Математическая модель исполнительного криотерапевтического комплекса, страница 5

Потребность в теплопередающей аппаратуре диктуется тем, что рабочее тело не может смешиваться с теплоносителем.  В компрессионных  системах охлаждения рабочая смесь газов циркулирует по замкнутому циклу под давлением выше  от атмосферного  и контактный теплообмен между ним и газом, поступающим в кабину в принципе не возможен. В групповых криотерапевтических установках использующих в качестве криоагента жидкий азот, контактный теплообмен с теплоносителем недопустим  по соображениям безопасности пациента. В обоих случаях применение теплообменного устройства разделяющего материальные потоки обязательно.

Рекуперативные  теплообменники криотерапевтических комплексов работают в неординарных условиях, поэтому выбор их конструкции и геометрических характеристик требует учета особенностей процессов протекающих в объекте охлаждения.  Недоучет специфики тепло и массообменных процессов в зоне криотерапевтического воздействия может стать причиной неудовлетворительной работы комплекса в целом.

Одной из особенностей работы теплообменных устройств в составе криотерапевтической аппаратуры является  нестационарный температурный режим. Предварительный анализ изменения температуры в низкотемпературных полостях комплекса (см.2.4.)  показывает, что амплитуда колебания температуры теплоносителя достигает 80 К, а темп изменения температуры 10 К/с. Следствие изменения условий внешнего теплообмена, является колебание с большой амплитудой величины тепловой нагрузки на цикл криостатирования.

В этих условиях важную роль играет тепловая инерция теплообменного устройства. Например, при использовании для охлаждения жидкостного криогенного квазицикла на жидком азоте, нельзя допускать нарушения режима кипения криоагента. Перегрев внутренней поверхности труб теплообменника по отношению к температуре насыщения криоагента более чем на 16 К, создает условия для перехода кипения в пленочный режим. В свою очередь срыв режима кипения резко снижает эффективность передачи теплоты к криоагенту, который может проходить через теплообменник без полного испарения. Наблюдения за работой групповых криотерапевтических комплексов с азотной системой охлаждения, показывают, что срыв режима кипения криоагента случается достаточно часто. Для предупреждения срыва кипения криоагента рекомендуется увеличивать продолжительность пауз между процедурами.

Очевидно, что перегрев теплообменного устройства зависит от его тепловой инерционности. В теплообменниках данного типа, основная масса металла (90%) приходится на пластины оребрения. Пластины обеспечивают и более 90% теплопередающей поверхности теплообменника. Применительно к решению задачи обобщенного исследования работы криотерапевтического устройства можно использовать упрощенную физическую и математическую модель теплообменного устройства.

Теплообменное устройство можно рассматривать как металлическую пластину заданной толщины . Эффективная толщина определится как отношение величины теплопередающей поверхности к массе теплообменного устройства:

.

Для серийных теплообменников-испарителей значения весаи площади теплопередающей поверхности  известны [], что позволяет определить диапазон варьирования  . Для теплообменников с ребрами из латуни , для стального оребрения . Полученные результаты позволяют рассматривать «теплопередающую пластину» однородное по температуре тело, так как толщина его крайне мала, т.е.:

.

Полагая, что поле температур пластины однородно не только по толщине, но и по координатам, можно записать уравнение энергии для материала теплообменника:

.

Изменение  энтальпии материала теплообменника определяется тепловым балансом между конвективным подводом теплоты со стороны теплоносителя  и отводом теплоты к системе криостатирования . Предположение об изотропности температурного поля пластины теплообменника значительно упрощает действительную картину переноса теплоты, в частности не учитывает эффективности оребрения. Но, на этапе обобщенного анализа работы криотерапевтического комплекса использование идеализированной модели теплообменника вполне оправдано.