Физическая модель системы криостатирования исполнительного устройства криотерапевтического комплекса, страница 3

Для моделирования процесса изменения температуры Т₄=f(τ), холодопроизводительность системы криостатирования следует отнести к единице объема пластины теплообменника:

где  – удельный объем теплообменного устройства;  – удельная холодопроизводительность системы криостатирования,

Для выполнения эксперимента по моделированию процесса рекуперативного отвода теплоты необходимо определить способ управления величиной . Возможно два варианта:

– управление системой криостатирования ИУ по температуре теплоносителя:

– или по температуре теплообменника:

Первый вариант в большей степени соответствует реальному алгоритму управления температурой ИУ, поэтому он будет реализован в эксперименте. Для соблюдения заданного алгоритма изменения температуры газа  необходимое значение теплового потока к системе криостатирования  при  обеспечивается за счет изменения температуры теплообменника.

Переохлаждение материала теплообменника происходит за счет отвода теплоты системой криостатирования, температура снижается до тех пор, пока не установится тепловой баланс теплообменного устройства.

Физическая модель имитирует позиционное регулирование температуры методом включения/выключения системы криостатирования:

В условиях автоматического регулирования мощности, температура теплообменника зависит от тепловой нагрузки на систему криостатирования, поэтому .

Для криостатирования ИУ с помощью рекуперативного способа теплоты используются не только компрессионные рефрижераторы, но и жидкостные азотные квазициклы [26,27]. В этом случае отвод теплоты обеспечивается преимущественно за счет отвода теплоты кипения криоагента, а пары сбрасываются в атмосферу без утилизации и перегрева.

В результате теряется существенная часть удельной теплоотводящей способности жидкого криоагента:

где  – теплота перегрева паров криоагента от насыщенного состояния до температуры ИУ,  – теплота парообразования.

При нормальных условиях  доля теплоты перегрева составляет около 23%.

Для того чтобы сократить эти потери теплоотводящей способности криоагента, в отдельных криотерапевтических системах используется смешанный конвективно-рекуперативный способ отвода теплоты из объема ИУ (см. рисунок 2.2.6). Криоагент поступает в теплообменник 4, где воспринимает подводимую теплоту q₄ и переходит в состояние пара. Пары криоагента сбрасываются в объем ИУ, где выполняют функцию теплоносителя. Избыток пара с расходом  и температурой Т₁ сбрасывается в атмосферу.

Подобная схема отвода теплоты используется только в многоместных КТК. Газообразный криоагент полностью окружает тела пациентов, поэтому для отвода теплоты можно использовать только жидкий воздух [8].

Реализация смешанного отвода теплоты требует соблюдения дополнительных мер безопасности. В частности необходимо обеспечить полное испарение потока  в теплообменнике 4, так как подача жидкого криоагента в объем ИУ недопустима.

Размещение рекуперативного теплообменника в объеме ИУ сопряжено с неоправданным увеличением размеров кабины, поэтому в современных КТК чаще всего используется конвективный способ отвода теплоты. (см. рисунок 2.2.7).

Система криостатирования 5 размещена за пределами ограждения 3. Отвод теплоты обеспечивается за счет циркуляции через объем ИУ потока теплоносителя с удельным расходом g₁ Теплоноситель входит в исполнительное устройство с температурой Т_1-0, перегревается до температуры Т_1-1 и поступает в систему криостатирования не регенерацию.

В объеме ИУ формируется слабо вынужденное конвективное перемещение теплоносителя, которое способствует выравниванию поля температур по объему процедурной кабины.

В первом приближении температуру в ИУ можно считать средним значением между температурой теплоносителя на входе и выходе в кабину:

Для охлаждения потока теплоносителя в системе криостатирования могут быть использованы рекуперативный и смешанный способы отвода теплоты. В одноместных кабинах с локализованной зоной контакта между теплоносителем и поверхностью объекта охлаждения системы криостатирования строятся с использованием контактного теплообмена между жидким криоагентом и газообразным теплоносителем.

Организация контактной передачи теплоты позволяет исключить из состава системы криостатирования рекуперативный теплообменник, что значительно упрощает конструкцию СК, снижает затраты на её изготовление, исключает затраты криоагента на первичное охлаждение теплообменного устройства.