Kapillaariputken mitoitus

Kapillaariputkien kokoja

Ulkohalkaisija OD [mm]	Sisähalkaisija ID [mm]	ID [tuumaa]	OD [tuumaa]
1,38	0,38	.015"	.054"
1,51	0,51	.020"	.059"
1,66	0,66	.026"	.065"
1,83	0,71	.028"	.072"
2,06	0,79	.031"	.081"
2,21	0,91	.036"	.087"
2,36	1,07	.042"	.093"
2,46	1,17	.046"	.097"
2,27	1,27	.050"	.089"
2,40	1,40	.055"	.094"
2,52	1,52	.060"	.099"
2,63	1,63	.064"	.104"
2,78	1,78	.070"	.109"
3,03	2,03	.080"	.119"

MITOITUKSEN TULKINTA

Laskettu pituus on mitoituksen lähtöarvo

RefrigSim laskee kapillaariputkelle teknisen mitoitusarvion valitun kylmäaineen, kylmätehon tai kompressorin tilavuusvirran, höyrystymis- ja lauhtumisolosuhteiden, tulistuksen, alijäähdytyksen sekä putken sisähalkaisijan perusteella.

Todellisessa laitteessa lopputulokseen vaikuttavat lisäksi mm. putken todellinen sisähalkaisija ja valmistustoleranssi, taivutukset ja asennustapa, kylmäainemäärä, öljy, ilmavirrat, ympäristöolosuhteet sekä kapillaarin ja imuputken välinen lämmönvaihto.

Lopullinen kapillaariputken pituus varmistetaan yleensä koekäytöllä oikeissa käyttöolosuhteissa. Laskentaa käytetään sopivan lähtöpituuden ja putkikoon valintaan, jonka jälkeen laitteen tulistus, paineet, lämpötilat ja toiminta tarkistetaan käytännössä.

Taulukon putkikoot ovat tyypillisiä kaupallisia esimerkkejä. Nimelliskoko ei korvaa valmistajan ilmoittamaa todellista sisähalkaisijaa.

Lähtöarvot

Kylmäaine

Höyrystyminen T₀ −10 °C

Lauhtumisen alkuarvo Tc +40 °C Tc on lähtötilanne. Tulistuksen muuttuessa simulaatio antaa korkeapaineen elää hieman järjestelmän tasapainon mukana.

Tulistus 7 K

Alijäähdytys 5 K

Kompressorin lähtötieto

Kylmäteho Q₀ 500 W Massavirta lasketaan prosessista: ṁ = Q₀ / (h₁ − h₄), missä h₄ ≈ h₃.

Kapillaarin sisähalkaisija

Simulaattorinäkymä

Kylmätekninen kiertoprosessi

Log p,h – R290

Massavirta / Imutilavuusvirta——Sama kylmäainevirtaus kahdella tavalla: kg/s kertoo massan, m³/h kompressorin imemän kaasutilavuuden.

Kapillaarin ID—Todellinen sisähalkaisija ratkaisee virtausalan ja vaikuttaa erittäin voimakkaasti tarvittavaan pituuteen.

Laskettu pituus—Tekninen lähtöarvio. Pienkylmälaitteissa käytännön pituus on usein noin 1,3–2,2 m, mutta lopullinen arvo varmistetaan koekäytöllä.

Flash alkaa—Kohta, jossa neste alkaa paineen laskiessa höyrystyä kapillaarissa ja virtaus muuttuu kaksifaasisen seoksen virtaukseksi.

Kapillaarin ulostulopaine—Paine kapillaarin lopussa. Sen pitäisi vastata mahdollisimman hyvin höyrystimen tarvitsemaa syöttöpainetta.

Laskentamalli—R600a/R134a käyttävät Hermes 2010 -mallia, R290 1D HEM -mallia nykyisen validoinnin perusteella.

Näin RefrigSim laskee

Laatikot käyttävät aina yllä olevan simulaattorin senhetkisiä arvoja.

1. Kompressorin lähtötieto

Q̇₀ tai V̇₁

Laskenta voidaan aloittaa joko halutusta kylmätehosta tai kompressorin ilmoitetusta imutilavuusvirrasta. Kompressorin tilavuusvirralla on kapillaarin mitoitukseen erittäin suuri vaikutus, koska se määrää yhdessä imukaasun tiheyden kanssa kylmäaineen massavirran.

2. Massavirta

ṁ = Q̇₀/(h₁−h₄) tai ρ₁V̇₁

Massavirta kertoo, kuinka monta kilogrammaa kylmäainetta kulkee järjestelmässä sekunnissa. Tehotilassa se lasketaan entalpiaerosta; tilavuusvirtatilassa imukaasun tiheydestä ja kompressorin tilavuusvirrasta.

3. Kapillaarin virtausala

A = πd² / 4

Virtausala määräytyy todellisesta sisähalkaisijasta. Pieni muutos halkaisijassa muuttaa pinta-alaa paljon ja siksi myös kapillaarin virtausvastusta ja tarvittavaa pituutta.

4. Massavuo

G = ṁ / A

Massavuo ei ole sama asia kuin massavirta. Se kertoo, kuinka suuri massavirta kulkee yhtä putken poikkipinta-alan neliömetriä kohti. Kapillaari on hyvin ohut, joten luku voi olla tuhansia kg/(m²·s) ilman että varsinainen massavirta on suuri. Suuretta käytetään painehäviön ja virtausvastuksen laskennassa.

5. Nesteosuuden virtaus

Re = Gd / μ

Reynoldsin luku kuvaa virtauksen luonnetta ja auttaa arvioimaan kitkaa. Siihen vaikuttavat massavuo, putken halkaisija ja kylmäaineen viskositeetti.

6. Painehäviö ja kiihtyvyys

dp/dz = −F / (1 + G²·dv/dp)

Kapillaari alentaa lauhdutuspaineen höyrystymispaineeseen kitkan ja kylmäaineen kiihtymisen avulla. Kun neste alkaa höyrystyä, ominaistilavuus kasvaa nopeasti ja kaksifaasivirtaus vaikuttaa voimakkaasti tarvittavaan pituuteen.

Mitoituksen tarkkuus: Kapillaariputken toimintaan vaikuttavat kylmäaineen ja putken mittojen lisäksi käyttöolosuhteet, kapillaarin asennustapa ja taivutukset, kapillaari–imuputkilämmönvaihto, alijäähdytys, ympäristön lämpötila, kompressorin ominaisuudet sekä järjestelmän todellinen kylmäainemäärä. RefrigSimin laskema pituus on siksi tekninen mitoitusarvio. Lopullinen kapillaarimitoitus tulee varmistaa valmistajan tiedoilla ja laitteen todellisissa käyttöolosuhteissa.

Tuettu kylmäainealue tässä versiossa: R290, R600a ja R134a. Nämä aineet on valittu kapillaarisyöttöisten pienkylmälaitteiden tyypillisiksi opetusesimerkeiksi.

R600a – mallivertailu ulkoiseen mitoitusaineistoon

Vertailuehdot: R600a, Q₀ 500 W, T₀ −10 °C, paluukaasu 0 °C, ID 1,40 mm. Vertailuarvot ovat kehityksessä käytettyä ulkoista mitoitusaineistoa; yksittäisen valmistajan laskentaohjelma ei ole osa RefrigSimin laskentaa.

Tc	Vertailuaineisto	HEM	Hermes 2010	Hermes-ero
25 °C	2,25 m	2,63 m	1,94 m	−13,8 %
30 °C	2,18 m	2,89 m	2,17 m	−0,3 %
35 °C	2,10 m	3,17 m	2,41 m	+15,0 %
40 °C	2,02 m	3,40 m	2,64 m	+30,6 %
45 °C	1,95 m	3,63 m	2,86 m	+46,6 %
50 °C	1,87 m	3,86 m	3,05 m	+63,1 %

Havainto: Hermes pienentää tämän testisarjan keskimääräisen absoluuttisen poikkeaman noin 60 %:sta noin 28 %:iin. Korkeilla lauhtumislämpötiloilla ulkoisen mitoitusaineiston ja adiabattisen Hermes-mallin trendiero jää kuitenkin näkyviin, joten RefrigSim ei käytä yhtä keinotekoista korjauskerrointa.