Kylmäprosessi eli miten kylmä syntyy

Lämpöpumppu ja kylmälaite ovat laitteita, jotka kykenevät siirtämään lämpöenergiaa kylmemmästä tilasta lämpimämpään. Yleensä lämpöpumpulla tarkoitetaan sisätilojen lämmittämiseen tai jäähdyttämiseen ja lämpimän käyttöveden valmistamiseen tarkoitettuja laitteita. Myös monet jäähdyttävät laitteet, kuten ilmastointilaite, jääkaappi ja pakastin toimivat saman prosessin avulla. Erona on vain se, onko prosessin ja laitteen päätarkoitus lämmitys vai jäähdytys.

Näillä laitteilla onkin yhteistä enemmän kuin eroja, koska riippumatta käyttötarkoituksesta sekä lämpöpumpuissa että kylmälaitteissa käytetään samoja pääkomponentteja ja lämmön siirtäminen perustuu kylmäaineen suljettuun kiertoon. Tässä artikkelissa tarkastellaan prosessia, joka perustuu kylmäaineen suljettuun kiertoon ja se toimii mekaanisella kompressorin työllä.

Perustuu aineen olomuodon muutokseen

Aineen olomuotoja ovat kiinteä, nestemäinen ja kaasumainen. Esimerkiksi vesi voi olla jäätä, nestemäistä vettä tai vesihöyryä. Olomuodot sekä niiden muutokset riippuvat aineesta, lämpötilasta, tilavuudesta ja paineesta.

Prosessissa kiertävää ainetta kutsutaan kylmäaineeksi. Kylmäaineiden tehokas lämmönsiirtokyky ja koko nykyinen jäähdytys-lämpöpumpputekniikka perustuu kylmäaineiden olomuotojen muutokseen. Nestemäinen kylmäaine höyrystyy jäähdytettävässä kohteessa sitoen sieltä itseensä lämpöä. Vastaavasti kylmäainehöyry nesteytyy (lauhtuu) lämpenevässä kohteessa luovuttaen lämpöä ympäristöön. Pakastettaessa elintarvikkeessa oleva vesi jäätyy eli veden olomuoto muuttuu nestemäisestä kiinteäksi.

Olomuodon muuttuessa aineen molekyylirakenne muuttuu. Tässä muutoksessa joko vapautuu tai sitoutuu energiaa. Kun nestemäinen aine lämpenee höyrystymislämpötilaan, sen molekyylien lämpöliike voimistuu. Tällöin molekyylit pystyvät irtaantumaan nestemolekyylien vetovoimasta, jolloin aine muuttuu höyryksi. Höyrystymisen aikana aineen lämpötila ei muutu, koska systeemiin tuotu lämpöenergia kuluu molekyylirakenteen rikkomiseen. Siten aineen höyrystyminen vaatii energiaa. Vastaavasti höyryn tiivistyessä (lauhtuessa) nesteeksi lämpöenergiaa vapautuu.

Höyrystymiseen tarvittava lämpömäärä riippuu aineesta ja aineen määrästä. Ominaishöyrystymislämpö tarkoittaa sitä lämpöenergiamäärää, jolla kilo ainetta höyrystyy nesteestä kaasuksi. Nesteen lauhtumisessa vapautuu yhtä suuri lämpömäärä kuin tarvitaan sen höyrystämiseen.

Lämpöpumpun ja jäähdytyslaitteen toimintaperiaate on havainnollistettu kaaviossa 1.

Järjestelmä koostuu yksinkertaisimmillaan kahdesta lämmönvaihtimesta, lauhduttimesta ja höyrystimestä, sekä kompressorista ja paisuntalaitteesta. Järjestelmässä kiertää kylmäaine, jonka koostumus vaihtelee käyttökohteen mukaan. Kylmäaineen olomuoto järjestelmässä on joko kaasu tai neste.

1. Höyrystin

• sitoo lämpöenergiaa kylmäaineeseen
• höyrystää kylmäainenesteen höyryksi.

Kylmäaine höyrystyy, kun höyrystimessä vallitseva lämpötila ylittää kylmäaineen kiehumispisteen. Mitä matalampi paine on, sitä alhaisempi on kiehumispisteen lämpötila. Kylmäaineen höyrystyminen sitoo energiaa aiheuttaen jäähtymistä. Tätä jäähtymistä käytetään hyväksi esimerkiksi kotitalouksien kylmälaitteissa, kaupan kylmäkalusteissa ja pakkasvarastoissa.

2. Kompressori

• imee höyrystimestä höyrystyneen kylmäaineen pois ja näin ylläpitää höyrystymistä
• puristaa kylmäainehöyryn korkeampaan paineeseen ja lämpötilaan. Kylmäaine lämpenee, kun kaasu puristetaan pienempään tilavuuteen ja kaasumolekyylien välinen kitka lämmittää kaasun
• kierrättää kylmäainetta järjestelmässä.

Kompressorissa matalapaineinen kaasu puristetaan korkeampaan paineeseen. Kylmäaine palautuu nesteeksi korkeapaineessa kylmäaineen kiehumispisteen ylittäessä lämmönvaihtimessa vallitsevan lämpötilan. Tätä korkeapainepuolen lämmönvaihdinta kutsutaan lauhduttimeksi. Mitä korkeampi paine, sitä korkeampi lämpötila tarvitaan höyrystymispisteen saavuttamiseksi. Kylmäaineen olomuoto on neste, jos lauhduttimen lämpötila on alhaisempi kuin kylmäaineen höyrystymislämpötila.

3. Lauhdutin

• poistaa lämpöenergiaa kylmäaineesta
• lauhduttaa kylmäainehöyryn nesteeksi.

Kompressorin tekemässä kaasun mekaanisessa puristustyössä syntyy lämpöenergiaa. Kylmäaineen nesteytyminen lauhduttimella vapauttaa höyrystymisessä sitoutuneen energiasisällön ja aiheuttaa näin lauhduttimen kuumenemisen. Tätä hyödynnetään esimerkiksi lämpöpumpuissa tilan lämmityksessä ja lämpimän käyttöveden valmistuksessa.

4. Paisuntalaite

• on yleensä paisuntaventtiili tai kapillaariputki
• aiheuttaa painehäviön kylmäainevirtaukseen eli paine-eron kylmäjärjestelmään yhdessä kompressorin kanssa
• annostelee oikean määrän kylmäainetta höyrystimeen.

Paisuntalaite säätelee höyrystimelle syötettävää nesteytynyttä kylmäainetta, jotta kompressorin imuun päätyy täysin höyrystynyttä eli kylläistä kylmäainekaasua.

Lähde: Kylmäaineiden käsitteleminen, Suomen Kylmäyhdistys, 2019, kirjoittanut ja toimittanut Matti Jokela. Tätä artikkelia varten muokannut Mika Kapanen.