Ψύξη, Μία σύντομη γνωριμία με την Κρυογενική Ψύξη

Γράφει ο Δημήτρης Μενεγάκης, Μηχανολόγος – Μηχανικός

Ο όρος ″κρυογενική″ είναι μια λέξη της δικής μας γλώσσας, που σημαίνει ″γέννηση κρύου″ και σε ελεύθερη απόδοση σημαίνει ″παραγωγή ψύξης″. Ο όρος αυτός χρησιμοποιείται διεθνώς, αλλά πρέπει από το ξεκίνημα μας να τονίσουμε, ότι ο όρος αναφέρεται στην περιοχή των πιο χαμηλών θερμοκρασιών της φύσης, που αρχίζει από τους -90⁰C και φτάνει στο απόλυτο μηδέν, δηλαδή στους -273⁰C (-460⁰F).

Πριν προχωρήσω θέλω να σας υπενθυμίσω, ότι στη θερμοκρασία αυτή, στο απόλυτο μηδέν, μηδενίζεται ο όγκος των αερίων, με άλλα λόγια παύουν να υπάρχουν τα αέρια. Θα ήθελα ακόμη να θυμίσω ότι αυτό το απόλυτο μηδέν είναι η αρχή των μετρήσεων των θερμομέτρων, Κέλβιν (⁰Κ) και ρεωμήρου (⁰R). Κατά συνέπεια το απόλυτο μηδέν ισοδυναμεί με -273⁰C, με -460⁰F- με O⁰K και με O⁰R. Με αυτές τις απαραίτητες υπενθυμίσεις, θα προχωρήσω σε μια σύντομη καταγραφή της ιστορικής εξέληξης της κρυογενικής.

Ο άνθρωπος άρχισε πολύ νωρίς να ενδιαφέρεται για τη φύση διαφόρων υλικών σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Παρά ταύτα, μόνο στις αρχές του 20ου αιώνα άρχισε η συστηματική έρευνα, γύρω από αυτό το θέμα. Η βάση λοιπόν της κρυογενικής μηχανικής ήταν η υγροποίηση του αζώτου (-196⁰C) από τον Γερμανό Linde και του υδρογόνου (-253⁰C) από τον Άγγλο James Dewar, το 1898 σχεδόν ταυτόχρονα. Η συνέχεια δόθηκε με την υγροποίηση του ηλίου (-269⁰C) από τον Kemmerling Onnes το 1908 στην Αμερική. Ήταν τεράστιο το επιστημονικό ενδιαφέρον, αλλά σχεδόν ανύπαρκτο το εμπορικό, πράγμα που μέτρησε αρνητικά για την εξέλιξη της κρυογενικής. Μέχρι το 1940 η έρευνα στον τομέα της κρυογενικής γίνονταν μόνο σε λίγα Πανεπιστήμια της Ευρώπης και της Αμερικής και σε ακόμη πιο λίγα κρατικά εργαστήρια. Ένα μεγάλο άλμα πραγματοποιήθηκε τότε, όταν μερικά από τα σπουδαιότερα Πανεπιστήμια της Αμερικής και της Ευρώπης, αλλά και κάποιες κρατικές υπηρεσίες, ξεκίνησαν σοβαρές επιστημονικές έρευνες στον τομέα της κρυογενικής. Η μεγάλη επιτυχία σημειώθηκε το 1947 όταν ο καθηγητής Collins του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης (Μ.Ι.Τ.) κατασκεύασε τον πρώτο υγροποιητή ηλίου, που βελτιώθηκε και τελειοποιήθηκε από τον ίδιο. Από τότε άρχισε το ενδιαφέρον για τη χρησιμοποίηση των υγροποιημένων αερίων.

Με τον υγροποιητή του Collins η έρευνα έφτασε σε θερμοκρασία βρασμού του ηλίου σε ατμοσφαιρική πίεση τους -269⁰C και η κρίσιμη θερμοκρασία αυτού του αερίου, δηλαδή η πιο υψηλή θερμοκρασία της υγρής του κατάστασης είναι μόνο 1⁰Κ, που σημαίνει ότι απέχει ελάχιστα, μόλις 1⁰C περίπου από το απόλυτο 0. Μελετήθηκε η συμπεριφορά των διαφόρων υλικών στις θερμοκρασίες αυτές με αποτέλεσμα να προκύψουν νέα υλικά, αλλά και νέες τεχνικές, ως προς την μεταφορά, την αποθήκευση, τη χρήση, καθώς επίσης και οι απαραίτητοι μηχανισμοί και τα απαιτούμενα όργανα.

Αποτέλεσμα όλων αυτών των προσπαθειών ήταν η αύξηση του εμπορικού ενδιαφέροντος για τις εφαρμογές στην περιοχή των πολύ χαμηλών θερμοκρασιών, ιδιαίτερα στον τομέα της πολεμικής βιομηχανίας, της κατασκευής πυραύλων για στρατιωτικούς σκοπούς και την εξερεύνηση του διαστήματος, αλλά και για την ιατρική. Στον τομέα της δικής μας ψυκτικής τεχνολογίας δεν έχουν πολλά σημαντικά βήματα, προς το παρόν τουλάχιστο, λόγω του υψηλού κόστους της κρυογενικής ψύξης. Πάντως γίνονται σοβαρές μελέτες και το μέλλον θα δώσει τις απαντήσεις του. Αυτό είναι παραπάνω από σίγουρο, γιατί δεν πρέπει να ξεχνάμε, ότι τόσο η δική μας ψυκτική τεχνολογία, όσο και η κρυογενική ψύξη είναι κόρες της ίδιας ιερής μάνας, της θεάς θερμοδυναμικής και εγγονές της φυσικής.

Ότι διαβάσατε μέχρι εδώ ήταν μια πολύ συνοπτική χρονολογική εξέλιξη της κρυογενικής ψύξης που ξεκίνησε πολύ πρόσφατα από τα ιερά τέρατα της Επιστήμης και κατέληξε στα ″θεία″ μόλις στην προηγούμενη παράγραφο. Στο σημείο αυτό μπαίνουμε κάπως πιο βαθειά στο θέμα μας. Στην κρυογενική ψύξη χρησιμοποιούνται ορισμένα υγρά ή μάλλον υγροποιημένα αέρια και η θερμοκρασία, που μπορούμε να πετύχουμε εξαρτάται από το υγροποιημένο αέριο που θα χρησιμοποιήσουμε. Τα αέρια που χρησιμοποιούνται είναι το μεθάνιο, το οξυγόνο, το άζωτο, το νέον, το υδρογόνο και το ήλιον. Τα αέρια αυτά υγροποιούνται στον υγροποιητή του Collins, δηλαδή στη δική μας γλώσσα συμπυκνώνονται στο συμπυκνωτή του Collins.

Ο πίνακας μας δίνει τις θερμοκρασίες βρασμού αυτών των υγροποιημένων αερίων σε βαθμούς των τεσσάρων γνωστών μας θερμομέτρων. Στον ίδιο πίνακα εκτός από τις θερμοκρασίες βρασμού των επτά υγροποιημένων κρυογενικών αερίων διακρίνουμε και τις τρείς περιοχές χαμηλών θερμοκρασιών της φύσης, που βρίσκονται ανάμεσα στους Ο⁰C, δηλαδή θερμοκρασία στην οποία λιώνει ο πάγος, μέχρι το απόλυτο μηδέν, θερμοκρασία στην οποία μηδενίζεται ο όγκος των αερίων.

Κρυογενικό θερμόμετρο, που δίνει τις θερμοκρασίες βρασμού διαφόρων κρυογενικών υγροποιημένων αερίων σε °C – °K – °F – °R
	°C	°K	°F	°R
Πάγος	0	273	+32	492
Προπάνιο	-42	231	-44	416
Διοξείδιο του άνθρακα	-78	195	-109	351
Αιθάνιο	-88	185	-127	333
Αιθυλένιο	-90	183	-135	325
Μεθάνιο	-161	112	-258	202
Οξυγόνο	-183	87	-297	163
Αέρας	-186	84	-313	147
Άζωτο	-196	74	-320	140
Νέον	-246	24	-411	49
Υδρογόνο	-253	17	-423	37
Ήλιον	-269	4	-452	8
Κρίσιμο σημείο ηλίου	-272	1	-458	2
Απόλυτο 0	-273	0	-460	0

Οι τρεις περιοχές είναι :

• Η περιοχή χαμηλών θερμοκρασιών, που ξεκινά από τους 0⁰C και τελειώνει στους -42⁰C
• Η περιοχή των πολύ χαμηλών θερμοκρασιών από τους -42⁰C μέχρι τους -90⁰C και
• Η κρυογενική περιοχή που ξεκινά από τους -90⁰C και τερματίζει στους 273⁰C , δηλαδή στο απόλυτο μηδέν.

Οι θερμοκρασίες των δύο πρώτων περιοχών, δηλαδή από τους 0⁰C , μέχρι τους -90⁰C πετυχαίνονται με τα γνωστά μας συμβατικά μέσα, τα γνωστά μας ψυκτικά κυκλώματα, είτε μιας είτε δύο βαθμίδων (cascade). Οι θερμοκρασίες της τρίτης περιοχής πετυχαίνονται μόνο με την κρυογενική ψύξη και την παρακάτω σειρά:

• από -90⁰C μέχρι -160⁰C με υγροποιημένο μεθάνιο,
• από -160⁰C μέχρι -180⁰C με υγροποιημένο οξυγόνο,
• από -180⁰C μέχρι -196⁰C με υγροποιημένο άζωτο,
• από -196⁰C μέχρι -246⁰C με υγροποιημένο νέον
• από -246⁰C μέχρι -253⁰C με υγροποιημένο υδρογόνο
• από -253⁰C μέχρι – 273⁰C δηλαδή μέχρι το απόλυτο μηδέν με υγροποιημένο ήλιον.

Στο σημείο αυτό πρέπει να κάνω μία διευκρίνιση. Στη λίστα των κρυογενικών αερίων δεν έχω συμπεριλάβει τον ατμοσφαιρικό αέρα, ο οποίος θεωρείται κρυογενικό αέριο, τα στοιχεία του μάλιστα φαίνονται στον πίνακα. Σε άλλα σημεία του σημερινού μας άρθρου σημειώνω ότι τα κρυογενικά αέρια είναι επτά, σε άλλα ότι είναι έξη. Παραδέχομαι ότι τα κρυογενικά αέρια είναι επτά, αλλά αποδέχομαι μόνο τα έξη, βγάζοντας εκτός λίστας τον αέρα. Θα γίνω λίγο θεωρητικός για να εξηγήσω αυτή την αυθαιρεσία μου, χρησιμοποιώντας τη θερμοδυναμική.

Τα γνωστά μας ψυκτικά ρευστά, αυτά που χρησιμοποιούμε στις συμβατικές ψυκτικές μας μηχανές, συμπυκνώνονται, δηλαδή υγροποιούνται σε θερμοκρασία δωματίου, όταν πάνω σ’ αυτά εξασκείται κάποια πίεση, όπως συμβαίνει στο γνωστό μας συμπυκνωτή, το συμπυκνωτή του ψυκτικού μας κυκλώματος. Το ίδιο ακριβώς συμβαίνει και με τα κρυογενικά αέρια. Υπάρχει τότε μια σχετικά μεγάλη αλλαγή της ενθαλπίας και η απελευθέρωση θερμότητας είναι μεγάλη και αν θυμηθούμε για λίγο τη θερμοδυναμική , είναι ίση με το άθροισμα του παραγόμενου έργου και της πτώσης της ενθαλπίας του ρευστού, κατά τη λειτουργία σταθερής ροής. Στην περίπτωση του αέρα όμως, σημειώνεται ελαφρά μόνο ελάττωση της ενθαλπίας κατά τη συμπίεση σε θερμοκρασία δωματίου, οπότε η απελευθέρωση θερμότητας είναι ελάχιστα πιο πάνω από το έργο της συμπίεσης. Στην περίπτωση αυτή υγροποίηση δεν γίνεται, διότι η κρίσιμη θερμοκρασία του αέρα είναι πολύ πιο χαμηλή από τη θερμοκρασία του δωματίου. Με φρεσκαρισμένη τη θύμηση σ΄αυτές τις αρχές της θερμοδυναμικής για τη συμπύκνωση, δικαιολογήστε με που βγάζω τον αέρα από τη λίστα των κρυογενικών αερίων.

Τα γνωστά μας ψυκτικά ρευστά, αυτά που χρησιμοποιούμε στις συμβατικές ψυκτικές μας μηχανές συμπυκνώνονται, δηλαδή υγροποιούνται σε θερμοκρασία δωματίου, όταν πάνω στους υπέρθερμους ατμούς τους εξασκείται κάποια πίεση (ή κατάθλιψη του συμπιεστή) όπως συμβαίνει στο γνωστό μας συμπυκνωτή, το συμπυκνωτή του ψυκτικού μας κυκλώματος. Το ίδιο ακριβώς συμβαίνει και με τα κρυογενικά αέρια. Υπάρχει τότε μια σχετικά μεγάλη αλλαγή της ενθαλπίας και η απελευθέρωση θερμότητας είναι μεγάλη και αν θυμηθούμε για λίγο τη θερμοδυναμική, είναι ίση με το άθροισμα του παραγόμενου έργου και της πτώσης της ενθαλπίας του ρευστού, κατά τη λειτουργία σταθερής ροής.

Με φρεσκαρισμένη τη θύμηση αυτών των αρχών της θερμοδυναμικής για τη συμπύκνωση (υγροποίηση) των αερίων, ας προχωρήσουμε στο κύριο θέμα μας που είναι η κρυογενική ψύξη. Στο σημείο που βρισκόμαστε αυτή τη στιγμή, έστω και αν είναι κάπως πρόωρο θα περιγράψουμε – για σύντομη γνωριμία – μια απλή κρυογενική ψυκτική εγκατάσταση. Σε γενικές γραμμές η κρυογενική ψυκτική εγκατάσταση είναι απλή. Δεν χρησιμοποιούνται τα μηχανικά συγκροτήματα, που χρησιμοποιούνται στη συμβατική. Δεν υπάρχει συμπιεστής, δεν υπάρχει ο αεροψυκτήρας, ούτε ο συμπυκνωτής. Το ψυκτικό υγρό δεν εξατμίζεται σε αεροψυκτήρες, απορροφώντας θερμότητα από το χώρο του ψυγείου και τα αποθηκευμένα σ’ αυτό ευπαθή προϊόντα, ούτε συμπυκνώνεται σε συμπυκνωτή, απορρίπτοντας τη θερμότητα που περιέχει, ώστε να μετατραπεί πάλι σε υγρό (υγροποίηση) για να επαναλάβει τον κύκλο του, όπως γίνεται στη συμβατική ψυκτική εγκατάσταση. Δεν θα είναι υπερβολή να αναφέρουμε, ότι η κρυογενική ψύξη αγοράζεται ″έτοιμη″ από τις χημικές βιομηχανίες αερίων, συσκευασμένη σε ειδικές δεξαμενές σε μορφή υγροποιημένου αερίου. Η επιλογή του υγροποιημένου αερίου που θα αγοράσεις, εξαρτάται από τη θερμοκρασία που θέλεις να πετύχεις στην εγκατάστασή σου αλλά και από τον τελικό προορισμό. Βασικό λοιπόν κριτήριο επιλογής είναι  θερμοκρασία βρασμού του υγροποιημένου αερίου, που θα αγοράσεις. Στο προηγούμενο τεύχος του περιοδικού μας, δημοσιεύτηκε ένας πίνακας που σας γνωστοποιούσε τις θερμοκρασίες βρασμού των κρυογενικών υγροποιημένων αερίων. Υπενθυμίζω, ότι η θερμοκρασία βρασμού του υγροποιημένου αζώτου είναι -196⁰C, του υγροποιημένου υδρογόνου -253⁰C και του υγροποιημένου ηλίου -272⁰C, όταν το απόλυτο μηδέν, δηλαδή η θερμοκρασία στην οποία μηδενίζεται ο όγκος των αερίων είναι -273⁰C. Το υγροποιημένο άζωτο χρησιμοποιείται σε μεγάλη έκταση σε Νοσοκομεία, σε καταψύκτες πολύ χαμηλών θερμοκρασιών για διατήρηση βιολογικού υλικού, μοσχευμάτων, πλάσματος κ.λ.π. βιολογικό υλικό μπορεί ακόμη να αποθηκευτεί μέσα στην υγρή μάζα, που είναι αποθηκευμένο το υγροποιημένο άζωτο, μια μικρή ειδική δεξαμενή, γνωστή σαν ″ιατρικός ασκός ″θερμοκρασίας -160⁰C.     Το υγροποιημένο άζωτο έχει καθιερωθεί επειδή είναι πιο φτηνό από τα υπόλοιπα, είναι ασφαλές στη χρήση του και αδρανές. Όταν το υγροποιημένο άζωτο από την ειδική δεξαμενή οδηγηθεί στο χώρο ενός ψυγείου, ψεκάζεται σε μορφή νέφους μέσα στο θάλαμο πάνω στα αποθηκευμένα ευπαθή προϊόντα, διαχέεται και απορροφά θερμότητα για να φθάσει σε θερμοκρασία βρασμού. Έτσι ο χώρος και τα προϊόντα ψύχονται και μπορούν να φτάσουν γρήγορα (ταχεία ψύξη) στην επιθυμητή θερμοκρασία, που ρυθμίζει ένας θερμοστάτης χώρου και μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα. Η θερμοκρασία του χώρου μπορεί να πλησιάσει τους -196⁰C, δηλαδή τη θερμοκρασία βρασμού του υγρού αζώτου. Το άζωτο μπορεί να οδηγηθεί σ ‘ένα ψυκτικό θάλαμο, σε ένα φούρνο βαθειάς κατάψυξης, στο χώρο ενός μεταφορικού φορτηγού αυτοκινήτου κ.λ.π. Η απαιτούμενη ψυκτική εγκατάσταση είναι πάντα:

• η δεξαμενή αποθήκευσης του αζώτου
• το δίκτυο μεταφοράς του στο ψυχόμενο χώρο
• ο θερμοστάτης ρύθμισης της επιθυμητής θερμοκρασίας
• η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, που θα ρυθμίζει τη ροή και
• τα προφύσια ψεκασμού, για τη δημιουργία του νέφους.

Μετά την ενέργειά τους οι ατμοί του αζώτου απορρίπτονται στην ατμόσφαιρα, χωρίς να επαναλαμβάνουν τον κρυογενικό ψυκτικό τους κύκλο. Γίνεται κατανοητό ότι η κρυογενική ψυκτική εγκατάσταση είναι απλή, και οπωσδήποτε χαμηλού κόστους, σε σύγκριση με τη συμβατική ψυκτική εγκατάσταση. Γι’ αυτό χωρίς καμιά δυσκολία έρχεται στο μυαλό μας η ερώτηση, μα αφού η κρυογενική ψυκτική εγκατάσταση είναι τόσο απλή και κατά συνέπεια πολύ πιο φτηνή από τη συμβατική δική μας ψυκτική εγκατάσταση, τότε γιατί δεν καθιερώνεται διεθνώς ; Ποιος ο λόγος που δεν εκτοπίζεται η συμβατική ψύξη από την κρυογενική; Με τα σημερινά δεδομένα ο κύριος λόγος είναι το πανύψηλο λειτουργικό κόστος. Έχω κάνει πάμπολους υπολογισμούς για το θέμα αυτό και θα αναφέρω τα αποτελέσματα των υπολογισμών μου. Η αλήθεια είναι ότι είχα κάποια δεδομένα από μια μελέτη μιας σήραγγας δοκιμής βλημάτων σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, που είχα κάνει πριν από κάποια χρόνια για την Ελληνική Πολεμική Βιομηχανία του Αιγίου. Η εγκατάσταση δούλευε με υγροποιημένο άζωτο στους -160⁰C. Αν σας δώσω ένα νούμερο σαν λειτουργικό κόστος, είναι μάλλον σαν να σας κοροϊδεύω άθελά μου. Με το ρυθμό που αυξάνονται τα κοστολόγια, το φετινό νούμερο είναι μάλλον παρελθόν μακρινό για τον επόμενο χρόνο. Ύστερα από πολύωρη σκέψη βρήκα κάποια λύση. Βρήκα κάποιο αμετάβλητο κοστολόγιο που ισχύει για πάντα. Είναι αμετάβλητο επειδή στηρίζεται πάνω σε Θερμοδυναμικά στοιχεία που πραγματικά είναι αμετάβλητα. Σαν βάση των υπολογισμών μου πήρα δύο αέρια.  Το αέριο που υγροποιείται στους -210⁰C και κρίνεται σαν το πιο εύκολο στη χρήση του είναι το άζωτο. Το δεύτερο αέριο των υπολογισμών μου είναι το ήλιο. Αυτό είναι ακραίο και δύσκολο όχι στη χρήση του αλλά στην υγροποίησή του, που γίνεται σε θερμοκρασία λίγο πριν το απόλυτο μηδέν. Αξίζει τον κόπο να δούμε κάποια βασικά χαρακτηριστικά των δύο αερίων της μελέτης μου. Το άζωτο έχει κρίσιμη θερμοκρασία -147⁰C , δηλαδή σ’ αυτή τη θερμοκρασία αρχίζει να συμπυκνώνεται δηλαδή να υγροποιείται. Η υγροποίησή του ολοκληρώνεται στους -210⁰C. Στην κατάσταση αυτή το υγρό άζωτο έχει σημείο βρασμού -196⁰C και είναι λίγο πιο ελαφρό από το νερό. Ζυγί ζει 860 κιλά το κυβικό μέτρο και είναι έτοιμο να χρησιμοποιηθεί στην κρυογενική ψυκτική εγκατάσταση. Το ήλιο έχει κρίσιμη θερμοκρασία -268⁰C, δηλαδή στη θερμοκρασία αυτή αρχίζει να υγροποιείται. Το σημείο βρασμού είναι -272,3 δηλαδή ελάχιστα πάνω από το απόλυτο μηδέν που είναι -273⁰C. Στην υγρή του κατάσταση είναι ένα πολύ ελαφρύ υγρό, που ζυγίζει μόλις 144 κιλά το κυβικό μέτρο, δηλαδή 144 γραμμάρια ανά λίτρο. Η υγροποίηση του αζώτου και του ηλίου γίνεται με το συμπυκνωτή του Collins. Είναι ένα μεταλλικό δοχείο ισχυρής κατασκευής, με πολύ ισχυρή θερμομόνωση, ενισχυμένη με θάλαμο κενού και με ειδικούς ανακλαστήρες, περιορίζουν στο ελάχιστο τις απώλειες ακτινοβολίας. Αυτό το δοχείο γεμίζεται με άζωτο σε υψηλή πίεση 80 atm σε θερμοκρασία δωματίου. Το άζωτο στις συνθήκες αυτές ψύχεται με κυκλοφορία υγρού υδρογόνου θερμοκρασίας -260⁰C, η θερμοκρασία του αρχίζει να πέφτει, οπότε στους -147⁰C αρχίζει η υγροποίηση, που ολοκληρώνεται στους -210⁰C. Στον ίδιο συμπυκνωτή και η υγροποίηση του ηλίου. Το δοχείο γεμίζεται με ήλιο σε πίεση 100 atm σε θερμοκρασία δωματίου. Το ήλιο στις συνθήκες αυτές ψύχεται με άντληση στερεού υδρογόνου, που κατεβάζει τη θερμοκρασία του ηλίου στους -268⁰C, οπότε αρχίζει η υγροποίησή του, που ολοκληρώνεται λίγο αργότερα στους -270⁰C. Στην κατάσταση αυτή το ήλιο και το άζωτο μπορούν να μεταφερθούν στην κρυογενική ψυκτική εγκατάσταση ενός ψυγείου και σ’ αυτό να πετυχαίνουμε θερμοκρασίες μέχρι -196⁰C με το άζωτο και μέχρι -272⁰C με το ήλιο για ειδικούς σκοπούς. Στο σημείο αυτό ας γυρίσουμε στην ερώτηση από την οποία ξεκινήσαμε. Ποιος είναι ο λόγος, που η τόσο δυναμική κρυογενική ψύξη δεν είναι ικανή να εκτοπίσει τη συμβατική δική μας ψύξη; Υπενθυμίζω ότι λίγο παραπάνω σας ανέφερα, ότι ο κύριος λόγος είναι το υψηλό λειτουργικό κόστος, και υποσχέθηκα να σας δώσω τα νούμερα αυτού του κόστους, όχι με στοιχεία νομισματικά, που εύκολα μεταβάλλονται (πάντα προς τα πάνω) χρόνο με το χρόνο, αλλά με στοιχεία τεχνικά και επιστημονικά, που μένουν αμετάβλητα στο διηνεκές. Χαρίζω λοιπόν στο περιοδικό μας και τους φίλους μου αναγνώστες το αμετάβλητο κοστολόγιο, που είναι:

Κατά την υγροποίηση του αζώτου για να αφαιρέσουμε απ’ αυτό ποσότητα θερμότητας 1kcal πρέπει να δαπανήσουμε ενέργεια 3kcal και κατά την υγροποίηση του ηλίου, για να αφαιρέσουμε απ’ αυτό ποσότητα θερμότητας 1kcal πρέπει να δαπανήσουμε ενέργεια 75kcal.

Η κρίση και η σύγκριση με τα κοστολόγια της συμβατικής ψύξης είναι δική σας. Κατά τη δική μου γνώμη θα καρποφορήσουν οι έρευνες που γίνονται διεθνώς για την εξεύρεση νέων πηγών ενέργειας. Αν οι πηγές αυτές δεν είναι μόνο κερδοσκοπικές, τότε το κόστος της ενέργειας θα πέσει κατακόρυφα και τότε η κρυογενική ψύξη θα σηκώσει ανάστημα. Μέχρι τότε αν έχετε να διατηρήσετε βιολογικό υλικό, πλάσμα, μοσχεύματα και άλλα παρόμοια στους -160⁰C,τότε και μόνο τότε, η κρυογενική ψύξη με υγροποιημένο άζωτο δεν είναι η συμφέρουσα λύση, αλλά η μόνη λύση.

Από την μακροσκελέστατη λίστα των υλικών, που έχουμε σήμερα στη διάθεσή μας, έχω επιλέξει τα πιο απλά, τα πιο βασικά και τα πιο χαρακτηριστικά, για το σημερινό μου άρθρο. Αυτά είναι ο σίδηρος, ο χάλυβας, το αλουμίνιο, ο χαλκός, το νικέλιο, ο μόλυβδος και κάποια πλαστικά όπως το τεφλόν, το νάυλον, το πολυαιθυλένιο και το πολυβινύλιο. Η επιλογή αυτών των υλικών ασφαλώς δεν είναι τυχαία και ο καθένας από εσάς μπορεί, με λίγη σκέψη να συμπεράνει τους στόχους μου και να δικαιολογήσει την επιλογή μου.  Η συμπεριφορά αυτών των υλικών στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες της κρυογενικής ψύξης , μπορεί χωρίς κανένα δισταγμό να θεωρηθεί ότι αφορά ολόκληρη τη μακροσκελέστατη λίστα των υλικών, που υπάρχουν σήμερα σε γενικές γραμμές. Στο σημερινό μου άρθρο η συμπεριφορά των υλικών θα αντιπροσωπευτεί από τις ιδιότητες:

• ειδική θερμότητα
• θερμική αγωγιμότητα
• θερμική διαστολή
• και μηχανική αντοχή

Η ειδική θερμότητα των υλικών μεγαλώνει, όσο ανεβαίνει η θερμοκρασία από το απόλυτο μηδέν και αντίστροφα σημαίνει ότι μικραίνει όσο η θερμοκρασία κατεβαίνει προς το απόλυτο μηδέν. Ο ρυθμός όμως με τον οποίο μεγαλώνει δεν είναι αναλογικός. Έτσι, όσο ανεβαίνει η θερμοκρασία, όλο και πιο λίγο μεγαλώνει η ειδική θερμότητα.

Η θερμική αγωγιμότητα των μετάλλων μεγαλώνει, όσο χαμηλώνει η θερμοκρασία. Έτσι μπορεί να είναι πολλές φορές πιο μεγάλη στις χαμηλές θερμοκρασίες από εκείνη στις κανονικές θερμοκρασίες του περιβάλλοντος. Πρέπει να σημειώσουμε, ότι η μέγιστη τιμή της θερμικής αγωγιμότητας μειώνεται σημαντικά, αν το μέταλλο περιέχει μεταλλουργικές ακαθαρσίες. Αυτό σημαίνει, ότι αν θέλουμε να πετύχουμε υψηλή θερμική αγωγιμότητα, τότε πρέπει να επιλέξουμε μέταλλα “υψηλής καθαρότητας”. Αξίζει ακόμη να σημειωθεί, ότι τα κράματα οπωσδήποτε χαμηλώνουν αυτή τη μέγιστη τιμή.

Η θερμική διαστολή είναι το πιο κατανοητό θερμοδυναμικό χαρακτηριστικό των μετάλλων. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, τόσο μεγαλώνει και η διαστολή.

Η μηχανική αντοχή ο χαλκός, το αλουμίνιο, οι ανθρακούχοι χάλυβες και τα κράματα χαλύβων, όπως ο χρωμιούχος, ο νικελιούχος, ο χρωμιονικελιούχος κ.α. έχουν μεγάλη αντοχή στις χαμηλές θερμοκρασίες. Η αντοχή σε εφελκυσμό καθώς και το μέτρο ελαστικότητας αυτών των μετάλλων αυξάνεται, όταν χαμηλώνει η θερμοκρασία. Ιδιαίτερα οι νικελιούχοι χάλυβες με ποσοστό νικελίου 4-8% χρησιμοποιούνται με επιτυχία αξιοσημείωτη στις κρυογενικές  θερμοκρασίες. Το παράδοξο είναι, ότι ενώ αυξάνεται η αντοχή σε εφελκυσμό στις χαμηλές θερμοκρασίες, πέφτει κατακόρυφα η αντοχή σε κρούση και όπως γίνεται κατανοητό αυτό δυσκολεύει κάπως την όλη κατάσταση και τη δυνατότητα επιλογής. Ακριβώς τα ίδια ισχύουν και για τις συγκολλήσεις, Έχει παρατηρηθεί ότι ηλεκτροσυγκολλήσεις υψηλής ποιότητας δεν χάνουν καθόλου από την αντοχή τους στις κρυογενικές θερμοκρασίες. Για τους ίδιους λόγους η κασσιτεροκόλληση είναι αποδεκτή. Τα πλαστικά υλικά σκληραίνουν και γίνονται πιο εύθραυστα στις χαμηλές θερμοκρασίες με εξαίρεση το Teflon. Τα πλαστικά όμως που είναι ενισχυμένα με ίνες έχουν ικανοποιητικές αποδόσεις στις χαμηλές θερμοκρασίες. Πρέπει να σημειωθεί, ότι τα τελευταία χρόνια παράγονται πλαστικά υλικά, που έχουν μελετηθεί για κρυογενικές θερμοκρασίες και οι μηχανικές τους ιδιότητες είναι εφάμιλλες των μετάλλων. Αξίζει να αναφέρουμε ότι το πλαστικό Mylar, που χρησιμοποιείται στην παραγωγή μεμβρανών, παρουσιάζει υψηλή αντοχή και αξιοσημείωτη ελαστικότητα σε θερμοκρασία -251˚C.

Στο σημείο αυτό του άρθρου μου, η σύντομη γνωριμία με την κρυογενική ψύξη φτάνει στο τέλος της. Μας λείπει ακόμη ένας επίλογος. Η υγροποίηση των αερίων άνοιξε καινούργιους δρόμους στην τεχνολογία της ψύξης. Πιο κοντά στον τομέα της δικής μας ψύξης είναι η χρησιμοποίηση του υγροποιημένου αζώτου, αφού με αυτό μπορούμε να πετύχουμε θερμοκρασίες συντήρησης ευπαθών μέχρι -196˚C, δηλαδή μια ευρύτατη περιοχή θερμοκρασιών στην οποία συντηρούνται όλα τα ευπαθή από τρόφιμα μέχρι μοσχεύματα. Η εμπορική χρήση άρχισε με αργά – αργά βήματα λόγω του υψηλού λειτουργικού κόστους, που θα ήθελα να υπενθυμίσω, ότι σήμερα είναι 3 προς 1, δηλαδή για να αφαιρέσουμε μια ποσότητα θερμότητας 1kcal, πρέπει να δαπανήσουμε ενέργεια 3kcal. Aν οι διεθνείς προσπάθειες καρποφορήσουν και πέσει σημαντικά το κόστος της παραγόμενης ενέργειας με τις νέες πηγές, τότε θα ανοίξει ένας καινούργιος ορίζοντας για την εμπορική χρήση της κρυογενικής ψύξης.

Πρέπει να σημειώσουμε ότι στις Ηνωμένες Πολιτείες, στον Καναδά και στην Ολλανδία, άρχισε δειλά–δειλά η χρησιμοποίηση φούρνων βαθειάς – γρήγορης κατάψυξης προϊόντων, που λειτουργούν με κρυογενικό υγροποιημένο άζωτο και πετυχαίνουν υψηλή παραγωγικότητα και υψηλή ποιότητα κατεψυγμένων προϊόντων, λαχανικών, κρεάτων, αλιευμάτων και προϊόντων ζύμης. Κρίνω σκόπιμο να κάνω μια σύντομη περιγραφή αυτών των φούρνων, που εκτός από τη ψυκτική εγκατάσταση, που είναι εντελώς ανύπαρκτη, δεν διαφέρουν σε τίποτα από τους φούρνους που εμείς ξέρουμε. Αποτελούνται από ένα κέλυφος με ισχυρή μόνωση πολυουρεθάνης, που είναι τοποθετημένο πάνω σε μια υδραυλική βάση, για να μπορεί να ρυθμιστεί εύκολα το απαιτούμενο ύψος λειτουργίας. Μέσα σ’ αυτό το κέλυφος είναι εγκατεστημένη μια μεταφορική ταινία ρυθμιζόμενης ταχύτητας, πάνω στην οποία τοποθετούνται τα προϊόντα που πρόκειται να καταψυχθούν.

Τα σκαριφήματα που ακολουθούν δείχνουν τους τέσσερις τύπους των κρυογενικών φούρνων που λειτουργούν σήμερα.

Στον πρώτο τύπο (σκαρίφημα 1) η κίνηση της μεταφορικής ταινίας είναι ευθύγραμμη. Αυτό το είδος του φούρνου χρησιμοποιείται συνήθως για την παραγωγή προϊόντων μεγάλου πάχους και για προϊόντα σφαιροειδή, που κυλούν εύκολα.

Τέτοια προϊόντα είναι μεγάλα κομμάτια κρέατος, φρούτα, αρακάς κ.α. Πάνω σ’ αυτή τη μεταφορική ταινία, η κατάψυξη του προϊόντος θα γίνει σε τρείς φάσεις που είναι:

• η πρόψυξη της επιφάνειας κατά τέτοιο τρόπο, ώστε τα προϊόντα να μην κολλούν μεταξύ τους
• η κύρια ψύξη στη σωστή θερμοκρασία μέχρι τον πυρήνα
• η εξισορρόπηση των θερμοκρασιών της επιφάνειας και του πυρήνα των προϊόντων.

Όταν η απαιτούμενη παραγωγή είναι μεγάλη, αυτό το είδος του φούρνου κατασκευάζεται με τρείς ευθύγραμμες ταινίες, τοποθετημένες η μια κάτω από την άλλη. Η πρώτη ταινία κινείται με μεγάλη ταχύτητα, σ΄αυτήν τοποθετούνται τα νωπά προϊόντα και πάνω σ’ αυτή γίνεται μόνο η πρόψυξη. Μετά την πρόψυξη τους τα προϊόντα πέφτουν στη δεύτερη ταινία, που κινείται πιο αργά από την πρώτη. Πάνω στη δεύτερη ταινία τα προϊόντα θα ψυχθούν μέχρι τον πυρήνα τους, οπότε πέφτουν στην τρίτη ταινία, στην οποία θα γίνει η εξισορρόπηση των θερμοκρασιών της επιφάνειας και του πυρήνα και τα οδηγεί προς την έξοδο του φούρνου.

Στο δεύτερο (σκαρίφημα 2) η κίνηση της μεταφορικής ταινίας είναι σπειροειδής, (spiral freezer). Αυτός ο τύπος φούρνου χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις μεγάλης παραγωγής, οπότε το μήκος της μεταφορικής ταινίας είναι μεγάλο και ο διαθέσιμος για την εγκατάσταση χώρος είναι περιορισμένος. Η ταινία περιστρέφεται γύρω από ένα κυλινδρικό τύμπανο κινούμενη εκ των κάτω προς τα πάνω.

Τα προϊόντα μπαίνουν στο φούρνο από το κάτω μέρος και βγαίνουν από πάνω. Πάνω σ’ αυτή την ταινία πραγματοποιούνται και οι τρεις φάσεις κατάψυξης του προϊόντος.

Στον τρίτο τύπο φούρνου, που λέγεται στατικός ή box (σκαρίφημα 3) δεν υπάρχει μεταφορική ταινία κινούμενη. Τα προϊόντα εισάγονται τοποθετημένα πάνω σε καροτσάκια. Στα καροτσάκια αυτά γίνονται προοδευτικά οι τρείς φάσεις κατάψυξης. Αυτό το είδος φούρνου χρησιμοποιείται για την κατάψυξη μεγάλων κομματιών κρέατος και σίγουρα για μικρές παραγωγές. Είναι μικρού κόστους , απαιτεί όμως περισσότερο προσωπικό για τη λειτουργία του.

Στον τέταρτο τύπο φούρνου (σκαρίφημα 4) τα προϊόντα τοποθετούνται πάνω σε μια μεταφορική ταινία, που κατά την κίνηση της βυθίζεται μέσα σε μια δεξαμενή που περιέχει το υγροποιημένο άζωτο και προωθείται μέσα στην υγρή μάζα.  Η κατάψυξη των προϊόντων γίνεται σε πολύ μικρό χρόνο. Τα προϊόντα όμως πρέπει να είναι μικρού μεγέθους και συνήθως συσκευασμένα.

Οι “φούρνοιʺ αυτοί έχουν μικρό μέγεθος και είναι πιο μικρού κόστους αγοράς, αλλά και χαμηλότερου λειτουργικού κόστους.

Με μια σύντομη ματιά θα περιγράψω τώρα το “ψυκτικόʺ μέρος της λειτουργίας αυτών των φούρνων. Με τα σημερινά δεδομένα θα περιγράψω τώρα τη ψυκτική εγκατάσταση. Δυσκολεύομαι φίλοι μου κυριολεκτικά να βρω τον κατάλληλο όρο που πρέπει να χρησιμοποιήσω. Θα περιγράψω μια ψυκτική εγκατάσταση, που στην ουσία δεν υπάρχει. Εσείς διαβάζοντας τις λίγες πιο κάτω σειρές θα με δικαιολογήσετε. Το υγροποιημένο άζωτο βρίσκεται μέσα σε μια ισχυρή μονωμένη ειδική δεξαμενή σε θερμοκρασία -196˚C. Με ένα δίκτυο σωληνώσεων το υγροποιημένο άζωτο διοχετεύεται με τον απαιτούμενο ρυθμό στο φούρνο παραγωγής. Στο μέσον περίπου της διαδρομής της μεταφορικής ταινίας γίνεται ψεκασμός των προϊόντων με το υγρό άζωτο, με τη βοήθεια ενός προφυσίου που το μετατρέπει σε νέφος. Εκεί ακριβώς βρίσκεται η απαιτούμενη τεχνική λεπτομέρεια, στη δημιουργία αυτού του απαιτούμενου κατάλληλου νέφους, που ψύχει τα προϊόντα σε σύντομο χρόνο, σε θερμοκρασία μέχρι -150˚C στον πυρήνα. Αν η παραγωγή προϊόντων απαιτεί χαμηλότερη θερμοκρασία στον πυρήνα των προϊόντων, τότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί υγροποιημένο διοξείδιο του άνθρακα, το γνωστό μας CO₂, που έχει θερμοκρασία βρασμού -78˚C. Οι ψυχροί ατμοί αργά οδηγούνται προς την έξοδο τους στην ατμόσφαιρα από εξαεριστήρες, που είναι τοποθετημένοι στην οροφή του φούρνου με τέτοια τεχνική λεπτομέρεια, που είναι το δεύτερο τεχνικό “απαιτούμενοʺ για τη σωστή λειτουργία του φούρνου.

Οι ψυχροί ατμοί του υγροποιημένου αζώτου οδηγούνται προς την έξοδο τους διασχίζοντας το πρώτο τμήμα της μεταφορικής ταινίας, που βρίσκεται προς την είσοδο των προϊόντων στο φούρνο. Έτσι γίνεται η φάση της πρόψυξης και στη συνέχεια η φάση της κατάψυξης. Η φάση της εξισορρόπησης της θερμοκρασίας πυρήνα και επιφάνειας γίνεται στο τελικό τμήμα της μεταφορικής ταινίας προς την έξοδο των προϊόντων. Η ποσότητα του απαιτούμενου υγροποιημένου αερίου ρυθμίζεται από ειδική ηλεκτρονική μονάδα, ανάλογα με τις ανάγκες του φούρνου και της παραγωγής.

Και τώρα δύο λόγια για τα πιο χαρακτηριστικά πλεονεκτήματα των κρυογενικών φούρνων. Η γρήγορη κατάψυξη έχει σαν αποτέλεσμα τη διατήρηση του χρώματος, του αρώματος και των φυσικών συστατικών των προϊόντων. Οι κυτταρικές δομές παραμένουν ανέπαφες και τα φαινόμενα ενζυματικών ή βακτηριακών αλλοιώσεων είναι πρακτικώς ανύπαρκτα. Σ’ αυτό βοηθά και η “ουδέτερη” ατμόσφαιρα που δημιουργούν οι ατμοί των κρυογενικών υγροποιημένων αερίων. Στα πλεονεκτήματα πρέπει ακόμη να αναφερθούν οι μικροί χώροι που απαιτούνται για την εγκατάσταση τους καθώς και το χαμηλότερο κόστος συντήρησης, αφού η ψυκτική εγκατάσταση είναι στην ουσία ανύπαρκτη. Υπάρχει όμως ένα μεγάλο μειονέκτημα, το υψηλό λειτουργικό κόστος, προς το παρόν. Το μέλλον θα δείξει προς ποια κατεύθυνση οδηγούμαστε.