Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный университет

н изкотемпературных и пищевых технологий»

Кафедра криогенной техники

Исследование процесса охлаждения в условиях естественной и вынужденной конвекции газа

Методические указания к лабораторным работам по курсу

«Криогенные технологии в медицине и биологии» для студентов специальности 140401 очной и заочной форм обучения

Санкт – Петербург

2009

УДК 621.59/09/

Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Сидорова А.Ю. Исследование процесса охлаждения в условиях естественной и вынужденной конвекции газа. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Криогенные технологии в медицине и биологии» для студентов специальности 140401 очной и заочной форм обучения. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2009г. – 34 с.

Изложен алгоритм расчета коэффициента теплоотдачи при естественной и вынужденной конвекции газа с использованием электронной базы данных о транспортных и теплофизических свойствах азота. Расчеты выполняются в электронных таблицах EXCEL.

Рецензент

Доктор технических наук, профессор Рыков В.А.

Одобрены к изданию методическим Советом факультета криогенной техники и кондиционирования.

©	Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий, 2009

© Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Сидорова А.Ю., 2009

Введение

Изучение курса «Криогенные технологии в медицине и биологии» предполагает ознакомление студентов с физическими процессами, протекающими в объектах криогенного воздействия в криогенной физиотерапии, криоконсервации и криохирургии.

Технологии на применении криогенных температур в медицине и биологии основаны на процессах, протекающих за пределами биологических объектов: газовой или жидкостной конвекции, контактном теплоотводе, кипении криоагента. Эти явления подробно изучаются в цикле общетехнических и специальных дисциплин, но в случае их применения для решения медико-биологических задач, эффективность технологического процесса в значительной степени зависит от внутренних процессов, протекающих в объектах охлаждения. Более того, процессы, протекающие внутри объекта охлаждения, качественно влияют на результат всего технологического процесса. Выстроить технологию криогенной обработки биопрепарата, органа и человеческого организма в целом без изучения внутренних процессов практически невозможно.

Ознакомление обучающихся с процессами, протекающими в биологических объектах и тканях тела, является основной задачей лабораторного практикума дисциплины «Криогенные технологии в медицине и биологии».

Организация лабораторного практикума по данной дисциплине в техническом ВУЗе представляет собой сложную задачу, так как учебное заведение не обладает необходимыми для проведения экспериментов препаратами, средствами измерения и т.д. Физические эксперименты ограничиваются гуманитарными соображениями, а их результаты недостаточно наглядны из-за невозможности подробного анализа процессов в объектах охлаждения и субъективных особенностей волонтеров.

Идеальным выходом из этой ситуации является организация лабораторного практикума в виртуальной форме, когда для изучения технологических приемов криомедицины и криобиологии используются математические модели биологических объектов, а также технологических процессов, обеспечивающих отвод теплоты к криогенным газам и жидкостям.

Теоретическую основу для такой организации лабораторного практикума составляют исследования кафедры криогенной техники в области криомедицины и методов моделирования технологических процессов в криогенных установках.

Математические модели биологических объектов и методы автоматизированного расчета теплофизических и транспортных свойств криопродуктов прошли хорошую практическую апробацию. Их достоверность и адекватность подтверждены серией аттестационных работ и НИР, что создает предпосылки для их широкого использования в учебных целях. Одним из вариантов такого использования является виртуальный лабораторный практикум. Учащиеся самостоятельно формируют программные продукты, обеспечивающие моделирование технологических процессов, что позволяет привить им навыки организации численного эксперимента и повысить квалификационный уровень специалистов.

Лабораторный практикум предполагает последовательное освоение материала и состоит из четырех основных разделов:

1. Способы отвода теплоты от биологических объектов;

2. Процессы в криотерапевтических системах;

3. Процессы в объектах криоконсервации;

4. Процессы в криохирургических системах.

Расчеты выполняются в электронных таблицах EXCEL. Выбор данной оболочки позволяет значительно снизить трудоемкость формирования и отладки математических моделей и уложиться в пределах времени, отпущенного на лабораторный цикл. При использовании алгоритмических языков более высокого уровня решение подобных задач в ограниченное время представляется сложным, т.к. требует определенных знаний и навыков владения программными оболочками. Немаловажным преимуществом выбранного подхода к построению лабораторных работ, является хорошая визуализация результатов исследования.

Результатом выполнения всего лабораторного цикла является EXCEL – книга. Книга содержит электронную базу данных о теплофизических свойствах азота при атмосферном давлении и 9 лабораторных работ (листов Excel), каждая из которых представляет собой законченный математический эксперимент с результатами и иллюстрациями. Отчет о выполнении работ оформляется в редакторе WORD и сдается на проверку на бумажном носителе.

Excel – книга остается в распоряжении учащихся и является основой для расчетов в рамках курсового проекта по дисциплине «Криогенные аппараты медицинского назначения».

Навыки, полученные в рамках выполнения лабораторного практикума, приучают студентов к широкому применению информационных технологий при решении инженерных задач.