Zamrażarka niskotemperaturowa – kryteria wyboru

Home » Artykuły » Zamrażarka niskotemperaturowa – kryteria wyboru
Artykuły Brak komentarzy

Zamrażarka niskotemperaturowa – kryteria wyboru

Zamrażarka NuAire NU-99728

Zamrażarka niskotemperaturowa -86°C to zakup na co najmniej kilkanaście lat. Podjęcie decyzji o wyborze konkretnego dostawcy oraz modelu będzie skutkowało na wielu płaszczyznach.

Koszt zamrażarki to nie tylko cena jej zakupu. Nie mniej istotną cechą są koszty eksploatacji oraz niezawodność urządzenia.

Koszt eksploatacji zamrażarki to koszt energii zużywanej przez urządzenie podczas jej pracy. Dodatkowym kosztem może być również konserwacja urządzenia oraz naprawy w przypadku awarii.

 

Zamrażarki niskotemperaturowe projektowane są do osiągania temperatur w zakresie -45°C do -86°C. Spotykane są również konstrukcje pozwalające osiągać temperatury -95°C. Najczęściej punkt pracy zamrażarki niskotemperaturowej znajduje się w przedziale -70 do -80°C. Zamrażarki niskotemperaturowe dobrych producentów projektowane są do bezawaryjnej pracy przez co najmniej 12 – 15 lat przy zachowaniu właściwych czynności konserwacyjnych.

 

Typy urządzeń

Modele poziome i pionowe

Zamrażarki niskotemperaturowe występują w dwóch typach konstrukcji poziome – chest i pionowe upright. Zamrażarki poziome typu chest są rozwiązaniami bardziej wydajnymi od modeli pionowych upright. Są one wybierane przez użytkowników zdecydowanie rzadziej niż modele pionowe za względu na dużą zajmowaną powierzchnię. Zamrażarki poziome są jednak urządzeniami pracującymi dłużej oraz pozwalającymi na osiąganie lepszych parametrów temperaturowych (szybsze schładzanie i lepsza jednorodność temperatury).

Ze względu na fakt, że zimne powietrze pozostaje w skrzyni zamrażarki podczas otwierania jej klapy utrata zimna przez zamrażarkę chest jest zdecydowanie mniejsza niż dla modeli pionowych.

Urządzenia pionowe upright są najbardziej rozpowszechnione ponieważ pozwalają na optymalne wykorzystanie zajmowanej powierzchni w stosunku do oferowanej pojemności.

Wadą urządzeń pionowych jest szybka utrata zimna podczas wkładania lub wyjmowania materiału z komory. Otwarcie drzwi zamrażarki powoduje natychmiastową ucieczkę zimnego powietrza w dół i zassanie ciepłego powietrza górą.

Zobacz przykłady: Zamrażarki poziome i pionowe

Modele kaskadowe, jednokompresorowe, dwukompresorowe

Układ kaskadowy

Klasyczną konstrukcją zamrażarek niskotemperaturowych jest układ dwóch kompresorów połączonych w tzw. kaskadę. Układ działa w następujący sposób. Jeden z kompresorów schładza układ pierwotny urządzenia, który zaopatrzony jest w tzw. wymiennik ciepła. Po schłodzeniu układu wymiennika do temperatury ok -40 do -45°C rozpoczyna pracę drugi kompresor który zapewnia schładzanie komory zamrażarki do temperatury – 86°C. Do poprawnej pracy zamrażarki potrzebne są oba kompresory. Zaletami tego układu są: prosty i znany układ chłodzenia, dostępne w handlu „normalne” czynniki chłodnicze, łatwość dokonywania ewentualnych napraw, praca przy wysokich temperaturach otoczenia.

Wadami są: większe zużycie energii niż przy nowocześniejszych rozwiązaniach, konieczność stosowania wentylatorów chłodzących przedział kompresorów i skraplacz.

Zobacz przykłady: Zamrażarki z układem kaskadowym

Układ jednokompresorowy

Nowocześniejszą konstrukcją zamrażarek niskotemperaturowych jest układ oparty na jednym pracującym kompresorze. W układzie chłodniczym zastosowana jest tzw autokaskada umożliwiająca poprawne schładzanie całego układu do temperatury pracy -86°C. Możliwe jest osiągnięcie tak niskich temperatur w układzie z jednym kompresorem dzięki wykorzystaniu specjalnych mieszanin czynników chłodniczych oraz bardzo dokładnemu wykonaniu układów chłodzenia.

Zalety rozwiązań z jednym kompresorem to przede wszystkim energooszczędność. Urządzenia z jednym kompresorem zużywają zdecydowanie mniej energii w stosunku do innych rozwiązań. Zaletą jest również brak konieczności stosowania wentylatorów dla skraplacza oraz zmniejszona liczba przeglądów konserwacyjnych.
Wady układów jednokompresorowych to cena niewiele różniąca się od układów kaskadowych. Niska dostępność specjalnych mieszanin czynników chłodzących – każdy z producentów posiada swoje mieszaniny i tylko od producenta można je zakupić. Zamrażarki jednokompresorowe umożliwiają utrzymanie temperatury jedynie w dobrych warunkach otoczenia. Najczęściej maksymalna temperatura pracy to +25°C.

Zobacz przykłady: Zamrażarki z układem jednokompresorowym

Układ dwukompresorowy

Układ dwukompresorowy jest rozwinięciem idei układu jednokompresorowego. W urządzeniach dwukompresorowych pracują dwa niezależne od siebie układy jednokompresorowe. Parametry pracy dzięki zdublowaniu układów jednokompresorowych są zdecydowanie lepsze niż dla układu kaskadowego czy też jednokompresorowego. Zamrażarki wyposażone w układ dwukompresorowy potrafią osiągać temperatury -95°C. Układ dwukompresorowy zapewnia większe bezpieczeństwo przechowywanego materiału dzięki temu, że w przypadku awarii jednego z niezależnych układów drugi jest w stanie samodzielnie utrzymać niską temperaturę na poziomie -80°C.

Zalety układu dwukompresorowego to zwiększone bezpieczeństwo próbek, lepsze parametry temperaturowe – szybkie schładzanie, praca przy zwiększonej temperaturze otoczenia, energooszczędność dzięki ekonomicznemu trybowi pracy.

Wady to ceny urządzeń ponieważ tak naprawdę mamy dwa urządzenia chłodnicze w jednej obudowie. Niska dostępność specjalnych mieszanin czynników chłodzących analogicznie do układów jednokompresorowych.

Zobacz przykłady: Zamrażarki z układem dwukompresorowym

Izolacja piankowa, próżniowa

Kolejną cechą która różnicuje zamrażarki niskotemperaturowe jest rodzaj zastosowanej izolacji. Każde urządzenie niskotemperaturowe musi być wyposażone w odpowiednią izolację cieplną. Izolacja pozwala na utrzymanie żądanej temperatury pracy komory mroźniczej.

Izolacja piankowa to izolacja wykonana z wstrzykiwanej pod ciśnieniem piany poliuretanowej która rozprężając się tworzy strukturę milionów kuleczek wypełnionych powietrzem. To właśnie powietrze zamknięte w pianie stanowi izolację temperaturową. Do uzyskania odpowiednich parametrów termicznych izolacji niezbędna jest odpowiednia grubość izolacji z piany wstrzykiwanej pod ciśnieniem. Minimalną grubością izolacji dla urządzeń niskotemperaturowych jest 100 mm. Dobre zamrażarki niskotemperaturowe posiadają grubość izolacji powyżej 120 mm.

Zalety izolacji z piany to praktyczna niezniszczalność.

Wady – grubość izolacji w stosunku do innych rozwiązań.

 

Izolacja próżniowa. W urządzeniach do przechowywania ciekłego azotu stosowana jest typowa izolacja próżniowa gdzie pomiędzy ścianami termosu w azotem występuje próżnia czyli brak powietrza. W związku z brakiem powietrza brak jest nośnika energii a co za tym idzie izolacja taka jest bardzo dobra. W przypadku zamrażarek niskotemperaturowych technologicznie niemożliwym jest osiągnięcie tak dużych powierzchni z próżnią dlatego też stosowane są tzw. panele próżniowe zwane VIP (vacuum insulated panel). Panele próżniowe montowane są w obudowie zamrażarki wraz z niewielką ilością piany poliuretanowej. Dzięki temu, że posiadają lepsze parametry izolacyjne niż sama piana pozwalają na zmniejszenie efektywnej grubości izolacji.  W ślad za tym idzie zmniejszenie grubości ściany zamrażarki a co za tym idzie zmniejszenie zewnętrznych wymiarów całego urządzenia.

Zalety technologii VIP to zmniejszenie rozmiarów zewnętrznych urządzenia przy zachowaniu pojemność wewnętrznej.

Do wad należy zaliczyć możliwość uszkodzeń paneli próżniowych na skutek pękania ze względu na ruchy obudowy podczas wyrównywania ciśnienia po zamknięciu otwartych drzwi. Każdy użytkownik zamrażarki spotkał się ze zjawiskiem „przysysania” się drzwi zamrażarki po ich zamknięciu. Do ponownego otwarcia niezbędne jest wyrównanie ciśnień wewnątrz komory z ciśnieniem panującym w otoczeniu. Im więcej otwarć drzwi zamrażarki z panelami VIP tym większa szansa na degradację właściwości izolacyjnych paneli a co za tym idzie nieodwracalne uszkodzenie zamrażarki. Wadą paneli VIP jest również ich cena.

 

Podział zamrażarki na sekcje

Na rynku spotykanych jest kilka rozwiązań podziału przestrzeni komory mroźniczej. Najczęściej stosowany jest podział na 4 sekcje. Sekcje mają za zadanie ergonomiczny podział pozwalający na wygodne wkładanie i wyjmowanie stelaży na kriopudełka. Nie należy mylić ilości sekcji wewnątrz komory z ilością wewnętrznych drzwi w komorze mroźniczej. Ilość sekcji może być tożsama z ilością drzwi ale nie jest to żadną regułą.

Im więcej sekcji w zamrażarce tym niższe stelaże możemy do takiej sekcji włożyć. Im mniej sekcji w zamrażarce tym wyższe ale i cięższe stelaże możemy do niej włożyć. Optymalną wartością jest 20 – 25 pudełek o wysokości 5cm w jednym stelażu.

 

Wewnętrzne drzwi

Wewnętrzne drzwi w zamrażarce są bardzo ważnym elementem konstrukcji. Zapewniają one dodatkową izolację termiczną w stosunku do głównych drzwi zamrażarki. Pozwalają one również na ograniczenie dostawania się ciepłego powietrza do wewnątrz komory podczas otwierania drzwi głównych. Ilość drzwi wewnętrznych nie ma wpływu na szybszą bądź wolniejszą zmianę temperatury wewnątrz zamrażarki podczas ich otwierania. Czynnikami które taki wpływ mają jest rodzaj i grubość izolacji drzwi wewnętrznych. Przykładowo drzwi wewnętrzne ze stali w ogóle nie ograniczają utraty ciepła. Czynnikiem takim jest również zastosowanie uszczelek utrudniających wymianę powietrza oraz odpowiednich zamknięć pozwalających na szczelne zamknięcie drzwi wewnętrznych. Przykładem dobrego zamknięcia jest zamknięcie typu pazur pozwalające na prawidłowe dopchnięcie drzwi do uszczelki. Zamknięcia na magnesy lub sprężynowe nie spełniają swojego zadania już po kilku dniach pracy zamrażarki kiedy na powierzchni drzwi wewnętrznych pojawi się warstwa szronu, który skutecznie uniemożliwi szczelne ich zamknięcie.

 

Wewnętrzny materiał komory

W przypadku wyboru zamrażarki materiał komory mroźniczej ma drugorzędne znaczenie. Najważniejszym kryterium jest łatwość czyszczenia powierzchni komory oraz odporność materiału na korozję. Większość renomowanych producentów wykonuje komory ze stali, która pokryta jest warstwą bardzo trwałej powłoki z tworzywa sztucznego lub ze stali nierdzewnej. Najważniejszym kryterium wyboru jest fakt czy dostawca zamrażarki daje długą gwarancję na trwałość materiału komory i gwarantuje, że komora nie pokryje się rdzą.

 

Pojemność zamrażarki

Pojemności zamrażarek producenci podają w litrach. Jest to mało miarodajny parametr ponieważ oprócz pojemności w litrach bardzo ważnymi parametrami są wymiary komory. Wymiary komory w prawidłowo zaprojektowanej zamrażarce pozwalają na idealne dopasowanie stelaży na standardowe kriopudełka o wysokości 5cm. Najbardziej miarodajnym parametrem cechującym zdolność do przechowywania prób jest maksymalna ilość standardowych kriopudełek które można przechowywać w zamrażarce. Dla przykładu w zamrażarce dobrze zaprojektowanej o pojemności 483 litry można przechowywać 320 szt. pudełek, natomiast w zamrażarce o pojemności 510 litrów zmieści się ich również 320 szt. 27 litrów jest stracone na puste przestrzenie niedopasowane do standardowych wymiarów stelaży i pudełek.

 

Parametry temperaturowe.

Do najważniejszych parametrów zamrażarki zalicza się cztery wartości temperatur.

  1. Minimalna temperatura jaką może osiągnąć układ chłodniczy
  2. Maksymalna różnica temperatur w przestrzeni komory zamrażarki
  3. Maksymalne wahania temperatury w przestrzeni komory mroźniczej
  4. Maksymalna temperatura otoczenia przy której zamrażarka będzie utrzymywała zadaną temperaturę wewnątrz.

 

Prawie wszystkie zamrażarki dostępne na rynku są w stanie osiągnąć temperaturę pracy -86°C. Wyjątek stanowią urządzenia o bardzo dużej pojemności powyżej 800 litrów dla których producenci gwarantują osiąganie temperatur na poziomie -80°C. Drugim wyjątkiem są urządzenia mogące osiągać temperatury -95°C, ale dotyczy to urządzeń dwukompresorowych.

 

Maksymalna różnica temperatur w komorze zamrażarki jest mierzona za pomocą co najmniej 5 czujników temperatury rozmieszczonych w odpowiednich punktach komory. Im różnica między wartością najniższą i najwyższą jest mniejsza tym lepiej. Wartości nie powinny być większe niż +/-5°C.

 

Maksymalne wahania temperatury w przestrzeni komory pozwalają określić jak duże wahania temperatury występują pomiędzy kolejnymi włączeniami kompresora. Im wartość mniejsza tym lepiej. Wraz ze zmniejszaniem wahań temperatury pomiędzy włączeniami kompresora rośnie jednak zużycie energii oraz rośnie zużycie samego kompresora a co za tym idzie skraca się czas jego bezawaryjnej pracy.

 

Parametry czasowe zamrażarki

Głównymi parametrami czasowymi związanymi oczywiście z temperaturą są czasy schładzania oraz czasy rozmrażania.

Czas schładzania od temperatury otoczenia do temperatury roboczej określa jak mocny układ chłodniczy został zastosowany w urządzeniu. Im szybciej zamrażarka pozwala schłodzić swoją zawartość tym mocniejszy układ znalazł się w urządzeniu. Typowy czas schładzania nie powinien przekraczać 5 godzin. Czas schładzania pozwala również określić jak szybko zamrażarka poradzi sobie z podwyższeniem temperatury po otwarciu i zamknięciu drzwi głównych.

 

Czas rozmrażania pozwala na określenie jak długo zamrażarka będzie w stanie utrzymać temperaturę poniżej określonej temperatury (bezpiecznej dla prób w sytuacjach awaryjnych).

Im czas rozmrażania jest dłuższy tym lepiej. Długi czas rozmrażania świadczy o dobrej izolacji zamrażarki oraz jej szczelności a co za tym idzie właściwy dobór uszczelek drzwi głównych.

 

Hałas

Urządzenia niskotemperaturowe w szczególności te o dużych pojemnościach wytwarzają hałas o dużo wyższej amplitudzie niż nasz lodówki lub zamrażarki domowe. Moce kompresorów zastosowanych w zamrażarkach niskotemperaturowych są kilkukrotnie większe. W układzie występują również wentylatory chłodzące, które pracują prawie non stop. Kryterium oceny jest oczywiście wartość hałasu podawana w dBa. Im wartość niższa tym lepiej. Dobrej klasy zamrażarki hałasują na poziomie zdecydowanie poniżej 50dBa.

 

Miejsce pracy zamrażarki niskotemperaturowej

Podczas zakupu zamrażarki należy wziąć pod uwagę nie tylko wymiary zewnętrzne urządzenia ale również niezbędną do prawidłowego funkcjonowania wolną przestrzeń wokół urządzenia. Każde urządzenie niskotemperaturowe wymaga co najmniej 10 centymetrów wolnej przestrzeni wokół.

Innym kryterium związanym z wymiarami urządzenia jest możliwość jego transportu do miejsca użytkowania. Większość zamrażarek posiada wysokość poniżej 2 m co umożliwia im transport przez standardowe drzwi do pomieszczeń. Szerokość lub głębokość urządzenia powinna być skonfrontowana  z szerokością drzwi i innych przeszkód występujących na drodze, którą urządzenie ma dotrzeć do laboratorium. Serwis dystrybutora zamrażarek powinien również pomóc w ustaleniu możliwości transportowych. W wyjątkowych sytuacjach możliwe jest „odchudzenie” zamrażarki np. o główne drzwi co może umożliwić transport urządzenia do laboratorium.

 

W miejscu pracy urządzeń chłodniczych a w szczególności zamrażarki niskotemperaturowej należy bezwzględnie zapewnić właściwą wentylację lub klimatyzację, która umożliwi usunięcie ciepła generowanego przez urządzenia. Proszę zauważyć, że przy temperaturze otoczenia +20°C wewnątrz zamrażarki panuje temperatura -80°C do daje nam 100°C różnicy. To więcej wydzielanego ciepła niż podczas gotowania wody w czajniku !

 

Zamrażarki niskotemperaturowe pomimo ciągłych udoskonaleń i ciągłego ograniczania konsumpcji energii stanowią urządzenia wymagające dużych prądów podczas swojej pracy. Momentem o szczególnym znaczeniu dla instalacji elektrycznej jest rozruch kompresora. W tym stanie urządzenie pobiera maksymalny możliwy prąd. W związku z powyższym zamrażarki niskotemperaturowe powinny być podłączane do niezależnych obwodów elektrycznych. Każdy z takich obwodów powinien być wyposażony we własne zabezpieczenie prądowe o parametrach dostosowanych do podłączonego urządzenia. W celu uniknięcia przypadkowych włączeń zasilania zamrażarki bezpiecznikiem, który należy zastosować jest bezpiecznik prądowy typu zwłocznego. Pozwoli on na chwilowe przekraczanie dopuszczalnego prądu podczas rozruchu bez wyłączenia napięcia zasilania całego urządzenia.

 

Bezpieczeństwo prób

Każde urządzenie elektryczne, a takim jest również zamrażarka niskotemperaturowa wymaga do pracy właściwego napięcia. Jeśli tego napięcia zabraknie nasza zamrażarka po prostu wyłączy się. Po wyłączeniu mamy tylko kilka godzin kiedy nasze próbki są bezpieczne. Po pewnym czasie zaczną się one jednak rozmrażać. Aby uniknąć strat w cennych próbkach (czasem bezcennych) możemy zastosować kilka dostępnych rozwiązań podwyższających bezpieczeństwo przechowywanego materiału.

Pierwszym wyborem jest system sygnalizujący fakt braku zasilania lub fakt przekroczenia zadanej dopuszczalnej temperatury. Sygnalizacja może odbywać się na kilka sposobów. Większość zamrażarek wyposażonych jest w przekaźnik który w przypadku wystąpienia alarmu zwiera się i w ten sposób sygnalizuje fakt alarmu. Przekaźnik taki powinien być podłączony do systemu alarmowego budynku w którym znajduje się całodobowa ochrona.

Innym systemem, który nie wymaga obecności ochrony jest powiadamianie przez telefon za pomocą komunikatów głosowych. System taki w przypadku alarmu wykonuje połączenie na zaprogramowane numery telefonów i odtwarza zaprogramowaną wiadomość informującą o alarmie.

Rozwinięciem systemu powiadamiania telefonicznego jest system powiadamiania SMSem. System ten w przypadku wystąpienia alarmu wyśle wiadomość SMS pod zaprogramowane numery z informacją o stanie alarmowym. Bardziej zaawansowane systemy pozwalają na informowanie o aktualnej temperaturze w komorze zamrażarki.

Powyższe systemy są o tyle skuteczne o ile mamy możliwość szybkiej reakcji i możliwość szybkiego przełożenia naszych próbek do innego urządzenia.

W celu wydłużenia czasu, kiedy nasze próbki pozostaną w bezpiecznej temperaturze pomimo przerwy w dostawie prądu lub awarii urządzenia jest system CO2 backup. System ten pozwala na utrzymanie zadanej temperatury (np. -50°C) za pomocą nastrzykiwania ciekłego dwutlenku węgla do wnętrza komory. System CO2 backup pozwala na niezależną od zasilania sieciowego pracę i utrzymanie temperatury przez czas na jaki wystarczy butla z CO2 podłączona do systemu. W zależności od wypełnienia zamrażarki, temperatury otoczenia i ilości butli z ciekłym CO2 podtrzymanie może trwać 24 i więcej godzin.

 

Ostatnią kategorią urządzeń zwiększających bezpieczeństwo prób są zamrażarki niskotemperaturowe dwukompresorowe. Rozwiązanie to będzie skuteczne dla przypadków awarii jednego z kompresorów. Jeśli w tego typu urządzeniu awarii ulegnie jeden z kompresorów, drugi będzie w stanie przez nieograniczony czas utrzymać temperaturę pracy na poziomie minimum -70°C. Przy awarii prądu niestety to rozwiązanie również nie zapewni zwiększonego bezpieczeństwa i pozostaje tu zainstalowanie rozwiązań opisanych powyżej.

LEAVE A COMMENT