{"id":4770,"date":"2019-07-26T07:30:29","date_gmt":"2019-07-26T05:30:29","guid":{"rendered":"http:\/\/www.unilab.eu\/?p=4770\/"},"modified":"2019-07-19T15:02:16","modified_gmt":"2019-07-19T13:02:16","slug":"tubo-capillare","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.unilab.eu\/it\/articoli\/technical-articles-it\/termodinamica-ingegneria-it\/tubo-capillare\/","title":{"rendered":"La progettazione del pi\u00f9 semplice e affidabile elemento di laminazione: il tubo capillare"},"content":{"rendered":"

Tutti i cicli frigoriferi a compressione di vapore hanno bisogno di un organo di riduzione della pressione che\u00a0garantisca, in funzione del carico, il giusto passaggio del refrigerante dalla zona di alta a quella di bassa pressione. Il tubo capillare \u00e8 molto popolare nei piccoli sistemi a singolo evaporatore, come frigoriferi domestici e freezers, deumidificatori e climatizzatori d\u2019aria. Il tubo capillare pu\u00f2 essere utilizzato anche in sistemi di pi\u00f9 elevata potenza, come i condizionatori d\u2019aria fino a 35 kW.<\/p>\n

Il tubo capillare \u00e8 generalmente costituito da un pezzo di tubo di rame di piccolo diametro interno. Quando questo \u00e8 utilizzato per controllare il deflusso del refrigerante, connette l\u2019uscita del condensatore all\u2019ingresso\u00a0dell\u2019evaporatore. Il termine capillare \u00e8 inesatto perch\u00e9, sebbene il diametro interno del tubo sia piccolo, \u00e8 sempre troppo largo per generare delle forze capillari.<\/p>\n

Un tubo capillare elabora liquido molto pi\u00f9 facilmente rispetto al vapore perch\u00e9 quest\u2019ultimo presenta un volume pi\u00f9 elevato; si pu\u00f2 quindi considerare come una valvola dosatrice. Quando un tubo capillare \u00e8 dimensionato per garantire il determinato flusso di refrigerante, il liquido chiude l\u2019ingresso. Se il sistema si sbilancia, un po\u2019 di vapore (vapore non condensato) entra nel capillare. Questo vapore riduce considerabilmente la portata di refrigerante, con il conseguente aumento della pressione di condensazione, che consente il sottoraffreddamento del liquido che riprende ad alimentare il tubo capillare. Il risultato \u00e8 l\u2019aumento della portata elaborata dallo stesso tubo capillare. Se dimensionato correttamente per la particolare applicazione, il tubo capillare compensa automaticamente le variazioni di carico e fornisce un\u2019accettabile performance del sistema in un limitato campo di condizioni operative. \u00c8 importante sottolineare che la condizione comune \u00e8 quella di avere liquido sottoraffreddato all\u2019ingresso dell\u2019organo di laminazione. In queste condizioni, la distribuzione della pressione lungo il tubo \u00e8 simile a quella mostrata in Figura 1. All\u2019ingresso del tubo, tratto 0-1, dato che il fluido \u00e8 in fase liquida, \u00e8 presente una piccola perdita di carico.<\/p>\n

Dal punto 1 al punto 2, la perdita di carico \u00e8 lineare. Nella porzione del tubo 0-1-2, il refrigerante \u00e8 sempre in fase liquida; la prima bolla si forma nel punto 2. Da qui e fino alla fine del tubo, la perdita di carico non\u00a0\u00e8 pi\u00f9 lineare e la perdita per unit\u00e0 di lunghezza aumenta man mano che ci si avvicina all\u2019uscita. In questa parte, le fasi liquida e vapore coesistono e la percentuale di vapore aumenta nella direzione di deflusso; in molti casi, una significativa perdita di carico avviene tra la fine del tubo e l\u2019ingresso all\u2019evaporatore.<\/p>\n

La temperatura \u00e8 costante nella prima porzione di tubo 0-1-2. Nel punto 2, la pressione raggiunge quella di saturazione a questa temperatura. Un\u2019ulteriore perdita di carico dopo il punto 2 \u00e8 accompagnata da una corrispondente diminuzione della temperatura di saturazione. Come conseguenza, le linee della pressione e della temperatura di saturazione coincidono dal punto 2 fino alla fine del tubo. Il punto 2, dove la prima bolla si forma \u00e8 chiamato in inglese \u201cbubble point\u201d, letteralmente \u201cpunto di bolla\u201d. La porzione di tubo precedente \u00e8 chiamata “lunghezza in fase liquida”, \u201cliquid length\u201d, mentre quella che segue \u00e8 la “lunghezza bifase”, \u201ctwo-phase length\u201d. La portata di refrigerante aumenta sempre all\u2019aumentare della pressione in ingresso al tubo capillare. La portata aumenta anche al diminuire della pressione esterna fino a un valore critico, al di sotto del quale non cambia pi\u00f9 (\u201cchoked flow\u201d, deflusso critico). La Figura 1 mostra proprio il caso in cui la pressione all\u2019uscita del capillare abbia raggiunto il valore critico (punto 3), che \u00e8 maggiore della pressione esterna (punto 4), che pu\u00f2 considerarsi la condizione di normale attivit\u00e0.<\/p>\n

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Figura 1: Distribuzione della temperatura e della pressione in un tipico tubo capillare<\/em><\/p>\n

Secondo quanto proposto dal manuale ASHRAE Handbook (2006), ci sono due metodi per selezionare o dimensionare un tubo capillare: uno utilizza dei diagrammi, mentre il secondo permette un calcolo analitico. Lo scopo di queste pagine \u00e8 quello di fornire una breve descrizione di entrambi i metodi, mostrando degli esempi di selezione\/dimensionamento.<\/p>\n

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Figura 2: Portata di massa per il capillare di riferimento. L= 3.3 m e d= 0.86. Fluido R134a<\/em><\/p>\n

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Figura 3: Fattore di correzione della portata per R134a sia per condizioni di liquido sottoraffreddato che per fluido bifase.<\/em><\/p>\n

I due diagrammi sono utilizzati come segue: per determinate condizioni di pressione in ingresso e livello di sottoraffreddamento\/titolo di vapore, dalla Figura 2 \u00e8 possibile determinare la portata di R134a elaborata dal capillare di riferimento; successivamente, il fattore di correzione \u00e8 ottenuto dal diagramma di Figura 3. La portata di refrigerante elaborata \u00e8 data dal prodotto di quella di riferimento e del fattore di correzione.<\/p>\n

Per esempio, considerando una pressione in ingresso di 16 bar e un sottoraffreddamento di 15 K, la portata di riferimento \u00e8 8 kg\/h (Figura 2); quindi, per un capillare lungo 3 m, di diametro interno d=1.1 m, il fattore di correzione \u00e8 2 (Figura 3). La portata garantita da questo tubo capillare \u00e8 pari a 16 kg\/h. Differentemente, se fossero necessari 24 kg\/h di R134a, dobbiamo selezionare un tubo capillare con un fattore di correzione pari a 3, il quale, secondo Figura 3, \u00e8 lungo 2.625 m e di diametro d=1.25 mm. Il manuale ASHRAE Handbook riporta anche i diagrammi per R410A e R22.<\/p>\n

Il secondo approccio coinvolge la definizione di diversi parametri adimensionali calcolati in funzione delle propriet\u00e0 termofisiche del refrigerante, dalle condizioni operative e dalle caratteristiche geometriche del tubo capillare. La seguente tabella elenca i parametri adimensionali che possono essere utilizzati per dimensionare un tubo capillare.<\/p>\n

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Nel caso di liquido sottoraffreddato all\u2019ingresso del capillare (1 K< \u2206ts <17 K), l\u2019equazione di\u00a0dimensionamento \u00e8:<\/p>\n

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Nel caso di miscela bifase all\u2019ingresso (0.03<x<0.25), l\u2019equazione di dimensionamento diventa:<\/p>\n

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Utilizzando le precedenti equazioni (valide anche per R410A e R22), \u00e8 possibile dimensionare il tubo capillare; alcuni esempi possono essere utili a descrivere la procedura di calcolo.<\/p>\n

Per esempio, considerando un tubo capillare di lunghezza 3.5 m, di diametro d=1.0 mm. La pressione d\u2019ingresso sia 15 bar e il sottoraffreddamento 15 K. Calcolare la portata di R134a elaborata.<\/p>\n

La corrispondente temperatura di saturazione all\u2019ingresso a 15 bar \u00e8 55.23 \u00b0C, ma le propriet\u00e0 termofisiche del refrigerante devono essere valutate alla temperatura in ingresso che \u00e8 data da:\u00a0Tin= Tsat (pin) – \u0394ts= 55.23 \u2013 15= 40.23 \u00b0C . Le propriet\u00e0 sono:<\/p>\n

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Lo stesso capillare sia ora alimentato da una miscela bifase con titolo X=0.10; in questo caso, le propriet\u00e0 termofisiche devono essere valutate alla pressione d\u2019ingresso, 15 bar o alla corrispondente temperatura di\u00a0saturazione, 55.23 \u00b0C.<\/p>\n

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Questi due esempi mostrano l\u2019effetto delle condizioni in ingresso, sulla portata di refrigerante elaborata dallo stesso tubo capillare. Nel processo di dimensionamento, per determinate condizioni operative, attraverso una procedura iterativa, \u00e8 possibile calcolare differenti soluzioni in funzione del rapporto fra lunghezza e diametro interno del tubo capillare.<\/p>\n

Considerando una pressione in ingresso di 14 bar e 10 K di sottoraffreddamento, il tubo capillare che garantisce 15 kg\/h di R134a all\u2019ingresso dell\u2019evaporatore, \u00e8 quello che presenta L\/d=1450. Pertanto, le seguenti soluzioni sono utilizzabili: L=1.45 m e d= 1 mm, L=0.945 m e d=0.65 mm; L=2.9 m e d=2 mm, ecc.<\/p>\n

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Bibliografia<\/strong><\/em><\/p>\n