автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Устройство для термостатирования, краткосрочного хранения и перевозки биологических материалов на основе термоэлектрических преобразователей энергии

На правах рукописи

Миспахов Играмидин Шарафидинович

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ, КРАТКОСРОЧНОГО ХРАНЕНИЯ И ПЕРЕВОЗКИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

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

4 мс-К 2014

Махачкала - 2014

005556405

005556405

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Исмаилов Тагир

Абдурашидович.

Официальные оппоненты:

Кобзаренко Дмитрии Николаевич, доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт проблем геотермии» Дагестанского научного центра Российской академии наук, заведующий лабораторией «Информационные технологии в энергетике».

Шабанов Шабан Шафиевич, кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дагестанский государственный университет» кафедра экспериментальной физики, доцент.

Ведущая организация

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет» (г. Краснодар)

Защита диссертации состоится «25» декабря 2014 г. в 1400 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.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» www.dstu.rn. 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

О.В. Евдулов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Биологический материал, такой как клетки, кровь, ранние эмбрионы, образцы ткани др. при обычных условиях подвержен изменениям и разрушению. Длительное сохранение его жизнеспособности возможно только при использовании низких температур. В крупных хранилищах биологических объектов в основном используется оборудование, выполненное на основе жидкого азота. Данное обстоятельство дает возможность обеспечивать стабильный уровень температур хранения биоматериалов, при этом основные затраты на обслуживание такой аппаратуры состоят только в необходимости регулярного пополнения запасов жидкого азота. Однако, в случае достаточно небольших мест для хранения биологических субстанций, применение оборудования на основе жидкого азота является уже менее выгодным. Это связано с тем, что при замораживании и хранении небольшого количества биологического материала, используемые технические средства имеют небольшие объемы (несколько десятков литров). Одновременно, для пополнения, используемого в них азота, в хранилище биоматериалов требуется наличие дополнительных средств для хранения большого количества жидкого азота или же регулярное периодическое приобретение его небольших объемов у соответствующих производителей.

Для решения задачи хранения биологических субстанций в медицинских учреждениях, находящихся в местах, удаленных от крупных хранилищ жидкого азота, применяются автономные рефрижераторные установки. В качестве таковых в основном применяются системы, работающие по смесевому циклу Клименко, а также каскадные фреоновые установки. Одним из существенных недостатков таких аппаратов является наличие полугерметичного компрессора, что приводит к постоянным утечкам рабочего агента и необходимости его периодической дозаправки. Другим недостатком является использование нескольких компрессоров, что снижает надежность таких систем. Также перечисленные системы требуют высоких эксплуатационных затрат и имеют высокую удельную стоимость на единицу хранящегося биологического материала.

Рассмотренные системы для хранения биологических материалов имеют ограничения по продолжительности работы, так как требуют пополнения объема используемого в них жидкого азота. Кроме этого, в рассмотренных случаях невозможна одновременная перевозка в одной системе биологических субстанций, имеющих различные температуры хранения. Указанные ограничения можно снять путем использования в аппаратах для хранения биологических материалов в качестве источника холода термоэлектрических батарей (ТЭБ), которые могут обеспечить требуемый температурный режим объектов при их перевозке, характеризуются высоким ресурсом работы, экологичностью, возможностью регулировки температуры в объеме. Однако существующие конструкции термоэлектрических устройств такого рода не могут обеспечить одновременное хранение и перевозку нескольких типов биологических субстанций, имеющих различные температуры хранения. В данных условиях целесообразным являются разработка и всестороннее исследование термоэлектрической системы (ТЭС), позволяющей устранить указанные

з

недостатки существующих аппаратов для хранения и перевозки биологических материалов.

Указанное обстоятельство определяет актуальность настоящей диссертационной работы.

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., Семенюка 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 на базе каскадной ТЭБ, дающей возможность одновременной транспортировки нескольких типов биологических объектов, имеющих разные оптимальные температурные режимы хранения Данное обстоятельство определяет цель, задачи и направление настоящего исследования.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационного исследования является изучение теплофизических процессов и режимов работы ТЭС для краткосрочного хранения и перевозки биологических материалов, предусматривающей возможность одновременной транспортировки нескольких типов биологических объектов, имеющих разные оптимальные температурные режимы хранения.

Задачами диссертационной работы являются:

1. Критический анализ существующих методов сбора, хранения и транспортировки биологических субстанций, дающий возможность определить рациональную область применения разрабатываемой ТЭС.

2. Разработка тепловой модели ТЭС для краткосрочного хранения и перевозки биологических материалов.

3. Создание математической модели расчета температурного поля системы ТЭС — биологический материал.

4. Разработка методики расчета каскадной ТЭБ, входящей в состав ТЭС для хранения и транспортировки биологических субстанций.

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

6. Разработка новых конструктивных вариантов термоэлектрических устройств (ТЭУ) для хранения и транспортировки биологических субстанций на основе проведенных исследований.

7. Практическая реализация результатов работы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в:

1. Методе краткосрочного хранения и транспортировки биологических субстанций, основанном на применении ТЭС, реализованной на базе каскадной

ТЭБ, дающей возможность одновременной транспортировки нескольких типов биологических объектов, имеющих разные оптимальные температурные режимы хранения.

2. Математической модели для исследования различных режимов работы ТЭС, реализованной на основе решения двумерной нестационарной задачи теплопроводности, учитывающей сложную конфигурацию системы, а также наличие объектов с различными теплофизическими параметрами.

3. ТЭУ для краткосрочного хранения и транспортировки биологических субстанций, обеспечивающих стабильное поддержание температурного режима биологических объектов на различных уровнях.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что разработанные конструкции ТЭУ для хранения и перевозки биоматериалов позволят повысить надежность и эффективность проведения медицинских процедур при лечении заболеваний, требующих использования соответствующих биологических субстанций.

Методология и методы исследования. При решении задач диссертационной работы использовались принципы системного подхода, методы моделирования теплофизических процессов, теория теплопроводности твердых тел, в том числе имеющих сложную конфигурацию, численные методы решения систем дифференциальных уравнений в частных производных, методы проведения натурных испытаний, математическая статистика.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод краткосрочного хранения и транспортировки биологических объектов, основанный на применении ТЭС, выполненной на базе многокаскадной ТЭБ.

2. Математическая модель ТЭС, реализующей указанный метод, учитывающая сложную конфигурацию системы, а также наличие объектов с различными теплофизическими параметрами.

3. Конструкции ТЭУ, позволяющие эффективно осуществлять краткосрочное хранение и транспортировку биологических объектов с полным сохранением их жизнеспособности.

Степень достоверности результатов проведенных исследований.

Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на принципах системного подхода, методах моделирования теплофизических процессов, теории теплопроводности твердых тел, в том числе имеющих сложную конфигурацию, численных методах решения систем дифференциальных уравнений в частных производных, методах проведения натурных испытаний, математической статистике. Обоснованность основных научных результатов подтверждается серией экспериментальных исследований, проведенных на разработанном специально для этого экспериментальном стенде с применением вычислительной техники. В работе использовались материалы, опубликованные по проблематике исследований.

Апробация результатов работы. Работа и ее результаты докладывались и обсуждались на 13 Межгосударственном семинаре «Термоэлектрики и их применение» (Санкт-Петербург, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2012 г.), 6 Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в 21 веке» (Санкт-Петербург, НИУ ИТМО, 2013), научно-

технических семинарах кафедры теоретической и общей электротехники ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» с 2010 по 2014 гг. Разработка «Термоэлектрический полупроводниковый термостат для хранения и перевозки медицинских препаратов и биоматериалов» удостоена золотой медали Московского международного салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2012» (Москва), а «Термоэлектрический термостат для хранения и перевозки биоматериалов» завоевала серебряную медаль выставки «ЗШ7 2013» (г. Сеул, Южная Корея). Разработанные в диссертационной работе принципы, математическая модель, а также устройства внедрены в практику ООО «Целитель», а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 9 статей, 6 докладов и тезисов докладов научных конференций.

Объем и структура диссертации. Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы и приложение. Работа изложена на 124 машинописных страницах, содержит 57 рисунков и 1 таблицу. Список литературы включает в себя 158 наименований.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе «Современное состояние в области хранения и перевозки биологических материалов» охарактеризованы существующие на сегодняшний день методы и средства хранения и транспортировки биологических материалов, реализующие так называемую долгосрочную и краткосрочную консервацию. Долгосрочная криоконсервация биоматериалов осуществляется при температурах порядка - 130 °С и ниже и производится только за счет использования жидкого азота. Краткосрочная консервация (не более 10-12 ч.) реализуется в диапазоне температур от -40 до -10 °С без потери важных свойств объекта хранения. В качестве технических средств, используемых для краткосрочной консервации выделяются системы воздушного, жидкостного, испарительного охлаждения, парокомпрессионные и абсорбционные холодильные машины, а также приборы на основе теплоаккумулирующей способности ряда веществ. К недостатками указанных аппаратов относятся их значительные габаритные размеры, относительно низкая эффективность, а также точность статирования температуры биологического объекта. Другим недостатком перечисленных систем является невозможность консервации и перевозки в одном устройстве нескольких видов биологических материалов, имеющих разную температуру хранения.

На основе анализа литературных источников выявлено, что для условий реализации краткосрочной консервации биологических субстанций, связанной прежде всего, с их перевозкой, эффективным будет использование ТЭС, имеющих малые габаритные размеры, надежность, обладающих универсальностью, относительно неограниченным ресурсом работы, а также высокой экологичностью.

Предложена обобщенная структурная схема прибора, приведенная на рисунке 1. В указанной системе исполнительными элементами являются ТЭБ 1, охлаждающие контейнеры 2 с помещенными в них биологическими материалами 3. Причем для отдельно взятого контейнера с биологической субстанцией определенного вида применяется ТЭБ, обеспечивающая температурный режим хранения именно этого объекта. В рассмотренной системе предполагается применение ТЭБ каскадного исполнения. Отвод теплоты от ТЭБ осуществляется посредством системы теплоотвода 4, выполняемой воздушной, жидкостной, а также с использованием различного рода тепловых аккумуляторов. Для устранения теплопритоков из окружающей среды применяется теплоизоляция 5.

С учетом проведенного обзора сформулирована цель диссертационной работы, а также поставлены соответствующие задачи.

Во второй главе «Математическая модель термоэлектрической системы для краткосрочного хранения и перевозки биологического материала» рассмотрены тепловая и математическая модели разработанной ТЭС для краткосрочного хранения и транспортировки биологических материалов.

В соответствии со структурной схемой системы, ее тепловая схема может быть представлена в виде, изображенном на рисунке 2, где в общем случае каждый ¡-ый (¡=1,2,...и) биологический материал БМ, 1 в соответствующей упаковке 2 помещен в камеру 3, заполненную высокотеплопроводным материалом 4. С дном каждой ¡-ой камеры приведена в хороший тепловой контакт ТЭБ, имеющая холодопроизводительность q•IэБ• В зависимости от температурного режима в камере ТЭБ могут иметь каскадное исполнение.

Согласно представленной схеме при составлении

математической модели задачи может быть рассмотрен только один фрагмент системы, включающий в себя биологический материал, его упаковку, высокотеплопроводный материал, камеру,

характеризующуюся наличием на нижней поверхности теплового потока от ТЭБ. Исследование

■О-_&_-0- системы при хранении нескольких

I / ^ биологических материалов может

быть осуществлено по той же модели с учетом геометрических Рисунок 1-Структурная схема ТЭС для размеров камер и соответствующих

краткосрочного хранения и перевозки величин ХОЛОДОПрОИЗВОДИТвЛЬНОСТИ

биологических субстанции

остальных ГЭБ.

В соответствии с изложенным может быть рассмотрена упрощённая модель системы, включающая в себя только один фрагмент тепловой схемы, изображенный на рисунке 3. При этом предполагается, что передача теплоты в системе осуществляется только за счет теплопроводности.

Математическая формулировка задачи расчета температурного поля данной системы имеет следующий вид:

дг т дгу

+ а,

д Т,

дх

ду

при X, уе £>/,

Емкость-Для хранения БМ1

и//////»/;///,/;///.

/

БМп/

9.7777.''

\У>/////////77///////7Л

Емкость для хранения БМп

! \

Рисунок 2 -Тепловая схема системы для хранения и перевозки биологического материала

В,

а

БМ

Рисунок 3- Расчетная схема фрагмента системы для хранения и перевозки биологического материала

д2 т, -+ а2 а2т, Ф2 д ^ д т при х.уе 02,

э2 т3 Эх2 + дг т3 д т3 д г при X, у 6 Дь

З2т4 + - н д ^ д г при х, у е Бф

Краевые условия: £ II = т3=т4= Тср при г = 0

О)

д т,

Я, —-— = 0 при х=0; 0<у<у7, дх

д Т .

Я, —г- = 0 при х=х7; 0<у<у7,

ох

д Т, дТ,

Я, —-— = Я2 —— при х=х1; у,<у<у6, ох ах

д Т, дТ

Я2 —-—= Я —— при х=х2; у2<у<у5, ох ох

д Т, дТ.

Я3 —г—= Я4 —-— при х=х3; Уз<У<У4, ох ох

д Т3 ЭТ,

Хл = Я3 ^ при х=х4; у3<у<у4, (2)

, ат, э т2

Я , - = I, ' при х=х5; у2<у<у5,

д Т2 д Т, я2 —- = я —- приХ=х6;у,<у<у6,

С/Л (/л

д т.

Я, - = я „Б при У=°; 0<х<х7,

д Т, д Т

я, —— = Я2 —— приучу,; х,<х<х6, ду ду

д т, а т

Я —-—= Я, —— при у=у2; х2<х<х5, ду оу

д Т, Э Т.

Я3 —— = Я„ —— приу=у3; х3<х<х4, ду ду

ат, э т3

Я, - = Я, — приУ=У4, х3<х<х4,

з т3 д тг

я, = я2 при у—ух2<х<х5,

д Т2 д Т, Я2 —г-= я,—— при У~У б! Х]<х<хб,

ду ду

д Т,

Я, = а, СТ , - Т , ) приу=у7;0<х<х7,

где Ть Т2, Т3, Т4 — температуры камеры, высокотеплопроводного материала, упаковки и биологического материала; а1: а2, а3, а4 — коэффициент температуропроводности камеры, высокотеплопроводного материала, упаковки и биологического материала; Я/, Я2, Х3, Х4 — коэффициент теплопроводности камеры, высокотеплопроводного материала, упаковки и биологического материала; а -коэффициент теплообмена с окружающей средой; т - температура окружающей среды.

Двумерная формулировка задачи справедлива для случая полной тепловой изоляции боковой поверхности камеры, что в большинстве случаев соответствует практической реализации прибора.

Решение задачи (1)-(2) осуществлено численным

методом конечных элементов.

Расчет проводился в соответствии с требуемыми режимами краткосрочного

хранения биологического

материала: температурный

уровень — от -10 до -40 °С, предельная продолжительность хранения — до суток, возможность быстрого нагрева биологического объекта перед началом работы с ним.

10! 11

Рисунок 4 - Модель блока ТЭС с конечно-элементной сеткой и геометрическими размерами

Геометрические размеры

фрагмента ТЭС, содержащего одну емкость с биологическим объектом и наложенной конечно-элементной сеткой приведены на рисунке 4. Размеры даны в сантиметрах.

За исходные принимались следующие данные: Вт/(мК), Л2 = 40 Л, = 0,439 Вт/(м-К), Дж/(кгК), С, = 700 С, = 3458 Дж/(кг-К),

Я, = 45,4 Вт/(м-К), С, =480 Дж/(кг-К), р, = 7850 р3 = 1041 наличием

Рисунок 5 - Двумерное температурное поле фрагмента ТЭС в стационарном режиме при ятэб = 30<>0 Вт/м2

кг/м3, р2 = 2000 кг/м3, кг/м3, Тср = 295 К,

упаковки биологического

материала для упрощения расчетов пренебрегали.

На рисунке 5 представлено двумерное температурное поле

АТ<К)

-1-- —1—

\

\

\

\ 1

♦

X.

. 1 . 1

фрагмента ТЭС в стационарном режиме при плотности теплового

ТЭБ qT3B получены

= 3000 Вт/м .

потока

Также получены одномерные распределения температуры в системе вдоль ее поперечной и продольной осей при различных величинах яТЭБ.

Согласно расчетным данным изменение температуры по стенке емкости незначительно (десятые доли градуса), что связано с высоким коэффициентом

теплопроводности материала и ее малой толщиной. Изменение температуры в теплопроводном наполнителе и материале носит параболическому, температуры

биологическом вид, близкий к Минимум в центре

10 20 30 40 50 6С я, В1/М£

Рисунок 6 - Изменение разности температур между биологическим материалом и внутренней поверхностью стенки емкости для его хранения от величины эффективного коэффициента теплопроводности материала наполнителя

биологического материала (у=5,5 см) в соответствии с расчетами приходится на центральную ось ТЭС и при цТЛ1 = 5000 Вт/м2 составляет 242 К, я ^ =4000 Вт/м2 = 3000 Вт/м2 -258 К.

- 250 К, ЧтэБ

При этом, если рассматривать изменение температуры вдоль центральной продольной оси (х=7,5 см), в пределах биологического материала она практически не изменяется.

Представляет интерес оценка потерь по используемому в ТЭС наполнителю. Согласно полученным данным, приведенным на рисунке 6 и отражающим изменение разности температур между биологическим материалом и внутренней поверхностью стенки емкости для его хранения от величины эффективного коэффициента теплопроводности материала наполнителя, следует, что указанная разность температур существенно зависит от материала наполнителя. Так, в соответствии с представленными данными, увеличение коэффициента теплопроводности с 10 до 60 Вт/м-К уменьшает данный перепад температур с 8 до 1 К. Данное обстоятельство определяет необходимость применения в ТЭС специальных наполнителей, увеличивающих эффективную теплопроводность пространства между стенкой емкости для хранения биологической субстанции и собственно биологическим материалом.

Для анализа динамических характеристик ТЭС исследовано изменение температуры различных точек системы прибор-объект воздействия во времени при

286 г«

278 276 274

г« 262 26С 258 256 2Я 252

различных величинах тепловой нагрузки на боковых гранях. На рисунке 7 приведены графики зависимости изменения во времени температуры

контрольных точек системы: вблизи с ТЭБ, биологического объекта, вблизи стенки емкости -при цгж = 4000 Вт/м2. Согласно результатам расчета

продолжительность выхода

прибора на стационарный режим работы лежит в пределах, сопоставимых с существующими аналогами. Для случая, соответствующего рисунке 7, время, ' необходимое для стабилизации температуры

биологической субстанции,

составляет примерно 1,2 часа. Данное обстоятельство

необходимо учитывать при использовании ТЭС на практике, то есть целесообразным является включение прибора до помещения в него

биологического материала с целью вывода его на рабочий режим.

При этом увеличение мощности ТЭБ вплоть до

максимального значения, соответствующего оптимальной величине тока питания, понижает температуру всех точек системы прибор - биологический объект. Например, при значениях = 4000, цгж = 4350, дГ1Ь = 4500 Вт/м2 температура биологического материала снижается соответственно до 250, 248, 244 К.

Дальнейшее увеличение силы тока вызывает превалирование теплоты Джоуля над теплотой Пельтье в термоэлементах, увеличивающее температуру объекта воздействия. Таким образом, при фиксированной температуре горячих спаев ТЭБ предельное снижение температуры каждой точки устройства и биологического объекта ограничено величиной оптимального для данного типа ТЭБ тока питания. Получить более глубокое снижение температуры в системе можно уменьшив температуру горячих спаев ТЭБ за счет использования специальных систем теплосъема.

1.......-......

\

\

\

\

(\

■

1 \

1 ч

1 N

1 /

1 3

\

\

\\

\\

2 -1

/

Рисунок 7- Изменение во времени температуры в контрольных точках ТЭС при =4000 Вт/м2 1 - х=7,5 см., у=1,5 см.; 2 - 1 - х=7,5 см., у=5,5 см.; 3 - х=0,5 см., у=5,5 см.

-

Рисунок 8 - Двумерное температурное поле фрагмента ТЭС, включающего в себя 2 емкости с

биологическими материалами в стационарном режиме; охлаждение левой емкости однокаскадной

ТЭБ с = 5100 Вт/м2; охлаждение правой емкости двухкаскадной ТЭБ с =6300 Вт/м'

О 2 4 6 Я 11) 12 14 1Б 1В 20 22 24 26 2Й 30

Чем)

Рисунок 9 - Изменение температуры фрагмента ТЭС, включающего в себя 2 емкости с биологическими материалами в стационарном режиме: охлаждение левой емкости однокаскадной ТЭБ охлаждение правой емкости двухкаскадной ТЭБ 1- qTЭБI = 5100 Вт/м2, д„Б2 = 6000 Вт/м2; 2-

чтэб! = 5400 вт/м2> ятэб! = 6300 вт/м2; 3" чгзб1 = 5800 вт/м2. ятэб2 = вт/м2

Также при анализе характеристик исследуемой ТЭС представляет интерес учет взаимного влияния на

температурный режим

нескольких биологических

материалов, хранящихся при различных температурах.

Данную ситуацию иллюстрируют данные, представленные на рисунках 8-9, где на рисунке 8 представлено двумерное

температурное поле фрагмента ТЭС, содержащего две емкости с биологическими субстанциями, имеющими различную

температуру хранения, а на рисунке 9 соответственно одномерное температурное поле вдоль центральной продольной оси данного фрагмента. Согласно приведенным данным взаимное влияние двух контейнеров с различным уровнем температур при принятой толщине теплоизоляции незначительное. Потери составляют не более 2-3 К при максимальном снижении температуры в контейнерах до 220-230 К.

Как показывают данные, при использовании

двухкаскадной ТЭБ возможное снижение температуры

биологического объекта

составляет 222 К при величине плотности теплового потока ТЭБ 6900 Вт/м2, аналогичные данные однокаскадной ТЭБ,

поддерживающей температурный режим в соседней емкости составляют 237 К при 5800 Вт/м2.

По найденным величинам холодопроизводительности ТЭБ может быть произведен расчет их

параметров в соответствии со стандартными методиками, изложенными, например, в работах Анатычука Л.И., Коленко Е.А. и Вайнера А.Л.

Другим путем может являться подбор стандартных термоэлектрических модулей, выпускаемых известными производителями в соответствии с их программным обеспечением для конкретных условий эксплуатации. Для разработанной системы нами был произведен подбор стандартных ТЭМ инженерно-производственной фирмы Криотерм, удовлетворяющих необходимым значениям холодопроизводительности и условиям эксплуатации.

Для подтверждения результатов теоретических исследований в третьей главе «Экспериментальные исследования термоэлектрической системы для краткосрочного хранения и перевозки биологического материала» были проведены экспериментальные исследования опытного образца системы.

Исследование процессов теплообмена производилось на макете ТЭС, содержащем теплоизолированный от окружающей среды корпус с крышкой. Корпус содержит камеру, разделенную на два теплоизолированных отсека. Дно каждого из отсеков находится в хорошем тепловом контакте с ТЭБ. При этом первый отсек сопряжен с однокаскадным ТЭМ типа TURBO- 1,3-ParaIlel, а второй - с двухкаскадным ТЭМ типа ТВ-2-(127-127)-1,15. Теплосъем с горячих спаев ТЭМ производится за счет воздушного теплоотвода, состоящего из плоской радиаторной системы и вентиляторного агрегата. В процессе натурных испытаний в каждом из отсеков располагался имитатор биологического материала - желатиновое желе.

Для измерения температуры в контрольных точках системы использовались медь-константановые термопары, опорные спаи которых размещались в сосуде Дьюара. Сигналы с термопар посредством многоканального переключателя поступали на соответствующий измерительный комплекс. Экспериментальные данные выводились на ПЭВМ, связанную с измерительным комплексом интерфейсом связи RS-232. В качестве измерительной системы использовался комплекс ИРТМ 2402/ МЗ. Питание ТЭБ осуществлялось от управляемого источника электрической энергии, значение силы тока и падения напряжения в цепи которого контролировалось встроенными в него вольтметром и амперметром.

На основе созданного опытного макета и экспериментального стенда был проведен ряд опытов, дающих возможность судить об адекватности математической модели ТЭС для краткосрочного хранения и перевозки биоматериалов. Основной задачей при проведении натурных испытаний опытного образца ТЭС являлось определение закономерности изменения температуры в контрольных точках системы во времени при определенных значениях силы тока питания ТЭМ, применении различного рода наполнителей камер с биоматериалом и изменяющихся условий окружающей среды. Осуществлялось сравнение полученных результатов измерений с расчетными данными для проверки правильности математической модели.

В процессе проведения эксперимента получены данные о температуре имитатора биоматериала в контрольных точках, а также изменении ее значения во времени при различных величинах токах питания двухкаскадной ТЭБ. Указанные

зависимости позволили оценить значения температурных уровней хранения биоматериалов при применении конкретного типа ТЭМ. В соответствии с результатами эксперимента повышение тока питания каждой из ТЭБ до его максимального значения уменьшает температуру биологического материала. Так, увеличение силы тока питания двухкаскадной ТЭБ с 4 до 8 А понижает температуру биоматериала с 266 до 257 К, для однокаскадной ТЭБ повышение тока питания с 3 до 7 А уменьшает температуру биоматериала с 270 до 261 К.

На температурный режим биологического материала сильно влияет теплообмен в соответствующем отсеке для его хранения. При отсутствии наполнителей в контейнере для хранения биологической субстанции в основном имеет место естественный конвективный теплообмен между холодными стенками контейнера и биоматериалом. Соответственно в системе имеет место значительная разность температур между рабочими (холодными) спаями ТЭБ и биологическими материалами. Для уменьшения ее величины рациональным является использование различного рода наполнителей, дающих возможность интенсифицировать теплообмен в отсеке. В качестве наполнителей были рассмотрены сотовые конструкции, выполненные из меди и алюминия, вводимые в пространство отсека для хранения биологического материала. В соответствии с измерениями введение данных наполнителей в отсеки с биологическим материалом существенно снижает разность температур между ними стенками камеры и биологическим объектом. Так, использование сотовой конструкции из алюминия уменьшает температуру имитатора биологического материала на 4,5 К, сотовой конструкции из меди — примерно на 6,5 К по сравнению с применением ТЭС без них. Из результатов измерений следует полное соответствие теоретических выкладок практике, говорящее о необходимости увеличения коэффициента теплоотдачи в камере ТЭС для хранения биологических субстанций. В случае, когда нет существенных ограничений по массогабаритным показателям конструкции ТЭС, наиболее приемлемым вариантом будет являться заполнение пространства камеры системы медной, либо алюминиевой крошкой.

Надежная и бесперебойная работа ТЭС во многом будет зависеть от эффективности съема теплоты с опорных спаев ТЭМ. С этой целью на экспериментальном стенде сняты данные об изменении температуры ребристого радиатора, отводящего теплоту от ТЭБ, во времени для различных значений тока питания последней. В соответствии с полученным данными следует, что значение температуры горячих спаев ТЭБ находится в вполне приемлемых пределах для применяемого типа (при силе токе питания двухкаскадной ТЭБ, равном 7 А, температура ее горячего спая составляет приблизительно 312 К). Указанное обстоятельство определяет наличие достаточно эффективного съема теплоты в рассматриваемых условиях с горячих спаев ТЭБ и дает возможность говорить о надежной работе созданной системы при перевозке биоматериала.

По результатам натурных испытаний ТЭС произведено сопоставление теоретических и экспериментальных данных. В соответствии с ним наибольшее расхождение расчетных и опытных данных не превышает 7-7,5 °С. Максимальное отклонение расчетных данных от измерений наблюдается на промежутке времени, связанном с выходом системы в стационарный режим.

Данное обстоятельство определяется влиянием условий окружающей среды, а также неидеальной тепловой изоляцией системы и некоторым разбросом характеристик ТЭМ и измерительного оборудования.

В четвертой главе «Конструктивные варианты термоэлектрической системы для краткосрочного хранения и перевозки биологического материала» описаны конструкции ТЭУ для краткосрочного хранения и перевозки биологических материалов. Внешний вид первого варианта прибора приведен на рисунке 10. Устройство содержит теплоизолированный корпус с крышкой. Внутри корпуса находится изолированная от окружающей среды камера, имеющая отделенные друг от друга ■^щкмв^^мм^Н теплоизолированные отсеки, сопряженные с У^Н § *ШК£2ЯЖ\ « ^И

каскадами ТЭБ. Отсеки камеры в .__^

зависимости от требуемого температурного ^-

уровня приводятся в тепловой контакт с . ,

различными каскадами ТЭБ. В Н| Д ! ^М

стационарных условиях отвод теплоты от М^КщБ^шЦЗ • т-Яг. горячих спаев ТЭБ осуществляется съемным жидкостным теплообменным аппаратом, располагаемым в нижней части корпуса

термостата. Во время транспортировки Щ^^^ШШ^Я^^^^Ш'

жидкостной теплообменный аппарат '

заменяется наполненным радиатором с плавившимся рабочим веществом.

Второй вариант устройства отличается от первого тем, что для отвода теплоты от горячих спаев ТЭБ используется компрессионная холодильная машина.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.

Рисунок 10 - Внешний вид опытного образца ТЭС для хранения и транспортировки биологического материала

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При решении поставленных в диссертационном исследовании задач, получены следующие результаты:

1. На основе критического анализа современных методов консервации биологических субстанций установлена целесообразность применения для их краткосрочного хранения и транспортировки ТЭС, отличающихся высокой экологичностью, надежностью, универсальностью, а также значительным ресурсом работы.

2. Предложена ТЭС для краткосрочного хранения и транспортировки биологических субстанций, реализованная на базе каскадной ТЭБ, дающая возможность одновременной транспортировки нескольких типов биологических объектов, имеющих разные температуры хранения.

3. Разработана математическая модель, дающая возможность всестороннего исследования режимов работы предложенной ТЭС, реализованная путем решения двумерной нестационарной задачи теплопроводности, учитывающая сложную конфигурацию системы, а также наличие объектов с различными теплофизическими параметрами.

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 ТЭС с биологическим материалом, а также зависимости изменения во времени отдельных контрольных точек системы, позволяющие осуществить анализ и подбор ее оптимальных характеристик.

6. Доказана адекватность созданной математической модели опытным путем, при этом сопоставление экспериментальных и расчетных данных показало, что их расхождение не превышает допустимых значений.

7. Разработаны конструкции ТЭУ для краткосрочного хранения и транспортировки биологических субстанций, обеспечивающие стабильное поддержание температурного режима биологических объектов на различных уровнях.

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

Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в следующих работах: I. Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных

журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией:

1. Миспахов И.Ш. Математическая модель термоэлектрической системы для краткосрочного хранения и перевозки биологического материала / И.Ш. Миспахов, Д.А. Магомедов // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. — 2012. — № 26. — С. 7—15.

2. Миспахов И.Ш. Экспериментальные исследования термоэлектрической системы для краткосрочного хранения и перевозки биологического материала / Т.А. Исмаилов, И.Ш. Миспахов, О.В. Евдулов, М.А. Хазамова // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. - 2013. -№ 31. - С. 7-13.

3. Миспахов И.Ш. Исследование теплофизических процессов в системе краткосрочного хранения и транспортировки биологических материалов / Т.А. Исмаилов, И.Ш. Миспахов, О.В. Евдулов, М.А. Хазамова // Вестник Международной академии холода. - 2014. — № 3. — С. 10-14.

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

4. Пат. 2416769 Рос. Федерация, МПК7 F25D 3/14, F25B 21/02.Термоэлектрический термостат для хранения и перевозки биоматериалов / Исмаилов Т.А., Миспахов И.Ш., Евдулов О.В., Юсуфов Ш.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет». — №2009114085/21; заявл. 13.04.2009; опубл. 20.04.2011, Бюл.№11.-5с.

5. Пат. 2415660 Рос. Федерация: МПК7 A61G 11/00, F25D 3/00, Термостат для хранения и транспортировки биологических субстанций / Исмаилов Т.А., Миспахов И.Ш., Юсуфов Ш.А., Гаджиев A.M.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет». - №2009124737/12; заявл. 29.06.2009; опубл. 10.04.2011,Бюл.№10.-5с.

6. Миспахов, И.Ш. Термоэлектрический медицинский термостат / Т.А. Исмаилов, Ш.А. Юсуфов, И.Ш. Миспахов // Измерение, контроль, информатизация: материалы 10 Международной научно-технической конференции - Барнаул: АГТУ, 2009. - С. 162-163.

7. Миспахов, И.Ш. Расчет теплового режима термоэлектрического устройства для транспортирования биологических материалов / Т.А Исмаилов, И.Ш. Миспахов, О.В Евдулов II Термоэлектрики и их применение: материалы XIII межгосударственного семинара. - СПб: ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2013.-С. 502-507.

8. Миспахов, И.Ш. Термоэлектрическая система для перевозки биологических субстанций, имеющих различные температуры хранения / Т.А. Исмаилов, И.Ш. Миспахов, О.В. Евдулов, М.А. Хазамова // Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке: материалы VI Международной научно-технической конференции - СПб.: НИУ ИТМО, 2013. - С 192-195

9. Миспахов, И.Ш. Термоэлектрический термостат / Т.А. Исмаилов, М.А Хазамова, И.Ш. Миспахов // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: материалы XV Международного молодежного форума, — Харьков: ХНУРЭ - 2011. - С. 289-290.

10. Миспахов, И.Ш. Термоэлектрические контейнеры для транспортировки медико-биологических объектов / Ш.А. Юсуфов, И.Ш. Миспахов // Сборник тезисов докладов XXIX итоговой НТК преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ. - Махачкала: ДГТУ, 2008. -С. 19.

11. Миспахов, И.Ш. Термоэлектрический термостат для хранения биоматериалов / Ш.А. Юсуфов, И.Ш. Миспахов// Термоэлектрики и их применение: материалы XI межгосударственного семинара. - СПб: ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2008. - С. 440-442.

12. Миспахов, И.Ш. Термостат для хранения транспортировки биологических субстанции / Ш.А. Юсуфов, И.Ш. Миспахов // Наука и технологии: краткие сообщения XXX Российской школы, посвященной 65-летию Победы. — Екатеринбург, 2010. - С 136-138.

13. Миспахов, И.Ш. Термостат для хранения и транспортировки биологических субстанции / Ш.А. Юсуфов, И.Ш. Миспахов // Термоэлектрики и их применение: материалы XIII межгосударственного семинара. - СПБ.: ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2010. - С. 511-514.

14. Миспахов, И.Ш. Экспериментальный стенд для измерения рабочих характеристик термоэлектрического термостата для краткосрочного хранения и перевозки биологических субстанции / И.Ш. Миспахов, М.А. Хазамова // Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения: материалы IV Всероссийской научно-технической конференции. - Махачкала: ДГТУ, 2013. - С. 153-154.

15. Миспахов, И.Ш. Моделирование термоэлектрического термостата для краткосрочного хранения и перевозки биоматериалов // Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения: материалы IV Всероссийской научно-технической конференции - Махачкала: ДГТУ 2013.-С. 153-154.

Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме» Усл. печ. л-1,25. Заказ № 967 Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии "Радуга-1" г. Махачкала, ул. Коркмасова, 11 "а"