Турбохолодильники, що використовуються для охолодження кріотерапевтичних блоків Наукова робота на тему «Матеріалознавство"

Автореферат наукової роботи з матеріалознавства, автор наукової статті - А.Й. Баранов, Т.А. Малишева

Анотація Стаття присвячена обґрунтуванню використання холодильників, що працюють на циклі холодильної машини на повітрі, для кріостатування низькотемпературного простору кріотерапевтичних комплексів. Низька енергоефективність кріотерапевтичних комплексів обмежує його широке практичне застосування. Причиною такої енергоефективності є те, що рідкий азот з температурою кипіння 78 K використовується для відведення тепла на рівні 120 - 140 K. Заміна системи охолодження азоту турбохолодильником з робочою температурою 140 K зменшує споживання енергії до один процедурний цикл від 23 до 5,85 мДж.

Подібні теми наукової роботи з Матеріалознавства, автор наукової статті - А.Й. Баранов, Т.А. Малишева

Наукова робота на тему "Турбохолодильники для охолодження кріотерапевтичних установок"

Доступно в Інтернеті за адресою www.sciencedirect.com

ELSEVIER Procedia Engineering 152 (2016) 169 -172;

Міжнародна конференція з нафтогазової інженерії, OGE 2016

Турбохолодильники, що використовують для охолодження кріотерапевтичних агрегатів

Баранов А.Й. а, Малишева Т.А. a *

aСанкт-Петербурзький національний дослідницький університет інформаційних технологій, механіки та оптики, Біржева лінія, 14, літ. А, Санкт-Петербург, 199034,

Стаття присвячена обґрунтуванню використання холодильників, що працюють на циклі повітряних холодильних машин, для кріостатування низькотемпературного простору кріотерапевтичних комплексів. Низька енергоефективність кріотерапевтичних комплексів обмежує його широке практичне застосування. Причиною такої енергоефективності є те, що рідкий азот з температурою кипіння 78 K використовується для відведення тепла на рівні 120 - 140 K. Заміна системи охолодження азоту турбохолодильником з робочою температурою 140 K зменшує споживання енергії до один процедурний цикл від 23 до 5,85 мДж.

Експертна оцінка під керівництвом Омського державного технічного університету

Ключові слова: турбо-холодильник; кріотерапія; теплове навантаження; кріостатуючий; рідина; кріоген.

* Відповідний автор. Тел .: +7 (911) 915-64-40. Адреса електронної пошти: [email protected]

Експертна оцінка під керівництвом Омського державного технічного університету

пацієнтам, розрахункова холодопродуктивність систем кріостатуючих комплексів на рівні температури не перевищує 140 К і повинна становити 40-65 кВт. Для заданого рівня температури для усунення цього теплового навантаження необхідний холодильний пристрій з приводною потужністю 160-250 кВт. Сувора вимога до енергозабезпечення системи охолодження кріотерапевтичного комплексу стала причиною заміни компресорних холодильників азотними квазициклами.

2. Тема вивчення

Таблиця 1. Технічні характеристики багатомісних кріотерапевтичних комплексів.

Технічні характеристики «KR-2005N» «Zimmer» «Сryospacecabm»

Виробник «CREATOR», Польща «ZimmerMedizinSysteme», Німеччина «LindeGroup», Німеччина

Місткість кабіни, людей 6 5 5

Температура газу в салоні, K 140 160160

Температура газу в замку, K 210 210 210

Тривалість процедури, не менше 3 3 3

Кількість процедурних циклів, година-1 15 4 4

Потужність приводу холодильника, кВт 7 18 20

Швидкість потоку азоту, кг/год 100 - -

виміри основної кабіни, м 2,5x2,5x2,5 2 ^ 2 ^ 2,0 2 ^ 2 ^ 2,0

Дані таблиці 1 дозволяють нам залишити уявлення про енергетичну доступність декількох кріотерапевтичних комплексів. Установки з компресійними холодильниками "Zimmer" та "Cryospacecabin" мають очевидний дефіцит потужності, оскільки робота з великими перервами між процедурами і протягом години забезпечує лише 4 сеанси кріотерапії. Польський комплекс "KR-2005N" використовує для кріостатування не тільки азотну систему з потоком кріогенту 100 кг/год, але й холодильну установку з приводною потужністю 7 кВт, що дозволяє проводити сеанси кріотерапії без перерв. Однак швидкість потоку азоту, заявлена виробниками, дозволяє нам відводити при рівні температури 140 К. А для кріотерапевтичного впливу на групу з 6 людей нам потрібно приймати тепловий потік потужністю не менше 48 кВт.

Таблиця 2. Технічні характеристики окремих кріотерапевтичних комплексів.

Технічні характеристики Em Cryo pool «KAEKT-01« CRION »Cryocabin« CRIOMED-20/150-01 »Cryocabin« ICEQUEEN »

Температура газу в салоні К від 120 до 140 від 100 до 270 від 100 до 270

Експозиція OKV хв 3 3 3

Кількість процедурних циклів година-1 15 15 15

Загальна потужність колекторів кВт 1,5 1,5 1,5

Витрата кріогенту кг/хв 1,5 1 1

Всередині салону кабіни м3 0,45 1,0 1,0

Потужність, доступна на одного працівника окремих комплексів, значно вища. Витрата азоту від 1 до 1,5 кг/хв, дозволило нам зняти 140 К теплового навантаження з 4,3 до 6,5 кВт. Беручи до уваги високу ефективність конструкції однієї кабіни, такі витрати кріогену забезпечують ефективний кріотерапевтичний вплив.

3. Матеріали та методи

В експерименті використана математична модель кріотерапевтичної системи, що складається з термозахисту, об'єкта охолодження та вільного простору кабіни, що заповнює повітря [1]. Моделюючи роботу кріотерапевтичного комплексу з ATRM, процеси, що відбуваються в компресорі 1 і розширювачі 5, не досліджені. Зміна ентальпії повітря в процесі стиснення і розширення, а також витрати енергії в приводі холодильника, розраховані з урахуванням заданих значень ізотермічної ефективності компресора та адіабатичної ефективності детандера. Процеси теплообмінника 4 були описані математичною моделлю, побудованою на основі числового рішення рівняння енергії для поверхні теплообмінного елемента [1]. Ізотермічна ефективність дорівнює 0,5, адіабатична ефективність розширювача - 0,8 [2].

Моделювання кріотерапевтичного комплексу з турбохолодильною системою кріостатування показало, що споживання електроенергії за один процедурний цикл може бути зменшено до рівня 5,85 МДж. При тиску повітря після детандера 0,2 МПа система кріостатування протягом 35 секунд забезпечує вихід процедурної кабіни до рівня температури 150 К, що задовольняє вимогам безпеки пацієнта [1]. Підвищення енергоефективності системи кріостатування та усунення проблем з логістикою рідкого кріоагенту суттєво підвищить рентабельність роботи одного КТК.

Інтеграція кріотерапевтичних установок з турбохолодильними системами кріостатування стримується відсутністю серійних турбохолодильних установок з повітряним потоком 0,25 кг/с і охолоджуючою потужністю не менше 10 кВт при рівні температури 140 К. потужність приводу холодильника повинна бути не менше 30 кВт, щоб покрити тепловиділення в зоні кріотерапевтичного впливу. Встановлена потужність КТК з азотним охолодженням становить не більше 1,0 кВт. Для багатьох організацій суворі вимоги до колектора щодо живлення можуть зіграти стримуючу роль. Виходячи з вартості серійного високотемпературного холодоагенту, можна очікувати, що вартість системи кріостатування цього типу значно перевищить вартість кріотерапевтичних комплексів з азотним охолодженням. 1,0 кВт Незважаючи на всі ці проблеми, дослідження, спрямовані на створення таких холодильних систем, є актуальними, оскільки вирішують проблему забезпечення великих медичних установ кріотерапевтичним обладнанням.

[1] А. Ю. Баранов, Т. А. Малишева, В. А. Баранов, Основи енергоефективності кріотерапевтичного обладнання, фізіотерапія, бальнеологія та

реабілітація, No 2, 2005, с. 29-31. (російською)

[2] А. М. Архаров, І. В. Марфеніна, Є. І. Мікулін, Теорія та обчислення кріогенних систем, Машинобудування, 1978, 435 с. (російською)

[3] В. М. Бродянський, А. М. Семенов, Термодинамічні основи кріогенної інженерії, Енергетика, 1980, 448 с. (російською)