Tweefasen-stromingspatronen bij adiabatisch koudemiddel in capillaire buizen

24 februari 2021

Capillaire buizen bevatten geen bewegende delen. Dat maakt ze aantrekkelijk voor koelsystemen, ondanks dat ze de koudemiddelstroom niet actief kunnen beïnvloeden bij veranderende functionerings-omstandigheden.

De voornaamste rol van capillaire buizen is om de druk van het gecondenseerde koudemiddel te verlagen tot onder de verzadingsdruk – tot het punt waarop het koudemiddel begint te verdampen en uit te zetten. De homogeniteit van de vloeistofstroom is daarbij van essentieel belang. Sloveense wetenschappers wilden middels onderzoek experimenteel de snelheidsverhouding van de damp- en vloeistoffase bepalen, een belangrijke parameter van die homogeniteit.

Dampcompressiesysteem zonder olieafscheider
De onderzoekers bouwden een kleinschalig koelsysteem op basis van dampcompressie, dat net als een huishoudkoelkast geen olieafscheider bevat. De gebruikte werkvloeistof is een mengsel van olie en koudemiddel R600a (isobutaan of methylpropaan). De onderzoekers bestudeerden de stroming van het koudemiddel door een capillaire buis van FEP-polymeer (gefluoreerd methyleenpropyleen) met een interne doorsnede van 0,8 mm.

Stromingspatronen onder verschillende condities
Het belangrijkste doel van de studie was het bepalen van de stromingspatronen door de capillaire FEP-buizen bij verschillende condities, en te kijken of deze resultaten vergelijkbaar zijn met die bij koperen capillaire buisjes. Het verschil blijkt minimaal en binnen de foutmarge: ongeveer 3% meer drukval en 5% minder massastroom voor de koperbuisjes.

Hogere stroomsnelheid
Het onderzoek toont vooral aan dat stroomsnelheid en verzadigingsdruk de frequentie van de vorming van dampbelletjes kan beïnvloeden. Al stromende voegen de belletjes zich samen tot grote dampbellen die blijven uitzetten. Hierdoor wordt de stroomsnelheid in de dampfase vergroot en kan het snelheidsverschil tussen beide uiteinden van de dampfase oplopen tot een factor 4. De stroming waarin deze grotere dampbellen zich transporteren, wordt ook wel propstroming genoemd.

Effect van oneffenheden in buizen
De onderzoekers bekeken eveneens het effect van oneffenheden aan de binnenzijde van de FEP-buizen. In sommige gevallen zorgden die oneffenheden voor het ontstaan van dampbellen op meerdere plaatsen, wat een voortgaande homogenisering van de stroomsnelheid veroorzaakt. Dit leidt tot een voordeel voor koperen buizen, die van nature meer oneffenheden hebben.