Klima cihazlarında bulunan kılcal boru, kondansatör ile buharlaştırıcı ünite arasında yer alarak İklimlendirme, Isıtma ve Havalandırma (HVAC) sistemlerinin önemli bir parçası görevini görür. Bu komponent, basınç düşümü etkisi yaratmak suretiyle ne kadar soğutucu akışkanın akacağını kontrol eder. Bu süreç, yüksek basınçlı sıvı soğutucu akışkanın buharlaştırıcı bölümüne ulaşmadan önce daha düşük basınca dönüştürülmesini sağlar. Hareketli hiçbir parça içermediği için sabit şekilli olan bu borular, genleşme valfleri gibi diğer seçeneklere kıyasla oldukça güvenilirdir ve aynı zamanda daha ucuzdur. Örneğin, 0.031 inç çapında yaygın bir kılcal boru ele alınsın. Böyle bir boyut, normal çalışma koşullarında basınç seviyesini yaklaşık olarak yarıya düşürmeye yardımcı olur ve bu da sistem boyunca dengeli bir soğutucu akışkan akışı sağlar.
Soğutucu akışkanın bu minik kılcal borulardan nasıl ilerlediği, hepimizin okulda öğrendiği temel termodinamik prensiplerine dayanır. Kondenser tarafıyla buharlaştırıcı tarafı arasında bir basınç düşüşü olduğunda, soğutucu akışkan hal değiştirmeye başladığında oldukça ilginç bir durum ortaya çıkar. Sıvı soğutucu akışkan aslında genişlerken gizli ısıyı emer ve bu da düşündüğünüzde oldukça ilginçtir. Soğutucu akışkan bu dar geçitlerden ilerlerken sürtünme, yol boyunca ısı oluşturur. Bu da çoğu standart sistemde 120 ila belki de 150 kJ/kg civarında bir entalpi düşüşüne neden olur. Tüm bu faktörler, ısı sistem boyunca verimli bir şekilde hareket edebilmesi ve gün boyunca değişen yükler altında bile sistem dengeli çalışmayı sürdürürken birlikte çalışır.
| Boru uzunluğu | İç çapı | Basınç düşüşü | Kütle Akış Hızı |
|---|---|---|---|
| 1,5 m | 0.8 mm | Yüksek | Düşük |
| 2.2 m | 1.0 mm | Orta derecede | Orta |
| 3.0 m | 1.2 mm | Düşük | Yüksek |
Kapiler boruların şekli ve boyutu sistemin ne kadar iyi çalıştığı açısından gerçekten önemlidir. Daha uzun borular akışkan akışına karşı daha fazla direnç oluştururken, daha büyük çaplı boruların içinden daha fazla şey geçmesine izin verir. 0,5 mm ile 1,5 mm ölçülerindeki borular üzerinde yapılan bazı testler, diğer tüm koşullar aynı kalmak üzere, geniş olanların yaklaşık %63 daha iyi akış kapasitesine sahip olduğunu göstermiştir. Doğru boyutu seçmek, çok az ile çok fazla arasında o 'tat alma noktasını' bulmakla ilgilidir. Eğer çok küçükse, buharlaştırıcı soğutucu akışkan açısından yetersiz kalır. Eğer çok büyükse, kompresörün içi soğutucu akışkanla dolar ve bu da hiç kimsenin istemeyeceği bir durumdur. Teknisyenler bu hesaplamaları yapmak için saatler harcar çünkü doğru hesaplama, enerji tasarruflu ve verimli bir HVAC sistemi ile enerji israfına yol açan ve daha hızlı arızalanan bir sistem arasında fark yaratır.
Bir sisteme giren soğutucu akışkanın sıcaklığı, kapiler boruların ne kadar iyi çalıştığını etkileyen önemli bir faktördür çünkü bu, soğutucu akışkanın yoğunluğunu ve fazlar arasında geçişini değiştirir. Giriş sıcaklığı yaklaşık 12 santigrat derece arttığında, R410A'nın viskozitesi %18 oranında düşer. Bu durum, soğutucu akışkanın borular içinde daha hızlı akmasına neden olur ancak ısı transferi için gerekli olan basınç farkını zayıflatır. Ticari HVAC kurulumlarından alınan gerçek veriler de oldukça önemli bir durumu göstermektedir. Giriş sıcaklıkları belirlenen değerlerle örtüşmeyen sistemler, 2023 yılında ASHRAE tarafından yayınlanan son çalışmalara göre soğutma kapasitelerinin %23'ünü kaybedebilir. Bu tür kayıplar, konforlu iç mekan koşullarını korumaya çalışan bina operatörleri için zamanla ciddi boyutlara ulaşabilir.
Bakır kılcal borular ısındığında, sıcaklık her 10 derece Celcius arttığında yaklaşık %0,017 oranında genleşir. Bu genleşme, iç çapın yaklaşık 0,008 milimetre kadar daralmasına neden olur ve bu da akışkan akışı için sorun yaratır. Ortam sıcaklığı 45 derece Celcius'un üzerine çıktığında bu sorun oldukça belirgin hale gelir. Geçen yıl soğutucu akışkan akımları üzerine yayımlanan araştırmaya göre, kıvrılmış boru düzenleri, sıcaklıkla ilgili bu tür sorunları düz borulara kıyasla çok daha iyi şekilde yönetir. Testler, kıvrılmış boruların, geleneksel düz borulara göre termal değişimlerden kaynaklanan akış farklılıklarını yaklaşık üçte iki oranında azalttığını göstermiştir. Bu nedenle sıcaklık dalgalanmalarıyla başa çıkılması gereken sistemler için kıvrılmış borular akıllı bir tercih olabilir.
R407C, ortam sıcaklığı 20°C ile 40°C arasında değiştiğinde, R410A'ya göre %31 daha fazla hacimsel akış değişimi gösterir. Kısmi yük çalışması bu etkiyi artırır; değişken hızlı kompresörlerdeki kılcal borular, sabit hızlı sistemlerdekilere göre 2,7 kat daha fazla kütle akışı salınımı yaşar.
Sıcaklık 35 santigrat dereceyi geçtikçe, akış direnci sadece artmaz, aynı zamanda her ek derece için yaklaşık %42 daha hızlı şekilde artar. Bunun nedeni nedir? Sıcaklık arttıkça etkili olan birkaç faktör devreye girer. İlki, Reynolds sayısı yaklaşık 2.300'ü geçtiğinde türbülans başlar. Ardından boruların orta bölgelerinde oluşan flaş gaz olayı da devreye girer. Ayrıca zamanla yüzey pürüzlülüğünün artması da unutulmamalıdır. Laboratuvar deneyleri aynı zamanda ilginç bir şeyi tutarlı şekilde göstermiştir: Sıcaklık 10 derece değiştiğinde, sistemin performansı yalnızca basınçtaki benzer değişimlere kıyasla neredeyse %19 oranında daha fazla değişiklik gösterir. Bu durum, bu tür küçük kapiler boruların işletim sırasında bile en küçük sıcaklık değişimlerine ne kadar hassas olduğunu açıkça ortaya koymaktadır.
Kapiler boru sistemlerinde R22, R407C ve R410A'nın performansları, viskozite, yoğunluk ve gizli ısı özellikleri gibi farklı özelliklerinden dolayı önemli ölçüde değişiklik gösterir. 2002 yılında Kim ve meslektaşları tarafından yapılan çalışmalarda, çevre sıcaklığı yaklaşık 45 derece Celsius iken R22'nin aynı borular üzerinden R407C'ye göre %12 ila %18 daha fazla kütle taşıdığı gösterilmiştir. Ancak hikâyenin bir diğer yönü de vardır. R410A, eski dostu R22'ye göre hacimsel olarak %8 ila %10 daha yavaş akmasına rağmen, ısı transferi verimliliğinde yaklaşık %15 ila %22 daha iyi sonuç verebilir. Bu da onu, daha yüksek çalışma basınçlarına ihtiyaç duymasına rağmen, yeni sistemler için popüler bir tercih haline getirir. 2022'de yayınlanan son araştırmalar ise R407C ile ilgili başka bir soruna da dikkat çekmiştir. Sıcaklık kayması nedeniyle R407C, sabit açıklıklı sistemlerde tek bileşenli soğutucu akışkanlara göre %4 ila %7 arasında küçük ancak belirgin bir verimlilik kaybına neden olur ve bu durum sistem tasarımı ile bakım sırasında teknisyenlerin göz önünde bulundurması gereken bir durumdur.
Farklı soğutucu akışkanların performansı sıcaklık değişimlerine bağlı olarak önemli ölçüde değişiklik gösterir. Örneğin, yoğunlaşma sıcaklığının yaklaşık 30 derece Celsius olduğu durumu ele alalım. R410A, debi oranında sadece artı eksi 3 yüzde civarında bir değişiklikle oldukça dengeli sonuçlar verir. Ancak zeotropik yapısı nedeniyle R407C farklı bir tablo çizer ve yaklaşık artı eksi 9 yüzde varışlar gösterir. Düşük yük koşullarında, çevre sıcaklığı 15 dereceye düştüğünde R22 için sorunlar baş göstermeye başlar. Daha düşük kritik sıcaklığı nedeniyle, istenenden önce flash gaz oluşur ve bu da soğutma kapasitesini R410A'nın sağladığı seviyenin 14 ila 19 yüzde altına çeker. İlginç bir şekilde, Choi tarafından 2003 yılında geliştirilen bir model bu tür doğrusal olmayan davranışları tahmin etmede oldukça başarılıdır. Bu modelin tahminleri, 20 ila 55 derece Celsius aralığındaki çalışma koşullarında yapılan ölçümlerle yüzde 88 ila 92 oranında örtüşür; elbette her durumda mükemmel sonuç vermediği iddia edilmemektedir.
R22 sistemlerin R410A ile dönüştürülmesi, %40 daha yüksek çalışma basınçlarına uyum sağlamak için kılcal boru yeniden boyutlandırmasını gerektirir. 85 dönüşüm projesinden elde edilen veriler, küçük çaplı boruların şu sonuçlara yol açtığını göstermektedir:
ASHRAE 2023 dönüşüm kılavuzlarına göre, yeniden kalibrasyon için termodinamik simülasyon araçlarının kullanılması, optimize edilen durumlarda bu verimsizlikleri %63 azaltmıştır.
Düz kapiler borular, uzunlukları boyunca sabit kesit alanlarına sahip oldukları için sıcaklık arttıkça daha iyi soğutucu akışkan akış stabilitesi sağlar. Testler, bu tür düz tasarımların termal stres testleri sırasında kıvrımlı alternatiflere göre yaklaşık %15 daha az basınç düşüşü yaşadığını göstermektedir. Basit düz yol, ortam sıcaklığı yaklaşık 95 Fahrenhayt veya üzeri seviyelere ulaştığında kıvrımlı borularda sıkça görülen türbidite (türbülans) problemini azaltır. Elbette kıvrımlı modeller daha az yer kaplar, ancak bükülmeler akışkanın içinden geçişi sırasında ekstra direnç oluşturur. Bu artan sürtünme, son yıllarda yapılan çeşitli HVAC sistem simülasyonlarına göre, özellikle çok sıcak koşullarda kütle akış stabilitesini %8 ila %12 arasında düşürür.
Kapiler tüplerin tasarımında çap ile uzunluk arasında doğru dengeyi sağlamak, özellikle ısıtıldığında malzemelerin nasıl genleştiğini göz önünde bulundurarak oldukça önemlidir. Çoğu mühendis, yaklaşık 0.03 ila 0.05 inç genişliğindeki tüplerin gayet iyi çalıştığını, uzunluklarının genellikle yaklaşık 12 feet'ten 20 feet'e kadar değiştiğini belirtmektedir. Bu boyutlar, normal operasyonlarda karşılaşılan hemen hemen tüm hava koşullarında dayanıklılık göstermektedir; 40 derece Fahrenheit'tlık soğuk kış sabahlarından 115 derece Fahrenheit'tlık yaz sıcağına kadar. Günümüz tasarımcıları, simülasyon araçlarına yapay zekayı entegre etmeye başlamışlardır ve bu da tüplerin farklı sıcaklıklarda nasıl deformasyon geçirebileceğini öngörmeye yardımcı olmaktadır. Bu durum, akışkan akış hızının mevsimsel sıcaklık değişimleri sırasında bile yaklaşık artı eksi yüzde 3 içinde tutarlı kalması için duvar kalınlığı ayarlamalarında daha akıllıca kararlar alınmasına olanak tanımaktadır.
Dinamik modelleme kullanımının, kapiler boruların çevrelerindeki sıcaklıklar değiştiğinde nasıl performans göstereceğini tahmin etmeyi mümkün hale getirdiği bilinmektedir. Geçen yıl yayımlanan bazı araştırmalara göre, CFD adı verilen bilgisayar simülasyonları, soğutucu akışkanın akışındaki sorunları oldukça doğru bir şekilde tahmin edebilir; genellikle gerçek testlerde olan sonuçların yaklaşık %5'i hassasiyetinde. Bu modellerin bu kadar iyi olmasının nedeni, pratikte gerçekten önemli olan faktörleri hesaba katmalarıdır; örneğin soğutucu akışkanın sıvı ve gaz halleri arasında geçiş yapması ve aynı zamanda ısı ile birlikte bakır boruların ısınmayla yaklaşık 0.02 milimetre kadar genleşmesi gibi durumlar. Bu tür detaylı yaklaşımlar, özellikle hassasiyetin en çok önem arz ettiği zor uygulamalar için mühendislere daha iyi tasarımlar yapma imkanı sunar.
Makine öğrenimi, kılcal boru optimizasyonunu dönüştürüyor ve bunu kırk yıldan fazla süredir toplanan operasyonel verileri analiz ederek yapıyor. 2024 sektör raporu, yapay zeka ile oluşturulan tasarımların geleneksel yöntemlere kıyasla enerji tüketimini %12–18 azalttığını ortaya koydu. Ancak mühendisler, özellikle standart çalışma sınırlarının dışındaki ekstrem koşullarda yapay zeka çıktılarını fiziksel testlere karşı doğrulamalıdır.
Önde gelen üreticiler, aşağıdaki özellikleri içeren sıcaklık duyarlı kılcal sistemleri benimsemektedir:
Bu uyarlanabilir strateji, sabit tasarım borularına kıyasla ASHRAE stres değerlendirmelerinde %19 daha iyi performans göstererek, ortam sıcaklığındaki 25°C'lik dalgalanmalara rağmen tutarlı soğutma çıktısını korur.
Son Haberler
EN
