Физическая модель криотерапевтического комплекса, страница 2

Существенное влияние на работу комплекса оказывает способ отвода теплоты от потока теплоносителя в теплообменном устройстве 4. Теплообмен с рабочими телами компрессионных систем криостатирования может осуществляться  только в рекуперативном теплообменнике. В случае применения жидкостного охлаждающего цикла, для передачи теплоты к криоагенту используются рекуперативные [], регенеративные [] и контактные теплообменники [].

 Теплообменное устройство криотерапевтического комплекса характеризуется  величиной  теплопередающей поверхности  и  металлоемкостью. Теплообменное устройство 4 передает в систему криостатирования 5 суммарный тепловой поток, складывающийся из теплоты подведенной  потоком теплоносителя и  дополнительной тепловой нагрузки связанной с изменение температуры теплообменного аппарата 4.

В соответствии с принятой системой индексации параметры теплообменного устройства имеют  индекс 4:

.

Способность системы криостатирования покрывать тепловую нагрузку от теплообменного устройства определяется выбором цикла трансформации теплоты затратами энергии на работу привода системы криостатирования.

Приведенная на рис.  1 блок-схема, представляет принцип действия криотерапевтического комплекса очень обобщенно. На практике  важную роль играет выбор схемы проведения криотерапевтического воздействия. Охлаждение проводят группами до 8 человек или индивидуально. Соответственно существуют  групповые и индивидуальные исполнительные устройства.

Рис.   9. Температура газа в полостях комплекса во время процедурного цикла.

Основной особенностью этих процедурных кабин является то, что их криостатирование осуществляется только в основном процедурном цикле. Объем исполнительного устройства мал, поэтому теплообменник находится вне зоны криотерапевтического воздействия, а теплота отводится за счет вынужденной циркуляции газа через охлаждаемую зону (см. рис.   11).  Учитывая малый объем процедурной кабины при входе пациента температура газа выравнивается с окружающей средой:          .

Охлаждение объекта и заполнение исполнительного устройства начинаются одновременно, поэтому потери теплоносителя при входе пациентов отсутствуют. Благодаря малому объему время заполнения кабины невелико:

.

После выхода на номинальный температурный уровень комплекс переходит в режим криостатирования:

..

По завершению процедурного цикла пациент выходит из  исполнительного устройства, при этом теплоноситель сбрасывается в окружающую среду, температура в кабине после выхода пациента постепенно понижается за счет теплообмена газа со стенками:

.  

Пауза между циклами мала, поэтому значительного падения температуры не наблюдается.

Рис.   12. Алгоритм работы индивидуального криотерапевтического комплекса.

График приведенный на рис.   12 гораздо ближе к режимам использованным при экспериментах по оптимизации технологии криотерапии. Однако для работы по такому алгоритму необходимо обеспечить комплекс мощной системой криостатирования.

 При построении универсальной физической модели исполнительного устройства криотерапевтического комплекса следует учесть особенности подвода теплоты от теплового ограждения.

Как показал приведенный выше анализ перемещения теплоносителя при входе и выходе пациентов, сопровождаются значительными колебаниями температуры газа в полостях комплекса.   Амплитуда колебаний температуры газа в объеме кабины и шлюза  группового комплекса около 70 К. В индивидуальном устройстве  амплитуда изменения температуры еще  больше до 170 К. Из-за колебаний температуры значительное количество теплоты переносится за счет теплоаккумулирующей способности материала ограждения (реактивный подвод теплоты). Приток теплоты от изоляции, складывается из активной и реактивной составляющих:

q_{3 =} q_3a + q_3p

причем, для индивидуальных установок:              q_3p > q_3a.

Дополнительный подвод теплоты от изоляционного ограждения затрудняет выполнение обобщенного анализа зависимости физиотерапевтического результата криогенного воздействия от мощности системы криостатирования. Многообразие конструктивных и технологических решений влияющих на величину q₃ не позволяет принять для данного эксперимента некоторое постоянное значение, так как величина q₃, и соотношение величин подвода теплоты от объекта криотерапевтического воздействия и тепловой изоляции колеблются в широких пределах.

В групповых комплексах в зону колебания температуры попадают теплообменные устройства. Обладая значительной поверхностью и массой, эти аппараты существенно влияют на перенос теплоты.

Для построения физической и математической модели исполнительного устройства криотерапевтического комплекса  следует вывести из рассмотрения все геометрические и конструктивные особенности конкретных аппаратов. Для теплового анализа достаточно описать их тепловое влияние на температуру теплоносителя. Этим требованиям в полной мере отвечает одномерная модель исполнительного устройства, в которой источники теплоты описываются удельными величинами.  Для имитации элементов рабочего цикла криотерапевтического комплекса в модели исполнительного устройства используются модели его составляющих: объекта криотерапевтического воздействия, теплового ограждения  и теплообменника. Связь с реальными объектами устанавливается посредством удельных значений поверхностей источников теплоты , полученных путем отношения истинных значений площади к объему исполнительного устройства, например:

,

Диапазоны  варьирования удельных площадей источников теплоты могут быть получены при обработке технической информации о действующих криотерапевтических комплексах.