Материал: Разработка компрессионно–холодильного устройства для нормализации теплового состояния человека в процессе эксплуатации теплоэнергетических установок

Рисунок 8 - Устройство CoreControlPro

Более легким и, соответственно, мобильным вариантом является RTX («RapidThermalExchange» - «быстрый теплообмен») (рисунок9).

Рисунок 9 - Устройство RTX

Оба устройства служат для быстрого отвода избыточного тепла от ладони человека за счет совместного воздействия температуры и небольшого вакуума.

СoolWarePersonalCoolingSystem (Персональная система охлаждения) (рисунок 10)представляет собой алюминиевый обруч, крепящийся на шею и состоящий из двухскоростного вентилятора и резервуара с холодной водой, которую нужно менять каждые 2 - 4 часа.

Рисунок 10 - Устройство СoolWare

(рисунок 11)- это браслет, ускоряющий естественный механизм охлаждения организма путем отведения избыточного тепла из крови, проходящей через запястье. Хладагентом в этом устройстве является вода, которую нужно периодически заменять.

Рисунок 11 - Устройство dhamaSPORT

Характеристики коммерчески доступных устройств для охлаждения организма человека приведены в таблице4.

Таблица4 - Характеристики коммерчески доступных устройств

По итогам обзора и анализа коммерчески доступных устройств, предназначенных для снижения температуры тела человека, можно сделать следующие выводы:

) все представленные устройства производятся и реализуются за рубежом;

) наряду с несомненными достоинствами, они обладают также и некоторыми недостатками, например:

достоинством устройств CoreControlPro и RTXявляется их портативность, но в то же время на портативности отрицательно сказывается их довольно большой вес - более 6 кг и 2 кг соответственно;

все представленные в обзоре устройства способны функционировать в автономном режиме, поскольку не требуют стационарного источника энергии, однако длительность их непрерывной работы ограничивается необходимостью периодической замены охлаждающей воды, используемой в качестве хладагента, и зарядки либо замены аккумуляторов.

Кроме того, следует обратить внимание на достаточно высокую стоимость некоторых из них (CoreControlPro - более 1,5 тыс. долларови RTX- более 700 долларов) и элементы конструкции, отрицательно влияющие на надежность и эргономичность устройства (в частности, соединительные шланги в комплектации CoreControlPrо).

.5Итоги исследования

Изучив современное состояние исследуемой проблемы, можно сделать следующие выводы.

.Внастоящеевремяв нашей стране принята и действует нормативная база, регламентирующая требования к параметрам микроклимата, организации труда и мерам профилактики неблагоприятного воздействия метеорологических условий производственных помещений на работающих там людей.

Но предписываемые нормативными документами требования удается соблюдать не всегда ввиду различных причин, в том числе обусловленных технологией производственного процесса либо экономической нецелесообразностью. В связи с этим особенно актуальными становятся исследования, направленные на изучение механизмов реакции организма на повышение температуры окружающей среды и, как следствие, температуры тела, а также поиск способов регулирования температуры тела и нормализации теплового состояния человека, находящегося в условиях повышенных температур.

.Однако анализ научных исследований, патентный поиск и обзор коммерчески реализуемых устройств свидетельствуют о крайне слабом развитии данного направления исследований в нашей стране, тогда как за рубежом (в частности, в США) изучению и поиску решения проблем, связанных с гипертермией, уделяется более пристальное внимание.

.Из основных результатов, достигнутых зарубежными учеными, следует выделить следующие:

) открытие нового терморегулирующего механизма млекопитающих и в том числе человека;

) разработка технологии, основывающейся на вновь открытом механизме и позволяющей интенсифицировать теплообмен организма человека с внешней средой;

) разработка и создание различных устройств, работающих с использованием этой технологии и способных регулировать температуру тела человека.

. Таким образом, для нашей страны подобные направления исследований являются новыми и достаточно перспективными, а их результаты могут быть востребованы не только в области промышленной теплоэнергетики, но и в других сферах деятельности, связанных с нахождением человека в условиях повышенных температур окружающей среды.

. ВЫБОР ЛОКАЛИЗАЦИИ ВОЗДЕЙСТВИЯ УСТРОЙСТВА НА ОРГАНИЗМ, ЕГО ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ И СПОСОБА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ЧЕЛОВЕКОМ

2.1 Постановка задачи

Одним из путей нормализации теплового состояния организма человека в момент нахождения его в условиях повышенных температур окружающей среды может стать использование теплотехнического устройства, способного снижать температуру тела, охлаждая организм изнутри.

Второй раздел диссертации посвящен выбору места воздействия устройства на организм человека, обоснованию оптимальной конструкции и способа взаимодействия с человеком.

2.2 Выбор локализации воздействия устройства на организм

При выборе места (локализации) воздействия устройства на организм было принято решение ориентироваться на биологические механизмы функционирования организма человека с целью минимизировать вмешательство в естественные процессы и одновременно по возможности максимально их задействовать.

В основу принципа действия разрабатываемого устройства была положена технология усиленного вакуумом отвода тепла от организма человека, ориентированная на сосудистый терморегуляторный механизм.

Данный механизм появился у человека и высших животных в процессе эволюции для поддержания температуры тела на постоянном уровне независимо от температуры окружающей среды, так как нормальное функционирование организма возможно лишь в узком диапазоне значений температуры тела.

Как уже говорилось в предыдущем разделе, сосудистый терморегуляторный механизм включает в себя густую сосудистую сеть, расположенную близко к поверхности кожи, и специальные сосудистые структуры, называемые артериовенозными анастомозами (AVAs), которые представляют собой прямое соединение артерии и вены, способное пропускать потоки крови из артерии в вену, минуя капиллярную сеть (рисунок 12).

Рисунок 12 - Артериовенозный анастомоз

Такой механизм позволяет регулировать теплоотдачу от тела человека за счет изменения интенсивности кровотока в сосудах кожи, поскольку ширина просвета AVAs регулируется гладкой мышцей, и они способны минимизировать потерю тепла в холодных условиях и максимизировать её в жаркой среде.В условиях холода кровоток в микрососудах кожи резко снижен, кровь идет через анастомоз (рисунок 13а). При повышении температуры тела происходит перераспределение потоков крови, и большие объемы горячей крови от головного мозга и интенсивно работающих мышц направляются к наружным покровам тела для усиления теплоотдачи. В результате кровоток в кожных сосудах усиливается, тем самым увеличивая теплоотдачу (рисунок 13б).

Рисунок 13 - Механизмы теплоотдачи при различных температурах внешней среды

Наиболее интенсивно теплоотдача от тела человека происходит на участках поверхности кожи, не покрытых волосами - это ладони, подошвы и некоторые участки лица. Это подтверждают результаты экспериментов, проведенных Х. КрейгомХеллером и ДеннисомГрэном (п.1 таблицы 1).

Поэтому в качестве вариантов локализации воздействия разрабатываемого устройства рассматривались именно ладони и подошвы. Но так как эксплуатировать устройство планируется в производственных условиях, для удобства рабочих было решено из всех возможных зон воздействия устройства на человека (ладони, подошвы и лицо) выбрать ладонь, так как он является наиболее удобным и практичным.

2.3 Выбор оптимальной конструкции устройства

Основными критериями для выбора конструктивного решения устройства стали:

) принцип действия, основанный на технологии усиленного вакуумом теплообмена;

) компенсация недостатков рассмотренных ранее устройств аналогичного назначения, выявленных по итогам проведенного в предыдущем разделе обзора;

) условия, в которых планируется эксплуатировать устройство - удобство при использовании в производственных помещениях;

) минимальное вмешательство в естественные процессы функционирования организма человека;

) максимальное использование физиологических процессов в работе устройства.

Таким образом, ставится задача по разработке устройства, способного извлекать избыточное тепло из организма человека, и бытькомпактным, простым в изготовлении, портативным, удобным в использовании, простым в управлении, и в то же время недорогим.

Соответствие выбранного конструктивного решения устройства заявленным критериям представлено в таблице 5.

Таблица 5 - Соответствие конструктивного решения устройства заявленным критериям

2.4 Способ взаимодействия устройства с человеком

Способ взаимодействия устройства с человеком заключается в следующем: человек помещает кисть руки внутрь корпуса, где ладонь охлаждается и вследствие чего кровь, циркулирующая по кровеносным сосудам ладони, также охлаждается и, возвращаясь к «ядру» тела, охлаждает организм изнутри до комфортного состояния. Для предотвращения сужения просвета сосудов под действием охлаждения внутри корпуса поддерживается небольшой вакуум.

Таким образом, функционирование устройства основывается на естественных процессах, происходящих в организме человека, и тем самым в процессе использования не нанесет ему вреда.

. ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА

3.1 Постановка задачи