Содержание к диссертации
Введение
1. Контрастное тепловое воздействие в офтальмологии и перспективы применения для этой цели термоэлектрических преобразователей 14
1.1. Оценка состояния и перспективы развития термоэлектрического приборостроения 14
1.2. Применение низких и высоких температур в офтальмологии 30
1.3. Методы физического воздействия в офтальмологии 40
1.4 Постановка задач исследования 47
2. Математическое моделирование полупроводниковых термоэлектрических устройств для теплового воздействия в офтальмологии 49
2.1. Биотехническая система теплового воздействия на глаз человека 49
2.2. Математическая модель системы стабилизации температуры опорного спая термоэлектрического модуля 54
2.3. Математическая модель поля температур глазного яблока при воздействии на передний отрезок 73
2.4. Выводы 92
3. Экспериментальные исследования термоэлектрической системы теплового воздействия на глазное яблоко человека 94
3.1. Описание стенда и методика проведения испытаний 95
3.2. Результаты экспериментальных исследований термоэлектрической системы для теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока 103
3.3. Оценка погрешностей измерений 120
3.4. Выводы 123
4. Разработка и апробация термоэлектрических систем для теплового воздействия в офтальмологии 125
4.1. Термоэлектрические системы теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока , 125
4.2. Термоэлектрические системы для транспальпебрального теплового воздействия на глаз человека 132
4.3. Программируемый блок контроля и регулировки для термоэлектрических устройств теплового воздействия на глазное яблоко человека 139
4.4. Методика проведения лечебных процедур с применением разработанной термоэлектрической системы для теплового воздействия на глаз человека 147
4.5. Выводы 152
Заключение 153
Литература 155
Приложения 174
- Применение низких и высоких температур в офтальмологии
- Математическая модель системы стабилизации температуры опорного спая термоэлектрического модуля
- Результаты экспериментальных исследований термоэлектрической системы для теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока
- Термоэлектрические системы для транспальпебрального теплового воздействия на глаз человека
Введение к работе
Открытие эффектов Пельтье и Зеебека заложило основу
термоэлектрической трансформации тепловой и электрической энергии в
твердотельных устройствах, не использующих жидких и газообразных
рабочих тел и не имеющих движущихся частей. Развитие твердотельных
преобразователей сдерживалось низкой эффективностью
термоэлектрических эффектов в металлах. Эта область техники получила мощный импульс благодаря вкладу А.Ф.Иоффе и его учеников в области синтеза высокоэффективных полупроводниковых материалов (1950-е годы). Бурный рост исследований в области термоэлектрических преобразователей в 60-е - 70-е годы был обусловлен новыми прикладными проблемами, возникающими перед техникой и энергетикой в тот период (освоение космического пространства и труднодоступных регионов планеты, развитие радиоэлектронной промышленности, исследования в области медико-биологических проблем и др.)
Несмотря на то, что стоимость холода, получаемого методом термоэлектрического охлаждения, снизилась с начала 60-х годов прошлого века более чем на порядок, термоэлектрическое преобразование теплоты все еще имеет ограничения по применению в связи с относительно низкой термодинамической эффективностью.
Вместе с тем, в последние годы созданы новые предпосылки, определившие существенное повышение интереса к термоэлектрическим преобразователям. В первую очередь это связано с экологическими ограничениями на использование хлор-фторсодержаших рабочих веществ в парокомпрессионных холодильных машинах. Кроме того, появились обнадеживающие результаты исследований, направленных на повышение эффективности термоэлектрического вещества. Если за последние 30 лет эффективность термоэлектриков повысилась не более чем на 20%, то в
исследованиях сверхрешеток с квантовыми ямами (QWSL-структур) удалось добиться увеличения термоэлектрической добротности сразу в 3-6 раз по сравнению с исходными материалами [208]. Ожидается, что в ближайшем будущем будет достигнуто значение z=4 [219]. Это существенно потеснит парокомпрессионное охлаждение в диапазоне холодопроизводительности вплоть до 500 Вт [78].
Описанные выше термодинамические ограничения применимости термоэлектриков должны учитываться в практике проектирования наряду с общепризнанными преимуществами твердотельных термоэлектрических преобразователей: отсутствие токсичных рабочих тел; отсутствие шума и вибрации (кроме побудителей расходов); простота управления и возможность реверсирования теплового потока; быстрый выход на режим; теоретически неограниченный ресурс работы; гравитационная независимость; простота агрегатирования и взаимозаменяемость; высокая конструктивная пластичность; хорошие массогабаритные характеристики; эффективность при малых тепловых нагрузках и т.д.
Именно эти преимущества термоэлектрических преобразователей стимулировали в течение последних десятилетий инженерные разработки в различных приложениях. Однако столь широкий спектр эффективных приложений термоэлектрического охлаждения был бы невозможен без фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований, ведущая роль в которых принадлежит отечественным ученым. Начиная с первых монографий [93,107,189], фундаментальные и прикладные исследования посвящены анализу режимов работы термобатарей [82,103,104,105,128,152,159], особенностям конкретных применений [194,140], нестационарным режимам [106], теоретическому моделированию в безразмерных параметрах [120]. Следует отметить, что обширный материал по теории, расчету и приложениям термоэлектрических устройств,
разбросанных по различным изданиям, побудил многих авторов к созданию обобщающих трудов [69,70,80,82,115,132,133,139].
Таким образом, к настоящему времени термоэлектрические преобразователи теплоты (охладители, тепловые насосы, интенсификаторы теплопередачи, термоэлектрогенераторы, теплоизоляторы) представляют собой обширную предметную область знаний. Вместе с тем, современное состояние общества в последние два десятилетия характеризуются общепризнанным феноменом, часто называемым информационным взрывом или информационной революцией. Рост производительности компьютера, достигающий трех порядков за десятилетие, далеко опережает таких признанных лидеров научно-технического прогресса как авиация и электроэнергетика. Компьютер перестал быть мощным арифмометром и превратился в средство для обработки знаний. Системы искусственного интеллекта, экспертные системы, системы поддержки принятия решений и другие продукты современных информационных технологий активно используются в различных областях техники, обеспечивая динамику их развития, соответствующую требованиям современности [163]. Приложение информационных технологий к задачам разработки и проектирования систем охлаждения, термостатирования и кондиционирования является актуальной задачей, решение которой обеспечивает соответствующий времени уровень разработки проектных решений [157,164,179,186,217].
Характерной особенностью ТЭС являются высокие плотности тепловых потоков (десятки кВт/м2), что объясняется поверхностным характером эффекта Пельтье. В связи с этим температурные поля в элементах конструкции являются существенно неодномерными, поэтому их проектирование должно строиться на основе соответствующих математических моделей, учитывающих локальный характер источников и стоков теплоты.
Таким образом, проектирование ТЭС должно вестись в направлении
снижения технических потерь, с учетом многомерности процессов
теплопередачи в элементах конструкции и в соответствии с тенденцией к повышению производительности данных систем. Это позволит к увеличить размерность задачи, поэтому актуальной является разработка новых подходов к проектированию, основанных на применении современных информационных технологий и компьютерно ориентированных методик расчета.
Современная медикаментозная медицина столкнулась с таким феноменом, как постоянная модификация инфекционных и вирусных заболеваний, что выражается в выработке устойчивости к используемым лечебным препаратам и необходимости поиска более сильных медикаментов, к которым, в свою очередь, появляется устойчивость у новых модифицированных инфекций. Однако сильнодействующие медицинские препараты часто имеют те или иные противопоказания к применению, либо выраженные побочные эффекты. Наиболее перспективным в этих условиях является мобилизация и тренировка защитных сил самого организма, что достигается с помощью различных физиотерапевтических процедур.
В современной офтальмологии физиотерапия является одним из существенных компонентов комплексного лечения больных с различными заболеваниями глаз. Действие лечебных физических факторов на живой организм обусловлено преобразованием их энергии (электрической, механической, тепловой и др.) в биологический процесс. Основу трансформации поглощенной энергии составляют физико-химические сдвиги, происходящие в клетках и тканях, и оказывающие влияние на биофизические, биохимические и физиологические процессы.
В основу влияния физических методов лечения на организм в настоящее время положена всеми признанная общая теория нейрогуморального их действия. Или как формулирует ее один из основоположников этой теории А.КОбросов - рефлекторного действия, реализуемого через нейрогуморальные механизмы [134].
Большая роль в этом едином общем, всеобъемлющем механизме принадлежит составляющим его звеньям:
рефлекторным, включающим афферентную сигнализацию, воспринимающий центр и эфферентные сигналы;
гуморально-гормональным (гуморальные агенты, продуцируемые нейроном; нейрогормоны, продуцируемые эндокринными железами);
реакциям и метаболическим процессам (биохимическим и биофизическим), протекающим на тканевом, клеточном и молекулярном уровнях.
Здесь надо отметить главенствующее влияние теплового фактора. Энергия физического фактора может переходить в тепло, что послужило основанием к выдвижению тепловой теории в качестве первой теории первичного действия физических факторов.
Наряду с использованием повышенных температур в физиотерапии также широко применяется холодовое воздействие. Холодовое воздействие, включая местные механизмы терморегуляции, в первую очередь влияет на усиление защитных сил организма. Во многом положительное действие влияния холода обусловлено физиологической реакцией организма. Физиологическая реакция на действие холода и тепла носит фазовый характер [156], При раздражении кожи холодом в первый момент возникает спазм ее мелких сосудов (первая фаза реакции). В ответ на сигналы о снижении температуры поверхности через механизм центральный нервно-эндокринной регуляции организма включаются механизмы несократительного термогенеза, что обусловливает ускорение обменных процессов, Вследствие этого температура в глубжележащих тканях повышается, что в свою очередь через систему терморецепторов внутренних органов и центральную нервную систему приводит к компенсаторному увеличению микроциркуляции. Увеличивается количество действующих капилляров и расширяется просвет функционирующих (вторая фаза реакции) [95].
Существующие в настоящее время устройства для физиотерапии офтальмологических заболеваний не всегда предоставляют возможность дозированной регулировки теплового воздействия, а если и предоставляют, то это регулировка только в сторону повышения температуры. Понижение температуры глазного яблока достигают такими примитивными в техническом смысле средствами, как пакетики со льдом, холодные примочки и компрессы. В этой ситуации, использование полупроводниковых термоэлектрических систем (ТЭС) в силу их преимуществ как источников тепла и холода, является наиболее перспективным.
Актуальность рассматриваемой в работе проблемы связана с необходимостью разработки и всестороннего исследования полупроводниковых ТЭС для теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока умеренно низкими и высокими температурами.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка биотехнической системы (БТС) для теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока человека, повышающей эффективность физиопроцедур для терапии различных офтальмологических заболеваний.
Для достижения этой цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:
Разработать БТС теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока человека.
Разработать метод проведения лечебного теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока человека.
Разработать теоретические основы ТЭС теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока человека.
Провести экспериментальную проверку полученных теоретических результатов путем физического моделирования.
На основе проведенных исследований разработать различные конструктивные варианты новых ТЭС для теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока человека и внедрить их в
терапевтическую практику.
Результаты теоретических исследований подтверждены серией экспериментов, проведенных для БТС теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока человека на специально созданном стенде, и разработанными методиками проведения испытаний. Проведенные исследования позволяют правильно оценить возможности ТЭС для теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока человека, проводить целенаправленный и обоснованный их выбор для различных условий эксплуатации и сравнительный анализ с другими способами отвода теплоты и термостатирования.
В диссертационной работе защищаются следующие положения, представляющие научную новизну:
Разработан метод теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока человека, удовлетворяющий всем гигиеническим и лечебно-биологическим требованиям по точности регулировки температуры и временных параметров процедуры.
Предложена математическая модель теплового поля глазного яблока человека при тепловом воздействии на его передний отрезок, учитывающая сложную структуру глазного яблока и тепловые потоки от цилиарного тела и глазного дна.
Предложена математическая модель ТЭС для теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока человека с термостабилизацей опорного спая ТЭМ, осуществляющейся рабочим веществом, имеющим стабильную температуру плавления.
Разработана ТЭС для теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока человека, отличающаяся от аналогов возможностью регулировки температурных и временных параметров воздействия с чередованием теплового и "холодового" факторов.
Практическая значимость работы заключается в том, что предложенные в ней методика и система теплового воздействия на передний отрезок
глазного яблока человека могут быть использованы для терапии в различных областях медицины при лечении людей, а также для проведения научно-исследовательских работ по разработке различных БТС. В диссертации разработаны теоретические основы систем теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока человека на базе полученных автором обобщенных уравнений, учитывающих характеристики охлаждаемых сред, термоэлектрических преобразователей, а также параметры окружающей среды. Определена методика для всестороннего анализа работы теплоотводящих систем, а также влияния характеристик охлаждаемого объекта и других факторов на их энергетические и технико-экономические показатели.
Проведенные исследования позволяют правильно оценить
возможности представленных к рассмотрению систем теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока человека, проводить целенаправленный и обоснованный их выбор для организации заданного температурного режима воздействия на орган зрения человека. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать практические рекомендации по использованию систем теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока человека при различных условиях эксплуатации с учетом гигиенических требований, массогабаритных характеристик и других показателей.
Разработанные в диссертационной работе методы, математические модели и устройства использовались при выполнении Федеральной целевой программы "Интеграция науки и высшего образования России" (Гос. контракт № Л0026/2034 от О і. 11.2002г.).
Основные результаты диссертационной работы и отдельные разработки при непосредственном участии автора внедрены в клиническую практику клиники офтальмологии имени профессора Х.О.Булача (г. Махачкала), в клиническую практику ГУ НПО "Дагестанский центр микрохирургии глаза" (г. Каспийск), в клиническую практику 89 поликлиники ВМФ (Московская область,
Дмитровский район, Горки 25), а также в учебный процесс Дагестанского государственного технического университета.
Реализация результатов работы в медицинских учреждениях повысила эффективность лечебных методик и дала возможность получить требуемый социальный эффект.
Применение низких и высоких температур в офтальмологии
Как свидетельствуют литературные данные, низкие температуры в офтальмологии применяются весьма широко. Первым в мире низкую температуру при глазных болезнях стал использовать Krwawicz [218].
Офтальмологами общая гипотермия используется только при выполнении операций в ретробульбарнон области, где могут располагаться опухоли, в частности ангиомы, варикозное расширение вен, аневризмы. Желательно, чтобы удаление опухолей было бескровным или с очень малой потерей крови, так как послеоперационные гематомы вызывают невриты с последующей атрофией зрительного нерва.
Все чаще хирурги, офтальмохирурги и другие специалисты используют местное охлаждение. Стали возможными операции на охлажденных печени, почках, глазном яблоке и отдельных тканях органа зрения [96].
В дальнейшем низкие температуры стали использоваться при экстракциях катаракт различной этиологии, при отслойке сетчатки и для ее профилактики в случае дегенеративных изменений, при удалении как магнитных, так и амагнитных инородных тел из глаза, при опухолях глаза и его кожных покровов, при различных поражениях конъюнктивы, склеры, роговицы, глаукоме и др.
Экспериментальные исследования [75,84,97, J 21,122,125,142,155,202] показали, что при локальной гипотермии на ткани глаза (с учетом длительности экспозиции, вида охлаждающего вещества, веса и величины рабочей части криоинструмента, места приложения низкой температуры) имеется прямая зависимость между кратковременностью действия холода и применением низкой до -79- -80 и сверхнизкой до - 190 температуры. Воздействие холода на ткани глаза в широком температурном диапазоне при кратковременной экспозиции не вызывает стойких изменений в склере, конъюнктиве и стекловидном теле. Выявлены терапевтический эффект локальной гипотермии без повреждающего действия на окружающие ткани глаза при поражениях роговой оболочки, гипотензивный - в случаях воздействия холода на цилиарное тело, возможность образования хориоретинальной спайки - при отслойке сетчатой оболочки и др. [96,99,102]. Установлено, что хрусталик, находящийся в глазу, более устойчив, чем изолированный, к изменениям температуры внешней среды.
Особенно широко применяется в офтальмологии криоэкстракция катаракт различной этиологии. Осложнения во время таких операций и в послеоперационном периоде встречаются значительно реже, чем при других методах экстракции катаракты. Кроме того метод криоэкстракции катаракты более нежный и менее травматичный[98].
Большой практический интерес представляет применение низких температур при отслойке сетчатой оболочки. Имеется значительное число исследований [125,202], конечные результаты которых свидетельствуют о том, что после воздействия низких температур на обнаженную склеру или трансконъюнктивально возникают хориоретинальные спайки сразу после криопексии и достигают наибольшей выраженности на 10-12день.
Криопексию целесообразно использовать для профилактики отслойки сетчатки при: разрывах сетчатки, не сопровождающихся ее отслойкой; разрывах на периферии глазного дна; экваториальной дегенерации; дистрофических изменениях сетчатки, в случаях высокой степени миопии; пломбировании разрывов сетчатки и циркляже.
Опасность отслойки сетчатки при диасклеральном удалении магнитных и амагнитных инородных тел довольно велика, поэтому подавляющее большинство офтальмологов перед этим обязательно проводят диатермокоагуляцию или криокоагуляцию [123]. В клинике глазных болезней МГМИ при диасклеральном извлечении магнитных, а также при удалении амагнитных инородных тел из глаза с целью профилактики отслойки сетчатки более 10 лет производится кр и о коагуляция вокруг разрыва. Профилактическая криокоагуляция в отличие от диатермокоагуляции вызывает нежные соединительнотканные спайки и менее тяжелые нарушения хориоидального кровообращения, меньшие рубцовые спайки в сетчатке.
Низкие температуры используют и для лечения новообразований органа зрения. Исследования в этой области еще малочисленны. Менее эффективным оказалось применение холода при меланобластоме хориоидеи и цилиарного тела. Новообразования охлаждались транссклер ал ьно после рассечения конъюнктивы.
У детей на долю невусов приходится 35% всех опухолей органов зрения. По данным многих авторов [126,175] до 50% пигментных злокачественных опухолей развивается из невуса. В большинстве случаев эффект давал один сеанс криоаппликации, что позволяет рекомендовать этот метод для широкого внедрения в офтальмологическую практику.
Криотерпапию, кроме общепринятых методов лечения различных заболеваний роговицы используют в виде криоаппликации или криообдуваний. Ее применяют при герпетическом, травматическом, дистрофическом, химическом и других кератитах [135]. Нами наибольший эффект отмечен у больных с герпетическим кератитом древовидной формы. При использовании криотерапии в лечении мета герпетических и других глубоких кератитов уменьшались раздражение глаза, субъективные ощущения. Однако заметного влияния на течение процесса не отмечалось. Менее эффективной оказалась криотерапия при лечении гнойных язв роговицы. Необходимо отметить, что результаты комплексной терапии с применением криовоздействия при кератитах различной этиологии были лучше, чем только медикаментозной. Криотерапия ускоряет эпителизацию роговицы, способствует улучшению трофики, более нежному формированию рубцового помутнения.
Математическая модель системы стабилизации температуры опорного спая термоэлектрического модуля
Для отвода тепла от тепловыделяющих элементов, в число которых входят и ТЭМ, в настоящее время используется большое разнообразие различных систем, основанных на воздушном, жидкостном, кондуктивном, термоэлектрическом, испарительном методах стабилизации температуры [111]. Среди них большой экономичностью, малыми габаритными размерами, простотой и точностью поддержания температуры на заданном уровне отличаются системы, основанные на использовании обратимых эндотермических процессов плавления, сопровождающихся поглощением тепла на границе раздела твердой и жидкой фаз [171].
Конструктивно такие термостабилизирующие системы выполняются в виде контейнера, заполненного рабочим веществом, температура плавления которого совпадает с температурой стабилизации тепловыделяющего элемента. Точность поддержания температуры в этом случае лежит в пределах ±0,0014 С [66]. Главным недостатком таких систем, ограничивающих их применение, является необходимость поддерживания рабочего вещества в состоянии фазового перехода на протяжении всего цикла работы тепловыделяющего элемента. Для предотвращения выхода ТЭМ из строя при перегреве его опорного спая (рабочее вещество полностью расплавится к концу цикла работы тепловыделяющего элемента), необходимо подобрать объем контейнера, рассчитанный на максимальную продолжительность процедуры [108]. Конструкция системы стабилизации температуры опорного спая ТЭМ представляет собой цилиндрический радиатор, основанием своим находящийся в тепловом контакте с опорным спаем ТЭМ и опущенный в цилиндрическую емкость, заполненную рабочим веществом.
Для исследования процессов теплообмена в рассматриваемой конструкции необходимо рассмотреть задачу Стефана, которая формулируется как задача о сопряжении температурных полей в соприкасающихся фазах при наличии особого граничного условия на движущейся поверхности раздела. Это условие характеризуется равенством температур в соприкасающихся фазах и неравенством тепловых потоков слева и справа от границы раздела, связанных с тепловым эффектом фазового превращения. Причем, вследствие специфики конструкторского исполнения системы термостатирования, в жидкой фазе вещества (в воде) возникает развитая естественная конвекция, которая в значительной степени влияет на процесс теплообмена. Наличие конвективных токов тепла в фазовых превращениях на границе раздела твердой - жидкой фаз в ограниченном объеме значительно усложняет физическую картину процесса теплообмена и приводит к необходимости корректировки классической постановки задачи Стефана. Другими допущениями математической модели являются: - температура в жидкой и твердой фазах рабочего вещества является функцией одной пространственной координаты; - температура на границе раздела соответствует устойчивому сосуществованию твердой и жидкой фаз; - интервал температур плавления или кристаллизации (затвердевания) мал по сравнению с соответствующими температурами плавления и кристаллизации, которые принимаются постоянными в течение всего процесса; - длина емкости, заполненной рабочим веществом, значительно больше ее диаметра, поэтому влиянием торцевых поверхностей на теплообмен пренебрегаем; - рассеиваемая термоэлектрическим модулем мощность равномерно распределена по поверхности радиатора; - термическим сопротивлением контакта термоэлектрического модуля с радиатором пренебрегаем; - теплом, идущим на нагрев или охлаждение термоэлектрического модуля, вследствие его малой величины по сравнению с теплом, аккумулируемым рабочим веществом, пренебрегаем или учитываем в суммарной теплоемкости радиатора. Учитывая результаты работы [86], и приняв коэффициенты теплоотдачи со стороны радиатора и поверхности раздела фаз постоянными до конца процесса, можно приближенно сформулировать математическую постановку задачи в следующем виде (расчетная схема процесса представлена на рис.2.2Л): Здесь хр,а - соответственно коэффициенты теплоотдачи от радиатора к жидкости и от поверхности раздела фаз к жидкости; Т, - средняя температура жидкой фазы; (с,р,)р - соответственно теплоемкость, плотность и радиус радиатора; г - время; Кр - коэффициент теплоотдачи в окружающую среду; Тр - среднемассовая температура радиатора; Т - температура окружающей среды; Т2 - температура твердой фазы; д , - удельное количество тепла (приведенное к единице площади), выделяемого в единицу времени на горячем спае термоэлектрического модуля; с,,р.,Л, - теплоемкость, плотность и теплопроводность жидкой (воды) и твердой (льда) фазы рабочего вещества, где индекс 1 соответствует жидкой фазе, а индекс 2 - твердой фазе; г -теплота плавления рабочего вещества; Т - температура плавления (кристаллизации) рабочего вещества; R - толщина слоя рабочего вещества; - координата границы раздела фаз. Для решения системы дифференциальных уравнений (2.2.1) - (2.2.7) использовался приближенный метод Л.С. Лейбензона, имеющий широкое применение в инженерной практике и неоднократно подтвержденный экспериментально [141]. Метод приближенного решения заключается в том, что функции Т}{х,т), Т2(х,т) подбираются таким образом, чтобы они удовлетворяли начальным и граничным условиям. Подобранные таким образом функции подставляются в условие сопряжения на границе раздела фаз, полученное дифференциальное уравнение решается относительно %. Применим указанный метод для решения системы (2.2.1) - (2.2.7), предварительно учтя следующее. При подводе тепла к радиатору, соприкасающемуся с веществом, после достижения определенной толщины расплава возникают конвективные потоки тепла, обусловленные наличием гравитационных сил и градиента плотности жидкости по толщине. До того момента конвекция в жидкой фазе отсутствует или достаточно слаба, поэтому по толщине ее слоя существует поле температур. После достижения определенной толщины слоя расплава 0 начинается интенсивное перемешивание горячих и холодных слоев, и полем температур по жидкой фазе можно пренебречь. В большинстве случаев процессы конвекции в жидкой фазе возникают по истечении достаточно небольшого промежутка времени, поэтому можно ввести понятие средней температуры жидкой фазы Тп остающейся постоянной на протяжении всего процесса плавления рабочего вещества. Для твердой же фазы рабочего вещества Т2 можно представить в виде
Результаты экспериментальных исследований термоэлектрической системы для теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока
На основе экспериментального стенда, описанного в предыдущем параграфе, нами был проведен ряд опытов, позволяющих судить о приемлемости разработанной в настоящей работе математической модели ТЭС для теплового воздействия на глазное яблоко человека.
Основной задачей, стоящей перед нами при проведении экспериментальных исследований, являлось подтверждение адекватности разработанных математических моделей реальным теплофизическим процессам, протекающим в устройстве и объекте воздействия.
Технические требования к разрабатываемой системе теплового воздействия определялись следующими основными параметрами, являющимися исходными данными: температура воздействия от 7 С до 45С; температура окружающей среды от 10С до 35С;- точность поддержания температуры ±0.5С; максимальное время достижения заданной температуры - 1,5 мин. Испытания проводились для значений токов питания ТЭМ 1.5 А, 2.0 А,
По этим значениям строились кривые изменения контролируемых температур в течении всего времени проведения эксперимента.
Для подтверждения теоретических данных нами проводились экспериментальные исследования как при постоянных фиксированных значениях тока питания ТЭМ, так и при чередующейся полярности последнего. При исследовании системы стабилизации температуры опорного спая ТЭМ интерес представляли следующие зависимости: время проплавлення рабочего вещества при разных значениях тока питания; 1. изменение температуры радиатора от времени; 2. изменение температура радиатора от выделяемой мощности на опорном спае ТЭМ.
При исследовании поля температур модели глазного яблока при воздействии на передний отрезок нас в первую очередь интересовало распределение температур вдоль оси модели глаза при заданной температуре на переднем отрезке, а так же изменение температуры во времени в контрольных точках модели глаза при динамическом изменении температуры на переднем отрезке. На рисунке 3.2.1 представлено изменение температуры алюминиевого радиатора во времени. Если сравнить данный рисунок с рисунком 2.2.2, то мы видим, что форма экспериментальной кривой практически повторяет форму теоретической кривой. Запаздывание в стабилизации температуры радиатора обусловлено тем, что в теоретической кривой мы не учитывали тепловое сопротивление радиатора, а также тем, что в реальном процессе конвекция жидкости не настолько развита, как в теоретическом. Этим же и обусловлен некоторый пик в промежутке от 4 до 5 мин. Резкий подъем температуры радиатора после 20 мин. свидетельствует о полном проплавлений рабочего вещества.
На рисунке 3.2.2 представлена зависимость средней температуры радиатора от мощности, выделяемой на опорном спае ТЭМ. Для использованного нами стандартного ТЭМ ТВ-31-1.0-1.3 при токах от 1,5 А до 3,6 А значения выделяемой на горячем спае мощности лежат в диапазоне от 5 до 15 Вт. Если переложить эту мощность на площадь радиатора, то мы получим тепловой поток от 3500 Вт/м до 10000 Вт/м . Средняя температура радиатора бралась в середине стабильного временного участка (напр. по рисунку 3.2.1 бралась температура на отметке 10 мин.).
Как видно из данного рисунка, температура радиатора несколько выше, чем та, что была рассчитана теоретически. Объясняется это теми же причинами, что и на рисунке 3.2.1, т.е. различием в реальном конвекционном процессе и идеальном. Однако это различие в теоретических и экспериментальных данных лежит в допустимом пределе погрешности, принятом для математических моделей, описывающих задачи тепло-массопереноса.
На рисунке 3.2.3 представлена зависимость времени полного проплавлення рабочего вещества от теплового потока, выделяемого на опорном спае ТЭМ. Данная зависимость снималась для емкости с радиусом R=0,01 м. Как мы видим, экспериментальные данные незначительно отличаются от данных, полученных при расчете математической модели (сплошная линия). Эксперимент показал, что даже для максимального теплового потока на опорном спае ТЭМ время полного проплавлення рабочего вещества составило более 20 мин, что вполне достаточно для проведения любой процедуры.
При анализе полученных экспериментальных данных необходимо учитывать, что при проведении реальных процедур для пациентов, страдающих офтальмологическими заболеваниями, устройство не будет работать в стационарном режиме. Основным режимом работы данной ТЭС теплового воздействия на глазное яблоко человека является режим температурного массажа, когда осуществляется чередование холодового воздействия на передний отрезок глазного яблока с тепловым. Соответственно, ТЭМ в некоторый (заданный лечащим врачом) временной интервал выделяет тепло на опорном спае, а в следующий временной интервал - поглощает, и так до окончания времени всей процедуры. В связи с этим, реальное время полного проплавлення рабочего вещества еще больше увеличивается.
Термоэлектрические системы для транспальпебрального теплового воздействия на глаз человека
В некоторых случаях терапии глазных заболеваний требуется воздействовать на орган зрения человека через закрытое веко, т.е. транспальпебрально. Медицинская практика показывает, что проведение локальной транспальпебральной гипотермии непосредственно перед и сразу после операций эксимерлазерноЙ хирургии роговицы существенно повышает эффективность данной операции. Эта методика позволяет избежать развития роговичных помутнений, приводит к лучшим визуальным и рефракционным эффектам.
Для обеспечения транспальпебральной гипотермии глаз человека автором разработана ТЭС, состоящая из корпуса, наполненного рабочим веществом, имеющим стабильную температуру плавления, лежащую в пределах 30 - 60С, двух теплообменников, двух ТЭМ и двух контактных головок [191]. Структурная схема устройства приведена на рисунке 4.2.1.
ТЭС для транспальпебрального теплового воздействия состоит из корпуса 1, заполненного рабочим веществом 2, имеющим стабильную температуру плавления, лежащую в пределах от 30 до 60С. В объем рабочего вещества погружены два теплообменника 3, представляющие собой две параллельные медные пластины, соединенные между собой медными штырями, на которые насажены тонкие медные диски. Верхняя пластина каждого теплообменника 3, выступающая из корпуса 1, по двум противоположным сторонам, параллельным длинной стороне корпуса 1, имеет выступы, заканчивающиеся фиксаторами 4. В тепловом контакте с этой пластиной каждого теплообменника 3 находится ТЭМ 5.
К противоположным спаям ТЭМ 5 с обеспечением теплового контакта прижимается основание контактной головки б. Прижим осуществляется с помощью упругой прокладки 7, проложенной между фиксаторами 4 и основанием контактной головки 6. На одном из фиксаторов 4 каждого теплообменника 3 нанесена размерная линейка 8, проградуированная в миллиметрах в масштабе 1:2. А на основании контактной головки 6 напротив линейки нанесена отметка, соответствующая центру контактной головки.
Устройство работает следующим образом. После захолаживания рабочего вещества 2 в камере обычного холодильника, лечащий врач выставляет контактные головки по линейкам в соответствии с межзрачковым расстоянием глаз пациента. Пациент принимает лежачее положение лицом вверх, после чего устройство накладывается контактными головками на закрытые веки. Врач выставляет температуру воздействия с помощью программного блока контроля и регулировки температуру и время проведения процедуры. По окончании процедуры устройство выключается и подается звуковой сигнал. Процедура локальной транс палпебральной гипотермии осуществляется непосредственно перед и сразу после операций эксимерлазерной хирургии роговицы, а также во время реабилитационного периода.
Устройство просто в изготовлении и может быть использовано в любом офтальмологическом стационаре.
Транпальпебральное тепловое воздействие требуется также при утомлении органа зрения. Работа людей некоторых профессий напрямую связана с состоянием органа зрения. Это водители-дальнобойщики, пилоты самолетов, сборщики-радиомонтажники, операторы ЭВМ, диспетчеры аэропортов и т.п. Для релаксации органа зрения автором предлагается ТЭС для транспальпебрального массажа глаз человека. Структурная схема ТЭС для транспальпебрального массажа глаз человека приведена на рисунках 4.2.2 и 4.2.3.
ТЭС для транс пал ьпебрального теплового массажа состоит из двух обкладок 1 и 2, выполненных из материала с хорошей теплопроводностью и сопряженных таким образом, что при соприкосновении с глазом человека обкладка 1 плотно прижималась к внешней поверхности верхнего века, а обкладка 2 - нижнего. Обкладка 1 находится в тепловом контакте с первыми спаями ТЭМ 3, а обкладка 2-е первыми спаями ТЭМ 4. Вторые спаи ТЭМ 3 и 4 приведены в соприкосновение со стенкой 5 теплового демпфера 6, причем ТЭМ 3 и 4 находятся с противоположных сторон стенки 5. В тепловом демпфере 6 выполнена полость, заполненная рабочим веществом, имеющим стабильную температуру плавления, лежащую в пределах 30 — 60 С 7, Два подобных устройства, скрепленных плоской капроновой полоской 8 и эластичным кольцом 9, длина которых регулируется зажимами 10, образуют своего рода очки, которые надеваются на голову человека для релаксации органа зрения (рисунок 4.2.3).
Принцип работы устройства следующий. В то время, пока устройство не используется, оно хранится в прохладном месте (например — камера холодильника) с целью предварительного захолаживания демпфера 6 с рабочим веществом 7. Для использования устройство подгоняется с помощью зажимов 10 под размеры головы человека, на котором оно должно быть использовано. Далее, включается двухканальный программный блок контроля и регулировки, который подает питание на ТЭМ 3 и 4. Причем, питание ТЭМ осуществляется таким образом, что обкладка 1 нагревается, в то время как обкладка 2 — охлаждается и наоборот. Оператором (в качестве которого может выступать как обслуживающий персонал, так и сам пациент) задается время, по истечении которого программный блок контроля и регулировки переключает режимы работы ТЭМ 3 и 4, в результате чего та обкладка, которая нагревала веко человека, начинает его охлаждать, а та, что охлаждала — нагревать. Так, как оба ТЭМ 3 и 4 работают в противоположных режимах, то отвод тепла со вторых спаев упрощается за счет того, что тепло, которое выделяется на одном ТЭМ, частично забирается другим ТЭМ и наоборот. Излишки тепла поглощаются полостью с плавящимся рабочим веществом, которое постепенно переходит в жидкую фазу, поддерживая температуру стенки 5 демпфера 6 постоянной и равной температуре плавления рабочего вещества 7.
Устройство просто в изготовлении и может быть использовано в любой обстановке. Преимуществом устройства является то, что его можно использовать даже в сложных условиях, например на борту самолета для релаксации органа зрения уставшего пилота.
