Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови Крылова Любовь Владимировна

Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови
<
Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови
>

Данный автореферат диссертации должен поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - 240 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Крылова Любовь Владимировна. Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.17 Москва, 2006 145 с. РГБ ОД, 61:06-5/2584

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Краткий обзор тепловых схем и конструкций аппаратов для замораживания плазмы, применяемых в учреждениях службы крови РФ 10

Глава 2 Анализ температурных полей, реализующихся в полимерных контейнерах с плазмой при различных режимах замораживания 21

2.1 Нестационарные процессы теплопроводности, реализующиеся в веществе плазмы при замораживании в статическом режиме 21

2.2 Расчет параметров квазистационарного процесса замораживания плазмы в динамическом режиме 34

2.3 Анализ влияния теплообменных и температурных факторов на скорость замораживания плазмы 49

2.3.1 Теплопередача через стенку полимерного контейнера при замораживании плазмы 49

2.3.2 Теплоотдача при обтекании поверхности полимерного контейнера с плазмой охлажденным воздухом 56

2.3.3 Теплоотдача при обтекании наружной поверхности полимерного контейнера охлажденным жидким хладоносителем 59

2.3.4 Особенности теплоотдачи на внутренней поверхности стенки контейнера при динамическом режиме замораживания плазмы 62

2.3.5 Интенсификация теплопередачи посредством оребренных ложементов 69

Глава 3 Методы расчета и оптимизации аппаратов для замораживания плазмы 77

3.1 Особенности расчета удельных энергетических характеристик быстрозамораживателей плазмы 77

3.2 Методика оптимизации гидравлической сети компрессионного холодильного агрегата 86

3.2.1 Методика расчета дроссельного элемента 87

3.2.2 Методика расчета испарителя холодильного агрегата 90

3.3 Методы оптимальной реализации двухуровневых температурно-энергетических режимов в морозильных аппаратах для замораживания плазмы 91

Глава 4 Конструкции и тепловые схемы высокоэффективных аппаратов для замораживания и хранения плазмы 100

4.1 Морозильный аппарат «гемотерм-zbk» с воздушно-контактным замораживанием контейнеров с плазмой 100

4.2 Конструкция и тепловые схемы различных модификаций замораживателей плазмы в динамическом режиме 111

4.3 Двухстадийный способ замораживания плазмы и аппараты для его реализации 118

4.4 Медицинские морозильники для хранения замороженной плазмы 128

Основные результаты и выводы 135

Литература 137

Условные обозначения 143

Введение к работе

Одним из необходимых условий эффективности компонентского донорства является использование биологически высокополноценной свежезамороженной плазмы (СЗП) с высоким содержанием активных веществ, в том числе фактора VIII (антигемофильного глобулина, ответственного за свертывание крови) [1-15].

Замораживание - это критический шаг в консервировании плазмы. Во время замораживания образуется чистый лед, а растворимые компоненты плазмы концентрируются в остающейся воде. Когда превышен предел растворимости, каждый компонент образует кристаллы, на которые можно действовать антикоагулянтом.

Образование льда зависит от скорости отвода тепла, в то время как скорость диффузии компонентов определяет их перемещение в пространстве. При низких скоростях замораживания диффузия компонентов однозначно определяется скоростью образования льда. Все растворенные компоненты постепенно концентрируются в центре контейнера с плазмой. Так как при этом смещение всех растворенных веществ происходит одновременно, молекулы фактора VIII подвергаются длительное время воздействию высоких концентраций солей и тем самым инактивируются.

При высоких скоростях замораживания кристаллизация льда в пространстве идет быстрее смещения отдельных компонентов, и их маленькие отвердевшие кластеры оказываются равномерно вкрапленными в лед без длительного воздействия концентрированных солей на фактор VIII.

Как показали исследования, при низких скоростях замораживания (менее 10°С/мин.), реализующихся при использовании бытовых морозильников, внеклеточная вода замерзает раньше, чем внутриклеточная, вызывая такой осмотический градиент, при котором вода диффундирует из клетки вовне ее. В итоге, клетка теряет воду и становится обезвоженной. Это приводит к значительной дегидратации, а внутриклеточная гипертензия вызывает серьезные повреждения клетки.

При больших скоростях замораживания (более 10°С/мин.) осмотический градиент не успевает развиться, вследствие чего дегидратация и снижение объема клетки минимальны.

Основные производственно-технологические задачи, решаемые в учреждениях службы крови, - это получение компонентов крови с максимально высоким содержанием биологически активных компонентов. Именно реализация на первичных стадиях заготовки крови оптимальных температурно-энергетических условий протекания технологических процессов определяет последующую биологическую эффективность ее компонентов.

Важнейшим этапом, определяющим получение биологически высокополноценной свежезамороженной плазмы (СЗП), является реализация высокоскоростного процесса ее замораживания. При наличии в стране острого дефицита компонентов донорской крови и, в первую очередь, плазмы, поиск методологических и аппаратурных путей обеспечения их максимальной биологической полноценности имеет весьма важное научно-практическое значение.

Практическое отсутствие отечественных морозильных аппаратов, обеспечивающих высокоскоростное замораживание плазмы, высокие цены зарубежных аппаратов, недоступные для широкого круга медицинских учреждений различного уровня, наряду с острой потребностью в больших количествах биологически высокополноценных компонентов донорской крови, определяют актуальность выполненных в диссертации научно-технических и медико-биологических исследований, конечным итогом и целью которых явилось формулирование совокупности конструкторско-технических решений, реализованных в нескольких принципиально новых модификациях высокоэффективных быстрозамораживателях, а также разработка технологических рекомендаций, определяющих оптимальные способы замораживания плазмы, обеспечивающие ее максимально высокую биологическую полноценность.

Цель и задачи диссертации

Целью диссертационной работы является разработка эффективных способов обеспечения высокой степени биологической полноценности СЗП, а также принципиально новых морозильных аппаратов для ее замораживания.

Задачи работы:

1. Исследование нестационарных температурных полей, возникающих в веществе замораживаемой плазмы при статических и динамических способах замораживания.

2. Анализ влияния теплообменных и температурных факторов на скорость замораживания плазмы.

3. Разработка методов расчета узлов и оптимизации режимов функционирования низкотемпературных холодильных агрегатов.

4. Разработка совокупности рекомендаций и технических решения для проектирования различных модификаций высокоэффективных замораживателей плазмы.

5. Медико-биологические исследования эффективности разработанных аппаратных средств обеспечения высокоскоростных одно- и двухстадийных способов замораживания плазмы.

Методы исследования.

Определение нестационарных температурных полей в веществе плазмы, замораживаемой в статических режимах, осуществлялось посредством интегральных преобразований Лапласа при рассмотрении упрощенной теплофизической модели в виде неограниченной пластины, внутри которой со временем происходит движение границы раздела фаз.

Теоретическое исследование замораживания плазмы в динамических режимах было сведено к решению обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих трехстадийный квазистационарный тепловой процесс.

Исследование условий теплоотвода при вынужденной циркуляции хладоносителя вдоль внешней поверхности полимерных контейнеров с замораживаемой плазмой и условий теплообмена внутри контейнеров при движении плазмы с ускорением, периодически меняющемся по величине и направлению, осуществлялось посредством критериальных уравнений теории подобия с использованием совокупности соответствующих критериев подобия.

Для удобства интерпретации результатов исследований, выполненных при расчетах узлов низкотемпературных холодильных агрегатов, применялась линейная и квадратичная аппроксимация температурных зависимостей теплофизических свойств хладагентов и энергетических характеристик низкотемпературных компрессоров в температурном диапазоне, определяемом условиями эксплуатации быстрозамораживателей плазмы.

Определение степени биологической полноценности плазмы, замораживаемой в различных режимах и аппаратах, осуществлялось после ее размораживания перед практическим применением путем измерения содержания фактора VIII.

Научная новизна работы. Получены следующие научные результаты.

1. Исходя из системы дифференциальных уравнений в частных производных, решенных посредством интегральных преобразований Лапласа, выполнен анализ механизма явлений, происходящих внутри полимерного контейнера с плазмой, замораживаемой в статическом режиме при различных интенсивностях теплоотвода на внешней поверхности контейнера.

2. Показано, что биологически оптимальная структура плазмы, замораживаемой в полимерных контейнерах, и, соответственно, максимально высокая степень ее биологической полноценности достигается при реализации динамических режимов, в которых обеспечивается перемешивание плазмы внутри контейнеров.

3. Установлено, что оптимальным путем реализации динамического режима замораживания плазмы является приведение полимерных контейнеров в движение с ускорением, периодически меняющемся по величине и направлению, при этом амплитуда колебаний должна быть не менее половины толщины контейнера с плазмой, а частота должна находиться в диапазоне от 0,5 Гц до 10 Гц.

4. Разработаны оптимизационные инженерные методы расчета узлов низкотемпературных холодильных агрегатов для быстрозамораживателей плазмы, способных реализовывать при функционировании несколько заданных температурно-энергетических уровней при одной дозе заправки хладагента в гидравлической системе.

5. Установлена функциональная зависимость процентного содержания фактора VIII в замороженной плазме от длительности этапа полного отвердевания в статических и динамических режимах. Показана возможность и целесообразность последующего уменьшения скорости изменения температуры контейнеров с уже замороженной плазмой.

Практическая ценность настоящей работы состоит в следующем.

1. Разработан принципиально новый воздушный быстрозамораживатель, в котором при замораживании плазмы реализуется комбинированный отвод тепла от полимерных контейнеров как непосредственно на кипящий низкотемпературный хладагент, так и на поток принудительно циркулирующего охлажденного воздуха.

Аппарат позволяет одновременно замораживать за время, не превышающее 1 час, до 12-ти гемоконтейнеров с вместимостью от 0,25 л до 1 л.

2. Разработан принципиально новый динамический способ высокоскоростного замораживания жидкого биологического вещества, в том числе плазмы, а также предложено несколько модификаций морозильных аппаратов для реализации этого способа, в рабочих камерах которых осуществляется циркуляция охлажденного воздуха или жидкого хладоносителя, а длительность акта замораживания плазмы составляет 15-25 мин.

3. Разработан принципиально новый способ двухстадийного замораживания жидкого биологического вещества, в том числе плазмы, а также предложено аппаратурное обеспечение этого способа.

Показано, что морозильные аппараты, реализующие двухстадийный способ, имеют относительно низкую цену, более высокую надежность, не требуют использования дефицитных комплектующих изделий, материалов и компонентов, просты в обслуживании, что в итоге, определяет их широкую доступность в практике медицинских учреждений различного уровня.

4. Показано, что применение динамических способов высокоскоростного замораживания плазмы позволяет обеспечить максимально высокую степень ее биологической полноценности.

В частности, содержание одного из критериальных биологических показателей - фактора VIII, в плазме, замороженной в динамических режимах, составляет 98-99%.

5. Практическая реализация результатов диссертационной работы вылилась, в конечном итоге, в получении посредством ряда изготовленных быстрозамораживателей «ГЕМОТЕРМ-Z» на нескольких станциях переливания крови свыше 10 тонн СЗП с максимально высокой биологической полноценностью.

Краткий обзор тепловых схем и конструкций аппаратов для замораживания плазмы, применяемых в учреждениях службы крови РФ

В соответствии с требованиями ряда нормативных документов [1-4], температурный режим замораживания свежеприготовленной плазмы (СЗП) должен быть таким, чтобы обеспечивалось достижение температуры минус 30С в центре пакета за час или меньше.

Однако, отсутствие в большинстве учреждений службы крови аппаратов, имеющих высокую производительность и обеспечивающих требуемую длительность процесса замораживания, приводит к тому, что замораживание плазмы осуществляют в морозильниках, назначением которых является длительное хранение плазмы, уже замороженной в другом устройстве.

В связи с этим биологическая полноценность СЗП, получаемой таким образом, является весьма низкой. Целям замораживания служит представленный на рисунке 1.1 аппарат MDF-4460B (бластный замораживатель) производства фирмы SANYO (Япония), обеспечивающий посредством каскадной системы охлаждения в рабочей камере, выполненной из нержавеющей стали, температуру минус (4СН-50)С. Как отмечено в [16-18], аппарат замораживает 12 контейнеров по 200 мл за 2 часа, 48 контейнеров за 3 часа.

Однако, несмотря на то, что эти аппараты в функции замораживателей совершенно не удовлетворяют сформулированным выше требованиям по скорости замораживания плазмы, и, несмотря на их весьма высокую стоимость, они продолжают поступать на российский рынок, приобретаться медицинскими учреждениями и использоваться для реализации таких процессов замораживания, длительности которых в два-три раза превышают установленный лимит по времени.

Морозильный аппарат NZKP 18/80 VK (W) (рис. 1.2) содержит корпус, холодильный агрегат, теплоизолированную рабочую камеру с дверцей, в которой помещен испаритель, введенный в замкнутый контур циркуляции воздуха, вентилятор, ложементы для размещения полимерных контейнеров с плазмой при замораживании, выполненные в виде двух створок полого параллелепипеда, в нижней части установленных на общей оси, а в верхней части снабженные отгибами. В верхней части аппарата горизонтально установлена плита с отверстиями прямоугольной формы, через которые ложементы с полимерными контейнерами с плазмой при замораживании вводятся внутрь рабочей камеры и фиксируются сверху на плите на отгибах.

Экспериментальные исследования показали, что замораживатели фирмы "Frigera" обеспечивают при замораживании до 18 контейнеров с плазмой достижение температуры внутри контейнера минус 30С за 45-50 мин. Одним из существенных недостатков этого аппарата является то, что размер между внутренними плоскостями створок ложемента (глубина) является неизменным и не предусмотрена возможность какого-либо его регулирования. На практике реальное заполнение контейнеров плазмой в редких случаях соответствует их номинальной вместимости, определяющей номинальную толщину контейнера.

Поэтому, реальная толщина контейнера может оказаться либо существенно больше глубины ложемента, вследствие чего контейнер не размещается в ложементе, либо меньше, следствие этого - плохой контакт поверхности контейнера с ложементом и низкая скорость замораживания.

Ложементы этого аппарата могут использоваться только для ограниченного типового ряда полимерных контейнеров, например, ложементы с контейнерами фирмы Baxter вместимостью 300 мл и не могут быть использованы для замораживания контейнеров вместимостью 0,6 л; контейнеры других типов, например, переполненные до 280-300 мл контейнеры «Гемакон», после замораживания очень трудно вынимаются из аппарата.

Ложемент в быстрозамораживателе должен выполнять функции не только держателя, но и своеобразного радиатора, увеличивающего размер теплообменной поверхности. Однако, в данном аппарате, размер поверхности ложемента сравним с размером поверхности самого контейнера; увеличение теплообменной поверхности весьма незначительно, что препятствует увеличению скоростей охлаждения и замораживания.

Для реализации высоких скоростей замораживания в данном аппарате применяется каскадная холодильная установка, обеспечивающая достижение в рабочей камере при замораживании температур в диапазоне минус (45-50)С.

Однако, надежность каскадных установок существенно ниже надежности однокаскадных систем, требует применения дефицитных видов хладагентов и запасных частей; ремонт таких устройств сопряжен со значительными трудностями, часто неосуществим без приглашения представителей предприятия-изготовителя, и поэтому стоимость его может достигать существенных размеров.

Расчет параметров квазистационарного процесса замораживания плазмы в динамическом режиме

Одним из радикальных способов увеличения скорости замораживания и, соответственно, повышения биологической полноценности СЗП, состоит в обеспечении высокоинтенсивного теплоотвода одновременно от всех слоев плазмы на внешний хладоноситель, достигаемого путем осуществления ее перемешивания внутри контейнера.

При динамических способах замораживания плазмы исключается образование корки льда на внутренних поверхностях стенок контейнера, процесс образования кластеров льда происходит по всему объему контейнера; при этом средняя по объему температура плазмы оказывается весьма близкой к температуре хладоносителя, омывающего наружную поверхность контейнера.

Вещество плазмы, замораживаемой в динамическом режиме, оказывается изотропным по объему контейнера, что, как следствие, обеспечивает более высокую степень ее биологической полноценности.

Кроме того, интенсивность разрушающего действия на молекулы биологически активных компонентов диффузионных процессов, реализующихся в твердом веществе при длительном хранении замороженной плазмы и пропорциональных градиенту концентрации солей, более сильно проявляется в веществе плазмы, замороженной в статических, нежели в динамических режимах.

Динамический режим замораживания плазмы можно рассматривать как квазистационарный тепловой процесс, когда для каждого момента времени температуры во всех точках контейнера с замораживаемой плазмой являются одинаковыми. Такая упрощенная модель теплофизического процесса позволяет сделать оценку временных характеристик режимов замораживания в функции от температур хладоносителя и интенсивности теплообмена, а также установить необходимые энергетические параметры морозильного аппарата при реализации различных скоростей замораживания. Процесс замораживания плазмы включает в себя 3 этапа: о охлаждение контейнера с плазмой от начальной температуры tHa4 до іфп. В соответствии с основными требованиями, сформулированными в нормативных документах Совета Европы [2] и Минздрава России [4], допускается получение свежезамороженной плазмы в течение 24-х часов из цельной крови, которую сразу же после кровоотдачи поместили в специальное устройство, поддерживающее температуру в диапазоне от +20С до +24С, т.е. значение tHa4 = 22С; о замораживание плазмы в контейнере при t pn; о охлаждение контейнера с замороженной плазмой до заданной конечной температуры tK0H= -30С.

Следует отметить, что именно длительность %2 второго этапа и, соответственно, скорость замораживания плазмы, т.е. скорость ее перехода из жидкого состояния в твердое, являются критериальными параметрами всего процесса замораживания плазмы.

Именно эти параметры, а не длительность 1-го и 3-го этапов, и не длительность всего процесса, в целом, определяют последующую биологическую эффективность СЗП и, в конечном итоге, являются главными показателями морозильных аппаратов, использующихся для замораживании плазмы, по которым они могут сравниться друг с другом.

С учетом данных, приведенных в таблице 2.1 функциональные зависимости типа f(y/, tKaM), определяющие зависимости критериальных (2.29) (2.30) параметров морозильного аппарата, применяемого для быстрого замораживания плазмы, в функции от температуры tKOM в рабочей камере аппарата и интенсивности теплообмена между хладоносителем.

Величина внешней поверхности полимерного контейнера, омываемой хладоносителем с конп м2 3,5-Ю"3 Подставляя в соотношение (2.27) выражение (2.29), (2.30) и (2.32), получим значение длительности процесса замораживания каждого полимерного контейнера в функции от температуры в рабочей камере и коэффициента теплопередачи.

Следует отметить, что рассмотренная теплофизическая модель процесса замораживания плазмы справедлива только для квазистационарных тепловых процессов, реализующихся в условиях, когда температура внутри контейнера является одинаковой по всему объему. Такое состояние достигается тогда, когда внутри контейнера каким-либо образом реализуется перемещение слоев от поверхности к центральным объектам.

В аппаратах, в которых при замораживании плазмы контейнеры находятся в неподвижном состоянии, вышесделанное предположение не выполняется, и реальные скорости изменения температуры и перехода из жидкого состояния в твердое оказываются значительно ниже.

Выведенные соотношения позволяют также установить область значений (tKaMy/) при которых общая длительность процесса замораживания, регламентированная нормативными документами, составляет 1 час, а также могут быть учтены при разработке тепловых схем и конструкций проектируемых аппаратов.

На рисунках 2.11, 2.12, 2.13 приведены зависимости температуры плазмы внутри полимерных пакетов в функции от длительности процесса замораживания при различных интенсивностях теплообмена и температурах в рабочей камере.

Методика оптимизации гидравлической сети компрессионного холодильного агрегата

При выборе компрессионных холодильных агрегатов для быстрозамораживателей плазмы должны выполняться следующие требования: компрессоры должны относиться к типу герметичных. Именно этим, в первую очередь, будет определяться высокая надежность аппаратов при эксплуатации персоналом различной квалификации; холодопроизводительность компрессоров должна быть не меньшей значений, приведенных в таблице 3.1 для определенного количества замораживаемых контейнеров; компрессор должен работать на экологически чистом хладагенте, разрешенном к применению международными органами; компрессоры должны относиться к разряду низкотемпературных и обеспечивать возможность достижения диапазона температур минус 45С + минус 50С при реализации холодильного цикла. Исходя из этих требований при разработке быстрозамораживателей, было рекомендовано применение компрессоров фирмы "Danfoss", работающих на экологически чистом высокоэффективном хладагенте R507.

При изготовлении морозильных аппаратов целесообразно использовать уже скомпанованные в заводских условиях и оптимизированных по теплообменным и энергетическим параметрам блоки «компрессор+конденсатор», например, компрессорно-конденсаторные агрегаты типа SC21/21CL (104L4094).

В этом случае проектирование низкотемпературных агрегатов для быстрозамораживателей плазмы практически сводится к расчету и последующему подбору дроссельного элемента, главным образом, в виде капиллярной трубки, испарителя, к экспериментальному определению дозы заправки.

Обеспечение режимов функционирования холодильного агрегата с двумя, а тем более с несколькими различными температурно-энергетическими характеристиками обычно не представляется возможным. Это объясняется тем, что выбор дозы хладагента при заправке холодильного агрегата определяется по его работе в низкотемпературном, вакуумном режиме. В этом режиме компрессор должен обеспечивать такой массовый расход хладагента через дроссельный элемент и испаритель, чтобы выполнялось неравенство.

При несоблюдении неравенства (3.26), т.е. при увеличении дозы заправки, может произойти проброс жидкого хладагента по отсасывающей трубе непосредственно в компрессор, появление внутри последнего гидравлических ударов и, как следствие, выход его из строя. Однако такая доза заправки определяет низкую холодопроизводительность аппарата при реализации 1-й стадии процесса замораживания и существенно снижает его основные массово-временные показатели.

Осуществление заправки по 1-й стадии также обуславливает появление пробросов жидкого, не выкипевшего в испарителе хладагента по отсосной трубе непосредственно в компрессор, возникновение гидравлических ударов в его полости и выход из строя.

Частично эту задачу решает так называемый электронный расширительный вентиль AKV, входящий в систему автоматики ADAP-KOOL, фирмы «Danfoss» (Германия) [69], обеспечивающий цикличное открывание дроссельного тракта в соответствии с заданной программой работы холодильного агрегата. Работа AKV основана на принципе пульсирующей модуляции.

Использование AKV делает возможным применение функции адаптивного контроля перегрева, что, в свою очередь, позволяет обеспечивать эффективную эксплуатацию морозильного аппарата во всех режимах работы.

Однако цена такого узла холодильного агрегата доходит до 1000 у.е., что существенно повышает цену аппарата, в целом. Кроме того, выход из строя электронного соленоидного вентиля или сбой в программе микропроцессорного блока управления автоматически приводит к выходу из строя компрессора, т.е. весьма снижает вероятность безотказной работы.

Для обеспечения многоуровневых температурных режимов работы холодильного агрегата в составе быстрозамораживателя при одной и той же дозе заправки были разработаны принципиально новые типы холодильных агрегатов [70-71], в которых обеспечивается оптимальное изменение массового расхода хладагента через испаритель при реализации различных температурно-энергетических режимов работы. Холодильный агрегат (рис. 3.5) содержит компрессор 1, выходом соединенный с входом конденсатора 2, к выходу которого параллельно подсоединены вход основного дроссельного элемента, выполненного в виде основной капиллярной трубки 3, и вход соленоидного клапана 4, выход которого соединен с входом дополнительной капиллярной трубки 5, выходы которой и выход основной капиллярной трубки 3 параллельно подключены к входу испарителя 6, соединенного посредством трубопровода 7 с входом компрессора 1. В состав предложенного холодильного агрегата входят также датчик 8 и задатчик 9 температуры перегрева хладагента, коммутационный блок 10, посредством которых катушка 11 соленоидного клапана 4 подключается к цепи электропитания, при этом выход задатчика температуры 9 температуры перегрева хладагента соединен с первым управляющим входом коммутационного блока 10, а датчик температуры 8 размещен на участке перед входом в компрессор 1, трубопровода 7 и соединен со вторым управляющим входом коммутационного блока 10.

Холодильный агрегат работает следующим образом. Предварительно посредством задатчика 9 задают такие пороговые значения температуры перегрева хладагента, отсасываемого компрессором 1 из испарителя 6, при которых по сигналам датчика 8 температуры коммутационный блок 10 отключает от сети электропитания катушку 11 соленоидного клапана 4. Это, в свою очередь, обеспечивает закрытое состояние клапана 4 и перекрытие потока хладагента по соединенной с его выходом капиллярной трубке 5 и исключение возможности попадания жидкого хладагента, не выкипевшего в испарителе 6, по отсосному трубопроводу 7 в компрессор 1.

Конструкция и тепловые схемы различных модификаций замораживателей плазмы в динамическом режиме

В известных морозильных аппаратах процесс замораживания плазмы реализуется в условиях, когда контейнер находится в неподвижном состоянии, что приводит, как это было рассмотрено в главе 2, к формированию на внутренней поверхности пакета слоя льда, имеющего относительно невысокий коэффициент теплопроводности (8 2 Вт м"1 К"1), последовательному нарастанию его толщины, и, как следствие, к появлению своеобразной теплоизоляции, ограждающей оставшийся в жидком состоянии солевой раствор повышенной солевой концентрации с биоматериалом от хладоносителя, омывающего наружную поверхность контейнера.

Дальнейшее нарастание толщины льда внутренних стенок контейнера приводит к существенному повышению теплового сопротивления между внешним теплоносителем и оставшимися незамерзшими внутренними слоями плазмы, к резкому уменьшению интенсивности отвода тепла от слоев плазмы при постоянно увеличивающейся концентрации солей, и, как главное следствие, к возрастанию степени иноактивационного воздействия солевого раствора на молекулы, определяющие биологически активные свойства замораживаемого биоматериала.

Вышеперечисленное определяет, в итоге, предельно возможные значение критериальных биологических показателей биоматериала, которое можно обеспечивать в плазме, неподвижно замораживаемой даже при весьма более низких температурах охлаждающего теплоносителя.

При выполнении данной работы была решена задача аппаратурного обеспечения высокоэффективного способа замораживания, имеющего целью повышение значений, критериальных биологических показателей биологического вещества, замораживаемого в герметичной емкости, путем создания отвода тепла с максимально высокой интенсивностью от всех внутренних слоев жидкого биологического вещества и снижения длительности перехода биологического вещества из жидкого состояния в твердое по всему объему емкости.

Именно этим и определяется главное медико-техническое требование к способу замораживания - обеспечение высокой скорости процесса замораживания, т.е. высокой скорости перехода биоматериала из жидкого состояния в твердое. Для реализации этого требования при замораживании обеспечивают перемешивания слоев плазмы внутри контейнера за счет того, что приводят в возвратно-поступательное или колебательное движение относительно горизонтальной или вертикальной осей с ускорением, периодически меняющимся по величине и направлению, причем частоту периодического изменения ускорения обеспечивают в диапазоне от 0,5 до 10 герц [74].

Морозильный аппарат, реализующий динамический способ [75], содержит корпус с дверью 1, теплоизолированную рабочую камеру 2, холодильный агрегат, включающий, в свою очередь, в себя холодильный компрессор 3, конденсатор 4, размещенный вместе с компрессором в нижней части корпуса, испаритель 5, размещенный в рабочей камере, нагнетатель 6 для обеспечения циркуляции газообразного или жидкого теплоносителя в замкнутой гидравлической цепи, сформированной в рабочей камере, ложементы 7 полимерных контейнеров 8 с плазмой, блоки фиксации ложементов, которые, в зависимости от варианта конструктивного исполнения аппарата, могут быть выполнены в виде: тела для размещения ложементов в виде полого прямоугольного параллелепипеда 9, в стенках которого, ориентированных перпендикулярно потоку теплоносителя, выполнены отверстия для протекания потока циркулирующего теплоносителя, создаваемого нагнетателем (рис. 4.8,4.9,4.10); захвата для размещения при замораживании одного ложемента (рис. 4.11). В состав аппарата входят также узлы перемещения ложементов с контейнеров.

Кроме того, в состав аппарата входят механизм привода с тягой, соединяющей узел перемещения в той или иной конструктивной модификации с механизмом привода.

При достижении в рабочей камере температуры, соответствующей режиму замораживания, открывают дверь рабочей камеры и размещают в блоках фиксации ложементы с контейнерами с плазмой, предназначенной к замораживанию.

При включении механизма привода возвратно-поступательное или вращательное движение его исполнительного элемента посредством тяги передается узлу перемещения, который приводит блоки фиксации ложементов с размещенными полимерными контейнерами с плазмой в движение с ускорением, периодически меняющемся по величине и направлению в диапазоне от 0,5 до 10 герц.

Поток хладоносителя, проходя через отверстия, поступает в полость прямоугольного параллелепипеда, обеспечивает понижение температуры плазмы в контейнерах до температуры фазового перехода в твердое состояние.

Похожие диссертации на Разработка эффективных способов замораживания и низкотемпературных аппаратов для получения биологически высокополноценной плазмы крови