Термоэлектрические охлаждающие устройства для локального теплового воздействия в медицине
Анализ существующих методов холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма. Определение оптимальных режимов работы термоэлектрических холодильников при их использовании в медицине для различных условий эксплуатации.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 15.06.2018 |
| Размер файла | 953,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Хазамова Мадина Абдулаевна
«ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ОХЛАЖДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЛОКАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В МЕДИЦИНЕ»
05.04.03 «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, системы кондиционирования и жизнеобеспечения»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Махачкала 2006
Работа выполнена в ГОУ ВПО "Дагестанский государственный технический университет"
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Исмаилов Т.А.
Научный консультант:
кандидат технических наук, доцент Исабеков И.М.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Иванов О.П.
кандидат технических наук, доцент Гаджиева С.М.
Ведущая организация - Научно-производственный региональный центр "Холод", г. Краснодар
Зашита диссертации состоится " " 2006г. в часов на заседании диссертационного совета К212.052.01 ГОУ ВПО "Дагестанский государственный технический университет" по адресу: 367015, Махачкала, пр. И.Шамиля, 70.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан "_____" _____________2006г.
Ученый секретарь диссертационного совета
к.т.н., доцент Евдулов О.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
термоэлектрический холодильник человеческий организм
Актуальность проблемы. Теория энергетического применения термоэлектрических явлений, созданная в результате известных работ академика А.Ф. Иоффе и его сотрудников, открыла широкие возможности для использования полупроводниковых термоэлектрических холодильников (ТЭХ) в различных областях техники. В результате этих работ были синтезированы новые полупроводниковые сплавы, которые позволили применить эффект Пельтье на практике и приступить к серийному выпуску ТЭХ, имеющих рабочие характеристики, не уступающие другим способам охлаждения. Перспективы развития и внедрения ТЭХ определяются целым рядом преимуществ, особенно эксплуатационных, которыми они обладают по сравнению с существующими аналогами. Это возможность получения искусственного холода на основе использования эффекта Пельтье при отсутствии движущихся частей и холодильного агента; сочетание в едином устройстве таких традиционно раздельных элементов, как источник “холода” и теплоты; простота реализации; компактность; взаимозаменяемость; высокая надежность; экологическая безопасность.
За последние годы проведен достаточно большой объем теоретических и экспериментальных исследований ТЭХ, результаты которых подтверждают возможность расширения их применения. Однако, несмотря на значительный прогресс в области термоэлектрической холодильной техники, на сегодняшний день не решен вопрос создания ТЭХ для физиотерапии, позволяющих с максимальной термодинамической эффективностью реализовать все преимущества этого типа холодильника, который в режиме реверса выполняет функцию нагревателя.
Анализ возможных систем охлаждения для воздействия на биологический объект показал, что реализация сочетания режимов охлаждения и нагрева путем использования других холодильников возможна только при наличии сложных дополнительных устройств нагрева.
В связи с этим ТЭХ по сравнению с другими способами охлаждения оказались вне конкуренции, так как объект охлаждения требует и тепловое воздействие с импульсами определенной длительности. Именно поэтому в диссертационной работе для воздействия на объект воздействия (в данном случае в качестве объекта воздействия выбрана стопа человека) был выбран ТЭХ, с помощью которого путем простого переключения направления тока возможен переход с режима охлаждения в режим нагрева и наоборот.
В условиях современности, когда реальностью нашей жизни является возрастающее количество больных, необходимость воздействовать на организм человека техническими средствами, повышающими эффективность лечения, становится наиболее актуальной задачей.
Сегодня все большее распространение для лечебно-профилактических целей приобретают немедикаментозные методы, среди которых ведущее место занимают естественные физические факторы (электричество, “холод”, теплота, свет, звук и др.). Преимуществом физиотерапевтических процедур является отсутствие побочных реакций организма, возникающих при лекарственном лечении. Таким образом, использование физиотерапевтических факторов для воздействия на отдельные органы человеческого организма на сегодняшний день актуально, что приводит к необходимости разработки ТЭХ для реализации новых методик лечения путем холодового и теплового воздействий.
Существующие на сегодняшний день методы и используемые в медицинской практике средства для проведения физиотерапевтических процедур, основанных на холодовом и тепловом воздействиях (контрастные ванны, водяные и электрические грелки, холодные компрессы и т.п.), а также различные устройства, работа которых основана на использовании твердых и жидких хладагентов, не обеспечивают требуемые медицинскими показаниями потенциалы холодового и теплового воздействий с требуемыми длительностями импульсов. Известные холодильные устройства и устройства теплового воздействия отличаются большой инерционностью, большими геометрическими размерами и низкой точностью дозирования воздействий.
Решение задачи обеспечения сочетания режимов холодового и теплового воздействий при различной длительности импульсов, а также контроль их температурных уровней, возможен только путем использования ТЭХ. Оптимальным режимом переключения холодового и теплового воздействий, определенных биологическим объектом, является 3-5 минут при холодовом воздействии и 2-3 минуты - при тепловом воздействии. За один цикл охлаждения ТЭХ переходит от принудительного режима работы (когда температура холодных спаев выше температуры горячих спаев) в режим максимальной энергетической эффективности и далее в режим максимальной холодопроизводительности. При таких кратковременных циклах работы ТЭХ изменяются их характеристики, в частности, холодильный коэффициент, энергетическая эффективность, максимальная холодопроизводительность, что требует проведения специальных исследований и выбора оптимальных режимов. Так как эффект холодового воздействия на биологический объект усиливается при одновременном совмещении механического массажа рефлексогенных зон организма, в работе учитывалось использование слоя гранулята между термоэлектрической батареей (ТЭБ) и объектом воздействия, который выполнял роль теплового сопротивления между спаями ТЭХ и объектом воздействия.
В связи с этим диссертационная работа посвящена исследованию процессов, протекающих в ТЭХ при различных режимах их работы, определяемых объектом воздействия.
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование процессов, протекающих в ТЭХ и их оптимизация в соответствии с определяемыми объектом воздействия режимами работы, разработка и создание на основе ТЭХ новых устройств для комплексного холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма при проведении физиотерапевтических процедур, обеспечивающих точность дозировки температурных уровней и высокую надежность, а также проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований характеристик ТЭХ, работающих в нестационарных режимах, которые требуют разработки соответствующих математических моделей, и методик расчета, что является важным научным направлением термоэлектрического охлаждения.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ существующих методов холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма и определить оптимальные режимы работы ТЭХ при их использовании в медицине для различных условий эксплуатации.
2. Разработать комплексную математическую модель ТЭХ, удовлетворяющих техническим требованиям, предъявляемым объектом воздействия.
3. Разработать новые конструктивные варианты ТЭХ для холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма на основе проведенных исследований.
4. Провести комплекс экспериментальных исследований ТЭХ с целью подтверждения полученных теоретических данных.
5. Практическая реализация результатов работы.
Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода, теория теплопроводности твердого тела, математическая статистика, аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений и систем дифференциальных уравнений, методы машинной обработки экспериментальных данных.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Метод локального холодового и теплового воздействий на основе ТЭХ для проведения физиотерапевтических процедур, позволяющий обеспечить контрастное холодовое и тепловое воздействия с требуемой объектом воздействия частотой переключения режимов и длительностью импульсов с высокой точностью регулировки их температурных уровней, совмещающий в себе эффект массажа посредством используемого гранулята.
2. Математические модели для исследования различных режимов работ ТЭХ с учетом технических требований и параметров объекта воздействия при холодовом и тепловом воздействиях, учитывающие “неплотность” контакта (наличие теплового сопротивления) при перемещении стопы по поверхности гранулята.
3. Конструкции ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма.
Новые научные результаты.
1. Разработаны конструкции ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий для проведения физиотерапевтических процедур, удовлетворяющие всем предъявляемым к ним объектом воздействия требованиям, повышающие точность регулировки температурных уровней и совмещающий в себе эффект механического массажа.
2. Предложены математические модели для исследования различных режимов работ ТЭХ, учитывающие тепловую нагрузку через теплофизические характеристики стопы, и тепловое сопротивление через “неплотность” контакта при перемещении стопы по поверхности гранулята.
3. Разработана система управления режимами работы ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма, отличающаяся от аналогов реализацией длительностями импульсов воздействия в различных частотах переключения режимов работы и температурных уровней.
Практическая ценность - разработаны конструкции ТЭХ для реализации требуемых в медицине режимов холодового и теплового воздействий, которые могут быть использованы в физио - и рефлексотерапии при лечении многих заболеваний.
Внедрение результатов. Разработанные в диссертационной работе методы, математические модели и устройства использовались при выполнении госбюджетной НИР в рамках тематического плана по заданию Министерства образования и науки РФ "Теоретические исследования и математическое моделирование комплексного физиотерапевтического воздействия на органы человека в целях профилактики, диагностики и лечения различных заболеваний", а также научно-исследовательской работы в рамках ФЦП "Интеграция науки и высшего образования России" на тему "Исследование и разработка полупроводниковых термоэлектрических устройств медицинского назначения".
Основные результаты диссертационной работы внедрены в клиническую практику лечебно-диагностического центра "Гиппократ", муниципальной поликлиники № 4 г. Махачкалы, Санатория "Энергетик" (г. Каспийск) а также в учебный процесс Дагестанского государственного технического университета.
Апробация результатов работы. Работа в целом и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на VIII и IX Межгосударственных Семинарах "Термоэлектрики и их применение", Санкт-Петербург, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2002 и 2004гг.; XI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современная техника и технологии" (г. Томск), 5-й Международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, информатизация" (г. Барнаул), II республиканской научно-практической конференции “Новые технологии в медицине" (г. Махачкала), а также на научно-технических семинарах кафедры "Теоретической и общей электротехники" ДГТУ с 2002 по 2005 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 11 статей, 2 патента Российской Федерации на изобретение, 2 решения о выдаче патента РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 227 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 130 страницах машинописного текста. Работа содержит 62 рисунка.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Во введении обоснована актуальность темы, определена цель работы и сформулированы задачи исследования, научные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость результатов.
В первой главе дан анализ современного состояния термоэлектрического охлаждения, а также рассмотрены перспективы развития современных ТЭХ применительно к системе здравоохранения. Проведен литературный обзор холодового и теплового воздействий на состояние организма человека и его применение для лечения различных физиотерапевтических заболеваний. Проведен анализ проблем существующих в современной рефлексотерапии и связанных с методами и средствами терапевтического воздействия холодом и теплом на отдельные органы человеческого организма.
За последние десятилетия эта отрасль холодильной техники получила значительное развитие, поскольку появилась реальная возможность создавать малогабаритные холодильники для регулирования температурных режимов функционирования различной аппаратуры, обеспечивать получение локальных очагов холода, интенсифицировать процессы теплопередачи в сложных конструкциях. Отмечены большие перспективы применения реверсируемых ТЭХ в здравоохранении в силу ряда преимуществ электронных охладителей перед другими.
Рассмотрены методы расчета и моделирования электро- и теплофизических процессов в ТЭХ. Проанализированы наиболее характерные режимы: максимальной холодопроизводительности, максимальной энергетической эффективности, минимального тока питания (промежуточный относительно режимов максимальной холодопроизводительности и максимального холодильного коэффициента), принудительный режим охлаждения.
Проанализированы сферы и области применения термоэлектрического преобразования энергии. Отдельно рассмотрены области применения ТЭХ непосредственно в биологии и медицине. Эти объекты воздействия (в данном случае в качестве биологического объекта рассматривается стопа человека) определяют особые режимы работы ТЭХ. Отмечено, что наибольшее применение термоэлектрические системы нашли в криотермоаппликации, которая широко используется в таких отраслях здравоохранения, как физиотерапия, хирургия, невропатология, косметология, профотбор. Выявлен широкий спектр использования температурного фактора в физиотерапевтической практике, в частности в рефлексотерапии. Отмечено, что терапевтическое влияние оказывает как холодовое, так и тепловое воздействие через определенные промежутки времени.
Холодовое воздействие на ткани способствует в зависимости от задаваемой частоты переключения режимов низких температур снижению интенсивности местного воспалительного процесса, стимуляции процессов регенерации в очаге повреждения, притуплению болей чувствительности, вплоть до полного ее исчезновения, а также обеспечивает разрушение патологического очага и эффективный гемостаз в ране, противовоспалительный эффект местной криотерапии широко применяется в лечении очаговых гнойно-воспалительных заболеваний мягких тканей, гнойных ран, ожогов, тромбофлебитов. Местная гипотермия также полезна при травмах, в частности переломах костей, воспалительных процессах, восстановительных операциях на конечностях.
Не менее важно и тепловое воздействие, как на организм в целом, так и отдельные органы человеческого организма, получившее в последние годы значительное распространение. Широко распространены местные и общие контрастные ванны, ванны по Гауффе (ванны постепенно повышаемой температуры) и т.д.
Еще одним из способов локального теплового воздействия на организм является метод воздействия на биологически активные точки человеческого тела, т.е. акупунктура. Установление функциональных связей между всеми частями человеческого организма заложило основы развития сегментарно-рефлекторных методов в физиотерапии. Исследования показали, что, воздействуя на поверхность тела в определенных зонах такими физическими факторами, как холод и тепло, можно с лечебной целью влиять на жизненно важные функции организма. Причем эффект холодового воздействия на биологический объект усиливается при одновременном совмещении механического массажа рефлексогенных зон организма.
Таким образом, локальное комплексное холодовое и тепловое воздействие на биологические ткани обладает особенным и неповторимым лечебным действием. Уникальные терапевтические свойства тепла и холода находят объективное физиологическое, иммунологическое обоснование.
Итак, на сегодняшний день сложилась ситуация, когда в физиотерапевтической практике становится необходимым создание холодильного устройства, совмещающего в себе контрастное воздействие холодом и теплом в сочетании с механическим массажем, способствующим усилению эффекта контрастности, что становится возможным только путем использования термоэлектрического охлаждения.
На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи работы.
Во второй главе рассмотрены режимы работы ТЭХ, сочетающие холодовое и тепловое воздействия, соответствующие определенному типу лечебных процедур. Наиболее простым для реализации процедурам, связанным с холодовым и тепловым воздействием на подошву стопы, соответствует режим работы реверсируемого с определенными частотами и длительностями импульсов воздействия ТЭХ, при котором предполагается практическое отсутствие теплового сопротивления между спаями холодильника и объектом воздействия, когда спаи ТЭБ непосредственно контактируют с подошвой стопы через эластичную высокотеплопроводную прослойку. При этом тыльная часть стопы находится в тепловой изоляции. Вторая схема отличается от предыдущей наличием на верхней поверхности стопы второй ТЭБ.
Последующие режимы работы ТЭХ аналогичны предыдущим, но предполагают наличие гранулята, обеспечивающего механический массаж на рефлексогенные зоны стопы. Это требует разработки математической модели, учитывающей наличие теплового сопротивления между ТЭХ и объектом воздействия. Это сопоставление обусловлено наличием гранулята. На основе проведенного анализа разработаны математические модели ТЭХ с учетом параметров объекта воздействия в стационарном и нестационарном режимах.
Для построения математической модели стационарного режима работы ТЭХ рассматривается некоторый общий случай температурного воздействия на биологический объект, при этом физическая модель конструкции ТЭУ для воздействия на нижнюю и верхнюю поверхность стопы в стационарных условиях, представляет собой многослойную структуру, состоящую из ТЭХ и слоя теплового сопротивления (гранулята), находящихся в тепловом контакте с нижней поверхностью стопы человека.
Объект воздействия рассматривается для определения специальных режимов работы ТЭХ при холодовом и тепловом воздействиях на органы человека.
Математическая формулировка задачи расчета теплообмена для такой модели представлена системой уравнений (1)-(3) с начальным и граничными условиями (4)-(8):
|
, |
(1) |
, |
(2) |
|
|
, |
(3) |
, |
(4) |
|
|
, |
(5) |
, |
(6) |
|
|
, |
(7) |
, |
(8) |
где - распределение температуры по толщине i-го слоя; и - сопротивление и величина тока питания соответственно первой и второй ТЭБ; - коэффициент теплопроводности i-го слоя; - количество тепла, выделяемого в единицу времени в стопе; - температура внешних спаев соответственно первой и второй ТЭБ; - тепловой поток на внутренних спаях соответственно первой и второй ТЭБ, возникающий вследствие (поглощения, выделения) теплоты Пельтье; - коэффициент трения стопы при ее перемещении вдоль поверхности емкости с гранулятом; - скорость перемещения стопы; - давление стопы на емкость с гранулятом.
Решение этой задачи записывается в виде:
, , ,(9)
где - постоянные интегрирования определяются из уравнений:
(10)
Полученное решение описывает распределение температуры по толщине каждого из слоев в системе, учитывая тепловые потоки на внутренних спаях ТЭБ, параметры стопы и материал гранулята. Исходя из полученных данных, производится расчет ТЭБ по соответствующим расчетным формулам.
Зависимости, определяющие распределение температуры по толщине стопы, носят практически линейный характер (рис. 1) и показывают, что перепад температуры по стопе практически не наблюдается, что связано, прежде всего, с наличием интенсивного теплоотвода и теплоподвода на одной (нижней) поверхности стопы и теплоизоляции другой, небольшим по сравнению с тепловым потоком с нижней поверхности удельным тепловыделением в стопе, а также рассмотрением установившегося стационарного режима системы «устройство-стопа». При этом для рассмотренного типа ТЭМ необходимый диапазон температурного воздействия соответствует холодопроизводительности ТЭХ порядка 60 Вт и теплопроизводительности около 45 Вт, что определяет вполне приемлемую величину энергопотребления.
Так как проведение процедур с использованием ТЭХ сопровождается перемещением стопы по поверхности гранулята (механический массаж), важным является учет “неплотности” их контакта. В рассматриваемой модели устройства учет теплового сопротивления ТЭХ, обусловленного наличием гранулята, произведен введением в граничное условие (6) дополнительного члена , величина которого определяет потери тепла, возникающие при неплотном (скользящем) контакте двух поверхностей. Величина тепловых потерь на слое гранулята толщиной 0,02 м достигает 0,5-1 С. Снизить это значение, очевидно возможно, увеличив коэффициент теплопроводности гранулята и оптимизировав толщину его слоя.
Вместе с тем представляет большой интерес исследование нестационарных процессов, происходящих при местном контрастном холодовом и тепловом воздействиях на биологический объект (в данном случае стопу) при специальных режимах работы ТЭХ. Это связано с возможностью исследования переходных процессов, происходящих при включении, выключении и переключении с режима на режим ТЭБ, а также учетом инерционности температурного воздействия.
Исходя их сказанного, имеет смысл расчет нестационарной тепловой задачи для упрощенной физической модели, не рассматривающей теплообмен в ТЭБ и элементах сопряжения ТЭБ с отдельными зонами конечностей.
Математическая формулировка задачи представлена уравнением (11) с начальным и граничными условиями:
, (11)
, , ,
где ; ,
- тепловой поток на внутренних спаях ТЭБ, возникающий вследствие поглощения (выделения) теплоты Пельтье;
- коэффициент теплопроводности стопы;
с - теплоемкость ступни;
с - плотность объекта воздействия,
- температура участка человеческого организма при отсутствии воздействия (в большинстве случаев 36,6 0С);
- температура на верхней поверхности стопы (предусматривается интенсивный теплообмен с окружающей средой),
- толщина ступни.
Для решения данной задачи воспользуемся методом интегральных преобразований и после соответствующих преобразований решение задачи получаем в следующем виде:
(12)
На рис. 2 - 3 представлены графики распределения температуры по толщине ступни при разных значениях . На рис.2 рассмотрен случай, когда имеет место охлаждение с одной поверхности стопы и нагрев с другой, а на рис. 3 - охлаждение с обеих противоположных поверхностей стопы. Исходными данными для обоих случаев явились следующие величины: =0,4 Вт/(мК), =0,04 м, = 10-6 Вт/кг, =1000 Вт/м2, =0,1·10-6 м2/(К·с), =285 К; =310 К, =0…600 с. =0…0,04.
Согласно полученным данным, взаимное влияние изменения температуры на противоположных поверхностях стопы незначительно. Понижение (повышение) температуры участков стопы, близлежащих к поверхности (кожного покрова), зависит только от холодопроизводительности (теплопроизводительности) ТЭБ, непосредственно контактирующей с ними. Влияние теплового воздействия ТЭБ, приведенной в тепловой контакт с противоположной поверхностью стопы, в этом случае незначительно, что является следствием низкой теплопроводности тканей стопы, а также незначительными тепловыми потоками на ее поверхности.
Был проведен расчет и исследована ТЭБ, построенная на основе модуля ICE-71 с учетом параметров объекта воздействия.
На рис 4- 5 представлены зависимости QТЭБ, величины электрического тока питания I при фиксированном значении температуры холодного спая (ТТЭБх=263 К) и потребляемой электрической мощности. Основываясь на указанных данных, можно сделать вывод о приемлемых значениях энергопотребления термостатирующей системы и величинах тока питания, не превышающих в данном случае 5 А.
Помимо известных рефлексогенных зон, топографически локализованных в определенных областях (например, ладонная поверхность кисти, подошвы стопы, зона области носа, ушная раковина и т.д.), существует еще ряд акупунктурных точек и областей, для эффективного воздействия на которые требуется точная локализация теплового потока по поверхности исследуемого участка. Поэтому при разработке соответствующего устройства нами была рассмотрена двумерная плоская задача теплопроводности:
, (13)
с начальным и граничными условиями
,, ,
, (14)
где - температура биологической ткани; - коэффициент температуропроводности биологической ткани; - объемная плотность тепловыделений биологического объекта; - мощность на внутренних спаях ТЭБ; - теплоемкость биологической ткани; - плотность биологической ткани; - радиус зоны воздействия; - радиус рассматриваемого участка биологической ткани (влияние источника холода (тепла) при на температуру биологической ткани пренебрежимо мало).
Решение данной задачи аналитически затруднительно, поэтому был использован численный метод конечных элементов.
На основе решения уравнения (13) с граничными условиями (14) численным методом получены картины распределения температуры по объему биологической ткани при локальном охлаждении и нагреве (рис.6-7).
Полученные данные позволяют сделать вывод о достаточной эффективности проведения процедур в смысле соблюдения температурного режима воздействия на рефлексогенные зоны человеческого организма и четкого распределения температуры на поверхности биологической ткани.
Проведенные расчеты по разработанным математическим моделям доказали целесообразность разработки ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на отдельные зоны конечностей человека. Экспериментальные исследования проводились с целью подтверждения адекватности математических моделей и правильности сделанных на их основе выводов.
Для проведения экспериментальных исследований ТЭХ для холодового и теплового воздействий на стопу человека был собран стенд на базе ПЭВМ Pentium III и измерителя технологического многоканального ИРТМ 2024. Питание ТЭМ осуществляется программируемым блоком питания. Эксперимент проводился при непосредственном холодовом и тепловом воздействиях на стопу человека, температура которой контролировалась термопарами, установленными на подошве.
Измерения проводились при использовании гранулята разного диаметра, начиная с 4 мм и заканчивая 10 мм шагом 2 мм. Потери определялись по достижению стационарного состояния системы как разность температур верхней границы первого, а также второго слоя гранулята и температуры пластины. Так, при диаметре гранулята в пределах 10 мм они составили 2,5-3,50С (для сравнения при использовании гранулята диаметра 4 мм это значение лежало в пределах 1-20С)
В ходе эксперимента определялись напряжение и ток на ТЭБ, температура окружающей среды, температура в различных точках опытного образца и время. Были получены следующие зависимости: изменение температуры пластины во времени при различных токах питания ТЭБ в режиме нагрева и охлаждения; изменение температуры в различных точках пластины во времени; временная зависимость температуры теплообменника и ТЭМ в режимах охлаждения и нагрева; временная зависимость температуры на пластине и грануляте в динамическом режиме при токе питания ТЭБ в 5А; изменение температуры пластины во времени при различном количестве ТЭМ; временные зависимости температуры пластины и температуры на подошве стопы при различных токах в режиме нагрева и режиме охлаждения; переходные характеристики устройства.
На рис. 8-9 представлены временные зависимости температуры поверхности соприкосновения ТЭХ и температуры на подошве стопы при различных токах в режиме нагрева (рис.8) и режиме охлаждения (рис.9).
Исследование этих зависимостей показывает, что температура на поверхности соприкосновения ТЭХ со стопой человека (медная пластина) растет с увеличением тока питания ТЭБ, в то время как на подошве стопы заметны процессы терморегуляции живых систем. После достижения на стопе температуры далеко отстоящей от нормального состояния включаются механизмы терморегуляции, и температура постепенно выравнивается в зависимости от воздействующего режима. Следует отметить, что температура на пластине достигает необходимого значения, а именно 42-450С в режиме нагрева и 10-120С в режиме охлаждения в течение 3-5 минут.
В ходе экспериментальных исследований кроме этого нами были получены следующие зависимости: изменение температуры рабочих и опорных спаев ТЭМ от величины тока питания, зависимость температуры в различных точках поверхности соприкосновения устройства со стопой человека от тока, кривые времени нагрева и охлаждения в интервале температур от 10С до 45С в зависимости от тока питания, а также переходные характеристики устройства, так как данное устройство предназначено для работы в динамическом режиме, обеспечивая попеременное воздействие холодом и теплом.
На рис. 10. приведены переходные характеристики ТЭХ.
Анализ зависимостей показал, что общее время одного цикла при токе питания 5А составляет около 6-7 минут (с частотой 0,002 с-1), причем режим нагрева обеспечивается за 2-3 минуты, режим охлаждения - за 3-5 минут.
Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правомочность выбранных математических моделей и доказали целесообразность разработки ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на стопу человека.
Сопоставление опытных данных с расчетными значениями показало их хорошую сходимость. Максимальное отклонение экспериментальных и теоретических зависимостей составило не более 7 % на всем диапазоне измерений.
В четвертой главе описаны конструкции разработанных ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий в медицине.
Разработаны различные модификации ТЭХ.
Внешний вид ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека приведен на рис.11.
Разработанное ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека содержит ТЭБ, первыми спаями находящуюся в тепловом контакте с нижней поверхностью стопы человека через ванночку, выполненную из высокотеплопроводного материала, на дне которой располагаются металлические шарики, также изготовленные из материала с высокой теплопроводностью. Отвод тепла со вторых спаев ТЭБ производится жидкостным теплообменником. Управление режимами работы ТЭБ осуществляется программируемым блоком питания.
Для одновременного воздействия на верхнюю поверхность стопы человека разработано ТЭХ, содержащее эластичную емкость (рис. 12). В конструктивном исполнении дополнительная ТЭБ прилегает через тонкостенную эластичную емкость к верхней поверхности стопы человека посредством стойки, состоящей из секций, соединенных между собой шарнирами.
ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на стопу человека с рельефной поверхностью (рис. 13) отличается от предыдущих устройств возможностью температурного и механического массажа, что позволяет с наибольшей эффективностью воздействовать на рефлексогенные зоны стопы человека.
Для осуществления контрастного теплового воздействия на биологические ткани человека и интенсификации теплопередачи разработано устройство, изображенное на рис. 14. Прибор представляет собой цилиндрический радиатор, содержащий ТЭМ, первые спаи которых сопряжены с тепловыравнивающей металлической пластиной, а вторые спаи снабжены жидкостным теплообменником. На поверхности тепловыравнивающей пластины имеется датчик температуры. Для удобства позиционирования устройства на теле человека используется ручка.
Другой вариант ТЭХ для локального контрастного температурного воздействия, приведенный на рис. 15, обеспечивает "шахматное" распределение температуры на поверхности воздействия. Устройство снабжено ручкой, которая соединяется с ТЭБ через подшипники. Ток питания ТЭБ подается по ручке устройства через электрические щетки.
Все устройства просты в изготовлении и могут быть использованы в физиотерапевтической практике.
В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.
В приложении к диссертации приведены фрагменты расчетов в пакете прикладных программ MATHCAD 11 и некоторые таблицы экспериментов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие результаты:
- разработаны ТЭХ для холодового и теплового воздействий на стопу человека, позволяющие проводить адаптивную регулировку физических параметров воздействия в соответствии с состоянием биологического объекта и обеспечивающие точность и надежность регулировки;
- разработаны теоретические основы расчета ТЭХ для холодового и теплового воздействий на стопу человека, отличающиеся учетом теплового сопротивления через “неплотность” контакта объекта и средства воздействия;
- разработаны математические модели ТЭХ с учетом параметров объекта воздействия при переменной частоте переключения в стационарном и нестационарном режимах;
- доказана адекватность разработанных математических моделей путем проведения комплекса экспериментальных исследований, в результате которых расхождение полученных теоретических и экспериментальных данных не превысило допустимых значений;
- разработаны медико-технические требования к ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на стопу человека, позволившие произвести техническое воплощение его рабочего варианта. Получено 2 Патента РФ и 2 решения о выдаче патента РФ на изобретение.
- проведена клиническая апробация ТЭХ для локального теплового воздействия на стопу человека в условиях лечебно-диагностического центра “Гиппократ” (г. Махачкала) и санаторно-курортного учреждения “Энергетик” (г. Каспиийск), которая показала их эффективность при решении задач точной регулировки температуры для повышения результативности лечебных мероприятий.
Совокупность результатов проведенных исследований позволяет использовать их в качестве научной основы в дальнейшем при разработке и создании новых ТЭХ для медицины.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Пат. 2245693. C2 А 61 F 7/00 Полупроводниковое термоэлектрическое устройство для локального температурного воздействия на стопу человека / Т.А. Исмаилов, Г.И. Аминов, О.В. Евдулов, М.А. Хазамова (РФ). - №2002125785; Заявл. 27.09.02; Опубл. 10.02.05, Бюл. № 4. - 4с.
2. Пат.2245694. C2 A 61 F 7/00 Исмаилов Т.А. Полупроводниковое термоэлектрическое устройство для локального температурного воздействия на стопу человека / Т.А. Исмаилов, Г.И. Аминов, Зарат Абделькадер, О.В. Евдулов, М.А. Хазамова (РФ). - №2002125786; Заявл. 27.09.02; Опубл. 10.02.05, Бюл. № 4. - 4с.
3. Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Евдулов О.В., Хазамова М.А. Термоэлектрическое полупроводниковое устройство для локального температурного воздействия на стопу человека // Решение о выдаче патента РФ № 2003127333.
4. Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Юсуфов Ш.А., Аминова И.Ю., Хазамова М.А. Термоэлектрическое устройство для локального контрастного температурного воздействия // Решение о выдаче патента РФ № 2004121283.
5. Хазамова М.А. Термоэлектрическое устройство для локального температурного воздействия в здравоохранении / Т.А.Исмаилов, Г.И.Аминов, А.К.Зарат // Термоэлектрики и их применение: Материалы докл. VII Межгос. семинара, Санкт-Петербург, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2002. - С. 386-389.
6. Хазамова М.А. Устройство для массажа стопы человека /Т.А. Исмаилов, Г.И.Аминов //Новые технологии в медицине: Материалы II республиканской научно-технич. конференции. - Махачкала. ДГТУ. 2003. - С. 197-198
7. Хазамова М.А. Термоэлектрическое устройство для воздействия на рефлексогенную зону человеческого организма /Г.И. Аминов, Ш.А. Юсуфов // Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения: Материалы II Всерос. научно-технич. конференции. -Махачкала. ДГТУ. 2003. -С. 91-95
8. Хазамова М.А. Модель термоэлектрической системы для криотермоаппликации / Т.А. Исмаилов, О.В. Евдулов // Вестник Международной академии холода. - 2003. № 3. С. 16-18.
9. Хазамова М.А. Математическая модель полупроводникового термоэлектрического устройства для теплового воздействия на стопу человека / Т.А. Исмаилов, О.В. Евдулов // Изв. вузов. Приборостроение.- 2004. - Т.47, №7. - С.43-50.
10. Хазамова М.А. Применение ТЭМ для местного температурного воздействия на конечности человека / Т.А. Исмаилов, О.В. Евдулов // Термоэлектрики и их применение: Материалы докл. IX Межгос. семинара, Санкт-Петербург, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2004. - С. 438-443.
11. Хазамова М.А. Решение нестационарной задачи теплопроводности для биологического объекта при местном температурном воздействии / Т.А. Исмаилов, О.В. Евдулов, М.А. Хазамова //Вестник ДГТУ. Техн. науки, Махачкала, 2004. -Вып. № 6. - С. 3-6.
12. Аминов Г.И., Хазамова М.А. Термоэлектричсекое устройство для локальной термотерапии // Измерение, контроль, информатизация: Материалы 5-й Международной НТК / Барнаул:АГТУ, 2004. С. 109-110.
13. Стенд для испытаний термоэлектрического устройства для физиотерапии / Исмаилов Т.А., Хазамова М.А. //Современные техника и технологии: Сб. докладов XI Международной НПК. - Томск, 2005. Т. 1. С. 381-382.
14. Хазамова М.А. Термоэлектрический полупроводниковый интенсификатор для локального теплового воздействия на биологические ткани человеческого организма // Вестник ДГТУ. Техн. науки, - Вып. № 7. - 2005. С.27-30
15. Хазамова М.А. Моделирование нестационарного теплового режима отдельных зон человеческого организма при местном температурном воздействии / Т.А. Исмаилов, Р.П. Мейланов // Изв. Вузов. Северо-Кавказский регион. Новочеркасск: Технические науки. - 2005. №1. С.34-36.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Метеорологические условия производственной среды. Выбор локализации воздействия и оптимальной конструкции устройства для обеспечения охлаждения тела человека на организм. Способ взаимодействия устройства с человеком. Описание и расчет системы охлаждения.
диссертация [1,8 M], добавлен 13.10.2017Определение параметров характерных точек термодинамического цикла теплового двигателя. Анализ взаимного влияния параметров. Расчет коэффициента полезного действия, удельной работы и среднего теоретического давления цикла. Построение графиков зависимостей.
контрольная работа [353,3 K], добавлен 14.03.2016Классификация и виды техники и оборудования предприятий общественного питания. Перечень и краткий обзор необходимого теплового оборудования. Сравнительный анализ теплового оборудования ресторанов при гостиничных комплексах "Bridge Resort" и "Omega".
курсовая работа [2,2 M], добавлен 16.04.2014Выбор и обоснование режимов эксплуатации круглых пил для продольного пиления древесины. Расчет оптимальных режимов резания, подбор инвентаря. Разработка конструкции приспособления для контроля торцового и радиального биения зубьев круглопильных станков.
курсовая работа [3,6 M], добавлен 10.03.2015Микроклимат и его влияние на продуктивность и здоровье животного, роль воздухообмена и теплового баланса. Расчет вентиляции, теплового баланса, их оптимизация. Анализ расчетных материалов. Размещение и режим работы тепловентиляционного оборудования.
курсовая работа [185,0 K], добавлен 21.04.2012Выбор оборудования для автоматизации центрального теплового пункта, составление схемы автоматики. Построение переходной характеристики, годографа объекта регулирования. Определение настроечных параметров регулятора. Анализ структуры системы автоматизации.
курсовая работа [490,1 K], добавлен 28.05.2014Оценка потенциала энергосбережения при использовании теплоты, отводимой в системе охлаждения машин непрерывного литья заготовок. Способы использования тепловых вторичных энергоресурсов. Разработка метода исследования теплового баланса криволинейной МНЛЗ.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 10.07.2017Задачи вентиляционного расчета электрической машины. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Связь электромагнитного, теплового и вентиляционного расчетов. Основные типы систем охлаждения электрических машин. Обзор методов теплового расчета.
реферат [1,6 M], добавлен 28.11.2011Анализ режимов работы гидропривода. Выбор гидромашин, гидроаппаратов и кондиционеров рабочей жидкости. Разработка принципиальной схемы. Выбор трубопроводов. Разработка математического и программного обеспечения. Анализ теплового режима гидропривода.
курсовая работа [108,6 K], добавлен 17.02.2016Определение расчетных расходов воды. Гидравлический расчет подающих и циркуляционных трубопроводов. Разработка схемы трубопроводов системы горячего водоснабжения и теплового пункта. Подбор оборудования теплового пункта. Определение потерь теплоты.
курсовая работа [80,3 K], добавлен 05.01.2017
