Принцип действия криогенного парогенератора

§1. Принцип действия криогенного парогенератора.

   Основой современных индивидуальных криотерапевтических систем (крио саун) является мощная энергетическая установка, которая обеспечивает быстрое охлаждение газа в объеме, который используется для размещения пациента. Во время процедуры сам пациент и изоляция кабины выделяет большое количество теплоты. Поэтому тепловая задача, которую решает энергетическая установка, сводится не только к заполнению объема кабины криогенным газом с температурой -140 – -150°C, но и отводу теплоты выделяемой телом человека и изоляционной конструкцией.

   По разным оценкам тепловой поток, который необходимо отвести из объема кабины, составляет 9-15 кВт. С учетом очень низкого уровня температур, на котором нужно отвести эту энергию, задача крайне сложная и для ее реализации, например при помощи холодильных или криогенных циклов, возможно, нам потребовалась бы система с установленной мощностью электропривода порядка 120 кВт. Размещение столь мощных приемников в сооружениях медицинских учреждений по ряду соображений просто нереально, кроме того любой компрессионный охладитель является машиной, которая требует технического обслуживания, занимает место и т.д.

   В результате все технологии связанные с непосредственным преобразованием энергии в низкую потенциальную энергию или холод в медицинских учреждениях не применим. Поэтому используют, как правило, их альтернативу, так называемая азотная технология или технология, основанная на использовании отрицательного энергоносителя – жидкого азота. Жидкий азот производят в промышленных масштабах, на  воздухоразделительных предприятиях. На производство 1 кг жидкого азота затрачивается порядка 1кВт*час электроэнергии, т.е. в нем скрыта какая-то энергия, и реализация этой энергии в медицинских учреждениях позволяет отводить колоссальные количества теплоты с использованием сравнительно простых и дешевых аппаратов.

   Однако, несмотря на то, что азот обладает большим запасом отрицательной энергии или холодом, передать теплоту, выделяемую пациентом непосредственно к азоту, невозможно, мы не можем орошать поверхность тела пациента жидким азотом, т.к. этот приведет к безусловному обморожению. Поэтому существует проблема получения с использованием жидкого азота большого газообразного потока, который входит в кабину, где находится пациент, отнимает у пациента и у теплового ограждения теплоту и передает ее жидкому азоту.

   Зарубежные установки такого типа используют для передачи теплоты в теплообменное устройство, т.е. обычные оребренные трубы в которых находится жидкий азот, а в межтрубном пространстве циркулирует газ, который переносит теплоту, отдает ее ребрам, ребра трубам и т.д. В конечном итоге теплота передается азоту, однако с учетом большой тепловой нагрузки – 15 кВт, размеры такого рода аппарата тоже должны быть существенные. По разным оценкам теплообменная поверхность должна иметь площадь 40-50 м². Это приведет к тому, что масса такого аппарата будет порядка 25-50 кг.

И прежде чем начать работать криотерапевтическая установка должна быть охлаждена. Надо сначала 50кг металла  охладить до нужных температур и только потом они начнут работать. Поэтому в России в качестве альтернативы используется контактные, безнасадочные теплообменники, основным преимуществом которых является то, что роль теплопередающей поверхности между криогентом и газом, циркулирующем через процедурную кабину, выполняют сами капли жидкого азота.

   Идея работы такого аппарата предельно проста: если килограмм жидкого азота разбить на достаточно мелкие капли, то суммарная поверхность их будет огромная. Соответственно необходимо только создать условия, в которых азот будет деструктировать в капли и обеспечить контакт между газом, который мы отводим из процедурной кабины. Для этих целей используется криогенный парогенератор или вертикальный канал, в котором газ, отбираемый из кабины, захватывает капли жидкого азота и вместе с ними в виде двухфазного потока движется примерно 1-1,5м. В результате того, что разность температур большая, а поверхность капель тоже достаточно велика, идет интенсивное испарение капель. Теплота переходит от газа к жидкому азоту, образуются пары, в результате эта смесь достаточно быстро выравнивается по температуре, или, по крайней мере, газ охлаждается до нужной температуры.

   Захват газа в канал определяется скоростью, в зависимости от скорости газа в нижнем сечении канала захватываются большие или меньшие капли. Регулируя количество газа, который проходит через канал, мы можем добиваться того, что средневзвешенный размер капель, например сечения 4, имел какое-то значение. Это приведет к тому, что мы будем знать примерную среднюю площадь внутри контактного теплообменника. А зная среднюю площадь, мы можем предсказать, какая будет разница температур между газом и жидкостью или достаточно точно предсказать температуру газа на выходе из парогенератора. Это как раз и является целью расчетов, потому что этот газ мы предполагаем отправить туда, где сейчас ждет нас пациент.

   Несмотря на достаточно простую схему, реализация ее требует определенных технических решений, в частности надо создать условия для захвата жидкости с поверхности жидкого азота, обеспечить, чтобы во всем объеме канала капли сохранялись, и обеспечить выделение этих капель из газового потока, перед тем как он поступит в процедурную кабину.

   Все эти три условия зависят от размера капель, предположим, если мы взяли, что скорость внизу мала, то мы захватили очень мелкие капли. С большой вероятностью они испаряться где-то внутри канала, и тогда верхняя часть канала не работает, соответственно поверхность непредсказуемо мала. Допустим, мы захватили средние капли, тогда поднявшись в верхнюю часть канала, они уменьшились на столько, что их невозможно выделить из потока. Соответственно, нам нужно иметь достаточно крупные капли на входе в канал, чтобы пройдя через него, они имели достаточно большой диаметр, чтобы мы могли их отделить от потока. Решение этой технологически-конструкционной задачи является основой эффективной работы крио саун.