
EN
ข่าวเด่น