Soveltava tutkimus tuo kylmäalalle uusia ratkaisuja

Lappeenrannassa ja Lahdessa toimivassa LUT-yliopistossa kylmä- ja lämpöpumpputekniikkaan liittyvää tutkimusta tehdään ennen muuta virtaustekniikan ja termodynamiikan laboratorioissa. Energiatekniikan professori Teemu Turunen-Saaresti vetää virtaustekniikan laboratoriossa 16 hengen tutkimusryhmää, joka vastaa virtaustekniikan, laskennallisen virtaustekniikan ja energianmuuntoprosessien tutkimuksesta sekä opetuksesta.

”Teemme teoreettista tutkimusta, mutta sen ohella laboratoriossa tehdään myös paljon soveltavaa tutkimusta, jossa kehitämme uusia käytännön ratkaisuja ja sovelluksia. Tässä hyödynnämme tutkittua tietoa”, Turunen-Saaresti kertoo.

Virtaustekniikan tutkimuksissa tavoitteena on esimerkiksi energianmuuntoprosessien ja – koneiden hyötysuhteiden parantaminen. Tutkimusmenetelmiin kuuluvat kokeellinen ja laskennallinen virtausmekaniikka sekä energiamuuntoprosessien ja -koneiden mallintaminen.

Uudenlaiset kompressorit tärkeä tutkimusalue

Teemu Turunen-Saarestin mukana virtaustekniikan laboratoriossa keskeinen tutkimusalue ovat kompressorit, jotka soveltuvat erityisesti suuremman kokoluokan lämpöpumppuihin. Numeeristen mittausten ohella tutkimusryhmä tekee mallinnuksia ja kompressorien suunnittelua.

”Suunnittelemme kompressoreista eräänlaisia prototyyppejä ja tutkimme niiden virtaustekniikkaa. Viime aikoina on testattu muun muassa turbo- ja keskipakokompressoreja.”

Tutkimukset kattavat myös erittäin kuumia lämpötiloja tuottavat lämpöpumppujärjestelmät. Laboratoriossa testataan esimerkiksi suurnopeustekniikkaan perustuvia öljyttömiä ja hermeettisiä kompressoreja.

Tutkimuksen keskiössä luonnolliset kylmäaineet

Tutkijoita kiinnostaa myös, miten eri kylmäaineiden käyttö kiertoaineena vaikuttaa kompressorien toimintaan. Tutkimusaiheissa heijastuvat F-kaasuasetuksen vaikutukset kylmäaineisiin.

”Tutkimuksen painopiste on siirtynyt vahvasti luonnollisiin kylmäaineisiin. Vanhoja korkean GWP-arvon kylmäaineita ei juuri enää tutkita”, Turunen-Saaresti sanoo.

Luonnollisista kylmäaineista eniten tutkitaan hiilidioksidin käyttäytymistä eri olosuhteissa. Laboratoriosta löytyy muun muassa tutkimuslaite, jolla voidaan tutkia ylikriittisen hiilidioksidin käyttöä lämmön siirtoon erilaisissa kylmäprosesseissa ja suurissa lämpöpumpuissa. ”Hiilidioksidin käyttäytymisen seuraaminen kaasun lähestyessä kriittistä pistettä on perustutkimusta, josta on kuitenkin lyhyt askel käytännön teknisiin sovelluksiin.”

Yritykset testauttavat laitteita koetilassa

LUT-yliopiston termodynamiikan laboratoriossa tutkitaan laaja-alaisesti energiajärjestelmiä ja niihin liittyviä prosesseja ja ilmiöitä. Kymmenhenkistä tutkimusryhmää johtaa energiatekniikan professori Tero Tynjälä.

Laboratoriosta löytyy esimerkiksi olosuhdetila, jossa on mahdollista tehdä kokeellista tutkimusta eri lämpötila- ja kosteusoloissa. Tynjälä sanoo, että koetilassa päästään alimmillaan -20 asteen pakkaslukemiin.

”Tavoitteena on kehittää jatkossa olosuhdetilaa ja lisätä jäähdytystehoa, jotta pääsemme entistä kylmempiin olosuhteisiin. Tällaiselle testiympäristölle on tarvetta”, Tynjälä arvioi.

Olosuhdetilassa väitöskirjatutkijat tekevät akateemista tutkimusta ja opiskelijat harjoitustöitä. Tilaa hyödyntävät myös laitevalmistajat, jotka haluavat mittauttaa ja tutkia esimerkiksi lämmönvaihtimiensa käyttäytymistä eri lämpötiloissa ja kosteusoloissa.

”Mittaamme ja mallinnamme esimerkiksi ilmalämpöpumppujen ulkoyksiköiden huurtumista. Tästä päästään miettimään keinoja, miten huurtumista voidaan vähentää ja helpottaa sulatusta”, Tynjälä sanoo.

Yhteistyö yritysten kanssa on muutenkin oleellinen osa LUT-yliopiston kylmä- ja lämpöpumppualan tutkimusta. Yritysten kanssa tehtävät hankkeet tähtäävät yleensä jonkun tietyn teknisen ominaisuuden kehittämiseen tai ongelman ratkaisuun.

Uusi professuuri vahvistaa osaamista

Teemu Turunen-Saaresti huomauttaa, että kylmä- ja lämpöpumpputekniikka laajenee uusille sovellusalueille, mikä lisää tarvetta tasokkaalle tutkimukselle ja opetukselle. Tätä korostavat myös sääntelyn, kuten F-kaasuasetuksen, tuomat muutokset. LUT-yliopistossa alan tutkimusta ja opetusta vahvistaa tänä syksynä alkava lämpöpumppu- ja kylmätekniikan professuuri.

Kylmä- ja lämpöpumpputekniikan tutkimusta ja opetusta tehdään LUT-yliopiston energiatekniikan osaston alaisuudessa. Energiatekniikan kandidaatti- ja maisteriohjelmiin kuuluvat pakollisina opintoina muun muassa virtaustekniikan ja termodynamiikan peruskurssit. Valinnaisissa opinnoissa on tarjolla esimerkiksi voimalaitosten, kylmäprosessien ja lämpöpumppujärjestelmien prosesseihin keskittyviä kursseja.

Tutkimusryhmissä on suomalaisten ohella myös useita ulkomaalaisia tutkijoita. ”Se kertoo, että LUT-yliopistossa tehdään kansainvälisesti kiinnostavaa tutkimusta. Meillä on myös hyvät tilat ja laitteet tehdä tutkimusta. Harvassa yliopistossa on tähän yhtä monipuoliset mahdollisuudet”, Turunen-Saaresti sanoo.

LUT-yliopistolla on muutamia kylmä- ja lämpöpumpputekniikkaan liittyviä patentteja. Turunen-Saarestin mukaan niitäkin tärkeämpiä ovat kansainvälisiin tieteellisiin julkaisuihin tehtävät tasokkaat artikkelit.