автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Научные основы разработки аппаратуры для общего криотерапевтического воздействия

На правах рукописи УДК 621.628.362

Баранов Александр Юрьевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ОБЩЕГО КРИОТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени ' доктора технических наук

2 ОКТ 2014

Санкт-Петербург

005552986

Работа выполнена на кафедре криогенной техники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики».

Официальные оппоненты:

Жердев Анатолий Анатольевич, доктор технических наук, профессор, декан факультета «Энергетическое машиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Полупан Андрей Владимирович, доктор технических наук, главный специалист департамента технического развития, конструкторско-технологического проектного института «Газпроект», г. Санкт-Петербург.

Цыганов Дмитрий Игоревич,

доктор технических наук, заведующий кафедрой медицинской техники Российской медицинской академии последипломного образования, Москва.

Ведущая организация Открытое акционерное общество «Научно-

производственное объединение «ГЕЛИЙМАШ».

Защита состоится _» бЬ-^__2014 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.227.08 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском ункЕерситете 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 !§/</г.

Ученый секретарь

диссертационного совета — Владимир Алексеевич Рыков

Исследования, направленные на разработку аппаратуры для общего криотерапевтического воздействия (ОКБ), начаты сотрудниками ЛТИХП и ЛенГИД-УВ в 1986 г. Данная работа завершает эти исследования, обобщает полученные результаты, формирует научные основ создания аппаратуры для ОКВ.

Актуальность работы: ОКВ высокоэффективный и универсальный метод восстановительной медицины. Распространение метода ОКВ в России сдерживается отсутствием эффективного оборудования для его реализации. Для удовлетворения потребности здравоохранения России в оборудовании для ОКВ необходимо создать научные основы разработки специального оборудования. Исследования в области техники и технологии ОКВ соответствуют задачам, поставленным в рамках национального проекта «ЗДОРОВЬЕ», т.к. обеспечивают доступ населения к высокотехнологичным видам медицинской помощи. Исходя из этого, актуальность работы очевидна и обоснована.

Степень разработанности темы исследований. Несмотря на многолетнюю практику клинического применения, теоретические аспекты техники и технологии ОКВ практически не разработаны. Большинство публикаций описывает только клинические эффекты ОКВ. На кафедре криогенной техники НИУ ИТМО, в период с 1991 по 2013 под руководством и при непосредственном участии автора данной работы защищено 5 кандидатских диссертаций, посвященных отдельным аспектам разработки криотерапевтических комплексов (КТК). Для формирования научной концепции разработки КТК результаты ранее выполненных работ необходимо обобщить, уточнить и дополнить.

Цель работы - создание научных основ разработки оборудования для общего криотерапевтического воздействия. Достижение этой цели обеспечит оптимальные условия для производства в России эффективной аппаратуры для ОКВ. Цель работы достигается путем решения следующих задач:

1. Определить диапазон выбора параметров технологического режима ОКВ, сформировать систему абстрактных характеристик установок для ОКВ.

2. Определить условия достижения лечебных эффектов ОКВ, тепловую задачу криогенного охлаждения и условия безопасности объекта охлаждения. Разра-

ботать физическую и математическую модели объекта ОКВ.

3. Определить оптимальную температуру газа и продолжительность процесса ОКВ в условиях естественной и вынужденной конвекции.

4. Разработать физические и математические модели основных элементов КТК и программное обеспечение для постановки численных исследований.

5. Определить удельные затраты энергии в одноместных и многоместных установках, выбрать энергоэффективный способ реализации ОКВ.

6. Выбрать и обосновать энергоэффективный способ охлаждения зоны ОКВ.

7. Обосновать оптимальную конструкцию устройства для реализации ОКВ. Научная новизна:

1. Разработаны физические и математические модели всех элементов КТК.

2. Обоснованы оптимальные значения температуры и скорости газа в зоне ОКВ, продолжительность охлаждения.

3. Показана невозможность исследований ОКВ на лабораторных животных.

2. Разработана система удельных характеристик элементов КТК.

3. Определены затраты энергии на реализацию ОКВ в многоместных и одноместных КТК, доказаны энергетические преимущества одноместных КТК.

4. Обоснован выбор способа криостатирования зоны ОКВ и выбор рефрижераторного цикла для отвода теплоты.

5. Разработана математическая модель безнасадочного, контактного теплообменника, исследована его работа в пусковом и процедурном цикле КТК.

6. Разработана квазидвухмерная математическая модель одноместного исполнительного устройства КТК.

7. Обоснована оптимальная конструкция одноместной кабины, температура,

скорость и траектория движения теплоносителя в зоне ОКВ.

1

8. Отлажена комплексная математическая модель КТК, пригодная для продолжения исследований в области техники и технологии ОКВ.

Теоретическое значение исследований состоит в обосновании параметров процесса охлаждения, энергоэффективной схемы реализации ОКВ, способа отвода тепловой нагрузки из зоны ОКВ, выбора цикла криостатирования.

Практическое значение. Результаты исследований востребованы на практике. Рекомендации по выбору параметров процесса ОКВ внедрены в производство криотерапевтических комплексов «КАЭКТ-01 «КРИОН » в ООО «НПП «КРИОН» Санкт-Петербург, использованы в утвержденных МЗ и СР РФ методических указаниях для врачей и польском учебнике по физиотерапии. Обоснованные в работе способ отвода теплоты из зоны ОКВ, конструкция системы контактного охлаждения, конструкция исполнительного устройства внедрены в производство криотерапевтических комплексов «КАЭКТ-01 «КРИОН», в ООО «НПП «КРИОН» Санкт-Петербург. С использованием результатов работы к 1.01. 2014 г произведено свыше 480 КТК «КРИОН». Математические модели и программное обеспечение внедрены в учебный процесс по специальности 140401. Методология и методы исследования. Учитывая сложность и многогранность исследовательской задачи, в ее решении использованы методы идеализации и восхождения от абстрактного к конкретному. Объект исследования- КТК был расчленен на элементы, описан посредством множества математических моделей зафиксированных в виде независимых программных продуктов. Программы, подпрограммы и функции, созданные для частных исследований, позволили воспроизвести криотерапевтический комплекс во всей многогранности в виде комплексной математической модели. Использование метода аналогий позволило значительно сократить число варьируемых параметров экспериментов. Системы одномерных характеристик объекта исследований сформирована при помощи метода абстрагирования. Анализ результатов экспериментов выполнен с использованием метода индукции, что позволило сформировать новые теоретические знания о тепловых процессах в элементах КТК. На защиту выносятся следующие положения.

1. Методика моделирования тепловых процессов инициированных конвективным охлаждением поверхности объекта с нелинейным начальным распределением температур и наличием внутренних источников теплоты.

2. Результаты исследования процессов конвективного охлаждения объекта ОКВ, оптимальные значения параметров технологического процесса ОКВ.

3. Методика математического моделирования процессов в элементах КТК.

4. Результаты исследования по оценке энергоэффективности вариантов реализации ОКВ, выбор способа криостатирования кабины КТК.

5. Математическая модель и методика исследования работы безнасадочного контактного теплообменника для системы криостатирования КТК.

Методика и результаты исследования процессов в исполнительном устройстве одноместного (ИУ) КТК, обоснование оптимальной конструкции ИУ. Апробация работы: Материалы работы докладывались на 5 всероссийских и 19 международных конференциях, в том числе в Японии, Польше, Чехии, Италии, Украине. Всего сделан 51 доклад.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 110 работ, в том числе 12 статей в журналах рекомендованных ВАК РФ, 2 монографии, одно учебное пособие, глава в зарубежном учебнике, получено 3 авторских свидетельства СССР и патент РФ на полезную модель, основные положения диссертации изложены в 39 научных работах.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы, включающего в себя 290 названий (в том числе 96 работ на иностранных языках). Работа содержит 293 страниц машинописного текста, 119 рисунков, 49 таблиц и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Обзор литературы по теме исследований позволил обосновать актуальность выбранной темы, сформулировать цели исследований. Изложены основы физической теории метода ОКВ, варианты технологических и конструктивных решений для его реализации. Методика исследований обоснована с учетом публикаций, посвященных исследованиям переноса теплоты в биологических объектах.

Показано, что технология ОКВ развивалась эмпирически, без выявления причинно-следственных связей между лечебным эффектом и технологическими параметрами воздействия. Совместно с сотрудниками ГМУ им. И.И. Мечникова определены физические причины и методика оценки эффекта ОКВ. Для эффек-

тивного ОКБ температура поверхности объекта ОКБ должна снижаться до уровня -2,0°С. Расчета эффективного времени ОКБ обеспечивает выражение:

.^.У-а—дг, (1)

•** J Л. (t-tvr

где: t, - температура поверхности объекта, tKp = tmepM + 0,5=-2°С, а = 20, п = 2.

Для реализации метода ОКБ производятся два вида аппаратов: многоместные (до 6 чел) и одноместные криотерапевтические комплексы (КТК). Температура воздуха в зоне ОКБ варьируется в диапазоне -180 до -80°С. Конструктивные и технологические различия многоместных и одноместных комплексов крайне велики. Большинство КТК из-за низкой энерговооруженности не может криостатиро-вать зону ОКБ на заявленном температурном уровне.

Для решения поставленной задачи исследований необходимо определить технологические параметры ОКБ, оценить энергозатраты на криостатирование зоны ОКБ, выбрать способ отвода тепловой нагрузки, обосновать конструкцию кабины пациента - исполнительного устройства (ИУ) КТК. По гуманитарным соображениям основу исследований должен составить численный эксперимент на математической модели объекта ОКБ. Известны работы сотрудников МГТУ им. Н.Э Баумана: д.т.н. Цыганова Д.И., д.т.н., Архарова A.M., д.т.н. Жердева A.A., по моделированию локального охлаждения биологических объектов, в которых расчет глубины криоповреждений выполнялся на основе численного решения уравнения теплопроводности. При построении математических моделей объекта ОКБ и других элементов КТК рационально использовать уравнение энергии. Для разработки модели объекта ОКБ использованы данные о свойствах биологических тканей, приведенные в работах д.т.н. Цыганова Д.И.

Объект ОКБ- оболочка человеческого тела, тонкий наружный слой со средней толщиной 0,015 м, окружающий изотермичную часть организма - ядро тела. Моделью объекта ОКБ является плоское, полуограниченное тело с пассивной границей расположенной в ядре тела (см. рисунок 1). Средняя толщина слоев оболочки: эпителий —xj - 2 мм, жировая прослойка -х2- х/= 10 мм.

Пассивная граница объекта ОКБ - хтах= 50 мм. Начальное распределение температур: i < п{ Г,=306 К, п< i Г,=310 К, п,< i< п2 30б<7г<310К. Охлаждение сводится к изменению теплосодержания элементарных объемов объекта ОКВ, которое описывает одномерное уравнение энергии: + q . (2)

Зт дх

При замене производных конечно-разностными приближениями получим:

где 9н =- 4-, gM =- (3)

1 I Ах-Р Д* Дх

ht, h '„-теплосодержание материала в моменты времени т и т+Дт, соответственно; qi+i, qn/-теплоты от соседних точек; qv -теплота от внутренних источников. Граничные условия: / = 1 qi.j=a(TmH-Ti), г-и, Т\ = const = 310 К.

Основные элементы КТК обозначаются числовыми индексами: 1- теплоноситель, 2- объект ОКВ, 3- тепловое ограждение ИУ, 4- теплообменное устройство, 5- система криостатирования (СК). Для построения математической модели ИУ КТК введены удельные характеристики, т.е. отношения действительной характеристики к объему ИУ: теплопередающие поверхности:^ =F1-n2IV2,fJ=FslIVy , fi=Fi!Vy , объем свободного пространства и вместимость ИУ:s = (V]-V1-n2)/V1, п=пг!Уъ, расход криоагента и мощность СК: , N^=NS/V3 (см. таблица 1).

Таблица 1. Диапазоны изменения характеристик действующих КТК.

ХАРАКТЕРИСТИКИ Ед. изм. Значения

min max

Вместимость чел/м^ 0,5 2

Площадь ограждения кабины 2,5 6,5

Площадь объекта в кабине m'Vm'1 0,8 3,2

Свободное пространство кабины м-7м3 0,84 0,97

Расход криоагента кг/(м3 -мин) 0,7 3,0

Мощность системы охлаждения кВт/м"1 2,0 3,0

^ 2

Л ,р

J 1 '

к,Т., Р.

Л „О ,

К^'ы'Р,-,

Рисунок 2. Схема материальных потоков в объеме ИС.

Сквозь объем проходят два материальных потока. Поток от конвективной СК условно движется вдоль оси X. Второй поток газа, поступающий через входные люки в момент входа (выхода) пациентов, условно направляется вдоль оси 2. Уравнения энергии и неразрывности для модели ИУ записываются в виде:

иаГ[дс а^Ч'Зс !&)и

& &

др 8(Р-™Г) д(р-*>7) _

0.

(4)

(5)

дт дх дг

Газ движется с малой скоростью и при атмосферном давлении, это позволяет исключить из рассмотрения уравнение движения. Перенос теплоты теплопроводностью пренебрежимо мал, поэтому уравнение энергии приобретает вид:

аН дк) , ——\-p-h-

дк . „.. Р----р-Ш--+ТУ--\-p-l

дт и{ * дх 2 &Г

д№ Эи>

—X +-£

дх &

или

дк ^ ^ р--=Я +0 +17 .

дт р

(6)

Конвективный перенос теплоты осуществляется вдоль двух координат дК.х перенос теплоты с от СК, д„_7 - подвод теплоты из смежных полостей: % = + гд . (7)

Выражения для переноса теплоты за счет изменения плотности газа: Яп-Ч« т+Яп (8)

Р Р х

Подвод теплоты от внутренних источников: q = /2'<72+/з'^з +Л(9)

92 =в„-(Г1-Г1). 9з=«з-г(гз"г.). ?4=«4-,-(Г4-^)- 0°)

Энтальпия газа на новом временном слое: И' = h + (qw + qp+qv)Aт/р. (11)

Влияние колебаний плотности теплоносителя в объеме ИУ описывает уравнение неразрывности:

' /■» чл _ /■» 1Л Л К) - л ЛЛ} \

р, - р, Дт

Д*

Аг

Выражение 12 позволяет рассчитать изменения скорости теплоносителя на границах ИУ. Математическая модель объекта охлаждения стала прототипом моделей теплового ограждения ИУ и теплообменного устройства. Тепловое ограждение представлено в виде монослоя пено-полистирола толщиной <5^=0,15 м (см. рисунок 3). Источников теплоты в изоляционном материале

нет, поэтому: — (13)

дт дх

Уравнение 13 решается аналогично уравнению 2. Для СК с рекуперативным отводом теплоты используют теплообменники из оребренных труб, основная масса теплообменника сосредоточена в ребрах, поэтому математическая модель представляет это устройство в виде пластины

2-С,.

Рисунок 3. Схема переноса теплоты через тепловое ограждение зоны ОКВ.

(см. рисунок 4).Эффективная толщина пластины: 3А =

Л

(14)

дк дд,

теплоты является СК: — ~—г- + 9«>

8т ах

где, С4, p4.Fr соответственно масса, плотность материала и площадь теплообменника. В модели теплообменного устройства внутренним приемником

Я, <0,$, (15)

Величина холодильного коэффициента рефрижератора описана выражением:

е = = А-въ + В-в2 + С-9 + 0, в = Т/АТ, ДГ = 10К. (16)

Новое значение энтальпии материала тепло-обменного устройства:

Ц +<7,Т1 ■ Дс)-Дт/(Дк-р), где

= = (17)

Толщина участка равна толщине пластины: Ах=д3.

Для проведения исследований создана биб-

Я1-4 71 / т{ 1 Я1-4

1

—> , ¿4

Рисунок 4 - Схема тепловых потоков в теплообменнике.

лиотека прикладных программ на алгоритмическом языке Turbo Pascal 7.0. Подпрограммы и функции собраны в три TPU-модуля. Моделирование тепловых процессов в объекте ОКБ обеспечивает модуль BIOTEXT.TPU, подпрограммы и функции которого обеспечивают реализацию математической модели объекта ОКБ. Выполнение тепловых расчетов обеспечивают подпрограммы и функции модуля KRIOGASE.TRU. Выполнение экспериментов обеспечивают элементы модуля D2011. TPU, в который включены математические модели элементов КТК.

Первый этап численных исследований преследовал цель выявить различия в результатах охлаждения объекта ОКБ водой с температурой 273 и 285 К или криогенным газом с температурой 140 К. Структура объекта ОКБ стандартная (см. рисунок 1). Процесс охлаждения моделировался до нарушения одного из двух условий безопасности объекта ОКБ: > 271 К, ТЫП1 >309 К.

Результаты эксперимента приведены в таблице 3. Охлаждение газом и водой с температурой 273К, имеют примерно сходные продолжительность и количество отведенной с поверхности объекта теплоты Qx-a-

Существенно различается только минимальная температура поверхности объекта ОКБ (см. рисунок 5), которая при криогенном охлаждении опускается до минимального уровня уровня tx=o—>-2°С, что обеспечивает высокий результат ОКБ.

Таблица 2.Результаты эксперимента.

Результаты эксперимента Теплоноситель

газ 140 К вода 273 К вода 285 К

Продолжительность охлаждения ттах, с 159 177 202

Температура поверхности Ъ=0 при г = ттст °С -2,0 5,5 15,7

Температура на границе слоев ¡х=х2 при т = ттах ,°С 36,2 36,0 36,0

Эффективное время т", мин 325 32 10

Отведенная теплота <2*-е> , кДж/м2 446 409 268

Эффективное время при криотерапии составляет (см. таблица 2) 325 мин, при водном охлаждении т всего 32 мин. В воде температура поверхности объекта быстро снижается только первые 60 с, затем темп снижается.

Минимальная температура

поверхности объекта стремится к 5°С и не раздражать холодовые рецепторы.

Аналогично был построен эксперимент по определению оптимальной температуры газа в условиях естественной конвекции. Температура газа: 1<у'< к Тт^=Тт„1М+АТтии-1),, где

к = 10, ТтпН =90 К, ДГ„„ = 10 К.

Вычислялся отвод теплоты поверхности объекта и внешнюю границу слоя

мышц:е„„, = ^„ар с1т, = (18)

г-О т=0

Из таблицы 3 видно, что условие эффективного ОКВ »-2°С выполняется при температуре газа не более 140 К. Эксперименты с большей температурой прекращены из-за нарушения условия ¡¡=„2>36 "С.

Таблица 3. Моделирование ОКВ в условиях естественной конвекции.

Вычисляемые параметры Температура теплоносителя, К

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ттах 43 57 74 96 124 159 193 200 208 216 225

tfl при Т = Тяо» 'С -2 -2 -2 -2 -2 -2 -0,9 2,9 6,3 9,4 12,3

ti,„2 при Т = Хтах ,°С 36,7 36,6 36,6 36,5 36,4 36,2 36,0 36,0 36,0 36,0 36,0

Т,фф , мин 92 119 153 196 251 325 118 32 19 13 11

Qmp, кДж/м^ 278 310 340 374 407 446 462 416 373 333 296

Q„2 , кДж/м'г 2,3 3,1 4,1 5,4 7,3 10,2 13,6 14,0 14,4 14,9 15,4

При Гти>150К результаты охлаждения аналогичны результатам, полученным при водном охлаждении (см. таблица 2). Для эффективного ОКВ температура теплоносителя должна составлять от 120 до 140 К.

Исследованы процессы ОКВ при вынужденной конвекции газа с малой скоростью. Температура газа изменялась от 90 до 180 К, при шаге изменения 10 К. Рассматривалось 10 вариантов значений скорости газа:

34 30 26 и 22 rf 18

I14

§• ю § 6 fS 2 -2

1 1 1

/

Вода 285 К

1 Вода 2 71K

Газ 140 К [ -1-1-

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Время, о

Рисунок 5. Изменение температуры поверхности объекта при охлаждении водой и газом .

1<г<к сотн,г = соти ^,+ Лсот„-(г-1); где к=10, Аа>ти=0,1м/с, сотн, г ,,=0,1м/с.

Из 100 рассмотренных вариантов технологическая задача ОКБ —*-2°С была решена в 72 случаях. В условиях вынужденной конвекции диапазон температур, обеспечивающих достижение криотерапевтического эффекта, расширился до 160 К (см. рисунок 6). При отдельных сочетания варьируемых параметров ( Гт„=150К, сот„=0,3 м/с и Гт„=160 К, «„„=0,7 м/с) эффективное время ОКВ возрастает почти до 7 часов, т.е. на 10-12% больше в условиях естественой конвекции. Оптимальный диапазон температуры газа 120-МОК не поддерживается в большинство современных многоместных КТК.

В серии численных экспериментов по выбору схемы ОКВ были определены удельные затраты энер-

Рисунок 7. Тепловая схема исполнительного устройства.

2 8.

га

7 6 5 4 3 2 1 0

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

Рисунок б. Расчетные значения величины эффективного времени процедур ОКВ в условиях вынужденной конвекции.

1 I

1 со -0,3м/с

1

ш-0,1 м/с г <»-0,7 м/с

\

\

\

¡М

гии на криостатирование одноместного и многоместного ИУ. Предполагается, что отвод теплоты к системе криостатирования равен сумме тепловых потоков внутри объема ИУ: (18)

В объеме ИУ поддерживается атмосферное давле-

ние, снижение температуры сопровождается поступлением газа из ОС, который подводит теплоту из ОС:

Чр=(р'-Р)(Кс-К), Qp=

(19)

где р', р - текущее и предыдущее значения плотности, кж, А; - энтальпия воздуха в ОС и при температуре Г/ соответственно. Подвод теплоты от объекта ОКБ, теплового ограждения ИУ и нагрузка на СК:

02 = Л Т^дт> = е« = Т^дт- <2°)

т=О г>0 г=0

Мощность привода СК и расход электроэнергии вычисляются с учетом

г=г„„,

уровня криостатирования: = /г5, £з=/(Т1), £>5 = (21)

г-0

Алгоритм изменения температуры теплоносителя в одноместных и многоместных ИУ различный, поэтому исследования проводятся в два этапа.

В одноместном ИУ температура меняется по следующему алгоритму: т =0, Г;=Г0С; 0<г<20 с, Тос>Т,>Тнолг 140К; 20<т<180с, Г;==140К. (22) Начальная температура теплового ограждения: г =0, 0</<и„ Т31=Т0С. Исследовались тепловые процессы в ИУ с высокой,/¿=3,2 м2/м3 (вариант №1), и в ИУ с низкой компактностью размещения.£=1,1 м2/м3 (вариант №2, см. таблица 4).

Энергоэффективность ИУ можно оценить через тепловой КПД и отношение отведенной теплоты к единице поверхности объекта ОКБ:

пиу = & • юо, = & / /2• (23)

Таблица 4. Результаты моделирования цикла в ИУ одноместного КТК.

Показатели Ед. изм. Номер варианта

№1 №2

Суммарный подвод теплоты в единицу объема кДж/м"1 2012 953

Суммарный подвод теплоты при накоплении газа кДж/м3 92 100

Суммарный подвод теплоты от объекта ОКВ кДж/м3 1427 490

Суммарный подвод теплоты от теплового ограждения кДж/м3 493 362

Отвод теплоты на единицу поверхности объекта ОКВ кДж/м^ 629 867

Тепловой КПД ИУ - 0,71 0,51

Тепловой КПД ИУ №1 составляет 71 %, у варианта №2 КПД 51%. Снижение компактности размещения увеличивает долю теплоты, внесенной из ОС при заполнении ИУ, с 5 до 11%. Удельный подвод теплоты от ограждения вырос с 25 до 38% . Учитывая то, что целью ОКБ является охлаждение поверхности объекта, истинную энергоэффективность ИУ определяет значение (¿¿р. Этот по-

казатель у варианта №2 в 1,38 раза больше чем у ИУ вариант № 1. Повышение компактности размещения объекта ОКВ основа энергоэффективности ИУ.

Компактность многоместных ИУ значительно меньше, т.к. свободное пространство необходимо для перемещения пациентов. Модель многоместного ИУ состоит из основной кабины и одного шлюза. Температура теплового ограждения линейно возрастает от »7;

до Тзл=п-+Тк. При оценке тепловой нагрузки учитываются тепловыделения в основной кабине и шлюзе КТК (см. таблица 5).

Алгоритм изменения температуры газа в полостях многоместного КТК приведен на рисунке 8. При входе (выходе) пациентов полости сообщаются между собой или с ОС, поэтому ОКВ осуществляется при переменной температуре газа. Рост температуры приводит к выбросу части газа в ОС. Рост плотности при охлаждении компенсируется поступлением воздуха из ОС.

Таблица 5. Результаты моделирования цикла многоместного ИУ КТК.

Показатели Ед.изм. кабина шлюз Е

Поверхность объекта ОКВ м2/м3 0,62 0,62

Поверхность ограждения м2/м3 2,4 2,4

Доля свободного пространства - 0,97 0,97

Подвод теплоты в единицу объема кДж/м3 422 144 566

Подвод теплоты от накопления газа кДж/м3 142 96 238

Подвод теплоты от объекта ОКВ кДж/м'' 246 33 279

Подвод теплоты от ограждения кДж/м3 33 14 47

Подвод теплоты на 1 м2 объекта ОКВ кДж/м2 680 232 913

Тепловой КПД ИУ - 0,58 0,23 0,49

Затраты электроэнергии на цикл кВт час /м3 0,50 0,07 0,57

Тепловой КПД ИУ многоместного КТК составил 49%. Тепловое ограждение ИУ прошло предварительное охлаждение, поэтому доля теплоты от изоля-

300

280

260

М 240

я Р- 220

¡3 200

Р"

и с 180

Я

и 160

И

120

1\ ч

ЛИГ Ч

\ пилот Ь

\ V 1 и 1 1

1 VIII ч

I I ** 0 ' /

Ч 1 VI |

ч 1\ саб ИН а 1

4

0 60 120 180 240 300 360 420 480 Время, с

Рисунок 8. Алгоритм изменения температуры в полостях многоместного КТК.

дии составляет 8%. Из-за низкой компактности ИУ доля теплоты, подведенной из-за колебания плотности теплоносителя (£}р) составила 43%. Шлюзовая камера не выполняют своей технологической задачи из-за примерного равенства объема кабины и шлюза. Отношение суммарного отвода теплоты к единице поверхности объекта (бдз) составляет 913 кДж/м2, что в 1,5 раза у ИУ №2 (см. таблица 4). Энергоэффективность многоместных ИУ определяется малой компактностью размещения объекта ОКБ и большим объемом свободного пространства ИУ. Многоместная схема организации ОКВ не поддается оптимизации. Исследования следует сосредоточить на разработке конструкции одноместных КТК.

Эту цель преследуют эксперименты по оценке энергоэффективности рекуперативного и конвективного способа отвода теплоты из объема ИУ с низкой компактностью ./$=1,1 м2/м3,/3=4,7 м2/м3, е=0,98 м3/м3. Отвод теплоты к приемнику, теплообменному устройству (ТУ) = а./4 -(Г, -Г4). (24)

Эффективная толщина теплопередающей пластины ТУ 8А =>0,14-10"3м, Компактность ТУ а0 »100м2/м3. В момент входа (выхода) пациента объем ИУ заполняется воздухом из ОС. Возникает подвод теплоты от вымораживания воды:

Чн2о = 8р-хн2о-Ян2о> Ои2п= '¡Ян2о-дг, где ?яго = +/+с'(г'-7;). (25)

г=0

Полная продолжительность цикла одноместного ИУ складывается из процедурной и пассивной фазы: тц = тпроу + хпас, тпас =30с, г, =210с. (26) Таблица 6. Моделирования работы ИУ с рекуперативным отводом теплоты.

Показатели Ед. изм. Теплопередающая поверхность ыЧм5

00 15 25 35 45 55 60

Удельная масса т/о кг/м1 0 10,6 17,7 24,7 31,8 38,9 42,4

Отведенная теплота кДж/м3 953 1119 1157 1178 1191 1202 1211

Подвод теплоты с воздухом кДж/м"1 100 195 204 209 212 216 218

Теплота вымораживания воды кДжЛг1 - 71,7 73,7 74,5 75,1 75,1 75,8

Теплота от объекта ОКВ кДж/м"1 491 413 414 415 417 419 423

Теплота от изоляции кДж/м"* 362 439 465 479 487 492 494

Теплота на 1м^ объекта кДж/м^ 866 1017 1052 1070 1083 1093 1101

Затраты электроэнергии кВт час/и1 0,99 1,89 1,92 2,04 2,117 2,18 2,23

Время выхода на режим с 20 118 87 61 40 27 23

Регулирование температуры обеспечивает отключением (включением) привода СК: Т, > Thia4 ,NSv>0, или TlíTbm,NSv= 0. (27)

Удельная площадь теплопередающей поверхности ТУ варьируется в интервале 15 < /4, <60 м2/м3, при шаге изменения площади дд, =Юм2/м3.

Использование рекуперативного отвода теплоты снижает показатели энергоэффективности ИУ. Удовлетворительная продолжительность выхода ИУ на установившийся температурный режим обеспечивается только при максимальном значении/,. При заявленной компактности ТУ, его объем составит 0,6 м3/м3. ТУ займет более половины объема ИУ. Охлаждение газа происходит не только

во время процедур, но и вовремя простоя ИУ, это увеличивает нерациональные затраты энергии. Суммарный отвод теплоты по сравнению первой серией экспериментов (см. таблица 6, столбец оо) вырос с 953 до 1211 кДж/м3(27 %). Рекуперативное охлаждение не пригодно для одноместных ИУ.

Моделирование конвективного отвода теплоты было организовано по схеме, приведенной на рисунке 9. ТУ 4 размещено в изолированной камере 5, через которую циркулирует поток теплоносителя g¡. ТУ охлаждается за счет отвода потока теплоты q5 к СК. Размеры камеры 5 близки к размерам ТУ 4. Теплота подводится к поверхности ТУ за счет вынужденной конвекции газа. Теплопе-редающая поверхность ТУ /4 = 60 м2/м3, эффективная толщина Si =0,14-10"3м. Продолжительность цикла ИУ составляет 240 с. Криостатирование объема ИУ осуществляется в процедурной фазе 0<т<тпроц, в период гпроц<т<240с подачи газа нет g,_0 = = 0. Удельный расход газа составляет 0,2<g, <1,0кг/(с-м3). Удовлетворительное время выхода ИУ на режим получено при g;>0,8 кг/м3с. Ко-

Рисунок 9. Схема конвективного отвода теплоты из объема ИУ.

личество отведенной из ИУ теплоты примерно равно результату, полученному для ИУ №2 в первом эксперименте (см. таблица 4), но затраты электроэнергии выросли на 55%.

Таблица 8. Моделирование конвективного отвода теплоты из объема ИУ.

Показатели Единица измерения Расход теплоносителя кг/м^

00 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Отведенная теплота кДж/м3 953 852 932 962 977 986

Подвод теплоты с воздухом кДж/м"1 100 68 83 89 92 94

Теплота вымораживания воды кДж/м"' - 29 33 34 35 35

Теплота от объекта ОКВ кДж/м'5 490 450 479 489 495 498

Теплота от изоляции кДж/м" 362 305 337 349 355 359

Теплота в пересчете на 1мх объекта кДж/м^ 866 775 847 874 888 897

Продолжительность выхода на режим с 20 118 87 61 40 27

Затраты электроэнергии кВт час /м3 0,99 1,35 1,48 1,51 1,53 1,54

Рост энергозатрат вызван тем, что отвод теплоты от ТУ к СК осуществляется на уровне Т4, который на 20 К ниже уровня криостатирования объема ИУ.

СК одноместного КТК может быть построена на базе воздушной турбохо-лодильной машины (ВТХМ) (см. рисунок 10). ИУ КТК расположено в линии обратного потока воздуха, который поступает в зону ОКВ после турбодетандера 4 с температурой Т,.0. В период тпрщ < т < 240 с подачи воздуха в ИУ нет = = 0. газ после детандера 4 поступает в теплообменник 3, минуя объем ИУ.

Моделирование работы КТК с ВТХМ показало принципиальную работоспособность такого схемного решения. При давлении воздуха перед детандером 0,2 МПа рефрижератор поддерживал заданный температурный режим ИУ, начиная с третьего процедурного цикла. Использование ВТХМ в составе КТК сдерживает высокая мощность привода рефрижератора, которая с учетом объема ИУ действующих установок составит 35 кВт. Примерная цена ВТХМ в 3-4 выше стоимости одноместного КТК. КТК с ВТХМ следует рассматривать как перспективный проект, который будет рентабельным в условиях роста стоимости электроэнергии.

В современных условиях более востребованы СК на базе жидкостных, азотных квазициклов. СК снабжены все КТК, работающие на температурном уровне не выше МОК. Большой практический интерес представляют СК постро-

енные с использованием жидкостного квазицикла (ЖКЦ) с контактной передачей теплоты от теплоносителя к криоагенту. В одноместных КТК есть возможность защитить органы дыхания пациента от теплоносителя, поэтому в качестве криоагента ЖКЦ используется жидкий азот. Вентилятор 1 (см. рисунок 10) обеспечивает циркуляцию теплоносителя через контактный аппарат 2 и ИУ 3. Для организации передачи теплоты от газа к жидкости использован безнасадочный контактный теплообменник (БКТО), теплопере-дающая поверхность которого формируется из частиц криоагента. Удельная поверхность частиц гиперболически зависит от радиуса:

/м = Г/Мк = З/Ир' • (28)

Удельная поверхность частицы с радиусом 0,05мм составляет 74 м2/кг. Формирования теплопередающей поверхности БКТО обеспечивается за счет переноса частиц криоагента в потоке теплоносителя. Скорость переноса капель со, зависит от скорости потока = о.™. (29)

где р'а - плотность криоагента, ц1 -вязкость теплоносителя. Тепловые балансы для БКТО и ИУ 2 позволяют оценить соотношение потоков:

ЕЛГа+ср-{Ты-^)]=8ц.ср.{Т1_-Т^), Чг = с, +*вКГм -Г,_0), (30)

= V (Т^ - Г,_0)/\га + ■ (ГЬ| - 7-;)] ка = 0,039кг/кг. (31)

Математическая модель БКТО описывает перенос теплоты через слой пара вокруг частицы криоагента. Уравнение энергии для слоя пара:

ИЛИ + (32)

дг ^ г Вт) Н дг И дг' И дт г дг) '

Пренебрегая турбулизацией парового слоя, можно считать, что подвод теплоты к жидкости можно описать выражением:

дх=а-г,-(т,-т.), а=Ы2-ЯК. (33)

Рисунок 10. Одноместный КТК с системой охлаждения на базе ЖКЦ.

Материальный баланс капли:

-г •р -4-я= о " dr

8R X-2-n ■ Rl -(J\-Ta)

R

или

dRt

(34)

^ 9'i=n=fk

Рисунок 11. Схема потоков в БКТО

га-ра

Выражение для вычисления радиуса капли на новом временном слое:

или К =[%-1-{Т-Та)-Ы(га.р$5.

(35)

В потоке теплоносителя с температурой Г;=130 К, время испарения капли с размером Як = 100 мкм составляет т„сл=2,4 с. Для построения математической модели БКТО использована схема, приведенная на рисунке 11.

Через БКТО движутся потоки теплоносителя д1 частиц жидкости^. Испарение жидкости уве-

личивает расход газовой фракции на Ад}. В результате отвода теплоты к жидкости и перегрева паров азота, энтальпия газа снижается от исходного значения hi=0 до уровня hl=n, Ti=n » 130 К. Материальный баланс элементарного участка БКТО: gi+1 = gt + Agi', Agi = Agi', g'i+1 = g[ - Agi'. (37) Из верхнего сечения БКТО выходят потоки: дп= Зо+ 9п . Зп = 9о ~ 9п ■ (38)

Тепловой баланс БКТО: 5;=i(/ii=i - hi=n) = g[Ln[(hi=n - Ю + га]. (39)

dh ( dh dh\ , Уравнение энергии газа: ~P' l^x + + '

Перенос теплоты парами криоагента рассматривается вдоль оси X, а теплота

dh dh переносимая потоком газа: qw-x = ~p'Wx — , qw-y = —р • wy —.

или: Цуг-у = -д^ - Л^), цм_х = -Ад'^ - Л"), (42)

где Адг парообразование на ¡'-ом участке, /Г- энтальпия насыщенного пара.

Расход газа в верхнем сечении: дЫп = Уп ■ рЫп, рЫп = /(Т1=п). (43) Выражение для расчета массового расхода на произвольном участке г -1:

. Ду-Др/ "

+ (44)

Отвод теплоты:^ = /к£ ■ ак • (т" - Гг) , а = Л"/2йг. (45)

Поверхность частиц криоагента на участке:/^ = ЗМк/(/?;р') . (46)

Изменение размера капель: ра)]''. (47)

На каждом участке моделируются процессы движения газа, частиц жидкости, подвода теплоты к частицам жидкости, изменение размера частиц жидкости в результате подвода теплоты.

На модели БКТО поставлен численный эксперимент по моделированию процесса первичного захолаживания, пуска СК. Этот режим начинает низкотемпературную кампанию одноместного КТК. Удельная масса охлаждаемых металлических частей СК составляет 20 кг/м3. Допускаем, что весь металл сосредоточен в корпусе канала БКТО. Для потока газа с удельным расходом 5=0,6 кг/(с-м3) пригодны каналы с удельной площадью проходного сечения /,>0,0125 м2/м3. Для моделирования работы БКТО в пусковом режиме использован канал с минимальной площадью. Диаметр канала: = (4-Д/тг)0'5 «

0,125 м. Высота канала м,

площадь боковой поверхности ¿4 = тг ■ ■ У4, ^ «< 0,4 м2/м3.

Начальные условия: т = 0 , Т41 = Тос", Т1£ = Тос; ши = 0. (48)

Граничные условия:

О 30 60 90 120 150 180 Время, с

Рисунка 12. Температура газа на границах БКТО стенки канала.

т £=i - Ti-i> Гг_0 -

Ti=n, gi=n —0,6 кг/(м3-с).

(49)

Условие завершения пуска: Гг_о « 130 К. При пуске СК в объеме ИУ нет объекта ОКБ. Результаты эксперимента поясняются графиками на рисунке 12. Продолжительность пуска СК менее 180 с. Температура стенки канала снизилась до T4>j=5=165 К, а температура газа на выходе из канала составила Т1.0=130 К. Удельные пусковые затраты криоагента составили 6 кг/м3. 4,24 кг/м3 азота (71%) затрачено на охлаждение стенки канала.

Для снижения затрат криоагента в пусковом режиме не следует подавать теплоноситель в объем ИУ.

По мере захолаживания СК изменяется размер частиц криоагента на границах БКТО (см. рисунок 13) . При т=5с диаметр капель на входе в БКТО составляет 0,175 мм, а на выходе 0,1 мм. Из канала в жидком виде выходит 18,6% криоагента.

К концу пуска размер частиц на входе составляет 0,125мм, в БКТО диаметр частиц снижается до 0,112 мм. В жидком виде канал преодолевает 71,4 % криоагента. Частицы жидкости отделяются от газа в аппарате 3 (см. рисунок 14) и по линии 4 возвращаются

N Ч ч \ т=5 с

ч ч

т-бОс > ч ч

Т= 120 с ч ч ч

z=180c — «. ^ к ч чл

ч

0 2 4 б 8 10 12 14 16 18 20 Номер участка

Рисунок 13. Изменение диаметра частиц криоагента по высоте канала на разных этапах пуска.

Рисунок 14. Схема движения циркуляционного потока криоагента.

расходную емксоть 5. В СК возникает циркуляционный поток криоагента д'ц. Потери криоагента компенсирует поток д'а, поступающий в емкость 5 от внешнего источника.

Моделирвание работы системы СК в процедурном цикле, т.е. при наличии в объеме ИУ объекта ОКВ, осуществлялось при расходе газа д'ц < 0,4 кг/(см3).

Моделирование работы одноместного КТК при разных значениях д'ц показало (см. рисунок 15), что только при максимальной величине циркуляционного потока криоагента было обеспечено удовлетворительное время выхода ИУ на установишийся температурный режим.

Расчетные затраты криоагента составили 5,2 кг/м3 . После достижения оптимального температурного уровня снижение температуры газа в ИУ продожилось (см. рисунок 16). К концу цикла температура газа на выходе из ИУ Ti-i снизилась до 120К, что на 20К ниже номинального значения. Необходимо организовать

упраление циркуляционным

потоком жидкости. Эту может выполнить регулировочный орган, установленный между

центробежным вентилятором 2 и отделителем жидкости 3 (см. рисунок 14).

Время, с

Рисунок 15. Температура газа в ИУ при разных значениях расхода циркуляционного потока жидкого криоагента.

1 1

1' ч N N,

\

к Ч

\ т'-' J

-

\ *

Т, 0 -

0 30 60 90 120 150 180 Время, с

Рисунок 16. Температуры стенки канала и газа на границах ИУ, при g4=0,4 кг/с м3.

Учитывая высокую_ компактность ИУ, необходимо исследовать влияние конструкции теплового ограждения на терапевтический эффект и затраты энергии. Использовано описание формы внешней поверхности объекта ОКБ. Внутреннюю поверхность теплового ограждения ИУ имеет форму обратного усеченного конуса с диаметром основания А и верхнего сечения Д>. Высота зоны ОКВ Гт(Ц=1,7м. При усеченный конус превращается в цилиндр. Объем ИУ

разбивают на малые элементы, в которых температура газа зависит только от времени у1<у< Г, =/(?)■ Для такого элемента применима одномерная ма-

тематическая модель ИУ. Для каждого участка ИУ вычисляются локальные характеристики азл ,/ц у2л , уъь Б,-, периметр объекта Рги эффективный диаметр ¿ф и площадь проходного сечения Т7« ,: Р3* = п • <131, Р2; = /СО» ^эф = 4 ■

Рев № I + Р2 ¡) .. /2< = . /з г = • (50)

Процессы в источниках теплоты моделируются посредством математических моделей объекта и ограждения ИУ, которые по заданным значениям локальной температуры теплоносителя Тп возвращают в основную программу значения температур поверхностей Т2х>=ъ тз,и=1- По этим значениям рассчитывается локальный подвод теплоты от источников:

<72-1,; = «2-1д ' /г;1 (т2,и=1 " ти)' Чз-и = аз-и " fзí' (тз,и=1 ~ 71,0- (51) Новые значений энтальпии и температуры :

й'у,/= ^ 4У +(8и-Г - ё1Х к^)Ат/(Аур), ТгН^иЬ (52>

Расход газа на выходе из произвольного участка:

gl^ = gш-(pl^-p'hi)^FcefЛy/Лт, гдер';,,=/(Т';^. (53)

Диапазоны выбора значений варьируемых параметров эксперимента:

£»2=0,7м, 0,4 <0,<Р2, 120<7Уо<160К, 0,2<^.0<0,8 кг/м3. (54) Эксперимент прерывается при нарушении одного из двух условий гипотер-

мической безопасности на любом участке. Затраты жидкого азота на реализацию цикла: да = 0(Ы=п - кг.0)/(Га + ср(Т1=п - Г")) = ^тах 9а ' с*т. (55) Вычисляется величина криотерапевтического эффекта:

тэфф = 1(=?'(тэфф,; ' /2,1) . тэффд - /т=о таХ (т2,1-1-т2,т.1п)п '<1Т' ^

Исследовано сочетание 7 значений £>/, 5 значений Г¡.г^ 7 значений проанализировано 245 вариантов. В таблице 9 приведены сочетания параметров обеспечивших достижение наибольших значений т3фф. Представлены значения продолжительности охлаждения ттах и затрат криоагента на цикл Максимально е значение гэ^=192 мин достигнуто при сочетании варьируемых параметров эксперимента £>;= 0,65 м, Г;_о=130К, £;_о=0,3 кг/м3.

Таблица 9. Интегральная величина эффективного времени при различных сочетаниях варьируемых параметров эксперимента.

Параметры эксперимента Результаты эксперимента

£v Kr/MJ Ti.o, К D,,M Tjéé, мин Tmax> С Ga, кг

0,2 120 0,7 97 193 5,55

0,3 130 0,65 192 188 5,65

0,4 150 0,55 172 203 5,29

0,5 160 0,4 160 188 4,8

0,6 160 0,4 160 162 4,64

0,7 160 0,7 98 164 5,54

0,8 160 0,7 87 148 5,54

Эффективное время почти в 2 раза ниже результатов, полученных ранее (см. таблица 3). Низкая эффективность ИУ определена тем, что переохлаждение объекта ОКВ в нижних сечениях ИУ достигается быстрее, в то время как, большая часть поверхности объекта находится в верхних сечениях ИУ. Следует изменить направление движения газа.

Эксперимент был повторен в условиях нисходящего движения теплоносителя, когда газ от СК поступает в верхнее сечение ИУ. Новые значения энтальпии и температуры в элементарном участке:

h'ir hi,¡ +(Я, 4У +(gi,i+r hu+1 - glX hh))Ax/(Ayp), Tlti=f(h\). (57) Расход азота: да = 5¡=n+1(/i¡=1 - hi=n+1)/, qa, qa = ra + ca(Ti=n+1 - Ta). (58) Диапазоны варьирования параметров эксперимента: 120 < 7\д=0 < 160 К, АТи=0 = 10 К, 0,4 <DX< 0,7 м, ADmin =0,05 м, 0,2 < gv < 0,8 кг/м3.

В таблице 10 приведены сочетания параметров, обеспечивших достижение наибольших значений гЭфф. Максимальное значение тзфф=250 мин достигнуто

при сочетании варьируемых параметров эксперимента £>/= 0,65 м, 7/.г=160К, о=0,5 кг/м3.

Таблица 10. Оптимальные сочетания варьируемых параметров экспери-

мента при нисходящем движении теплоносителя через объем ИУ.

Параметры эксперимента Результаты эксперимента

^ Кг/м3'С Т], п+1, к Ая/я. м ТЗфф, мин Ттах* С кг

0,2 130 0,55 126 213 4,91

0,3 140 0,50 236 109 5,25

0,4 150 0,60 235 203 5,37

0,5 160 0,65 250 203 5,46

0,6 160 0,40 160 162 4,64

0,7 160 0,70 194 163 5,52

0,8 160 0,70 195 221 4,77

Эффективное время увеличилось на 30 % по сравнению с лучшим результа-

том таблицы 9, но остается почти 40% ниже результатов приведенных в таблице 3. В момент завершения экспериментов только часть участков поверхности объекта имеет оптимальную температуру, ГгА/=у->-2°С. Для выравнивания температуры поверхности необходимо усложнить форму внутренней поверхности теплового ограждения ИУ. Зона пространства ИУ, расположенная между 9 и 13 участками имеет зауженное сечение, что связано с локальным увеличением объема У2Л. Это сужение вызывает локальное увеличение скорости теплоносителя и повышает скорость охлаждения.

Таблица 11. Оптимальные сочетания варьируемых параметров экспери-

мента при нисходящем движении теплоносителя через ИУ сложной формы.

Параметры эксперимента Результаты эксперимента

кг/м3-с Т]. „+1, к ДдаМ тэМ, мин Ттахз С (7® кг

0,3 130 0,70 120 197 5,03

0,4 140 0,76 220 215 5,43

0,5 140 0,76 230 194 5,63

0,6 150 0,78 367 209 5,94

0,7 150 0,75 324 203 5,73

Для согласования формы объекта ОКБ и теплового ограждения в центральной части ИУ предусмотрен цилиндрический участок с диаметром Dcp (см. рисунок 17). В верхней части ИУ диаметр линейно меняется от Dcp до D2 . Эксперимент состоял в подборе оптимального значения Dcp. В пределах 0,6< Dcp< D2 значение Dcp изменялось с шагом 0,01м. Для каждого нового значением Dcp выполняется расчет локальных значений диаметра изоляции: Di-г- D, , 1</< п, Д= D,.,+( Dcp- D,)/nh где пг 8;

n,+l<i< п2 Д= Dcp; n2+l<i< птах , Д= Dt.

/+(D2-Dcp)/( nmax-n2,), n2= 12; nmax= 17.

Варьируя значение Dcp, удалось подобрать несколько сочетаний параметров эксперимента, при которых величина т,фф сопоставима с результатами экспериментов выполненных в главе 3. Наилучший результат был получен при температуре Г/ „+/ =150К, расходе газа gv=0,6 кг/м3, диаметре средней секции Dcp= 0,78 м.

Благодаря пе-

реохлаждению верхней части объекта, где расположена основная часть поверхности кожного покрова, ОКБ при расходе газа gv=0.6 кг/м3-с оказывается более эффективным (см. рисунок 18).

\> \/ v

Рисунок 17. Продольное сечение ИУ сложной формы.

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Номер участка Рисунок 18. Распределение температур поверхности объекта по высоте ИУ в момент завершения процесса ОКБ.

К моменту завершения сеанса практически все участки поверхности объекта ОКВ были переохлаждены до уровня менее -0,6°С.

Наращивание физиотерапевтической эффективности сопряжено с повышение затрат криоагента до 5,94 кг. Это связано с увеличением площади внутренней поверхности теплового ограждения ИУ на 16 %.

По результатам выполненных исследований можно сделать выводы.

1. Общая криотерапия - технология, основанная на дозированном переохлаждении поверхности тела человека, до температуры не ниже -2°С

2. Наивысший физиотерапевтический результат ОКВ в условиях естественной конвекции воздуха достигается при температуре 140К, безопасная продолжительность охлаждения составляет 160 с.

3. Сеансы ОКВ следует проводить при температуре от 120 до 140 К.

4. В условиях вынужденной конвекции воздуха со скорость до 1 м/с диапазон температур обеспечивающих криотерапевтический эффект расширяется.

5. Энергоэффективность одноместных КТК зависит от компактности размещения объекта ОКВ в объеме ИУ. Снижение компактности от 3,2 м2/м3 до 1,1 м2/м3 суммарный отвод отнесенный к единице поверхности объекта ОКВ возрастает с 630 до 870 кДж, т.е. на 38%.

6. Энергоэффективность многоместных КТК определяется тепловой нагрузкой не только в основной кабине, но и в шлюзовой камере. Из-за низкой компактности размещения объектов ОКВ (0,6 м2/м3) для охлаждения единицы поверхности объекта ОКВ из объема ИУ отводится 913 кДж, что на 45% больше чем в одноместных КТК. Оптимизация конструкции многоместных КТК невозможна, поэтому они выведены из рассмотрения.

7. Анализ возможных вариантов отвода теплоты из объема одноместного исполнительного устройства показал, что размещение в объеме ИУ рекуперативного теплообменника системы криостатирования в два раза повышает затраты энергии с 0,99 до 2,23 кВт час/м3. Рост энергозатрат связан с прямым контактом воздуха из ОС с поверхность теплообменника. При размещении теплообменника вне объема ИУ для успешного отвода теплоты необходимо обеспечить расход теплоносителя через зону ОКВ на уровне не ниже 0,6 кг/с м3. Конвективное охлаждение ИУ снижает затраты электроэнергии до уровня 1,54 кВт час/м3. Для дальнейшего уменьшения затрат электроэнергии необходимо использовать в системе криостатирования циклы, рабочее тело которых может быть направлено в зону ОКВ. Для одноместных КТК таким рабочим телом могут быть воздух или азот.

8. Учитывая условия эксплуатации одноместных КТК, для построения системы криостатирования можно использовать воздушную турбохолодильную

машину (ВТХМ). Очевидными недостатками СК на базе ВТХМ является высокая мощность электропривода (35 КВт) и цена турбохолодильных агрегатов.

9. СК одноместных КТК целесообразно строить на базе азотных квазициклов. Передача теплоты от газообразного теплоносителя к жидкому азоту осуществляется в безнасадочных контактных теплообменниках, теплопередаю-щая поверхность которого может быть сформирована из частиц криоагента. Диаметр частиц криоагента выбирается в интервале от 0,1 до 0,2 мм.

10. Моделирование процессов в канале БКТО показало, что 70% поданного в теплообменник криоагента, выходит из верхнего сечения канала в жидком виде и может быть направлено на повторное использование. Увеличение содержание жидкости в потоке теплоносителя обеспечивает рост удельной теплопере-дающей поверхности БКТО. При расходе криоагента на уровне 0,4 кг/с м3, время выхода одноместного КТК на установившийся температурный режим (140К) составляет не более 25 с. Однако для дальнейшего криостатирования пространства ИУ на заданном уровне необходимо управлять содержанием жидкости в потоке.

11. Для реализации метода ОКВ с высоким физиотерапевтическим результатом необходимо использовать ИУ со сложной формой внутренней поверхности теплового ограждения, а поток теплоносителя направлять сверху вниз. Использование таких ИУ сопряжено с увеличением затрат жидкого криоагента на 30%, что связано с увеличение доли теплоты подведенной с поверхности теплового ограждения.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах:

1. Баранов А. Ю., Малышева Т. А., Баранов В. А., Энергетические основы эффективности криотерапевтической аппаратуры, Физиотерапия, бальнеология и реабилитация №2 2005.

2. Баранов А. Ю. Криогенная физиотерапия, Физиотерапия, бальнеология и реабилитация №3, 2005.

3. Баранов А.Ю., Коваленко И.М., Ятманов А.Н. и др., О многостороннем изучении изменений в организме здорового человека в ответ на криотерапевтическое воздействие. // Вестник СПб ГМА им. И.И. Мечникова - 2005 г., №2 (6).

4. Баранов А.Ю., Разработка техники и технологии криотерапии// Холодильная техника, 2006 г., № 12.

5. Баранов А.Ю., Искусственный холод на службе здоровья// Вестник международной академии холода, № 1, 2006 г.

6. Баранов А. Ю., Баранов В.А.// Выбор схемы криотерапевтической установки, Холодильная техника, 2007, №10.

7. Баранов А. Ю., Апрелева A.B., Общая криотерапия как новый метод интенсификации тренировочного процесса//Научно-теоретический журнал «Ученые записки университета им. П.Ф. Лесгафта», 2007 г., № 8.

8. Баранов А.Ю., Jle Куанг В. М., Баранов В.А., О выборе технологии крио-статирования индивидуальной криосауны// Вестник международной академии холода, 2008., № 1.

9. Баранов А.Ю., Савельева A.B., Сидорова А.Ю., Карцева Ю.А., Оценка величины теплопритоков через верхнее сечение индивидуальных криобассейнов// Вестник Международной академии холода, 2010 г., № 2.

Ю.Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Савельева A.B., Сидорова А.Ю. Перенос теплоты в объекте общего криотерапевтического воздействия// Вестник международной академии холода. - 2012 г. - Вып. 2.

П.Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Савельева A.B., Сидорова А.Ю. Выбор схемы общего криотерапевтического воздействия// Вестник международной академии холода. - 2012. - Вып. 4.

12.Патент РФ № 38591, « Криотерапевтическое устройство», 2004.

13.Шиман А.Г., Кирьянова В.В., Максимов A.B., Баранов А.Ю. Клинико-физиологические аспекты применения криотерапии// Вестник СПб Государственной Медицинской Академии им. И.И. Мечникова. - 2001. - № 1. Публикации в других научных изданиях:

14.Баранов А.Ю., Кидалов В.Н. Лечение холодом. Криомедицина.- СПб.: Атон, 1999.

15.Баранов А.Ю., Суслов Л.Т., Анализ тепловой нагрузки на блок подготовки теплоносителя в установках криотерапевтического воздействия //Вестник международной академии холода, М. ,1999. Вып.1.

16.Баранов А.Ю., Малышева Т.А. Моделирование нестационарного теплообмена в криомедицине// Вестник международной академии холода, - 2000. -№ 2.

17.Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Моделирование изменений поля температур покровных тканей человека при криотерапевтическом воздействии // Сборник научных трудов "Медицинская криология". 2001. № 2 . - Н. Новгород.

18.Баранов А.Ю., Трубников С.Н. Оптимизация технологии аэрокриотерапевтического воздействия // Сб. научных трудов "Медицинская криология". 2001 № 2. - Н. Новгород.

19. Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Приходько C.B., Бургмистрова Е.С., Разработка техники и технологии аэрокриотерапевтического воздействия, Известия СПб ГУ H и ПТ, № 2,2003.

20.Баранов А.Ю., Беликов П.А., Приходько C.B., Баранов В.А.,Снабжение аэрокриотерапевтических комплексов жидким азотом, Известия СПб ГУ H и ПТ, №2,2003.

21.Баранов А.Ю., Приходько C.B., Особенности переноса теплоты через тепловое ограждение исполнительного устройства криотерапевтического комплекса, Известия СПб ГУ H и ПТ, № 1,2004.

22.Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Энергетические основы эффективности криотерапевтической аппаратуры, «Медицинская криология». 2004. № 5 . -Н. Новгород.

23.Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Шлейкин А.Г., Коваленко И.М. , Ятманов А.Н. Моделирование переноса теплоты при контакте покровных тканей теплокровных с криогенной газовой средой, // материалы XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, том II, с-13, 2005 г.

24.Баранов А.Ю., Баранов В.А., Jle Куанг В.М О возможности интенсификации общего криотерапевтического воздействия, «Медицинская криология». 2005. № 6 .

25.Баранов А.Ю., Бессонова Ю.А., Выбор методики контроля температуры газа в процедурной кабине индивидуального криотерапевтического комплекса// Известия Санкт-Петербургского государственного университета низко-температурных и пищевых технологий, 2006 г, №1.

26.Баранов А. Ю. Общая криотерапия, история развития метода в Европе// Криотерапия в России: Материалы I международной научно-практической конференции. - СПб: СПб ГУН и ПТ, 2008 г, ISBN 978-5-89565-179-7.

27.Баранов А.Ю., Балахнин Д.Г., Баранов В.А., Козлова И.А, Об опыте применения сосудов-газификаторов для снабжения азотом криомедицинской аппаратуры//«Технические газы», 2008, №5.

28.Баранов А. Ю., Баранов В.А. О преимуществах аппаратов для индивидуальной криотерапии// Криотерапия в России: Материалы I международной научно-практической конференции. - СПб.: СПб ГУН и ПТ, 2008 г.

29.Баранов А. Ю., Кирьянова В.В., Максимов A.B., Малышева Т.А Основы эффективности общей криотерапии // Криотерапия в России: Материалы I международной научно-практической конференции. - СПб.: СПб ГУН и ПТ, 2008 г.

30.Баранов А. Ю., Малышева Т. А., Антонова Е. В., Теоретические основы совершенствования техники и технологии общей криотерапии// Криотерапия в России: Материалы II международной научно-практической конференции. - СПб.: СПб ГУН и ПТ, 2009 г.

31.Баранов А. Ю., Савельева A.B., Сидорова А.Ю., Контактный перенос теплоты в системе криостатирования криосауны, Известия СПб ГУ H и ПТ . 2009 г. № 1.

32.Баранов А. Ю., Савельева A.B., Сидорова А.Ю., Моделирование нестационарного переноса теплоты при управляемо криотерапевтическом воздействии, Известия СПб ГУ H и ПТ. 2009 г. № 1.

33.Баранов А. Ю., Савельева A.B., Сидорова А.Ю., Оценка энергозатрат при работе установки общего криотерапевтического воздействия, «Криотерапия в России», СПб ГУН и ПТ, 2009.

34.Баранов А. Ю., Левин M.JL, Максимов А.В.Экспериментальная оценка эффективности аппаратов для локальной криотерапии, «Криотерапия в России», СПб ГУН и ПТ, 2010.

35.Баранов А. Ю., Галахова Н. А., Маркова П. Ф., Сидорова А. Ю.,Тепловые процессы, определяющие эффективность общего криотерапевтического воздействия, «Криотерапия в России», НИУ ИТМО, ИХиБТ, 2012, ISBN 978-5-7937-0900-2978-5-7937-0539-4.

36.Баранов А. Ю., Малышева Т. А., Колеснева Н.В., Численная оценка возможности использования модельных животных для исследований эффектов общего криотерапевтического воздействия, Материалы конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». - 2013. - 813 с. -ISBN 978-5-7577-0443-2.

37.Баранов А. Ю., Малышева Т.А., Гринфельд Н.И., Моделирование технологического цикла работы криотерапевтического комплекса с компрессионной системой криостатирования, Материалы конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». - 2013. - 813 с. - ISBN 978-57577-0443-2.

38.Суздальницкий Д.В., Баранов А.Ю., Аппаратура и средства для локальной криотерапии. Вопросы курортологии, № 4,1999.

39.BARANOV A., VETROVA V, ABOUT THE POSSIBILITY OF MADEL ANIMALS USAGE FOR STUDYING GENERAL CRYOTHERAPEUTICAL IMPACT EFFECTS, THE JOURNAL OF LOW TEMPERATURE MEDICINE. - Токио, 2013. - Vol. 39. - N 2. ISSN 0285-4473.

Подписано в печать 14.06.1«. Формат 60x84 1/16.

Печ. л.2.0 . Тираж/00 экз. Заказ № .7/.. НИУ ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 ИИК ИХиБТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9.