8 Hoàng Ngọc Đồng, Nguyễn Thành Văn, Lê Minh Trí NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÁY LẠNH GHÉP TẦNG TRONG KỸ THUẬT BẢO QUẢN MÁU VÀ CÁC CHẾ PHẨM TỪ MÁU STUDY OF CASCADE REFRIGERATION APPLICATIONS TO TECHNOLOGY OF[.]
8 Hồng Ngọc Đồng, Nguyễn Thành Văn, Lê Minh Trí NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÁY LẠNH GHÉP TẦNG TRONG KỸ THUẬT BẢO QUẢN MÁU VÀ CÁC CHẾ PHẨM TỪ MÁU STUDY OF CASCADE REFRIGERATION APPLICATIONS TO TECHNOLOGY OF PRESERVING BLOOD AND BLOOD PRODUCTS Hoàng Ngọc Đồng1*, Nguyễn Thành Văn1, Lê Minh Trí2 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng;*hndong@dut.udn.vn Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế; lmtri@hueic.edu.vn Tóm tắt - Máu chế phẩm từ máu sản phẩm đặc biệt, địi hỏi quy trình bảo quản lạnh khắt khe với nhiều chế độ nhiệt khác (từ 240C đến -1960C) Các bệnh viện có trung tâm bảo quản máu dùng nhiều loại thiết bị lạnh để bảo quản nhiều loại chế phẩm từ máu Các thiết bị lạnh hoạt động độc lập với chế độ nhiệt cố định nhà sản xuất thiết kế sẵn Việc sử dụng đồng thời nhiều thiết bị lạnh có nhiều chế độ nhiệt khác làm cho chi phí vận hành cao, thụ động quản lý, lãng phí đầu tư, chồng chéo chức thiết bị Bài báo phân tích đề xuất ứng dụng máy lạnh ghép tầng để thiết kế hệ thống lạnh có nhiều chế độ nhiệt phục vụ nhu cầu lạnh bệnh viện Abstract - Blood and blood products are special products which require a rigorous process of preservation with the temperature ranging from 240C to -1960C Therefore, blood preserving centers of hospitals use multiple refrigeration equipment to preserve multiple kinds of blood products The equipment is operated independently with fixed temperature modes designed by manufacturers The simultaneous use of those devices is the cause of high operating cost, passive management, wasteful investment and overlapping functions among devices This paper proposes applying a cascade refrigeration equipment in order to design a refrigeration system whose multiple temperature modes can serve the need for refrigeration of hospitals Từ khóa - thiết bị lạnh cryo; tế bào gốc; chu trình lạnh Pictet; sản xuất nitơ lỏng; hệ thống lạnh ghép tầng Key words - cryogenic equipment; stem cell; Pictet refrigeration cycle; produce liquid nitrogen; cascade refrigeration system Đặt vấn đề Để bảo quản máu chế phẩm từ máu, Bộ Y tế ban hành “Quyết định việc ban hành quy chế truyền máu, số 06/ 2007/ QĐ- BYT ngày 19 tháng 01 năm 2007” Trong chế phẩm từ máu có yêu cầu bảo quản lạnh khác nhau, cụ thể [1]: - Huyết tương tươi, chế phẩm tiểu cầu bảo quản nhiệt độ 20 đến 240C; - Máu toàn phần, khối hồng cầu bảo quản nhiệt độ từ đến 60C; - Huyết tương tươi đông lạnh, tủa lạnh làm đông bảo quản nhiệt độ thấp -180C - Khối hồng cầu đông lạnh 40% glycerol bảo quản nhiệt độ thấp -800C; - Khối hồng cầu đông lạnh 20% glycerol bảo quản nhiệt độ thấp -1200C Việc nghiên cứu, xây dựng chu trình lạnh thống có nhiều chế độ nhiệt phục vụ cho bệnh viện nhu cầu cần thiết đơn vị sử dụng mà sở thiết kế, chế tạo thiết bị lạnh Cryo - Bình bảo quản lạnh Cryo (-1960C): dùng bảo quản tế bào gốc, bảo quản noãn trứng hộp xương sọ Các thiết bị hoạt động độc lập, riêng lẻ gây khó khăn việc quản lý, điều hành lãng phí đầu tư 2.2 Đề xuất giải pháp Giải pháp đưa sử dụng hệ thống lạnh thống có nhiều chế độ nhiệt với phạm vi từ lạnh trung bình đến lạnh Cryo phục vụ nhu cầu nhiều cấp nhiệt độ bảo quản tế bào Để hệ thống tạo nhiệt độ lạnh Cryo lý thuyết dùng ba phương pháp làm lạnh: Pictet, Linde hay Claude [7] Tuy nhiên, bệnh viện có nhu cầu lạnh nhiều cấp nhiệt độ lạnh khác nhau, nên lựa chọn chu trình Pictet hợp lý Hệ thống lạnh Cryo bệnh viện Việt Nam có đặc điểm sau: Phòng điều hòa 240C: Sử dụng máy điều hịa khơng khí để làm mát Kho lạnh, kho đơng, tủ đơng âm sâu bình lạnh Cryo: Sử dụng chu trình Pictet để cấp lạnh cho cấp nhiệt độ: 40C; -350C, -850C -1900C với tầng, cụ thể: - Tầng 1: Sử dụng máy nén cấp, cung cấp lạnh cho kho lạnh 40C kho đông -350C; - Tầng 2: Sử dụng máy lạnh ghép tầng, tầng có thêm tủ đơng hoạt động nhiệt độ – 850C; - Tầng 3: Sử dụng máy lạnh ghép tầng tạo nhiệt độ trung gian Do độ chênh lệch nhiệt độ tầng (-850C) nhiệt độ cần đạt tầng (-1900C) lớn, nên cần có tầng làm tầng trung gian; - Tầng 4: Sử dụng máy lạnh ghép tầng Trong tầng sản xuất lỏng khơng khí sử dụng lỏng khơng khí cấp lạnh cho bình bảo quản lạnh Cryo Kết nghiên cứu khảo sát 2.1 Giới thiệu thực trạng Qua thực tế, bệnh viện Việt Nam sử dụng thiết bị lạnh có nhiều chế độ nhiệt khác để bảo quản chế phẩm từ máu cụ thể gồm: - Kho điều hòa (240C): dùng bảo quản khối tiểu cầu đậm đặc; - Kho lạnh (40C): dùng bảo quản hồng cầu khối; - Kho đông (-350C): dùng bảo quản huyết tương, tủa lạnh; - Tủ đông âm sâu (-860C): dùng bảo quản huyết tương tươi đông lạnh, chế phẩm thuộc nhóm máu q gặp; ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 Hệ thống sử dụng không khí khơng phải nitơ để sử dụng nitơ yêu cầu hệ thống phải lắp thêm hệ thống phân ly dùng để tách nitơ khỏi khơng khí lỏng, phức tạp, lúc sử dụng chúng làm chất trung gian làm lạnh chế phẩm đóng gói cẩn thận Mặc dù khơng khí lỏng có nhiệt độ bay cao so với nitơ (-1900C so với -195,80C), đảm bảo độ lạnh Cryo không làm ảnh hưởng đến thiết bị Để điều chỉnh suất lạnh linh hoạt phù hợp, hệ thống sử dụng thiết bị powerboss cho máy nén cấp 2.3 Nguyên lý làm việc hệ thống lạnh Cryo Sơ đồ hệ thống lạnh Cryo cho bệnh viện Việt Nam biểu diễn Hình hạ áp (BCHA2) thơng qua VTL2 Lỏng BCHA2 vừa cấp lỏng làm lạnh kho đông, vừa làm lạnh TBTDN3 Phần sinh qua BHN2 trở MN2 Môi chất lạnh chọn lựa R404a Nhiệt độ ngưng tụ làm mát nước nên chọn tk 300C nhiệt độ bay t0 -400C Áp suất trung gian tính Ptg Pk P0 = 4,34 bar tương ứng -100C t( C) 42 91 12 52 13 13 30,6 TD1 11 BHN1 16 MN1 22 24 Táưng -10 C BHN2 26 kho lảnh C 21 23 -10 C V1 32 14 12 VTL1 15 14 22 23 25 VTL2 33 34 24 31 25 26 -40 C BCHA2 -40 C kho âäng V2 21 MN2 -35 C khäng khê 41 43 5B 5A -40 C 33 35 -95 C 32 TBTÂN3 BHN3 36 44 35 34 VTL3 BCHA3 Táöng 53 -90 C V3 36 0 tuí âäng -85 C 31 51 46 -150 C 45 MN3 BTD3 5C -90 C TL TBTÂN4 MN4 43 -190 C 55 BHN4 41 46 42 VTL4 45 44 TBTÂN5 BTD4 56 Táöng s(kJ/kg.K) 5D Hình Biểu diễn đồ thị T-S -150 C 55 53 VTL5 Táöng MN5 56 52 BPL BTD5 Lng khäng khê 51 Hình Sơ đồ ngun lý hệ thống lạnh TBTDN- Thiết bị trao đổi nhiệt MN- máy nén VTL- Van tiết lưu BHN- Bình hồi nhiệt BCHA- Bình chứa hạ áp TL- Tách lỏng 2.3.1 Nguyên lý làm việc chu trình lạnh tầng Tầng hệ thống lạnh cấp, làm mát nước Tầng cấp lạnh cho kho lạnh 40C kho đông -350C hoạt động Máy nén nén mơi chất lên tách dầu (TD1), sau qua thiết bị trao đổi nhiệt (TBTDN1) môi chất làm mát, ngưng tụ lại thành lỏng, qua bình hồi nhiệt (BHN1) hạ nhiệt độ xuống nhiệt độ lạnh, qua cụm van tiết lưu (VTL1) cấp lỏng vào bình trung gian (BTG) Hơi khỏi BTG đưa ngược dòng trở lại BHN1 trở MN1 Lỏng mơi chất bình trung gian phần sử dụng làm lạnh cho kho lạnh 40C thông qua van (V1), phần lỏng qua BHN2, tiết lưu vào bình chứa 2.3.2 Nguyên lý làm việc chu trình lạnh tầng Trong tầng 2, môi chất MN3 nén lên BTD3, qua TBTDN3 hạ nhiệt độ ngưng tụ lại thành lỏng, qua BHN3 giảm nhiệt độ xuống nhiệt độ lạnh, qua VTL3 cấp lỏng cho BCHA3 Lỏng BCHA3 vừa đồng thời cấp lỏng làm lạnh tủ đông (-860C), vừa cấp lỏng làm lạnh TBTDN4, phần sinh qua BHN3 trao đổi nhiệt ngược chiều với lỏng vào, sau hút MN3 Mơi chất lạnh sử dụng tầng lựa chọn theo hướng: ưu tiên thân thiện mơi trường, có nhiệt độ cuối tầm nén thấp, có áp suất bay dương Kết lựa chọn sử dụng môi chất R170 Nhiệt độ ngưng tụ bay tương ứng -350C -950C 2.3.3 Nguyên lý làm việc chu trình lạnh tầng Tầng có nguyên lý làm việc tương tự tầng 2, môi chất MN4 nén qua TBTDN4, qua BHN4 vào cấp lạnh cho TBTDN5 Khơng khí hút vào trạng thái 5A, qua TBTDN3 làm lạnh xuống trạng thái 5B, qua TBTDN4 làm lạnh 10 Hồng Ngọc Đồng, Nguyễn Thành Văn, Lê Minh Trí xuống trạng thái 5C Tại nhiệt độ xuống thấp, chất có hại CO, H2S, CO2 ngưng tụ lại thành lỏng, hệ thống bố trí thêm thiết bị tách lỏng (TL) để tách chất khỏi khơng khí Mơi chất sử dụng tầng phải thỏa mãn yêu cầu: có nhiệt độ điểm tới hạn lớn -900C; áp suất bay dương; nhiệt độ cuối tầm nén nhỏ để tránh dầu bôi trơn phân hủy Qua phân tích chọn R50 (CH4) thỏa mãn yêu cầu trên, nhiệt độ điểm 43 chọn -850C với độ chênh lệch nhiệt độ 50C so với TBTDN4 2.3.4 Ngun lý làm việc chu trình lạnh tầng Khơng khí sau làm lạnh xuống trạng thái 5C, TL loại bỏ thành phần độc hại, tiếp tục làm lạnh xuống 5D thông qua TBTDN5 Sau hịa trộn với phần sinh thiết bị ngưng tụ lỏng (NTL) MN5 nén lên qua TBTDN5 hạ nhiệt độ, qua VTL5 tiết lưu vào bình phân ly (BPL), nhiệt độ khơng khí đạt đến nhiệt độ ngưng tụ, khơng khí ngưng tụ lại thành lỏng lấy Chọn nhiệt độ cho TBTDN5: nhiệt độ TBTDN5 cấp trung gian nhiệt độ lỏng khơng khí nhiệt độ TBTDN4 Nhiệt độ TBTDN5 cao thuận tiện cho việc thiết kế tầng 3, nhiên cao vượt nhiệt độ tới hạn khơng khí (-1420C), tác giả chọn nhiệt độ TBTDN5 -1500C 2.3.5 Đồ thị T-S hệ thống lạnh Đồ thị T-S hệ thống lạnh, thể Hình Độ chênh nhiệt độ tầng 50C Nhiệt độ cuối tầm nén cao điểm 42 đạt 910C Nhiệt độ cuối tầm nén thấp điểm 32 đạt 30,60C 2.4 Thông số trạng thái điểm nút thông số kỹ thuật chu trình 2.4.1 Thơng số trạng thái điểm nút Sử dụng bảng đồ thị lgp-h môi chất lạnh R404a, R170, R50, không khí; xây dựng chu trình lạnh hồi nhiệt với nhiệt độ ngưng tụ bay tương ứng Thông số trạng thái chu trình lạnh Cryo trình bày Bảng Bảng Thông số trạng thái điểm nút chu trình Tầng Tầng1 Cao áp R404a Tầng Hạ áp R404a Tầng R170 Tầng Tầng R50 Tầng Air Điểm nút 11 12 13 14 15 16 21 22 23 24 25 26 31 32 33 34 35 36 t, [0C] 25 67,5 30 23 -10 -10 -5 32 -10 -15 -40 -40 -30 30,6 -35 -41 -95 -95 p, [bar] 4,34 14,161 14,161 14,161 4,34 4,34 1,33 4,34 4,34 4,34 1,33 1,33 0,712 9,2 9,2 9,2 0,712 0,712 h, [kJ/Kg] 393,7 421,7 246,4 215,9 215,9 363,2 372 399,6 185,9 157,9 157,9 344 449,12 614,04 94,74 78,95 78,95 433,33 v,[m3/kg] 0,054 0,017 0,001 0,025 0,141 0,717 0,084 0,002 0,002 0,19 0,671 s,[kJ/kgK] 1,731 1,729 1,158 1,121 1,137 1,62 1,749 1,75 0,948 0,92 0,928 1,64 2,722 2,722 0,602 0,523 0,64 2,636 Điểm nút 41 42 43 44 45 11 12 13 15 16 t, [0C] -85 91 -90 -116,1 -150 -150 42 -145 -191 -191 p, [bar] 2,4 36,3 36,3 36,3 2,4 30,7 30,7 1 h, [kJ/Kg] 829,5 1200 467,63 326,13 326,13 350 538,8 214,6 214,6 308,2 v,[m3/kg] 0,402 0,051 0,004 0,003 0,104 0,296 0,029 0,002 0,105 0,194 s,[kJ/kgK] 5,89 5,9 2,68 1,88 2,63 3 1,11 1,43 2,59 0,014 0,046 0,166 0,056 0,001 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 11 Bảng Thơng số kỹ thuật chu trình Các thơng số Tỷ số nén Năng suất lạnh riêng qo Công nén riêng l0 Năng suất nhiệt tải qk Hệ số lạnh công thức 1-cao áp 1-hạ áp n= Pn2/ Pn1 qn0= hn6- hn5 ln0= hn2-hn1 qnk= hn2- hn3 3,26 147,30 28,00 175,30 3,26 186,10 27,60 213,70 n= q0/ l0 5,26 6,74 2.4.2 Thông số kỹ thuật chu trình Từ bảng thơng số trạng thái điểm nút, tiến hành tính thơng số kỹ thuật chu trình với ký hiệu n- số tầng chu trình Thơng số kỹ thuật chu trình lạnh Cryo trình bày Bảng 2.4.3 Nhận xét Tỷ số nén tầng lớn, đạt đến 30,70, tương ứng với máy nén nén khơng khí từ áp suất khí bar tăng đến áp suất 30,7 bar Với loại máy nén kín đạt áp suất trên, nhiên hệ số lạnh tầng thấp tầng Kết luận kiến nghị - Thông số trạng thái điểm nút thông số kỹ thuật hệ thống lạnh Cryo nằm phạm vi cho phép hoạt động môi chất lạnh, dầu bôi trơn yếu tố kỹ thuật khác Như vậy, lý thuyết chu trình lạnh Cryo phù hợp, có tính thuyết phục - Cần có nghiên cứu thực nghiệm để Tầng 12,92 354,38 164,92 519,30 15,13 361,87 370,50 732,37 30,70 93,60 188,80 324,20 2,15 0,98 0,50 ứng dụng hệ thống lạnh Cryo vào thực tiễn phục vụ nhu cầu lạnh cho bệnh viện Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ trưởng Bộ Y tế, Quyết định việc ban hành quy chế truyền máu, số 06/ 2007/ QĐ- BYT ngày 19 tháng 01 năm 2007, 2007 [2] Võ Chí Chính, Đinh Văn Thuận, Hệ thống máy thiết bị lạnh, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2009 [3] Võ Chí Chính, Hồng Dương Hùng, Lê Quốc, Lê Hoài Anh, Kỹ thuật nhiệt, NXB KH&KT Hà Nội, 2006 [4] Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú, Bài tập sở kỹ thuật nhiệt, NXB Giáo dục, 2002 [5] Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú, Cơ sở kỹ thuật nhiệt, NXB Giáo dục, 2002 [6] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Kỹ thuật lạnh sở, NXB Giáo dục, 1996 [7] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Đinh Văn Thuận, Kỹ thuật lạnh ứng dụng, NXB Giáo dục, 2003 [8] Nguyễn Đức Lợi, Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2002 [9] Phần mềm tra cứu thông số vật lý môi chất lạnh Refrigeration Utilities, version 2.84 copynight 2000 (BBT nhận bài: 03/12/2014, phản biện xong: 13/01/2015) ... 2.4.2 Thông số kỹ thuật chu trình Từ bảng thơng số trạng thái điểm nút, tiến hành tính thơng số kỹ thuật chu trình với ký hiệu n- số tầng chu trình Thơng số kỹ thuật chu trình lạnh Cryo trình... Văn Tùy, Kỹ thuật lạnh sở, NXB Giáo dục, 1996 [7] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Đinh Văn Thuận, Kỹ thuật lạnh ứng dụng, NXB Giáo dục, 2003 [8] Nguyễn Đức Lợi, Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh, NXB... Tỷ số nén tầng lớn, đạt đến 30,70, tương ứng với máy nén nén khơng khí từ áp suất khí bar tăng đến áp suất 30,7 bar Với loại máy nén kín đạt áp suất trên, nhiên hệ số lạnh tầng thấp tầng Kết luận