Выбор и обоснование технологии охлаждения многоместной кабины для общего криотерапевтического воздействия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Василенок Анна Владимировна

• Василенок Анна Владимировна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Василенок Анна Владимировна

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Современное состояние техники и технологии криостатирования процедурного пространства аппаратов для общего криотерапевтического воздействия

1.1 Эволюционное развитие систем охлаждения устройств для общей криотерапии

1.2 Выбор и обоснование темы и методики исследования

1.3 Теоретические основы моделирования переноса теплоты в

криотерапевтических системах

ГЛАВА 2. Математическое и программное обеспечение численного эксперимента

2.1 Физические модели элементов многоместного криотерапевтического устройства

2.2 Математическая модель объекта исследования

2.3 Программное обеспечение численных экспериментов

ГЛАВА 3. Обоснование выбора технологических параметров WBC

3.1 Исследование работы криотерапевтической установки с конвективным охлаждением рабочей зоны

3.2 Моделирование работы системы охлаждения многоместной криотерапевтической кабины

3.2.1 Исследование работы жидкостной системы охлаждения с использованием жидкого азота

3.2.2 Исследование работы жидкостной системы охлаждения с использованием сжиженного природного газа

3.3 Моделирование работы системы охлаждения с использованием в качестве

криоагента жидкого воздуха

Заключение

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А. Акт внедрения результатов диссертационного исследования

Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы

В последнее время резко увеличилась социальная востребованность процедур общего криотерапевтического воздействия, так как клиническая практика подтвердила высокую эффективность этой методики при реабилитации лиц, перенесших заболевание COVID-19.

Доступность криотерапевтических установок для населения ограничивается высокой стоимостью процедур, которая в значительной степени определяется затратами на приобретение криоагента - жидкого азота. Пандемия СОУГО-19 резко увеличила спрос на кислород, что вызвало ощутимый дефицит и подорожание жидкого азота. Совокупность этих негативных факторов сдерживает распространение криотерапевтических аппаратов в сфере профилактики заболеваемости COVID-19 и реабилитации лиц, перенёсших этих заболевание.

Диссертационное исследование направлено на разработку мероприятий способных устранить ограничения доступа населения к криотерапевтическим услугам. Поставленная цель может быть достигнута за счет широкого применения многоместных криотерапевтических установок, которые отличают относительно высокой пропускной способностью до 1000 процедур в сутки. Для того, чтобы эксплуатация таких установок стала рентабельной, необходимо модернизировать технологию охлаждения их низкотемпературной кабины и добиться существенного снижения удельных затрат криоагента на покрытие тепловой нагрузки. Снижение удельных затрат жидкого азота обеспечит сокращение эксплуатационных расходов, связанных с приобретением криоагента. Одним из возможных решений проблемы снабжения жидким азотом может быть использование в качестве криоагента альтернативных криопродуктов. Достижение намеченных целей создает условия для широкого доступа населения к высокотехнологичным медицинским услугам, имеющим высокое

профилактическое и реабилитационное значение, поэтому выбранная тема диссертационного исследования обладает высокой актуальностью.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор и обоснование технологии охлаждения многоместной кабины для общего криотерапевтического воздействия»

Цель работы

Целью исследования являются выбор и обоснование новых принципов работы систем охлаждения многоместных аппаратов для общего криотерапевтического воздействия. Новая технология отвода теплоты системой охлаждения многоместной криотерапевтической кабины должна обеспечить покрытие тепловой нагрузки, устойчивое криостатирование зоны WBC на оптимальном температурном уровне, а также возможность использования для покрытия тепловой нагрузки новых видов криоагентов.

Задачи исследования

Для достижения намеченной цели исследования необходимо решить следующие научные задачи:

1) Выполнить обзор современного состояния техники и технологии криостатирования зоны WBC, определить возможное направление оптимизации конструкции и технологии криостатирования;

2) Разработать математическую модель системы охлаждения зоны WBC пригодной для использования различных видов криоагента;

3) Интегрировать математическую модель системы охлаждения с математической моделью многоместного криотерапевтического устройства;

4) Исследовать альтернативные варианты отвода теплоты из рабочего пространства криотерапевтической установки, в том числе с использованием альтернативных видов криоагента;

5) Оценить удельные затраты энергии при реализации новых технологических режимов охлаждения рабочего пространства многоместных криотерапевтических установок.

Научная новизна работы

1) Усовершенствована уточненная физическая модель рекуперативного теплообменника системы охлаждения, описаны процессы переноса теплоты от криоагента к теплопередающей поверхности, вдоль оребрения, изменение уровня криоагента в трубном пространстве;

2) Разработана математическая модель жидкостной системы охлаждения рабочего пространства криотерапевтической установки с отводом тепловой нагрузки за счёт вынужденной конвекции газа теплоносителя, учитывающая кризисные явления кипения криоагента и тепловую инерцию теплопередающей конструкции

3) Исследована и обоснована возможность новых технологических решений задачи криостатирования рабочего пространства криотерапевтической установки на заданном температурном уровне, основанных на отводе теплоты к новым видам криоагента;

4) Исследована и обоснована энергоэффективность использования новых конструктивных и технологических решений в системе охлаждения многоместных криотерапевтических установок;

5) Показана эффективность использования контактного отвода теплоты парами жидкого воздуха из рабочего пространства криотерапевтической установки.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость состоит в:

1) Выборе и обосновании новых принципов организации процесса охлаждения низкотемпературной кабины при помощи жидкостной системы охлаждения;

2) Обосновании рекомендаций по изменению конструкции кабины многоместных низкотемпературных устройств для общего криотерапевтического воздействия, в частности исключение из состава устройства шлюзовой камеры;

3) Обосновании возможности использования в качестве криоагентов жидкостной системы охлаждения сжиженного природного газа при его регазификации в сеть с избыточным давлением не более 0,1 МПа;

4) Подтверждении энергоэффективности использования паров жидкого воздуха для отвода теплоты из многоместной низкотемпературной кабины, что позволяет снизить затраты криоагента до 4 кг на одного пациента.

Практическая значимость состоит в:

1) Разработке новых технологических решений для жидкостных систем охлаждения многоместных криотерапевтических аппаратов, основанных на вынужденном переносе теплоты потоком газообразного теплоносителя;

2) Всестороннем анализе и оптимизации режима работы систем такого типа, обоснование рекомендаций по выбору давления паров криоагентов;

3) Разработке практических рекомендаций по организации охлаждения многоместных криотерапевтических кабин, модернизации конструкции самих кабин, диверсификации снабжения жидкостных систем охлаждения криоагентом.

Результаты выполненного исследования восстанавливают

конкурентоспособность многоместных устройств для реализации общего криотерапевтического воздействия и демонстрируют возможность значительного увеличения доступности криотерапевтических услуг населению.

Положения выносимые на защиту

1) Методика моделирования тепловых процессов при охлаждении низкотемпературной кабины для общего криотерапевтического воздействия с использованием внешней системы жидкостного криостатирования;

2) Результаты исследования тепловых процессов при охлаждении низкотемпературной кабины для общего криотерапевтического воздействия при использовании различных видов криоагента;

3) Оптимальные параметры рекуперативного теплообменного устройства внешней системы жидкостного криостатирования;

4) Обоснование изменения технологического режима и конструкции многоместного криотерапевтического устройства.

Апробация работы

Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на ряде международных конференций:

1. The 3rd IIR conference on cold applications in life science - cryotherapy & cryopreservation, Университет ИТМО, 2018.

2. XLVIII Научная и учебно-методическая конференция университета ИТМО, Университет ИТМО, 2018.

3. VII Конгресс молодых ученых, Университет ИТМО, 2019.

4. IX Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», Университет ИТМО, 2019

5. XLIX Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО 2020.

6. IX Конгресс молодых ученых, Университет ИТМО, 2020.

7. L научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО 2021.

8. 11-ая международная научно-техническая конференция " Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства ", Омский Государственный Университет, 2021.

9. X Конгресс молодых ученых, Университет ИТМО, 2021.

10. III Международная научная конференция «Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития» SEWAN, Университет ИТМО, 2021.

11. X Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», Университет ИТМО, 2022.

12. 12-ая международная научно-техническая конференция "Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства", Омский Государственный Университет, 2022.

13. LI Научная и учебно-методическая конференция, Университет ИТМО, 2022.

14. XI Конгресс молодых ученых, Университет ИТМО, 2022.

Достоверность научных положений

Достоверность научных положений, изложенных в рамках данного диссертационного исследования, основана на применении ранее проверенных и отложенных программных продуктов, которые неоднократно применялись для проведения численных исследований в той же области науки. При выполнении отдельных элементов, отработанные программные продукты были дополнены оригинальными программными продуктами, разработанными на основе общепринятых теоретических положений и методов, полученных в результате интеграции программных продуктов. Математическая модель верифицирована путем сопоставления данных, полученных ранее независимыми исследователями с данными, полученными в рамках верификации эксперимента. Сопоставление показало качественное совпадение полученных результатов.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационного исследования внедрены:

1) В рамках работ, выполняемых по проекту №2 620151 «Выбор и обоснование технологии изменения теплофизических параметров сжиженного природного газа для сокращения потерь от испарения при его накоплении, хранении и транспортирования» в учебный процесс Университета ИТМО;

2) В рамках дисциплины магистерской подготовки «Системы производства, хранения и транспортирования сжиженного природного газа»;

3) В производство криотерапевтических установок на «Научно-производственном предприятии «КРИОН» г. Санкт Петербург.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, в том числе: 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 5 статей в журналах, внесенных в международную базу Scopus; 3 статьи опубликованы в материалах международных научно-практических конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы. В общий объем диссертации входит 138 страниц, 59 рисунков и 12 таблиц. Список использованных источников состоит из 102 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, научные положения диссертации, выносимые на защиту, практическая ценность работы. Изложена структура диссертации и краткая характеристика ее основных разделов.

Глава 1 содержит анализ современного состояния техники и технологии криостатирования низкотемпературного пространства аппаратов для общего криотерапевтического воздействия, описано эволюционное развитие систем охлаждения криотерапевтических аппаратов, обоснован выбор методики исследования, описаны теоретические основы моделирования переноса теплоты в криотерапевтических системах.

Показано, что при реализации технологии общей криотерапии необходимо отводить из зоны криотерапевтического воздействия мощные потоки теплоты [3], поэтому решающее влияние на работоспособность и эффективность криотерапевтических установок оказывает выбор технологии охлаждения и техники для её реализации.

Обзор литературы по теме исследования позволяет утверждать [4], что многоместные криотерапевтические установки, в целом, и системы их охлаждения, в частности, сформировались путём проб и ошибок без достаточно предварительного анализа процессов, которые они должны инициировать [5, 6].

Первое устройство для общей криотерапии было очень похоже на холодильную камеру. Это сходство сохраняется и в сегодняшних многоместных устройствах (рисунок 1).

Рисунок 1 - Двуполостная, многоместная криотерапевтическая установка

Как и низкотемпературная холодильная камера, криотерапевтическое устройство состояло из входного шлюза 1 и основной (процедурной) камеры 2. Для охлаждения объёма до криогенных температур использовались оребрённые теплообменники-испарители, в которые вместо фреона подавался жидкий азот [9].

Наличие в составе криотерапевтической установки одной или двух шлюзовых камер усложняет схему перемещения пациентов и сокращает безопасную продолжительность их пребывания в основной кабине.

Принципиальная схема типовой многоместной криотерапевтической установки с азотным охлаждением приведена на рисунке 2.

азотным охлаждением

Некоторое время производились установки, в которых в качестве криоагента вместо жидкого азота использовался жидкий воздух. Это позволяло использовать насыщенный пары криоагента для покрытия части тепловой нагрузки. После испарения в секции теплообменника пары жидкого воздуха направлялись в процедурное пространство, а затем в шлюзовую кабину. Перемещение паров криоагента через зону криовоздействия не только сокращал затраты криоагента, но и ускорял процесс восстановления температуры в основной кабине после входа пациента.

В 90-х годах 20 века большинство производителей многоместный криотерапевтических систем отказались от использования азотного или жидкостного охлаждения и стали использовать компрессионные рефрижераторные системы. Компрессионные охладители для новых установок были заведомо спроектированы с дефицитом холодопроизводительности, так как ориентировались примерно на те же показатели, по которым рассчитывались жидкостные системы охлаждения.

Как показывает анализ литературы, посвящённый эксплуатации безазотных криотерапевтических систем, процедуры в них примерно в 10 раз уступают по продолжительности анальгетического действия аппаратам с азотным охлаждением.

Дальнейший прогресс и развитие техники и технологии общего криотерапевтического воздействия в значительной степени будет определяться рациональностью выбора альтернативного криоагента, а также способом организации передачи теплоты из зоны криотерапевтического воздействия альтернативному криоагенту.

Следует рассмотреть возможность использования в LCS (жидкостные системы охлаждения) сжиженного природного газа. Кроме этого, теплота регазификации LNG (сжиженного природного газа) может быть использована для получения и накопления жидкого азота или жидкого воздуха. Особенно перспективными представляются LCS на жидком воздухе, так как пары криоагента можно использовать для контактного отвода теплоты из основной кабины WBCS.

Для производства альтернативных криоагентов предполагается использовать теплоту регазификации LNG. Такой подход позволит значительно снизить себестоимость криоагента и повысить доступность процедур WBC для населения.

На рисунке 3 представлены зависимости значения энтальпии природного газа ht =f(T{) в условия изобарного Р = const процесса регазификации в приемные газовые сети с разным рабочим давлением. По мере увлечения давления приемной сети область фазового перехода СПГ, в которой отводится существенное количество теплоты, постепенно смещается в область температур, которые превышают температурный уровень криостатирования низкотемпературного пространства устройства для WBC, поэтому для прямого использования в качестве криоагента WBCS пригоден только СПГ, который регазифицирует сеть с давлением не более 0,15 МПа (рисунок 4).

Температура. К

Рисунок 3 - Изменение энтальпии жидкого природного газа в процессе регазификации при различных значениях давления [МПа] в

приёмной газовой сети

Такие газовые сети представляют наименьший практический интерес с точки зрения использования теплоты регазификации на вторичные цели, так как суточное потребление газа в таких сетях на превышает 20 кг в сутки.

Т1=/ (/\), М/ (Р1) Ь.2 « Л1

Р2, Ь

Р1

----АГНЗС

Риз< 2,5 МПа

Трубопровод Риз< 7,0 МПа

Город

Риз< 1,0 МПа

Предприятие Риз< 0,4 МПа

- Поселение Риз< 0,3 МПа

Частный дом Риз< 0,15 МПа

Рисунок 4 - Варианты использования сжиженного природного газа

после регазификации

1

3

Самый большой расход СПГ наблюдается в регазификационных терминалах, которые снабжают магистральные трубопроводы. В этом случае давление регазификации СПГ достигает 7,0 МПа. Однако при таком высоком давлении, переход из жидкого состояния в газообразное (рисунок 4) начинается при температуре 185 К, а завершается при температуре 285 К. В сетях АГНЗС график изменения энтальпии потока не имеет выраженной области фазового перехода.

Очевидно, что использование сжиженного природного газа для покрытия тепловой нагрузки установки WBC возможно только при посредстве дополнительного цикла трансформации тепловой энергии.

Процесс регазификации СПГ может выполнять функцию внешней ступени охлаждения для цикла криостатирования зоны WBC. В качестве такого цикла можно использовать относительно простые технологические решения, например, дроссельный цикл высокого давления или детандерный газовый цикл низкого давления.

При выборе технологических решений следует учесть, что процессы регазификации СПГ и проведение WBC достаточно трудно синхронизировать. Промышленная регазификация СПГ осуществляется непрерывно, а WBCS не эксплуатируются в ночное время. Не менее проблематичен доступ большого числа пациентов в промышленные зоны, где осуществляется регазификация СПГ. Для преодоления отмеченных противоречий следует разработать варианты демпфирования тепловой нагрузки для максимального использования теплоотводящей способности регазифируемого сжиженного природного газа.

Повышенный интерес к использованию СПГ в качестве криоагента внешней ступени охлаждения обоснован нарастанием объема производства и регазификации СПГ. По состоянию на декабрь 2021 г производство СПГ в мире превышает 300 млн. тонн в год, а к 2030 году производство СПГ должно превысить 600 млн. тонн в год. СПГ следует рассматривать как низкотемпературный приёмник теплоты, который можно использовать как энергетическую основу рефрижераторных циклов или циклов выработки и накопления жидкого азота, который затем можно использовать в качестве криоагента для WBCS. Подробное

изучение вариантов реализации этих технологий является предметом данного диссертационного исследования.

Выполнение намеченной программы исследования в значительной степени упрощается тем, что в Университете ИТМО ранее были выполнены диссертационные исследования, в рамках которых были разработаны и систематизированы основные вопросы описания тепломассообмена в криотерапевтических системах.

В рамках ранее выполненных научных исследований сформулировано математическое описание элементов криотерапевтической системы и программное обеспечение. Особую ценность представляет собой математическая модель объекта общего криотерапевтического воздействия, построенная на базе одномерного уравнения энергии:

dh дах

где h - энтальпия (теплосодержание) вещества на элементарном участке ; qx - поток теплоты сквозь слой; qv - поток теплоты, выделяемой внутренними источниками в единице объема.

Процессы, протекающие в низкотемпературной зоне, описываются уравнением энергии:

dh fdqxx , dqxz\ ( dh , dh\ , fdwx , dwz\ ,

и уравнение неразрывности (сплошности) потока вещества:

д£ djp-wx) д(р-wz) _ дт дх dz

Рассмотренный выше математический аппарат Turbo Pascal. 7 прошел верификацию в рамках 6 диссертационных исследований, выполненных ранее сотрудниками Университета ИТМО [44]. Многократная верификация программного обеспечения и математических моделей элементов криотерапевтической системы, выполненная ранее независимыми

исследователями, повышает достоверность экспериментов, которые можно выполнить с помощью этих интеллектуальных продуктов и упрощает подготовку намеченного эксперимента. В то же время некоторые аспекты криостатирования зоны WBC и переноса теплоты от газообразного теплоносителя к криоагенту подлежат детализации в рамках данного исследования.

Применительно к теме намеченного диссертационного исследования, детализация математической модели теплообменного устройства может играть решающую роль при оценке работоспособности криотерапевтической установки.

Глава 2 описывает математическое и программное обеспечение численного эксперимента.

Для выполнения намеченных экспериментов модернизированы математические и физические модели отдельных элементов WBCS, в частности, математическое описание теплообменного устройства азотной системы криостатирования NCS и способов переноса теплоты из зоны WBC к криоагенту. Детализирован способ подачи криоагента в рекуперативные теплообменники и закон управления температурой в зоне WBC.

Для охлаждения теплообменника в качестве криоагента используется жидкий азот. Чтобы исключить опасность конденсации воздуха, давление паров криоагента в трубном пространстве теплообменника (ТО) (рисунок 3) должно быть выше 0,19 МПа - давление, при котором температура кипения азота равна температуре конденсации воздуха:

Ц >Т'А ТА < 83 К Ц = f(P2) Р2 >0.19 МПа Ц > 83 К.

Обосновано существенное изменение конструкции многоместного криотерапевтического устройства - отказ от шлюзовой камеры. Даже при наличии камеры теплопритоки, связанные с проникновением в зону WBC компенсационного потока теплоносителя, достигают 43% от общей тепловой нагрузки на систему криостатирования. Нужно оценить насколько увеличится суммарная тепловая нагрузка в том случае, когда вход в процедурную кабину будет осуществляться непосредственно из окружающей среды. Благодаря исключению

шлюзовой камеры уменьшится площадь, занимаемая криотерапевтическим устройством и существенно упростится сама конструкция низкотемпературной кабины, снизятся пусковые затраты криоагента, упростится схема перемещения пациентов во время процедуры, отпадет необходимость пребывания персонала в низкотемпературном пространстве.

Намеченные исследования посвящены моделированию процессов, протекающих в криотерапевтических системах, предназначенных для воздействия на поверхность человеческого тела криогенными газовыми средами. Криотерапевтическое устройство представляет собой сложную теплофизическую систему, содержащую несколько автономных источников теплоты, а также систему поглощения теплоты и систему переноса теплоты из одной части криотерапевтической системы в другую.

Технология WBC основана на интенсивном отводе теплоты с внешней поверхности объекта охлаждения, поэтому внешние граничное условие формирует тепловой баланс между подводом теплоты из глубины объекта охлаждения и конвективным отводом теплоты с его поверхности:

= а(Тг - Т-г), (4)

где а - коэффициент конвективной теплоотдачи; Т - температура теплоносителя.

Система описания тепловых материальных потоков, проникающих в криотерапевтическую систему, предполагает условно перераспределение тепловых и материальных потоков по двум координатам. При такой постановке возникают квазидвухмерные уравнения энергии, которые и позволяют описать исследуемые процессы в газовой среде:

дк {дЦ7Х , дцхг\ ( дк дк\ , , дшЛ ,

Изменение энтальпии в единице объёма вещества основной низкотемпературной кабины связано с переносом массы и энергии по двум

условным координатным осям. Перенос массы и теплоты за счёт принудительного движения газа относится к оси X, перенос массы и теплоты, связанный с колебаниями плотности или технологическим нарушением герметичности зоны WBC относится к оси Z:

Р= Чw + Чp + Чv. (6)

Уравнение показывает, что текущие значение энтальпии элементарного объёма определяется тепловым балансом между количеством теплоты, перенесённым конвекцией газовой среды , конвективным переносом теплоты при повышении плотности теплоносителя в зоне WBC цр и теплотой, подведённой в объем от внутренних источников ^.

Конвективный перенос теплоты связан с технологическими нарушениями герметичности основной низкотемпературной кабины при входе и выходе пациентов, а также с работой конвективной системы охлаждения:

Конвективная система охлаждения отводит теплоту за счёт разности энтальпий теплоносителя на входе и выходе из зоны WBC. Этот продукт относится к координате X:

= -Р • • (8)

Теплота, проникающая с конвективным потоком через технологические люки зоны WBC, отнесена к координате 2:

= (9)

Влияние распределённых источников теплоты на энтальпию и температуру газа в моделируемом объёме описывается с помощью частных математических моделей, которые возвращают в основной программный модуль данные о

температуре поверхности и интенсивности конвективного подвода/отвода теплоты [62]. Используются данные об удельных теплопередающих поверхностях объекта охлаждения теплового ограждения ^ и теплоотводящего устройства /4.

Суммарный подвод теплоты от внутренних источников составит:

Чv=f2•Ч2+fз•Чз+f4• 44, (10)

где ц2, ц3, ц4 - плотность теплового потока, отводимого теплоносителем с поверхности объекта охлаждения, от теплового ограждения и от теплообменного устройства соответственно.

Для построения программы, модулирующей изменение теплосодержания теплоносителя в зоне WBC, используется уравнение:

Р^ = Чш + Чр + Чу, (11)

которое решается относительно нового значения энтальпии теплоносителя в зоне WBC или в объеме системы охлаждения:

к = к + •Лт, (12) р

где к' - энтальпия теплоносителя в момент времени т+Дт; - подвод

теплоты конвекцией за счет изменения плотности от внутренних источников соответственно.

В таком виде математическая модель элементарного объема WBCS пригодна для разработки программного обеспечения:

Чы Чы—х + Ч~\м—г> Чр Чр—х + Чр—г> Чу = 42+ Чз+ 44- (13)

Интенсивность подвода теплоты теплоносителем описывается с помощью расчётного значения коэффициента теплоотдачи при вынужденной конвекции и по известным на данный момент времени значениям температуры теплоносителя и поверхности:

41 = 41+1 = «1—4 • (Гг - Та)- (14)

Выражение 14 определяет граничные условия для математической модели теплообменного устройства.

Математическая модель представляет теплообменник в крайне упрощённом виде, как пластину с распределенным приемником теплоты, поэтому будет использоваться только для постановки части эксперимента, направленных на то, чтобы ограничить круг задач, подлежащих рассмотрению.

Для теплоотводящих секций из оребренных круглыми рёбрами необходимо описать перенос теплоты вдоль диаметра ребра.

Для расчёта текущего значения энтальпии и температуры материала оребрения предлагается использовать уравнение энергии в радиальных координатах:

дк . Л Р* = - Т*Тя+ ^ (15)

где к, р - энтальпия и плотность материала; д - тепловой поток вдоль радиуса объекта; ду - количество теплоты, выделяемое внутренними источниками в единице объема объекта.

После замены производных разностными приближениями получим выражение для расчётов изменения энтальпии элементарного кольцевого элемента под действием внешних и внутренних источников теплоты. Учитывая то, что каждое ребро обменивается теплотой с потоком теплоносителя, конвективный отвод теплоты на каждом элементарном участке будет рассматриваться как распределенный источник теплоты. Это справедливое допущение, так как толщина рёбер предельно мала и контакт между теплоносителем и рёбрами осуществляется с двух сторон:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Василенок Анна Владимировна, 2022 год

- —1

— — — i — 1

ь«м1| юнцшф к Рвсуинк 3 Зашк нмость итрат жилкою аягта на процедуру от рапюстм температур lio пмсоте процедурной kuíuiim TR

Aii.tmkttiuc системы охлаждения индивидуальных крнптс-раиситичсекнх устаюааок

График, представленный на рисунке 3. показывает что таявлешше производителями затраты только в том случае, когда разноси, температур Д'ГМ составит на менее *МЖ. Тогда:

Ги2 - АТи т Гц|. rMJ=220A"

<15>

Завершая анализ эффективности схемы охлаждении крнокапсулы, можно оценить эффективность использования жилкою ujoia. Отношение, отведенной нагрузки к полной тепло-огводящей способности затраченного жидкого азота:

О,

His -

<чАг+с^-Т"))

06)

При разности температур АТ^ = 10К >]LN = 0,105, и лаже при повышении разности температур до ДТч - 50К t)LN = 0,524. Причина низкой эффективности такой схемы охлаждения связана с тем. что смесь с температурой Тм2 сбрасывается в окружающую срсду Этих недостатков лишена система охлаждения криосауны. представленная на рисунке 4.

Рисунок 4 Прспишпиалыии схема ннднжнлу алым*! гриосауны (11

В криосаунах охлаждение кабины Г К обеспечивается циркуляцией газовой смеси, состоящей в основном из паров азота Эта смесь образуется за счет смешения потока I аза. поступающего из кабины ТВ (поток и жидкою азота (поток чI. Смешение осуществляется в тспломассообменном аппарате ИТ. Расход жидкого азота регулируется по температуре смеси на выходе из аппарата ИТ В кабине ТК газовый

поток воспринимает тепловую нагрузку за счет зтого температура потока повышается. Разность температур на границах зоны \VEiC не более Л Г^ЗО К.

Часть потока #„„ равная по массе количеству криоа1снта испарившеюся в теплообменнике IV. сбрасывается в атмосферу через верхнее сечение кабины ТК Остальная часть £ возвра-шастся в теплообменник НТ на регенерацию. При пуске криосауны происходит заполнение объема кабины ТК нарами аюга, продолжительность фазы заполнения не более 20 с. За зто время в теплообменнике НТ более 0,8 К1 жидкого азота испаряется. Количество теплоты </,. переносимой циркулирующим газом определяется расходом через зону ВС и разностью температур паза на границах зоны:

Ч, =gcr

A Tt,

(16)

где g расход таза через зону WBC. кт с; Т„, разность температур газа на границах зоны. К. Разность температуры не должна превышать 30 К (I]. С учетом принятою ранее значения ДТ> получим расчетное значение расхода газа g =0,2 кг/с.

Результаты и обсуждение

Обеспечение жидкостной системы охлаждения жидким азотом

Криосауны предназначены для решения большого круга практических задач, поэтому должна хорошо снабжаться азотом от внешнего источника. Жидкий азот расходуется неравномерно, за первые 20 с на заполнение кабины TR затрачивается до i ki криошента. Производительность системы подачи жидкого азота должна превышать максимальный расход крио-агента. Основным источником азота для криосауны являются сосуды Дыоара емкостью от 16 до 37 литров (16). Криосауна имеет специальный отсек для установки сосудов и полуавтоматическую систему подключения к сосуду. Крноагент вытесняется из сосуда избыточным давлением 0,01 МПа, которое создается турбонагнетателем Расход жидкого азота из сосуда Дьюара в теплообменник НТ достигает 0,6 кг/с. Эксплуатация криосауны с сосудами Дьюара не требует высококвалифицированного персонала, но сосуды Дьюара имеют малы it запас I N в сосудах емкостью от 16 до 37 литров Поэтому

Жидкостные системы охлаждения индивидуальных криотерапевтических установок

использовать рекомендуется при отпуске до 30 процедур WBC в день. Разработана альтернативная система подачи азота из сосудов газификаторов hj серии «Eurocyl» [ 17] Эти сосу ды снабжены системой управления давлением паров LN. Для работы с криосауной используют сосуды с избыточным давлением менее 0,2 МПа. Сосуд подключается контактной NCS гибким шлангом длиной до 2 м Управление выдачей азота осуществляется ллсктромагиитным клапаном контактной NCS Расход жидкого азота из таких сосудов не превышает 0.1 кг/с. что ниже затрат азота при нервом пуске криосауны. При повышении давления удельная геплоо! водящая способность жидкого азота уменьшается примерно на 6 "а "Затраты крноагента при подаче от сосу-лов серии «Eurocyt» на 10 % выше, чем при использовании сосудов Дьюлра 117,1Я|. В крупных клиниках крносаупах получают азот oi криогенного танка обьемом от 0.5 до 3 м\ Это позволяет получать жидкий азот крупными партиями до 3.0 м [19.20] Ошовые цены на жидкий азот и России в 2-3 раза ниже розничных иен. потгому использование криогенного танка является наиболее рентабельным способом криосауны азотом [201

Жидкостные системы охлаждения мобильных WBC систем

Жидкостные системы охлаждения являются безальтернативным решен next для мобильных WBC систем Мобильные аппараты для WBC используются в профессиональном спорте, так как могут сопровождат ь команды во время соревнований и тренировочных сборов [21| Мобильные WBC системы изготавливаются в России с 2006 года Мобильные криосауны участвовали в гонках «Тур дс Франс». Универсиаде в Казани, Олимпийских играх в Сочи. Наряду с индивидуальными Криосаунамн для

спортивных целей изготавливают и многоместные системы, которые также работают на базе азотного охлаждения. Недавно мобильную №'ВС систему презентовала компания «Линде Газ». Многоместный аппарат имеет рабочую температуру 140 К и использует \С5 Важно отметить, что именно компания «Линде Газ» в 90с толы XX века провела кампанию по переходу на XVВС системы с рабочей температурой |7<) К Причем основным стимулом внедрения зти аппаратов считался отказ от использования жидкого азота Спустя 30 лет компания не только вернулась к использованию КС.Ч, но н понизила температуру в основной кабине до уровня близкого к оптимальному.

Криостатнрования юны \УВС за счет тепло-отводящей способности жидкого азота являются наиболее рациональным технологическим решением на современном уровне востребованности крнопропедур.

Особенно эффективны контактные системы охлаждения крносаун. которые являются основой всех конкурентных преимуществ .тайного типа XVВС аппаратов.

При оценке эффективности \\ ВС аппаратов следует учитывать то, что затраты жидкого азота на одну процедуру не могут быть ниже 2.6 кг. так-как такое количество крноагента нужно затратим. только на отвод теплоты от поверхности тела пациента. Доля полезных затрат криоагекта не может быть более 70%, поэтому теоретический минимум загра! на одну процедуру составляет 3,6 кт на нациента. Аппараты, расходующие меньшее количество крноагента. не выполняют технологическую задачу XV ВС. и не могут обеспечить достнжение существенного лечебного эффекта

{включение

-1|||1'рц|>рл

1 Цагапш A.Yu. Lo»-temperature iiwtalUliotu lur medical purpose«. Гап I. Apparatus fur L'coeral cryolhcrapv lie-atmeM (textbook), St. Prtenbiiig: University I1MO; II1BT.20I6. .17 p.

2 Vasik-nok A.V, Butanuv A.V.. Malysheval A., Fibtova OA . Kulyanova 1..R.. AlKltcev A M and Sokmiita Y.A. The Coal of liquid itflrogca tin WW «емким ЮР Conlerence Series Materials Science ami Engineering. 2020 Vol. X26. No. I. АП No 012014

1 Bourigon R . tKipuy <), Ticmeawn I. Oe N.*rdi M and Bernard JV. et al С гуомнтЫюп for рон-exerctie recovery in aihteics'а соп<«пч1'and pouinm ptper Front Sports Act Living 2021 Vot,3 - Alt,No 68X828

4 De Nanti M . Faehcris С . Riicjcri P In Torre A and CVntolla R High-impact Roiuiiv-t to Ameliorate Trunk anil I о wet I imhi Flexibility in Women Inl I Sports Med 2021) Vol. 4|< I4> P 1039-46

5 Dc Nardi VI Pizrigalli 1... Dab R , CafTam Г. and Michclctti Cnemasco Vt Acute FfTccU nt Pamal liodv Cryotherapy on Isometric Strength: Maximum Handgrip Strength Г valuation I Strength ("and Re* 2017. Vol 31(121. P.349?.502.

Жнлмнгшме системы охлаждения ннлианлуалкнмх криотерппегшгчсских устликт

г> ForwLi В. ami Sarah«! N I fTccK of whole-body cryotherapy on recovery after hamtfnng damaging exercise: A crnwovcr Scandinavian Journal of Medicine A Science in Sports 2011 Vol 245} P,e27(l-X

7 Russell M „ Birch I. I ove T Cook C.I. Bracken R M und Taylor T , et al The e(Tecis of n single »hole-body cryotherapy exposure on physiological, performance* and perceptual rvspotwcs of pMfcsswnnl actuiemv soccer players following repeated sprint exercise J Strength ( ond Res, 2017 Vol31(2> P 415-421,

8 Luhkowskn A. S^vgula Z. Changes in blood pressure with compensator) heart rate decrease and in the level of aerobic-capacity in response «о repealed whole-body cryostunuiutinn in twnnotensive. young and physically active men lnt 1 Oeeup Med Environ Health. >011) VoL23(4) - P.3(>?-75

4 Jaworska I. Mictelska K.., Когкимка M . W'rvorow&ki K . Skrobccki I. and Radvimtnski L.. et al A 2-W'eci Specific Volley ball Training Nuppoitcd bv the W hole Body Cryoeunriulation Ptoloeol Induced an Increase of Growth Factors and Counteractedttocnoralionof Physical Performance Front Physiol. 201» Vol.4 P.I7II

10 Eliuggar M.. Alnahhal M. Sultan M.. Niaz H.. Miva^aki I . Ebarrag E.. leoLvi O.. Da vies P.. Ademola A_. Dos Santos E.. Ал-vedo C.. Maccdo C„ A/excdo C.. Araujo R„ (¿ото S„ Baia L.. Alexandrino V.. Kumar K . Debuki N.. lurnbatkova N.. Baranov A.Y . 1'o.Uxiniuv O.V.. Fcdurov A.V.. Ivanov V.I.. Zavtscv A.V . Poliakuv R.I., Tench S, Morunuk Г. Tsabarorux0_ Al-Abdilall A.. AIDakhccl S.. Al-Abkari H.. Oavalua L.. Luna t.. -Vngcl« M_ Deltpdo V , Heua/y A_ lingcda A. and Scvani S- Low-Ictnpctature Toclino4ogics. Ch X. IссЬшцис and Technology ol W'hole-Bixly CryiMbcrapy (WBCl A Baranov. O. Pakhtxmiv. A. f eiiorov, V Ivanov, A Zaibev and R Pulyakov ITT 2020

11 Yere/hep D and lUranov A.Y. Understanding Cryotherapy 1ПТ 2020.

12 Za lew ski P . Klawe J J and Pawlak I , et al Thermal and hemodynamic re*pome to whole body crvustimulation in hcahhv subject*. (ryobiologv 20П Vol Aft P 295-302

u Cutlell S.. llamnwod l, I unydon I) and ( omcIIo I Individualising the exposure of- I KIT whole body cryotherapy the effect« of sex and body cnmpmition J Therm Biol 2017 Vol 65. P4I-47.

14 Kohshkin I M and Sbtkurov Л V Heat transfer between human and fluid tinder extreme condrntms of puflul body cryotherapy Journal of Physics: Conference Series, №20 Vol 1683 An No 022021

15 Baranov A Y . Shcrtnkova OA, Malysheva T Л VastleniA A.V and Mnlinina OS The physical theory of efficiency and «ufety of the WBC Refrigcrnlion Sc ience nivd Technology 201* Vol 3rd IIR P 44-55.

16 Baranov A Y. and Malysheva Т А Modeling unsieadv heat transfer in ctyontedfciiK Journal of International Aceitemv of Refrigeration. -2000 No 2 lJ.3x-4|

17 Baianov A.I. Filatov a O.A., Vastier«*. A V . Saliinov A V and Sokolova E.V. Encigy icquircmeirts for nitrogen cooling systems of W ВС mills Journal of liMcmauonal Academy of Rcfn$era(ion 201M 4« 1(70) P.s»2-M7

lil Vere/tiep 0. Baranov A.Y. and I'akhomov O.V Matlicnuiic.il Msidelnig Non-StaiM>oai> Heal Exchange of Object Whole-Body Ciyxithcrapy 2tlH International Kusscan Autumaliud Coiitcrcncc <RusAutoCon). 201ч. P.8H67742.

14 Y ere/hep D.. Baranov A.Y. and PakhwiHiv O.V. Analyxn ol Effect of CloUirn^ in Procedure of Ciyolherapy uvine Computer Smtulaliun 2019 Intematutfial Kuasiua Aiilomalion Cunferene« iRusAutoCoo). 2019 P.SH67XIX

20 Baranov A.Y., I'anova OF. Sukok>va F V.. lalarenko I.V. arid Ernclianov A.I.. Suppbuu: with LN of IWBC planb Refngeraliun Science and Technology 20IX. Vol. 3rd IIR. P 0024.

21 Baranov A.Y.. Vatilenok Л V ShcslakovaO A and Pakhumav O.V ApphcalKin the WBC ut vport medicine Refrigeration Science and Tcvhm>li>gy 201К Vol 3rd 11R P. 121 ■ 12t>

Rrferences

1 A Yu Baranov, | о»-remperalun; installauoiK fur medical purposes Pari I Лрраг.тк fiw general crsothetapy treatnxnt: I textbook), (St Petersburg: Univervly ITMO: IIIBT. 201 hI. 17к p

2 A.V, VusileiKik. et nl, IOP Conference Series Material« Sciencc nitd Engineering. «26 tit. 012014 (2020)

3 R Bou/ig4Hi, i4 al„ Frontiers in Sports and Active Living. 3. ЛХЯ82Х (2021 >

4 M De NanJi. cl al . In* I Sports Med ,41(14), 103^6(20201

5 M DeVardi.clal . 1 Strength Cood Res 31(12». 3497-502 (2017^

6 В Fonda, and N. Sarabon. Scandinavian Journal of Medicine Л Science in Sports. 23(5), e27o-H (2013i.

7 M Russell, cl al.. J Strength Cond Res. 3I(2(. 415-421 (20l6i.

» A LulAowska. and Z. &tvgula. hit J Occup Med Environ llealih.. 23(4). 367-75 (20UM.

9 J Jaworska. et al.. From Physiol.. •). 1711 <2018).

1(1 M. Elnaggai. et al.. Low-temperature Technologies. Ch S Technique and leehnolocy of Wliolc-Bodv Cryotherapy <WBC| A Banioov. O. PaklKHnov. A. Fedoruv. V. Ivanov. A Zaiuev and R. Polvakov, (IFT. 2020)

11 D Ycwdtep and A.Y. Baranov UnderstandingCryolherapy (Ш1. 2020|.

12 P. Zalcwsdci, et al.. CryoboJogy. 66. 245-302 (20U).

13 S. Cutlell. elal., Themi Biol.. 65.41-47 (21)17).

14 L M Kolishkrn. and A.V. Shakumv. Journal «1 Physics: Conlervnce Scnes. 16X3.022021 «202(11.

15 A.Y. Baranov, et al.. Refriifcralion Sciencc and Technology. 3rd IIR. 49 5? |2(IIK)

16 A.Y. Baranov and T.A. Malyslieva. J of Intern Academy of Refrigeration. 2, 3X-41 (2000).

17 A I Baranm , cl al.. J nf International Academy of Refrigeration. 1(7»), 92-97 (2019)

IK D Ycre/bep, A.V, Bannov. andO.V Pakhomov, Mathematical Modeling Non-Starionary Ileal Exchange of Object Whole Bixly Cryinhempy. 2019 Intemaiioiul Russian \irlomotinn Conference(RusAuloCr.nl SX67742 |2<II9(

19 D Ycre/bep. A V B-iranov. and OA' Paihomov Analysis of Effect of Clothing in Procedure of Crxxxherapy using Computer Simulation, 20|9 IntcmatNinal Russian Automation Conference (RvnAliurf on), XKft7SIX(20|9)

20 A Y Baranov. et nl, Refrigeration Science and Technology, Vd IIR. 0024 i2<IIH)

21 r\\ Baranov. et al, Refrigeration Sciencc and Technology. 3rd IIR, 121-126. <20181