автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Создание метода расчета и разработка пневматических исполнительных устройств нагрева и охлаждения

На правах рукописи УДК 536.74; 62-522.7

Крутиков Алексей Александрович

СОЗДАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА И РАЗРАБОТКА ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ

Специальность 05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2008

003169710

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им НЭ Баумана

Научный руководитель доктор технических наук, старший научный

сотрудник Чернышев Андрей Владимирович

Официальные оппоненты. доктор технических наук, профессор

Киселев Михаил Иванович

кандидат технических наук Сологуб Валерий Николаевич

Ведущая организация: Институт аналитического приборостроения

РАН, г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится 11 июня 2008 г в 14 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212141 16 в Московском государственном техническом университете им НЭ. Баумана по адресу 105005, г Москва, Лефортовская набережная, д 1, ф-т «Энергомашиностроение»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им Н Э Баумана

Ваш отзыв на автореферат в 2 экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу 105005, г Москва, 2-я Бауманская улица, д 5, ученому секретарю диссертационного совета Д 212 141 16

Автореферат разослан_______0 ÍLiLJL!L8.____2008 г

Желающие присутствовать на защите должны заблаговременно известить совет письмами заинтересованных организаций на имя председателя совета

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 141 16

кандидат технических наук, доцент

Общая характеристика работы

Актуальность исследования

В настоящее время во многих областях практической деятельности ' человека широко используются устройства, предназначенные для автоматического изменения температуры по определенному закону В качестве объекта регулирования может выступать любой объект физической, химической или биологической природы Такие устройства принято называть устройствами программного регулирования температуры, работающими в автоматическом режиме. Обычно они состоят из исполнительного устройства нагрева и охлаждения и системы управления

В данной работе рассматривается прецизионное исполнительное устройство нагрева и охлаждения, предназначенное для циклического изменения температуры микрообъемов реакционной смеси. Подобные устройства входят в состав оборудования для проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР) - анализаторов нуклеиновых кислот. Метод ПЦР, применяемый при анализе ДНК, позволяет решать такие задачи, как диагностика социально значимых заболеваний (гепатиты В и С, туберкулез), анализ онкологических и генетических заболеваний, генотипирование (в криминалистике - для идентификации личности, в сельском хозяйстве - для селекции ценных пород животных и сортов растений) и многие другие

В настоящее время большинство промышленно развитых стран ведут интенсивные работы по созданию оборудования для проведения ПЦР Новые технолог™ предъявляют к анализаторам нуклеиновых кислот ряд требований по улучшению динамических характеристик, а именно - по увеличению скорости изменения температуры реакционной смеси во время процессов нагрева и охлаждения при одновременном обеспечении заданной точности поддержания температуры и равномерности температурного поля реакционной смеси на этапах стабилизации

В последнее время возникла необходимость создания малогабаритных высокоскоростных анализаторов нуклеиновых кислот, предназначенных для проведения количественной полимеразной цепной реакции в реальном масштабе времени в полевых условиях Данные устройства должны отличаться простотой конструкции, низким энергопотреблением, малыми габаритными размерами и массой Для решения поставленных задач в данной работе предложено рассмотреть пневматическую схему исполнительного устройства нагрева и охлаждения, в которой в качестве теплоносителя используется воздух окружающей среды

Разработкой оборудования для проведения ПЦР, построенного на базе пневматической схемы, занимаются такие зарубежные фирмы, как Cepheid (США), Corbett Research (Австралия), Idaho Technology (США) Среди отечественных производителей можно выделить Институт аналитического приборостроения РАН (г. Санкт-Петербург), ЗАО «ДНК-технологии» (г Москва) и ЗАО «Циклотемп» (г. Обнинск)

Однако разработчики сталкиваются с серьезными проблемами, связанными с оценкой технических характеристик оборудования на этапах проектирования В основном это обусловлено отсутствием теоретических работ, посвященных вопросу исследования динамики температурных полей микрообъектов с учетом реальной геометрии в условиях сопряженного теплообмена Поэтому актуальной задачей является создание математических моделей и обоснованных методов расчета, позволяющих проводить исследования, необходимые для разработки высокоскоростных прецизионных исполнительных устройств нагрева и охлаждения, удовлетворяющих современным требованиям науки и техники Объектом исследования являются пневматические исполнительные устройства нагрева и охлаждения

Предметом исследования являются рабочие процессы, протекающие в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения и определяющие их технические и эксплуатационные характеристики. Целью работы является создание математических моделей и методов расчета рабочих процессов, протекающих в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения, и разработка на основе созданных моделей теплового блока малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот для эксплуатации в полевых условиях Задачи исследования

1 Создание математической модели и метода расчета рабочих процессов в пневматическом исполнительном устройстве нагрева и охлаждения с учетом сосредоточенных термодинамических параметров состояния

2 Создание математической модели и метода расчета рабочих процессов в пневматическом исполнительном устройстве нагрева и охлаждения с учетом распределенных термодинамических параметров

3 Проведение теоретических исследований влияния конструктивных и функциональных параметров на основные характеристики устройства, в том числе, исследование неоднородности температурного поля реакционной смеси

4 Разработка теплового блока малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот для эксплуатации в полевых условиях

Научная новизна

1 Впервые в приложении к пневматическим исполнительным устройствам нагрева и охлаждения создана математическая модель и метод расчета протекающих в них рабочих процессов с учетом сосредоточенных термодинамических параметров состояния Данная модель позволяет исследовать изменение давления рабочего тела и температуры элементов устройств во времени

2 Впервые в приложении к пневматическим исполнительным устройствам нагрева и охлаждения создана математическая модель и метод расчета протекающих в них рабочих процессов с учетом распределенных термодинамических параметров состояния Данная модель позволяет

исследовать изменение поля давления и скорости движения рабочего тела и поля температуры элементов устройств во времени 3. Впервые расчетная область в разработанных математических моделях охватывает все основные элементы устройства, включая микропробирку и реакционную смесь, в которой учтены процессы естественной конвекции

4 Впервые получены результаты теоретических исследований рабочих процессов в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения Исследовано влияние расхода теплоносителя и мощности источника теплоты на скорость изменения температуры реакционной смеси и на неравномерность поля температуры в объеме реакционной смеси

5 Проведены экспериментальные исследования динамических характеристик пневматических исполнительных устройств нагрева и охлаждения Сопоставление полученных результатов с результатами численных исследований позволило сделать заключение об адекватности созданных математических моделей параметрам исследуемых рабочих процессов в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения

Практическая ценность

1 Созданы математические модели и методы расчета рабочих процессов в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения, позволяющие повысить эффективность проектирования подобных устройств, а также сократить сроки их разработки за счет возможности внесения изменений в конструктивную схему устройства на этапах разработки

2 Даны рекомендации по выбору функциональных параметров пневматических исполнительных устройств нагрева и охлаждения, а именно, по выбору расхода теплоносителя и мощности источника теплоты

3 Математические модели и соответствующие методы расчета внедрены в практику проектирования тепловых блоков анализаторов нуклеиновых кислот в Институте аналитического приборостроения РАН, г. Санкт-Петербург

4 На основе проведенных исследований в МГТУ им Н Э Баумана разработан макетный образец теплового блока малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот для работы в полевых условиях

Достоверность полученных данных подтверждена результатами предварительных испытаний макетного образца теплового блока малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот, который принят межведомственной комиссией и рекомендован к опытно-конструкторской разработке Положения, выносимые на защиту

Математические модели и методы расчета рабочих процессов в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения

Результаты теоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и симпозиумах:

1. Международный симпозиум «Образование через науку», г. Москва, МГТУ им Н Э. Баумана, июнь 2005 г

2. Седьмая международная научно-техническая конференция «Медико-технические технологии на страже здоровья», Греция, п-о. Халкидики, г. Салоники, октябрь 2005 г

3 Научные семинары кафедры «Вакуумная и компрессорная техника», г Москва, МГТУ им Н Э. Баумана, 2004, 2005,2006,2007 гг

4 Научно-практическая конференция «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности», г. Нижний Новгород, ННГУ им. Н.И Лобачевского, май 2007 г.

Личный вклад автора заключается в разработке математических моделей и методов расчета, в проведении теоретических и экспериментальных исследований, а также в создании макетного образца теплового блока малогабаритного анализатора нуклеиновых кислот Публикации

По результатам проведенных исследований опубликовано 5 работ в научных журналах, включенных ВАК РФ в список изданий, рекомендуемых для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук. Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Работа изложена на 127 страницах текста, включая 39 иллюстраций и 5 таблиц Библиография насчитывает 98 наименований

Содержание работы

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность исследуемого вопроса, сформулирована научная проблема, определены объект и предмет исследования

В первой главе проанализированы основные варианты конструктивных схем исполнительных устройств нагрева и охлаждения и способы описания протекающих в них рабочих процессов

С целью анализа вариантов конструктивных схем исполнительных устройств нагрева и охлаждения выделены следующие основные элементы, входящие в их состав объект теплового воздействия - объект, температуру которого необходимо изменять по известному закону, источник подвода (отвода) теплоты - элемент, осуществляющий подвод (отвод) теплоты к объекту воздействия, рабочее тело - среда, выступающая в качестве теплоносителя в процессе передачи теплоты от источника к объекту

В зависимости от рода используемого рабочего тела выделены пневматические, жидкостные и твердотельные схемы построения исполнительных устройств нагрева и охлаждения. Сопоставление основных достоинств и недостатков выделенных схем позволило обосновать выбор пневматической схемы доя построения малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот.

На основании анализа основных конструктивных схем пневматических исполнительных устройств нагрева и охлаждения предложена принципиальная схема построения теплового блока малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот, состоящая из следующих основных элементов- электрический нагреватель - источник теплоты, реакционная смесь, располагающаяся в стандартной микропробирке - объект теплового воздействия, воздух окружающей среды - рабочее тело Управление температурой реакционной смеси обеспечивается регулированием двух параметров- мощности на электрическом нагревателе и расхода рабочего тела в системе

Для описания рабочих процессов в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения используются два основных подхода

1 С учетом сосредоточенных термодинамических параметров состояния (закон сохранения массы и энергии для открытой термодинамической системы);

2 С учетом распределенных термодинамических параметров состояния (уравнения сохранения количества движения, массы и энергии для жидких сред, и уравнение теплопроводности для твердых тел)

Сопоставление основных преимуществ и недостатков приведенных способов позволило определить границы их применимости Использование первого подхода оправдано на начальных этапах исследования для оценки работоспособности системы в целом и определения ее функциональных параметров, а также динамических и энергетических характеристик Уравнения математической модели с учетом сосредоточенных термодинамических параметров состояния могут быть сведены к системе обыкновенных дифференциальных уравнений

Второй подход предполагает большие объемы вычислительной работы и может быть использован для моделирования процессов сопряженного теплообмена и исследования неравномерности температурного поля реакционной смеси Уравнения математической модели с учетом распределенных термодинамических параметров состояния представляют собой систему нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных.

На основе проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследования

Вторая глава посвящена созданию математических моделей и методов расчета рабочих процессов в пневматическом исполнительном устройстве нагрева и охлаждения, представляющем собой тепловой блок малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот.

Создана математическая модель и метод расчета рабочих процессов в пневматической системе с учетом сосредоточенных термодинамических параметров состояния. Расчетная область разбивается на две емкости (рис. 1), каждая из которых представляет собой открытую термодинамическую систему, границы которой проницаемы как для потока вещества, так и для теплового взаимодействия. Емкости соединены друг с другом и с окружающей средой условными проходными сечениями.

Математическая модель построена при следующих допущениях:

- рабочее тело - идеальный газ;

- процесс истечения газа через условные проходные сечения принимается адиабатическим;

- поток газа в системе в каждый момент времени принимается установившимся;

- течение газа в системе происходит без трения. рис ]_ расчетная схема

В математической модели приняты следующие обозначения: рл, ТА -давление и температура окружающей среды; д, Уп 7| и р2, У2, Т2 -давление, объем и температура рабочего тела в первой и второй емкостях соответственно; СЛ1, и С2А - массовый расход рабочего тела через условные проходные сечения; /Л1, и /2Л - площади условных проходных сечений; Тн, тп и Тж — температуры нагревателя, микропробирки и реакционной смеси; - тепловой поток от электрического нагревателя к рабочему телу; Qг - тепловой поток от рабочего тела к внешней стенке микропробирки; Q} - тепловой поток от внутренней стенки микропробирки к реакционной смеси.

Модель базируется на системе обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих изменение во времени температуры и давления рабочего тела в емкостях, а также температур нагревателя, микропробирки и реакционной смеси (параметры с индексом г относятся к текущей емкости, с индексом у - к емкости, из которой натекает рабочее тело, с индексом к - к емкости, в которую сбрасывается рабочее тело):

Л у)

(

-=-1 ятр.-щс^

\ О

1 к ) У

еП]_ Л

рУ,

в.трл

ти

<*Тн

л

Ой

р-о,. ¿т„ а ~а. лж _ бз

л

■ти

Л

■т п

где Р - мощность нагревателя, с„, сп и сж - удельная теплоемкость материала нагревателя, микропробирки и реакционной смеси соответственно; тн, тп и тж - масса нагревателя, микропробирки и реакционной смеси соответственно, к — показатель адиабаты, Я - газовая постоянная, / - время

Также модель содержит замыкающие соотношения для определения расходов рабочего тела через условные проходные сечения и тепловых потоков между элементами устройства.

2 к 1

(рЛ к (рА

ПН » и

З/ТВ (^/7 Тж),

где // - коэффициенты расхода в условных проходных сечениях, 5 Б,, - площадь теплообмена внешней, внутренней стенок микропробирки и нагревателя соответственно

Коэффициенты теплоотдачи между элементами системы определяются на основании критерия Нуссельта. Тепловое взаимодействие электрического нагревателя и рабочего тела описывается критериальной зависимостью для случая поперечного обтекания пучка тел цилиндрической формы, расположенных в шахматном порядке

ан =N11 N11 = 0,41 Яе06 Рг'

.0,33

стенки случая

Тепловое взаимодействие рабочего тела и внешней микропробирки описывается критериальной зависимостью для поперечного обтекания одиночного цилиндра

аш = N¡1 Х\й\ №¡ = (0,43 + 0,55 Яе0'3 Рг038) е.

Тепловое взаимодействие внутренней стенки микропробирки и реакционной смеси описывается критериальной зависимостью для случая естественной конвекции

апв =N¡1 ?,/с1, №1 = 0,54 (вг Рг)'/4.

В начальный момент времени температуры элементов системы равны температуре окружающей среды = Тг = Тн = Тп = Тж = ТА Давление газа в емкостях равно давлению окружающей среды рх=рг= РА На внешних границах расчетной области поставлено условие адиабатического теплового взаимодействия (2 = 0 На входе в расчетную область задан расход рабочего тела СА1 = С.

Решение полученной системы дифференциальных уравнений представляет собой решение задачи Коши для однородных дифференциальных уравнений первого порядка. Для получения численного решения использовался метод Рунге-Кутта

п,

Для исследования неравномерности температурного поля реакционной смеси создана математическая модель рабочих процессов в пневматическом исполнительном устройстве нагрева и охлаждения с учетом распределенных термодинамических параметров состояния.

Расчетная область (рис. 2) включает жидкие среды - рабочее тело О,, реакционную смесь П2 и воздух в микропробирке и

твердые тела - микропробирку 04, стенки устройства П5 и электрический нагреватель .

В математической модели ^ ' '

приняты и обоснованы следующие ^ ^ ^ Ц

допущения: Рис. 2. Расчетная область

- жидкая среда считается ньютоновской и несжимаемой;

- движение жидкой среды считается ламинарным;

- физические параметры жидкой среды (исключая плотность реакционной смеси и воздуха) и твердых тел считаются независимыми от температуры;

- плотность реакционной смеси и воздуха в микропробирке является линейной функцией температуры (приближение Буссинеска);

- массообмен между реакционной смесью и воздухом отсутствует;

- тепловое излучение от электрического нагревателя отсутствует.

Математическая модель включает следующие уравнения:

- уравнения сохранения количества движения для жидкой среды: 3 д

—(ри) + А\\(рии) = Шу( /^гас1и) - ; (1)

+ Шу(рот) = сИу(/^гас1у) -(2)

д 3

—(рм>) + (Ну (рт>) = сН\'(/^га{1к') - + 5г; (3)

- уравнение сохранения массы для жидкой среды:

3£ + <НУ(/>У) = 0; (4)

- уравнение сохранения энергии для жидкой среды:

—(рсТ) + &\\{рсиТ) = <Х\м{Л&аАТ); (5)

- уравнение теплопроводности для твердого тела:

~(рсГ) = сНу(А§гас1Г) + 57., (6)

(л

где р - плотность; р - давление; ц - динамический коэффициент вязкости; с - удельная теплоемкость; Л - коэффициент теплопроводности; и, V, т^ -

скорость в проекциях на оси координат х, у и г, Т - температура, / - время, - член, учитывающий массовые силы, действующие в направлении оси г, Бт - удельная мощность внутренних источников теплоты

Для подобластей П,, Г22 и £23, соответствующих жидким средам, записываются уравнения конвективного теплообмена (1. 5), а для подобластей £24, 05 и !Г26, соответствующих твердым телам, - уравнение теплопроводности (6) Область определения системы уравнений (1 ..6) задается положением радиус-вектора в декартовой системе координат г(х,_у,2,/) или в цилиндрической системе координат Л^Дг,/) Граничные условия сведены в таблицу 1

В подобласти соответствующей рабочему телу, не учитывается свободная конвекция теплоты и, следовательно, 52 = О В подобластях Г22 и □3, соответствующих реакционной смеси и воздуху в микропробирке, учитывается свободная конвекция теплоты в приближении Буссинеска

где р0 - плотность жидкой среды при температуре Г0, Рт - температурный коэффициент объемного расширения жидкой среды

В подобластях £14 и 05, соответствующих микропробирке и стенкам устройства, отсутствуют внутренние источники теплоты и, следовательно, = О В подобласти С16, соответствующей электрическому нагревателю, происходит выделение теплоты и, следовательно, 5Г = Р/У, где Р -мощность на нагревателе, V - объем нагревателя

Таблица 1

Граничные условия__

Граница расчетной области Уравнение движения Уравнение энергии

Вход (5,) и(Я) = и, v(R) = w(R) = 0 Т(Я) = Т

Выход (5,) ди, Л ЭУ, ч дм, ч —(г) = 0 дху >

Внешние границы (5Э) а(г) = у(г) = \у(г) = 0 оп

Границы между жидкой средой и твердым телом (Я3) И(Г) = У(г) = И'(Г) = 0 дп дп

Границы между реакционной смесью и воздухом (54) м>(г) = 0

В начальный момент времени температуры элементов расчетной области равны температуре окружающей среды, а рабочее тело, реакционная смесь и воздух в микропробирке считаются неподвижными

Для получения численного решения система нелинейных дифференциальных уравнений (1 6) сводится к системе линейных алгебраических уравнений с помощью метода контрольного объема в

конечно-элементной постановке. Для получения численного решения исходной системы дифференциальных уравнений используется итерационный алгоритм SIMPLE

Третья глава посвящена численному исследованию рабочих процессов в пневматическом исполнительном устройстве нагрева и охлаждения.

Для исследования влияния мощности на нагревателе и расхода рабочего тела в системе на скорость изменения температуры реакционной смеси различных объемов использовалась математическая модель с учетом сосредоточенных термодинамических параметров состояния Расход рабочего тела в системе изменялся в диапазоне от 1-Ю"4 м3/с до 2 10"4 м3/с, мощность на нагревателе в диапазоне от 10 Вт до 20 Вт. Объем реакционной смеси в микропробирке составлял от 10 мкл до 30 мкл

В результате исследований было установлено, что скорость изменения температуры рабочего тела в переходных режимах достигает 15 . 20 К/с, в то время как скорость изменения температуры реакционной смеси не превышает 1. .2 К/с Увеличение расхода рабочего тела от 1 10"4 м3/с до 2 10"4 м3/с при одновременном повышении мощности на нагревателе от 10 Вт до 20 Вт приводит к увеличению средней скорости нагрева реакционной смеси от 1,13 К/с до 1,62 К/с для объема реакционной смеси 30 мкл, от 1,28 К/с до 1,82 К/с для объема реакционной смеси 20 мкл, и от 1,46 К/с до 2,07 К/с для объема реакционной смеси 10 мкл

При помощи математической модели с учетом сосредоточенных термодинамических параметров состояния исследовано изменение мощности нагревателя для осуществления циклического изменения температуры реакционной смеси при постоянном расходе рабочего тела (рис 3, 4) Объем реакционной смеси принимался равным 20 мкл Время выдержки на этапах стабилизации составляло 20 с Температуры 1-го, 2-го и 3-го этапов стабилизации составляли 365 К, 325 К и 346 К соответственно. Для увеличения скоростей изменения температуры в процессе нагрева введен перегрев рабочего тела на 20 К относительно температуры каждого из этапов стабилизации.

В результате исследований определено время одного цикла и время переходных процессов в одном цикле при двух режимах работы устройства (время выдержки на этапах стабилизации составляло 20 с) При расходе рабочего тела 1 10"4 м3/с и мощности на нагревателе 10 Вт время одного цикла составило 155 с, а время переходных процессов в цикле - 95 с При расходе рабочего тела 2 10"4 м3/с и мощности на нагревателе 20 Вт эти параметры составили 126 с и 66 с соответственно Следовательно, увеличение расхода рабочего тела от 1 10^ м3/с до 2104 мэ/с при одновременном увеличении мощности на нагревателе от 10 Вт до 20 Вт приводит к снижению суммарного времени переходных процессов в режиме циклического изменения температуры в 1,4 раза Это может привести к недопустимым значениям разброса температур по объему реакционной смеси на этапах стабилизации

О 100 200 300 400 500 600 Время, с

Рис 3 Температура рабочего тела (1) и реакционной смеси (2) при расходе рабочего тела 1 10"4 м3/с

0 100 200 300 400 500 Время, с

Рис 4 Температура рабочего тела (1) и реакционной смеси (2) при расходе рабочего тела 2 10"4 м3/с

Дальнейшие исследования проводились с использованием математической модели с учетом распределенных термодинамических параметров состояния Исследовались как переходные процессы, происходящие в различных объемах реакционной смеси в режиме нагрева, так и работа устройства в циклическом режиме

В результате проведенных исследований получены распределения давления и скорости движения в объеме рабочего тела, реакционной смеси и воздуха в микропробирке, а также распределения температуры в объеме всех элементов расчетной области в каждый момент времени В качестве примера на рис 5, 6 и 7 приведены распределения температуры и скорости движения в объеме рабочего тела, реакционной смеси и воздуха в микропробирке на 25-ой секунде нагрева

Установлено, что уменьшение количества реакционной смеси с 30 мкл до 10 мкл приводит к снижению максимального разброса температуры на 2 3 К Увеличение скорости нагрева реакционной смеси в 1,4 раза приводит к увеличению максимального разброса температуры по ее объему на начальных этапах нагрева на 0,8 . 1,7 К; при этом на последующих этапах нагрева наблюдается более равномерное распределение температур по ее объему

На рис. 8 и 9 приведены зависимости изменения разброса температур по объему реакционной смеси при двух режимах работы устройства (время выдержки на этапах стабилизации составляло 20 с)

При сопоставлении данных, приведенных на рис 3 и 4, с данными, приведенными на рис 8 и 9, установлено, что максимальный разброс температуры наблюдается на этапах охлаждения и достигает 9,5 К при расходе рабочего тела 1 10"4 м3/с (мощность на нагревателе 10 Вт) и 11,5 К при расходе рабочего тела 2 10"4 м3/с (мощность на нагревателе 20 Вт)

V, м/с

Рис. 5. Распределение температуры и скорости движения в объеме рабочего

тела на 25 с нагрева

V, м/с

V, м/с

о.1 емЕ 01070Е 053ИЕ 0 2400Е

Рис. 6. Распределение температуры и скорости движения в объеме воздуха на 25 с нагрева

Рис. 7. Распределение температуры и скорости движения в объеме

Время, с Рис. 9. Изменение разброса

500

Время, с Рис. 8. Изменение разброса температуры в реакционной смеси температуры в реакционной смеси при расходе рабочего тела МО'4 м3/с при расходе рабочего тела 2-10'4 м3/с На этапах повышения температуры от 325 К до 346 К и от 346 К до 365 К максимальный разброс температур не превышает 3,5...4 К для расхода рабочего тела МО"4 м3/с (мощность на нагревателе 10 Вт) и 4,2...4,5 К для расхода рабочего тела 2-10"4 м3/с (мощность на нагревателе 20 Вт). При этом на начальных этапах стабилизации разброс температур по объему реакционной смеси достигает 4...8 К, а к концу этапов стабилизации снижается до значений менее 1 К. Следовательно, для снижения разброса температур по объему реакционной смеси минимальная длительность этапов стабилизации должка составляет от 15 с до 20 с. 12

Для повышения динамических характеристик разрабатываемого устройства предложено интенсифицировать процесс теплопередачи между рабочим телом и реакционной смесью за счет увеличения площади теплообмена путем размещения микропробирок в промежуточном рабочем теле. Для снижения затрат мощности, связанных с нагревом потока рабочего тела, предложено разместить электрический нагреватель непосредственно на промежуточном рабочем теле.

Расчетная область предложенного варианта устройства обладает двумя плоскостями симметрии. Поэтому, для сокращения ее размеров и, как следствие, времени счета предложено исследовать 'Л часть конструкции.

Расчетная область изображена на рис. 10 и включает следующие элементы: рабочее тело Г2,, воздух в микропробирке 02, реакционная смесь Г23, микропробирка £24, промежуточное рабочее тело 05,

электрический нагреватель 06. Рис- 10- Расчетная область

Исследования проводились с использованием математической модели с учетом распределенных термодинамических параметров состояния. На этапах нагрева расход воздуха в системе равен нулю, а мощность на нагревателе составляет 30 Вт. На этапах охлаждения мощность на нагревателе равна нулю, а расход воздуха в системе составляет 9,5-10"4 м3/с.

Этапы стабилизации температуры составляют 15 с.

«

й

С-

&

о. <и

с

О)

Н

373 353 333 313 293

1

1

1 / /

V -

о о

о.

ю р.

20 16 12 8 4 0

I 2

\

V— V

0 10 20 30 40 50

0 10 20 30 40 50 Время, с

Рис. 11. Изменение среднемассовой температуры промежуточного рабочего тела (1) и реакционной смеси (2) В результате проведенных давления и скорости движения в объеме рабочего тела, реакционной смеси и воздуха в микропробирке, а также распределения температуры по объему всех элементов расчетной области в каждый момент времени. После

Время, с Рис. 12. Изменение разброса температур по объему промежуточного рабочего тела (1) и реакционной смеси (2) исследований получены распределения

обработки полученных данных построены зависимости изменения среднемассовой температуры промежуточного рабочего тела и реакционной смеси (рис. 11), а также изменение разброса температур по объему промежуточного рабочего тела и реакционной смеси (рис. 12).

Средняя скорость изменения температуры реакционной смеси может достигать 3...3,5 К7с. Максимальный разброс температур по объему реакционной смеси достигает 12... 18 К, при этом к концу этапов стабилизации длительностью 15 с он не превышает 1 К.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию тепловых переходных процессов, протекающих в реакционной смеси. Экспериментальный стенд построен на базе макетного образца малогабаритного пневматического исполнительного устройства нагрева и охлаждения (рис. 13), конструкция которого полностью соответствует расчетной схеме, представленной на рис. 3 и рис. 4. Датчик температуры располагается в тепловом аналоге реакционной смеси (рис. 14). Сигнал с датчика поступает в аналогово-цифровой преобразователь и далее - в ЭВМ. Экспериментальный стенд позволяет в режиме реального времени снимать показания датчика и сохранять полученные результаты в цифровом и графическом виде. Обработка результатов эксперимента показала, что максимальная величина относительной погрешности измерений не превышает 3,5 %.

Рис. 13. Внешний вид Рис. 14. Датчик температуры,

экспериментального стенда расположенный в реакционной смеси Проведено сопоставление результатов эксперимента с результатами расчетов, полученных с использованием математической модели с учетом распределенных параметров состояния в режиме нагрева реакционной смеси от 20 °С в течение 60 с. Отклонение среднемассовой температуры реакционной смеси, определенной по результатам расчета, от показаний датчика температуры, полученных в результате проведения эксперимента, находится в диапазоне от 10 % до 25 %.

Созданные в диссертации метод и алгоритм расчета пневматических исполнительных устройств нагрева и охлаждения внедрены в ИАП РАН в процессе создания тепловых блоков для программируемого, циклического нагрева и охлаждения образцов реакционной смеси.

В МГТУ им НЭ Баумана при непосредственном участии автора в рамках НИР «Изучение возможности разработки системы выделения ДНК для переносного экспресс-анализатора групповой идентификации микроорганизмов» разработан макетный образец теплового блока высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот для эксплуатации в полевых условиях (рис 15). В результате предварительных лабораторных испытаний в реальных физических условиях экспериментально подтверждены характеристики устройства, полученные расчетным методом

Г < - < ~..................

* , ¿С«* ¡,¿0^ ■

Рис 15 Макетный образец теплового блока анализатора нуклеиновых кислот

Основные результаты и выводы

1 Созданы математические модели и методы расчета рабочих процессов тепломассопереноса в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения с учетом сосредоточенных и распределенных термодинамических параметров состояния Первая модель позволяет оценить работоспособность устройства и определить интенсивность переходных процессов, происходящих в реакционной смеси Вторая модель предназначена для исследования неравномерности температурного поля в объеме реакционной смеси во время работы устройства

2 На основе созданных математических моделей и методов расчета исследованы переходные процессы в различных объемах реакционной смеси Установлено, что уменьшение объема реакционной смеси с 30 мкл до 10 мкл приводит к увеличению скоростей изменения температуры реакционной смеси от 1,5 К/с до 2 К/с При этом максимальный разброс температур по объему реакционной смеси снижается на 1 2 К при средней температуре реакционной смеси 368 К

3 Проведено исследование работы пневматического исполнительного устройства нагрева и охлаждения в режиме циклического изменения температуры Установлено, что увеличение расхода рабочего тела в системе от 1 10"4 м3/с до 2 10"4 м3/с при одновременном увеличении мощности на нагревателе от 10 Вт до 20 Вт приводит к снижению времени

переходных процессов в одном цикле с 95 с до 60 с При этом максимальный разброс температур по объему реакционной смеси на начальных этапах стабилизации составляет 4 б К, а к концу этапов стабилизации продолжительностью 20 с снижается до значений менее I К.

4 Для повышения динамических характеристик устройства предложено интенсифицировать процесс подвода теплоты к реакционной смеси за счет размещения микропробирок в промежуточном рабочем теле. Проведены численные исследования предложенной конструкции и установлено, что средние скорости изменения температуры реакционной смеси может достигать 3.. 3,5 К/с, при этом разброс температур по объему реакционной смеси на начальных этапах стабилизации достигает 12. .18 К, а к концу этапов стабилизации продолжительностью 15 с снижается до значения менее 1 К

5 На базе основных положений диссертационной работы в Институте аналитического приборостроения РАН определены геометрические размеры, законы управления и энергетические параметры элементов теплового блока малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот, предназначенного для проведения количественной полимеразной цепной реакции в реальном масштабе времени в полевых условиях Данное устройство разрабатывается в России впервые. Макетный образец прошел предварительные лабораторные испытания, принят межведомственной комиссией и рекомендован к опытно-конструкторской разработке.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1 Расчетные исследования пневматической системы стабилизации температуры / А А. Крутиков, КЕ Демихов, А.В Чернышев и др // Вестник МГТУ им НЭ Баумана Сер «Машиностроение» - 2007 -№4 -С. 23-32.

2 Чернышев А В, Крутиков А А Моделирование рабочих процессов в элементах пневматических устройств с учетом распределенных параметров // Конверсия в машиностроении - 2007 - № 4-5. - С. 94-98.

3. Разработка математической модели пневматической системы термостабилизации / А В Чернышев, А А. Крутиков, КЕ. Демихов и др.//Научное приборостроение -2006 -Том 16, №1 - С 94-106

4 Моделирование тепловых процессов в ПЦР-смесях при работе амплификатора ДНК / А В. Чернышев, О.В Белова, А А Крутиков, В А Друца//Технологии живых систем -2006 -ТомЗ, №3 -С 3-16

5 Численное исследование нестационарных тепловых процессов в элементах пневматических систем / А В Чернышев, О В. Белова, А А Крутиков и др // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. -2007 -№б - С.44-50

Актуальность исследования

В настоящее время во многих областях практической деятельности человека широко используются устройства, предназначенные для автоматического изменения температуры по определенному закону. В качестве объекта регулирования может выступать любой объект физической, химической или биологической природы. Такие устройства принято называть устройствами программного регулирования температуры, работающими в автоматическом режиме. Обычно они состоят из исполнительного устройства нагрева и охлаждения и системы управления.

В данной работе рассматривается прецизионное исполнительное устройство нагрева и охлаждения, предназначенное для циклического изменения температуры микрообъемов реакционной смеси. Подобные устройства входят в состав оборудования для проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР) — анализаторов нуклеиновых кислот. Метод ПЦР, применяемый при анализе ДНК, позволяет решать такие задачи, как диагностика социально значимых заболеваний (гепатиты В и С, туберкулез), анализ онкологических и генетических заболеваний, генотипирование (в криминалистике — для идентификации личности, в сельском хозяйстве — для селекции ценных пород животных и сортов растений) и многие другие.

В настоящее время большинство промышленно развитых стран ведут интенсивные работы по созданию оборудования для проведения ПЦР. Новые технологии предъявляют к анализаторам нуклеиновых кислот ряд требований по улучшению динамических характеристик, а именно — по увеличению скорости изменения температуры реакционной смеси во время процессов нагрева и охлаждения при одновременном обеспечении заданной точности поддержания температуры и равномерности температурного поля реакционной смеси на этапах стабилизации.

В последнее время возникла необходимость создания малогабаритных высокоскоростных анализаторов нуклеиновых кислот, предназначенных для проведения количественной полимеразной цепной реакции в реальном масштабе времени в полевых условиях. Данные устройства должны отличаться простотой конструкции, низким энергопотреблением, малыми габаритными размерами и массой. Для решения поставленных задач в данной работе предложено рассмотреть пневматическую схему исполнительного устройства нагрева и охлаждения, в которой в качестве теплоносителя используется воздух окружающей среды.

Разработкой оборудования для проведения ПЦР, построенного на базе пневматической схемы, занимаются такие зарубежные фирмы, как Cepheid (США), Corbett Research (Австралия), Idaho Technology (США). Среди отечественных производителей можно выделить Институт аналитического приборостроения РАН (г. Санкт-Петербург), ЗАО «ДНК-технологии» (г. Москва) и ЗАО «Циклотемп» (г. Обнинск).

ОГЛАВЛЕНИЕ

Перечень условных обозначений

Введение

Глава 1. Обзор конструктивных схем исполнительных устройств нагрева и охлаждения и методов расчета протекающих в них рабочих процессов

1.1. Конструктивные схемы исполнительных устройств нагрева и охлаждения

1.2. Современные методы расчета рабочих процессов в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения

1.2.1. Математическое моделирование с учетом сосредоточенных термодинамических параметров состояния

1.2.2. Математическое моделирование с учетом распределенных термодинамических параметров состояния

1.3. Постановка цели и задач исследования

Глава 2. Математическое моделирование рабочих процессов в пневматическом исполнительном устройстве нагрева и охлаждения

2.1. Схема исполнительного устройства нагрева и охлаждения и выбор расчетной области

2.2. Математическая модель рабочих процессов с учетом сосредоточенных термодинамических параметров состояния

2.2.1. Расчетная область

2.2.2. Допущения

2.2.3. Расчетные зависимости

2.2.4. Система уравнений и условия однозначности

2.2.5. Метод решения

2.3. Математическая модель рабочих процессов с учетом распределенных термодинамических параметров состояния

2.3.1. Расчетная область

2.3.2. Допущения

2.3.3. Расчетные зависимости

2.3.4. Условия однозначности

2.2.5. Метод решения 62 2.4. Выводы

Глава 3. Численные исследования рабочих процессов в пневматическом исполнительном устройстве нагрева и охлаждения

3.1. Исследование рабочих процессов на основе модели с учетом сосредоточенных термодинамических параметров состояния

3.1.1. Исследование переходных процессов в элементах устройства на этапах нагрева

3.1.2. Исследование работы устройства в режиме циклического изменения температуры

3.2. Исследование рабочих процессов на основе модели с учетом распределенных параметров состояния

3.2.1. Исследование распределения температуры в объеме реакционной смеси на этапах нагрева

3.2.2. Исследование распределения температуры в объеме реакционной смеси при циклическом режиме работы устройства

3.3. Исследование рабочих процессов в тепловом блоке малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот

3.3.1. Принципиальная схема

3.3.2. Расчетная область

3.3.3. Допущения и расчетные зависимости

3.3.4. Граничные и начальные условия 96 3.3.4. Результаты численных исследований

3.4. Выводы

Глава 4. Экспериментальные исследования и разработка малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот

4.1. Описание экспериментального стенда

4.2. Методика проведения эксперимента

4.3. Обработка результатов эксперимента

4.4. Сопоставление результатов расчета с результатами эксперимента

4.5. Внедрение результатов исследования 111 Основные результаты и выводы

Актуальность исследования

В настоящее время во многих областях практической деятельности человека широко используются устройства, предназначенные для автоматического изменения температуры по определенному закону. В качестве объекта регулирования может выступать любой объект физической, химической или биологической природы. Такие устройства принято называть устройствами программного регулирования температуры, работающими в автоматическом режиме. Обычно они состоят из исполнительного устройства нагрева и охлаждения и системы управления.

Потребность в поддержании заданной температуры возникает при проведении контрольных измерений и исследований в метрологии, при изготовлении оптических и радиоэлектронных изделий. В научно-исследовательских и промышленных лабораториях устройства программного регулирования температуры используются для исследования физико-химических и физико-механических свойств веществ и материалов при различных температурах. Соблюдение •определенного температурного режима необходимо при проведении ряда технологических, химических и биологических процессов.

Широкое применение устройства программного регулирования температуры нашли в медицинской технике. Например, для проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР) необходимы последовательные, многократно повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения микрообъемов реакционной смеси. Полимеразную цепную реакцию изобрел в 1983 году американский ученый Кэрри Мюллис. Впоследствии он получил за это изобретение Нобелевскую премию. В основе метода ПЦР лежит многократное удвоение определенного участка ДНК. В результате нарабатываются количества ДНК, достаточные для детекции. В настоящее время ПЦР-диагностика является одним из самых точных и чувствительных методов диагностики инфекционных заболеваний. Метод ПЦР позволяет решать такие задачи, как диагностика социально значимых заболеваний (гепатиты В и С, туберкулез), анализ онкологических и генетических заболеваний, генотипирование (в криминалистике — для идентификации личности, в сельском хозяйстве — для селекции ценных пород животных и сортов растений) и многие другие. В медицинской технике устройства для осуществления реакции ПЦР получили название анализаторов нуклеиновых кислот.

В настоящее время большинство промышленно развитых стран ведут интенсивные работы по созданию оборудования для проведения ПЦР. Новые технологии предъявляют к анализаторам нуклеиновых кислот ряд требований по улучшению динамических характеристик, а именно увеличению скорости изменения температуры реакционной смеси во время процессов нагрева и охлаждения при одновременном обеспечении заданной точности поддержания температуры и равномерности температурного поля реакционной смеси на этапах стабилизации.

Важнейшее значение метод ПЦР получил в борьбе с биологическим терроризмом, так как этот метод позволяет наиболее быстро и точно определить факт биологического воздействия. В связи с этим появился новый класс технических задач, связанных с разработкой малогабаритных высокоскоростных анализаторов нуклеиновых кислот, предназначенных для проведения количественной полимеразной цепной реакции в реальном масштабе времени в полевых условиях. Данные устройства должны отличаться простотой конструкции, малыми габаритными размерами, малой массой и низким энергопотреблением. Для решения поставленной задачи в данной работе предложено рассмотреть пневматическую схему исполнительного устройства нагрева и охлаждения, в которой в качестве теплоносителя используется воздух окружающей среды.

Разработкой оборудования для проведения ПЦР, построенного на базе пневматической схемы, занимаются такие зарубежные фирмы, как СерЬе!с1

США), Corbett Research (Австралия), Idaho Technology (США). Среди отечественных производителей можно выделить Институт аналитического приборостроения РАН (г. Санкт-Петербург), ЗАО «ДНК-технологии» (г. Москва) и ЗАО «Циклотемп» (г. Обнинск).

Однако разработчики сталкиваются с серьезными проблемами, связанными с оценкой технических характеристик оборудования на этапах проектирования. В основном это обусловлено отсутствием теоретических работ, посвященных вопросу исследования динамики температурных полей микрообъектов с учетом реальной геометрии в условиях сопряженного теплообмена. Поэтому актуальной задачей является создание математических моделей и обоснованных методов расчета, позволяющих проводить исследования, необходимые для разработки высокоскоростных прецизионных исполнительных устройств нагрева и охлаждения, удовлетворяющих современным требованиям науки и техники.

Объект исследования

Объектом исследования являются пневматические исполнительные 1 устройства нагрева и охлаждения.

Предмет исследования

Предметом исследования являются рабочие процессы, протекающие в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения и определяющие их технические и эксплуатационные характеристики. , Научная новизна

1. Впервые в приложении к пневматическим исполнительным устройствам нагрева и охлаждения создана математическая модель и метод расчета протекающих в них рабочих процессов с учетом сосредоточенных термодинамических параметров состояния. Данная модель позволяет исследовать изменение давления рабочего тела и температуры элементов устройств во времени.

2. Впервые в приложении к пневматическим исполнительным устройствам нагрева и охлаждения создана математическая модель и метод расчета протекающих в них рабочих процессов с учетом распределенных термодинамических параметров состояния. Данная модель позволяет исследовать изменение поля давления и скорости движения рабочего тела, и поля температуры элементов устройств во времени.

3. Впервые расчетная область в разработанных математических моделях охватывает все основные элементы устройства, включая микропробирку и реакционную смесь, в которой учтены процессы естественной конвекции.

4. Впервые получены результаты теоретических исследований рабочих процессов в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения. Исследовано влияние расхода теплоносителя, и мощности источника теплоты на скорость изменения температуры реакционной смеси и на неравномерность поля температур в объеме реакционной смеси.

5. Проведены экспериментальные исследования динамических характеристик пневматических исполнительных устройств нагрева и охлаждения. Сопоставление полученных результатов с результатами численных исследований позволило сделать заключение об адекватности созданных математических моделей параметрам исследуемых рабочих процессов в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения.

Практическая ценность

1. Созданы математические модели и методы расчета рабочих процессов в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения, позволяющие повысить эффективность проектирования подобных устройств, а так же сократить сроки их разработки, за счет возможности внесения изменений в конструктивную схему устройства на этапах разработки.

2. Даны рекомендации по выбору функциональных параметров пневматических исполнительных устройств нагрева и охлаждения, а именно по выбору расхода теплоносителя и мощности источника теплоты.

3. Математические модели и соответствующие методы расчета внедрены в практику проектирования тепловых блоков анализаторов нуклеиновых кислот в Институте аналитического приборостроения РАН, г. Санкт-Петербург.

4. На основе проведенных исследований в МГТУ им Н.Э. Баумана разработан макетный образец теплового блока малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот для работы в полевых условиях.

Положения, выносимые на защиту

Математические модели и методы расчета рабочих процессов в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения. Результаты теоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения.

Содержание работы

В первой главе проанализированы основные варианты построения исполнительных устройств нагрева и охлаждения, а также способы описания протекающих в них рабочих процессов. Приведена структурная схема устройства программного регулирования температуры работающего в автоматическом режиме. Показано, что в состав данного устройства входит исполнительное устройство нагрева и охлаждения и система регулирования. Приведена классификация исполнительных устройств нагрева и охлаждения по роду рабочего тела, и выделено три основные схемы построения подобных устройств: твердотельные, гидравлические и пневматические. Сопоставление основных достоинств и недостатков выделенных схем позволило обосновать выбор пневматической схемы для построения малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот, предназначенного для работы в полевых условиях. Приведены конструктивные схемы пневматических исполнительных устройств нагрева и охлаждения и проанализированы их основные достоинства и недостатки. На основании анализа приведенных конструкций предложена принципиальная схема построения малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот. Изложены два основных подхода к описанию рабочих процессов, протекающих в пневматических устройствах: с учетом сосредоточенных и распределенных термодинамических параметров состояния. Сопоставление основных преимуществ и недостатков приведенных способов позволило определить границы их применимости при исследовании рабочих процессов в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения. Обоснован выбор численных методов решения систем дифференциальных уравнений, получаемых в результате создания математических моделей рабочих процессов. В заключение главы сформулированы основные цели и задачи исследования.

Вторая глава посвящена созданию математических моделей и методов расчета рабочих процессов в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения. Приведена схема и расчетная область пневматического исполнительного устройства нагрева и охлаждения. В соответствии с поставленной задачей разработана математическая модель рабочих процессов с учетом сосредоточенных термодинамических параметров состояния, представляющая собой систему однородных дифференциальных уравнений, и описан численный метод ее решения. В соответствии с поставленной задачей разработана математическая модель рабочих процессов с учетом распределенных термодинамических параметров состояния, представляющая собой систему дифференциальных уравнений в частных производных. Представлен метод дискретизации входящих в систему уравнений и приведен итерационный алгоритм решения исходной системы дифференциальных уравнений.

Третья глава посвящена численному исследованию рабочих процессов теплообмена и массопереноса в элементах пневматического исполнительного устройства нагрева и охлаждения на основе созданных математических моделей. Проведен анализ влияния количества реакционной смеси на скорость изменения ее температуры во время процессов нагрева. Определено влияние количества реакционной смеси на разброс температур по ее объему. Исследовано влияние мощности, подаваемой на нагреватель, и расхода воздуха в системе на скорость изменения температуры реакционной смеси и разброс температур по объему реакционной смеси при работе устройства в циклическом режиме. Приведена схема и расчетная область малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот, предназначенного для работы в полевых условиях. Проведены численные исследования рабочих процессов при работе устройства в циклическом режиме. Определены средние скорости изменения температуры реакционной смеси на этапах нагрева и охлаждения, а также разброс температур по объему реакционной смеси в начале и в конце этапов стабилизации.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию пневматического исполнительного устройства нагрева и охлаждения. Приведено описание экспериментального стенда, и методики проведения эксперимента. В результате экспериментальных исследований получено изменение температуры реакционной смеси в режиме нагрева. Проведено сопоставление результатов эксперимента с результатами численного исследования. Описано внедрение и использование проведенных исследований на практике. Приведены результаты лабораторных испытаний малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот.

В заключении представлены основные результаты исследования согласно поставленным в работе целям и задачам.

Основные результаты и выводы

1. Созданы математические модели и методы расчета рабочих процессов тепломассопереноса в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения с учетом сосредоточенных и распределенных термодинамических параметров состояния. Первая модель позволяет оценить работоспособность устройства и определить интенсивность переходных процессов, происходящих в реакционной смеси. Вторая модель предназначена для исследования неравномерности температурного поля в объеме реакционной смеси во время работы устройства.

2. На основе созданных математических моделей и методов расчета исследованы переходные процессы в различных объемах реакционной смеси. Установлено, что уменьшение объема реакционной смеси с 30 мкл до 10 мкл приводит к увеличению скоростей изменения температуры реакционной смеси от 1,5 К/с до 2 К/с. При этом максимальный разброс температур по объему реакционной смеси снижается на 1.2 К при средней температуре реакционной смеси 368 К.

3. Проведено исследование работы пневматического исполнительного устройства нагрева и охлаждения в режиме циклического изменения температуры. Установлено, что увеличение расхода рабочего тела в

4 3 -4 3 системе от МО" м /с до 2-10 м /с при одновременном увеличении мощности на нагревателе от 10 Вт до 20 Вт приводит к снижению времени переходных процессов в одном цикле с 95 с до 60 с. При этом максимальный разброс температур по объему реакционной смеси на начальных этапах стабилизации составляет 4.6 К, а к концу этапов стабилизации продолжительностью 20 с снижается до значений менее 1 К.

4. Для повышения динамических характеристик устройства предложено интенсифицировать процесс подвода теплоты к реакционной смеси за счет размещения микропробирок в промежуточном рабочем теле. Проведены численные исследования предложенной конструкции и установлено, что средние скорости изменения температуры реакционной смеси могут достигать 3.3,5 К/с, при этом разброс температур по объему реакционной смеси на начальных этапах стабилизации достигает 12.18 К, а к концу этапов стабилизации продолжительностью 15 с снижается до значения менее 1 К.

5. На базе основных положений диссертационной работы в Институте аналитического приборостроения РАН определены геометрические размеры, законы управления и энергетические параметры элементов теплового блока малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот, предназначенного для проведения количественной полимеразной цепной реакции в реальном масштабе времени в полевых условиях. Данное устройство разрабатывается в России впервые. Макетный образец прошел предварительные лабораторные испытания, принят межведомственной комиссией и рекомендован к опытно-конструкторской разработке.

1. Ярышев H.A., Андреева Л.Б. Тепловой расчет термостатов. — Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 176 с.

2. Ингберман М.И., Фромберг Э.М., Грабой Л.П. Термостатирование в технике связи. -М.: Связь, 1979. 144 с.

3. Зарубин B.C. Температурные поля в конструкции летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1978. 155 с.

4. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. Л.: Энергия, 1969. -376 с.

5. Зайцев Г.Ф. Теория автоматического управления и регулирования. -Киев: Выща шк., 1989. 431 с.

6. Михайлов B.C. Теория управления. Киев: Выща шк., 1988. - 312 с.

7. Остерман Л.А. Методы исследования белков и нуклеиновых кислот: Пособие для студентов биологических факультетов. М.: МЦНМО, 2002. — 248 с.

8. Вартапетян А.Б. Полимеразная цепная реакция // Молекулярная биология. 1991. - Том 25, Вып. 4 - С. 926-936.

9. Чернышев A.B. Создание теории рабочих процессов, методов расчета и разработка оборудования для ПЦР-диагностики: Дис. .докт. техн. наук: (05.11.17).-2006.-366 с.

10. Белова О.В. Разработка метода расчета и исследование прецизионных устройств нагрева и охлаждения: Дис. канд. техн. наук: (05.04.06). — 2000. -104 с.

11. Белова О.В., Чернышев A.B. К вопросу разработки, исследования и производства комплекта оборудования для ПЦР-диагностики // Матер. 1-ой Всероссийской научно-практической конференции по применению ПЦР.: Тез. докл. 1996.-С. 118.

12. Белова О.В., Чернышев A.B. К вопросу разработки и исследования высокопроизводительного оборудования для ПЦР-диагностики // Матер. 11-ой Всероссийской научно-практической конференции по применению ПЦР.: Тез. докл. 1996.-С. 100.

13. Чернышев A.B., Белова О.В. Метод решения сопряженной задачи конвективного теплообмена на примере термостатирующего устройства // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1998. - №4. - С. 77-87.

14. Чернышев A.B., Белова О.В., Скибин А.П. Исследование нестационарного теплового состояния программируемого устройства нагрева и охлаждения // В сборнике докладов Ш-ей Российской национальной конференции по теплообмену.: Тез. докл. 2002. - С. 105.

15. Чернышев A.B. Основы теории расчета электропневмомеханического оборудования для анализа ДНК // Научное приборостроение. 2002. - Т. 12, № 1. - С. 53-65.

16. Чернышев A.B., Друца B.JI. Проблемы создания оборудования для медицинской ПЦР диагностики // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. -2004. -№12. С. 18.

17. Чернышев A.B., Бакай Д.А. К вопросу исследования однородности теплового поля пластины-держателя твердотельного амплификатора ДНК // Научное приборостроение. 2004. - № 14. - С. 10.

18. Чернышев A.B., Муравьев Д.Н. Разработка и исследование макетного образца электропневматического амплификатора ДНК // VI Научно-техническая конференция «Медико-технические технологии на страже здоровья».: Тез. докл. 2004. - С. 118-121.

19. Моделирование теплового состояния микропробирок с образцами в ходе полимеразной цепной реакции / A.B. Чернышев, Д.А. Бакай,

20. B.Е. Курочкин и др. //Научное приборостроение. 2005. - Т. 15, №3.1. C. 54-62.

21. Пат. 5942432 (США), МКИ6 С12М 3/00. Apparatus for a fluid impingement thermal cycler / Douglas H. Smith, John Shigeura, Timothy M. Woudenberg (США); The Perkin-Elmer Corporation (США). № 08/946512. Заявлено 07.10.97. Опубл. 24.09.99.

22. Пат. 5187084 (США), МКИ5 С12Р 19/34. Automatic air temperature cycler and method of use in polymerase chain reaction / G. Anders Hallsby (США); The Dow Chemical Company (США). № 542384. Заявлено 22.06.90. Опубл. 16.02.93.

23. Пат. 5455175 (США), МКИ6 С12М 1/34. Rapid thermal cycling device / Carl Т. Wittwer, David R. Hillyrd, Kirk M. Ririe (США); University of Utah Research Foundation (США). № 179969. Заявлено 10.01.94. Опубл. 03.10.95.

24. Пат. 5123477 (США), МКИ5 F25B 29/00. Thermal reactor for biotechnological processes / Jonathan M. Tyler (Канада); Unisys Corporation (Канада). № 346412. Заявлено 02.05.89. Опубл. 23.08.92.

25. Пат. 2016652 (Россия), МКИ5 B01L 7/00. Устройство для программируемого нагрева и охлаждения образцов биообъектов в жидкой фазе / Онищенко В.М. (Россия); НПФ Вектор-Биомер (Россия). №5015165/13. Заявлено 01.10.91. Опубл. 30.07. 94.

26. Бэр Г.Д. Техническая термодинамика / Под ред. В.М. Бродянского и Г.Н. Костенко. М.: Мир, 1977. - 520 с.

27. Мамонтов М.А Вопросы термодинамики тела переменной массы. — М.: Оборонгиз, 1961. -56 с.

28. Кюрджиев Ю.В. Моделирование рабочих процессов, разработка и модернизация пневматических систем и агрегатов с учетом образования конденсата рабочего тела: Дис. канд. техн. наук: (05.04.06). 2004. - 163 с.

29. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Теория и расчет. М.: КолосС, 2006. - Т. 1 - 456 с.

30. Никитин Ю.Ф., Кокорев М.Н. Общая физико-математическая модель поршенвых пневматический устройств ударного действия. М.: Изд. МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1983. - 33 с.

31. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. М.: Энергия, 1981.-416 с.

32. Баскаков А.П., Берг Б.В., Витт O.K. Теплотехника. М.: Энергоиздат, 1982.-264 с.

33. Жукаускас B.C. Термодинамика. М.: Энергоатомиздат, 1983. — 304 с.

34. Кутателадзе С.С. Основы тепломассообмена. М.: Атомиздат, 1979. — 460 с.

35. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Пер. с нем. М.: Наука, 1974. -712с.

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

37. Базаров И.П. Термодинамика. -М.: Высшая школа, 1991. -376 с.

38. Патанкар С., Сполдинг Д. Тепло- и массообмен в пограничных слоях / Пер. с англ. -М.: Энергия, 1971.- 128 с.

39. Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло- и массообмена / Пер. с англ. — M.-JL: Госэнергоиздат, 1961. 680 с.

40. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. M.-JL: Госэнергоиздат, 1961. — 680 с.

41. Черный Г.Г. Газовая динамика. М.: Наука, 1988. - 424 с.

42. Техническая термодинамика: Учебник для вузов / Под ред. В.И. Крутова. М.: Высшая школа, 1981. -439 с.

43. Техническая термодинамика: Учебник для вузов / В.А. Кирилин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин и др. — М.: Энергоатомиздат, 1983. 416 с.

44. Пневмогидравлические системы. Расчет и проектирование: Учебн. пос. для технических вузов / Н.М. Беляев, Е.И. Уваров, Ю.М. Степанчук и др. — М.: Высш. шк., 1988. 271 с.

45. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей / Пер. с англ. -М.: Мир, 1991.-Т. 1. 504 с.

46. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей / Пер. с англ.-М.: Мир, 1991. Т.2. - 552 с.

47. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен / Пер с англ. М.: Мир, 1990. - Т.1. — 384 с.

48. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен / Пер с англ. М.: Мир, 1990. - Т.2. - 392 с.

49. Коннор Дж., Бреббиа К. Метод конечных элементов в механике жидкости / Пер. с англ. J1.: Судостроение, 1979. -264 с.

50. Патанкар C.B. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / Пер. с англ. -М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.

51. Патанкар C.B. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах / Пер. с англ. М.: Издательство МЭИ, 2003. - 312 с.

52. Versteeg Н.К., Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics. The finite volume method. N.Y.: Longman, 1995. - 257 p.

53. Роуч П. Вычислительная гидродинамика / Пер. с англ. М.: Мир, 1980. -612с.

54. Самарский A.A., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. -М.: Едиториал УРСС, 2003. 784 с.

55. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы / Пер. с англ. М.: Мир, 1984.-428 с.

56. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике / Пер. с англ. М.: Мир, 1975.-541 с.

57. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов / Пер. с англ. М.: Мир, 1981.-304 с.

58. Сегерлинд J1. Применение метода конечных элементов / Пер. с англ. — М.: Мир, 1979.-392 с.

59. Шайдуров В.В. Многосеточные методы конечных элементов М.: Наука, 1989.-288 с.

60. Деклу Ж. Метод конечных элементов / Пер. с франц. М.: Мир, 1976. -93 с.

61. Бахвалов Н.С. Численные методы. — М.: Наука, 1975. — 632 с.

62. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978. - 512 с.

63. Самарский A.A. Введение в численные методы. М.: Наука, 1987. — 459 с.

64. Себиси Т., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы / Пер. с англ. М.: Мир, 1987. - 592 с.

65. Полежаев В.И. Математическое моделирование конвективного тепломассобмена на основе уравнений Навье-Стокса. М.: Наука, 1987. -271 с.

66. Лыков A.B. Тепломассообмен: Справочник. М.: Энергия, 1978. -480 с.

67. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. - 840 с.

68. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Гидродинамика. -М.: Наука, 1986. Т.VI - 736 с.

69. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика. — М.: Физматгиз, 1963. 4.1. -584 с.

70. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика. — М.: Физматгиз, 1963. 4.2. - 728 с.

71. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1973. — Т.1.-536 с.

72. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1973. - Т.2. -584 с.

73. Валландер C.B. Лекции по гидроаэродинамике. JL: ЛГУ, 1978. - 296 с.

74. Лойцянский Л.Г. Ламинарный пограничный слой. М.: Гос. изд-во физ.-мат. литературы, 1962. -479 с.

75. Бэтчелор. Дж. Введение в динамику жидкости / Пер. с англ. М.: Мир, 1973.-760 с.

76. Никитин Ю.Ф., Рыков H.A., Чернышев A.B. Основы расчета нестационарных процессов в теплоэлектрических приводах исполнительных устройств пневматических и вакуумных систем //Труды МВТУ им. Н.Э. Баумана. 1978. - № 269, вып.4. - С. 22-23.

77. Никитин Ю.Ф., Терентьев О.Д., Чернышев A.B. Моделирование исполнительных устройств систем управления //Известия Вузов. 1985. -№П.-С. 48-50.

78. Численное моделирование вихревой интенсивности теплообмена в пакетах труб / Д.А. Быстров, С.А. Исаев, H.A. Кудрявцев и др. — СПб.: Судостроение, 2005. 392 с.

79. Берковский В.М. Полевиков В.К. Вычислительный эксперимент в конвекции. Минск: Университетское, 1988. - 167 с.

80. Алямовский. A.A. Solid Works. Компьютерное моделирование в инженерной практике. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.

81. Макаров Д.В. Численное моделирование течения и теплообмена в системе компланарных каналов: Дис. . канд. техн. наук: (05.07.05). — 1995. — 115с

82. Ваничев А.П. Приближенный метод решения задач теплопроводности в твердых телах. // Изв. АН СССР. —1946. №12. —С. 1767-1774.

83. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. -М.: Наука, 1973. -416 с.

84. Липанов A.M., Кисаров Ю.Ф., Ключников И.Г. Численный эксперимент в классической гидромеханике турбулентных потоков. — Екатеринбург: УрО РАН, 2001.- 162 с.

85. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.-М.: Машиностроение, 1975.—560с.

86. Теплотехнический справочник / Под общ. ред. Юренева В.Н., Лебедева П.Д. М.: Энергия, 1975. -Т.1.-744 с.

87. Теплотехнический справочник / Под общ. ред. Юренева В.Н., Лебедева П.Д. М.: Энергия, 1976. - Т.2. - 896 с.

88. Физические величины: Справочник / Под редакцией И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. -М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

89. Полипропилен / Под ред. В.И. Пилиповского, И.К. Ярцева. — Л.: Химия, 1967.-316 с.

90. Тугов И.И., Кострыкина Г.И. Химия и физика полимеров. М.: Химия, 1989.-432 с.

91. Осипова В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. -М.: Энергия, 1979. -320 с.

92. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. — Л.: Энергоатомиздат, 1991. -304 с.

93. Маркин Н.С. Основы теории обработки результатов измерений. М.: Издательство стандартов, 1991. — 173 с.

94. Геращенко O.A., Федоров В.Г. Тепловые и температурные измерения. -Киев: Наукова Думка, 1965. 305 с.