Принцип действия системы охлаждения криосауны

ПРИЦИП ДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ КРИОСАУНЫ.

Система охлаждения важнейший элемент криотерапевтической установки. Исследования, выполненные в СПб ГУ Н и ПТ, показали, что номинальная мощность системы криостатирования составляет не менее  10 кВт. При заполнении кабины теплоносителем холодопроизводительность возрастает до 20 кВт. Уровень криостатирования крайне низкий (120- 130 К). Для покрытия импульсных потоков теплоты  необходима система передачи теплоты с высокой теплопередающей поверхностью. Исходя из того что, теплота отводится к жидкому азоту посредством газового потока (теплоносителя), некоторые производители криосаун используют в системе охлаждения оребренные теплообменники (испарители). С учетом большой тепловой нагрузки (10-20кВт), ограниченного перепада температур между жидким криоагентом газом-теплоносителем (не более  30К) площадь такого теплообменника на стороне газового потока должна быть значительной. Полагая коэффициент теплоотдачи равным 20Вт/·К, нетрудно посчитать, что минимальная площадь поверхности теплообменника составит: 

Вес такого теплообменника составит не менее 30 кг. Перед началом  работы  криосауны необходимо будет охладить металл теплообменника, на что потребуется не менее 20 кг азота. Недостатки рассмотренного способа очевидно, так как пусковые затраты криоагента неоправданно велики. Кроме того передача теплоты через разделительную поверхность недостаточно эффективна.

Теплообменники обеспечивая прямой контакт жидкого криоагента с газом-теплоносителем. В результате такого контакта газ обогащается парами азота и поэтому не пригоден для дыхания. Работа с данной системой охлаждения возможно при наличии систем защищающих пациента от вдыхания газа-теплоносителя. 

Для снижения пусковых затрат криоагента и повышения эффективности передачи теплоты в системе криостатирования терапевтического комплекса «КАЭКТ-01 КРИОН» используется безнасадочный контактный теплообменник  (см. рисунок 1).

Рис. 1 Принципиальная схема безнасадочного  контактного теплообменника.

Теплообменник 2 формируется  из капель жидкого азота, которые зависают в потоке отводимого из криостатирующего устройства газа теплоносителя. Движение теплоносителя побуждается вентилятором 3. Источником криоагента служит расходная емкость 1. Для  удаления жидкости из потока теплоносителя предусмотрен отделитель 4.  Схема, приведенная на рис. 1 описывает технологию организации передачу теплоты от газа к жидкости, но конструкция аппарата в котором реализуется эта схема сложна и требует подробного рассмотрения.

Принципы действия без насадочного контактного теплообменника поясняется схемой движения материальных потоков (см. рис. 2).

Рис. 2. Схема движения материальных потоков в без насадочном контактном теплообменнике.

Для безопасной работы криосауны необходимо обеспечить ряд условий:

1.  Газ - теплоноситель направляемый в кабину пациента не должен содержать капель азота теплоноситель направляемый в кабину пациента не должен содержать капель азота.

2.  Температура газа на выходе из теплообменника должна быть не ниже 120К.

3.  Расход газа через теплообменник составляет не менее 0,2 кг/с.

Высокий расход газа в сочетании с требованиями по защите кожи пациентов от попадания капель криоагента исключают применения технологических приемов основанных на распылении жидкого азота. Так как в случае насыщения газового потока мелкими каплями криоагента отделить капли жидкости от газа после завершения охлаждения крайне трудно. Обычно в технологических аппаратах, не использующих распыление азота, размер капель составляет не более 0,1*10^{-3 м. Для мелких капель характерна очень малая скорость «витания» (скорость газового потока, при которой частицы остаются во взвешенном состоянии). Скорость «витания» можно определить из выражения:}

или обозначив

Для рассматриваемой задачи К_В@const, а скорость «витания» зависит от диаметра капли по параболической функции. Скорость витания для капли  диаметром 0,1·10^{-3 м составляет 0,5 м/с. Применительно к криосауне это означает, что отделитель жидкости должен иметь площадь поперечного сечения более 0,25 м2. Аппарат квадратного сечения с такой площадью будет иметь размеры 0,5·0,5 м, т.е. сопоставимые с кабиной пациента.}

Если учесть уменьшение диаметра капель из-за частичного испарения  испарение капель результат окажется еще  хуже. Отделитель жидкости увеличится до невероятных размеров (0,9·0,9 м).

Выход из этого тупика достаточно очевиден, необходимо организовать передачу тепла на относительно крупных частицах азота, так чтобы минимальный диаметр капель соответствовал условиям: d_min³0,2·10^{-3 м.}

 Обычно скорость газового потока во всасывающем патрубке центробежных вентиляторов составляет 15<V<25 м/с. При такой скорости газового потока  можно перемещать частицы азота с диаметром до 0,7·10^{-3 м.}

Процесс контактного переноса теплоты инициируется при пуске центробежного вентилятора системы охлаждения. Под действием газового потока 2 из  слоя жидкого азота 1 отрываются  капли жидкости 3.  Захваченные газовым потоком капли движутся через канал парогенератора. Скорость капли:

V_k=V_газ-V_вит