Ống mao dẫn hoạt động như thiết bị giãn nở có lỗ cố định trong hệ thống HVAC, cho phép giảm áp suất một cách thụ động của môi chất lạnh dạng lỏng. Khi môi chất ở áp suất cao chảy vào những ống hẹp này (thường dày khoảng 0,5 đến 2 mm), lực cản tạo ra bởi thành ống sẽ gây ra sự giảm áp suất dần dần. Điều xảy ra tiếp theo khá thú vị - dòng môi chất dạng lỏng đã qua làm lạnh tiếp tục chuyển đổi thành hỗn hợp hơi và lỏng ở áp suất và nhiệt độ thấp hơn, khiến nó sẵn sàng hấp thụ nhiệt một cách hiệu quả tại bộ phận dàn bay hơi của hệ thống. Một lợi thế lớn ở đây là hoàn toàn không có bộ phận chuyển động nào. Sự đơn giản về mặt cơ học này đã chứng minh được hiệu quả hoạt động ổn định theo thời gian, điều mà nhiều kỹ thuật viên đã quan sát trực tiếp trong quá trình làm việc thực tế với nhiều hệ thống HVAC khác nhau.
Các thiết bị điều hòa không khí nhỏ hoàn toàn phụ thuộc vào hình dạng vật lý của ống mao dẫn để kiểm soát lưu lượng môi chất lạnh. Lượng môi chất lạnh đi qua thực tế phụ thuộc vào độ dài và đường kính của ống. Nếu ai đó làm ống dài hơn 20%, thông thường lượng môi chất lạnh đi qua sẽ giảm khoảng một phần ba, bởi vì ma sát bên trong sẽ tăng lên. Khi ống quá hẹp, nó tạo ra các vấn đề về lực cản tương tự như những van giãn nở cơ học hiện đại. Điều thú vị về những thiết kế đơn giản này là chúng tự động điều chỉnh khi áp suất trong hệ thống thay đổi. Chẳng hạn, khi nhiệt độ bên ngoài tăng lên. Khi trời nóng hơn, áp suất của thiết bị ngưng tụ tăng, và điều này thực tế khiến nhiều môi chất lạnh hơn tự động đi qua ống mao dẫn, không cần đến các thiết bị điện tử hay cảm biến phức tạp để quản lý.
Khi môi chất lạnh di chuyển qua ống mao dẫn, nó trải qua mức sụt áp khá lớn, đôi khi vượt quá 100 psi, trong quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang hỗn hợp lỏng và hơi mà chúng ta gọi là hỗn hợp hai pha. Phần lớn tổn thất áp suất này xảy ra ngay ở đoạn đầu, thực tế khoảng 90% xảy ra trong phần ba đoạn đầu tiên của ống. Đến lúc đạt tới cửa hút của dàn bay hơi, áp suất thường ổn định ở mức từ 60 đến 80 psi đối với các môi chất lạnh tiêu chuẩn như R-410A hoặc các loại tương tự thường được sử dụng ngày nay. Cách thức dòng chảy về cơ bản tuân theo công thức này: Q tỷ lệ thuận với delta P nhân với D mũ bốn chia cho L. Trong đó, D đại diện cho đường kính trong của ống, còn L đại diện cho tổng chiều dài của nó.
Hiệu suất của ống mao dẫn thực sự phụ thuộc vào việc thiết lập hình học chính xác. Khi ống dài hơn, chúng tạo ra nhiều lực cản hơn, làm giảm lượng môi chất lạnh đi qua. Tuy nhiên, ống có đường kính lớn hơn lại cho phép nhiều chất đi qua hơn. Việc đo lường sai lệch sẽ dẫn đến các vấn đề, bất kể là độ giảm áp suất quá ít hoặc tiêu thụ năng lượng quá lớn. Điều này đặc biệt quan trọng đối với những hệ thống điều hòa nhỏ sử dụng ống mao dẫn vì không gian ở đó rất hạn chế. Ngay cả những thay đổi nhỏ về kích thước cũng ảnh hưởng rất lớn khi không gian bị giới hạn. Để hệ thống hoạt động đúng, các kỹ thuật viên cần đo đạc chính xác đến cấp độ milimét để đảm bảo mọi thứ phù hợp với yêu cầu của hệ thống về công suất và hiệu suất.
Đường kính trong cùng với chiều dài ống đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mức độ giảm áp suất xảy ra giữa các thành phần ngưng tụ và bốc hơi. Khi xem xét các con số thực tế từ báo cáo Cơ bản 2022 của ASHRAE, chúng ta thấy rằng việc tăng đường kính chỉ thêm 0,5 mm sẽ dẫn đến khả năng lưu thông tốt hơn khoảng 40%. Ngược lại, việc tăng thêm một mét chiều dài ống nói chung sẽ dẫn đến mức tăng áp suất giảm khoảng từ 15% đến 22%. Hầu hết các kỹ sư làm việc trên các hệ thống này có xu hướng điều chỉnh đường kính trước khi thực hiện các thay đổi lớn về lưu lượng, sau đó đi sâu vào các chi tiết nhỏ hơn bằng cách tinh chỉnh chiều dài. Cách tiếp cận này giúp họ đạt được hiệu ứng làm mát sâu tốt hơn trong khi vẫn giữ cho toàn bộ hệ thống hoạt động ổn định mà không bị dao động bất ngờ.
Ống quá dài làm giảm áp suất của giàn bay hơi, làm tăng công suất hoạt động của máy nén, trong khi đường kính quá lớn làm gia tăng nguy cơ tràn lỏng do hiện tượng va đập thủy lực. Hệ thống đạt hệ số hiệu suất COP tối ưu khi độ giảm áp được duy trì ở mức 1,8–2,5 MPa và phù hợp với chênh lệch nhiệt độ bão hòa tương ứng.
Các kỹ sư sử dụng hai phương pháp chính: biểu đồ thực nghiệm liên hệ lưu lượng môi chất lạnh với chênh lệch áp suất, và mô hình phân tích sử dụng các số không thứ nguyên như Reynolds và Mach. Thiết kế hiện đại ngày càng dựa vào động lực học lưu chất tính toán (CFD), cho độ chính xác lên đến 97% trong việc dự đoán lưu lượng khối so với các phương pháp xác định kích thước truyền thống.
Lưu lượng khối trong những thiết bị điều hòa không khí nhỏ hơn phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm hình dạng và kích thước của các ống, loại gas lạnh đang được sử dụng, và sự chênh lệch áp suất bên trong hệ thống. Nhìn cụ thể vào hệ thống sử dụng gas R134a, nếu áp suất đầu vào tăng thêm chỉ 1 bar, điều này thường làm tăng tổng lưu lượng somewhere between 18 đến 22 phần trăm theo ASHRAE Handbook năm 2006. Khi chúng ta nói về điều kiện lưu lượng giới hạn (choked flow), hiện tượng này xảy ra khi áp suất đầu ra giảm xuống còn khoảng 35 đến 40 phần trăm so với áp suất đầu vào, điều này khiến lưu lượng không thể tăng thêm nữa. Để đưa ra các con số cụ thể, hãy xem xét một thiết lập tiêu biểu khi người ta lắp đặt một ống có đường kính 1,0 mm và chiều dài khoảng 3,3 mét. Trong điều kiện hoạt động bình thường với áp suất áp vào là 15 bar, cấu hình như vậy sẽ dẫn khoảng 16 kilogram/giờ lượng gas lạnh đi qua hệ thống. Các kỹ thuật viên làm việc trên những hệ thống này cần ghi nhớ tất cả các mối quan hệ này trong quá trình lắp đặt và bảo trì thiết bị.
Giai đoạn đầu vào ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất. Việc đưa chất lỏng chưa sôi vào giúp tăng lưu lượng cao hơn 35% so với hỗn hợp hai pha do giảm sự hình thành hơi và các tổn thất liên quan. Ví dụ:
Bốc hơi sớm bên trong ống gây ra dao động áp suất (2–3 bar), làm giảm độ ổn định. Các nghiên cứu mô hình dòng chảy xác nhận rằng duy trì ít nhất 8K dưới nguội sẽ ngăn ngừa sự bốc hơi sớm trong 89% ứng dụng AC nhỏ.
Sau giai đoạn metastable lỏng ban đầu, quá trình giãn nở diễn ra nhanh hơn trong phần cuối ống, nơi mà độ dốc nhiệt độ có thể vượt quá 50°C/m. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nạp chính xác lượng môi chất lạnh và thiết kế hệ thống.
Ống mao dẫn đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống nén hơi bằng cách hoạt động như thiết bị giãn nở có lỗ cố định, nối phần ngưng tụ áp suất cao với phần bốc bay áp suất thấp của hệ thống. Khi môi chất lạnh chảy vào những ống hẹp này, sẽ xảy ra sự giảm áp suất đột ngột khiến hiện tượng bay hơi tức thời diễn ra. Điều xảy ra tại đây khá thú vị — chất lỏng đã qua làm nguội ở áp suất cao được chuyển hóa thành hỗn hợp bão hòa mát hơn, hỗn hợp này sau đó có thể hấp thụ nhiệt một cách hiệu quả bên trong bộ phận bốc bay. Một điểm khác biệt lớn giữa ống mao dẫn và van giãn nở nhiệt là các ống này hoàn toàn không cần đến cảm biến hay bộ phận chuyển động nào. Điều này khiến chúng đặc biệt phù hợp với các ứng dụng yêu cầu bảo trì tối thiểu và hệ thống được bịt kín hoàn toàn để tránh tác động từ bên ngoài.
Ống mao dẫn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng nhạy cảm về chi phí và tải cố định nhờ độ tin cậy và sự đơn giản của chúng. Các hệ thống phổ biến bao gồm:
The ống mao dẫn nhỏ dùng cho máy lạnh thiết kế này đặc biệt hiệu quả trong các hệ thống nhỏ gọn nơi không gian và độ tin cậy là yếu tố quan trọng hàng đầu. Các hệ thống này thường hoạt động dưới 5 tấn và hoạt động tốt nhất trong điều kiện môi trường ổn định. Bản chất tự điều chỉnh của chúng cho phép thích nghi với những thay đổi nhỏ về tải mà không cần điều khiển điện tử, tăng cường độ bền trong các hệ thống kín cố định.
Ống mao dẫn mang lại một số lợi ích thực tế khi áp dụng cho các hệ thống HVAC nhỏ hơn. Vì hoàn toàn không có bộ phận chuyển động nào tham gia, điều này đồng nghĩa không xảy ra mài mòn cơ học theo thời gian, từ đó giảm nhu cầu bảo trì và nguy cơ hỏng hóc. Thực tế là những ống này chiếm rất ít không gian khiến chúng dễ dàng lắp đặt vào các vị trí chật hẹp. Ngoài ra, khả năng điều chỉnh lưu lượng chất lỏng tương đối chính xác giúp duy trì hiệu suất ổn định của hệ thống trong nhiều điều kiện khác nhau. Một báo cáo gần đây năm 2024 về độ tin cậy của hệ thống HVAC đã chỉ ra một chi tiết thú vị - các hệ thống sử dụng ống mao dẫn có số lần gọi dịch vụ liên quan đến thiết bị giãn nở thấp hơn khoảng 32% so với các hệ thống dùng phiên bản điện tử.
Ống mao quản tự điều chỉnh lưu lượng môi chất lạnh khi có sự thay đổi về tải của hệ thống. Khi thiết bị bay hơi có tải cao hơn, chênh lệch áp suất tăng lên, đẩy nhiều môi chất lạnh đi qua ống hơn. Ngược lại, khi tải giảm, lưu lượng môi chất sẽ tự động giảm mà không cần bất kỳ sự can thiệp nào từ bên ngoài. Điều khiến những ống này trở nên hữu ích là chúng duy trì hoạt động ổn định trong suốt quá trình này mà không cần đến các cảm biến hoặc hệ thống điều khiển phức tạp. Tuy nhiên, có một hạn chế. Do ống mao quản có kích thước cố định, chúng hoạt động không hiệu quả trong các tình huống mà biến động tải vượt quá khoảng 40% so với mức được thiết kế ban đầu. Hạn chế này đồng nghĩa với việc người vận hành cần cẩn trọng trong việc lựa chọn ứng dụng phù hợp với thông số kỹ thuật của ống.
Việc lựa chọn ống mao quản phù hợp liên quan đến việc cân bằng ba yếu tố chính:
Việc lựa chọn đúng các tổ hợp vật liệu đóng vai trò rất quan trọng trong những ngày này, đặc biệt khi làm việc với các loại gas lạnh mới hơn như R-454B hoặc R-32. Ống đồng tiêu chuẩn hoạt động tốt với nhiều loại gas lạnh thông thường hiện nay, mặc dù đôi khi nó cần một lớp phủ niken nếu chúng ta sử dụng với các dung dịch có chứa amoniac. Khi vật liệu không tương thích với nhau, hệ thống sẽ bắt đầu bị suy giảm theo thời gian cả bên trong các ống lẫn trong hỗn hợp gas lạnh. Theo nghiên cứu từ ASHRAE vào năm 2023, sự không tương thích này thực sự có thể làm giảm hiệu suất hệ thống tới gần 19%. Vì vậy, việc lựa chọn các vật liệu tương thích không chỉ là một thực hành tốt mà còn là yếu tố giúp hệ thống vận hành ổn định qua nhiều năm và duy trì được khả năng truyền nhiệt của nó.
Tin Tức Nổi Bật
EN
