автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Выбор и обоснование параметров технологического процесса криотерапевтического воздействия

На правах рукописи УДК 621.628.362

003056775

МАЛЫШЕВА ТАТЬЯНА АЛЕКСЕЕВНА

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КРИОТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.04.03 Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения Специальность 01.04.14 Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2007 год

003056775

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Баранов Александр Юрьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сулин Александр Борисович

кандидат технических наук, доцент Прошкин Станислав Станиславович

Ведущая организация: СКТБ «БИОФИЗПРИБОР», Санкт-Петербург

2007 г.

Защита диссертации состоится в час на заседании диссертационного совета Д 212.234.01 при

ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий», 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, СПБГУН и ПТ, тел./факс 315-30-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан « » /77

2007г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук, профессор

Л.С. Тимофеевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы: Криотерапия - метод лечения, основанный на охлаждении поверхности кожного покрова человека. Широкий список медицинских показаний к применению криотерапии определяет потребность общества в специальной техники. Производство криотерапевтических систем долгое время развивалось спонтанно, без достаточного теоретического обоснования. Сложившиеся технологические решения крайне противоречивы и не поддаются систематизации. Существуют множественные примеры производства аппаратов с технологиями, не обеспечивающими лечебный эффект. Развитие производства криотерапевтических систем в России нуждается в четких и обоснованных технологических рекомендациях. С учетом высокого социального и гуманитарного значения эффективности технологии криотерапевтического воздействия, параметры охлаждения должны быть утверждены на уровне Министерства Здравоохранения и Социального Развития Российской Федерации. Исходя из этого, актуальность работы очевидна и обоснована.

Цели и задачи исследований: Исследования направлены на выбор и обоснование оптимальных значений основных технологических параметров процесса криогенного охлаждения, объектом которого является поверхность тела человека.

Для решения поставленной цели необходимо выполнить следующие исследования:

1. Выполнить обзор и анализ техники и технологии криотерапии, определить основные параметры технологического режима, сформулировать тепловую задачу охлаждения, условия эффективности и безопасности;

2. Разработать физическую и математическую модели объекта криогенного охлаждения, программное обеспечение для моделирования конвективного охлаждения;

3. Сопоставить охлаждение объекта традиционными теплоносителями и криогенным газом, выявить физические причины известных из практики преимуществ криогенного охлаждения, проанализировать влияние структуры объекта, определить диапазоны выбора значений технологических параметров;

4. Исследовать влияние температуры газа на охлаждение в условиях естественной конвекции;

5. Определить интервал оптимальных температур и временные параметры процесса охлаждения;

6. Исследовать влияние сочетаний различных значений температуры и скорости газа на результаты охлаждения в условиях вынужденного движения;

7. Определить оптимальные сочетания значений температуры и скоро-

сти газа, временные характеристики процесса охлаждения.

Идея работы: состоит в организации многофакторного численного эксперимента по исследованию нестационарной теплопередачи при конвективном охлаждении поверхности биологического объекта.

Научная новизна:

1. Впервые исследован процесс неразрушающего охлаждения поверхности тела человека в лечебных целях, определены физические основы эффективности охлаждения криогенным газом;

2. Выявлена нелинейная зависимость позитивных результатов от экспозиции охлаждения, определены минимальные и максимальные значения продолжительности охлаждения;

3. Определен диапазон оптимальных температур при охлаждении в условиях естественной газовой конвекции (120 К - 150 К);

4. Исследовано охлаждение в условиях вынужденной конвекции, определены оптимальные сочетания температуры и скорости криогенного теплоносителя;

5. Доказаны эксплуатационные преимущества аппаратов с вынужденной конвекцией криогенного газа;

6. Разработаны физическая и математическая модели объекта, учитывающие локализацию охлаждения, нелинейность начального распределения температур и наличие внутренних источников теплоты.

Практическое значение: Разносторонний анализ тепловых процессов, сопровождающих криогенное охлаждение, определил причинно - следственные связи между технологическими параметрами, обеспечил выполнение широкого круга исследований по оптимизации конструкции элементов криотерапевтических комплексов. Конкретизация технологических требований создали условия для производства конкурентоспособного криотерапевтического оборудования. Законодательное закрепление технологии криотерапии, на уровне МЗ и CP РФ, сдерживает распространение некачественной криотерапевтической техники, повышает безопасность пациентов. Внедрение разработанной технологии при производстве комплекса «КАЭКТ - 01 Крион» создало условия для экспорта оборудования за рубеж, в том числе в страны -производители аналогичной продукции.

Внедрение: результаты работы внедрены при производстве криотерапевтических комплексов «КАЭКТ-01 Крион» в ООО «НЛП КРИОН» (Россия). Рекомендованные значения основных технологических параметров утверждены МЗ и СЗ РФ. Результаты исследований используются при обучении студентов по специальности 140401 вСПбГУНиПТ.

Апробация работы. Материалы работы докладывались на международной конференции «Криогеника 2002», первой Приволжской конференции по криологии, международной конференции по криогенике в Праге в 2003г., международных конференциях «КриогенЭкспо 2004», «КриогенЭкспо 2005», междуна-

родных конференциях по криотерапии в Польше в 2004 и 2005 годах, 6 съезде физиотерапевтов РФ в 2006 году.

Публикации: Основные положения диссертации изложены в 9 печатных работах, в том числе 2 работах, опубликованных в изданиях, рекомендованных в ВАК.

Структура и объем работ: Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы, включающего в себя 63 названия (из них 7 на английском языке). Работа изложена на 153 машинописных листах, содержит 38 рисунков и 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Криогенная медицина, как новый быстроразвивагощийся раздел прикладной криогенной техники, относится к числу наиболее эффективных современных способов лечения и профилактики. Анализ современного состояния криотерапевтической техники показывает, что отсутствие обоснованных технологических требований является причиной производства значительного количества неэффективной и дорогостоящей техники. Поэтому, для дальнейшего развития криотерапевтического оборудования, расширения производства, экспорта, повышение доступности криотерапевтических услуг, важнейшее значение имеет обоснование оптимальных технологических параметров процесса охлаждения.

В конце 20 века были сформулированы основные положения физиотерапевтической теории криотерапии, которая описывает криотерапевтическое воздействие (КТВ) как метод дозированного охлаждения поверхности тела человека. Для оценки эффективности криотерапевтических систем применяют расчетное значение продолжительности эффективного действия:

* 20 X =/ \ -^—¡(К

1=0 (1Х=0 ~1п,ерм)

где: 1х=ц - текущая температура поверхности эпителия, 1терм = -2,5 °С -температура деструктивного поражения эпителия.

Безопасность обеспечивается ограничением наружной температуры

Г >- 2 °С, внутренней температуры >36 °С, где х2 - координата

внутренней границы теплоизоляционного (жирового) слоя объекта.

Тепловая задача криогенного охлаждения сводится к организации охлаждения поверхности объекта до температур диапазона -2°С<1г4 <+2 "С в условиях ограничения изменения температуры на заданной глубине многослойного объекта ? >36 °С ■

х~х2

Обзор современного состояния технологии криотерапии показал, что основной технологический параметр процесса охлаждения - температура газа

При установленных температурных ограничениях суммарный отвод теплоты с поверхности объекта к криогенному газу составляет 440 кДж/м2, а средний тепловой поток достигает уровня 4 кВт/м2.

Продолжительность охлаадения, с

Рис.2 Изменение температуры поверхности при различных способах охлаждения

Обращает на: себя тот факт, что расчетный тепловой поток в 40 раз превышает номинальную тепловую способность объекта 100 Вт/м2). Показано, что основным источником отведенной теплоты являются наружные слои объекта, т.е. температурные возмущения локализованы в периферийной части и не затрагивают центральную часть тела. Однозначно показано, что известные из практики лечебные эффекты криогенного газового охлаждения основаны на значительном перепаде температур между газом - теплоносителем и поверхностью объекта охлаждения. Благодаря градиенту температур, криогенное охлаждение остается интенсивным и в области L.o - Ттерм =270,5А".

В условиях свободной конвекции газа протекает технологический процесс групповых КТ комплексов. В действующих установках температура газа в процедурной кабине изменяется по времени и вертикальной координате Ттн=/(%У), нестабильность температуры является технологическим недостатком, основанным на несоответствии мощности системы охлаждения действительной величине тенлопритоков. Характер зависимости TmH—f(x,Y) является признаком конкретного технического решения. Для определения оптимальных технологических параметров процесса охлаждения, зависимость

не учитывалась. Полагалось Тти— const при tmw и

0< Г< Vmaf, поэтому результаты численного эксперимента не учитывают конструкцию криотерапевтического устройства и характеризуют технически недостижимое качество.

На процесс охлаждения влияет только один варьируемый параметр -температура газа Ттн. Допустимая продолжительность охлаждения ттах является функцией температурного режима. Диапазон варьирования температуры

газа от 90 до 180 К, шаг изменения 10 К. Вычисления продолжаются до тех

пор, пока соблюдаются условия: Т >27! К и Т > 309К. Экспери-

г=0 х~х2 г

мент позволил определить оптимальную величину Т„ш и Tmaj. Для выполнения эксперимента использована одномерная модель объекта охлаждения (рис.3).

Т, [>271К % „г Т, _„mltt>309K

Рис.3 Схема эксперимента по оптимизации температурного режима охлаждения в условиях естественной конвекции

В эксперименте использован объект охлаждения со среднестатистическими толщинами покровных слоев: х =0.002.«, * = 0,012.«, х - 0,05м .

I 2 max

Граничные условия на поверхности объекта охлаждения X = О определялись величиной f , которая учитывалась при вычислении коэффициент

тн ,}

теплоотдачи:а . — f(Tmn ., Т. ^ . ). Наряду с вычислением температурных полей исследованы тепловые явления процесса охлаждения на внешней стороне объекта: (¡х.0 . ~ /(т) и Qx=a,j ~f(r), а также перенос теплоты через

внутреннюю границу второго слоя q = fix) к О ,, ~J(t). Опре-

-X Jtifbj X JCi-rJ

делено количество теплоты, отведенное от первого и второго слоев объекта Q . = f(t), Q . = fit), подвод теплоты от внутренних источников

х=х2 1

Q* = J | qvdzdx . Эти вычисления позволяют охарактеризовать струк-

л=0 ^=0

туру источников теплоты, отведенной с поверхности объекта (см. рис. 4), Из гистограммы видно, что о составляет более 60 % от о , о - 32 %, под-

1 Пар 2

вод теплоты от внутренних источников составляет всего 1 % и 3 % подведено через покровные ткани. Таким образом, интенсивность охлаждения полностью исключает тепловыделяющую способность объекта, а продолжительность охлаждения зависит от теп л оакку мул иру ющей способности покровных слоев.

Рис. 4 Источнику теплоты, отведенной от поверхности объекта при охлаждении температурой 140 К

Результаты вычислений представлены в табл.1.

Таблица!

______Результаты численного эксперимента__

Вычисляемые параметры, единицы измерений Температура теплйноситеяя, К

90 100 но 120 130 140 150 160 170 180 216

11родояжитйльность охлаждения т„лд-,, с 43 57 74 96 124 159 193 200 208

Температура на поверхноет при т - т„щ, *С -2 -2 _2 -2 -2 -2 -0,9 2,9 6,3 9,4

Температура на границе слоев 1х-ч2 При Т = Тма, /с 36.7 36,6 36.6 36.5 36,4 36,2 36.0 36,0 36,0 . 36,0

Максимальный отвод теплоты с поверхности 1[, п при т = т„,„„ кВт-'м2 5,9 5,0 4.2 3,5 3,0 2,5 2,1 1,9 1,6 1.4

Макс и мал ьньт й отвод теплоты через границу слоев ц, при т - Вт/ м2 57 58 60 65 75 95 115 113 ПО 107

Общая потеря теплоты с поверхности ()х-_0 при т = 1,„„„ кДж'м2 278 310 340 374 407 446 462 416 373 333

Общий отвод теплоты через границу слоев при '% = Т-тш, КДЖ/М" 2 Л 3,1 4,1 5,4 7,3 10,2 13,6 14,0 М.4 14.9

Установлено, что при охлаждении объекта криогенным газом условие Гх=а » 27i А" наполняется при температурах Тт/ . < ! 50 К (см. рис. 5). Увеличение температуры от 90 до 140 К сопровождается ростом продолжительности охлаждения 43<immj < 160ся увеличение продолжительности охлаждения сопровождается снижением температуры в точке х=х2. При температуре газа ¡4(1 К « 309Л', т.е. внешний отвод теплоты имеет такую интенсивность, что температура в двух контрольных точках имеет минимально

допустимое значение. При более аысоко» температуре интенсивность отвода теплоты с поверхности сравнительно мала, поэтому процесс охлаждения затягивается т ( ^ > 200с, ч го приводит к недопустимому переохлаждению

внутренних слоен объекта Т = 309 К и прекращению эксперимента.

Рис.5 Изменения температуры поверхности объекта в жсперименто: с различном температурой теплоносителя

Распределение температур по глубине объекта (см. рис. 6) при охлаждении газом с температурой 160 К и Водой 273 К идентично. Исходя из сходства процессов, можно утверждать, что Б условиях естественной конвекции газовые среды с температурой T„nj > 15 О А" для реализации К ТВ не пригод-

Для практического применения не

пригодны к газовые среды с температурой менее 120 К, т.к. в этом случае (см. табл. !) интенсивность отвода теплоты велика и состояние 27! К

достигается слишком

быстро. Технология К ТВ основана на эффектах, возникающих при 27!= Тгщ01 . 275К . Предпочтением обладают варианты 130< ТШ11 < 140А, у которых график Tx^2 j =/(г) (см. рис. 5) имеет относительно пологий участок к интервале 271 ~ Тх . 215К (так называемом эффективном температурном интервале). Из понятия эффективного интервала вытекает новое представление о том, что КТВ состоит из двух фаз: бесполезной, с лечебной

а.

s £

ф 2 4 6 8 10 Расстояние oí поверхности i

Рис. 6 Распределение температур по слоям объекта на момент пиекпашения охлаждения

точки зрения, фазы охлаждения 275< Г.0; < 30Ж продолжительностью

и эффективной фазы 275 > Г1)е0 / = 271Л' продолжительностью

Длительность этапов зависит от интенсивности охлаждения. При температурах Тян > 150АГ охлаждение не переходит в эффективную фазу, при температурах Тт <) 20А' т^ -»0 (см. табл. 2).

Таблица?.

Продояжипклы¡ость периодов охлаждения

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

Подготовительны^, с Г„„4>, > 275 К 34 45 59 77 99 127 163 200 208

Стимулирующий, с 7\.0 , < Î75 К 9 12 15 19 24 32 31 - -

Общий, с 43 57 74 96 123 159 194 200 208

Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлением графика зависимости величиной т" - f{Tm) (см. рис, 7) с результатами, полученными независимыми исследователями на практике.

Рис. 7 График зависимости расчетного времени анальгетиче-ского действия криогенного охлаждения

Температуре I чзя, К

Кривая т*=/( Г,,,,,) имеет экстремум в точке 7т,=14Г) К. Хорошо согласуются данные независимых наблюдений и расчеты допустимой продолжительности охлаждения гИ[И =/( Т,„„) (см. рис. 8),

Введено дополнительное технологическое понятие - минимальное время КТВ при тп,п . = г^. При любых условиях г>гил. Рекомендован к

применению температурный интервал: 120 К < 7' <140 К.

Температура газа, К"

Рис.8 График зависимости т„ю, = /( TmiJ

В работе были исследованы процессы охлаждения поверхности биологического объекта в условиях вынужденной конвекции газа, которая наблюдается в аппаратах для индивидуальной криотерапии.

Рассматривалось 10 вариантов значений температуры и 10 вариантов значений скорости:

При 1 </< !0 Т =Т l+ATmJj-l),rae Т ,=90К, AT =10А'

тн,/=I тн

При 1<г< 10 fflra«=ömK.=1+Aco„„^-i;,rfle m =0,1 м/с, Аа> =0.1 м/с

mnz^X тн

Результаты численного эксперимента для 100 различных комбинаций варьируемых параметров представлены в таблицах. Условия прерывания эксперимента: Tr<tJ: =27 \К и _ =306К

Значения температуры поверхности при различных комбинациях параметров эксперимента приведены в табл. 3. Цель охлаждения =21 \К достигнута в 72 случаях, в остальных 28 вариантах причиной прекращения эксперимента стало переохлаждение внутренней границы Т = , . _ = 306К.

Таблица 3

Минимальная температура поверхности объекта, 'С_

Температура газа,К Скорость движения теплоносителя, м/с

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

90 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0

100 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2.0

110 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0

120 -2.0 -2,0 -2.0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0

130 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0

140 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0

150 -1,6 -1,8 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0

160 2.2 1.9 1.7 1.6 1.4 1,3 -2,0 -2,0 -2,0 -2,0

170 5.7 5.4 5,2 5,0 4,9 4,8 j 1,0 0,4 -0.1 -0,6

180 8,8 8,6 8,4 8,2 8.1 8,0 | 4,5 4,0 3,5 3,0

Из - за интенсификации теплообмена (при со > 0,7м/ с) диапазон температур, пригодных для реализации КТВ расширился до уровня 160К.

Практическую ценность представляют варианты с продолжительностью Tniox - 90 с (см. табл.4). С учетом этого число вариантов сокращается до 34, а диапазон температур ограничивается снизу на уровне 120 К. Из таблицы видно, что сравнительно низкие значения температуры 120 и 130 К можно применять при малых скоростях теплоносителя (при со < 0,3м/с). Наилучшим образом технологическим задачам КТВ соответствуют температуры 140 - 150 К, которые пригодны в сочетании с любой скоростью.

Таблица 4

Допустимая продолжительность охлаждения, с_

Температура газа, К Скорость движения теплоносителя, м/с

0,1 0.2 0,3 0,4 0.5 0.6 0,7 0,8 0,9 1

90 42 42 42 .36 35 33 32 31 30 30

100 .56 55 55 47 45 44 42 • 41 40 . 39

110 -п 72 71 70 59 57 55 53 51 50

120 93 92 91 90 75 72 70 68 66 64

130 120 118 117 115 115 92 89 86 83 81

140 153 151 149 147 146 117 112 109 105 102

150 192 192 191 189 187 148 143 13S 133 129

160 199 199 198 198 .198 197 182 175 169 163

170 206 206 205 205 205 204 196 195 194 193

180 214 214 213 213 212 212 203 202 201 200

Суммарный отвод теплоты с единицы поверхности объекта

г = г тяж

0. ч = о,/.: = должен превышать 400 кДж/м2, поэтому при та-

г = 0

ком ограничении число вариантов сократилось до 12 (см. табл. 5).

Таблица 5

Суммарный отвод теплоты с единицы объекта, кДж/м2

Температура газа, К Скорость движения теплоносителя, м/с

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0.9 1

90 277 276 275 259 256 252 249 246 243 241

100 308 306 305 288 284 281 277 274 271 268

110 339 337 336 335 313 309 306 302 298 295

120 371 369 368 367 343 . 339 334 331 327 323

130 404 402 401 400 398 369 364 360 356 352

140 441 438 437 435 434 401 396 391 387 383

150 471 475 476 474 473 436 431 425 420 415

160 424 427 430 .432 434 436 469 463 457 452

170 381 384 386 388 390 392 440 447 454 460

180 341 344 346 348 350 S52 396 402 409 415

Вынужденное движений газа повышает эффективность охлаждения (г увеличилось до 7 часов при варианте Т = 150 К. со =0 > м /с), что

■ * ГТТН 1КН '

наглядно иллюстрируется графиком, представленном на рис. 9

Рис. 9 ¡Увеличение аналь-гетического действия при вынужденном движении газа

И« MB lifl НО 15» !t.ft |7fl (80

Вынужденная конвекция представляет наибольший практический интерес, т.к. позволяет создавать компактные индивидуальные аппараты с высокой энерговооруженностью.

Общие выводы по работе:

1. Лечебные эффекты КТВ основаны на отводе теплоты с интенсивностью более 3 кВт/м* при температуре поверхности от 271 до 275К.

2. Охлаждение в условиях естественной конвекции эффективно при температурах 120 К 140 К и соблюдении временных Ограничений. Время

охлаждения составляет 90 < т <180с.

охя

3. На результаты и продолжительность КТВ влияет структура объекта. Следует уточняв ебщие рекомендации по температур по - временному режиму для каждого субъекта, поэтому организация КТВ в групповых установках нецелесообразна.

4. Вынужденная конвекция газа обеспечивает увеличение эффективности КТВ до 12%. Производство индивидуальных систем охлаждения перспективно, т.к. позволяет учесть субъективные отличия.

5. Для вынужденного движения газа можно выделять три группы режимов охлаждения;

• низкотемпературный режим с малой скоростью газа (Тти -120-1 ЗОЛ' &],,„ < 0.3-м/с) (групповые системы);

• среднетемпературный режим ( ТПШ = 140— i 5QR. 0,3 <(om¡¡ <0,7м/с) (индивидуальные системы);

• высокотемпературный режим (локальнее охладители).

)

6. Групповые системы с компрессионным охлаждением (Гтм=160 — 170К) и локальные охладители (Tm„=210 - 240К) не пригодны для КТВ.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Баранов А.Ю., Малышева Т.А. Моделирование нестационарного теплообмена в криомедицине // Вестник Международной Академии Холода. -М.: 2000, № 2.

2. Баранов А.Ю., Борисова Е.А., Малышева Т.А. Разработка технологии аэрокриотерапевтического воздействия // Тезисы докладов международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию СПбГУНиПТ. -СПб.: 2001.

3. Баранов А.Ю., Малышева Т.А. Моделирование изменений поля температур покровных тканей человека при криотерапевтическом воздействии //Сборник научных трудов «Медицинская криология» - выпуск 2: -Н.Новгород.: 2001

4. Баранов А.Ю., Малышева Т.А. Приходько C.B., Бургмистрова Е.С. Выбор и обоснование технологии аэрокриотерапевтического воздействия // Известия СПбГУН и ПТ, 2003 г, №2

5. Baranov A.Yu., Malycheva Т.А. Simulation of human skin tissues' temperature field changes under ciyotherapeutic effect // The VIII I1R International Conference Cryogenics, 2003.

6. Баранов А.Ю., Малышева T.A., Шлейкин А.Г., Ятманов А.Н., Коваленко И.М. Моделирование переноса теплоты при контакте покровных тканей теплокровных с криогенной газовой средой // Материалы XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, том II, 2005.

7. Баранов А.Ю., Баранов В.А., Малышева Т.А. Энергетические основы эффективности криотерапевтической аппаратуры // Физиотерапия, бальнеология и реабилитация №2 М.: Медицина, 2005.

Подписано к печати 19,03.07. Формат 60x80 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 3 0- экз. Заказ № 66. СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9 ИПЦ СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ОБЩАЯХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Постановка задачи исследований и выбор экспериментальной методики.

1.1. Физические основы лечебного действия и безопасности криотерапии.

1.2 Влияние выбора технологии на конструкцию и эффективность криотерапевтического комплекса.

1.3 Теоретические основы моделирования процессов охлаждения биологических объектов.

1.4 Постановка задачи исследований

ГЛАВА 2 Математическое и программное обеспечение эксперимента.

2.1 Физическая модель объекта охлаждения.

2.2 Математическая модель объекта охлаждения.

2.3 Программное обеспечение математического моделирования объекта охлаждения.

ГЛАВА 3 Исследование процесса охлаждения в криотерапевтических установках

3.1 Сопоставительный анализ охлаждения поверхности тела различными теплоотводящими средами.

3.2 Исследование процесса охлаждения в условиях естественной конвекции теплоносителя.

3.3 Исследование процесса охлаждения в условиях вынужденной конвекции теплоносителя.

Актуальность проблемы: Криотерапия - метод лечения, основанный на охлаждении поверхности кожного покрова человека. Широкий список медицинских показаний к применению криотерапии определяет потребность общества в специальной техники. Производство криотерапевтических систем долгое время развивалось спонтанно, без достаточного теоретического обоснования. Сложившиеся технологические решения крайне противоречивы и не поддаются систематизации. Существуют множественные примеры производства аппаратов с технологиями, не обеспечивающими лечебный эффект. Развитие производства криотерапевтических систем в России нуждается в четких и обоснованных технологических рекомендациях. С учетом высокого социального и гуманитарного значения эффективности технологии криотерапевтического воздействия, параметры охлаждения должны быть утверждены на уровне Министерства Здравоохранения и Социального Развития Российской Федерации. Исходя из этого, актуальность работы очевидна и обоснована.

Цели и задачи исследований: Исследования направлены на выбор и обоснование оптимальных значений основных технологических параметров процесса криогенного охлаждения, объектом которого является поверхность тела человека. Для решения поставленной цели необходимо выполнить следующие исследования:

1. Выполнить обзор и анализ техники и технологии криотерапии, определить основные параметры технологического режима, сформулировать тепловую задачу охлаждения, условия эффективности и безопасности;

2. Разработать физическую и математическую модели объекта криогенного охлаждения, программное обеспечение для моделирования конвективного охлаждения;

3. Сопоставить охлаждение объекта традиционными теплоносителями и криогенным газом, выявить физические причины известных из практики преимуществ криогенного охлаждения, проанализировать влияние структуры объекта, определить диапазоны выбора значений технологических параметров;

4. Исследовать влияние температуры газа на охлаждение в условиях естественной конвекции;

5. Определить интервал оптимальных температур и временные параметры процесса охлаждения;

6. Исследовать влияние сочетаний различных значений температуры и скорости газа на результаты охлаждения в условиях вынужденного движения;

7. Определить оптимальные сочетания значений температуры и скорости газа, временные характеристики процесса охлаждения.

Идея работы: состоит в организации многофакторного численного эксперимента по исследованию нестационарной теплопередачи при конвективном охлаждении поверхности биологического объекта.

Научная новизна:

1. Впервые исследован процесс неразрушающего охлаждения поверхности тела человека в лечебных целях, определены физические основы эффективности охлаждения криогенным газом;

2. Выявлена нелинейная зависимость позитивных результатов от экспозиции охлаждения, определены минимальные и максимальные значения продолжительности охлаждения;

3. Определен диапазон оптимальных температур при охлаждении в условиях естественной газовой конвекции (120 К - 150 К);

4. Исследовано охлаждение в условиях вынужденной конвекции, определены оптимальные сочетания температуры и скорости криогенного теплоносителя;

5. Доказаны эксплуатационные преимущества аппаратов с вынужденной конвекцией криогенного газа;

6. Разработаны физическая и математическая модели объекта, учитывающие локализацию охлаждения, нелинейность начального распределения температур и наличие внутренних источников теплоты.

Практическое значение: Разносторонний анализ тепловых процессов, сопровождающих криогенное охлаждение, определил причинно - следственные связи между технологическими параметрами, обеспечил выполнение широкого круга исследований по оптимизации конструкции элементов криотерапевтических комплексов. Конкретизация технологических требований создали условия для производства конкурентоспособного криотерапевтического оборудования. Законодательное закрепление технологии криотерапии, на уровне МЗ и CP РФ, сдерживает распространение некачественной криотерапевтической техники, повышает безопасность пациентов. Внедрение разработанной технологии при производстве комплекса «КАЭКТ - 01 Крион» создало условия для экспорта оборудования за рубеж, в том числе в страны -производители аналогичной продукции.

Внедрение: результаты работы внедрены при производстве криотерапевтических комплексов «КАЭКТ - 01 Крион» в ООО «НЛП КРИОН» (см. приложение). Рекомендованные значения основных технологических параметров утверждены МЗ и СЗ РФ. Результаты исследований используются при обучении студентов по специальности 140401 в СПбГУНиПТ.

Апробация работы: Материалы работы докладывались на международной конференции «Криогеника 2002», первой Приволжской конференции по криологии, международной конференции по криогенике в Праге в 2003г., международных конференциях «КриогенЭкспо 2004», «КриогенЭкспо 2005», международных конференциях по криотерапии в Польше в 2004 и 2005 годах, 6 съезде физиотерапевтов РФ в 2006 году.

Публикаиии: По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 2 работах, опубликованных в изданиях, рекомендованных в ВАК.

ВВЕДЕНИЕ

Криогенная медицина - новый быстроразвивающийся раздел прикладной криогенной техники. Основу для развития этого научно - практического направления составляют многочисленные специфические эффекты, связанные с изменением свойств биологических объектов при криогенных температурах. Широкое распространение получили такие отрасли криогенной медицины, как криоконсервации и криохирургии. В этих отраслях достигнуты значительные практические успехи, налажено производство отечественного оборудования и сформировались научные школы.

Иначе обстоят дела в такой области криогенной медицины, как криотерапия. Россия в течение длительного времени - с момента открытия криотерапевтического эффекта в 1965 году и до конца 80-х годов - являлась сторонним наблюдателем.

В настоящее время единого, принятого всеми определения, термина "криотерапия" не существует. Обычно криотерапию (КТ) понимают как совокупность физических методов лечения, основанных на применении низких температур для охлаждения тканей, органов или всего организма (греческое kryos-холод, therapya-лечение). Разные авторы при этом имеют в виду различные температуры. Поэтому мы считаем необходимым, определить КТ как группу физических методов лечения, основанных на отведении теплоты из организма.

Число публикаций, посвященных криотерапии за последние пять лет, значительно увеличилось, в отдельных странах в 3-8 раз (ФРГ, Япония, Болгария, Польша).

С технической точки зрения, криотерапевтические установки представляют собой наиболее перспективный класс медицинского оборудования. Во -первых, аппараты этой отрасли значительно дороже систем криоконсервации и криохирургии, поэтому производство криотерапевтических установок является высокорентабельным и быстро развивается. Во - вторых, криотерапевтические системы в большинстве случаях используют жидкий азот, поэтому их внедрение в отечественную медицину значительно расширяет сферу сбыта криопродуктов. Например, в 2006 году ежедневная потребность криотерапевтических установок Санкт - Петербурга составила до 25 тонн жидкого азота. В - третьих, как показала практика, зарубежные производители выбрали экстенсивный путь развития криотерапевтических систем, выпуская только групповые установки. В России, благодаря хронологическому отставанию и другим специфическим факторам, был избран другой путь развития криотерапевтических систем - производство индивидуальных аппаратов. Это направление оказалось гораздо перспективней, т.к. индивидуальные системы быстро вытесняют с рынка медицинской техники групповые аппараты.

Отечественное оборудование экспортируется в страны с развитым производством криотерапевтической аппаратуры (Польшу, ФРГ, Японию). Этот экономический успех в значительной степени основан на превосходстве технологического режима индивидуальных систем. По субъективным оценкам индивидуальные аппаратуры (криосауны) в 2 - 3 раза эффективней групповых аналогов.

В тоже время для дальнейшего развития криотерапевтического оборудования, расширения производства, экспорта, повышение доступности криотерапевтических услуг, важнейшее значение имеет обоснование оптимальных технологических параметров процесса охлаждения.

Поиск решений этой задачи, закрепление технологических рекомендаций в методических документах Министерства Здравоохранения и Социального Развития Российской Федерации, обеспечат условия для дальнейшего этой отрасли отечественной криомедицины.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

По результатам выполненных исследований можно сделать следующие общие выводы:

1. Известные из практики эффекты от применения криогенного охлаждения имеют под собой четкие физические основания. Только применяя криогенный газ, можно обеспечить отвод теплоты с интенсивностью не менее 3 кВт/м при температуре поверхности объекта от +2 °С до - 2 "С.

2. При проектировании криотерапевтических систем следует учитывать л то, что в ходе охлаждения объект выделяет 400 - 440 кДж/м теплоты, а средний тепловой поток составляет 3-3,5 кВт/м . Источником этой теплоты является не процесс метаболизма, а переохлаждение покровных слоев. Недооценка истинной величины тепловой нагрузки является причиной значительных колебаний температуры газа в действующих криотерапевтических системах.

3. Криогенное охлаждение в условиях естественной конвекции эффективно в пределах температурного диапазона 120 К + 140 К при обязательном учете временных ограничений. Минимальное время охлаждения составляет 90 с, максимальное - 180 с.

4. Выбор оптимальных параметров КТВ зависит от структуры покровных слоев объекта, поэтому на практике следует уточнять общие рекомендации по температурно - временному режиму для каждого субъекта.

5. Организация КТВ в групповых установках нецелесообразно из - за существенного влияния субъективных отличий на оптимальный технологический режим.

6. В условиях вынужденной конвекции газа КТВ становится эффективней на 10%. Поэтому наиболее перспективно производство индивидуальных систем, т.к. в этом случае проще учесть субъективные отличия, а интенсификация теплоотдачи позволяет синхронизировать охлаждение различных участков поверхности.

7. В условиях вынужденного движения криогенного газа можно выделить три группы сочетаний параметров охлаждения:

• низкотемпературный режим с малой скоростью газа

Ттн = 120-130/Г 0)тн < ОДм/с), который может реализоваться только в групповых системах;

• среднетемпературный режим ( = 140-15 Off 03 < сотн < 0,1м/с), который реализуется в индивидуальных системах;

• высокотемпературный режим (Готн «160А* сотн > 0,1м/с), предназначенный для локальных криотерапевтических охладителей.

8. Можно однозначно утверждать, что групповые аппараты с компрессионным охлаждением с рабочей температурой 160 - 170К не пригодны для выполнения задач КТВ.

9. Локальные охладители с рабочей температурой 210 - 240К также не соответствуют целям КТВ.

10. Системы криостатирования должны обеспечивать синхронный отвод теплоты от всей поверхности объекта КТВ. Для этого максимальный перегрев газа следует ограничивать величиной 10 К, а время установления температурного режима в процедурной кабине не превышать 30с.

11. При организации КТВ следует избегать ситуаций, связанных со большим отклонением параметров газовой среды от рекомендованных значений.

1. Антонов А.Н. Исследование теплообмена при охлаждении среды со сложной структурой. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МВТУ, 1983 16 с.

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

3. Архаров A.M., Афанасьев В.Н. Теплотехника. М: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана,2004 712с.

4. Баранов А.Ю. Газовая криотерапия. Мир медицины: № 10, 1997— с.50-51.

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

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

7. Баранов А.Ю., Малышева Т.А. Моделирование нестационарного теплообмена в криомедицине. Вестник Международной Академии Холода, № 2.2000- с. 38-41.

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

9. Баранов А.Ю., Борисова Е.А., Малышева Т.А. Разработка технологии аэрокриотерапевтического воздействия // Тезисы докладов международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию СПбГУНиПТ. -СПб.: 2001.

10. Ю.Баранов А.Ю., Малышева Т.А. Приходько С.В., Бургмистрова Е.С. Выбор и обоснование технологии аэрокриотерапевтического воздействия // Известия СПбГУН и ПТ, 2003 г, №2

11. Баранов А.Ю., Баранов В.А., Малышева Т.А. Энергетические основы эффективности криотерапевтической аппаратуры // Физиотерапия, бальнеология и реабилитация №2 М.: Медицина, 2005.

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

13. Бартон А., Эндхолм О. Человек в условиях холода. М.: Издательство иностранной литературы, 1959- 280 с.

14. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. Учебное пособие. М.: «Наука», 1987- 475 с.

15. Богданов С.Н., Бучко Н.А., Гуйго Э.И. Теоретические основы хладо-техники. Тепломассообмен. М.: Агропромиздат, 1986 320с.

16. Борзенко Е.И. Расчет и моделирование криогенных и массообмен-ных процессов: Учебное пособие. СПб: СПбГУН и ПТ, 1995 - 97с.

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

18. Бородич B.C., Вальвачев А.Н., Кузьмич А.И. Паскаль для персональных компьютеров. Мн.: Высшая школа, 1991 -364с.

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

20. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972 720с.

21. Вассерман А.А., Казавчинский ЯЗ., Рабинович В.А. Теплофизиче-ские свойства воздуха и его компонентов. М.: Наука, 1966 375 с.

22. Вальвачев А.Н., Крисевич B.C. Программирование на языке Паскаль для персональных компьютеров. Мн.: Высшая школа, 1989 223с.

23. Волков Е.А. Численные методы. М.: Наука, 1982 256 с.

24. Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И. и др. Теория тепломассообмена. М: Высшая школа, 1979 495 с.

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

26. Кафаров В.В. Основы массопередачи: Учебник для студентов вузов. М.: Высшая школа, 1979 439 с.

27. Кейс В.М. Конвективный тепло и массообмен. М. : Энергия, 1972-437с.

28. Кожевников И.Г., Новицкий JI.A. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. Справочник, Издание второе переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1982 282 с.

29. Комини, Дель Джиудиче. Тепловые аспекты криохирургии. Теплопередача, 1976- с. 8- 16.

30. Костадинов Д., Краев Т. Криотерапия. София, 1987- 98с.

31. Криотерапия. Научный обзор. ВНЦ медицинской реабилитации и физической терапии. М.: Б.И., 1997 10 с.

32. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена.Н: Наука, 1970 660с.

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

34. Максимов А.В., Кирьянова В.В. Аэрокриотерапия. Учебное пособие. СПб.: МАПО, 2000-20 с.

35. Максимов А.В., Кирьянова В.В. Аэрокриотерапия практическое применение. Сборник научных трудов "Медицинская криология", № 2, Н. Новгород, 2001 60 с.

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

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

38. Терновой К.С., Гассанов Л.Г., Земсков B.C. и др. Низкие температуры в медицине. Киев: Наукова Думка, 1980 280 с.

39. Научно технический отчет: биоткань, локальное криовоздействие, криогенная, хирургическая аппаратура, расчет. Архаров A.M., Антонов А.Н., Глухов С.Д., Жердев А.А., Чиванов С.В. М:МВТУ, 2006

40. Новотельное В.Н., Акулов А.А., Борзенко Е.И. Теплофизические свойства азота. Методические указания. Л.: ЛТИХП, 1988 29с.

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

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

43. Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. Л.: Энергия, 1968-303с.

44. Резницкий В.Г. Разработка метода криовоздействия на биоткань. Создание криохирургических систем и их применение: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МВТУ 1984. 243 с.

45. Рюттен Т., Франкен Г. Турбо Паскаль 7.0. Киев: Издательство Грифон, 1992-237с.

46. Справочник по физико техническим основам криогеники. Под редакцией Малкова М.П., М.: Энергоатомиздат, 1985 - 472с.

47. Суздальницкий Д.В., Баранов А.Ю. Аппаратура и средства для локальной криотерапии. Вопросы курортологии, № 4, 1999 с. 51- 53.

48. Таблицы стандартных справочных данных. Плотность, энтальпия, энтропия, изобарная теплоемкость жидкого и газообразного азота при температурах 70 1500 К и давлениях 0,1 - ЮОМПа. ГСССД 8-79. М.: Издательство стандартов, 1980- 11с.

49. Таблицы стандартных справочных данных. Воздух влажный. Теплофизические свойства в диапазоне 5-95 °С при давлении 99325 Па. ГСССД 125-88. М.: Издательство стандартов, 1988.

50. Турчак Л.И. Основы численных методов. М.: Наука, 1987- 319 с.

51. Чато, Шитцер. Моделирование тепловых процессов в теле человека. Некоторые уравнения стационарной теплопередачи. Ракетная техника и космонавтика, 1971 т.9, с.120 —125.

52. Цыганов Д.И. Разработка методики и определение теплопроводности биоткани в интервале температур 77-320 К: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МВТУ, 1986 142 с.

53. Шиман А.Г., Кирьянова В.В., Максимов А.В., Баранов А.Ю. Клини-ко-физиологические аспекты применения криотерапии. Вестник СПб Государственной Медицинской Академии им. И.И. Мечникова, № 1. 2001 27с.

54. Юшков П.П. Приближенное решение задач нестационарной теплопроводности методом конечных разностей. Труды института энергетики АН БССР, 1958- 159с.

55. Reinhart Е. Hormesis und die Bewertung kleinster Dosen von Wirkstof-fen. Biologishe Medicin. 1998 S.51 - 54

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

57. Schramek E. Taschenbuch fur Heizung und Klimatechnik, Auflage 1992, R. Oldenbourg Verlag, R. Oldenbourg Verlag, Munchen. Wien.

58. Perl W. Heat and Matter Distribution in Body Tissnes and Determination of Blood Flow by local Clearance Method/ J.Theoret.Biol, 1962. v.2 p.201-235.

59. Barron R.F., Heat transfer Problems in Cryosurgery. J. Cryosurgery, 1968, vol. l-p.316-325.

60. Baranov A.Yu., Malycheva T.A. Simulation of human skin tissues' temperature field changes under cryotherapeutic effect // The VIII IIR International Conference Cryogenics, 2003.