Дипломный проект. Криотерапия
Подождите немного. Документ загружается.
_
21
_
местную и общую сосудистую проницаемость, на
восстановительную реакцию и развитие токсимии [11].
Выбор криоагента. Охлаждение ожоговой поверхности в
эксперименте и клинике осуществлялось различными
хладоагентами : водой, льдом, хлористым этилом, жидким
азотом. В следующей таблице приведены их физические
характеристики: ( таблица 1.1 [9]).
Таблица1.1 Физические характеристики хладоагентов
хладагент
t
0
кип.
0
С
t
0
замерз.
0
С
Молярная
теплоемкость
Дж/моль*град
Вода +100 0 18 при 0
0
С
Лед 34,83 при -23
0
С
Хлор этил +12,5 -138,33 62,85
Жид. азот -196 45,61
При лечении с использованием воды , льда охлаждение
чаще всего осуществляли погружением пораженной части тела в
сосуды с водой или обкладыванием пузырями. Применение
названных хладагентов, не смотря на высокую теплоемкость
воды и льда и кажущуюся простоту их использование требует
определенного оборудования, так как дозу холода трудно
объективизировать.
Орошение обоженной поверхности хлористым
этилом
отличается большой простотой и удобством. Однако хлор этил
_
22
_
обладает недостаточно высокой теплоемкостью и температурой
кипения, даже при его непосредственном действии на кончик
термопары температура не падает ниже -20
0
С, что не позволяет
достаточно быстро охладить значительные по площади ожоговые
поверхности.
Для охлаждения ожоговой поверхности применение азота
принесло значительные успехи. Не смотря на невысокую
удельную теплоемкость , жидкий азот благодаря градиенту
температур на охлаждаемой поверхности дает возможность
быстро и на большой площади охладить зону ожога. Жидкий
азот лишен недостатков хлор
этила, дешевле его, но требует
кроме налаженного снабжения еще и специального оборудования
[9].
Заключение. Не смотря на сравнительно большое число
публикаций о холодовой терапии ожогов и заманчивые
перспективы и возможности, которые открывает этот метод
лечения, в нем имеется еще множество нерешенных вопросов,
затрудняющих, а порой создающих непреодолимые препятствия
для применения его
в клинике: не установлены оптимальные
температурные и временные параметры, цикличность и техника
охлаждения, остается много неясных вопросов о влиянии холода
на местные и общие проявления ожоговой болезни.
Описанные в различных литературных источниках
[9,10,12,13] исследования позволяют сделать следующие
выводы:
Местное охлаждение, предпринятое после термической
травмы снимает сохраняющуюся гипертермию тканей, а
следовательно и
продолжающуюся деструкцию биологических
структур. В результате локального применения холода
_
23
_
нормализуется сосудисто-тканевая циркуляция зоны
повреждения. Улучшение местной гемоциркуляции приводит к
сохранению окислительно-восстановительных ферментов в
клеточных элементах кожи в зоне ожогового поражения и к
уменьшению степени деструкции подлежащих мышц. Итогом
таких изменений являются: уменьшение зоны послеожогового
некроза и снижение его таксичности. Ощущение болей в ранах
после охлаждения уменьшается, течение заживления
раны более
благоприятное: сокращаются сроки спонтанного очищения,
ускоряется эпителизация поверхности ожогов. Данное
обстоятельство связано с улучшением репаротивных процессов в
ране - развитием сосудов и грануляций на фоне сохранения
мукополисахароидов соединительной ткани.
Как при экспериментальном, так и при клиническом
использовании криотерапии термических ожогов отмечено
понижение уровня летальности. Благоприятное действие
охлаждения ожоговой поверхности
и при понижении
температуры ткани под кожей в диапазоне от -6
0
до +12
0
С.
Для охлаждения могут быть использованы оросители
жидкого азота с подачей хладагента в парожидком состоянии,
при этом струя его направляется на ожоговую рану с расстояния
10-15 см. Клиническим критерием достигнутого охлаждения
является побелевшая поверхность и образование на ней инея.
Дальнейшее лечение не отличается от общепринятого.
Максимальный терапевтический эффект выражен в первые 3-6
часов после получения ожогов, но сохраняется до конца первых
суток.
_
24
_
2.ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СТРУИ С ПЛОСКОЙ
ПОВЕРХНОСТЬЮ
2.1 ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Нагревание или охлаждение больших площадей
поверхностей часто производят с помощью круглых или
щелеобразных сопл, через которые воздух (или другой газ)
подается перпендикулярно поверхности. Такие устройства с
ударяющимися о поверхность струями обеспечивают короткие
длины пути газа вдоль поверхности, и следовательно,
относительно высокие интенсивности теплоотдачи. Основными
переменными, которые можно
выбрать для решения данной
задачи тепло- или массообмена, являются объемный расход газа,
диаметр сопл или ширина щели, и расстояние между
поверхностью обрабатываемого материала и соплом.
Картину течения падающих струй из единичного круглого
или щелевого сопла можно разделить на три характерные
области: область свободного истечения (область свободно
затопленной струи) - область I, область градиентного
течения в
зоне удара и разворота струи на преграде - область II и область
поперечного (радиального течения), называемую также областью
пристенной струи - область III. Поле скорости схематически
показано на рис. 2.1 [14]
_
25
_
Рис.2.1. Поле скоростей в потоке, ударяющемся о
поверхность
Для области свободной затопленной струи характеристики
течения исследованы наиболее подробно. В условиях,
соответствующих реальным техническим задачам, струя,
свободно истекающая из сопла диаметром d, в общем случае
является турбулентной. При интенсивном обмене импульсом с
окружающим газом через свободные границы струя линейно
расширяется в длину
x
н
, пока не достигнет такого расстояния от
поверхности твердого тела, которое служит границей ее
линейного расширения ( это расстояние составляет около 1,2
диаметра сопла). Профиль скорости u
0
, будучи почти
прямоугольным на выходе из сопла, растягивается по
_
26
_
направлению к свободным границам и при достаточной длине
свободной струи принимает форму колокола u
m
[14].
В области струи в зоне торможения и разворота струи
существует градиент скорости по внешней границе пограничного
слоя. Изменение градиента давления в этой области таково, что
ее можно разделить на две зоны: окрестность критической точки
(du/dr = const) и следующую за ней зону переходного течения,
где происходит перепад градиента давления,
но dp/dr≠0.
Координата преграды, в которой dp/dr≈0, является началом III
области течения - пристенной струи. Наличие преграды
начинает сказываться на гидродинамике струи с расстояния
(1.2 ÷ 1.5)d от поверхности. Радиус сферы, в пределах которой
свободная осесимметричная струя превращается в пристенную
радиальнную, зависит от ряда факторов, в первую очередь от
расстояния от сопла до преграды,
обычно составляет (1.5 ÷
5.5) d при x/d=1 ÷ 40.
Вследствие торможения потока в зоне удара давление на
преграде возрастает, достигая максимума в критической точке.
Изменяется направление течения потока, причем по мере
удаления от критической точки давление на преграде падает от
давления окружающей среды [15].
Из-за бесконечного расширения струи и ее обмена
импульсом с неподвижной окружающей средой ускоряющаяся
горизонтальная составляющая скорости
должна в конечном счете
преобразоваться в замедляющееся течение пристенной струи.
Таким образом, составляющая скорости, параллельная стенке,
первоначально линейно увеличивающаяся от нуля, должна
достигнуть максимального значения на определенном
расстоянии от критической точки r
II
и в конце концов
устремляется к нулю как r
-n
в полностью развитой пристенной
_
27
_
струе. Экспонента n приблизительно равна 1 для
осесимметричной турбулентной пристенной струи и 0,5 для
плоской. Поскольку стабилизирующее влияние ускорения
поддерживает ламинарным режим течения в пограничном слое, в
зоне формирования потока переход к турбулентному режиму
течения в общем случае будет происходить сразу после r
II
в
области замедления потока. Пристенный пограничный слой и
граница свободной струи растут вместе, формируя типичный
профиль пристенной струи, где пограничный
слой δ
m
определяется как геометрическое место максимума скорости u
m
[14].
2.2. ЛОКАЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕН НА ПЛОСКОЙ
ПОВЕРХНОСТИ
Местный коэффициент теплоотдачи
( определяется как
отношение локального теплового потока к перепаду температур
между выходом из сопла и поверхностью материала
α
=
&
/qT
∆
В [14] приведены эмпирические зависимости (в виде
графиков) изменений локальных коэффициентов теплоотдачи
Nu/Pr
0,42
от относительного радиального расстояния r/d от
критической точки для различных отношений h/d, где h-
расстояние от выхода из сопла до поверхности, d- диаметр или
ширина сопла. Там же указывалось, что согласие между
экспериментальными результатами различных авторов вполне
удовлетворительное в области пристенной струи, тогда как в
зоне формирования потока имеются большие различия, вероятно
из-за
разницы в уровнях турбулентности на выходе из сопла. Эти
_
28
_
различия играют второстепенную роль при определении
интегральных средних коэффициентов теплоотдачи.
В [15] приводится анализ закономерностей локальной
теплоотдачи в круглых струях, который проводится в трех
характерных областях преграды: в зоне критической точки, в
градиентной зоне течения на преграде и, наконец, в области
пристенной струи, где статистическое давление равно давлению
окружающей среды:
Теплообмен
в области критической точки круглой
набегающей струи. Наличие в литературе большого числа
различных по структуре уравнений подобия для теплообмена в
области критической точки круглой набегающей струи
затрудняет проведение инженерных расчетов. Поэтому в [ 15 ]
была предпринята попытка получения обобщенной зависимости
для расчета Nu
0
на основе аппроксимации опытных данных ряда
авторов . При этом весь интересный диапазон h/d был разделен
на два участка
Nu
0
=0/78Re
0,5
Pr
0,33
(h/d)
0,12
(2.1)
Nu
0
=5,28Re
0,5
Pr
0,33
(h/d)
-0,8
соответственно при 1,5≤h/d≤8 и 8≤h/d≤40.
Уравнения (2.1) справедливы при Re=7*10
3
÷3*10
5
, а
теплофизические характеристики газа определяются по его
температуре на срезе сопла.
В области критической точки скорость на внешней
границе пограничного слоя изменяется по линейному закону
(u=βx). Система дифференциальных уравнений
гидродинамического и теплового слоев
_
29
_
u
u
x
v
u
y
p
x
v
u
y
u
y
u
x
v
y
u
T
x
T
y
a
T
y
∂
∂
∂
∂ρ
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
+=−+
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
+=
+=
1
0
2
2
;
;
;
(2.2)
для этого класса течений при независящих от температуры
физических свойствах жидкости и постоянной температуре
поверхности имеет достаточно точные решения (полученные
численными методами), приводящие уравнению локального
теплообмена [16]
Nu
0
=0,763Pr
0,4
(βd
2
/v)
1/2
=0,763Re
0,5
Pr
0,4
( β
0
)
1/2
(2.3)
Подстановка в это уравнение эмпирических
зависимостей
β
0
= =f(h/d) позволяет получить уравнение
подобия для всего диапазона h/d=1 ÷ 40. Однако полученные
таким путем уравне-ния подобия согласуются с данными
только для h/d=1÷40. Однако полученные таким путем
уравнения подобия согласуются с опытными данными только
для h/d≤4÷6, при больших значениях h/d расчетные величины
Nu
0
оказываются на 30 - 60 % ниже экспериментальных.
Очевидно, что учет только реального изменения градиента
скорости в области критической точки преграды и
игнорирование влияния турбулентных характеристик струи не
позволяют согласовать теоретические и опытные результаты.
Это в полной мере
относится и к полуэмпирическим уравнениям
[15]
Nu
0
= 1,02Re
0.,5
Pr
0,33
(h/d)
-0,11
; (2.4)
Nu
0
= 1,02Re
0.,5
Pr
0,33
(h/d)
-0,11
_
30
_
соответственно для h/d ≤ 6,2 и h/d ≥ 6,2, полученным при
решении уравнения импульсов для осесимметричного
пограничного слоя методом Польгаузена [16] .Одним из
недостатков такого решения , в частности , является не
подтвержденная экспериментально граница диапазона h/d<>6,2,
вытекающая лишь из характера снижения осредненный
скоростей и не учитывающая нарастание интенсивности
турбулентности вдоль оси струи
до h/d≈8. Первое из уравнений
(2.4 ) не отражает также тенденции постепенного увеличения
Nu
0
на расстоянии h/d≤ 6 ÷ 9 от среза сопла.
Такого же порядка расхождение результатов расчетов и
опытов получено и в других работах [17,18].
Хорошие результаты дает формула, предложенная
Чемберленом [19] :
Nu
0
= 1,16Re
0,447
Pr
0,33
при h/d< 7, (2.5)
Nu
0
= 0,384Re
0,569
Pr
0,33
при h/d> 7
Локальный теплообмен за пределами области
критической точки. В этом случае распределение α
i
является
сложной функцией расстояния сопла от преграды и числа
Рейнольдса. Закономерности теплообмена в этой области были
изучены в работе [15] и приведены в виде графиков. Характерная
форма колокола с максимумом
α
i
в области критической точки
имеет место при h/d≥10, когда на преграду натекает развитая
турбулентная струя. Уменьшение h/d приводит к изменению
кривой на двух участках: вблизи критической точки, где при
h/d< 6 появляется кольцевой горб с минимумом α
i
в центре, и
в области r/d≈ 1,9 где проявляется вторичный пик α
i
.