CC BY
14
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЛОКАЛЬНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ФИЗИОТЕРАПИИ
Т.А.Исмаилов, М.А.Хазамова Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала
В настоящее время физиотерапевтические способы воздействия на человеческий организм являются одними из наиболее широко применяемых и эффективных методов в медицинской практике. Особое место среди них занимают методы воздействия, основанные на использовании температурного фактора, которые находят широкое применение для активного восстановительного лечения, для стимуляции жизнедеятельности организма, а также при развитии осложнений, воспалительных процессах, периоде заживления ран, при состояниях переохлаждения и т.п. При травматических и воспалительных поражениях суставо-связочного и мышечного аппарата в подострый период, а также при хронических процессах, мышечных контрактурах, сосудистых расстройствах с наклонностью к спазмам целесообразно комбинировать различные физиотерапевтические процедуры, например массаж с тепловыми процедурами (водяная ванна, аппликации парафина, озокерита и т.д.) [1]
В лаборатории полупроводниковых термоэлектрических приборов и устройств Дагестанского государственного технического университета разработано термоэлектрическое устройство (ТЭУ) для проведения физиотерапевтических температурных процедур, связанных с воздействием на стопу человека [2], лечебная эффективность воздействия на которую обусловлена тем, что стопа человека представляет собой зону, богатую нервными окончаниями.
Разработана математическая модель рассматриваемого устройства [3]. Получено, что распределение температуры по толщине стопы определяется следующим соотношением:
тг т ^ Ч2 х2 - 2хЬ ^ 2 • (-1)п+1 —м2
Т (х, г) = Т + х — --> -е
Я 2а П=1 Мп
\^ Б1пмп X + (Т — Т + ^уСазм 1
[ ЯМп Ь аМп Ь ]
Мп =т(2п—1); * = ^; а- Я
\----У у -I 1 ?
2 ер ср
где - количество тепла, выделяемого в единицу времени в стопе; - тепловой поток на внутренних спаях ТЭБ 2, возникающий вследствие поглощения (выделения) теплоты Пельтье; Я - коэффициент теплопроводности стопы; с - теплоемкость ступни; р - плотность,
Т0 - температура участка человеческого организма при отсутствии воздействия (в
большинстве случаев 36,60С); Т - распределение температуры по толщине первой ТЭБ, Ь -толщина ступни.
Для оценки адекватности разработанной математической модели, реальной конструкции устройства и проверки влияния конструктивных, теплофизических и режимных факторов на характеристики устройства, а также для сравнения выходных характеристик исследуемого прибора с теоретическими, был проведен ряд экспериментальных исследований.
Исследовался опытный образец термоэлектрического устройства для воздействия на стопу человека, представляющий собой ванночку, выполненную из материала с высокой теплопроводностью (медь), с возможным заполнением медным гранулятом. К нижней стороне ванночки приведена в тепловой контакт термобатарея (ТЭБ), выполненная из стандартных унифицированных термомодулей (ТЭМ). Противоположные спаи ТЭБ находятся в тепловом контакте с жидкостным теплообменником, предназначенным для съема тепла со спаев.
В качестве ТЭБ использовались стандартные унифицированные ТЭМ типа 1СЕ-71, выпускаемых инженерно-производственной фирмой «Криотерм» [4], соединенные последовательно-параллельно. Питание ТЭМ осуществлялось источником электрической
2
Ь
энергии. Скорость течения жидкости в теплообменнике регулировалась посредством регулятора. Для проведения измерений использовались встроенные в источник электрической энергии амперметр и вольтметр, датчик скорости потока жидкости в регуляторе скорости течения жидкости и многоканальный измерительный комплекс ИРТМ 2402/ М3, подключенный к ЭВМ. Роль тепловой нагрузки выполнял плоский нагревательный элемент с регулируемой мощностью.
При проведении экспериментальных исследований основной задачей являлось получение временных зависимостей изменения температуры исследуемого объекта в нескольких точках при различных параметрах ТЭБ и тепловой нагрузки.
На рис. 1-2 приведены данные зависимости для режима охлаждения (рис. 1) и режима
Т, 0С
а 15 с
е
Временная зависимость температуры 2 слоя гранулята при различных тепловых нагрузках в
режиме охлаждения
—♦—4А 5 Вт
—•—4А 7 Вт
-А-ЗА 5 Вт
-■-ЗА 7 Вт
0:10 0:12 Время
1, мин.
Рис. 1
30
25
20
0
5
0
Временная зависимость температуры 2 слоя гранулята при различных тепловых нагрузках в
режиме нагрева
Время
Рис. 2
нагрева (рис. 2). Как следует из представленных данных, продолжительность выхода на режим устройства вполне приемлемая. Для режима охлаждения она составляет около 12 мин., а для режима нагрева - 6-7 мин. Глубина нагрева и охлаждения напрямую связана с током питания ТЭБ и растет с его увеличением.
Зависимость температуры верхней поверхности гранулята (2-й слой) от тока питания ТЭБ при работе устройства в режиме охлаждения представлена на рис. 3
Зависимость температуры гранулята от тока питания в режиме охлаждения с нагрузкой 5 Вт
Рис. 3
Здесь рассмотрены два режима работы прибора: при включении 8-ми и 4-х ТЭМ. Согласно приведенных зависимостей сначала с ростом тока наблюдается резкое снижение температуры верхней поверхности гранулята, затем темп снижения температуры замедляется, и при величине тока около 5А ее изменение практически прекращается. Данное обстоятельство определяется, прежде всего, достижением оптимального для данного типа ТЭБ тока питания, а также увеличением теплопритока из окружающей среды с понижением температуры объекта исследования. Здесь необходимо отметить значительную разницу температуры верхней поверхности гранулята при включении 8-ми и 4-х ТЭБ, которая для данного случая при токе питания 4А достигает около 140С.
Исходя из этого, можно сделать вывод, что одним из методов уменьшения времени выхода на режим данного устройства может достигаться путем включения в процесс температурного воздействия большего количества модулей, а затем по достижении необходимого температурного уровня часть модулей может быть отключена. Для рассмотренного в эксперименте случая время выхода на режим устройства сокращается в несколько раз.
В результате экспериментальных исследований установлены потери на слое гранулята, связанные с его тепловым сопротивлением. Как показывают опытные данные, на большом температурном интервале воздействий данные потери не превышают 1,5 0С. Несмотря на небольшое значение тепловых потерь на слое гранулята, данное обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации устройства, в частности, для случая строго дозированных температурных воздействий.
T, 0С 38
31,177
24,33
17,5
10,67
6,83
т-1-1-г
J_I_I_L
0:03 0:06 0:9 0:12 0:15 0:18 . мин
^ мин.
Рис. 4
По результат ам экспериментов проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных. На рис. 4 представлены полученные результаты при работе устройства в режиме охлаждения при токе питания ТЭБ в 4А. Представленные данные определяют приемлемую точность математической модели функционирования устройства. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает допустимых значений. Наибольшее отклонение расчетных данных от опыта наблюдается, в основном, на промежутке времени, связанном с выходом устройства на режим, что определяется влиянием окружающей среды и неидеальной тепловой изоляцией системы «устройство-объект воздействия», а также некоторым разбросом параметров ТЭМ и измерительных приборов.
Подводя итог вышеизложенному, можно сделать следующие выводы по работе: разработанная математическая модель адекватна эксперименту и максимальное отклонение расчетных и опытных данных не превышает допустимых значений; целесообразно на практике использовать форсированный выход на режим устройства, при котором количество используемых модулей после выхода устройства на необходимый тепловой режим может быть уменьшено; при эксплуатации прибора на слое гранулята имеют место тепловые потери, которые необходимо учитывать при строго дозированных температурных воздействиях; для формирования температурного воздействия в широком интервале температур в разработанном устройстве используется от 4 до 8 термомодулей с максимальным током питания 5А, что свидетельствует об удовлетворительных величинах энергопотребления.
Библиографический список:
1. Физическая реабилитация./ Под общей ред. проф. Попова С.Н.. Изд. 2-е. - Ростов н/Д: изд. «Феникс», 2004. - 608с.
2. Патент РФ № 2245694. Полупроводниковое термоэлектрическое устройство для локального теплового воздействия на стопу человека // Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Зарат А.К., Аминов Г.И., Хазамова М.А. Б.И. № 4, 2004.
3. Исмаилов Т.А., Мейланов Р.П., Хазамова М.А. Моделирование нестационарного теплового режима отдельных зон человеческого организма при местном температурном воздействии.// Журнал «Изв. Вузов. Северо-Кавказский регион». Новочеркасск: Технические науки, 2005. № 1. С. 34-36.
4. WWW: http://www.kryotherm.spb.ru.
