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Kapillarrohr-Auslegung

Innendurchmesser und Länge des Kapillarrohrs für kleine Kälteanlagen – Kühlschränke, Gefrierschränke, Flaschenkühler und Kleingeräte.

Kältemittel und Betriebspunkt

Verdichter

Wärmeaustausch mit der Saugleitung

Kältemittelfüllmenge

Abmessungen und Einheiten

Einheiten

Ein bestehendes Rohr prüfen

Projekt

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Kapillarrohr je Innendurchmesser

Die Länge, die jeder Innendurchmesser benötigt, um den Massenstrom des Verdichters durchzuleiten. ★ = empfohlen (Länge am nächsten zur Mitte Ihres gewünschten Bereichs). Klicken Sie auf eine Zeile, um sie im Profil und im Fließbild anzuzeigen.
Längenbereich: die Länge für einen Innendurchmesser 0,02 mm größer – 0,02 mm kleiner (eine typische Toleranz; maßgebend ist die Angabe des Lieferanten). Austritt: „kritisch“ = die Strömung erreicht am Rohrende die kritische Geschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit), angezeigt wird der Druck dort; andernfalls endet das Rohr beim Verdampfungsdruck. x aus = Dampfgehalt am Austritt. Gewünschter Bereich 1,50 m–4,00 m.

Druck und Temperatur entlang des Rohrs – 0,6 mm × 5,87 m

Kältemittelfüllmenge des Kreislaufs

Berechnung anzeigen

Berechnung pro Rohrabschnitt

AbschnittMassenstrom [kg/s]Dichte [kg/m³]Innendurchmesser [mm]Geschwindigkeit [m/s]Ref (Darcy)Länge (+ Äquivalentlänge) [m]Δp [bar]Δp/m [Pa/m]Hinweis
Eintritt3.15e-4528,50,62,11––00,0177–Verlust K = 0,5 plus Beschleunigung auf die Flüssigkeitsgeschwindigkeit
Flüssigbereich3.15e-4528,50,62,115.2800,03735,744,2674.100einphasige Flüssigkeit, bis der Sättigungsdruck erreicht ist
Zweiphasenbereich3.15e-428,660,638,9––0,130,759586.000Dampfgehalt 0 → 0,09; Dichte und Geschwindigkeit am Austritt Kritische Strömung (Choked Flow) am Austritt.

Berechnungsgrundlage

Verfahren
Homogenes Zweiphasenmodell für den gewählten Innendurchmesser und den Massenstrom des Verdichters: Eintrittsverlust, einphasige Flüssigkeitsreibung, bis die Flüssigkeit ihren Sättigungsdruck erreicht, danach Zweiphasenströmung mit Flüssigkeit und Dampf gleicher Geschwindigkeit, berechnet in 200 Druckschritten bis zum Verdampfungsdruck oder kritischen Strömungszustand.
Gleichungen
  • Eintritt: Δp = (1 + K)·G²/(2ρ), K = 0,5
  • Impuls: −dp = f·G²·v/(2d)·dz + G²·dv
  • Energie: h + w²/2 = konstant (abzüglich der vom Sauggas-Wärmeübertrager aufgenommenen Wärme)
  • Zweiphase: v = (1 − x)·v_L + x·v_V, 1/μ = x/μ_V + (1 − x)/μ_L (McAdams)
  • Kritischer Zustand bei (p_i − p_i+1) − G²·(v_i+1 − v_i) ≤ 0
Reibungsbeiwert
Churchill (1977), glattes gezogenes Kupferrohr, Re = G·d/μ
Stoffdaten
CoolProp 8.0.0
Quellen
ASHRAE Handbook – Refrigeration, ch. 11 · Stoecker & Jones (1982), ch. 12 · Bansal & Rupasinghe (1998) · Churchill (1977) · McAdams et al. (1942) · Gnielinski (1976) · EN 12900:2013
Hinweise
  • Die Abschnitte summieren sich zum Druckverlust von 5,03 bar(g) am Eintritt bis -0,00 bar(g) am Austritt des Rohrs.
  • Mit dem Sauggas-Wärmeübertrager bleibt das Kältemittel länger unterkühlt, wodurch der Flüssigbereich länger ist; die Wärmemenge wird im Bereich der Lötstrecke aus der Energiebilanz herausgerechnet.

Fließbild

Berechnungsgrundlage der App

Kreisprozess: t₀ und tc sind Taupunkte (EN 12900). Die Flüssigkeit verlässt den Verflüssiger mit Siedetemperatur minus Unterkühlung und tritt mit dem Verflüssigungsdruck in das Kapillarrohr ein. Der Verdampfer liefert Dampf bei p₀ und t₀ + Überhitzung. Stoffdaten aus CoolProp 8 (Referenz-Zustandsgleichungen; Gemische mit ihrem Temperaturgleit).

Kapillarrohr: das homogene Modell nach ASHRAE Handbook – Refrigeration und Stoecker & Jones: Eintrittsverlust (K = 0,5), einphasige Flüssigkeitsreibung bis zum Erreichen des Sättigungsdrucks, danach adiabatischer Zweiphasenstrom mit gleicher Geschwindigkeit von Flüssigkeit und Dampf (h + w²/2 konstant), berechnet in 200 Druckschritten mit Reibung und Beschleunigung. Zweiphasenviskosität nach McAdams, Reibungsfaktor nach Churchill (glatt gezogenes Kupferrohr).

Kritische Strömung: Wenn der Druckabfall keine weitere Länge mehr ergibt (−dp/dv = G²), ist die Strömung kritisch (verblockt); tritt dies oberhalb des Verdampfungsdrucks auf, endet das Rohr dort und der Rest der Expansion findet im Freistrahl in den Verdampfer statt – der Normalzustand eines Kapillarrohrsystems.

Saugleitungs-Wärmetauscher: berechnet aus der Geometrie – der verlöteten Länge, deren Beginn und dem Innendurchmesser der Saugleitung. Wärmeübertragung vom Kapillarrohr an das Sauggas im Gegenstrom mit UA pro Meter = 1/(1/(h_i·π·d) + 1/(h_g·π·D)); beide Wärmeübergangskoeffizienten nach Gnielinski (laminar Nu = 3,66), wobei die Sauggasseite den dominierenden Widerstand darstellt; die Lötstelle bleibt unberücksichtigt. Das Gas wird zellenweise vom Verdampferaustritt entlang des Temperaturprofils des Kapillarrohrs verfolgt, und Kapillarrohr sowie Gas werden iteriert, bis die Rückgastemperatur und die dem Kapillarrohr entzogene Wärme übereinstimmen (wie in den physikalischen Modellen von Hermes, Melo & Gonçalves). Eine gemessene Rückgastemperatur kann stattdessen eingegeben werden. Ein Wärmetauscher, der die Flüssigkeit unterkühlt hält, verzögert die Verdampfung und macht das Rohr bei gleichem Durchfluss deutlich länger.

Grenzen: Das Modell lässt das Flüssigkältemittel exakt bei der Sättigung entspannen (keine metastabile Verzögerung), wodurch die Länge bei starker Unterkühlung etwas zu kurz ausfällt; Öl, Bögen und Wicklungen werden vernachlässigt. Veröffentlichte Vergleiche homogener Modelle mit Messungen zeigen Abweichungen in der Größenordnung von 10–20 % beim Massenstrom. Gegenüber den Rechenbeispielen im ASHRAE Handbook – Refrigeration 2006, Kap. 44 liefert die App für ein adiabates R134a-Rohr 4–5 % mehr Massenstrom und ca. 8 % mehr mit einem Sauggas-Wärmeübertrager; Füllmenge und Überhitzung sind stets bei einem Probelauf zu bestätigen.

Quellen

  • ASHRAE Handbook – Refrigeration (2022), Kapitel 11 Refrigerant-control devices, Abschnitt Capillary tubes. ASHRAE, Atlanta.
  • Stoecker, W.F., Jones, J.W. (1982). Refrigeration and Air Conditioning, 2. Aufl., McGraw-Hill, Kapitel 12 Expansion devices (Berechnung von Kapillarrohren).
  • Bansal, P.K., Rupasinghe, A.S. (1998). An homogeneous model for adiabatic capillary tubes. Applied Thermal Engineering 18(3–4), 207–219.
  • Bolstad, M.M., Jordan, R.C. (1948). Theory and use of the capillary tube expansion device. Refrigerating Engineering 56(12), 519–523.
  • Churchill, S.W. (1977). Friction-factor equation spans all fluid-flow regimes. Chemical Engineering 84(24), 91–92.
  • McAdams, W.H., Woods, W.K., Heroman, L.C. (1942). Vaporization inside horizontal tubes – II. Trans. ASME 64, 193–200.
  • Bell, I.H., Wronski, J., Quoilin, S., Lemort, V. (2014). Pure and pseudo-pure fluid thermophysical property evaluation and the open-source thermophysical property library CoolProp. Ind. Eng. Chem. Res. 53(6), 2498–2508 (CoolProp 8.0).
  • EN 12900:2013 Kältemittel-Verdichter – Nennbedingungen, Toleranzen und Darstellung von Leistungsdaten des Herstellers.
  • EN 378-1:2016+A1:2020, IEC 60335-2-24 (Haushalts-Kühl- und -Gefriergeräte) und IEC 60335-2-89 (gewerbliche Kühlmöbel): Füllmengengrenzen für brennbare Kältemittel.
  • US EPA (2024). SNAP-Regel 26, Fact Sheet: https://epa.gov/system/files/documents/2024-05/snap-final-rule-26-factsheet.pdf (geprüft am 2026-10-14).
  • US 40 CFR Teil 82, Unterteil G, Anhänge R und V (SNAP, Kohlenwasserstoffe in Haushalts-Kühl- und Gefriergeräten): https://www.ecfr.gov/current/title-40/chapter-I/subchapter-C/part-82/subpart-G (geprüft am 2026-10-25).
  • ASERCOM (2023). Components for flammable refrigerants: https://www.asercom.org/wp-content/uploads/2023/04/En_Components-for-Flammable-Refrigerants.pdf (Füllmengengrenze nach IEC 60335-2-24).
  • Gnielinski, V. (1976). New equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flow. International Chemical Engineering 16(2), 359–368.
  • Hermes, C.J.L., Melo, C., Gonçalves, J.M. (2008). Modeling of non-adiabatic capillary tube flows: a simplified approach and comparison with empirical data. International Journal of Refrigeration 31(8), 1358–1367.
  • ASHRAE Handbook – Refrigeration (2006, SI), Kapitel 44 Refrigerant-control devices, Abschnitt Capillary tubes: Auslegungsdiagramme und Rechenbeispiele nach Wolf et al. (1995) und Wolf & Pate (2002), verwendet zur Überprüfung der App.

Häufig gestellte Fragen

Wie dimensioniere ich ein Kapillarrohr?

Gehen Sie vom Verdichter aus: Sein Massenstrom im Auslegungspunkt (Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur, Unterkühlung) muss durch das Kapillarrohr strömen. Für jeden Innendurchmesser ermittelt die App die Länge, die genau diesen Massenstrom ergibt; ein längeres Rohr lässt weniger durch, ein größerer Innendurchmesser mehr. Wählen Sie einen Innendurchmesser mit praktikabler Länge, in Kühl- und Gefriergeräten typischerweise 1,5–4 m.

Im Rechner oben berechnen ↑

Welchen Innendurchmesser sollte ich wählen?

Ein größerer Innendurchmesser mit längerem Rohr ist unempfindlicher gegenüber Toleranzen, Schmutz und Öl als ein kurzes Rohr mit kleinem Innendurchmesser: ±0,02 mm bei 0,6 mm Innendurchmesser ändern den Massenstrom um ca. 8 %. Sehr kurze Rohre (unter 0,5 m) sind schwer genau zu treffen; sehr lange sind unpraktisch. Die App empfiehlt die Größe, deren Länge der Mitte Ihres gewünschten Bereichs am nächsten kommt.

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Warum wird das Kapillarrohr an die Saugleitung gelötet?

Das kalte Sauggas kühlt die Flüssigkeit im Kapillarrohr: mehr Kälteleistung pro kg, weniger Flashgas, und die Saugleitung schwitzt oder vereist nicht. Die Flüssigkeit bleibt länger flüssig und das Rohr lässt mehr Kältemittel pro Meter durch, daher ist ein verlötetes Rohr bei gleichem Durchfluss länger als ein adiabatisches. Die App berechnet den Wärmetauscher aus der verlöteten Länge und dem Saugleitungsdurchmesser; eine gemessene Rückgastemperatur kann stattdessen eingegeben werden.

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Was bedeutet kritische (verblockte) Strömung?

Die Geschwindigkeit des Zweiphasengemischs steigt mit fortschreitender Verdampfung. An einem bestimmten Punkt erreicht sie die kritische Geschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit): Ein weiteres Absenken des Verdampfungsdrucks erhöht den Massenstrom nicht mehr. Die meisten Kapillarrohrsysteme arbeiten mit kritischer Strömung; dann bestimmt die Rohrlänge den Massenstrom, und der Verdampfungsdruck verändert nur den Strahl am Austritt.

Im Rechner oben berechnen ↑

Kann ich die Ergebnisse für R600a und R290 verwenden?

Ja, die Stoffdaten für Isobutan und Propan stammen aus den Referenz-Zustandsgleichungen von CoolProp. Denken Sie daran, dass Kohlenwasserstoffe brennbar sind (A3): Gerätenormen begrenzen die Füllmenge pro Kreislauf, und ein Kapillarsystem hat keinen Sammler, weshalb die Füllmenge exakt eingewogen werden muss.

Im Rechner oben berechnen ↑HC-Kältemittel (A3): Rohrdimensionierung →

Wie genau ist die Berechnung?

Veröffentlichte Vergleiche homogener Modelle mit Messungen an adiabaten Rohren zeigen Abweichungen in der Größenordnung von 10–20 % beim Massenstrom; mit einem Sauggas-Wärmeübertrager ist die Unsicherheit größer. Gegenüber den Rechenbeispielen im ASHRAE Handbook (2006, Kap. 44) liegt die App beim Massenstrom innerhalb von +4…9 %. Allein die Innendurchmessertoleranz macht mehrere Prozent aus. Verwenden Sie das Ergebnis als Ausgangspunkt und überprüfen Sie Überhitzung und Drücke bei einem Probelauf.

Annahmen: Homogene Zweiphasenströmung, kein metastabiler Siedeverzug, glattes, gezogenes Kupferrohr, gerade oder lose gewickelt, kein Öl. t₀ und tc als Taupunkte (EN 12900). Der Druckabfall in Verflüssiger und Flüssigkeitsleitung wird vernachlässigt. Stoffdaten aus CoolProp 8.

Haftungsausschluss: Die Berechnung dient als Planungshilfe. Überprüfen Sie das Ergebnis anhand der Daten des Verdichtersherstellers und verifizieren Sie Füllmenge, Überhitzung und Drücke bei einem Probelauf. CO2piping.com übernimmt keine Verantwortung für die Verwendung der Ergebnisse.

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Hilfe – Kapillarrohr-Auslegung

Kältemittel, Betriebspunkt und Verdichter links eingeben. Die Tabelle rechts zeigt die erforderliche Länge für jeden Standard-Innendurchmesser; die empfohlene Größe ist mit ★ markiert.

1. Kältemittel und Betriebspunkt

  • Kältemittel und Anwendung (Gefrierschrank, Kühlschrank, hoher Saugdruck) wählen; die Anwendung setzt typische Temperaturen ein, die Sie ändern können.
  • Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur sind Taupunkte, wie in den Verdichter-Datenblättern (EN 12900).
  • Die Unterkühlung ist der Abstand der Flüssigkeitstemperatur unter dem Siedepunkt am Verflüssigeraustritt; die Überhitzung ist der entsprechende Wert am Verdampferaustritt.

2. Verdichter

  • Kälteleistung am Betriebspunkt, Massenstrom oder Hubvolumen und Drehzahl des Verdichters angeben.
  • Mit dem Hubvolumen schätzt die App den volumetrischen Wirkungsgrad eines kleinen Hubkolbenverdichters; geben Sie den realen Wert ein, falls vorhanden.

3. Saugleitungs-Wärmeübertrager

  • Das Kästchen ankreuzen, wenn das Kapillarrohr an die Saugleitung gelötet ist (die meisten Kühl- und Gefrierschränke).
  • Die App berechnet anhand der verlöteten Länge, deren Beginn und dem Innendurchmesser der Saugleitung, wie viel Wärme der Wärmetauscher dem Kapillarrohr entzieht, und zeigt die resultierende Rückgastemperatur an. Falls Sie diese gemessen haben, geben Sie sie stattdessen ein.

4. Ergebnis

  • Jede Zeile entspricht einem Innendurchmesser: die Länge, der Längenbereich für eine Durchmessertoleranz von ±0,02 mm, der Flüssiganteil, der Austrittszustand und die Austrittsgeschwindigkeit.
  • Klicken Sie auf eine Zeile, um den Druck und die Temperatur entlang des Rohrs anzuzeigen und im Fließbild darzustellen.
  • Unter „Ein bestehendes Rohr prüfen“ geben Sie Innendurchmesser und Länge eines vorhandenen Rohrs ein: Die App ermittelt dessen Massenstrom und Kälteleistung am Betriebspunkt und vergleicht diese mit dem Verdichter.

5. Speichern, Öffnen, Drucken

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