Syväkylmää tarvitaan monella toimialalla

Suomen Kylmäpiste Oy:n toimitusjohtajalla Kristian Stenmanilla on pitkä kokemus jäähdytysjärjestelmistä, joilla tuotetaan kylmää -30 Celsius-asteesta alaspäin. Hänen mukaansa matalia lämpötiloja koskeva terminologia on horjuvaa. Hän puhuu itse normaalista pakastuslämpötilasta, kun lämpötila on -30 ja -60 asteen välissä. ”Erittäin matalista lämpötiloista tai syväpakastamisesta puhutaan, kun lämpötila menee alle -60 asteen”, Stenman sanoo.

Matalan lämpötilan jäähdytystä tarvitaan monella toimialalla. -30/-60 asteen lämpötiloja käytetään elintarviketeollisuudessa esimerkiksi pakastustunneleissa. Nopealla jäähdytyksellä varmistetaan vaikkapa kala- tai leipomotuotteiden hyvä laatu ja säilyvyys.

Tätä hieman matalampia lämpötiloja tarvitaan muun muassa joidenkin lääkkeiden säilytykseen. Esimerkiksi ensimmäisiin koronarokotteisiin tarvittiin -70 asteen säilytyskaappeja, joita Suomessa löytyi lähinnä keskussairaaloista.

Kylmähuone tykinammusten jäädytykseen

Ehkä hieman yllättäen matalan lämpötilan kylmää hyödyntävät myös eri maiden puolustusvoimat. Ne käyttävät kylmähuoneita, joissa jäädytettyjen tykinammusten lentoratoja testataan eri lämpötiloissa. Lämpötila vaikuttaa ruudin räjähtämiseen ja palamiseen.

Myös metalliteollisuudessa tarvitaan lähes sadan asteen pakkasta muun muassa kappaleiden sovitukseen. Metallit supistuvat kylmässä, jolloin esimerkiksi kuulalaakerien kokoaminen on mahdollista.

Metalliteollisuudessa käytetään muun muassa hiilihappo- eli kuivajäätä, jolla on mahdollista saavuttaa -78 asteen lämpötila. Kuivajää valmistetaan nesteyttämällä hiilidioksidi, jolloin saadaan kylmää hiilihappolunta. Lumi tiivistetään paineen alla edelleen jääpaloiksi.

-80/-155 asteen lämpötiloja tarvitaan lääketieteessä ja tutkimuksessa muun muassa virusten, bakteerien ja kudosnäytteiden pitkäaikaiseen säilytykseen. Esimerkiksi sperman ja luovutettujen munasolujen pitkäaikainen varastointi edellyttää jopa -196 asteen pakkasta.

Näin mataliin lämpötiloihin päästään nestetyppipakastimilla, joihin nestemäinen typpi syötetään ulkoisesta säiliöstä tyhjiöeristettyjä putkia pitkin. Typen kiehumispiste on -196 astetta.

Kompressorilla pääsee jopa -155 asteeseen

Stenmanin mukaan kompressoritekniikalla voidaan tuottaa jopa -155 asteen pakkasta. ”Siitä alaspäin alkaa tulla ongelmia matalapaineiden ja öljynkierron kanssa. Siksi erittäin mataliin lämpötiloihin käytetään mieluummin nestemäistä typpeä.”

Laitevalmistajilla on alhaisiin lämpötiloihin suunniteltuja kompressoreita. Yleensä kyse on hermeettisistä tai puolihermeettisistä mäntäkompressoreista.

Isommissa kylmäjärjestelmissä -60/-155 lämpötiloissa käytetään kahta kompressoria kaskadikytkennällä, jolloin ne toimivat säädöllisesti yhtenäisesti. Myös yhdellä kompressorilla on mahdollista päästä hyvin mataliin lämpötiloihin. Silloin tarvitaan ratkaisua, jota Stenman kutsuu autokaskadi-kytkennäksi.

Autokaskadi koostuu useista lämmönvaihtimista ja kylmäaineseoksesta, jossa on useita eri lämpötiloissa höyrystyviä ja lauhtuvia kylmäaineita. ”Lämmönvaihtimien avulla kylmäaineet erottuvat lämpötilaerojen mukaan. Lopulta varsinaiseen höyrystinkiertoon jää jäljelle alhaisimmassa lämpötilassa lauhtuva kylmäaine, joka sitoo alhaisesta lämpötilasta loppulämmön pois.”

Kylmäaineet vaihtuvat vaiheittain

Stenman kertoo, että -30/-60 asteen lämpötiloihin päästään vielä tavanomaisilla kylmäaineilla, joita ovat esimerkiksi R-449A, R-452A ja R-744. -60/-80 asteen lämpötiloissa kylmäaineina ovat usein R-23, R-508B, R-170 ja R-1150. -80/-110 asteen lämpötiloihin sopivat R-170 ja R-1150.

”-110/-155 lämpötiloissa käytetään monesti useiden eri kylmäaineiden seoksia, joissa on myös yleisimpiä kylmäaineita, kuten R-134A ja R-290 eli propaani. Myös argonkaasua käytetään.”

Monet matalissa lämpötiloissa käytettävät kylmäaineet ovat korkeamman ilmastolämmitysvaikutuksen eli korkean GWP-arvon kylmäaineita, joista on F- kaasuasetuksen myötä luovuttava tulevina vuosina. Stenmanin mukaan muutos tapahtuu vaiheittain, kun vanhoja laitteita korvataan uusilla. Kylmäaineiden vaihto olemassa olevien kylmäjärjestelmiin ei ole hänen mielestään teknisesti eikä taloudellisesti kannattavaa.

”Muutoksen myötä kylmäaineista jäljelle jäävät lopulta etaani, etyleeni ja propaani. Esimerkiksi syväpakastukseen käytetyissä arkuissa ja kaapeissa osa valmistajista on jo siirtynyt R404A kylmäaineesta propaaniin.”

Varaosien saanti voi olla haaste

Matalissa lämpötiloissa laitteistojen toimintavarmuus on äärimmäisen tärkeää. Kriittisten järjestelmien toimintavarmuutta parannetaan yleensä kahdentamalla kylmäjärjestelmä. Laboratorioissa laiterikkojen varalta on myös varapakastimia, joihin näytteet voidaan tarvittaessa siirtää.

”Mitä alhaisempi lämpötila, sitä yleisempiä ovat öljynkiertoon liittyvät ongelmat. Jos öljy alkaa jäätyä, se ei mene syöttölaitteista läpi ja järjestelmä lämpenee”, Stenman kertoo.

Hänen mukaansa matalan lämpötilan kylmälaitteiden korjauksessa haasteena voi olla myös varaosien saatavuus. Ne ovat Suomessa joskus kiven alla.

Tutkimuspuolella myös syväpakastimien sijoittelu on hyvä huomioida, sillä laitteet tuottavat paljon lämpöä ulkopuoliseen ympäristöön. Lauhtumislämmön pois siirtämiseksi tarvitaankin usein erillistä tilajäähdytystä. ”Osa syväpakastusjärjestelmistä on vesilauhdutteisia, jolloin lauhdelämpö saadaan siirrettyä erilliseen vedenjäähdytys järjestelmään.”