Исследование процессов в условиях вынужденной конвекции теплоносителя

3.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В УСЛОВИЯХ ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Скорость движения  теплоносителя оказывает существенное влияние на результаты криотерапевтических процедур. Производители современных кабин для групповых криопроцедур подчеркивают, что теплообмен в исполнительном устройстве  интенсифицирован за счет принудительного движения газа.

Для отвода из зоны криовоздействия теплоты, выделяемой с поверхности тел пациентов, система криостатирования должна подавать и отводить из исполнительного устройства значительный поток теплоносителя. Расход газа определяется величиной допустимого  перегрева теплоносителя в кабине,   определяет  изотропность  поля температур по ее объему. Изотропность температуры является важнейшим технологическим условием  эффективности и безопасности криопроцедур.  В противном случае участки тела будут охлаждаться с разной скоростью, и эффективное воздействие будет оказано  только на часть кожного покрова. Средний расход газа,  обеспечивающий отвод теплоты от одного пациента при удовлетворительном перегреве теплоносителя, определяется отношение теплового потока с поверхности тела к теплоотводящей способности единицы массы теплоносителя:

,                                            (3.3.1)

где Q_2max − теплота, выделенная  с единицы поверхности тела  пациента за процедуру ( см. табл…..), τ_max − продолжительность процедуры при температуре теплоносителя 140 К, с_р1 − теплоемкость воздуха при температуре воздействия, f₂ − площадь кожного покрова пациента,  DT–максимально допустимый перегрев теплоносителя  DT =10.

.

 Полученный результат следует соотнести с геометрическими размерами кабин для групповой криотерапии. Например, кабина комплекса «КРИОСПЕЙС КАБИН» имеет размеры 2,0*2,0*2,0 м и рассчитана на размещение трех пациентов одновременно.  Расчетный расход криоагента составит:

.

С учетом площади поперечного сечения кабины  расчетная скорость движения теплоносителя составит:

,     

Можно  утверждать, что в групповых кабинах скорость вынужденного движения теплоносителя пренебрежимо мала.

В аэрокриотерапевтических комплексах индивидуального действия для поддержания заданной разности  температур по высоте кабины (DT₁<30 K),   необходимо поддерживать движение теплоносителя с большой скоростью. Площадь поперечного сечения индивидуальной кабины  в 5 – 10 раз меньше площади поперечного сечения групповой кабины, отнесенной к максимальному числу пациентов. Так, в криотерапевтическом комплексе «КАЭКТ–01»  средняя площадь поперечного сечения составляет 0,28 м² . В кабине комплекса  «КРИОСПЕЙС КАБИН»  на одного пациента приходится не менее 1,3 м² .  Вместе с тем, тепловыделение с поверхности тела пациента в индивидуальной кабине такое же,  что и в групповой,  поэтому для отвода теплоты  скорость теплоносителя должна быть значительной (см. табл.3.3.1).

Таблица 3.3.1

Расчетная скорость теплоносителя  в исполнительном устройстве

индивидуального криотерапевтического комплекса.

Теплоотвод с поверхности тела   интенсифицируется вынужденным движением газа. Можно оценить влияние скорости теплоносителя на  процесс отдачи теплоты с поверхности тела. Теория естественного конвективного теплообмена [*****] позволяет рассчитать среднюю скорость перемещения теплоносителя в групповых кабинах:

      ,                          (3.3.2)

где  δ - толщина пограничного слоя теплоносителя:

.                              (3.3.3)

Для газа с температурой 80 К скорость естественной циркуляции достигает 0,1 м/с. В качестве верхнего предела скорости было принято значение 1 м/с. Процесс теплообмена описывался с помощью выражений, рекомендованных для вынужденного конвективного движения газа вдоль теплопередающей поверхности:

при  Re < 10⁶ Nu_жx =0,33∙ Re^1/2∙ Pr ^1/3 ,                                       (3.3.4)

при  Re > 4∙10⁶Nu_жx =0,0296∙ Re ^0,8∙ (Pr_ж ) ^0,8 ∙ (Pr_ж/Pr_c) ^0,25(3.3.5)

Диапазон варьирования температуры теплоносителя от 90 до 190 К.

В ходе численного эксперимента скорость потока изменялась с шагом 0,1. Таким образом, для каждого из 10 вариантов температуры теплоносителя моделировалось 10 вариантов с разными значениями скорости газа. Результаты, полученные для 100 различных сочетаний  варьируемых параметров, представлены в таблицах .