Ống mao dẫn được tìm thấy trong máy điều hòa không khí đóng vai trò là một bộ phận quan trọng của hệ thống HVAC, được đặt ngay giữa bình ngưng và cụm bay hơi. Bộ phận này hoạt động bằng cách điều khiển lượng môi chất lạnh đi qua nhờ tạo ra hiệu ứng giảm áp suất. Quá trình này biến đổi môi chất lạnh dạng lỏng áp suất cao thành dạng có áp suất thấp hơn trước khi đến bộ phận bay hơi. Vì không có chi tiết chuyển động nào, hình dạng cố định của những ống này khiến chúng khá đáng tin cậy so với các lựa chọn khác như van giãn nở, bên cạnh đó chúng thường có giá thành thấp hơn. Ví dụ như một ống mao dẫn thông thường có đường kính khoảng 0.031 inch. Kích thước như vậy thường giảm mức áp suất xuống khoảng một nửa trong điều kiện hoạt động bình thường, qua đó giúp duy trì dòng môi chất lạnh ổn định trong toàn bộ hệ thống.
Cách mà môi chất lạnh di chuyển qua những ống mao dẫn nhỏ bé này tuân theo các nguyên lý nhiệt động lực học cơ bản mà chúng ta đã từng học ở trường. Khi có sự giảm áp suất từ phía ngưng tụ sang phía bay hơi, một hiện tượng thú vị xảy ra với môi chất lạnh khi nó thay đổi trạng thái. Môi chất lạnh ở dạng lỏng thực tế hấp thụ nhiệt ẩn trong khi giãn nở, điều này thực sự rất tuyệt nếu bạn suy nghĩ kỹ về nó. Trong khi môi chất lạnh di chuyển qua các lối đi hẹp này, lực ma sát tạo ra nhiệt dọc theo đường đi. Điều này gây ra một sự giảm enthalpy đáng kể vào khoảng 120 đến có thể là 150 kJ trên mỗi kilogram trong hầu hết các hệ thống tiêu chuẩn. Tất cả các yếu tố này phối hợp với nhau để duy trì việc di chuyển nhiệt một cách hiệu quả trong hệ thống và giúp vận hành ổn định kể cả khi nhu cầu thay đổi trong ngày.
| Độ dài ống | Đường kính bên trong | Giảm áp suất | Lưu Lượng Khối |
|---|---|---|---|
| 1.5 m | 0.8 mm | Cao | Thấp |
| 2,2 m | 1.0 mm | Trung bình | Trung bình |
| 3.0 m | 1.2 mm | Thấp | Cao |
Hình dạng và kích thước của ống mao dẫn thực sự ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Các ống dài hơn sẽ tạo ra nhiều lực cản hơn đối với dòng chảy của chất lỏng, trong khi các ống có đường kính lớn hơn cho phép nhiều chất đi qua hơn. Một số thử nghiệm được thực hiện trên các ống có kích thước 0.5 mm so với 1.5 mm đã chỉ ra rằng các ống có đường kính lớn hơn có khả năng lưu thông cao hơn khoảng 63% khi tất cả các điều kiện khác giữ nguyên. Việc lựa chọn kích thước phù hợp là cả một quá trình tìm kiếm điểm cân bằng giữa quá nhỏ và quá lớn. Nếu ống quá nhỏ, máy bay hơi sẽ không nhận đủ môi chất lạnh. Còn nếu quá lớn? Máy nén sẽ bị ngập lụt, điều mà không ai mong muốn. Các kỹ thuật viên dành hàng giờ đồng hồ để tính toán những yếu tố này vì việc lựa chọn chính xác sẽ quyết định giữa một hệ thống HVAC hiệu quả và một hệ thống gây lãng phí năng lượng, nhanh chóng bị hư hỏng.
Nhiệt độ của chất làm lạnh đi vào hệ thống đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất hoạt động của ống mao dẫn vì nó ảnh hưởng đến độ nhớt của chất làm lạnh cũng như quá trình chuyển đổi trạng thái của nó. Khi nhiệt độ đầu vào tăng khoảng 12 độ Celsius, độ nhớt của R410A giảm khoảng 18%. Điều này khiến chất làm lạnh di chuyển nhanh hơn qua các ống nhưng lại làm giảm chênh lệch áp suất cần thiết cho quá trình truyền nhiệt hiệu quả. Dựa trên dữ liệu thực tế từ các hệ thống HVAC thương mại cũng cho thấy một điều rất quan trọng. Các hệ thống có nhiệt độ đầu vào không đạt mức tiêu chuẩn có thể bị suy giảm tới 23% khả năng làm lạnh, theo các nghiên cứu gần đây được ASHRAE công bố vào năm 2023. Mức độ suy giảm này tích lũy theo thời gian và gây khó khăn cho các đơn vị vận hành tòa nhà trong việc duy trì điều kiện nhiệt độ trong nhà thoải mái.
Khi ống mao dẫn bằng đồng bị đun nóng, chúng thực sự giãn nở khoảng 0.017% cho mỗi mức tăng 10 độ Celsius của nhiệt độ. Sự giãn nở này khiến đường kính bên trong giảm khoảng 0.008 milimét, gây ra vấn đề cho dòng chảy của chất lỏng. Vấn đề trở nên rõ rệt hơn khi nhiệt độ môi trường vượt quá 45 độ Celsius. Theo nghiên cứu được công bố năm ngoái về dòng chảy của chất làm lạnh, các bố trí ống dạng xoắn xử lý tốt hơn các vấn đề liên quan đến nhiệt độ so với các ống thẳng truyền thống. Các thử nghiệm cho thấy rằng các ống xoắn giảm được biến động dòng chảy do thay đổi nhiệt độ khoảng hai phần ba so với các ống thẳng truyền thống, khiến chúng trở thành lựa chọn thông minh cho các hệ thống phải đối mặt với dao động nhiệt độ lớn.
R407C thể hiện biến động lưu lượng thể tích lớn hơn 31% so với R410A khi nhiệt độ môi trường dao động từ 20°C đến 40°C. Hiệu ứng này trở nên mạnh hơn khi vận hành ở chế độ tải một phần, với các ống mao dẫn trong máy nén biến tần trải qua dao động lưu lượng khối lượng gấp 2,7 lần so với hệ thống tốc độ cố định.
Khi nhiệt độ tăng vượt mức 35 độ Celsius, lực cản dòng chảy không chỉ tăng lên mà còn gia tăng nhanh hơn, khoảng 42% cho mỗi độ tăng thêm. Tại sao lại như vậy? Có một vài yếu tố tác động khi nhiệt độ tăng cao. Trước tiên, hiện tượng rối dòng bắt đầu xảy ra khi số Reynolds vượt qua ngưỡng khoảng 2.300. Bên cạnh đó, còn có hiện tượng khí gas bốc hơi ngay trong phần giữa của các ống dẫn. Và đừng quên rằng độ nhám bề mặt tăng dần theo thời gian. Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm cũng liên tục chỉ ra một điều thú vị khác. Khi nhiệt độ dao động 10 độ, hiệu suất hệ thống thay đổi gần như là 19% nhiều hơn so với những thay đổi tương tự chỉ về áp suất. Điều này thực sự nhấn mạnh rằng những ống mao dẫn nhỏ bé này nhạy cảm thế nào đối với những biến động nhỏ về nhiệt độ trong quá trình vận hành.
Hiệu suất của R22, R407C và R410A thay đổi đáng kể trong các hệ thống ống mao dẫn do những đặc tính khác nhau như độ nhớt, mật độ và đặc điểm nhiệt ẩn của chúng. Khi được kiểm tra ở nhiệt độ môi trường khoảng 45 độ C, các nghiên cứu từ Kim và cộng sự vào năm 2002 cho thấy R22 thực tế di chuyển lượng chất tải lớn hơn khoảng 12 đến 18 phần trăm qua các ống giống hệt nhau so với R407C. Tuy nhiên, câu chuyện còn có một khía cạnh khác. R410A có thể đạt được hiệu quả truyền nhiệt tốt hơn khoảng 15 đến 22 phần trăm so với R22 truyền thống mặc dù lưu lượng thể tích của nó chậm hơn khoảng 8 đến 10 phần trăm. Điều này khiến R410A trở thành một lựa chọn phổ biến cho các hệ thống mới hơn mặc dù yêu cầu áp suất vận hành cao hơn. Nghiên cứu gần đây được công bố năm 2022 nhấn mạnh một vấn đề khác liên quan đến R407C. Dải nhiệt độ của nó tạo ra sự sụt giảm hiệu suất nhỏ nhưng có thể nhận thấy khoảng 4 đến 7 phần trăm trong các hệ thống lỗ cố định khi so sánh với các chất làm lạnh một thành phần, điều mà các kỹ thuật viên cần lưu ý trong quá trình thiết kế và bảo trì hệ thống.
Cách hoạt động của các loại gas lạnh khác nhau thay đổi đáng kể khi nhiệt độ lên xuống. Ví dụ, hãy xem điều gì xảy ra khi nhiệt độ ngưng tụ khoảng 30 độ Celsius. R410A vẫn duy trì hoạt động khá ổn định với độ dao động lưu lượng chỉ khoảng +/- 3 phần trăm. Nhưng với R407C thì lại là một câu chuyện khác do bản chất zeotropic của nó, cho thấy sự biến động lớn hơn nhiều, khoảng +/- 9 phần trăm. Khi xem xét ở điều kiện tải thấp, nơi nhiệt độ môi trường giảm xuống 15 độ Celsius, các vấn đề bắt đầu xuất hiện với R22. Nhiệt độ tới hạn thấp hơn của nó khiến khí gas xuất hiện sớm hơn mong muốn, làm giảm khả năng làm lạnh từ khoảng 14 đến 19 phần trăm so với mức mà R410A có thể cung cấp. Đáng chú ý, thực tế có một mô hình được phát triển từ năm 2003 bởi Choi có thể dự đoán khá tốt các hành vi phi tuyến này. Các dự đoán khớp với các phép đo thực tế khoảng từ 88 đến 92 phần trăm trong dải nhiệt độ hoạt động từ 20 đến 55 độ Celsius, mặc dù không ai khẳng định nó hoàn hảo trong mọi tình huống.
Việc nâng cấp hệ thống R22 lên R410A đòi hỏi phải thay đổi kích thước ống mao dẫn để thích ứng với áp suất vận hành cao hơn 40%. Dữ liệu từ 85 dự án nâng cấp cho thấy ống mao dẫn có kích thước nhỏ dẫn đến:
Việc sử dụng các công cụ mô phỏng nhiệt động lực học để hiệu chỉnh lại đã giảm được 63% các hiện tượng vận hành không hiệu quả trong các trường hợp được tối ưu hóa, theo hướng dẫn nâng cấp ASHRAE 2023.
Ống mao dẫn thẳng có xu hướng duy trì sự ổn định dòng chảy của môi chất lạnh tốt hơn khi nhiệt độ tăng lên, bởi vì chúng có tiết diện đồng đều dọc theo chiều dài. Các thử nghiệm cho thấy những thiết kế thẳng trải qua khoảng 15 phần trăm ít bị sụt áp suất hơn so với các loại xoắn ốc trong quá trình kiểm tra chịu nhiệt. Đường đi đơn giản và thẳng giảm thiểu các vấn đề xáo trộn thường xảy ra trong các ống xoắn khi nhiệt độ môi trường đạt khoảng 95 độ Fahrenheit hoặc cao hơn. Chắc chắn rằng các mẫu xoắn ốc tiết kiệm không gian hơn, nhưng các điểm uốn cong tạo ra lực cản phụ khi chất lỏng di chuyển qua chúng. Lực ma sát gia tăng này thực tế làm giảm sự ổn định lưu lượng khối từ 8 đến 12 phần trăm trong những điều kiện nóng cực độ, theo như nhiều mô phỏng hệ thống HVAC được thực hiện trong những năm gần đây.
Việc đạt được sự cân bằng phù hợp giữa đường kính và chiều dài thực sự rất quan trọng khi thiết kế ống mao dẫn, đặc biệt cần tính đến việc vật liệu nở ra khi bị đun nóng. Hầu hết các kỹ sư nhận thấy rằng những ống có đường kính khoảng 0,03 đến 0,05 inch hoạt động khá hiệu quả, với chiều dài thường dao động từ khoảng 12 foot đến 20 foot. Những kích thước này thường vẫn hoạt động ổn định trong hầu như mọi điều kiện thời tiết thông thường, từ những buổi sáng mùa đông lạnh giá khoảng 40 độ Fahrenheit cho đến cái nóng mùa hè lên tới 115 độ Fahrenheit. Ngày nay, các nhà thiết kế bắt đầu tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) vào các công cụ mô phỏng để dự đoán cách mà ống có thể bị biến dạng dưới các nhiệt độ khác nhau. Điều này cho phép đưa ra các quyết định thông minh hơn về điều chỉnh độ dày thành ống để duy trì lưu lượng chất lỏng ổn định trong phạm vi khoảng ±3 phần trăm ngay cả trong những đợt biến động nhiệt độ khắc nghiệt giữa các mùa.
Việc sử dụng mô hình hóa động học đã giúp dự đoán được cách hoạt động của các ống mao dẫn khi nhiệt độ xung quanh thay đổi. Theo một số nghiên cứu được công bố năm ngoái, các mô phỏng máy tính gọi là CFD thực sự có thể dự đoán khá chính xác các vấn đề liên quan đến dòng chảy của môi chất lạnh, thường sai lệch khoảng 5% so với kết quả thực tế từ các thử nghiệm vật lý. Điều khiến các mô hình này hoạt động tốt là bởi chúng tính đến các yếu tố quan trọng trong thực tế, ví dụ như việc môi chất lạnh chuyển đổi giữa trạng thái lỏng và khí, cũng như việc các ống đồng giãn nở nhẹ khi nhiệt độ tăng - khoảng 0,02 milimét trên mỗi độ Celsius. Cách tiếp cận chi tiết như vậy giúp các kỹ sư thiết kế tốt hơn, đặc biệt là trong những ứng dụng phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao.
Học máy đang cách mạng hóa việc tối ưu hóa ống mao dẫn bằng cách phân tích hàng thập kỷ dữ liệu vận hành. Một báo cáo ngành năm 2024 cho thấy các thiết kế do AI tạo ra giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng từ 12–18% so với các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, kỹ sư phải xác minh đầu ra của AI thông qua kiểm tra thực tế, đặc biệt là trong các điều kiện khắc nghiệt nằm ngoài phạm vi vận hành tiêu chuẩn.
Các nhà sản xuất hàng đầu đang áp dụng hệ thống ống mao dẫn có khả năng phản ứng với nhiệt độ bao gồm:
Chiến lược thích ứng này duy trì đầu ra làm lạnh ổn định bất chấp sự dao động nhiệt độ môi trường lên đến 25°C, hiệu suất vượt trội hơn 19% so với các ống thiết kế cố định trong đánh giá căng thẳng ASHRAE.
Tin Tức Nổi Bật
EN
