co2piping.com

Kapillaariputken mitoitus

Kapillaariputken sisähalkaisija ja pituus pieniin kylmälaitteisiin – jääkaappeihin, pakastimiin, pullojäähdyttimiin ja pienkoneikkoihin.

Kylmäaine ja toimintapiste

Kompressori

Lämmönsiirto imuputkeen

Kylmäainetäytös

Koot ja yksiköt

Yksiköt

Tarkista olemassa oleva putki

Projekti

.html
Tiedosto
Jaa ja tulosta

Tiedosto on linkkitiedosto: avaa projekti selaimessa kaksoisnapsauttamalla sitä tai valitse se Avaa-toiminnolla. Vanhempia .json-tiedostoja voidaan edelleen avata. Projektitiedoston tavoin se sisältää kaikki projektin tiedot – jaa se vain niille, jotka saavat nähdä ne.

Kapillaariputki sisähalkaisijoittain

Pituus, jonka kukin koko tarvitsee kompressorin massavirran läpäisemiseen. ★ = suositeltu (pituus lähimpänä halutun alueen keskikohtaa). Napsauta riviä näyttääksesi sen profiilissa ja virtauskaaviossa.
Pituusalue: pituus sisähalkaisijalle 0,02 mm suurempi – 0,02 mm pienempi (tyypillinen toleranssi; tarkista toimittajan arvo). Ulostulo: 'kuristunut' = virtaus saavuttaa putken päässä kriittisen nopeuden (äänennopeuden), ja siellä vallitseva paine näytetään; muuten putki päättyy höyrystymispaineeseen. x ulos = höyryosuus ulostulossa. Haluttu alue 1,50 m–4,00 m.

Paine ja lämpötila pitkin putkea – 0,6 mm × 5,87 m

Piirin kylmäainetäytös

Näytä laskenta

Laskenta putkiosioittain

OsaMassavirta [kg/s]Tiheys [kg/m³]Sisähalkaisija [mm]Nopeus [m/s]Ref (Darcy)Pituus [m]Δp [bar]Δp/m [Pa/m]Huomautus
Sisääntulo3.15e-4528,50,62,11––00,0177–häviö K = 0,5 plus kiihtyvyys nestenopeuteen
Nestefaasio3.15e-4528,50,62,115 2800,03735,744,2674 100yksifaasinen neste, kunnes kyllästyspaine saavutetaan
Kaksifaasialue3.15e-428,660,638,9––0,130,759586 000höyryosuus 0 → 0,09; tiheys ja nopeus ulostulossa Kuristuva virtaus ulostulossa.

Laskennan perusta

Menetelmä
Homogeeninen kaksifaasimalli valitulle halkaisijalle ja kompressorin massavirralle: sisääntulohäviö, yksifaasinen nestekitka kunnes neste saavuttaa kyllästyspaineensa, sen jälkeen kaksifaasivirtaus jossa nesteellä ja höyryllä on sama nopeus, laskettuna 200 paineaskeleella höyrystymispaineeseen tai kuristuvaan virtaukseen asti.
Yhtälöt
  • Sisääntulo: Δp = (1 + K)·G²/(2ρ), K = 0,5
  • Määräliike: −dp = f·G²·v/(2d)·dz + G²·dv
  • Energia: h + w²/2 = vakio (miinus imulinjalämmönvaihtimen siirtämä lämpö)
  • Kaksifaasi: v = (1 − x)·v_L + x·v_V, 1/μ = x/μ_V + (1 − x)/μ_L (McAdams)
  • Kuristunut, kun (p_i − p_i+1) − G²·(v_i+1 − v_i) ≤ 0
Kitkakerroin
Churchill (1977), sileä vedetty kupari, Re = G·d/μ
Ominaisuustiedot
CoolProp 8.0.0
Lähteet
ASHRAE Handbook – Refrigeration, ch. 11 · Stoecker & Jones (1982), ch. 12 · Bansal & Rupasinghe (1998) · Churchill (1977) · McAdams et al. (1942) · Gnielinski (1976) · EN 12900:2013
Huomautukset
  • Osat muodostavat yhdessä painehäviön tulon 5,03 bar(g)-paineesta putken ulostulon −0,00 bar(g)-paineeseen.
  • Imulinjalämmönvaihtimen kanssa neste pysyy alijäähtyneenä pidempään, joten nestefaasio on pidempi; sen lämpö poistetaan taseesta juotetun osan matkalta.

Virtauskaavio

Miten sovellus laskee

Kiertoprosessi: t₀ ja tc ovat kastepisteitä (EN 12900). Neste poistuu lauhduttimesta kuplapistelämpötilassa miinus alijäähdytys ja tulee kapillaariin lauhtumispaineessa. Höyrystimestä lähtee höyryä paineessa p₀ ja lämpötilassa t₀ + tulistus. Aineominaisuudet CoolProp 8:sta (referenssitilanyhtälöt; seokset lämpötilaliukuineen).

Kapillaariputki: ASHRAE Handbook – Refrigeration -käsikirjassa ja Stoecker & Jonesin kuvaama homogeeninen malli: sisääntulohäviö (K = 0,5), yksifaasinen nestekitka, kunnes paine saavuttaa nesteen kyllästyspaineen, sen jälkeen adiabaattinen kaksifaasivirtaus, jossa neste ja höyry ovat samalla nopeudella (h + w²/2 vakio), laskettu 20 paineaskeleella kitkan ja kiihtyvyyden huomioiden. Kaksifaasiviskositeetti McAdamsin mukaan, kitkakerroin Churchillin mukaan (sileä vedetty kupariputki).

Kuristunut virtaus: kun painehäviö ei enää anna pituutta (−dp/dv = G²), virtaus on kriittinen; jos se tapahtuu höyrystymispaineen yläpuolella, putki päättyy siihen ja loppu paisunnasta tapahtuu suihkussa höyrystimeen – kapillaarijärjestelmän normaalitila.

Imuputken lämmönvaihdin: laskettu sen geometrian perusteella – juotettu pituus, sen alkamiskohta ja imuputken sisähalkaisija. Lämpö siirtyy kapillaariputkesta imukaasuun vastavirtauksena, jossa UA metriä kohden = 1/(1/(h_i·π·d) + 1/(h_g·π·D)); molemmat kalvokertoimet Gnielinskin mukaan (laminaarinen Nu = 3,66), imukaasun puoli on määräävä vastus, juotosliitosta ei huomioida. Kaasua seurataan solu solulta höyrystimen poistosta kapillaariputken oman lämpötilaprofiilin mukaisesti, ja kapillaariputkea ja kaasua iteroidaan, kunnes paluukaasun lämpötila ja kapillaariputkesta otettu lämpö täsmäävät (kuten Hermes, Melo & Gonçalvesin perusmalleissa). Mitattu paluukaasun lämpötila voidaan syöttää sen sijaan. Lämmönvaihdin, joka pitää nesteen alijäähdytettynä, viivästyttää höyrystymistä ja tekee putkesta huomattavasti pidemmän samalla virtaamalla.

Rajoitukset: malli antaa nesteen alkaa höyrystyä tarkalleen kyllästystilassa (ei metastabiilia viivettä), minkä vuoksi pituus on hieman liian lyhyt suurella alijäähdytyksellä; öljyä, mutkia ja kelausta ei oteta huomioon. Homogeenisten mallien julkaistut vertailut mittauksiin osoittavat massavirrassa 10–20 % suuruusluokan poikkeamia. Verrattuna ASHRAE Handbook – Refrigeration 2006, luku 44 laskentaesimerkkeihin, sovellus antaa 4–5 % enemmän virtausta adiabattiselle R134a-putkelle ja noin 8 % enemmän imulinjalämmönvaihtimella; varmista aina täytösmäärä ja tulistus koekäytössä.

Lähteet

  • ASHRAE Handbook – Refrigeration (2022), luku 11 Refrigerant-control devices, osio Capillary tubes. ASHRAE, Atlanta.
  • Stoecker, W.F., Jones, J.W. (1982). Refrigeration and Air Conditioning, 2. painos, McGraw-Hill, luku 12 Expansion devices (kapillaariputken laskenta).
  • 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 Refrigerant compressors – Rating conditions, tolerances and presentation of manufacturer's performance data.
  • EN 378-1:2016+A1:2020, IEC 60335-2-24 (kotitalouksien kylmälaitteet) ja IEC 60335-2-89 (kaupalliset kylmälaitteet): palavien kylmäaineiden täytösrajat.
  • US EPA (2024). SNAP-sääntö 26, tiedote: https://epa.gov/system/files/documents/2024-05/snap-final-rule-26-factsheet.pdf (tarkistettu 2026-10-14).
  • US 40 CFR osa 82, alaosa G, liitteet R ja V (SNAP, hiilivedyt kotitalouksien jääkaapeissa ja pakastimissa): https://www.ecfr.gov/current/title-40/chapter-I/subchapter-C/part-82/subpart-G (tarkistettu 2026-10-25).
  • ASERCOM (2023). Components for flammable refrigerants: https://www.asercom.org/wp-content/uploads/2023/04/En_Components-for-Flammable-Refrigerants.pdf (IEC 60335-2-24:n täytösraja).
  • 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), luku 44 Refrigerant-control devices, osio Capillary tubes: mitoituskaaviot ja laskentaesimerkit Wolf ym. (1995) sekä Wolf & Pate (2002) mukaan, käytetty sovelluksen tarkistukseen.

Usein kysytyt kysymykset

Miten kapillaariputki mitoitetaan?

Lähde liikkeelle kompressorista: sen massavirran mitoituspisteessä (höyrystymis- ja lauhtumislämpötila, alijäähdytys) on kuljettava kapillaariputken läpi. Sovellus etsii kullekin sisähalkaisijalle pituuden, joka antaa täsmälleen tämän massavirran; pidempi putki päästää läpi vähemmän, suurempi sisähalkaisija enemmän. Valitse sisähalkaisija, jonka pituus on käytännöllinen, jääkaapeissa ja pakastimissa tyypillisesti 1,5–4 m.

Laske yllä olevalla työkalulla ↑

Mikä sisähalkaisija minun pitäisi valita?

Suurempi halkaisija ja pidempi putki on vähemmän herkkä toleransseille, lialle ja öljylle kuin lyhyt putki pienellä halkaisijalla: ±0,02 mm:n poikkeama 0,6 mm:n halkaisijassa muuttaa virtausta noin 8 %. Hyvin lyhyitä putkia (alle 0,5 m) on vaikea saada toimimaan oikein; hyvin pitkät ovat epäkäytännöllisiä. Sovellus suosittelee sitä kokoa, jonka pituus on lähimpänä haluamasi alueen keskikohtaa.

Laske yllä olevalla työkalulla ↑

Miksi kapillaariputki juotetaan kiinni imuputkeen?

Kylmä imukaasu jäähdyttää kapillaariputken nestettä: enemmän jäähdytystehoa kg kohden, vähemmän flash-kaasua, eikä imuputki hikoile tai huurru. Neste pysyy tällöin pidempään nesteenä ja putki läpäisee enemmän kylmäainetta metriä kohden, joten juotettu putki on pidempi kuin adiabaattinen putki samalla virtaamalla. Sovellus laskee lämmönvaihtimen juotetun pituuden ja imuputken halkaisijan perusteella; mitattu paluukaasun lämpötila voidaan syöttää sen sijaan.

Laske yllä olevalla työkalulla ↑

Mitä kuristunut virtaus tarkoittaa?

Kaksifaasiseoksen nopeus kasvaa sen höyrystyessä. Tietyssä kohdassa se saavuttaa kriittisen nopeuden (äänennopeuden): höyrystymispaineen alentaminen edelleen ei enää kasvata massavirtaa. Useimmat kapillaariputkijärjestelmät toimivat kuristuneella virtauksella; tällöin putken pituus määrää massavirran ja höyrystymispaine muuttaa vain ulostulon suihkua.

Laske yllä olevalla työkalulla ↑

Voinko käyttää tuloksia R600a:lle ja R290:lle?

Kyllä, isobutaanin ja propaanin aineominaisuudet tulevat CoolPropin referenssitilanyhtälöistä. Muista, että hiilivedyt ovat palavia (A3): laitestandardit rajoittavat piirikohtaista täytöstä, eikä kapillaariputkijärjestelmässä ole nestesäiliötä, joten täytös on punnittava tarkasti.

Laske yllä olevalla työkalulla ↑HC-kylmäaineet (A3): putkimitoitus →

Kuinka tarkka laskenta on?

Julkaistut vertailut homogeenisista malleista mittauksiin adiabaattisilla putkilla osoittavat 10–20 % suuruusluokan poikkeamia massavirrassa; imulinjalämmönvaihtimen kanssa epävarmuus on suurempi. Verrattuna ASHRAE Handbookin (2006, luku 44) laskentaesimerkkeihin sovellus on massavirrassa +4…9 % sisällä. Sisähalkaisijan toleranssi yksinään aiheuttaa useamman prosentin heiton. Käytä tulosta lähtökohtana ja tarkista tulistus ja paineet koekäytössä.

Oletukset: Homogeeninen kaksifaasivirtaus, ei metastabiilia höyrystymistä, sileä vedetty kupariputki, suora tai löyhästi kierretty, ei öljyä. t₀ ja tc kastepisteinä (EN 12900). Lauhduttimen ja nesteputken painehäviötä ei huomioida. Aineominaisuudet CoolProp 8:sta.

Vastuuvapauslauseke: Laskenta on suunnittelun apuväline. Tarkista tulos kompressorin valmistajan tietoihin verraten ja varmista täytös, tulistus ja paineet koekäytössä. CO2piping.com ei ota vastuuta tulosten käytöstä.

Uusi toiminto – ilmoitathan virheistä: Ilmoita virheestä

Ohje – kapillaariputken mitoitus

Syötä vasemmalle kylmäaine, toimintapiste ja kompressori. Oikean puolen taulukko näyttää jokaiselle vakiosisähalkaisijalle tarvittavan pituuden; suositeltu koko on merkitty ★:llä.

1. Kylmäaine ja toimintapiste

  • Valitse kylmäaine ja sovellus (pakastin, jääkaappi, korkea imupaine); sovellus täyttää tyypilliset lämpötilat, joita voit muuttaa.
  • Höyrystymis- ja lauhtumislämpötila ovat kastepistelämpötiloja, kuten kompressorien tietokorteissa (EN 12900).
  • Alijäähdytys kertoo, kuinka paljon nesteen lämpötila on lauhduttimen ulostulossa kuplapisteen alapuolella; tulistus on vastaava arvo höyrystimen ulostulossa.

2. Kompressori

  • Anna jäähdytysteho toimintapisteessä, massavirta tai kompressorin iskutilavuus ja kierrosluku.
  • Iskutilavuuden avulla sovellus arvioi pienen mäntäkompressorin volumetrisen hyötysuhteen; syötä todellinen arvo, jos se on tiedossasi.

3. Imuputken lämmönsiirrin

  • Merkitse valintaruutu, jos kapillaari on juotettu imuputkeen (useimmat jääkaapit ja pakastimet).
  • Sovellus laskee, kuinka paljon lämpöä lämmönvaihdin ottaa kapillaariputkesta juotetun pituuden, sen alkamiskohdan ja imuputken sisähalkaisijan perusteella, ja näyttää tuloksena saatavan paluukaasun lämpötilan. Jos olet mitannut sen, syötä se sen sijaan.

4. Tulos

  • Jokainen rivi on yksi sisähalkaisija: pituus, pituusalue ±0,02 mm:n halkaisijatoleranssilla, nesteosuus, ulostulotila ja ulostulonopeus.
  • Napsauta riviä nähdäksesi sen paineen ja lämpötilan pitkin putkea sekä piirtääksesi sen virtauskaavioon.
  • Kohdassa 'Tarkista olemassa oleva putki' syötät olemassa olevan putken sisähalkaisijan ja pituuden: sovellus antaa sen massavirran ja jäähdytystehon toimintapisteessä ja vertaa niitä kompressoriin.

5. Tallenna, avaa, tulosta

  • Tallenna tallentaa projektin linkkitiedostona (.html): kaksoisnapsautus avaa sen osoitteessa co2piping.com, ja Avaa lukee sen takaisin (myös vanhemmat .json-tiedostot). Kopioi linkki kopioi linkin projektiin. Molemmat sisältävät kaiken projektissa olevan.
  • Tulosta antaa raportin taulukolla ja profiililla sekä virtauskaavion omalla vaakasivullaan.