Kylmäaineiden ja -liuosten jaottelu
Jäähdytysjärjestelmät edellyttävät toimiakseen järjestelmän läpi kulkevaa ainetta, joka siirtää lämmön jäähdytettävästä kohteesta lämmönvaihtimen läpi itseensä. Suorassa jäähdytysjärjestelmässä jäähdytyskoneiston läpi kulkee höyrystyvä aine, jota kutsutaan kylmäaineeksi. Aineen ollessa erillinen neste, ns. kylmäliuos (ei-höyrystyvä), käytetään järjestelmästä nimitystä välillinen järjestelmä.
Kylmäaineet
Kylmäaineet ovat pääsääntöisesti hiilivetyjä, joiden vetyatomeja on eri tavoin prosessoimalla korvattu halogeenimolekyyleillä. Lainsäädännössä kylmäaineiden jaottelu tehdään juuri halogeenimolekyylien perusteella. Halogeenihiilivedyt voidaan jakaa halogeenimolekyylien perusteella seuraaviin ryhmiin:
CFC-kylmäaineet ovat täysin halogenoituja hiilivetyjä, jotka sisältävät klooria, fluoria ja hiiltä, muttei lainkaan vetyä (Chloro-Fluoro-Carbon). Ne ovat suuren otsoni- ja merkittävän kasvihuonehaitallisuuden omaavia kylmäaineita.
HCFC-kylmäaineet ovat osittain halogenoituja hiilivetyjä, jotka sisältävät klooria, fluoria, hiiltä ja vetyä (Hydro-Chloro-Fluoro-Carbon). Niillä on vähäinen vaikutus otsonikerrokseen, mutta sen sijaan merkittävä haitallinen vaikutus kasvihuonepäästöihin.
HFC-kylmäaineet ovat puolestaan osittain halogenoituja hiilivetyjä, jotka sisältävät fluoria, hiiltä ja vetyä (Hydro-Fluoro- Carbon). HCFC-aineiden tapaan ne ovat otsonihaitattomia, mutta merkittävän kasvihuonehaitallisuuden omaavia kylmäaineita.
PFC-kylmäaineet ovat täysin halogenoituja hiilivetyjä, jotka sisältävät ainoastaan fluoria ja hiiltä (Per-Fluoro-Carbon). Edellä mainittujen tapaan myös PFC-aineet ovat otsonihaitattomia, mutta merkittävän kasvihuonehaitallisuuden omaavia kylmäaineita.
HFO-kylmäaineet ovat osittain halogenoituja hiilivetyjä, jotka sisältävät fluoria, hiiltä ja vetyä (Hydro-Fluoro- Olefin). Aiempiin verrattuna HFO-aineet ovat sekä otsonihaitattomia että alhaisen kasvihuonehaitallisuuden omaavia kylmäaineita.
HFC- ja PFC- kylmäaineet ovat ns. fluorihiilivetyjä ja niitä kutsutaan yleisesti F-kaasuiksi. HFO-kylmäaineet ovat myös F-kaasuiksi luokiteltavia aineita. HFO-aineet eroavat HFC-aineista molekyylirakenteen suhteen: HFO-aineissa on niin sanottu kaksoissidos kahden hiiliatomin välillä; HFC-aineissa on vain yksöissidoksia hiiliatomien välillä.
F-kaasuasetus käsittelee HFO/HFC-seoksia aivan kuten puhtaita HFC-aineitakin, mutta puhtaat HFO:t puolestaan ovat F-kaasuasetuksen osalta vain raportoinnin piirissä.
Edellä esitettyjen ryhmien lisäksi on olemassa vielä ryhmä kylmäaineita, jotka eivät sisällä lainkaan halogeenimolekyylejä. Näitä kylmäaineita kutsutaan ns. luonnonmukaisiksi kylmäaineiksi (natural refrigerants). Tällaisia kylmäaineita ovat mm. puhtaat hiilivedyt, ammoniakki ja hiilidioksidi. Näitä aineita esiintyy luonnossa sellaisenaan, eivätkä ne ole haitallisia ilmakehän otsonikerrokselle ja niiden kasvihuoneilmiötä lisäävä vaikutus on nolla tai lähes nolla. Luonnonmukaiset kylmäaineet voidaan jakaa kahteen ryhmään:
HC-kylmäaineet eli puhtaat hiilivedyt (Hydro-Carbon), kuten esimerkiksi propaani (R290) ja butaani (R600)(propeeni, isobutaani ja propyleeni) ovat otsonihaitattomia kylmäaineita, joiden GWP-arvo (kasvihuonehaitallisuus) on käytännössä merkityksetön. Ne ovat kuitenkin erittäin syttymisherkkiä, mikä asettaa rajoituksia niiden käytettävyydelle.
Epäorgaaniset kylmäaineet (Inorganic Compounds), joista käytetyimpiä ovat ammoniakki (R717) ja hiilidioksidi (R744). Molemmat edellä mainitut aineet ovat haitattomia otsonikerrokselle; ammoniakin GWP-arvo on 0 ja hiilidioksidin 1, kun vastaavat arvot CFC- ja HFC-aineilla lähtevät 1300:sta ylöspäin. Muita epäorgaanisia kylmäaineita ovat esimerkiksi vesi ja ilma. Ammoniakin haittapuolena ovat sen myrkyllisyys sekä pitoisuudesta ja lämpötilasta johtuvat räjähdysominaisuudet suljetuissa tiloissa. Muissa olosuhteissa ammoniakki ei ole helposti syttyvää. Näiden ominaisuuksien vuoksi ammoniakin käyttö edellyttää kuitenkin erikoiskonehuonetilaa. Hiilidioksidi taasen syrjäyttää suurissa pitoisuuksissa hapen, mikä saattaa aiheuttaa erilaisia oireita ja pahimmillaan tukehtumisen.
Kylmäaineiden merkintä
Kylmätekniikassa kylmäaineita merkitään kansainvälisesti sovitulla symbolilla R (refrigerant) ja sen perässä olevilla numeroilla. Halogeenihiilivedyillä (CFC, HCFC, HFC) numero ilmaisee järjestyksessä hiili-, vety- ja fluoriatomien lukumäärän. Jos molekyylissä on enemmän kuin yksi hiiliatomi, voi atomien sijainti vaihdella koostumuksen pysyessä muuttumattomana. Näitä ns. monomeereja erotetaan toisistaan numerokoodin perässä olevalla kirjaimella (esim. R134a). Eräille ns. atseotrooppisille halogeenihiilivetyseoksille käytetään niiden keksimisjärjestyksen mukaan symbolista R500 eteenpäin olevaa numerointia ja tseotrooppisille kylmäaineseoksille symbolista R400 alkaen. Butaaneille on varattu luvut 600:sta ylöspäin. Epäorgaanisille yhdisteille on sovittu merkintäkäytäntö symbolista R700 alkaen. 700 ylimenevä osa ilmoittaa aineen moolimassan, esimerkiksi ammoniakki on R717 ja ammoniakin moolimassa täten 17.
Kylmäliuokset
Kylmäliuoksia käytetään epäsuorassa jäähdytyksessä ja epäsuorassa lauhdutuksessa. Yleisimpiä vesiliuoksia ovat etyleeniglykoli-vesi, propyleeniglykoli-vesi, etanoli-vesi, kalsiumkloridi (CaCl2) -vesi, kaliumformiaatti-vesi ja ammoniakki-vesi. Eri kylmäliuosten ominaisuudet poikkeavat toisistaan ympäristöominaisuuksien, materiaalivaikutusten, terveysominaisuuksien, pumpattavuuden sekä lämmönsiirto-ominaisuuksien suhteen.
Kylmäliuoksena pyritään käyttämään ensisijaisesti sellaisten jäätymättömien nesteiden vesiliuoksia, joita joko esiintyy luonnossa tai jotka luontoon päästettyinä hajoavat itsestään ympäristölle vaarattomiksi yhdisteiksi. Kylmäliuoksen lämpötilataso vaihtelee käyttötilanteen mukaan, mitoituslämpötilat voivat olla esimerkiksi –12/– 9 ºC ja toimintalämpötilat –10/–8 ºC.
Epäsuorien jäähdytysjärjestelmien suosio on kasvanut CFC- ja HCFC-aineiden aiheuttamien ympäristöongelmien, lainsäädännössä tapahtuneiden muutosten ja ammoniakkitäytösten turvallisuusriskien myötä. Järjestelmiä on asennettu pääasiassa elintarviketeollisuuteen ja jäähalleihin, mutta ne soveltuvat myös vähittäismyymälöiden kylmäsäilytykseen.
Epäsuorassa jäähdytysjärjestelmässä tarvittavat kylmäliuosmäärät ovat usein hyvinkin suuria, mutta kylmäainetäytökset varsin pieniä. Kylmäliuoksen valinnalla ja siihen pohjautuvalla järjestelmän suunnittelulla, rakentamisella ja ylläpidolla on siten erittäin suuri merkitys järjestelmän investointikustannuksiin, taloudellisuuteen ja käytettävyyteen.
Kylmäliuosvaihtoehdot ja niiden ominaisuudet
Tärkeintä kylmäliuospiirin suunnittelussa on hyvän lämmönsiirtokyvyn omaavan kylmäliuoksen valinta. Erinomaisen lämmönsiirtokykynsä ja useiden muiden positiivisten ominaisuuksiensa ansiosta vesi on erinomainen lämmönsiirtoneste epäsuoriin jäähdytysjärjestelmiin. Sovelluksissa, joissa lämpötila laskee nollan alapuolelle, on jäätymispistettä alentavan aineen käyttö kuitenkin välttämätöntä. Ainetta valittaessa tulee ottaa huomioon nesteen lämmönjohtokyky, jäätymispiste, yhteensopivuus metallien, metalliseosten ja tiivisteiden kanssa, stabiilius käyttöolosuhteissa, myrkyttömyys, biohajoavuus, korkea leimahduspiste ja järkevä hinta.
Eri kylmäliuosten ominaisuudet poikkeavat toisistaan ympäristöominaisuuksien, materiaalivaikutusten, terveysominaisuuksien, pumpattavuuden sekä lämmönsiirto-ominaisuuksien suhteen. Liuosten termodynaamisista ominaisuuksista viskositeetilla on suhteellisesti suurin vaikutus kylmälaitoksen kylmätehoon ja tarvittavaan lämmönsiirtopinta-alaan. Lämmönsiirtopinta-alalla on taasen vaikutusta investointikustannuksiin. Yleisimmin käytettyihin kylmäliuoksiin lukeutuvat glykolit (propyleeni ja etyleeni), alkoholit (etanoli) sekä orgaaniset (kaliumformiaatti, kaliumasetaatti) ja epäorgaaniset suolat (kalsiumkloridi).
Vesi-alkoholi- / -glykoliseokset
Monohydriset alkoholit kuten metanoli ja etanoli laskevat tehokkaasti jäätymispistettä ja lisäksi ne sopivat epäorgaanisia suoloja paremmin yhteen erilaisten, yleisesti käytettyjen rakennusmateriaalien kanssa. Metanolin myrkyllisyys tekee siitä kuitenkin sopimattoman elintarviketeollisuuden sovelluksiin. Etanolin suurin heikkous on sen matala kiehumispiste, joka laskee samalla etanoliliuosten kiehumispistettä.
Etyleeni- ja propyleeniglykoli laskevat jäätymispistettä alkoholien lailla, mutta samaan aikaan ne nostavat seoksen kiehumispistettä. Helppokäyttöisyytensä ansiosta elintarvikelaatuinen propyleeniglykoli on elintarviketeollisuudessa pääasiallisesti käytetty epäsuoran jäähdytyksen kylmäaine. Sen vahvuuksia ovat korkea viskositeetti ja myrkyttömyys, varjopuolia puolestaan korkeampi hinta ja heikompi lämmönsiirtokyky.
Orgaaniset suolat
Orgaaniset suolat, kuten kaliumformiaatti, tarjoavat ratkaisun etsittäessä tehokasta lämmönsiirtonestettä sovelluksissa , jotka vaativat -20oC tai kylmempien olosuhteiden kestoa sekä hyväksyttävää yhteensopivuutta eri materiaalien kanssa. Orgaanisten suolojen vahvuuksia ovat hyvä lämmönsiirtokyky, korkea ominaislämpökapasiteetti ja myrkyttömyys. Niiden haittapuolina on puolestaan korkeampi korrosoivuus, joka tulee ottaa huomioon materiaalivalintoja tehtäessä. Korroosionestoaineilla voidaan pienentää etenkin alumiinin korroosiota orgaanisissa suolaliuoksissa tarpeen mukaan. Orgaanisilla suolaliuoksilla itsessään on pH:n puskuriominaisuuksia ja niiden hajoamistuotteet eivät ole syövyttäviä, mitkä laskettakoon niiden eduiksi.
Epäorgaaniset suolat
Perinteisellä, kaliumkarbonaattia tai kalsiumkloridia sisältävällä suolaliuoksella on hyvä lämmönjohtokyky. Se on myrkytön, edullinen ja painaa nesteen jäätymispisteen tehokkaasti alaspäin. Klorideja sisältävien liuosten suurin ongelma on kuitenkin metallien pistekorroosio. Ainoastaan titaani on täysin immuuni pistekorroosiota vastaan. Tämä heikentää liuoksen käytettävyyttä yksinkertaisissa teollisissa jäähdytysjärjestelmissä. Oikealla inhibiitillä on mahdollista käyttää kalsiumkloridia kuparin, titaanin, hiiliteräksen ja valuraudan kanssa.
Jäähdytysjärjestelmään parhaiten sopivan nesteen valitsemiseksi tulee ensimmäisenä selvittää onko kyseessä suora vai epäsuorajärjestelmä. Tämän jälkeen tulee arvioida ympäristöominaisuuksien, materiaalivaikutusten, terveysominaisuuksien, pumpattavuuden sekä lämmönsiirto-ominaisuuksien merkitys kyseisessä käyttötarkoituksessa. Algol Chemicalsin tuoteportfolio pitää sisällään ratkaisuja sekä suoriin että epäsuoriin järjestelmiin. Toimittajiemme ja asiakkaidemme kautta hankkimamme kokemuksen ja tietotaidon avulla, voimme auttaa parhaan jäähdytysnestevaihtoehdon valinnassa.
