автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности индивидуальных криотерапевтических систем

Список основных условных обозначений Введение

Глава 1. Анализ конструкции и режимов работы существующих 14 криокомплексов.

Глава 2. Исследование нестационарного теплообмена в исполнительных устройствах аэрокриотералевтических комплексов

2.1 Исполнительное устройство. Назначение, варианты ис- 70 полнения, математическая модель

2.2 Исследование переноса теплоты через тепловое ограж- 76 дение

2.3 Математическое описание формы источников теплоты, 94 входящих в исполнительное устройство

2.4 Математическая модель исполнительного устройства 99 аэрокриотерапевтического комплекса

2.5 Критерии количественной оценки эффективности ра- 107 боты криотерапевтического комплекса

2.6 Моделирование криотерапевтического воздействия в 113 исполнительном устройстве комплекса «КАЭКТ-01-Крион»

2.7 Исследование влияния размеров кабины пациента на 124 эффективность криотерапевтического комплекса

2.8 Исследование альтернативных вариантов движения те- 136 плоносителя через исполнительное устройство

1.1 Теплофизическая теория криотерапии

1.2 Варианты конструкции исполнительных устройств

Глава 3. Испытание действующего макета исполнительного устрой- 148 ства криотерапевтического комплекса «КАЭКТ-01М»

3.1. Описание экспериментальной установки.

3.2. Испытания действующего макета криотерапевтического комплекса в режиме холостого хода.

3.3. Испытания действующего макета криотерапевтического комплекса под нагрузкой.

В декабре 1999 года Комитет по новой медицинской технике министерства здравоохранения РФ разрешил серийное производство и применение в лечебной практике первой отечественной системы для общей криотерапии - аэрокриотерапевтического комплекса «КАЭКТ-01 «КРИОН». Установка разработана и изготовлена сотрудниками Санкт-Петербургского Государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий (СПбГУНиПТ) и научно-производственного предприятия «КРИОН» (С. Петербург). Клинические испытания проходили в трех медицинских учреждениях Петербурга под руководством сотрудников кафедры физиотерапии Санкт-Петербургской государственной медицинской академии последипломного образования (МАЛО). Заведующая кафедрой доктор медицинских наук проф. Кирьянова В.В. и кандидат медицинских наук доцент Максимов А.В. в 2000 году опубликовали методические указания по применению криотерапии в лечебной практике [7]. В 2000 году аппаратура для общей криотерапии была зарегистрирована Комитетом по новой медицинской технике.

Теоретические основы для производства отечественной аппаратуры для общей криотерапии были сформулированы в диссертации сотрудника кафедры криогенной техники ЛТИХП ( СПбГУН и ПТ) Баранова А.Ю. В период с 1992 по 2002 год работы были продолжены в трех направлениях: разработка и оптимизация технологии криотерапевтического воздействия;

- разработка и обоснование конструкции исполнительных устройств криотерапевтического комплекса;

- разработка и оптимизация систем криостатирования кабины пациента аэрокриотерапевтических комплексов индивидуального действия.

В результате теоретических исследований и опытно- конструкторских работ были предложены и зарегистрированы основные схемные и конструкторские решения, обеспечившие значительное снижение себестоимости отечественного оборудования по отношению к зарубежным аналогам [9]. Не уступая импортной аппаратуре по лечебной эффективности, эксплуатационной надежности и пропускной способности, российские криотерапевтические комплексы остаются самыми доступными по стоимостным показателям. Поэтому в России можно ожидать сравнительно быстрого распространения криотерапии в лечебной практике.

Переход к серийному производству и широкому лечебному применению комплексов для аэрокриотерапии «КАЭКТ-01-«КРИОН» повысил уровень требований предъявляемых к обоснованию выбора оптимальных технологических параметров процесса криогенного воздействия на кожный покров пациента. Продолжительность процедуры, температура и скорость газа выбираются в ряде случаев эмпирически, на основе неполных представлений не только физических, но и физиологических механизмов криотерапии.

Доминирующую роль в вопросах выбора криотерапевтической технологии продолжают играть публикации зарубежных авторов [16], преимущественно медицинских специалистов. Информация подается в виде отчетов о практике использования метода для решения частных лечебных задач, например в ревматологии. В то же время общепризнанным является факт, что криотерапия является неспецифической физиотерапевтической процедурой необычайно широкого спектра действия [4], поэтому для проектирования и разработки криотерапевтической техники важно выбрать и обосновать оптимальные технологические параметры процесса лечебного воздействия криогенной газовой среды на человека.

Сходная ситуация сложилась в области технического обеспечения процедур. В вопросах конструкции исполнительных устройств и систем их криостатирования доминируют публикации представителей Западноевропейских производителей [26].

В тоже время исследования последних лет показали [15], что сложившиеся в этой области прикладной криогенной техники тенденции развития в значительной степени противоречат физической сути процедуры. Даже поверхностный анализ действующих систем показывает, что их основные преимущества не имеют того практического значения, на которое указывают производители. В такой ситуации для производства общедоступного криотерапевтического оборудования в России необходимо использовать тщательно взвешенные, обоснованные теорией и экспериментальными исследованиями решения. Только в этом случае можно избежать повторения зарубежных ошибок.

Аэрокриотерапия. Общие положения.

Криотерапия [kryos-холод; therapya-лечение (греч.)] - раздел физиотерапии, включающий физические методы лечения, отличительным признаком которых, является применение холода в качестве основного лечебного фактора.

Принцип охлаждения всей поверхности тела или его отдельных частей воздушно - газовыми средами с экстремально низкой температурой лежит в основе самого современного метода холодолечения -аэрокриотерапии. Стимулом к началу работ по разработке отечественных криотерапевтических систем, стало выступление японского врача -ревматолога Т. Ямаучи на конгрессе ревматологов в 1986 г. Материалы доклада достоверно доказывали огромную лечебную эффективность процедур, основанных на терапевтическом использовании сверхнизких температур. Автор доклада указывал на прямую связь между уровнем температуры газа и площадью поверхности контакта кожного покрова с низкотемпературной газовой средой, достигаемым лечебным эффектом криотерапии.

За рубежом криотерапевтические процедуры применяют в лечебной практике с семидесятых годов XX века. Приоритет в практическом использовании криотерапии принадлежит частной клинике Тасимо Ямаучи (Япония), в которой впервые было применено раздражающее криотерапевтические воздействие на систему терморегуляции. С физической точки зрения криотерапевтические воздействие сводится к кратковременному контакту кожного покрова пациента с газовой средой температура, которой составляет от -180 до -100°С [14]. По характеру воздействия различают местную (локальную) и общую (тотальную) криотерапию.

Локальная криотерапия связана с воздействием низкотемпературным газовым потоком, получаемым, как правило, при испарении жидкого азота и направляемым непосредственно на пораженный заболеванием участок тела. Локальное криовоздействие широко используют для лечения полиартрита, экземы, ожоговых поражений кожи. Оборудование, используемое для локальной криотерапии, производится фирмами « Nihon Sanso» и «Odsi Giken» (Япония), а также «Messer Griesheim» и «Medizintechnik Kirschman + Schweizer» (ФРГ), «Криомед» и «Криотек» (Россия) [27].

Общая криотерапия связана с полным погружением в газовую среду с температурой пониженной до -180°С. Часто для дыхания пациента используют воздух, заполняющий зону криовоздействия (камеру для размещения пациента). В ходе криовоздействие органы дыхания и конечности защищают от обморожения. Известны устройства для тотальной криотерапии с направленным движением холодных струй.

Лечебная эффективность криотерапевтических процедур связана со стрессовым стимулирующим воздействием на гипоталамо-гипофиз-надпочечниковую систему, а также со стимуляцией периферийного кровообращения [26]. Максимальное стимулирующее влияние оказывает тотальная криотерапия. Лечебная эффективность определяется не только минимальным уровнем температуры воздуха в зоне криовоздействия, но и темпом понижения температуры. Продолжительность общего криотерапевтического воздействия от 30 до 180 секунд. При криотерапии температура кожи пациента быстро понижается до уровня -2-0 С, а затем, за счет интенсификации периферийного кровообращения, повышается до 35 С (нормальная температура кожи 32,5 С). Компенсаторное повышение температуры сохраняется в течение 1,5 ч. Наряду с компенсаторным повышением температуры, при криотерапевтическом воздействии достигается подавление скованности и болевых ощущений в пораженных ревматическим полиартритом суставах. При этом 88,2% опрошенных оценивают криотерапевтические процедуры как приятные.

Учитывая сложный состав аппаратов для проведения общего криотерапевтического воздействия и многообразия вариантов конкретного исполнения, последние годы в России этот класс криомедицинского оборудования называют аэрокриотерапевтическими комплексами.

Стоимость услуг определяется затратами на приобретение и эксплуатацию криогенного оборудования, а эти затраты зависят от стоимости конструктивных и технологических решений, использованных в криотерапевтической аппаратуре. В этом смысле ситуация в зарубежной технике сложилась просто парадоксальная. На первом этапе конструирования в составе криотерапевтических комплексов использовались стандартные для криогенной техники решения. Попытка сократить затраты на разработку и производство нового оборудования привела к тому, что установки получились металлоемкими и неоправданно дорогими в эксплуатации. Модернизация первых образцов пошла по пути уменьшения стоимости эксплуатации за счет увеличения продолжительности непрерывной работы аппаратуры и увеличения вместимости кабин для пациентов. В результате за 30 лет зарубежные криотерапевтические комплексы превратились в сложные технологические установки, которые по капитальным и эксплуатационным затратам доступны только крупным медицинским центрам.

Для расширенного производства и внедрения криотерапии в лечебную практику необходимо использовать в аэрокриотерапевтических комплексах конструкции и технологии, созданные специально для этих целей. Только такой подход обеспечит сокращение капитальных и эксплуатационных расходов. Пятилетний опыт эксплуатации отечественного оборудования для аэрокриотерапии, прежде всего широкая гамма новых показаний, подтверждает, что предложенная доцентом кафедры КТ СПбГУНиПТ Барановым А.Ю. концепция производства дешевых и простых в эксплуатации аппаратов оказалась верной и перспективной. Поиск путей построения доступных широкому кругу потребителей аппаратов стимулировал разработку теплофизической теории криотерапии, теоретические исследования позволили сформулировать принципиально новые технологические приемы проведения процедур.

Исполнительное устройство криотерапевтического комплекса

Для проведения лечебного воздействия в криотерапевтических комплексах используются исполнительные устройства - кабины для пациента. Конструкция, форма и размеры кабины исходят из лечебных задач, которые решаются комплексом. Наибольшее влияние на конструкцию исполнительного устройства оказывает выбор схемы проведения процедур.

Можно выделить два варианта практической организации криотерапевтических процедур: индивидуальный и групповой. В первом случае комплекс рассчитывается на размещение только одного пациента. Индивидуальные процедуры обеспечиваются оборудованием с небольшими размерами и материалоемкостью.

Во втором случае в исполнительном устройстве размещают от трех до восьми человек. Размеры исполнительного устройства, да и комплекса в целом, в этом случае достаточно велики.

Развитие техники для аэрокриотерапевтического воздействия в Западной Европе привело к созданию значительного числа конструкций, предназначенных для индивидуальных процедур [32].

Но, на практике шире используются комплексы группового типа. Причин, по которым медицинские учреждения предпочитают групповые кабины, несколько. Во-первых, большинство известных криотерапевтические комплексов размещается в крупных клиниках и применяется для лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата. Существующие методики лечения предполагают формирование групп из 3 - 8 человек, которые совместно проходят как криопроцедуры, так и комплекс лечебной гимнастики.

Во-вторых, крупным клиникам выгодно иметь в своем распоряжении аппаратуру с большой пропускной способностью. Групповые комплексы обеспечивают отпуск 30 - 50 процедур в час. В-третьих, считается, что в групповых установках значительно снижаются энергозатраты на проведение процедур, так как исполнительное устройство постоянно находится в охлажденном состоянии, а вход/выход пациентов организуется через специальные шлюзовые камеры [23]

Однако применительно к современному состоянию системы здравоохранения в России доводы о преимуществах групповых комплексов утрачивают свое значение. Дело в том, что криотерапия в нашей стране остается малоизвестной процедурой, поэтому говорить о потребности в системах с высокой пропускной способностью преждевременно.

Скорость распространения криотерапии в практическом здравоохранении в значительной степени определяется стоимостью оборудования для ее реализации.

13

Минимальная цена на установку для групповой криотерапии («Krio Speis Kabin») составляет 360 тыс.$, т. е. в 20 - 30 раз дороже отечественных криотерапевтических комплексов. Немаловажную роль играет и то, что установки для группового воздействия требуют существенных эксплуатационных затрат. Пуск такого комплекса так же требует существенных энергозатрат, поэтому оборудование работает непрерывно в течение всей рабочей недели. Необходимо учитывать также потребность в площадях для размещения не только исполнительного устройства, но и специального технологического оборудования крупных установок. Для обслуживания установки необходим высококвалифицированный персонал -машинисты компрессорной станции, слесари и т. п. Примерная тепловая нагрузка на криогенное оборудование в установках непрерывного действия составляет не менее 8-10 кВт. С учетом низкого температурного уровня, на котором необходимо отводить эту мощность, установленная мощность электропривода достигает величины 100-120 кВт.

Очевидно, что такие капитальные и эксплуатационные затраты резко снижают круг возможных потребителей криотерапевтического оборудования для групповых процедур. С учетом изложенного, наиболее перспективными для развития в России в ближайшие 10 лет будут установки индивидуального действия.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выво

1. На основании анализа литературных источников установлено, что индивидуальные криотерапевтические комплексы при равной с групповыми лечебной эффективности, обладают рядом эксплуатационных и экономических преимуществ, поэтому их применение в Российской Федерации предпочтительно.

2. В результате обобщения теоретических и экспериментальных исследований разработана и реализована на ЭВМ обобщенная математическая модель исполнительного устройства криотерапевтического комплекса, которая позволяет исследовать процессы, протекающие в ходе криотерапевтических процедур, выбирать оптимальные конструктивные параметры устройства при максимальном криотерапевтическом эффекте и минимальном расходе теплоносителя.

3. Численные эксперименты на математической модели позволили произвести расчеты при более чем 560 вариантах сочетания названных параметров, выявить причины перерасхода криоагента, к основным го которых относятся высокая теплоаккумулирующая способность конструктивных элементов комплекса и недорекуперация отработанного криоагента.

4. При проведении численных экспериментов на обобщенной математической модели были изучены динамические процессы изменения температуры нестационарного теплопереноса в исполнительном устройстве, а также описано распределение температурных полей на поверхности кожи пациента, в слое теплоносителя и на внутренней поверхности теплового ограждения исполнительного устройства криокомплекса.

5. Достоверность результатов, полученных с помощью обобщенной математической модели, подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментальных данных, полученных в натурных испытаниях усовершенствованного криотерапевтического комплекса.

170

6. Результаты исследований внедрены при проектировании и изготовлении криотерапевтического комплекса «КАЭКТ-01М». Использование рекомендаций позволило сократить удельные затраты криоагента на 45%, в среднем в 1,5 раза увеличилась интенсивность лечебного действия за процедуру.

7. В результате выполненных исследований, разработанных математических моделей и программного обеспечения создана база для дальнейших работ по улучшению потребительских характеристик отечественной криотерапевтической аппаратуры.

1. Архаров A.M., Архаров И.А., Беляков В.П. и др. Криогенные системы. т. 2.: Основы проектирования аппаратов, установок и систем. Издание второе переработанное и дополненное. М: Машиностроение, 1999-719.

2. Баранов А.Ю. Газовая криотерапия // Мир медицины. 1997. № 10. -с.50 51.

3. Баранов А.Ю., Кидалов В.Н. Лечение холодом. Криомедицина. -СПб.: Атон, 1999. 272 с.

4. Баранов А.Ю., Кидалов В.Н. Лечение холодом. СПб.: Пионер; М. Астрель, 2000. - 160 с.

5. Баранов А.Ю., Малышева Т.А. Моделирование нестационарного теплообмена в криомедицине // Вестник Международной Академии Холода. 2000. № 2. С.38 - 41.

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

7. Баранов А.Ю., Суслов А.Е. Анализ тепловой нагрузки на блок подготовки телоносителя в устройствах криотерапевтического воздействия // Вестник Международной Академии Холода. 1999. №4.-С. 33 35.

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

9. Бартон А., Эндхолм О. Человек в условиях холода. М.: Изд-во иностранной литературы, 1959. - 280 с.

10. Ю.Борзенко Е.И. Расчет и моделирование криогенных и массооб-менных процессов: Учебное пособие. СПб: СПбГУН и ПТ, 1995.-97.

11. Бокша В.Г., Богуцкий Б.И. Медицинская климатология и климатотерапия. Киев: Здоровье, 1980. - 264 с.

12. Буков В.А. Холод и организм. Вопросы общего глубокого охлаждения животных и человека. Л.: Б. И., 1964. - 216 с.

13. Волков Е.А. Численные методы ,-М.: «Наука», 1982.-256 с.

14. Исаченко В.А., Осипова А.С., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981, 416 с.

15. Кожевников И.Г., Новицкий Л.А. Теплофизические свойства материалов при низких температурах: Справочник.-2-е изд., прераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1982.-282 с.

16. Костадинов Д., Краев Т. Криотерапия. София, 1987. - 98 с.Криотерапия. Научный обзор. ВНЦ медицинской реабилитации и физической терапии. - М.: Б.И., 1997. - 10 с.

17. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М. : Высшая школа, 1967, 600 с.

18. Максимов А.В., Кирьянова В.В. Аэрокриотерапия. Учебное пособие. СПб.: МАЛО, 2000. - 20 с.

19. Максимов А.В., Кирьянова В.В. Аэрокриотерапия практическое применение // Сб. научных трудов "Медицинская криология". 2001 № 2. Н. Новгород.

20. Маршак М.Е. Физиологические основы закаливания организма человека. Л.: Медицина, 1965. - 150 с.

21. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977, 344 с.

22. Низкие температуры в медицине / Терновой К.С., Гассанов Л.Г., Земсков B.C. и др.; под общей редакцией Тернового К.С., Гасса-нова Л.Г. Киев: Наукова Думка, 1980. - 280 с.

23. Новотельное В.Н., Акулов А.А., БорзенкоЕ.И. Теплофизические свойства азота: Методические указания. Л. ЛТИХП, 1988. - 29.

24. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М., 1984, 357 с.

25. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М., 1984, 405 с.

26. Суздальшщкий Д.В., Баранов А.Ю. Аппаратура и средства для локальной криотерапии // Вопросы курортологиии. 1999. № 4. -С. 51-53.

27. Турчак Л.И. Основы численных методов. ,-М.: «Наука», 1987.319 с.

28. Шиман А.Г., Кирьянова В.В., Максимов А.В., Баранов А.Ю. Кли-нико-физиологические аспекты применения криотерапии // Вестник СПб Гос. Мед. Академии им. И.И. Мечникова. 2001. № 1. 27.

29. Reinhart Е. Hormesis und die Bewertung kleinster Dosen von Wirkstoffen //Biologishe Medicin 1998. B.27(2) - S.51 - 54,

30. Fricke R. Ganzkorperkalteterapie. Zeitschriftfur Physikalishe Medizin, Balneologie, Med. Klimatologie; Heft 5, Oktober 1986, Demer verlag, Grafel find.

31. Schramek E. Taschbuch fur Heizimg und Klimateclmik, Fuflage 1992; R. Oldenbourg Verlag, Munchen/ Wien.

32. Баранов А.Ю., Трубников С.Н., Оптимизация технологии аэрокриотерапевтического воздействия // Сб. научных трудов «Медицинская криология». 2001 № 2 Н.Новгород. С. 40 - 52.

33. Шиман А.Г., Кирьянова В.В., Максимов А.В., Баранов А.Ю., Трубников С.Н., Клинико-физиологические аспекты применения криотерапии И Вестник СПб Гос. Мед. Академии им. И.И. Мечникова 2001 № 1, С. 27 -34.лав^ИОН

34. Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие1. КРИОН»1. Актвнедрения результатов научной работы.

35. В соответствии с рекомендациями работы в конструкцию внесены следующие изменения:

36. Толщина теплоизоляции кабины ограничена рекомендуемым диапазоном от 50 до 100 мм.

37. Исключены непроизводительные затраты криоагента на охлаждение конструктивных элементов кабины, за счет нанесения дополнительного изолирующего слоя на внутренние поверхности опоры пациента и газовых каналов.

38. Из предложенных вариантов реконструкции исполнительного устройства для внедрения в производство выбран вариант с изменением внутреннего диаметра основания кабины.

39. Технические испытания изготовленного с учетом рекомендаций действующего макета криотерапевтического комплекса «КАЭКТ-01М», подтвердили эффективность изменений.

40. Расход жидкого азота снижен на 45%.

41. Разность температур до высоте кабины снизилась до 20 К, что повысило лечебный эффект процедуры.

42. Разработанная в диссертационной работе математическая модель исполнительного устройства используется для исследования новых вариантов организации системы криостатирования.1. Начальник НТО, к.т.н1. Директор1. Бессонов С.А.1. Беликов A.M.