Физическая модель системы криостатирования исполнительного устройства криотерапевтического комплекса

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ КРИОСТАТИРОВАНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА КРИОТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Система криостатирования (СК) исполнительного устройства криотерапевтического комплекса представляет собой комплекс устройств, обеспечивающих отвод избыточной теплоты из зоны ОКВ.

В соответствии с концепцией запланированного численного эксперимента все элементы системы криостатирования следует описывать удельными характеристиками, отнесенными к единице объема ИУ.

Наиболее ранним конструктивным решением является рекуперативная схема отвода теплоты (см. рисунок 2.2.1), которая была использована при создании первых образцов КТК. Конструктивно рекуперативная схема СК является простым заимствованием из области холодильных установок. Камеры с паровыми холодильными установками строятся по такому принципу.

Основное преимущество рекуперативной схемы заключается в том, что рабочее тело рефрижераторного цикла не смешивается с газом, заполняющим объем ИУ, что позволяет применять для отвода теплоты большое число циклов [9].

Тепловая схема ИУ с рекуперативным охладителем приведена на рисунке 2.2.1.

Функцию приемника теплоты, выделяемой в объеме ИУ, выполняет рекуперативный теплообменник 4, который размещается в зоне ОКВ.

В большинстве случаев для охлаждения теплообменника используются жидкостные квазициклы или парожидкостные циклы [27]. Для кипения криоагента используют теплообменники-испарители. Такой теплообменник состоит из горизонтальных оребренных труб, на которых смонтировано оребрение. Эффективность переноса теплоты в трубном пространстве теплообменника многократно превосходит эффективность подвода теплоты с внешней стороны труб.

Поверхность теплообменника 4 контактирует с криогенным теплоносителем 1, который заполняет объем, ограниченный тепловой изоляцией 3.

Теплота, выделяемая в объеме ИУ поверхностями изоляции  и объекта охлаждения , передается теплоносителю, который, в свою очередь, передает теплоту поверхности теплообменника 4.

Очевидным недостатком рекуперативного отвода теплоты является то, что перенос теплоты из объема ИУ к поверхности теплообменника осуществляется за счет естественной конвекции теплоносителя. Для отвода мощных потоков теплоты необходима большая теплопередающая поверхность. Исполнительное устройство должно обладать большим объемом свободного пространства для размещения теплообменных аппаратов и обеспечения удовлетворительных условий  для конвективного перемещения теплоносителя. Удельная доля свободного пространства ИУ с рекуперативным отводом теплоты превышает 95%, поэтому рекуперативный способ криостатирования используют преимущественно в многоместных КТК[6,8].

Использование естественной конвекции значительно увеличивает энергозатраты на реализацию цикла ОКВ. Тепловой поток от теплоносителя 1 к теплоприемнику 4 зависит от градиента температур и удельной теплопередающей поверхности теплообменника:

, где f₄ – удельная теплопередающая поверхность теплообменника, f₄=F₄/V₃; Т₄ – температура поверхности теплообменника.

В условиях естественно-конвективного переноса теплоты градиент температур между газом и охлаждающей поверхностью обычно составляет около 20 К:

или

Из-за этого температурный уровень отвода теплоты криостатирующим устройством 5 оказывается на 20 К ниже температуры в зоне ОКВ. При условии, что оптимальный уровень температуры теплоносителя составляет 140К [9], тепловой поток q₅ приходится отводить с температурного уровня не выше 120К.

Литературный обзор показал, что при рекуперативном отводе теплоты из процедурной кабины производители используют либо азотные жидкостные квазициклы, либо парокомпрессионные циклы [8].

Квазицикл с использованием жидкого азота безусловно пригоден для поставленной задачи, так как температура кипения криоагента значительно ниже уровня отвода теплоты. Однако при использовании в качестве криоагента жидкого азота трудно обеспечить утилизацию теплоты перегрева паров азота:

Эффективность переноса теплоты от внутренней поверхности труб к парам криоагента мала, поэтому для перегрева паров необходимо либо значительно увеличить число секций теплообменника-испарителя, либо использовать дополнительные теплообменные секции другой конструкции.

Оба варианта решения проблемы малорентабельны, поэтому пары азота сбрасывают в ОС практически без перегрева [9].