Исследование процесса охлаждения в условиях естественной и вынужденной конвекции газа: Методические указания к лабораторной работе № 1 по курсу «Криогенные технологии в медицине и биологии»

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский  государственный  университет
 низкотемпературных  и  пищевых  технологий

Кафедра криогенной техники

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ

В УСЛОВИЯХ ЕСТЕСТВЕННОЙ

 И ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ ГАЗА

Методические указания

 к лабораторной работе №1 по курсу

«Криогенные технологии в медицине и биологии»

для студентов специальности 140401 всех форм обучения

Санкт-Петербург

2009

УДК 621.59/09/

Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Сидорова А.Ю. Исследование процесса охлаждения в условиях естественной и вынужденной конвекции газа Методич. указания к лабораторной работе №1 по курсу «Криогенные технологии в медицине и биологии» для студентов специальности 140401 всех форм обучения. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2009. – 38с.

          Изложен алгоритм расчета коэффициента теплоотдачи при естественной и вынужденной конвекции газа с использованием электронной базы данных о транспортных и теплофизических свойствах азота. Расчеты выполняются в электронных таблицах EXCEL.

Рецензент

Доктор техн. наук, проф. В.А. Рыков

Рекомендованы к изданию редакционно – издательским советом университета.

ВВЕДЕНИЕ

Изучение дисциплины «Криогенные технологии в медицине и биологии» предполагает ознакомление студентов с физическими процессами, протекающими в объектах криогенного воздействия в криогенной физиотерапии, криоконсервации и криохирургии.

Технологии применения криогенных температур в медицине и биологии основаны на процессах, протекающих за пределами биологических объектов, газовой или жидкостной конвекции, контактном отводе теплоты, кипении криоагента. Эти явления подробно изучаются в цикле общетехнических и специальных дисциплин, но в случае их применения для решения медико-биологических задач, эффективность технологического процесса в значительной степени зависит от внутренних процессов, протекающих в объектах охлаждения. Более того, процессы, протекающие внутри объекта охлаждения, качественно влияют на результат всего технологического процесса. Выстроить технологию криогенной обработки биопрепарата, органа и человеческого организма в целом без изучения внутренних процессов практически невозможно.

Ознакомление обучающихся с процессами, протекающими в биологических объектах и тканях тела, является основной задачей лабораторного практикума курса «Криогенные технологии в медицине и биологии».

Организация лабораторного практикума по данному курсу в техническом вузе представляет  собой сложную задачу, так как учебное заведение не обладает необходимыми для проведения экспериментов препаратами, средствами измерения и т.д. Физические эксперименты ограничиваются гуманитарными соображениями, а их результаты недостаточно наглядны из-за невозможности подробного анализа процессов в объектах  охлаждения и субъективных особенностей волонтеров.

Идеальным выходом из этой ситуации является организация лабораторного практикума в виртуальной форме, когда для изучения технологических приемов криомедицины и криобиологии используются математические модели биологических объектов, а также технологических процессов, обеспечивающих отвод теплоты к криогенным газам и жидкостям.

Теоретическую основу для такой организации лабораторного практикума составляют исследования кафедры криогенной техники в области криомедицины и методов моделирования технологических процессов в криогенных установках.

Математические модели биологических объектов и методы автоматизированного расчета теплофизических и транспортных свойств криопродуктов прошли хорошую практическую апробацию. Их достоверность и адекватность подтверждены серией аттестационных работ и НИР, что создает предпосылки для их широкого использования в учебных целях. Одним из вариантов такого использования является виртуальный лабораторный практикум. Учащиеся самостоятельно формируют программные продукты, обеспечивающие моделирование технологических процессов, что позволяет привить им навыки организации численного эксперимента и повысить квалификационный уровень специалистов.

Лабораторный практикум предполагает последовательное освоение материала и состоит из четырех основных разделов:

1. Способы отвода теплоты от биологических объектов.

2. Процессы в криотерапевтических системах.

3. Процессы в объектах криоконсервации.

4. Процессы в криохирургических системах.

Расчеты выполняются в электронных таблицах Excel. Выбор данной оболочки позволяет значительно снизить трудоемкость формирования и отладки математических моделей и уложиться в пределах времени, отпущенного на лабораторный цикл. При использовании алгоритмических языков более высокого уровня решение подобных задач в ограниченное время представляется сложным, так как требует определенных знаний и навыков владения программными оболочками. Немаловажным преимуществом выбранного подхода к построению лабораторных работ является хорошая визуализация результатов исследования.