Выбор технологии криостатирования индивидуаьной криосауны, страница 2

, ведем в рассмотрение коэффициент : , тогда: .

Тепловой баланс смешения воздуха и криоагента:

,

Решая уравнение относительно  удельной доли криоагента, получим:

.

при ,  кг/кг.

Перепишем уравнение энергии  без учета переноса теплоты теплопроводностью и колебаний  плотности газа в кабине:

.

При замене производных  конечными разностными приближениями:

.

Полученное выражение пригодно для  проведения численного эксперимента и для приблизительной количественной оценки материальных и энергетических потоков в криосауне.

Выше было показано, что    ,  а .

Из технической информации об индивидуальных криосаунах [3] известно, что   м²/м³, а  м²/м³. Используя минимальные значения тепловыделяющей  поверхности и приведенные выше значения  получим: 6 кВт/ м³.  Полагая, режим установившимся , и учитывая что, решим уравнение

или

где .

Можно определить количество теплоносителя необходимое  для  того, чтобы перегрев газа в кабине не превышал допустимой величины :

Необходимо оценить затраты криоагента на поддержание необходимого расхода теплоносителя. Так как количество газа поданного в кабину определяется расходом воздуха, можно определить минимальный расход воздуха в теплообменнике:

 где   .

При заданном уровне , расход удельный расход теплоносителя зависит от величины допустимого перегрева. Также определяется удельный расход азотаДля эксплуатации криосаун важнейшим показателем является расход криоагента:

.

В зависимости от  величины допустимого перегрева  и уровня криостатирования кабины затраты криоагента будут существенно меняться (см. рис.2).

Рис. 2 Удельные затраты жидкого азота в проточной системе криостатирования  при разных значения перегрева теплоносителя (=130 К).

На рис. 2 приведены результаты вычислений удельных затрат криоагента на криостатирование процедурной  кабины. Результаты расчета описываю характеристики индивидуальной криосауны «КРИОМЕД-20/150-01», которая снабжена кабиной с объемом  1м³ и использует  проточную схему криостатирования.    Из графика видно, что для поддержания минимального перепада давления 10 К, необходимо расходовать криоагента 12 кг/ мин, в то время как  производители [3] заявляют расход всего 1,5 кг/мин. Из графика видно, что при расходе криоагента   1,5 кг/мин перегрев газа в кабине превысит 100 К.  При использовании  проточной схемы криостатирования обеспечить синхронность охлаждения невозможно.

          Основная масса криосаун использует современную технологию криостатирования основанную на циркуляции большей части теплоносителя между процедурной кабиной и системой охлаждения (см. рис.3). В этом случае большая часть газа  после кабины  поступает на повторное охлаждение. В атмосферу сбрасывается поток равный по массе расходу криоагента в теплообменнике. Теплоноситель циркулирует между теплообменником 4 и кабиной, поэтому схема получила название циркуляционной.

Рис.3 Циркуляционная схема криостатирования кабины криосауны.

На смешение с азотом подается не атмосферный воздух, а поток из верхней части кабины.  Использование в качестве источника теплоты для парообразования достаточно  холодного (150 К), кардинально меняют энергетическую эффективность процесса. В новой схеме теплоноситель действительно переносит теплоту  из кабины к жидкому азоту. Расход криоагента высчитывается по формуле:

.

        Величину  не зависит от расхода циркуляционного потока, что позволяет  наращивать количество газа циркулирующего через кабину. Увеличение  циркуляции  снижает перегрев газа:

.

Использование циркуляционной схемы криостатирования обеспечивает идеальные условия для синхронизации охлаждения.

Переход на рациональную схему использования криоагента сокращает затраты азота почти в  20 раз  (см. рис. 4).

.

Рис. 3. Расчетные затраты азота на криостатирование единицы объема криосауны на разных температурных уровнях.

Выполненный анализ показывает, что выбор рациональной схемы криостатирования оказывает определяющее влияние на работоспособность, эффективность и безопасность  индивидуальных криосаун.

Следует отметить, что при всей очевидности преимуществ циркуляционной схемы криостатирования ее распространение сдерживается сложностью реализации. Циркуляционный поток вносит в систему охлаждения значительное количество паров воды, которая выделяется с поверхности тела пациентов. Влага вымораживается на элементах системы охлаждения и нарушает работу основных узлов, прежде всего побудителя расхода газа 5.  В результате через 20-30 работа установки нарушается. Для непрерывного удаления инея из элементов системы криостатирования разработаны специальные приемы, основанные на аэродинамических свойствах двухфазных потоков.                                                                                  

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.  Баранов А.Ю., Малышева Т.А. Моделирование нестационарного теплообмена в криомедицине // Вестник Международной Академии Холода. 2000. № 2. - С.38 - 41.

2.  Баранов А. Ю., Малышева Т. А., Баранов В. А., Энергетические основы эффективности криотерапевтической аппаратуры, ФИЗИОТЕРАПИЯ, БАЛЬНЕОЛОГИЯ И РЕАБИЛИТАЦИЯ №2 2005, с. 29-31.

3.  А.Ю.Баранов, Разработка техники и технологии криотерапии, Холодильная техника, 2006, № 12, с.42-47.