автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Термоэлектрическая система для теплового воздействия на отдельные зоны человеческого организма

На правах рукописи

Магомедов Рустам Абу-Муслимович

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОТДЕЛЬНЫЕ ЗОНЫ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО

ОРГАНИЗМА

Специальность

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Махачкала - 2014

\

\

\

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дагестанский государственный технический университет».

пгг^(.Цаучный руководитель:

доктор технических наук, профессор Исмаилов Тагир Абдурашидович

ПЬЛИО! 1-КА 2014

Официальные оппоненты:

- Эмиров Субханверди Нурмагомедович - доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт проблем геотермии» Дагестанского научного центра Российской академии наук, главный научный сотрудник.

- Беззаботов Юрий Сергеевич - кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет», кафедра технологического оборудования и систем жизнеобеспечения, доцент.

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт промышленной и морской медицины Федерального медико-биологического агентства» (ФГУП НИИ ПММ ФМБА России), г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится «25» декабря 2014 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д212.052.06 в ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», 367015, г. Махачкала, пр. Имама Шамиля 70, диссертационный зал административного корпуса, кабинет,201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» www.dstu.ru. Сведения о защите и автореферат диссертации размещены на официальном сайте ВАК Министерства образования и науки РФ http://www.vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан «24» ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент СГс^^' О.В. Евдулов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Методы локального теплового воздействия широко используются в медицинской практике при лечении и профилактике различного рода заболеваний, к которым относятся механические травмы и заболевания суставов и мышц, боли в области желудочно-кишечного тракта, приступы желчнокаменной и почечнокаменной болезни, неврозы, артроз и артрит, фарингит, тонзиллит, хроническая усталость и др. При этом тепловое действие оказывает значительное влияние на энергетический баланс организма. Под воздействием тепла кровеносные и лимфатические сосуды расширяются, что улучшает кровообращение во многих внутренних органах. Данное обстоятельство приводит к активизации обмена веществ и качественному насыщению организма питательными веществами и кислородом. Термовоздействие стимулирует окисление жира, очищает организм, выводя вредные токсины и другие продукты жизнедеятельности, тем самым способствуя улучшению общего состояния человека.

Из существующих методов локального теплового воздействия в медицинской практике в настоящее время используются лучистая энергия, нагретые (охлажденные) вода, воздух, лечебные грязи, парафин, озокерит, нафталан, глина, песок, термопакеты, жидкий азот и термоэлектрические элементы. Причем применение указанных способов на сегодняшний день развивается по двум основным направлениям. Во-первых, охлаждение либо нагрев всего организма или сравнительно значительных его частей. Во-вторых, вовлечение в процесс теплового воздействия менее обширных участков, а также участков с патологическими изменениями. Если в первом случае для охлаждения (нагрева) всего организма используются мощные холодильные и тепловые машины (например, парокомпрессионные, абсорбционные и т.п.), то для теплового воздействия на отдельные зоны человека могут быть применены системы с меньшей тепло- и холодопроизводительностью на основе других принципов преобразования энергии.

В этих условиях для осуществления локального теплового воздействия с целью проведения оздоровительных процедур перспективным является применение термоэлектрических систем (ТЭС), отличающихся высокой экологичностью, бесшумностью, надежностью, функциональностью и значительным ресурсом работы, а также возможностью простого перехода с режима охлаждения на режим нагрева и наоборот.

Вместе с тем, проведенный критический анализ современных способов теплового воздействия, используемых в медицине, показал отсутствие технических средств, с помощью которых возможно осуществление контрастного теплового воздействия на отдельные зоны руки человека с целью лечения различных заболеваний и проведения соответствующих реабилитационных процедур. Указанное обстоятельство определяет актуальность проведения диссертационного исследования, связанного с разработкой и исследованием теплофизических процессов в ТЭС для теплового воздействия на отдельные зоны руки человека.

Степень разработанности проблемы. Исследование проблемы прикладного использования термоэлектрических преобразователей энергии, в частности в медицинской практике, нашло отражение в научных работах ряда отечественных и зарубежных ученых. Среди них следует отметить труды Иоффе А.Ф., Стильбанса Л.С., Коленко А.Е., Бурштейна А.И., Каганова М.А., Привина М.Р., Анатычука Л.И., Иорданишвили Е.К., Исмаилова Т.А., Зорина И.В., Вайнера А.Л., Семенкжа В.А., Вердиева М.Г., Голдсмида Г., Шарпа Д., Гуревича Ю., Кадзикава Т., Чена Л. др. В данных работах изучены возможности применения термоэлектрических преобразователей энергии в практике приборостроения, электронной технике, теплофизике, здравоохранении, системах обеспечения микроклимата. Анализируя указанные работы и определяя их несомненную значимость, следует отметить отсутствие исследований по ТЭС, реализующих контрастное тепловое воздействие на отдельные зоны рук человека, в которых в качестве тепловой нагрузки рассматривается биологический объект. Данное обстоятельство определяет цель, задачи и направление настоящего исследования.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является исследование теплофизических процессов, протекающих в ТЭС, для проведения тепловых физиотерапевтических процедур на отдельные зоны руки человека, разработка и создание на ее основе новых конструкций устройств, применяемых в медицинской практике, для лечения различного рода заболеваний, обеспечивающих высокую точность и надежность воздействия.

Задачами диссертационной работы являются:

1. Критический анализ существующих методов теплового воздействия на отдельные зоны человеческого организма с определением рациональных режимов работы ТЭУ в медицинской практике для различных условий эксплуатации.

2. Разработка тепловой модели ТЭС для контрастного теплового воздействия на отдельные зоны руки человека.

3. Создание расчетной модели для определения температурного поля зон руки человека при контрастном тепловом воздействии посредством исследуемой ТЭС.

4. Разработка методики расчета термоэлектрических батарей (ТЭБ), входящих в состав ТЭС для контрастного теплового воздействия на отдельные зоны руки человека.

5. Проведение комплекса экспериментальных исследований опытного образца ТЭС с целью подтверждения полученных теоретических данных.

6. Разработка новых конструктивных вариантов термоэлектрических устройств (ТЭУ) для контрастного теплового воздействий на отдельные зоны руки человека на основе проведенных исследований.

7. Выработка рекомендаций для практической реализации результатов работы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в:

1. Разработанном принципе проведения тепловых

физиотерапевтических процедур на отдельные зоны руки человека, основанном

на применении ТЭС специальной конструкции, позволяющей осуществить как равномерное, так и контрастное тепловое воздействие на биологический объект с возможностью точной регулировки температурного уровня воздействия, а также обеспечения требуемой лечебными процедурами частоты переключения режимов.

2. Математической модели для исследования теплофизических процессов, происходящих в системе ТЭС - биологический объект, реализованной на основе решения двумерной нестационарной задачи теплопроводности для сложной слоистой системы, учитывающей наличие объектов с различными теплофизическими параметрами, контрастность теплового воздействия на объект проведения медицинских процедур, а также сложные условия теплообмена на границах сред.

3. ТЭУ для проведения тепловых физиотерапевтических процедур на отдельные зоны руки человека, реализующих различные режимы теплового воздействия на биологический объект.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что разработанный принцип теплового воздействия на отдельные зоны руки человека, тепловая и математическая модель ТЭУ позволят повысить надежность и эффективность проведения медицинских восстановительных процедур при лечении различных заболеваний опорно-двигательного аппарата.

Методология и методы исследования. В процессе решения поставленных в диссертационной работе задач использованы принципы системного подхода при анализе и систематизации данных по методам теплового воздействия в медицине, методы теплофизического моделирования, теория теплопроводности твердых тел сложной конфигурации, численные методы решения систем дифференциальных уравнений, экспериментальные методы исследования, математическая статистика.

Положения, выносимые на защиту.

1. Метод проведения физиотерапевтических процедур на отдельные зоны руки человека, состоящий в тепловом воздействии на указанные зоны ТЭС, реализующей в том числе контрастные тепловые процедуры.

2. Математическая модель ТЭС, реализующей указанный метод, учитывающая морфологию зоны воздействия и теплофизические характеристики объекта воздействия.

3. Конструкции ТЭУ, позволяющие эффективно осуществлять физиотерапевтические тепловые процедуры при лечении и профилактике ряда заболеваний опорно-двигательного аппарата.

Степень достоверности результатов исследования. Разработанные в диссертационной работе методы, тепловая и математическая модели, а также устройства достоверны ввиду корректного использования математического аппарата, методов экспериментальных исследований, а также хорошей сходимости результатов натурных испытаний опытного образца системы и численного эксперимента.

Апробация результатов работы. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на 15-й Международной научно-

технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, АГТУ, 2014 г.), 14 Межгосударственном семинаре «Термоэлектрики и их применение» (Санкт-Петербург, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2014 г.), 2 Всероссийской научно-практической конференции «Молодежь, наука, инновации». (Грозный, ФГБОУ ВПО ГГНТУ), 4 Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения» (Махачкала, ФГБОУ ВПО ДГТУ), 2 Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в профессиональном образовании» (Грозный, ФГБОУ ВПО ГГНТУ), научно-технических семинарах кафедры теоретической и обшей электротехники ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» с 2011 по 2014 гг.

Разработка «Термоэлектрическое устройство для теплового воздействия на руку человека» удостоена золотой медали Московского международного салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2014» (Москва).

Результаты исследований внедрены в практику в ГУ «Республиканский кожно-венерологический диспансер» (г. Грозный), ГУП Гудермесский завод «Мединструмент» (г. Грозный), а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова» и ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК РФ, 6 докладов и тезисов докладов на научных конференциях.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 132 наименования и приложения. Основная часть работы изложена на 133 страницах машинописного текста и содержит 55 рисунков.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование темы диссертационной работы, а также ее актуальности, определено направление практического использования результатов исследования.

В первой главе «Методы и средства для проведения физиотерапевтических тепловых процедур, перспективы использования для этих целей термоэлектрического метода преобразования энергии» рассмотрены существующие в лечебной практике методы и средства теплового воздействия, в том числе с применением ТЭУ. Анализ литературных источников показал, что при лечении болезней опорно-двигательного аппарата (воспалительные заболевания суставов, последствия травматических поражений, ревматоидные артриты и т.п.) все большее распространение получают методы, основанные на использовании специальных средств, оказывающих локальное тепловое воздействие на пораженные участки: ванны, инфракрасное излучение, различного рода среды (нагретый или охлажденный газ, парафин, озокерит,

б

жидкий азот и др.). Недостатками указанных методов физиотерапевтических процедур являются их низкая эффективность и дискомфортность, сложность и неудобство в реализации, недостаточная точность дозировки теплового воздействия. Установлено, что реализация рассмотренных методов теплового воздействия с высокой эффективностью может быть осуществлена с использованием ТЭУ. При этом оговоренные недостатки в большой мере устраняются.

С учетом проведенного обзора сформулирована цель диссертационной работы. Поставлены задачи диссертационного исследования, которые необходимо решить для достижения указанной цели.

Во второй главе «Математическая модель термоэлектрической системы для теплового воздействия на отдельные зоны руки человека» рассмотрены тепловая и математическая модели ТЭС для теплового воздействия на отдельные области руки человека.

Для построения тепловой модели ТЭС, предназначенной для проведения терапевтических

процедур, выделены две основные области руки человека,

принципиально отличающиеся своей структурой и морфологией: непосредственно плечевая часть (уровень средней трети плеча) и предплечье.

Тепловая модель ТЭС, реализующей физиотерапевтические процедуры на уровне средней трети плеча, приведена на рисунке 1. Здесь следует выделить участки: 1 кожный покров, 2 - мышечную ткань и 3 - костную ткань (плечевую кость), отличающиеся теплофизическими параметрами и уровнем внутренних тепловыделений. В случае предплечья конфигурация модели несколько изменяется, кроме этого учитывается наличие локтевой и лучевой кости.

Введем следующие обозначения: область, ограниченная кожным покровом - мышечная ткань - Ог; костная ткань - Эз и О'з; поверхность кожного покрова, находящаяся в контакте с ТЭС Бм; поверхность кожного покрова, находящаяся в контакте с мышечной тканью Б 1.2; поверхность мышечной ткани, находящаяся в контакте с костной тканью Бг-л, З'^. С их учетом математическое описание процессов теплообмена, происходящих в руке человека при проведении тепловых процедур посредством ТЭС, имеет следующий вид:

- при тепловом воздействии в зоне средней трети плеча

Рисунок 1 - Тепловая модель для расчета ТЭС, реализующей физиотерапевтические процедуры на уровне средней трети плеча

а2т,

дх2 г)у- с,р, (к

а2т, ду" с,р, ОТ,

5х2 <к

Й-'Т, су с,р,

дх1 (к

при т = 0 Т,,Т,,Т, = 309,6 К;

X, — = а(Т,-Т^), х.уеБ, , (неидеальный контакт биологического

дп,

объекта с ТЭС);

ОТ

X, —= Япб , х, у 6 Б,, (идеальный контакт биологического объекта с ТЭС);

дп,

, ОТ, , ОТ,

X,—1 = Х,—- при х.уеБ, ,; ¿)п! от2

, ОТ, , ОТ, _

Д.,-- = я.3—~ ПРИ х.Уе52.л,

~ ЙП, ЙП,

- при тепловом воздействии в зоне предплечья

Э2Т, 52Т, д^, «ЗТ, ~

а,—г + а,—+ = при х, у е ах' ду~ с,р, от

д2Т, д2Т, О,,,, ОТ, _

а2—^ + - + = при X, у е Э2; ах' су' с,р, от

52Т, 52Т, (ТГ, _ ...

ах' ау~ с,р, от

д-т; й2т; дМ1, от; а,—^ + а,—А+ = —2. при х,у е О',; ах' ау~ с,р, от

при т = о т,,т,,т, =309,6 К;

Х,,^- = а(Т,-Тт,в), х.уев,, (неидеальный контакт биологического

5п,

объекта с ТЭС);

¿57

А., —1 = , х,у е в,.., (идеальный контакт биологического объекта с ТЭС);

дп,

, ОТ, , ОТ, _

—- = —при х,у е 8, ,; гЗп, " дп,

, ОТ, , ОТ,

Ао—- = —— при х.уеБ, ,, " от, от ,

, ОТ, , ОТ,'

= ПРИ

ап 2 от,

где Т|, Тг, Тз, Т'з - значения температуры кожи, мышечной и костной ткани соответственно; Л.1, Хг, Ал - значения теплопроводности кожи, мышечной и костной ткани соответственно; рь рг, рл - значения плотности кожи, мышечной и костной ткани соответственно; си сг, сл - значения удельной теплоемкости

к

кожи, мышечной и костной ткани соответственно; а|, аг, а? - величины температуропроводности кожи, мышечной и костной ткани соответственно; (2внь 0вн2, Овнз - удельные количества теплоты, выделяемые в кожном покрове, мышечной и костной ткани соответственно; а - коэффициент теплообмена между кожей и ТЭС; дтэв - удельная плотность теплового потока на поверхности ТЭБ, соприкасающейся с кожей; Ттэб - температура поверхности ТЭБ, соприкасающейся с кожей; П), пг, п.з, п'з - нормали (к поверхностям Бы, 81-2, 82.3, 8'2-з соответственно); г^ =(хЬ1 + у^); И, ъ - значения единичных векторов.

Решение задачи, описанной уравнениями (1) и (2), произведено численным методом конечных элементов с использованием пакета прикладных программ Е1сЩ. Расчет осуществлялся в соответствии с режимами проведения тепловых физиотерапевтических процедур: диапазон температур биологического объекта - 277+315 К, длительность теплового воздействия - до 25 мин., возможность чередования режимов охлаждения и нагрева. За исходные данные принимались следующие величины: 0,407 Вт/(м-К), а., = 0,439 Вт/(м-К), Я., =0,34 Вт/(м К); Р, = 1036 кг/м\ р,=1050 кг/м\ р, =1036 кг/м3; с, =3458 Дж/(кг-К), с2 = 4020 Дж/(кгК), с, =3127 Дж/(кгК); О„„|=0, О1ш2=30

Дж/(кг с), О,,„3=0.

В результате расчетов получены двумерные и одномерные температурные поля зоны теплового воздействия при различных величинах холодо- и

теплопроизводительности ТЭБ, а также графики изменения во времени температуры в контрольных точках системы.

На рисунке 2 изображено двумерное температурное поле сечения зоны средней трети плеча при охлаждающем воздействии посредством исследуемой ТЭС при величине теплового потока на боковой поверхности биологического объекта, равного 2500 Вт/м2, а на

рисунках 3-4 - соответствующие средней трети плеча (охлаждающее воздействие одномерные графики распределения при я„Б = 2500 Вт/м:)

температуры вдоль поперечной оси

сечения средней трети плеча, а также вдоль поперечной оси, проходящей через костную ткань, в стационарном режиме. При этом для случая, соответствующего рисунку 3, рассмотрены значения при различных величинах теплового потока на боковой поверхности объекта воздействия равных -

I

Рисунок 2 - Температурное поле сечения зоны

Рисунок 3 - Изменение температуры вдоль Рисунок 4 - Изменение температуры вдоль

поперечной оси зоны средней трети плеча поперечной оси костной ткани зоны

(охлаждающее воздействие) для различных средней трети плеча (охлаждающее

Ягэб воздействие) для ЯГ)Б = 2500 Вт/м2

1 - Ягэв =2500 Вт/м:, 2 - я„в =2250 Вт/м:, 3 - яГ)Б = 2000 Вт/м2

Чтэб =2500 Вт/м2, яПБ = 2250 Вт/м2, цГ)Б = 2000 Вт/м2. В соответствии с приведенными характеристиками температура объекта воздействия с увеличением значения яг,Б уменьшается. Максимальное уменьшение температуры наблюдается на кожном покрове при яг>Б =2500 Вт/м2 и равняется 280 К. Температура в центральной части биологического объекта изменяется незначительно (на величину примерно 0,5 К), что определяется наличием внутренних удельных тепловыделений в объекте, а также его относительно небольшой теплопроводностью и высокой теплоемкостью.

Согласно рассмотренным графикам, на распределение температуры в объекте воздействия определенным образом влияет наличие в его объеме костной ткани. При принятых условиях, определяющих отсутствие внутренних тепловыделений в костной ткани, такое изменение температуры составляет примерно 1-2 К по отношению к случаю, когда бы данный объект отсутствовал в ее объеме.

ю

Аналогичные выводы можно сделать и для случая нагрева рассмотренной зоны воздействия. Очевидно, что отличие состоит в увеличении температуры всех зон биологического объекта с ростом значения qnк, а также меньшими величинами теплопроизводительности ТЭБ для поддержания требуемого температурного уровня, определяемого методикой физиотерапевтических процедур. Для случая, соответствующего условиям численного эксперимента, максимальное увеличение температуры кожи средней трети плеча (315 К) получено при Ятэб = 700 Вт/м2. Для случая работы ТЭС в режиме нагрева, наличие костной ткани в объеме биологического объекта также вносит соответствующие изменения в структуру его температурного поля. Указанное влияние соответствует работе ТЭС в режиме охлаждения и составляет также величину порядка 1-2 К.

Идентичные зависимости получены для случая теплового воздействия на область предплечья. При этом все выводы, полученные на этапе моделирования охлаждения (нагрева) области средней трети плеча, справедливы при использовании ТЭС при проведении процедур и на зону предплечья.

В диссертации наряду с исследованием работы ТЭС в режиме равномерного нагрева или охлаждения, также изучены возможности единовременного контрастного теплового воздействия на отдельные зоны руки человека. Так, получено двумерное температурное поле сечения зоны средней трети плеча при контрастном тепловом воздействии, когда на правую поверхность биологического объекта поступает тепловой поток я™,, = -3500 Вт/м2, а на левую - Япь,, = 1000 Вт/м2, а также соответствующие одномерные графики, отражающие распределение температуры указанной зоны руки вдоль поперечной оси для разных значений я™» и яТЭБ „,

Согласно зависимостям, наличие на противоположных поверхностях тепловых потоков, имеющих разные знаки, изменяет температурное поле объекта по отношению к случаю его равномерного охлаждения либо нагрева. Температура уменьшается от боковой поверхности, соответствующей тепловому потоку я пь„ к поверхности, на которую поступает тепловой Ятао- При этом уменьшение значения яг,Бо от величины 3500 Вт/м2 до 2500 Вт/м2 при неизменном Яш,„ = 1000 Вт/м2 повышает температуру вдоль поперечной оси на 4 К. Данное обстоятельство определяет, что при проведении контрастных тепловых процедур с использованием разнознаковых тепловых потоков на противоположных поверхностях биологического объекта, для достижения необходимой температуры кожного покрова, требуется учет взаимного влияния япс„ и я™,.,-Подбор Ятэб.н и Чпьо с соответствующим анализом температурного поля объекта воздействия по рассмотренной модели даст возможность оптимизировать энергетические параметры разработанной ТЭС.

С целью анализа характеристик, определяющих динамические свойства ТЭС, изучено изменение температуры контрольных точек биологического объекта при его охлаждении и нагреве. На рисунке 5 представлено изменение во времени температуры контрольных точек зоны средней трети плеча при

охлаждении, а на рисунке 6 - при нагреве для случая = -2500 Вт/м2 и Чгэб„ =800 Вт/м2. Рассмотрено изменение во времени кожи, мышечной и костной ткани биологического объекта. В соответствии с полученными результатами, продолжительность выхода ТЭС в стационарный режим работы находится в небольших пределах. Для случая, показанного на рисунках 7-8,

Т(К) Т(К)

Рисунок 5 - Временной ход температуры Рисунок 6 - Временной ход температуры

контрольных точек сечения средней трети плеча контрольных точек сечения средней трети плеча (охлаждающее воздействие при = 2500 Вт/м2) (нагревающее воздействие при яТЗВн = 800 1 - кожа, 2- костная ткань, 3 - мышечная ткань Вт/м2)

1 - кожа, 2- костная ткань, 3 - мышечная ткань

время, необходимое для термостабилизации областей биологического объекта, составляет приблизительно 1200 с (20 мин.). Данное обстоятельство необходимо учитывать при проведении соответствующих лечебных процедур. В указанных условиях целесообразным будет являться вывод прибора на рабочий режим до приведения его в контакт с объектом воздействия.

Представляет интерес изучение функционирования ТЭС в режиме контрастного теплового воздействия, связанного с чередованием охлаждения и нагрева биологического объекта.

На рисунке 7 показано изменение температуры кожного покрова средней трети плеча во времени для такого режима процедур. Рассмотрен один цикл контрастного воздействия: снижение температуры объекта, а затем ее повышение и наоборот. В зависимости от методики проведения физиотерапевтических

т,к

процедур, цикл может быть повторен несколько раз. В соответствии с полученными данными, с использованием ТЭС лечебная процедура контрастного теплового воздействия может быть реализована в полной мере. Продолжительность смены одного режима воздействия на другой относительно незначительна. На зависимостях, отображенных, на рисунке 7, она составляет порядка 89 мин. Следует заметить, что для ускорения смены режимов воздействия может быть использован кратковременный форсированный режим работы ТЭБ, состоящий в повышении тока питания ТЭБ и, соответственно, значения яГ)Б в переходном режиме работы прибора.

На основе анализа полученных значений теплового потока на боковой поверхности биологического объекта,

эквивалентных величине холодо- и теплопроизводительности ТЭБ, произведен расчет последней.

В третьей главе «Экспериментальные исследования термоэлектрической системы для теплового воздействия на отдельные зоны руки человека» представлены результаты экспериментальных исследований разработанной ТЭС. Эксперимент проводился с целью подтверждения адекватности математических моделей физическому процессу и для проверки правильности сделанных на их основе выводов.

Объектом экспериментальных исследований явился опытный образец ТЭС, реализованный в виде конструкции, содержащей гибкое эластичное основание со встроенными в него четырьмя стандартными ТЭМ типа ТВ-127-1.0-1.5 в количестве четырех шт., производимыми ИПФ Криотерм (г. Санкт-Петербург), на спаях которых размещались гибкие металлические тепловыравнивающие пластины. В качестве биологического объекта использована модель руки человека, изготовленная фирмой N3500, модель ЬР0112Ш (США). Питание ТЭМ осуществлялось источником электрической энергии марки СРЯ-1850НО. Для проведения измерений использовались встроенные в источник электрической энергии амперметр и вольтметр, а также

Рисунок 7 - Временной ход температуры биологического объекта (контрастные процедуры при Чтэбо = 4000 Вт/м2, Чг)Е„ = 1200 Вт/м2) 1 - нагрев - охлаждение 2 - охлаждение - нагрев

многоканальный измеритель температуры ИРТМ 2402/МЗ, подключенный к ПЭВМ.

На основе разработанного измерительного стенда была проведена серия натурных испытаний опытного образца ТЭС, позволяющая судить об ее основных параметрах и характеристиках. Основной задачей при проведении натурных испытаний опытного образца ТЭС являлось определение зависимостей изменения температуры в различных точках исследуемого объекта во времени при определенных величинах тока питания ТЭБ. Полученные значения сравнивались с теоретическими с соответствующим определением расхождений между экспериментом и расчетными данными.

В процессе эксперимента получены кривые изменения температуры модели руки человека на уровне средней трети плеча во времени при охлаждающем и нагревающем воздействии для значений токов питания ТЭМ, равных 2,6 А, 2,9 А, 3,2 А, 3,5 А и 0,5 А, 0,7 А, 0,9 А, 1,1 А. Как следует из полученных данных, продолжительность выхода в стационарный режим системы ТЭС - биологический объект составляет при работе системы в режиме охлаждения и нагрева около 15 мин. При этом увеличение значения тока питания ТЭМ приводит к уменьшению температуры биологического объекта при работе ТЭС в режиме охлаждения и увеличению его температуры при работе ТЭС в режиме нагрева, что соответствует повышению холодо- и теплопроизводительности ТЭМ. Здесь необходимо отметить, что ток питания ТЭС при работе последней в режиме нагрева существенно меньше (1,1 А), чем в случае ее эксплуатации в режиме охлаждения (3,5 А), что определяется ограничением температуры кожного покрова значением 315 К, соответствующим появлению болевых ощущений от процедуры.

При изучении параметров разработанной ТЭС представляет интерес оценка потерь, связанных с конечным значением коэффициента теплопередачи от устройства к биологическому объекту, а также оценка температуры опорных спаев ТЭМ. Для этого получены зависимости изменения во времени температуры в различных точках исследуемой системы, а именно, непосредственно модели руки человека, холодного и горячего спая ТЭМ при тепловом воздействии на среднюю треть плеча. Согласно измеренным данным, разность температур между рабочими спаями ТЭМ и биологическим объектом составляет порядка 3 К. Данные потери складываются из неплотности контакта между моделью руки и спаями ТЭМ, конечной величины коэффициентов теплопроводности элементов системы, а также теплопритоков из окружающей среды. Уменьшить перепад температур между биологическим объектом и спаями ТЭМ можно за счет использования специальной теплопроводной пасты, наносимой на поверхность объекта воздействия, а также уменьшением теплопритоков из окружающей среды за счет хорошей теплоизоляции участка руки, подвергающегося воздействию ТЭС.

Для изучения динамических режимов работы ТЭС получены кривые изменения температуры средней трети плеча человека во времени при изменении функционирования прибора с режима охлаждения на режим нагрева и наоборот. Результаты рассмотрены для режимов: 1 - 1,Ш1 = 3,1 А, 1|иф = 0,9 А; 2 -

1„,, = 2,8А, 1^=0,6 А; 3 - 1Ш-2,5А, 1,тт = 0,ЗА. В обоих случаях

продолжительность переходного процесса с режима охлаждения на режим нагрева и наоборот относительно незначительна и составляет порядка 17 мин. При этом следует отметить, что для ускорения смены режимов воздействия может быть использован кратковременный форсированный режим работы ТЭМ, состоящий в повышении их тока питания и соответственно значения холодопроизводительности (теплопроизводительности) в переходном режиме работы прибора.

Для оценки возможностей отвода теплоты с горячих спаев ТЭБ, в системе замерены данные об изменении температуры теплоотводов во времени при охлаждающем воздействии для различных величин тока питания ТЭБ. Согласно полученным зависимостям следует, что значение температуры горячих спаев ТЭБ вполне приемлемо для используемого типа ТЭМ вплоть до максимального значения тока питания (при токе питания 3,7 А температура горячего спая ТЭМ составляет 326,5 К). Данное обстоятельство определяет достаточную эффективность теплосъема в ТЭС и дает основание полагать о надежной работе разработанного прибора при проведении необходимых процедур.

Эксперимент подтвердил правомерность разработанной модели и полученных на их основе теоретических положений. Максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных не превышает 8,5 %.

В четвертой главе описана разработанная конструкция ТЭУ для теплового воздействия на отдельные зоны руки человека, а также методики проведения лечебных физиотерапевтических процедур на его основе. Структурная схема и внешний вид прибора представлены на рисунке 8 и рисунке 9 соответственно.

" т Вид сверху

Рисунок 8 - Структурная схема ТЭУ для теплового воздействия на отдельные зоны руки

человека

Устройство содержит гибкое эластичное основание 1 с отверстиями, расположенными в один ряд по длине основания, для установки ТЭМ 2. Основание 1 выполнено в виде двух полотен 3 из синтетической эластичной

материи, сшитых между собой капроновой нитью по периметру установленных в них ТЭМ 2 на расстоянии от их краев в 2-3 мм таким образом, что часть материи находит на поверхности ТЭМ 3, закрывая 2-3 мм последних по периметру. Внутренние спаи 4 ТЭМ 2, обращенные к руке человека, приведены в тепловой контакт с гибкой тепловыравнивающей пластиной 5 через теплопроводную пасту 6. Противоположные внешние спаи 7 ТЭМ 2 также через теплопроводную пасту 7 контактируют с гибкими металлическими пластинами 8, выполняющими роль теплосъема. Металлические пластины 8 пришиваются к основанию 1 по своим углам капроновой нитью. ТЭМ 2 подключаются электрическими проводами к программируемому источнику питания, реализующему различные режимы работы модулей (охлаждение, нагрев, их чередование). Основание 1 по краям снабжено застежкой Hook & Loop 9.

Для уплотнения контакта воздействующей поверхности прибора с рукой человека, а также обеспечения возможности наряду с тепловым воздействием производить и механический массаж, разработаны две модификации описанной выше конструкции. В первом модифицированном варианте основание со стороны нахождения внешних спаев ТЭМ по всей своей площади приведено в плотный механический контакт с манжетой, соединенной с нагнетателем -трубкой. За счет создаваемого внутри манжеты давления посредством нагнетателя контакт зоны руки и тепловыравнивающей пластины улучшается, что повышает эффективность передачи теплоты от внутренних спаев 4 ТЭМ 2 к зоне воздействия. Отличие второй модификации прибора от первой состоит в наличии регулируемого блока, управляющего работой нагнетателя таким образом, чтобы имелась возможность помимо теплового осуществлять также и управляемое компрессионное воздействие на зону руки человека, улучшающее микроциркуляцию крови и способствующее тренировке сосудов.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При решении поставленных в диссертационной работе задач получены следующие результаты:

1. На основе критического анализа современных методов теплового воздействия на опорно-двигательный аппарат с целью лечения и профилактики различного рода заболеваний установлена целесообразность применения ТЭБ в качестве источника тепла и холода ввиду экологичности, бесшумности,

надежности, возможности простого перехода с режима охлаждения на режим нагрева и наоборот.

2. Предложена ТЭС для проведения тепловых физиотерапевтических процедур на отдельные зоны руки человека, позволяющая обеспечить контрастное тепловое воздействие на биологический объект с возможностью точной регулировки температурного уровня воздействия, а также обеспечения требуемой лечебными процедурами частотой переключения режимов.

3. Разработана математическая модель для исследования теплофизических процессов, происходящих в системе ТЭС - биологический объект, реализованная на основе решения двумерной нестационарной задачи теплопроводности для сложной слоистой системы.

4. Разработана методика расчета ТЭБ, входящих в состав ТЭС, позволяющая определить ее ток питания, геометрические параметры и потребляемую мощность.

5. Получены двумерные и одномерные стационарные температурные поля отдельных зон руки человека, а также зависимости изменения во времени отдельных контрольных точек биологического объекта при проведении тепловых физиотерапевтических процедур посредством ТЭС, позволяющие осуществить анализ и подбор оптимальных характеристик последней.

6. Доказана адекватность разработанной математической модели экспериментальным путем, при этом сопоставление экспериментальных и теоретических данных показало, что их расхождение не превышает допустимых значений.

7. На основе проведенных исследований разработаны конструкции ТЭУ для проведения тепловых физиотерапевтических процедур на отдельные зоны руки человека.

8. Результаты диссертационной работы внедрены в лечебную практику и учебный процесс вузов.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I. Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК:

1. Магомадов, Р.А.-М. Моделирование термоэлектрической системы для локального теплового воздействия на зону предплечья человека / Т.А Исмаилов, О.В. Евдулов, М.А. Хазамова, Р.А.-М. Магомадов // Вестни! Дагестанского государственного технического университета. Технически« науки, - 2013.-№31.-С. 26-32.

2. Магомадов, Р.А.-М. Математическая модель термоэлектрическо} системы для локального теплового воздействия на руку человека / Т.А Исмаилов, О.В. Евдулов, М.А. Хазамова, Р.А.-М. Магомадов / Термоэлектричество. - 2014. - № 1. - С. 77-86. (

3. Магомадов, Р.А.-М. Натурные испытания опытного образц» термоэлектрической системы для теплового воздействия на уровне средне» трети плеча человека / Т.А. Исмаилов, О.В. Евдулов, Р.А.-М. Магомадов я

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. - 2014. - №2. - С.20-30.

4. Магомадов, Р.А.-М. Экспериментальные исследования термоэлектрической системы для теплового воздействия на отдельные зоны руки человека / Т.А. Исмаилов, Р.А.-М. Магомадов, О.В. Евдулов, М.А. Хазамова // Вестник Международной академии холода. - 2014. - №4. - С.26-32.

II. Статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях:

5. Магомадов, Р.А-М. Расчет температурного поля руки человека на уровне средней трети плеча при локальном тепловом воздействии / Т.А. Исмаилов, О.В. Евдулов, Р.А-М. Магомадов, У.И. Абдулхакимов // II Всероссийская научно-практическая конференция «Молодежь, наука, инновации». - Грозный: ГГНТУ, 2013. - С.253-261.

6. Магомадов, Р.А-М. Термоэлектрическое устройство для местного контрастного теплового воздействия на отдельные зоны человеческого организма / Т.А. Исмаилов, О.В. Евдулов, Р.А-М. Магомадов, У.И. Абдулхакимов // II Всероссийская научно-практическая конференция «Молодежь, наука, инновации». - Грозный: ГГНТУ, 2013. - С.246-253.

7. Магомадов, Р.А-М. Термоэлектрическое полупроводниковое устройство для контрастного теплового воздействия на руку человека / О.В. Евдулов, Р.А-М. Магомадов // IV Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения». - Махачкала: ДГТУ, 2013. - С. 138-139.

8. Магомадов, Р.А.-М. Измерительный стенд для проведения натурных испытаний термоэлектрической системы для теплового воздействия на руку человека / Т.А. Исмаилов, О.В. Евдулов, М.А. Хазамова, Р.А.-М. Магомадов // Измерение, контроль, информатизация: материалы 15-й Международной научно-технической конференции. - Барнаул: АГТУ, 2014. - С. 121-126.

9. Магомадов, Р.А.-М. Исследование термоэлектрической системы для местного теплового воздействия на руку человека / Т.А. Исмаилов, О.В. Евдулов, Р.А.-М. Магомадов // Термоэлектрики и их применение: материалы XIV Межгосударственного семинара. - СПб.: ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2014. - С. 559-564.

10. Магомадов, Р.А-М. Термоэлектричество, перспективы отрасли / Р.А-М. Магомадов, У.И. Абдулхакимов // Инновационные технологии в профессиональном образовании: сборник трудов II Международной научно-практической конференции. - Махачкала: Риасофт ЛТД, 2012,- 4.2. - С. 164-168.

1 4 - А 5 ft 7

2014356540