Jääkaappi

Jääkaappi.

Esimerkki jääkaapin energiamerkinnöistä.

Jääkaapin tarkoitus on tarjota ympäristöään viileämpi tila lämmönaroille tuotteille. Tällaisia tuotteita ovat esimerkiksi helposti pilaantuvat elintarvikkeet, kuten maito ja liha tai lämmönarat lääkkeet.

Jääkaappi saa nimensä historiallisesta tavasta säilyttää lämmönarkoja tuotteita; jäätä ostettiin jäänmyyjiltä, ja kotona jää laitettiin siihen tarkoitukseen valmistettuun kaappiin, jonka sisätilan jää piti näin ympäristöä viileämpänä.

Nykyisellään jääkaapit ovat teknisiä laitteita, joiden toiminta perustuu lämmön siirtämiseen kaapin sisältä kaapin ulkopuolelle eikä viileän (jää) laittamiseen kaapin sisälle.

Tutuin jääkaapin toimintaperiaate lienee suurimmalle osalle ihmisistä nesteen höyrystymiseen (sitoo lämpöä) ja tiivistymiseen (luovuttaa lämpöä) perustuvat jääkaapit, joissa mekaaninen kompressori paineistaa lämpöä jääkaapista sitonutta kylmäainetta ja johtaa sen jääkaapin takana olevaan lauhduttimeen, jossa se jäähtyessään tiivistyy kaasusta nesteeksi. Lauhduttimesta neste johdetaan passiiviseen paineenalentimeen eli höyrystimeen, joka taas sitoo lämpöä eli tuottaa kylmää; nesteen muuttuminen höyryksi sitoo lämpöä. Höyrystinosa on jääkaapin sisäpuolella. Jääkaapeissa, joissa on kaapin sisäinen pakastelokero, höyrystin ympäröi pakastelokeroa. Höyrystimestä kylmäaine johdetaan taas kompressoriin, ja jäähdytyssykli toistuu, kunnes sykli pysäytetään esimerkiksi termostaatin ohjaamana. Tyypillisimmillään kompressoria pyörittää sähkömoottori, mutta periaatteessa mikä tahansa liike-energia voitaisiin valjastaa kompressorin energianlähteeksi.

Muita kuin kompressoriin perustuvia jääkaappiteknologioita ovat muun muassa kaasujääkaappi ja Peltier-elementtiin perustuvaa tekniikkaa käyttävät kylmälaukut

Jääkaappia, jossa on pieni – erillisen oven takana oleva – pakastinosa, kutsutaan jenkkikaapiksi.

Jääkaappi on nykyään yksi yleisimpiä sähköisiä kodinkoneita maailmassa.

Historia

1920-luvun jääkaappi. Christian Steenstrupin suunnittelema General Electric "Monitor top" malli.

Ennen muinoin jäähdyttäminen tapahtui ympäröimällä jäähdytettävä aines kastelluilla vaatteilla, joista haihtuva neste sitoi lämpöä. Toinen jäähdytyskeino oli jää, jota tuotiin pitkienkin matkojen takaa. Jään myynti oli tuolloin kannattavaa liiketoimintaa. Jääkaappi-nimityskin on peräisin tuosta jään suurkulutuksesta. Jäätä saatettiin sahata talvella järvistä ja säilyttää sitten suuria määriä kesäksi sahanpurukasan suojassa. Suomessa jäätä käytettiin maidon jäähdyttämiseen maitotiloilla ennen sähköistyksen etenemistä syrjäseuduille.

1800-luvulla alettiin valmistaa myös jäälohkarekaappeja elintarvikkeiden säilytystä varten. Puiset sisältä vuoratut ja eristetyt kaapit jäähdytettiin kaappiin erityiseen lokeroon sijoitettujen jääpalojen avulla. Jäätä täytyi lisätä muutaman päivän välein samalla kun sulamisvesiastia tyhjenettiin kaapista. Ensimmäiset jäälohkarekaapit tulivat Suomeen 1800-luvun lopulla ja 1900-luvun alussa muun muassa Auran Rautateollisuus Oy valmisti Temperator-merkkisiä jäälohkarekaappeja.

Ensimmäinen tunnettu jäähdytyskoe tehtiin vuonna 1748. Kokeen suoritti keksijä nimeltä William Cullen Glasgow'n yliopistossa, mutta hän ei keksinyt tälle mitään käytännön hyötyä. Vuonna 1805 amerikkalainen keksijä Oliver Evans suunnitteli ensimmäisen jäähdytyskoneen, ja vuonna 1834 Jacob Perkins rakensi ensimmäisen jäähdytyskoneen, joka käytti eetteriä höyryn tiivistymisjärjestelmässä. Saksalainen insinööri Carl von Linde patentoi vuonna 1876 menetelmän, jolla höyrystetään kaasu, mistä käynnistyi nykyaikainen kylmätekniikka.

Jääkaapit myöhäiseltä 1800-luvulta aina vuoteen 1929 käyttivät myrkyllisiä kaasuja ammoniakkia (NH₃), metyylikloridia (CH₃Cl) ja rikkidioksidia (SO₂) jäähdytysaineinaan. Useita kuolemaan johtaneita onnettomuuksia sattui 1920-luvulla, kun metyylikloridia vuosi jääkaapeista. Kolme amerikkalaista yritystä aloitti yhteistyötutkimuksen, johon osallistui Thomas Midgley, kehittääkseen vähemmän vaarallisen tavan jäähdyttämiseen. Tuloksena oli myrkyttömien freonien keksiminen ja niiden käyttöönotto jääkaapeissa 1930-luvulla.

1950-luvun jääkaappi.

Ensimmäisten kotijääkaappien kompressoriosat olivat niin suuria, että ne asennettiin kellariin. Yksiosaiset jääkaapit tulivat markkinoille 1900-luvun alkuvuosikymmeninä. Tuotemerkkejä olivat esimerkiksi Frigidaire, Electrolux ja Kelvinator. Nämä olivat kalliimpia kuin autot, joten niiden markkinat pysyivät pienenä. Joka kodin varusteen jääkaapista teki vuonna 1927 General Electric tuodessaan markkinoille Christian Steenstrupin suunnitteleman mallin, jonka lempinimi oli Monitor top. Nimitys johtui kaapin päällä olevasta pyöreästä lauhduttimesta, joka muistutti sotalaiva USS Monitorin tykkitornia. Lauhduttimen sisällä oli kompressori. Kaapin pellit oli emaloitu valkoisiksi. Tukeva ovi sulkeutui tiiviisti ja auttoi säilyttämään kylmää. Kaapin hinta oli aluksi 525 dollaria, mutta laski vähitellen 290 dollariin. Vuosien 1927 ja 1936 välillä näitä valmistettiin yli miljoona kappaletta.

Kylmäsuunnittelun ongelmakohtia

Ennen toista maailmansotaa jääkaapin koneisto sijaitsi kaapin päällä, ja senaikaisten moottorien hyötysuhde oli lähes 90 %. Vuonna 1984 moottorien hyötysuhde oli enää 60 %, kun moottori oli siirtynyt kaapin alapuolelle. Kun moottorin tuottama lämpö nousi ylös, sen oli tehtävä työtä poistaakseen itse tuottamaansa lämpöä. Tähän kului jopa puolet käytetystä energiasta.

Vuosien kuluessa jääkaappien valmistajat ovat yrittäneet kasvattaa kaapin sisätilavuutta vähentämällä sen lämpöeristystä. Useimmiten jääkaappi on suunniteltu niin, että kun sen oven avaa, jäähdytetty ilma valuu ulos. Samalla jääkaappi huurtuu, ja huurteen poistamiseksi joihinkin jääkaappeihin on rakennettu sisäpuolelle sähkölämmitys. Joissakin malleissa on ollut sähkölämmitin ovessa, jottei sen tiiviste tarttuisi kiinni. On valmistettu malleja, joiden ulkoseinissäkin on sähkölämmitys estämään huoneilman kosteuden tiivistymistä.

Kilpajuoksu pohjalle

Vuonna 1975 amerikkalaisen jääkaapin vuosittainen sähkönkulutus oli 1800 kilowattituntia. Kiristettyjen säädösten ansiosta vuoteen 1980 mennessä jääkaappien vuosittainen sähkönkulutus laski 1400 kWh:iin. Tuolloin parhaat mallit ylsivät noin 933 kWh:iin. Mutta alemmas voitiin päästä. Vuonna 1981 tavallinen japanilainen jääkaappi käytti 700 kWh – parhaat enää 550 kWh vuodessa. Teoriassa voitiin päästä sitäkin alemmas, ja se myös kannattaisi rahallisesti ainakin 260 kWh:iin asti. Vuonna 1984 kalifornialainen suunnittelija Larry Schlussler rakensi jääkaapin prototyypin, joka käytti vain 15 kWh vuodessa. Jopa sekin voitaisiin ehkä alittaa käyttämällä passiivista jäähdytystä.

Toimintaperiaate

Nykyaikaiset jääkaapit perustuvat höyrynpuristusprosessiin. Sähkökäyttöinen kompressori puristaa kaasumaisen kylmäaineen tulistuneeksi kaasuksi paineputkeen, josta kylmäaine jatkaa kulkua lauhduttimeen. Jääkaapin takana olevassa lauhdutinputkistossa kylmäaineen lämpötila laskee noin 10-15 celsiusastetta, lähelle huoneenlämpöä, jolloin sen olomuoto muuttuu kaasusta nesteeksi. Paineenalainen kylmäaine ohjataan paisuntaventtiilin läpi höyrystimeen, jossa paineen laskiessa kylmäaine höyrystyy ja samalla jäähtyy noin -10 °C:n lämpötilaan. Jääkaapin sisäpuolella oleva kylmä höyrystin sitoo lämpöenergiaa jääkaapin sisältä, jolloin jääkaapin lämpötila laskee.

Sellaisissa käyttökohteissa, joissa sähkön käyttäminen ei ole mahdollista, voidaan käyttää absorptiojääkaappia.

Jäähdytysaineet

Aiemmin käytetyt freonit eli CFC-yhdistekaasut vahingoittivat maapallon ilmakehän otsonikerrosta voimakkaasti. Tämä huomattiin vasta vuosikymmenien jälkeen ja freonien käyttö lopetettiin kokonaan. Nykyään kylmäaineina käytetään luonnon hiilivetyjä esimerkiksi HFC-134a, jotka ovat vähemmän haitallisia luonnolle. Uusimmissa eurooppalaisissa laitteissa kylmäaineena käytetään isobutaania. Isobutaani on tulenarkaa, mutta kodin kylmäkoneissa tarvittava kylmäainetäytös on hyvin pieni, noin 15-70 grammaa. Isobutaanin GWP-arvo, eli vaikutus kasvihuoneilmiöön on vain kolme (3), kun esimerkiksi HFC-134a kylmäaineella arvo on 1300. Lisäksi jääkaappien energiatehokkuus on kasvanut selvästi jonka vuoksi uusien jääkaappien hiilijalanjälki on aiempaa pienempi.

Lähteet

• Chaline, Eric: 50 konetta jotka muuttivat maailmaa. ((Fifty Machines that Changed the Course of History, 2012.) Suomentanut Veli-Pekka Ketola) Vantaa: Moreeni, 2013. ISBN 978-952-254-160-4

Aiheesta muualla

• Kodinkonevalmistajien informaatiota kylmälaitteista
• Suomen jäähdytystekniikan museo Ylöjärvellä esittelee kylmätekniikan kehitystä Suomessa
• http://home.howstuffworks.com/refrigerator.htm
• http://inventors.about.com/library/inventors/blrefrigerator.htm (Arkistoitu – Internet Archive)