Холодильная техника

В рамках проекта HED@FAIR НИЦ «Курчатовский институт» — ИФВЭ создает четыре квадрупольных магнита с уникальным сочетанием большого внутреннего диаметра сверхпроводящей обмотки и высокого градиента магнитного поля в апертуре магнита. Для исследования этих сверхпроводящих магнитов в различных режимах работы (охлаждение, поддержание рабочих параметров, отепление, переход магнита в нормальное состояние) создана криогенная установка, оснащенная системой диагностики. Основными измеряемыми параметрами установки являются температура, давление и вакуум в оборудовании и трубопроводах, уровень жидкого гелия и жидкого азота, уровень газгольдера, расход гелия. В качестве устройств управления выступают вентили с электропозиционерами и электроклапаны. Для обработки полученных сигналов с датчиков и генерации управляющих воздействий используется оборудование отечественной фирмы ОВЕН, в частности модули аналогового ввода МВ110, модули дискретного вывода МУ110, преобразователи интерфейсов АС4 и блоки питания постоянного тока. Критическая часть системы диагностики, а именно, управление криогенными вентилями обеспечивается через модули аналогового вывода сигналов NI 9219 и модули ввода NI 9212 (обратная связь) шасси CompactRIO. Программная часть установки для исследования сверхпроводящих квадруполей представляет собой мнемосхему с интерактивными графическими элементами, физически расположенную на компьютере (пульт оператора), и доступную в режиме чтения по протоколу RDP пользователям, находящимся вне установки. Мнемосхема позволяет производить как ручное управление вентилями и клапанами установки, так и вести автоматический режим регулировки ряда показателей, в зависимости от уставок назначенных оператором. За динамикой происходящих процессов можно наблюдать при помощи графиков, вынесенных в правой части интерфейса. На пульте оператора эти графики вынесены на отдельный дисплей, а для удаленного пользователя отображаются на объединенном экране.

Обоснование. Существующие холодильные машины, как известно, содержат четыре основные узла, осуществляющие холодильный цикл: компрессор, конденсатор, расширитель и испаритель. В настоящее время, конденсация хладоагента происходит в конденсаторе. Создание условий, при которых конденсация рабочего тела происходила бы в компрессорном блоке, позволило бы создать компактную холодильную машину, исключив из неё конденсатор.

Цель — доказательство возможности создания компактной холодильной машины с осуществлением процесса конденсации рабочего тела в камере сжатия компрессора.

Методы. Объектом исследования является тихоходный компрессор, в котором отношение давлений значительно превосходит известные аналоги и, при этом, температура значительно ниже быстроходных машин за счёт создания условий, при которых сжатие происходит с показателями политропы ниже 1,08. Метод исследования основан на определении температуры газа при критическом давлении и сравнении полученного результата с критической температурой. Используемая система уравнений и допущений относится к модели с сосредоточенными параметрами рабочего тела.

Результаты. Полученные результаты по сжатию таких хладагентов как аммиак, углекислый газ, R12, R22, Хладон–134а показали возможность получения в тихоходной машине необходимых давлений при значениях температуры значительно ниже критической.

Заключение. В работе рассмотрены и предложены к дальнейшему исследованию те рабочие тела холодильных машин, которые по своим характеристикам и параметрам работы в холодильной машине могут перейти в жидкую фазу в тихоходном компрессорном блоке, что при дальнейшем экспериментальном подтверждении позволит исключить частично или полностью блок конденсатора в холодильной машине.

Обоснование. Локальная криотерапия является перспективным методом лечения заболеваний костно-мышечной системы для облегчения симптомов и восстановления. Для безопасного воздействия с прогнозируемым терапевтическим эффектом для разных локализаций необходим грамотный контроль и прогнозирование процедуры.

Цель работы — выявление измеряемых физических критериев эффективности локальной криотерапии и характеристик для дозирования процедуры, сравнение и анализ возможностей различных способов. В рамках данной работы рассматривается область коленного сустава.

Методы. В эксперименте приняло участие 16 волонтеров, рандомизированных по 4 группам. В первой и второй группе проводили воздействие криопакетами в течение 20 минут. В качестве хладоносителей использовались смесь льда с водой и 23,1% раствор хлорида натрия. Третья и четвертая группа подвергались воздействию азотной (в течение 3 минут) и воздушной (в течение 20 минут) локальной криотерапии, соответственно. Во время проведения эксперимента измерялась температура кожного покрова с помощью датчика температуры и тепловизионной камеры.

Результаты. Наименьшее значение минимальной конечной температуры было зафиксировано после охлаждения парами жидкого азота и равнялось (0,88 ± 1,75) ℃. Минимальная площадь рабочей зоны составила (33,7 ± 7,1) см². При охлаждении криопакетом со смесью льда и воды наблюдалось наиболее равномерное среди исследуемых случаев распределение температурного поля с наибольшими значениями минимальной конечной температуры (6,43 ± 0,90) ℃ и площадью рабочей зоны (135,2 ± 34,6) см².

Заключение. Сформулированы основные физические критерии эффективности локальной криотерапии — температура и динамика ее изменения на поверхности объекта воздействия. Предложена и оценена характеристика дозирования — площадь рабочей зоны. Это область, в которой достигается принятая целевая температура. Согласно им, проведено сравнение трех основных способов охлаждения. Целевого результата методы достигают по-разному. Наиболее простыми в применении и подготовке являются контактные способы с использованием криопакетов. Однако, воздушное охлаждение при исследуемом режиме легче переносится испытуемыми, при этом с точки зрения физических критериев, оно эквивалентно контактным способам. Охлаждение парами азота приводит к самому быстрому достижению целевой температуры на поверхности, следовательно, ограничено охлаждение вглубь биоткани.

На основе анализа технического уровня, находящегося в эксплуатации оборудования, реализующего общее криовоздействие на организм человека, была выявлена проблема повышения точности дозирования криовоздействия и, соответственно, точного и равномерного охлаждения биообъекта, что потребовало проведения исследований проблем его регулируемого охлаждения. Разработано средство прогнозирования результата криовоздействия и определен диапазон рациональных параметров подачи газа в исполнительное устройство установки при выполнении регулируемого криовоздействия (от 40 до 70 г/сек, от -140 до -160 °С). Разработан и создан экспериментальный образец установки нового типа, который позволяет проводить криовоздействие с изменением основных параметров работы оборудования в широком диапазоне температуры потока охлаждающего газа от -50 до -160 °С, скорости набегающего потока от 0,1 до 2 м/c, времени криовоздействия до 420 сек. Вместе со средством прогнозирования, он образует комплекс по исследованию и регулируемому выполнению криовоздействия в широком диапазоне рабочих параметров. Разработаны алгоритмы выполнения регулируемых режимов для различных биообъектов и различных целей воздействия и выработаны рекомендации, что позволяет осуществлять практическое применение предложенной концепции.

Вячеслав Владимирович Сычев (11 декабря 1933, Одесса — 14 февраля 2023, Москва) — советский и российский ученый, доктор технических наук, профессор Московского Энергетического Института (МЭИ); специалист в области термодинамики. Заслуженный деятель науки Российской Федерации (1996). Главные направления научной деятельности: термодинамика, теплофизика, информационные технологии. Автор более 200 печатных работ, в числе которых монографии и книги, выдержавшие многие издания: «Техническая термодинамика», «Сложные термодинамические системы», «Дифференциальные уравнения термодинамики» и др.
Действительный член Международной академии наук, Академии технологических наук РФ, Академии электротехнических наук, Международной академии холода, Международной академии творчества. Член экспертного совета Высшей Аттестационной Комиссии (ВАК) при Министерстве образования и науки РФ и Диссертационного совета МЭИ.

Лауреат Государственных премий СССР (1976, 1988) и Государственной премии РФ (1996), премии им. Ползунова Академии Наук СССР (1984), премии и медали им. Дж. Гиббса Международной академии творчества (1993), премии Московского энергетического института «Почет и признание Поколений» (2013). Награжден орденом Дружбы Народов, орденом Дружбы Социалистической Республики Вьетнам.