Характеристика потребности криотерапевтического комплекса в жидком азоте. Импульсный испаритель криоагента

Характеристика потребности криотерапевтического комплекса в жидком азоте

Основной целью предпринимаемого эксперимента является оценка способности криогенного трубопровода обеспечивать криотерапевтический комплекс достаточным количеством жидкого азота. Для того чтобы определить недостаточность подачи жидкости через криотерапевтический комплекс надо описать технологический режим работы комплекса и оценить полную потребность в жидком азоте и потребность в каждый момент технологического цикла.

Рис. 7.1. Изменение температуры теплоносителя в кабине

На рис. 7.1 приведён график изменения температуры теплоносителя в кабине, который позволяет оценить процессы, вызывающие испарение жидкого азота. Главным требованием работы криосауны является быстрое (10-20 секунд) заполнение кабины газом с номинальной температурой. Если это время превышается, качество процедуры снижается, и пациент подвергается дополнительным опасностям. Поэтому соблюдение этого температурного графика является неукоснительным требованием как для криотерапевтического комплекса, так и для системы подачи азота [4].

Рис. 7.2. Нагрузка на систему криостатирования во время процедуры

Выполнение такого температурного режима (см. рис. 7.2) требует покрытия системой криостатирования  значительных импульсных нагрузок. По известным объёмам криотерапевтической кабины при помощи математической модели кабины определяется величина тепловых потоков, которые возникают в системе криостатирования [13]. Как видно из графика 7.2, на фазе заполнения кабины расчётная тепловая нагрузка на систему криостатирование достигает более 40 кВт, затем зависимость достаточно быстро снижается, и уже через 20-30 секунд нагрузка составляет 6-8 кВт. Соответственно, как система криостатирования работает в импульсном режиме, так и трубопровод должен обеспечить подачу в импульсном режиме. Зная теплоотводящую способность жидкого азота, можно рассчитать мгновенные значения расхода азота на разных этапах работы криосауны (см. рис. 7.3).

Рис. 7.3. Расход азота на разных этапах работы криотерапевтического комплекса

Видно, что в первые секунды после запуска установки, по трубопроводу должно поступать более 0,15 кг/с  (540 кг/ч) жидкого азота, что является очень большим расходом. Далее потребность в азоте снижается и её будет нетрудно выполнить за счёт работы трубопровода. Суммарный расход азота, который можно получить интегрированием кривой, составляет 4,2 кг (см. рис. 7.4). Анализ всех этих материалов показывает, что криогенный трубопровод, который будет подключён к криогенной установке, должен обеспечивать импульсную подачу азота не менее 0,15 кг/с при общем расходе на процедуру не менее 4 кг.

Рис. 7.4. Суммарный расход азота

Важное значение имеет фазовый состав криоагента. Так как в процессе движения по трубопроводу часть жидкости испарится, то количество жидкости, поданной из ёмкости в трубопровод может существенно отличаться от количества жидкости, поступившей в установку. То есть теплоноситель придет в состоянии влажного или сухого пара. Теоретически можно работать и на сухом пару, то есть подавать пар. В криотерапевтической технике имеются такого рода запатентованные разработки. Однако в этом случае затраты криоагента резко возрастают.

На рис. 7.5 приведены графики: количество криоагента, которое надо подавать в зависимости от его сухости. Если степень сухости менее 0,5, то необходимо подавать около 0,30 кг/с. Нельзя допускать ситуации, когда содержание жидкости в потоке более 50%. Соответственно, нужно выполнить требования по расходу, по общему расходу и по степени сухости. Все варианты, которые в процессе математического эксперимента не обеспечат этих трёх условий, надо однозначно отбросить или придумать меры, которые позволят работать установке с таким трубопроводом.

Рис. 7.5. Количество криоагента в зависимости от его сухости

Глава 8.

Импульсный испаритель криоагента

При снабжении криотерапевтической установки азотом от криогенной ёмкости определённые технические трудности возникают с поддержанием достаточного избыточного давления паров Р” (см. рис.  8.1). По мере расходования жидкости, объём жидкой фракции уменьшается, а объём паровой фракции увеличивается. Увеличение объёма паров приводит к снижению давления в системе. Особенно ярко эта эксплуатационная проблема проявляется при большой степени заполненности ёмкости, когда паровая прослойка мала. Незначительные изменения объёма жидкости приводят к существенному снижению давления пара. Ёмкость содержит узлы для поддержания стабильного давления за счёт отбора жидкости в испаритель g_исп. Жидкость превращается в пар, поступает в паровую полость и компенсирует сброс давления, вызванный  отбором жидкости потребителем. Однако ёмкость с жидкостью удалена от кабинета криотерапии, находится на улице, и управлять испарителем достаточно сложно. Иногда используется режим постоянного отбора в испаритель. Вентиль В-1 оставляют в приоткрытом состоянии. Если давление в ёмкости превышает номинальное, то происходит частичный сброс пара через предохранительный клапан. Этот приём дает хорошие результаты по стабилизации давления, но сопровождается избыточными затратами криоагента. Особенно велики потери криоагента в тех случаях, когда сеанс проходит с большими паузами между процедурами. Отбор жидкости в испаритель во время паузы – это источник нерациональных потерь криоагента. Необходимо оценить количество пара, которое надо подавать в ёмкость для поддержания стабильного давления. Этот оценочный расчёт можно провести на примере криотерапевтической установки, работающей в госпитале им. Н.Н.Бурденко.

Рис. 8.1. Система подачи азота из ёмкости со стандартным испарителем

Исходные данные по расчёту:

 – потребляемое количество азота: G_а=300 кг/сутки;

 – продолжительность работы комплекса: τ_эксп=5 часов.