CC BY
18
ТЕПЛОФИЗИКА
УДК 681.382
Евдулов О.В., Абдулмажидов М.А., Ахмедов М.Э.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ МЕДИЦИНСКИХ ПРОЦЕДУР, СВЯЗАННЫХ С ОХЛАЖДЕНИЕМ И НАГРЕВОМ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
Evdulov O. V., Abdulmajidov M.A., Ahmedov M.E.
EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF THERMOELECTRIC SYSTEM FOR CARRYING OUT OF MEDICAL PROCEDURES RELATED TO THE COOLING AND HEATING OF BIOLOGICAL OBJECTS
В статье рассмотрены результаты экспериментальных исследований термоэлектрической системы для проведения медицинских процедур, связанных с охлаждением и нагревом биологического объекта. Приведены конструкция экспериментального стенда, а также методики натурных испытаний. Экспериментальные данные представлены в виде графиков изменения во времени температуры контрольных точек системы: прибор - имитатор биологического объекта.
Ключевые слова: термоэлектрическая система, биологический объект, опытный образец, термоэлектрическая батарея, имитатор, температура, время, эксперимент.
The article describes the results of experimental research of thermoelectric system for carrying out of medical procedures related to the cooling and heating of biological object. The design of an experimental stand, as well as a methodology for full-scale tests. Experimental data are presented in the form of graphs of a change in the time of temperature control points system.
Key words: thermo-electric system, biological object, prototype, thermo-electric battery, the simulator, temperature, time, experiment
В настоящее время в медицинской практике все большее распространение получают методы лечения, основанные на использовании низких температур. Применение охлаждения тела или его частей постепенно совершенствовалось, дифференцировалось и в настоящее время сформировалось в виде ряда довольно четко отграниченных методик, каждая из которых имеет свои показания и противопоказания.
Использование понижения температуры тела, соответствующих органов и тканей, преимущественно в терапевтических целях, развивается по двум основным направлениям. Во-первых, охлаждение всего организма или сравнительно больших его частей (общая гипотермия). Во-вторых, вовлечение в процесс охлаждения менее обширных участков с целью терапевтического теплового воздействия, а также патологически измененных участков для удаления ткани, «примороженной» к охлажденной поверхности инструмента, или с целью «замораживания» с последующим разрушением тканевых элементов (локальная гипотермия).
Если в первом случае для охлаждения всего организма могут быть использованы только мощные холодильные машины на основе парокомпрессионного принципа получения холода, то для теплового воздействия на отдельные зоны человека могут быть применены системы с меньшей холодопроизводительностью на основе других принципов преобразования
■А-
энергии.
В этих условиях целесообразным является применение термоэлектрических холодильных машин, перспективных при мощности, не превышающей 500 Вт, отличающихся высокой экологичностью, бесшумностью, надежностью, функциональностью, значительным ресурсом работы.
Подобного рода термоэлектрическая система (ТЭС), реализующая контрастное тепловое воздействие на отдельные зоны человеческого организма, разработана в лаборатории полупроводниковых термоэлектрических приборов и устройств ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет». В настоящей работе рассматриваются результаты экспериментальных исследований опытного образца данного прибора.
Для проведения экспериментальных исследований ТЭС для теплового воздействия на отдельные зоны человеческого организма был собран стенд, принципиальная схема которого приведена на рисунке 1.
Объектом экспериментальных исследований являлся опытный образец ТЭС, состоящий из основания 1, с закрепленными на нем с помощью крепежных приспособлений
11
Рисунок 1. Принципиальная схема экспериментального стенда
поверхностями приведены в хороший тепловой контакт с имитатором биологического объекта, выполненным в виде силиконовой пластины 3, толщиной 2 мм. Вкачестве ТЭБ в натурных испытаниях опытного образца системы использованы стандартные термоэлектрические модули (ТЭМ) типа ТЭБ ТВ-63-1.0-2.0 (изготовитель - инженерно-производственная фирма «Криотерм»)[1].
■А-
При проведении экспериментальных исследований опытный образец ТЭС помещался в
теплоизолированную климатическую камеру 4, термостатируемый рабочий объем которой составляет 120 л. Камера обеспечивает поддержание температуры в пределах от 283 до 343 К с точностью 1° С и при относительной влажности от 30% до 98%. Заданная температура и относительная влажность в камере регулируется блоком управления 5, связанным с датчиком температуры и влажности 6, показания которого регистрируются цифровым табло 7.
В качестве ТЭБ использовались 6 стандартных унифицированных ТЭМ, питание модулей осуществлялось источником электрической энергии 8. Для проведения измерений использовались встроенные в источник электрической энергии амперметр и вольтметр, а также многоканальный измеритель ИРТМ 2402/ М3, подключенный к ПЭВМ.
В ходе эксперимента определялись напряжение и ток на ТЭБ, температура окружающей среды, температуры в контрольных точках опытного образца ТЭС. Измерения температуры проводились посредством медь-константановых термопар 9, опорные спаи которых размещались в сосуде Дьюара, а сигнал снимался измерителем ИРТМ 2402/ М3 10 и выводился на ПЭВМ 11.
Термопары размещались на опорных и рабочих спаях ТЭБ, в контрольных точках поверхности пластины и в окружающей среде.
В процессе эксперимента выходные сигналы с термопар поступали на вход измерителя ИРТМ 2402/М3, предназначенного для многоканального измерения температуры, а также других неэлектрических величин. Существенные преимущества используемого измерителя -многоканальность, наличие встроенного интерфейса ЯБ232 для обмена информацией с ПЭВМ, следствием чего является простота представления и обработки полученной информации.
Перед проведением эксперимента проверялась надежность тепловых и электрических контактов. Опыты проводились сериями по пять экспериментов в идентичных условиях.
Основной задачей при проведении экспериментальных исследований опытного образца системы являлось определение зависимости изменения температуры в различных точках исследуемого объекта от времени при фиксированных значениях тока питания ТЭБ. Важным являлось сравнение полученных экспериментальных данных с теоретическими, проверка адекватности математической модели практики.
Исходя из технических требований, предъявляемых к устройству при его эксплуатации, в процессе эксперимента задавались следующие исходные данные:
- диапазон температур - от 2 до 45°С;
- температура окружающей среды - 22°С;
- точность поддержания температуры - 0,5°С.
На рисунках 2-3 приведены графики изменения температуры имитатора биологического объекта во времени при охлаждающем и нагревающем тепловом воздействии для режима значений тока питания ТЭБ, соответственно равных 2,5 А, 3 А, 3,5 А, 4 А и 1 А, 1,5 А, 2 А, 2,5 А. Как следует из представленных зависимостей, длительность выхода в стационарную систему соответствует полученным ранее теоретическим результатам и составляет для работы системы в режиме охлаждения порядка 9-10 мин, а для работы прибора в режиме нагрева - 8 мин. При этом увеличение значения питающего ТЭБ тока приводит соответственно к уменьшению температуры биологического объекта при работе ТЭС в режиме охлаждения и увеличению его температуры при работе ТЭС в режиме нагрева, что соответствует увеличению холодо- и теплопроизводительности батарей. Так, увеличение питающего ТЭБ тока с 2 А до 4 А при охлаждении биологического объекта снижает его температуру с 280 К до 272,2 К, а при нагреве увеличение тока питания ТЭБ с 1 А до 2,5 А увеличивает температуру биологического объекта с 317,7 К до 320 К.
Таким образом, как показывает эксперимент, для реализации требуемых медицинских процедур, определяемых в первую очередь температурой биологического объекта, применение стандартных ТЭМ типа ТЭБ ТВ-71-1.4-1.8 является вполне оправданным.
Рисунок 2. Изменение температуры имитатора биологического объекта во времени при охлаждающем воздействии для различных значений тока питания ТЭБ
1-I = 2,5 А; 2-I = 3 А; 3-1 = 3,5 А; 4-1 = 4 А
Рисунок 3. Изменение температуры имитатора биологического объекта во времени при нагревающем воздействии для различных значений тока питания ТЭБ
1- I = 1 А; 2- I = 1,5 А; 3-1 = 2 А; 4-1 = 2,5 А
Для анализа возможностей динамического режима работы ТЭС получены графики изменения температуры имитатора биологического объекта во времени при изменении функционирования прибора с режима охлаждения на режим нагрева и наоборот, приведенные на рисунках 4-5. Результаты приведены в первом случае для токов питания ТЭБ 1 А, 1,5 А, 2 А, для второго случая - для токов 1,7 А, 2 А, 2,3 А. Полученные экспериментальные данные также соответствуют результатам расчета. В обоих случаях продолжительность переходного
■А-
процесса с режима охлаждения на режим нагрева и наоборот составляет порядка 8-9 мин, что
с приемлемой точностью соответствует теоретическим выкладкам.
На рисунке 6 представлены данные, касающиеся изменения температуры в охлажденных и нагретых областях биологического объекта во времени при коридорном и шахматном расположении температурных зон для тока питания ТЭБ, равного 3,5 А. Согласно приведенным данным в случае шахматного расположения температурных зон температура в охлажденной зоне будет больше, а в нагреваемой меньше, чем при использовании коридорного чередования температурных зон. Разность температур при исследованных условиях будет составлять 5 К для охлажденной зоны и 4 К для нагретой зоны. Указанное обстоятельство объясняется большим взаимным влиянием охлажденных и нагретых зон в случае их шахматного расположения по отношению к коридорному порядку. При этом очевидно, что данное отличие в значениях температуры будет тем больше, чем больше величина тока питания ТЭБ и, соответственно, количество передаваемого объекту воздействия теплоты.
По результатам экспериментов проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных. На рисунках 2-6 помимо экспериментальных точек представлены также и результаты теоретических изысканий.
Представленные данные определяют приемлемую точность расчетной модели ТЭС. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 8-8,5 °С. Наибольшее отклонение расчетных данных от опыта наблюдается в основном на промежутке времени, связанном с выходом системы на режим, что определяется влиянием окружающей среды и неидеальной тепловой изоляцией системы «прибор-объект воздействия», а также некоторым разбросом параметров ТЭМ и измерительных приборов. Причем, в случае охлаждения экспериментальные данные имеют несколько большее значение, чем расчетные, а в случае нагрева - меньшее значение на всем диапазоне измерений. Данное обстоятельство в основном связано с неидеальностью тепловой изоляции, что не соответствует условиям, принятым в математических моделях, и, соответственно, теплопритоках к устройству.
Рисунок 4. Изменение температуры биологического объекта во времени при контрастном динамическом тепловом воздействии с переходом ТЭС из режима охлаждения в режим нагрева для различных значений тока питания ТЭБ
1- I = 2 А; 2-1 = 1,5 А; 3-1 = 1 А
Рисунок 5. Изменение температуры биологического объекта во времени при контрастном динамическом тепловом воздействии с переходом ТЭС из режима нагрева в режим охлаждения для различных значений тока питания ТЭБ
1- I = 2,3 А; 2-1 = 2 А; 3-1 = 1,7 А
Рисунок 6. Изменение температуры в охлажденных и нагретых областях биологического объекта во времени при коридорном и шахматном расположении температурных зон для I = 3,5 А 1 - коридорный порядок, 2 - шахматный порядок
Библиографический список:
http://www.kryotherm.spb.ru.
