Групповые и индивидуальные криотерапевтические комплексы, страница 6

Рис.3.2.2. Характер изменения температуры газа в кабине.

   . В результате температура в кабине повышается примерно до 170 К (этап II), после чего за счет отвода теплоты к размещенным внутри кабины теплообменным устройствам происходит постепенное снижение температуры газа до исходного уровня 130 К (этапIII). В результате вся процедура происходит при температуре гораздо выше номинальной, средний уровень примерно 150 К. В момент процедуры изоляция оказывается холоднее, чем газ, и способствует восстановлению температуры в объеме кабины. После того, как процедура закончена, наступает момент выхода пациента из кабины ( этап IV). Шлюз и кабина сообщаются, происходит смешение газа, и наблюдается резкое повышение температуры газа в кабине. После того как процедура закончена  работа системы криостатирования обеспечивает повторное охлаждение ( этап V) и некоторую выдержку ( этап VI), когда происходит охлаждение всей конструкции до номинальной температуры. Используя этот алгоритм и математическую модель изоляции, которая описана выше, можно исследовать процессы, протекающие при таком колебании газа в процедурной кабине.

    Как и предполагалось, колебания температуры газа вызывают  адекватные колебания температуры тепловой изоляции.  Математическая модель позволяет проанализировать процессы, которые протекают не только на поверхности, но и в глубине изоляции. Расчетные графики изменения температуры на поверхности и на 3-ем и 6-ом участке, расположенных в глубине изоляции, приведены на графике (рисунок 3.2.3.). Из графика видно, что повышение температуры газа, наблюдаемое на этапе II, при входе пациента,  вызывает постепенное повышение температуры изоляции.

Рис. 3.2.3. Изменение температуры изоляции в различных слоях.

Примерно через 70-80 секунд от начала процедуры изоляция становится холоднее, чем газ, таким образом она воспринимает теплоту , которая получена газом при входе пациента.  Далее происходит восстановление температурного уровня в кабине и соответствующее снижение температуры изоляции. При выходе пациента происходит повторное повышение температуры изоляции, таким образом, процедурный цикл значительно увеличивает количество теплоты, которая поступает  в изоляционную конструкцию через ее внутренние границы.  

Даже в установившемся режиме температура изоляции оказывается на 12 К выше, чем температура стенки. Это приводит к тому, что общий тепловой поток,  поступающий в  криогенный аппарат, повышается.

Наглядная иллюстрация тепловых процессов, которые протекают в изоляционной конструкции, представлена на графике зависимости плотности теплового потока на разных участках теплообмена от времени ( рисунок 3.2.4.).  Здесь приведены тепловые потоки на наружной поверхности изоляции, на глубине в 2 слоя и в 13-м слое. Как видно из графика, для 13-го слоя ситуация квазистационарна, то есть колебания теплового потока незначительны.  В поверхностных слоях наблюдается изменение теплового потока с большой амплитудой, даже с изменением знака. Как уже говорилось, на этапе от 30 до 80 секунд, тепловой поток отрицательный, то есть не стенка отдает теплоту газу, а наоборот. Колебания плотности теплового потока  приводят к увеличению общего теплопритока

Рис. 3.2.4. Изменение теплового потока во времени.

.

 В результате через изоляцию проходит больше теплоты, чем поступило из окружающей среды. Этот дополнительный тепловой поток, связанный с колебанием температуры внутри кабины по аналогии с процессами, наблюдаемыми в электротехнике, получил название реактивной теплопроводности.

 В отличие от переноса теплоты теплопроводностью, реактивный теплоподвод из окружающей среды может составлять до 30 % от общей тепловой нагрузки на систему криостатирования, поэтому оптимальный выбор конструкционных материалов для теплового ограждения в значительной степени влияет на энергетические показатели криотерапевтического комплекса.