CC BY
12
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 22, 2011.
А-
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 621.362
Т.А. Исмаилов, М.А. Хазамова, О.В. Евдулов, Д.А.Магомедов, З.А.Камилова МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НЕОНАТОЛОГИЧЕСКОГО РЕАНИМАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА
T.A.Ismailov, M.A.Hazamova, O.V.Evdulov,D.A.Magomedov, Z.A. Kamilova RESEARCH OF OPERATING MODES OF THE THERMOELECTRIC DEVICE FOR THERMAL INFLUENCE ON FOOT OF THE PERSON
В работе приведена модель термоэлектрического неонатологического реанимационного комплекса. На ее основе рассмотрены температурные режимы работы. Приведены результаты численного эксперимента.
Ключевые слова: термоэлектрическое устройство, неонатологический реанимационный комплекс, стопа, модель, конвективный теплообмен, численный эксперимент.
In work the model of the thermoelectric device for thermal influence on foot of the person is resulted. On its basis device operating modes are considered. Results of numerical experiment are resulted.
Keywords: the thermoelectric device for thermal influence, stop, model, a thermal mode, numerical experiment.
В последние годы наблюдается устойчивая тенденция расширения круга задач, в которых находит применение термоэлектрическое охлаждение, что обусловлено возросшим во всем мире спросом на компактные, бесшумные и надежные охлаждающие (нагревающие) системы. Теория энергетического применения термоэлектрических явлений, созданная в результате известных работ академика А.Ф. Иоффе и его сотрудников, открыла широкие возможности для использования полупроводниковых термоэлектрических устройств в различных областях техники.
Одним из перспективных направлений использования термоэлектрического преобразования энергии является медицина, в частности поддержание микроклимата в неонатологических реанимационных комплексах при реабилитации новорожденного.
Обобщенная тепловая схема неонатологического комплекса может быть представлена в виде, изображенном на рис.1.
В ней в объеме камеры 3, заполненной воздушной средой находится специальный лежак 2, на котором размещается новорожденный 1. В общем случае размеры объектов 1 -3 являются произвольными. В верхней торцевой части камеры располагается осветительный прибор, величина теплового потока которого qon. С боковой поверхностью приведена в хороший тепловой контакт ТЭБ, имеющая холодопроизводительность q-гэБ-Съем теплоты с горячих спаев ТЭБ может осуществляться с помощью воздушных радиаторов, обдуваемых вентилятором, а также путем жидкостного охлаждения. Нижняя торцевая поверхность камеры неонатологического реанимационного комплекса обменивается теплом с окружающей средой при коэффициенте теплообмена, равном аср
Неонатологический реанимационный комплекс для новорожденных представляет собой сложную неоднородную систему, состоящую из нескольких составляющих частей,
А-
между которыми осуществляется конвективный теплообмен [1]. Основной особенностью
теплообмена данного типа при рассматриваемых условиях является глобальное подъемное течение вдоль нагретой и опускное течение вдоль холодной поверхностей. Однако, хотя в среднем в режиме пограничного слоя перенос тепла путем конвекции большем, чем перенос тепла путем молекулярной теплопроводности, на части стенки конвективный перенос тепла меньше, чем теплопроводностью. Таким образом, для данного случая имеет место температурное расслоение, то есть неоднородность тепла, вызываемая конвекцией, развивающейся вдоль поверхностей теплообмена.
ч.
ТЭБ
V' К
/ г \г \ ^ \ ^ ч Г/
Вз п Ч ТЭБ Ь2
/ / 1 г
<-ь'-►
/ о X
Рис.1. Тепловая схема неонатологического реанимационного комплекса
Возможности оптимизации теплообмена и явлений температурной стратификации связаны с изменением угла между потоками тепла и векторами силы тяжести. Рассматривая наиболее общий вариант теплопередачи в рассмотренной системе, имеющей произвольную форму и ориентацию стенок в пространстве, их можно разделить на несколько классов.
К первому классу относятся случаи комбинированного подвода теплоты от границ с фиксированной ориентацией при заданных потоках тепла в направлениях силы тяжести.
Во втором классе имеют место конфигурации с дискретным изменением ориентации, как например, в наклонном слое, представляющем классическую модель конвективного взаимодействия
Третий класс представляют случаи конвективных взаимодействий в замкнутых объемах с криволинейными границами. Помимо классических конфигураций, здесь имеет место возможность исследования новых геометрических форм с различными типами граничных условий.
Четвертый класс представляет область взаимодействий тепловой гравитационной конвекции с другими видами конвекций негравитационного типа, например взаимодействие с вынужденной конвекцией.
Опираясь на анализ существующих классов конвективных взаимодействий мгновенную структуру течений в объеме камеры можно описать следующим образом. Конвективные элементы - восходящие вверх потоки воздуха в центре и опускающиеся вниз у боковой поверхности, а также вторичные структуры в связи с конвективной неустойчивостью возле нижней поверхности камеры после потери устойчивости механического равновесия. Воздействие теплового потока сверху приводит к росту температуры у верхней поверхности объема камеры, и соответственно давления в этой области. Конвективные взаимодействия, соответствующие снижению температуры боковых стенок и увеличению температуры нижней поверхности снижают этот рост, но по разному, причем температура у нижней поверхности ближе всего к среднемассовой. Рост давления следует за температурой межфазной поверхности, которая выше, чем температура при полном смешении. Таким образом, в данном случае имеется довольно значительный объем неиспользованного тепла, которое является следствием взаимодействия упомянутых механизмов конвекции.
Математическая формулировка задачи расчета температурного поля системы, приведенной на рис. 1 имеет следующий вид [2]:
при х,у,2(
при х,у,2*
О,
А
при х,у,ге
г /5та
(1)
р5С3
дТ:
дг
-я (д~'т
д*Т, д-Т,
5 т,
Зтя
+ 0)-
5тя
ду дг дсох дй)
ду -Я (д*т-
дZ^1
д'Т, д-*Т.
ду
+
Г'Т3\ дг*)'
+
дх ду
у д(А> +
дг
= о
р =
1 дрз Р3дрТ3'
где Т- температура; индексы 1, 2, 3 - соответствуют новорожденному, кроватке и воздушной среде в объеме неонатологического комплекса; р1, р2, р3- плотность ластей Б2 ,В3; С1, С2, С3- теплоемкость областей В1зВ2В3; Х1, Х2, Х3- теплопроводность областей В2В3; 1- время , Qвн-удельное количество теплоты, выделяемое в единицу времени новорожденным; сох, соу, со2 -компоненты вектора скорости движения воздуха в камере; Р-давление воздуха; - динамическая вязкость воздуха; gx, gygz - компоненты вектора ускорения свободного падения; в- коэффициент теплового расширения воздуха.
Условия однозначности имеют вид.
Начальные условия:
Т2,3(х, у, ^ 0=ТФ , Т1(х, у, ^ 0=309,6 К при 1=0, (2)
Граничные условия:
(ох = 0; соу = 0; со2 = 0 при I = 0 Р=100кПа при 1=0.
° '""" для Б3-0,
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 22, 2011.
-4-—-
дп для Б з-о,
■'■51ГГ = МТ:::"Тг) для Б"з-о,
3' для Б
2-0:>
г
сох = соу = со2 = 0 для 83-0 в общем случае
сох = соу =ю2 = 0 для Бз-о, 8"з-о, 83-1, 83-2, 82-1,82-0-
где 83-0- площадь соприкосновения области Б3 с окружающей средой на боковой поверхности; 83-2-площадь соприкосновения области Б3 с областью Б2;83-1- площадь соприкосновения области Б3 с областью Б1;82-0- площадь соприкосновения области Б2 с окружающей средой;82-1- площадь соприкосновения области Б2 с областью Б1;83-0-площадь соприкосновения области Б3 с окружающей средой и верхней поверхности; 8"3-0-площадь соприкосновения области Б3 с окружающей средой по нижней поверхности; аср- коэффициент теплообмена с окружающей средой; ак - коэффициент теплообмена с воздухом в камере; Тср-температура окружающей среды.
Геометрические и физические условия при расчете будут являться исходными и считаются известными.
Решение системы дифференциальных уравнений (1) с условиями однозначности (2) даст возможность определить изменение температуры каждой точки описанной системы в любой момент времени, а также отследить ее изменение в зависимости от величины холодопроизводительности ТЭБ и внешних условий.
Решение задачи (1)-(2) может быть осуществлено с высокой степенью точности численным методом решения систем дифференциальных уравнений [3]. Результаты могут быть предоставлены как в виде двухмерных, так и одномерных графиков изменения температуры в зависимости от времени при различных величинах холодопроизводительности ТЭБ.
Расчет проводился в соответствии с требуемыми режимами инкубации новорожденного: температурный режим- от 309,5 до 310,5 К, продолжительность пребывания в камере - неограниченное, скорость перемещения воздушного потока -соответствующая существующим медицинским нормам.
За исходные принимались следующие данные: = 45,4Вт/(м-К), = 0,0255 Вт/(м-К), \ = 0,439 Вт/(м-К), С2 = 480 Дж/(кг-К), С3 = 1000 Дж/(кг-К), С, = 3458 Дж/(кг-К), р = 7850 кг/м3, р3 = 1,15 кг/м3, ^ = 1041 кг/м3, Тср = 295 К.
Результаты расчетов приведены на рис. 2-5
На рис. 2 представлено двумерное температурное поле в системе неонатологический реанимационный комплекс - биологический объект в стационарном режиме вдоль
поперечного сечения по центральной оси при наличии по боковой поверхности теплового
22 потока = 800 Вт/м и сверху от осветительного прибора = 120 Вт/м .
Более информативен график, изображенный на рис. 3, где при тех же условиях приведено распределение температуры в системе вдоль ее поперечной оси. Согласно полученным данным изменение температуры в объеме камеры носит достаточно монотонный характер. При этом температура увеличивается от боковой поверхности к центру. При
А-
данных условиях минимальная температура у боковой поверхности камеры
неонатологического реанимационного комплекса составляет порядка 290 К, а максимальная температура соответствующая температуре биологического объекта - 309 К. Поэтому в соответствии с результатами расчета при размещении новорожденного в реанимационном комплексе необходимо придерживаться правила, определяющего его строгое местоположение в центре кувеза. Причем точность размещения может уменьшаться с возникновением развитой конвекции в объеме данного комплекса, связанной с увеличением скорости движения воздушных потоков. Однако, значительные воздушные потоки в объеме могут сказаться на самочувствии новорожденного, поэтому при определении температурных режимов, а также степени вентиляции в камере следует учитывать индивидуальные особенности ребенка.
На рис. 4 приведено распределение температуры вдоль центральной осевой линии в поперечном направлении при различных значениях теплового потока дТЭБ. В соответствии
с представленными графиками температура в объеме неонатологического реанимационного комплекса сильно зависит от холодопроизводительности ТЭБ. Согласно расчетным данным при дТЭБ = 700 Вт/м минимальное значение температуры у стенки
составляет 293 К, а в центре - 309 К. С увеличением до 800 и 900 Вт/м2
соответствующие значения температур уменьшаются до 290 К и 308 К и 289 К и 307 К. Таким образом, регулируя холодопроизводительность ТЭБ, можно регулировать температуру ребенка. При повышенной температуре новорожденного следует увеличивать мощность ТЭБ, а при пониженной - уменьшать ее, создавая таким образом оптимальные условия для его выхаживания.
Рис.2. Температурное поле модели неонатологического реанимационного комплекса в поперечном разрезе
Для оценки временной зависимости температуры в различных точках объема камеры получены графики изменения температуры во времени различных частей неонатологического реанимационного комплекса. На рис. 5 показано изменение во времени температуры в центре камеры (график 1), на расстоянии 30 см от центра камеры (график 2) и боковой поверхности (график 3). Как следует из расчетных данных, выход на стационарный режим составляет примерно 35 мин. Данное значение вполне приемлемо, так как ускоренный выход на режим работы может привести к тепловому удару новорожденного.
Т, К
308
305
302
299
29163
293
0 20 40 60 80 100
L (см)
Рис.3. Распределение температуры вдоль центральной осевой линии в поперечном направлении при фиксированном дТЭБ
Т, К
0 20 40 60 80 100
I_ (см)
Рис.4. Распределение температуры вдоль центральной осевой линии в поперечном направлении при различных дТЭБ
310
307
304
301
298
1
292
3
600 1200 1800 2400 3000 3600
Время (с)
Рис.5. Изменение температуры во времени различных частей неонатологического реанимационного комплекса
А-
Работа выполнена в рамках Государственного контракта № 14.740.11.1104 от
24.05.2011г. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013гг.
Библиографический список:
1. Теория тепломассообмена / Под. ред. А.И. Леонтьева. М.: МГТУ им. Баумана. -1997.
2. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. М.: Высшая школа. 2001.
3. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена. Пер. с англ. М.: Мир, 1988.
4. Румянцев А.В. Метод конечных элементов в задачах теплопроводности. Калининград: КГУ, 1995.
УДК 621.372.852
М. С. Гусейнов, З.Н. Мирзаев, А.М. Щитов РАСЧЕТ ШИРОКОПОЛОСНОГО ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩЕГО ФИЛЬТРА (12-19,2 ГГц) С КОРОТКОЗАМКНУТЫМИ ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫМИ ШЛЕЙФАМИ
M.S. Guseinov, Z.N. Mirzaev, A.M. Schitov CALCULATION OF BROADBAND BANDPASS FILTER (12-19,2 GHZ) WITH SHORT-CIRCUITED QUARTER-LOOPS
Выполнен расчет полосно-пропускающего фильтра с симметричной структурой, составленной из четвертьволновых отрезков линий и короткозамкнутых шлейфов. Предложен способ нахождения волновых сопротивлений звеньев фильтра по его параметрам. Приведен пример расчета фильтра в диапазоне (12-19,2 ГГц) по методике, реализующей предложенные соотношения.
Ключевые слова: полосно-пропускающий фильтр, волновое сопротивление, четвертьволновый короткозамкнутый шлейф, функция фильтра, фильтр-прототип, четвертьволновой отрезок линии, коэффициент отражения.
The calculation of band-pass filter with a symmetric structure of a swarm consisting of quarter-wave line segments and closed stab is corried out. A method for finding of the wave impedance of filter sections by its parameters is offered. An example of the calculating of the filter in the range 12-19,2 GHz by methodology, which realizes the proposed correlation is given.
Keywords: band-pass filter, wave impedance, quarter-wavelength closed stub, filter function, filter prototype of quarter-section line, reflection coefficient.
Постоянный рост требований к качеству характеристик микроволновых фильтров определяет необходимость совершенствования существующих и разработки новых методов их проектирования. Традиционная методика проектирования микроволновых фильтров основывается на теории синтеза цепей с сосредоточенными параметрами [1, 2]. Согласно этой методике вначале производится расчет низкочастотного фильтра-прототипа на элементах с сосредоточенными параметрами. Затем с помощью частотного преобразования, введенного Ричардсоном [1] для цепей с
18
