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冷凍業界里構件材料冷化試驗及原理探討

時間:2016-07-16    閱讀:1380
核心提示:伴隨有相變的傳熱問題在許多工業領域有著十分重要的應用,例如:焊接、鑄造、蓄能及食品工程等。在生物醫學方面的應用主要集中在
 伴隨有相變的傳熱問題在許多工業領域有著十分重要的應用,例如:焊接、鑄造、蓄能及食品工程等。在生物醫學方面的應用主要集中在低溫保存和低溫冷凍外科。它們分別利用了低溫對生物細胞和組織產生的兩種截然不同的作用:一方面,一定的低溫可以充分降低細胞的新陳代謝能力,達到長期保存的目的;另一方面,在降低到某一溫度和恢復到常溫的過程中,由于細胞內外水分的結晶和晶體的融化、再結晶;細胞膜中蛋白分子的變性;電解質的濃縮和熱沖擊等原因,會造成組織和細胞的損傷或死亡,而這兩種作用都與細胞或組織凍結時經歷的熱過程包括降溫速率、復溫速率、達到的最低溫度和持續時間等有關。因此,針對這些熱力參數對生物組織冷凍相變過程進行分析計算,加深對生物細胞和組織冷凍損傷的認識,對提高冷凍保存的效果和冷凍外科手術療效均顯得尤其重要。
 

生物組織是一種高度非理想介質,即其相變并非發生在某一特定溫度(理想介質),而是在較大的溫度區間內發生,上限在 ,下限約在,對于活體組織凍結過程,還應考慮組織內的血流灌注和代謝產熱,加上相變問題在數學上是非線性的,因此對生物組織凍結過程進行精確求解十分困難,只對一維反問題得到過精確解,而生物組織的多維凍結問題則只能求助于數值解法。
數值求解多維相變問題的方法主要分為兩大類:能量守恒法。
和焓法。本文應用焓法,以冷凍外科為應用背景,對模擬生物組織多維凍結過程進行有限元計算(不計血流灌注和代謝產熱),對其物性(非理想介質)進行特殊處理,計算結果與實驗值進行了比較,符合較好。進一步分析了實驗時冷刀壁面降溫規律下組織內溫度梯度的變化和冷刀所需的理論冷量。
4數學模型針對細長柱形冷刀周圍組織的相變過程,我們作以下前提假設:對于單支冷刀,采用軸對稱柱坐標;23組織中的相變發生在一定的溫度區間"內4 2%3導熱系數在相變溫度區內呈線形變化,在凍結區和未凍區分別保持恒定;比熱在相變區域隨溫度呈線性變化;2+3潛熱在相變區域內線性釋放;203針對模擬生物組織,作為初步分析,暫不考慮組織中的血流灌注和代謝產熱;2/3組織相變時無密度變化(無對流換熱)。
傳統的能量守恒法在求解相變問題時,以溫度為獨立變量,要分別對凍結區和未凍結寫出熱傳導方程,并在相變界面由能量守恒方程來耦合!"",可分析理想介質的相變過程,處理相變不是發生在某一特定溫度而是發生在一個溫度區間上的問題較為困難。本文采用的是焓法,焓法是以焓和溫度為變量,整個相變區域,包括凍結區、未凍區和相變界面均由一個方程來描述
使求解更為方便,而本質與能量方程是一致的。

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