автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Энергоэффективная система криостатирования исполнительного устройства криотерапевтического комплекса

САВЕЛЬЕВА АННА ВИКТОРОВНА

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ СИСТЕМА КРИОСТАТИРОВАНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА КРИОТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2013

1 4 ОКТ 2013

005535915

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент, Баранов Александр Юрьевич,

Сулин Александр Борисович, доктор технических наук, федеральное государственное унитарное предприятие НИИ промышленной и морской медицины, начальник отдела

Трубников Николай Михайлович, кандидат технических наук, ООО «ФАТЕХ ТСН»

Ведущая организация ГК «ЛЕННИИХИММАШ»

Защита состоится «¿Ш М£>$, <1^/ 20 /3 г. в /г часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.08 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9., тел./факс: (812)315-30-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан «. Ъ&иИдЬЗ 20 В г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Рыков Владимир Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Общая криотерапия — физиотерапевтическая технология, основанная на искусственном охлаждении поверхности кожного покрова человека, процедура имеет беспрецедентно широкий список медицинских показаний к применению, не дает негативных побочных эффектов, совместима с традиционным лечением, это определяет высокую потребность общества в специализированной технике. Производство систем для ОКТ долгое время развивалось спонтанно, без теоретического обоснования известных из практики эффектов, определения количественных связей между технологическими параметрами процесса и достигаемым позитивным результатом.

В результате такого развития современные технологические и конструктивные решения крайне противоречивы и не поддаются систематизации.

Эмпирическое развитие этого направления криомедицинской техники является причиной многочисленных ошибок в выборе инженерных решений.

Существуют множественные примеры производства аппаратов, которые по своим температурным и энергетическим характеристикам не способны обеспечивать достижение лечебного'эффекта. Развитие производства криотерапевтических систем в России нуждается в четких и обоснованных технологических рекомендациях.

С учетом высокого социального и гуманитарного значения эффективности и безопасности аппаратов для реализации метода общего криотерапевтического воздействия (ОКВ) необходимо добиваться определения четких требований к температурному уровню и энерговооруженности систем криоста-тирования.

Для защиты внутреннего рынка России от некачественной аппаратуры температурные и энергетические характеристики системы охлаждения должны быть утверждены на уровне Министерства Здравоохранения Российской Федерации. Формулировка строгих рекомендаций по температурному уровню и энерговооруженности аппаратов для ОКВ требует подробного экспериментального обоснования. Исходя из этого, актуальность работы очевидна и обоснована.

Цель работы. Целыо исследования является выбор и обоснование способа отвода теплоты из объема исполнительного устройства аппарата для ОКВ, определение оптимальной энерговооруженности системы криостатиро-вания, подбор эффективных рефрижераторных циклов.

Задачи исследований. Для решения поставленной цели необходимо выполнить следующие исследования:

1. Выполнить обзор литературы и анализ современного состояния техники и технологии общей криотерапии, определить основные параметры технологического режима, сформулировать тепловую задачу охлаждения, описать существующие варианты решения задачи криостатирования исполнительного устройства (РТУ) криотерапевтического комплекса;

2. Разработать физические и математические модели ИУ криотерапевтического комплекса и системы криостатирования (CK), программное обеспечение для моделирования технологического цикла для аппарата для ОКТ;

3. Исследовать процессы переноса теплоты при использовании одноместных и многоместных ИУ;

4. Определить величину минимальной тепловой нагрузки на систему криостатирования криотерапевтического комплекса;

5. Выбрать и обосновать схему размещения пациента в объеме ИУ;

6. Исследовать энергоэффективность различных вариантов отвода теплоты из объема ИУ;

7. Определить наиболее эффективный цикл криостатирования ИУ аппарата для ОКТ.

Идея работы состоит в организации многофакторного численного эксперимента по исследованию тепловых процессов в исполнительном устройстве криотерапевтического комплекса при разных вариантах организации ОКВ и отвода теплоты.

Научная новизна:

1. Исследованы тепловые процессы, возникающие при реализации ОКВ в одноместных и многоместных кабинах;

2. Разработаны физическая и математическая модели исполнительного устройства криотерапевтического комплекса, учитывающие особенности объекта охлаждения, тепловую энерцию охлаждения кабины, технологические потери газа теплоносителя;

3. Выявлены и обоснованы энергетические преимущества одноместных криотерапевтических комплексов;

4. Определена минимальная тепловая нагрузка на систему криостатирования кабины криотерапевтического комплекса;

5. Исследованы и сопоставлены различные варианты переноса теплоты из объема ИУ к системе криостатирования;

6. Доказана энергоэффективность конвективного переноса теплоты из объема ИУ в систему криостатирования;

7. Выбран и обоснован энергоэффективный способ получения газообразного теплоносителя.

Практическое значение. Комплекс полученных данных о тепловых процессов, сопровождающих процесс криогенного охлаждения поверхности объекта ОКВ позволил определить причинно-следственные связи между энерговооруженностью системы криостатирования и лечебной эффективностью аппаратов для ОКТ, выявить структуру затрат энергии, определить способы оптимизации конструкции криотерапевтических комплексов. Обоснование требований по энерговооруженности систем криостатирования ИУ обеспечивает условия для организации в России производства конкурентоспособного криотерапевтического оборудования. Внедрение разработанных технологических рекомендаций при производстве комплекса «КАЭКТ - 01 Крион» создало условия для экспорта оборудования за рубеж, в том числе в страны, обладающие собственным производством криотерапевтической аппаратуры. Выработанный математический аппарат и программное обеспечение численных экспериментов создают научную базу для проектирования новых видов криотерапевтических систем.

Внедрение. Результаты работы внедрены при производстве криотерапевтических комплексов «КАЭКТ - 01 Крион» в ООО «НПП КРИОН». Программное обеспечение исследований используется при обучении студентов и магистрантов по специальности 140401.

Апробация работы: Материалы работы докладывались на международных конференциях «Криотерапия в России» в 2008- 2012 годах, всего сделано 6 докладов. Доклады по теме исследований были представлены на международной научной конференции «Холодильная криогенная техника, промышленные газы, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2010 год), на IV ежегодной научно-практической конференции с международным участием «Новое в практической криомеди-цине» (Москва, 2010 год), на международной конференции «Инновации в холодильной технике» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2012 год).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 3 работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, приложения и содержит 120 страниц машинописного текста, 43 рисунка, 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первую очередь анализируется современный уровень развития технических средств реализации технологии (общего криотерапевтического воздействия) ОКВ. На основании аналитического обзора литературы установле-

но, что действующие криотерапевтические комплексы (КТК) имеют ряд недостатков, препятствующих реализации эффективной технологии ОКВ:

о не обеспечивают криостатирование зоны ОКВ на оптимальном температурном уровне 130-140 К;

о системы криостатирования (СК) КТК имеют недостаточную энерговооруженность, затраты электроэнергии или жидкого криоагента покрывают не более 50% действительной тепловой нагрузки;

о недостаточная энерговооруженность СК и высокая температура в зоне ОКВ снижают эффективность большинства действующих КТК;

о исследования, направленные на оценку действительной тепловой нагрузки на СК КТК, выбор способа отвода теплоты и рефрижераторного цикла, ранее не проводились.

Аналитический обзор литературных источников позволил обосновать необходимость проведения исследований, направленных на выбор и обоснование энергоэффективного способа криостатирования исполнительного устройства (ИУ) КТК.

Учитывая специфический характер объекта исследования, оптимальным способом решения поставленной научной задачи является постановка многофакторного численного эксперимента на математической модели ИУ КТК.

На основании обзора литературы составлено представление о теоретических основах моделирования тепловых процессов в элементах КТК.

Далее изложен принципиальный подход к построению математической модели ИУ КТК. Объект представляется как объем, образованный тепловым ограждением зоны ОКВ. Объем заполнен криогенным газом (теплоносителем), который обеспечивает интенсивный отвод теплоты д2 с поверхности объекта ОКВ (поверхности тела пациента). Наряду с объектом ОКВ теплоноситель отводит тепловой поток от ограждения ИУ. Для криостатирования зоны ОКВ на номинальном температурном уровне Г1=Тнам=сопз( теплота, подведенная от источников СК КТК, минимальная тепловая нагрузка на СК, складывается из двух компонентов:

<?5=?2+<7З- (1)

Полезная тепловая нагрузка на СК зависит от удельной площади объекта ОКВ: /2=?у п2/У3, (2)

где У3 - объем ИУ; Р2 - площадь поверхности объекта ОКВ, п2 - вместимость ИУ.

Тепловая нагрузка от ограждения зависит от удельной поверхности изоляции: /з=Р3/У3, (3) где ^ — площадь поверхности теплового ограждения ИУ.

Объем свободного пространства ИУ: е=(У3-П2'У2)/У3. (1)

Удельные характеристики ИУ одноместных и многоместных КТК существенно различаются (см. таблицу 1). Таблица 1. Удельные характеристики ИУ КТК

Параметр Ед. изм. Тип устройства

Одноместное Многоместное

Площадь ограждения кабины м /м 6,5 2,5

Площадь объекта охлаждения м2/м3 3,0 1,0

Свободное пространство кабины м3/м3 0,84 0,97

Моделирование процессов в ИУ КТК направлено на исследование изменения температуры теплоносителя под действием подвода теплоты от источников при разных способах отвода теплоты СК, и определение затрат энергии на реализацию цикла ОКВ при разных значениях удельных характеристик ИУ. Все процессы рассматриваются в единице объема газа, поэтому процесс может быть описан двумерным уравнением энергии (5), которое связывает изменение энтальпии газа в элементарном объеме с переносом теплоты вдоль координат X и 2, а также от внутренних источников (приемников)

теплоты: „ дН дт"

ч дх дг

Р-

дк дк)

V) ■——

* дх

-р-к

дм> дw —г

дх дг

(5)

Конвективный перенос массы газа, связанный с работой системы крио-статирования, рассматривается как движение вдоль координаты X. Материальные потоки, связанные с изменением плотности теплоносителя в объеме ИУ, рассматриваются как движение вдоль координаты 2. Разделение материальных потоков по двум координатам - условный прием, направленный на упрощение анализа конвективного переноса теплоты при реализации рабочего цикла ИУ. Процесс переноса теплоты в объеме ИУ идет при атмосферном давлении, теплопроводность теплоносителя мала, поэтому переносом теплоты теплопроводностью можно пренебречь. Для структурирования тепловой нагрузки можно представить уравнение энергии в виде теплового баланса

единицы объема ИУ: р ■ = а + а + а дт " р У

конвективный перенос теплоты: д _ _р.|

дИ дИ

--+ --

дх г дг,

Подвод теплоты при увеличении плотности газа в объеме ИУ:

дп> дн>_

Я = -р-к

(6)

(7)

(8)

дх дг

Для описания материальных потоков, связанных с изменением плотно-

ста газа, используется дифференциальное уравнение неразрывности:

dp + d(p-wx) 5(p-wz) = o (9)

д т дх dz

Полагаем, что источники и приемники теплоты равномерно распределены по объему: qv=f2-q2+f3-q3+fA-q4. (10)

Плотность теплового потока от источников и приемников:

<72=°2-1-(Г2-71); Ч3=^{Тъ-Тх)-яА=алл{Т,-Тх), (11)

Температура поверхности источников и приемников теплоты вычисляются в математических моделях элементов ИУ.

При построении математической модели ИУ использована математическая модель объекта ОКБ, разработанная ранее для проведения цикла исследований по оптимизации технологии OKT.

dh cbv

р—=-~ + V (12)

дт дх

В уравнении энергии для теплового ограждения:

dh dqr

= <13>

дт дх

Граничные участки изоляции обмениваются теплотой с теплоносителем (j'=l) и окружающей средой (¡-и,) в режиме естественной конвекции:

q. ,=ar(T.-T.), q ,,—а •(Т -Т.). (14)

11 ¡ ' 'rtj+1 ос ос I 4 '

Математическая модель рекуперативного теплообменного устройства CK основана на представлении этого аппарата в виде пластины малой толщины ô. Пластина с двух сторон омывается теплоносителем, отвод теплоты к системе криостатирования равномерно распределен по объему пластины. Одномерное уравнение энергии для теплопередающей пластины:

dh

(15)

где qs ,qi -отвод теплоты к системе криостатирования и подвод теплоты от газа теплоносителя соответственно.

Программное обеспечение численного эксперимента также построено на алгоритмическом языке Turbo Pascal 7.0, с широким использованием TPU-модулей.

Затем изложен ход численных экспериментов, направленных на выбор и обоснование схемы ОКВ и способа отвода теплоты из объема ИУ.

Схема охлаждения объекта ОКВ зависит от вместимости ИУ и оказывает определяющее влияние на структуру и величину удельной тепловой

на1рузки на СК [10]. Физическая суть эксперимента по оценке тепловой нагрузки при использовании групповой и индивидуальной схем ОКВ сводится к математическому моделированию стандартного алгоритма изменения температуры теплоносителя в объеме ИУ и определению сопутствующих тепловых потоков и затрат энергии на их отвод. При использовании индивидуальной схемы ОКВ все элементы ИУ в начальный момент времени находятся в тепловом равновесии с окружающей средой (ОС): т = 0, ~ Тос ;

при 1 </<«., Г Г ■

I 3,» ос

Продолжительность выхода одноместного ИУ на установившийся температурный режим не превышает 20 секунд [2]: тА = 20, 0 < Т < Та,

т <т.<т .

ном 1 ОС

В установившемся режиме: та<т < 180 с, Т^ = const .По текущим значениям подвода теплоты от источников рассчитываются интегральные

г-г, г=г,

притоки теплоты: Qi =/2 jb . вз =/з ¡Яз (16)

Г=0 г=0

При росте плотности теплоносителя, с атмосферным воздухом ИУ поступает «компенсационный» поток теплоты: qp = (р'~р) • -А,), (17)

Суммарный подвод теплоты: QP~ J (18)

г=0

Текущая и интегральная нагрузка на СК определяется суммой притоков

г=г(П4х

теплоты: Ч^'Чг+А'Ъ+Яр, Qs = \%дт. (19)

г=0

Энергоэффективность ИУ иллюстрирует значение КПД:

Пт =Qi!Qs- (20)

Мощность электропривода рефрижератора определяется с учетом уровня криостатирования: N; = / s5, s5=f(Ti). (21)

r=rmax

Суммарные затраты электроэнергии: Q = jN5dz. (22)

т-0

В эксперименте моделировался процесс ОКВ в ИУ с разными удельными характеристиками источников теплоты (см. таблицу 2).

Работа многоместного ИУ начинается с предварительного охлаждения, поэтому в момент проведения ОКВ температура теплоносителя соответству-

ет номинальной, а тепловое ограждение находится в тепловом равновесии: Т,=Тнт, Т3^,~Т,.

В многоместных ИУ тепловая нагрузка складывается из суммы притоков теплоты в кабине и шлюзе. Перемещение объекта охлаждения по полостям ИУ происходит в 6 этапов, на каждом из которых температура теплоносителя имеет разное значение. Результаты моделирования процесса ОКВ по групповой схеме приведены в таблице 2.

Таблица 2. Тепловая нагрузка на СК КТК

Показатели Ед. изм. Схема ОКВ

Индивидуальная Групповая

ИУ 1 ИУ2 -

Поверхность объекта ОКВ м2/м3 3,2 1,1 0,62

Поверхность ограждения м2/м3 6,4 4,7 2,4

Свободное пространство - 0,84 0,92 0,97

Средняя нагрузка на СК кВт/м3 11,8 5,6 1,87

Суммарный отвод теплоты СК кДж/м3 2012 953 566

Компенсационный подвод теплоты кДж/м3 92 100 238

Теплота от объекта ОКВ кДж/м3 1427 490 279

Теплота от ограждения кДж/м3 493 362 47

КПДИУ - 0,71 0,51 0,49

Затраты электроэнергии кВт час/м3 2,15 0,99 0,92

Индивидуальная схема ОКВ обеспечивает более рациональное использование энергии. КПД одноместного ИУ (вариант 1) составил 71%, КПД многоместного ИУ составил только 49%. Не учитывались затраты энергии на предварительное охлаждение изоляции ИУ группового КТК, что несколько улучшило энергетические показатели.

В одноместном ИУ компенсационный приток теплоты составляет 4,5% общей тепловой нагрузки, в многоместном ИУ 42%. Конструкция многоместных КТК неэффективна. Далее рассматривались варианты криостатиро-ванйя одноместных ИУ.

При рекуперативном способе охлаждения в объеме ИУ размещается теплообменник, который отводит теплоту за счет естественной конвекции газа. Конвективный отвод основан на переносе теплоты циркуляционным потоком теплоносителя. С использованием математической модели ИУ были выполнены две серии экспериментов по исследованию энергоэффективности

вариантов криостатирования ИУ одноместного КТК. Рассчитывался подвод теплоты, связанный с вымораживанием влаги из компенсационного потока газа:

Ян0=Е1>-Хнр-9н4» вп*> = Где Ч\0=г"11Ш +г' + (т'~т„). (23)

г=0

Отвод теплоты определяют градиент температур и теплопередающая поверхности/4: <74 = -/4-(Т,-Г4 ). (24)

При конвективном способе отвода теплоты теплообменник размещается вне объема ИУ. Полная продолжительность одного цикла складывается из процедурной и пассивной фазы: т1/=г^,01(+гпа>д. Время простоя между процедурами принимаем тпауз=30 с. Продолжительность процедуры т„рО1(=180 с.

Регулирование температуры осуществлялось посредством изменения мощности электропривода рефрижератора: Тх>ТЪо!И, > О, ТХ<ТХН0М, М5у= 0.

Результаты эксперимента наглядно показывают, что рекуперативный отвод теплоты непригоден для криостатирования одноместных ИУ. Контакт теплообменника с атмосферным воздухом в паузах между процедурами увеличивает тепловую нагрузку на СК на 34%. КПД ИУ снижается до 39 %, затраты электроэнергии возрастают на 44%. Объем, занимаемый теплообмен-ным аппаратом, препятствует увеличению компактности ИУ

Таблица 3. Тепловая нагрузка на СК одноместного КТК при разных способах отвода теплоты

Показатели Ед. изм. Способ отвода

Рекуперативный Конвективный

Поверхность теплообменника м2/м3 60 60

Расход теплоносителя кг /с-м1 - 0,6

Поверхность объекта ОКВ м2/м3 1,1 1,1

Поверхность ограждения м2/м3 4,7 4,7

Свободное пространство - 0,92 0,92

Средняя нагрузка на СК кВт/м3 7,1 5,3

Суммарный отвод теплоты СК кДж/м3 1283 962

Компенсационный подвод теплоты кДж/м3 218 89

Теплота от объекта ОКВ кДж/м3 496 489

Теплота от ограждения кДж/м3 494 349

Теплота вымораживания кДж/м3 76 34

КПДИУ - 0,39 0,51

Затраты электроэнергии кВт час/м3 2,23 1,54

Далее изложен ход численных экспериментов, направленных на выбор и обоснование рефрижераторного цикла для системы криостатирования индивидуального КТК.

Оптимальную температуру ИУ можно поддерживать посредством криогенных газовых циклов, в которых рабочим телом является атмосферный воздух. Из всех криогенных газовых циклов рассматриваемой тепловой задаче в наибольшей степени соответствует рефрижератор на базе воздушной турбохолодильной машины (ВТХМ). Этот цикл основан на использовании сочетания турбокомпрессора с турбодетандером и имеет хорошие энергетические характеристики в области криогенных температур.

Тепловая нагрузка на СК КТК носит дискретный характер, периоды интенсивного тепловыделения чередуются с периодами простоя ИУ, когда тепловая нагрузка на рефрижератор отсутствует. ВТХМ инерционна и рассчитана на непрерывную работу, поэтому в СК введена промежуточная камера, равная по объему камеры < Уду.

Рефрижератор поддерживает в камере 5 температуру на уровне 7уо<130-135 К. При реализации ОКВ теплоноситель циркулирует между камерой 5 и ИУ.

Математическая модель ВТХМ разрабатывалась для оценки затрат энергии в СК, поэтому эффективность турбомашин описывалась упрощенно с использованием стандартных значений изотермического КПД компрессора >]т и адиабатического КПД детандера: г\т=0,5; ц¡,¿=0,8.

Для моделирования процесса расширения воздуха в турбодетандере по известному значению г)ад определялись энтальпия и температура воздуха, поступающего в емкость 5. Температура воздуха на входе в детандер определяется процессами в рекуперативном теплообменнике, расположенном после компрессора. Для моделирования переходных процессов в теплообменнике использовалась математическая модель пластинчато-ребристого теплообменника, которая представляла аппарат как теплопередающую пластину между прямым и обратным потоком воздуха. Пластина разделена на элементарные участки. В пределах каждого участка температура металла и потоков воздуха полагается постоянной. Моделирование переноса теплоты через элементарный участок обеспечивает использованная в главе 3 подпрограмма TEPLOOBMENNIK.PAS, которая по заданным значениям подводимой и отводимой теплоты вычисляет новое значение температуры теплопередающей поверхности. Тепловые потоки между пластиной и воздухом вычисляются с учетом локальных коэффициентов теплоотдачи при вынужденном движении газа:л ,=а ,-{Т . -Т..)\а ,. =а ,. -(Т .. ~ТЛ.).

1 пр\ прг 4 пр1 4/' ' ^ обр1 оор1 х обр1 4;/

Расходы газа в прямом и обратном потоке одинаковые. Принимаем удельный расход газа в рефрижераторе равным удельному расходу теплоносителя через объем ИУ:

Ч Р~Ч\= кг / (мъ -с). ■ (25)

Программный модуль ТЕРЮОВМЕЫМК.РАБ интегрирован в подпрограмму ЛРРЛШТ.РАБ, которая моделирует работу пластинчато-ребристого теплообменника.

На каждом элементарном участке выполняется численное решение уравнения энергии для прямого и обратного потока, которое обеспечивает вычисление новых значений энтальпии и температуры:

ЬЫк Г/= /(/,,'). (26)

' ™ А '

ргАх

Для вычислений используем программные продукты, моделирующие процессы в объеме ИУ.

Моделирование работы ВТХМ включает процесс предварительного охлаждение теплообменного аппарата , т=0: ТпрМ =7; =ТМ; Тобр1=, = Г, - 1; Т = Т — 2- Т - т _ 7

•* пр! = п, ± 1 1 обр: =п, ~ ' 1 -> •

Для любого промежуточного участка, 1 < / < п{ начальная температура воздуха определяется из выражений:

(27)

Г г т> Робр I ^обрп, ) .. . , ч

обр: = Тт--•('-!); (28)

Квр, = /(Т06Р,); КР, = /(Т„Р,) • (29)

Температура прямого потока воздуха на входе в первый участок равна температуре газа после компрессора: ТпрЫХ = ^.Температура обратного потока на входе в теплообменник равна температуре газа в емкости 5: Т — Т =Т

* обрп, 14 •'сопроцессы в узлах ВТХМ моделируются подпрограммой ТШ-ВОЯЕКРАЯ, которая обеспечивает имитацию криостатирования промежуточной емкости 5 на заданном температурном уровне.

Энтальпия и температура газа, заполняющего емкость 5, определяется из решения уравнения энергии:

где - подвод теплоты от теплового ограждения промежуточной емкости, #3-0 = /з-о' ^з-о " (Тз-о — ^1-0 )> где /з-о - удельная теплопередающая поверхность теплового ограждения емкости, Т3.0 - температура внутренней поверхности емкости. Перенос теплоты через тепловое ограждение емкости описывается программными продуктами, использованными для математической модели ИУ КТК.

При моделировании работы КТК с системой криостатирования на базе ВТХМ алгоритм работы ИУ не изменялся. Имитация позиционного регулирования температуры в емкости 5 осуществлялось путем изменения расхода газа в рефрижераторе:

7*1-0 > тио» ~ 20, ёрсф > 0, Г,_0 < ТШм - 20, 8реф = 0. (31)

Расхода газа интегрируется, определяется средний расход рабочего тела:

= Ф -дт , , гшах = г0 + 230. (32)

г=0

Определяют суммарные затраты энергии и средняя мощность привода: еэ=Т</.-/'>5г ' ^Э^бэАшах- (33)

г=0

Давления газа перед детандером от 0,2 до 0,4 МПа. Таблица 4. Результаты эксперимента по моделированию работы КТК с

ВТХМ

Характеристики Номер варианта

1 2 3 4

Давление газа перед детандером, МПа 0,4 0,4 0,3 0,2

Расход воздуха через детандер, кг/(с-м3) 0,7 0,4 0,4 0,4

Номинальная мощность привода, кВт/м3 161,4 92,3 73,1 46,1

Средняя мощность привода, кВт/м3 11,0 9,2 9,1 6,4

Средний расход воздуха, кг/(с-м3) 0,375 0,313 0,394 0,398

Удельные затраты энергии, кВт-час/м3 3,53 2,96 2,94 1,83

Минимальная температура в исполнительном устройстве, К 130 130 130 152

По материалам таблицы 4 можно исключить из рассмотрения вариант с давлением 0,2 МПа, так как СК не обеспечила номинальный уровень температуры в ИУ. Оптимальным режимом работы ВТХМ можно считать вариант 3, в котором были выполнены температурные требования к ИУ, а затраты электроэнергии снизились до 0,83 (кВт-час)/м3. Практическое использование сдерживается величиной номинальной мощности электропривода рефриже-

ратора (см. таблицу 4). Однако сопоставление значений номинальной и средней мощностей, показывает, что можно снизить максимальное потребление электроэнергии за счет накопления ходопроизводительности в период простоя ИУ КТК между сеансами. Повторный эксперимент, на математической модели рефрижератора с повышенной металлоемкостью основного теплообменника и подачей рабочего тела рефрижератора непосредственно в объем ИУ, показал, что можно снизить удельное потребление электроэнергии до уровня 36,6 кВт/м3. С учетом истинного объема ИУ одноместного КТК, мощность привода рефрижератора СК составит 15 кВт, что является приемлемым показателем.

ВЫВОДЫ

По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Индивидуальная схема проведения ОКВ обеспечивает рациональное расходование энергии, за счет компактного размещения объекта криовоздей-ствия КПД одноместного ИУ составляет до 70%.

2. Для одноместных КТК непригоден рекуперативный способ отвода теплоты из объема ИУ, так как затраты энергии увеличиваются на 44 %.

3. Конвективный перенос теплоты потоком теплоносителя снижает затраты энергии с 2,2 до 1,5 кВт/м3.

4. Использование турбодетандерного рефрижератора снижает удельный расход энергии до 0,83 кВт/м3, т.е. обеспечивает высокую энергоэффективность одноместного КТК.

5. При использовании в рефрижераторе элементов с повышенной теп-лоаккумулирующей способностью и подаче воздуха от рефрижератора в объем ИУ, потребление энергии одноместным КТК снижается до удовлетворительного уровня 15 кВт.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Савельева А. В., Сидорова А. Ю., Баранов В. А. Дистанционная подача жидкого азота в криотерапевтические комплексы// Криотерапия в России: Материалы международной научно-практической конференции. -СПб.: СПбГУНиПТ, 2008. - С. 93-99.

2. Малышева Т. А., Сидорова А. Ю., Савельева А. В. Исследование влияния варьирования температуры теплоносителя на процесс нестационарного переноса теплоты в объекте общего криотерапевтического воздействия// Криотерапия в России: Материалы II международной научно-практической конференции. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2009. С.152-164.

3. Баранов А. Ю., Савельева А. В., Сидорова А. Ю. Оценка энергозатрат при работе установки общего криотерапевтического воздействия// Криотерапия в России: Материалы II международной научно-практической конференции. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2009. С.164-178.

4. Сидорова А. Ю., Савельева А. В., Баранов И.А. Оценка эффективности действующего криотерапевтического оборудования// Криотерапия в России: Материалы III международной научно-практической конференции. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2010. - С.64-71.

5. Сидорова А. Ю., Савельева А. В., Баранов И.А. Организация криотерапевтических процедур с учетом индивидуальных особенностей пациента// Криотерапия в России: Материалы III международной научно-практической конференции. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2010. - С.73-79.

6. Савельева A.B., Сидорова А.Ю., Баранов И.А., Калинин Н.В. Оценка энерговооруженности действующих криотерапевтических комплексов// Криотерапия в России: Материалы III международной научно-практической конференции. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2010. - С. 94-102.

7. Савельева A.B., Баранов И.А. Применение сосудов газификаторов для снабжения азотом криомедицинской аппаратуры// Криотерапия в России: Материалы III международной научно-практической конференции. -СПб.: СПбГУНиПТ, 2010.-С. 102-113.

8. Малышева Т.А., Баранов А.Ю., Сидорова А.Ю., Савельева A.B. О возможности использования опытов с лабораторными животными для исследования эффективности общей криотерапии// Криотерапия в России: Материалы IV международной научно-практической конференции. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2011. С.62-69.

9. Савельева A.B., Сидорова А.Ю., Малышева Т.А. Альтернативные способы криостатирования// Криотерапия в России: Материалы IV международной научно-практической конференции. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2011. - с. 98-105.

10. Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Савельева A.B., Сидорова А.Ю. Перенос теплоты в объекте общего криотерапевтического воздействия// Вестник международной академии холода. — 2012. - Вып. 2.-61 с. С.35-40.

11. Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Савельева A.B., Сидорова А.Ю. Выбор схемы общего криотерапевтического воздействия// Вестник международной академии холода. - 2012. - Вып. 4. - 61 с. С.40-44.

Подписано в печать 01/ Z0I3 Формат 60x84 1/16.

Усл. печ. л. Печ. л. 1.0 . Тираж 80 экз. Заказ № /<Р<Р .

НИУ ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49

ИИК ИХиБТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9.

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ СИСТЕМА КРИОСТАТИРОВАНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА КРИОТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.04.03 Машины и аппараты, процессы холодильной и

криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

На правах рукописи

04201363390

САВЕЛЬЕВА АННА ВИКТОРОВНА

о

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

кандидат технических наук, доцент Баранов Александр Юрьевич

Научный руководитель:

Санкт-Петербург 2013 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ........................................................3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ...............................................5

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................9

ГЛАВА 1 Постановка задачи исследований и выбор экспериментальной методики.................................................................11

1.1 Физические основы эффективности и безопасности общей криотерапии ....................................................................................11

2.1 Техника и технология общей криотерапии, энерговооруженность

действующих криотерапевтических установок...............................14

3.1 Теоретические основы моделирования тепловых процессов в элементах криотерапевтического комплекса......................................29

ГЛАВА 2 Математическое и программное обеспечение эксперимента ........................................................................................38

2.1 Физическая модель исполнительного устройства криотерапевтического комплекса.........................................................................38

2.2 Физическая модель системы криостатирования исполнительного устройства криотерапевтического комплекса.................................44

2.3 Математическая модель исполнительного устройства криотерапевтического комплекса................................................................57

2.4 Программное обеспечение математического эксперимента..........71

ГЛАВА 3 Исследование тепловых процессов в исполнительном устройстве криотерапевтического комплекса ..........................84

3.1 Выбор схемы общего криотерапевтического воздействия...........86

3.2 Исследование работы криотерапевтического комплекса с рекуперативным отводом теплоты..........................................................102

3.3 Исследование работы криотерапевтического комплекса с конвективным отводом теплоты.........................................................117

ГЛАВА 4 Выбор и обоснование рефрижераторного цикла для

криостатирования исполнительного устройства КТК ............129

4.1 Математическая модель рефрижератора на базе воздушной турбо-холодильной машины.............................................................132

4.2 Исследование работы криотерапевтического комплекса с рефрижератором на базе воздушного турбохолодильного агрегата...............141

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ....................................154

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.............................159

ПРИЛОЖЕНИЕ А......................................................................................172

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Т] - температура теплоносителя, К;

Т2 ~ температура мышечной ткани, К;

Т3 — температура изоляции исполнительного устройства, К;

Т4 — температура теплообменного устройства, К;

Т5 - температурный уровень криостатирования, К;

Т^п шах - температура пассивной границы объекта, К;

Т* - температура дефростации, К;

¡терм = -2,5 - терминальный температурный порог, °С;

гкр = -2 - критическая температура поверхности, °С;

1Я - температура ядра, °С;

to ~ начальная температура, °С;

Тэ - температура эпителия, К;

Ттах ~ максимальная продолжительность охлаждения, с; т - эффективное время (время обезболивания), мин; д - плотность теплового потока, Вт/м ;

<3\,- подвод теплоты от внутренних источников, Вт/м2; {- общая потеря теплоты с единицы поверхности, кДж/м2; /о - средняя площадь поверхности человеческого тела, м2; д0 - толщина оболочки, мм; дэ - толщина эпителия (первый слой), мм; бж - толщина жировой ткани (второй слой), мм; ём - толщина мышечной ткани, мм; Ах - шаг разбиения, мм; р - плотность, кг/м3; к - энтальпия, кДж/кг;

X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); а - коэффициент теплоотдачи,

Вт/(м -К);

/л - коэффициент динамической вязкости, (Н-с)/м ;

V - коэффициент кинематической вязкости, м /с;

со - линейная скорость теплоносителя, м/с;

gl - расход теплоносителя, кг/с;

Ке ~ критерий Рейнольдса;

Ог - критерий Грасгофа;

Ми - критерий Нуссельта;

Рг - критерий Прандтля;

Яа - критерий Релея;

- критерий Био; Го - критерий Фурье;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Общая криотерапия (ОКТ) имеет беспрецедентно широкий список медицинских показаний к применению, не дает негативных побочных эффектов, совместима с традиционным лечением.

Эмпирическое развитие этого направления криотерапевтической техники стало причиной многочисленных ошибок в выборе инженерных решений.

Развитие производства криотерапевтических систем в России нуждается в четких и обоснованных технологических рекомендациях, в частности определении требований к энерговооруженности систем криостатирования.

Формулировка строгих рекомендаций по энерговооруженности аппаратов для ОКВ требует подробного экспериментального обоснования. Исходя из этого, актуальность работы очевидна и обоснована.

Цель работы. Целью исследования является выбор и обоснование способа отвода теплоты из объема исполнительного устройства аппарата для ОКВ, определение оптимальной энерговооруженности системы криостатирования, подбор эффективных рефрижераторных циклов для системы криостатирования.

Задачи исследований. Для решения поставленной цели необходимо выполнить следующие исследования:

1. Выполнить обзор литературы и анализ современного состояния техники и технологии общей криотерапии, сформулировать тепловую задачу охлаждения, описать существующие варианты решения задачи криостатирования исполнительного устройства (ИУ) криотерапевтического комплекса;

2. Разработать физические и математические модели ИУ криотерапевтического комплекса и системы криостатирования (СК), программное обеспечение для моделирования технологического цикла для аппарата для ОКТ;

3. Исследовать процессы переноса теплоты при использовании одноместных и многоместных ИУ;

4. Определить величину минимальной тепловой нагрузки на систему криостатирования криотерапевтического комплекса;

5. Выбрать и обосновать наиболее энергоэффективную схему размещения пациента в объеме ИУ;

6. Исследовать энергоэффективность различных вариантов отвода теплоты из объема ИУ;

7. Определить и обосновать наиболее эффективный цикл криостатирования ИУ аппарата для OKT.

Идея работы состоит в организации многофакторного численного эксперимента по исследованию тепловых процессов в исполнительном устройстве криотерапевтического комплекса при разных вариантах организации ОКВ, способах переноса теплоты в систему криостатирования, отвода теплоты за пределы установки.

Научная новизна:

1. Впервые исследованы тепловые процессы, возникающие при реализации ОКВ в одноместных и многоместных кабинах;

2. Разработаны физическая и математическая модели исполнительного устройства криотерапевтического комплекса, учитывающие особенности объекта охлаждения, тепловую энерцию охлаждения кабины, технологические потери газа теплоносителя;

3. Впервые выявлены и обоснованы энергетические преимущества одноместных криотерапевтических комплексов;

4. Определена минимальная тепловая нагрузка на систему криостатирования кабины криотерапевтического комплекса;

5. Исследованы и сопоставлены различные варианты переноса теплоты из объема ИУ к системе криостатирования;

6. Доказана энергоэффективность конвективного переноса теплоты из объема ИУ в систему криостатирования;

7. Выбран и обоснован наиболее энергоэффективный вариант охлаждения потока газообразного теплоносителя.

Практическое значение. Комплекс полученных данных о тепловых процессах, сопровождающих процесс криогенного охлаждения поверхности объекта ОКВ позволил выявить структуру затрат энергии, определить способы оптимизации конструкции криотерапевтических комплексов. Определение и обоснование требований по энерговооруженности систем криостатирования ИУ обеспечивает условия для организации в России производства конкурентоспособного криотерапевтического оборудования. Популяризация полученных данных о номинальной энерговооруженности аппаратуры для ОКТ защищает потенциальных покупателей от приобретения неэффективных аппаратов. Внедрение разработанных технологических рекомендаций при производстве криотерапевтического комплекса «КАЭКТ - 01 Крион» создало условия для экспорта оборудования. Разработанный математический аппарат и программное обеспечение численных экспериментов создают научную базу для проектирования новых видов криотерапевтических систем.

Внедрение. Результаты работы внедрены при производстве криотерапевтических комплексов «КАЭКТ - 01 Крион» в ООО «НПП КРИОН» (см. приложение). Рекомендованные значения расхода газообразного теплоносителя через объем исполнительного устройства одноместного криотерапевтического комплекса утверждены в технической документации производителя. Результаты исследований используются при обучении студентов и магистрантов по специальности 140401 в СПбГУНиПТ.

Лпробаиия работы: Материалы докладывались на международных конференциях «Криотерапия в России» в 2008, 2009, 2010, 2011, 2012,2013 годах,

всего сделано 8 докладов. Доклады по теме исследований были представлены на международной научной конференции «Холодильная криогенная техника, промышленные газы, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2010 год), на IV ежегодной научно-практической конференции с международным участием «Новое в практической криомедицине» (Москва, 2010 год), на международной конференции «Инновации в холодильной технике» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2012 год).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 3 работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

ВВЕДЕНИЕ

Криогенная медицина - новый быстроразвивающийся раздел прикладной криогенной техники. Широкое распространение получили такие отрасли криогенной медицины, как криоконсервация и криохирургия. Сформировались научные школы, организован международный обмен результатами научных исследований и клинических наблюдений.

В области относительно нового раздела криомедицины - общей криотерапии сложилась принципиально иная ситуация. Несмотря на то, что технология криотерапии распространилась относительно недавно, 25-30 лет назад, в ряде стран произошла смена тенденций развития. Фаза бурного интереса и накопления практических результатов сменилась периодом стагнации и постепенной утраты доверия к технологии ОКТ со стороны врачей и пациентов.

Сходные тенденции наблюдаются в странах, которые являются признанными лидерами в области применения общей криотерапии: ФРГ и Польше.

Анализ сложившейся ситуации показывает, что основной причиной такого регресса является постепенное снижение эффективности криотерапевтического оборудования, которое происходит из-за недостаточной энерговооруженности систем охлаждения.

Криотерапевтические установки представляют собой наиболее перспективный, с коммерческой точки зрения, класс медицинского оборудования. Криотерапевтические аппараты отрасли значительно дороже систем крио-консервации и криохирургии. Производство криотерапевтических установок является высокорентабельным и быстро развивается. Сбыт криотерапевтической аппаратуры связан с серьезной конкуренцией. Зарубежные производители выбрали экстенсивный путь развития криотерапевтических систем, выпуская только многоместные установки. Россия, благодаря хронологическому отставанию и другим специфическим факторам, доминирует в производстве одноместных аппаратов. Индивидуальные криотерапевтические систе-

мы гораздо дешевле, поэтому вытесняют с рынка медицинской техники многоместные аппараты.

Отечественное криотерапевтическое оборудование экспортируется в страны с развитым производством криотерапевтической аппаратуры (Польшу, ФРГ, Японию, Корею, Францию, Италию, Испанию).

Для дальнейшего усовершенствования криотерапевтического оборудования, расширения производства, экспорта, повышения доступности криотерапевтических услуг, важнейшее значение имеет обоснование требований по энерговооруженности систем криостатирования.

Достаточная энергообеспеченность и рациональный выбор цикла отвода теплоты являются основой эффективности криотерапевтического комплекса в целом.

ГЛАВА 1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЫБОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕТОДИКИ

1.1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ОБЩЕЙ КРИОТЕРАПИИ

Криотерапия - физиотерапевтическая методика, основанная на применении местного или общего холодового воздействия. ОКТ относится к числу наиболее эффективных современных способов лечения и профилактики большого числа тяжелых заболеваний [48,50,55].

Общая криотерапия предполагает погружение в газовую среду с температурой до -180 °С большей части кожного покрова.

Таблица 1.1.1 - Физиотерапевтическая эффективность различных видов теплового воздействия на суставы, пораженные ревматическим полиартритом

Температура воздействия, С Подавляемые факторы Состояние пациента в течение, минут

ДО процедуры в ходе процедуры после процедуры

1 0 30 60 180

+ 70 Скованность суставов + + + + + - + — - +

-65 Скованность суставов + + — — - + - +

- 180 Скованность суставов + + — — — —

+ 70 Болевые ощущения + + + + + + +

-65 Болевые ощущения + + + — — — +

- 180 Болевые ощущения + + + — — — - +

Примечание: (—) - отсутствие боли, скованности, (-) — незначительные проявления, (- +) - слабые проявления, (+ +) - средние проявления, (+ + +)-сильные проявления.

Стимулом к внедрению ОКТ в клиническую практику стали её лечебные эффекты (см. таблицу 1.1.1 [10]).

Сотрудники кафедры криогенной техники Санкт-Петербургского Государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий (СПбГУНиПТ) и кафедры физиотерапии Санкт-Петербургской государственной медицинской академии последипломного образования (МАПО) сформулировали основные условия эффективности и безопасности общей криотерапии, разработали систему количественной оценки эффективности и безопасности охлаждения [5,48,55].

Исследования, направленные на выбор оптимальных технологических параметров криовоздействия были выполнены на кафедре криогенной техники СПбГУНиПТ [5,13,14]. Показано, что криотерапевтическое воздействие обеспечивает переохлаждение поверхности тела до уровня -2 °С, что создает условия для получения существенного терапевтического эффекта.

Исследования по моделированию процесса ОКТ были продолжены с целью определения оптимальной температуры ОКТ [16]. Учитывая то, что разброс температур, рекомендованный различными авторами для реализации ОКТ, составляет от 90 до 190 К [13], сотрудники кафедры криогенной техники выполнили численный эксперимент по моделированию процесса охлаждения при разной температуре газа.

Показано, что охлаждение поверхности до температуры -2 °С достигается только в тех случаях, когда температура газа не превышает 140 К.

Показано также, что в зависимости от выбора температуры газа возможны три сценария криотерапевтического воздействия. При низкой температуре 90 К, поверхность охлаждается до минимально допустимого уровня за короткое время ттах<60 С. Быстрое охлаждение вызывает у пациентов чувство дискомфорта и не дает существенного физиотерапевтического результата. Этот вариант воздействия криогенным газом получил название экстремальная криотерапия. Использование газа с температурой выше 140 К не позволяет охладить поверхность до отрицательной температуры, поэтому эффект от

охлаждения снижается на порядок. Режимы с температурой газа более 140 К классифицируются как низкотемпературная газовая гипотермия [5].

Наиболее эффективно использование газовых сред с температурой от -120 до -130 °С (см. рисунок 1.1.1). В этом диапазоне температур достигается максимальная продолжительность эффективного действия OKT.

Следует отметить, что описанные выше результаты получены в условиях допущения о том, что температура газа постоянна с первых секунд охлаждения. В реальных условиях это допущение невыполнимо, так как стабильность температуры зависит от конструкции процедурной кабины и энерговооруженности системы охлаждения.

350 т

300 I 250

200

w

и о,

и 150 о

к «

к н и и

<Т)

100 50 0

А \

/ \

\

\

\

\

\ -1

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 Температура теплоносителя, К

Рисунок 1.1.1 Зависимость величины эффективного времени от температуры газообразного теплоносителя.

Для того, чтобы оценить влияние конструктивных решений на эффективность ОКТ, �