7. Những đóng góp mới của luận ân
2.3.4. Tính chọn mây nĩn cho hệ thống lạnh
Từ lưu lượng môi chất, thông số kỹ thuật tại câc tầng, tính chọn mây nĩn cho hệ thống lạnh. Thông số của mây nĩn được trình băy ở bảng 2.14.
Bảng 2.14. Tính chọn mây nĩn tại câc tầng của hệ thống lạnh
Câc thông số Công thức tính
Tầng
1-CA 1-HA 2 3 4-CA 4-HA
Công nĩn, [kW] lnMN = mn.ln0 11,01 5,73 8,19 0,47 0,11 0,12 Công suất mây nĩn, [kW] LnMN= lnMN.s/h 23,60 12,29 17,54 1,01 0,24 0,25 Thể tích hút, [.103 m3/s] VnMN=mn.vn1 19,46 34,83 32,61 0,51 0,35 0,13 Lựa chọn mây nĩn, [HP] 35 20 25 2 1/2 1/2 Trong đó: s=1,5- hệ số an toăn; h= 0,7- hiệu suất của mây nĩn.
2.3.5. Tính chọn câc thiết bị phụ trợ
Thực hiện tương tự ta cũng có thể tính vă lựa chọn câc thiết bị phụ trợ trong hệ thống lạnh Cryo. Thông số của câc thiết bị phụ trợđược trình băy ở bảng 2.15.
Bảng 2.15. Thông số thiết bị phụ trợ tại câc tầng của hệ thống lạnh
Câc thông số Công thức tính Tầng 1-CA 1-HA 2 3 4 Thể tích môi chất đi qua VTL, [lít/s] VVTL = mn.v5 3,67 5,31 6,82 0,17 0,13 Công suất tại TBTĐN, [kW] QTBTĐN= mn.qnk 63,52 25,61 0,93 0,39 Công suất tại BHN, [kW] QBHN= mn.Dh34 9,91 1,96 0,11
2.3.6. Vận hănh hệ thống lạnh Cryo
Hệ thống lạnh Cryo được vận hănh theo thứ tựưu tiín: tầng 1, tầng 2, tầng 3 vă tầng 4. Tầng có số thứ tự nhỏ sẽ được vận hănh ổn định, đạt đến nhiệt độ yíu cầu, sau đó mới tiếp tục vận hănh ở câc tầng cao hơn.
Do tính chất đặc thù của bệnh viện, câc kho lạnh vă tủ đông phải luôn luôn đảm bảo nhiệt độ theo yíu cầu, do đó hệ thống lạnh hoạt động liín tục vă phụ tải nhiệt tại câc tầng luôn ở mức đủ duy trì cho âp suất hút không bị quâ thấp để mây có thể hoạt động. Quâ trình cấp dịch cho dăn lạnh, câc kho lạnh vă tủ đông thực hiện hoăn toăn tự động nhờ câc cảm biến nhiệt, van điện từ vă thiết bị tiết lưu tự động, đồng thời năng suất của mây nĩn cũng sẽ được điều chỉnh liín tục phù hợp với năng suất lạnh thực tế.
Trường hợp nhđn viín y tế cần vệ sinh tủ thì phải bâo cho người vận hănh biết để tắt cấp dịch cục bộ vă hút hết dịch trong dăn lạnh của kho hoặc tủđó vă tắt quạt dăn lạnh trước khi tiến hănh vệ sinh tủ.
2.4. Kết luận chương 2
1. Đề xuất chu trình hệ thống lạnh Cryo có nhiều chế độ lăm lạnh khâc nhau phục vụ nhu cầu bảo quản SPLYT cho câc bệnh viện Việt Nam. Trong sơ đồ năy, tâc giảđê sử dụng phương phâp lăm lạnh do Pictet phât minh kết hợp việc sử dụng môi chất lỏng có nhiệt độ bay hơi khâc nhau tạo ra môi trường lạnh có nhiều chếđộ lăm lạnh khâc nhau.
2. Thông số trạng thâi, thông số kỹ thuật, công suất mây nĩn, công suất câc thiết bị phụ trợ của hệ thống lạnh Cryo đều nằm trong phạm vi cho phĩp hoạt động của môi chất lạnh, dầu bôi trơn cũng như câc yếu tố kỹ thuật khâc. Như vậy, về lý thuyết hệ thống lạnh Cryo lă phù hợp, có tính thuyết phục.
Chương 3. NGHIÍN CỨU LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT KHI
CẤP ĐÔNG CỤC BỘ TẾ BĂO BẰNG KỸ THUẬT CRYO
Để giải quyết băi toân truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế băo bằng kỹ thuật lạnh Cryo, câc nhă nghiín cứu trín thế giới đều sử dụng phương phâp số kết hợp sự trợ giúp của mây tính;
Trong chương năy, tâc giả đề xuất giải băi toân năy theo một câch giải mới, bằng phương phâp giải tích, qua đó việc tính toân câc thông số của quâ trình truyền nhiệt sẽđơn giản, mối liín hệ của câc yếu tốđược rõ răng, minh bạch.
Việc đề xuất một câch giải mới bằng giải tích lă một việc cần thiết, phù hợp với quy trình thao tâc cấp đông cục bộ tế băo bằng kỹ thuật Cryo. Đđy lă băi toân cơ sở để câc nhă y khoa nghiín cứu xđy dựng phâc đồ điều trị bệnh, cũng như câc nhă cơ khí chế tạo nghiín cứu sản xuất ra thiết bị phẫu thuật lạnh vă từng bước ứng dụng đểđiều trị bệnh.
3.1. Xđy dựng cơ sở lý thuyết tính toân câc thông số trong quâ trình cấp đông cục bộ tế băo bằng kỹ thuật lạnh Cryo
đông cục bộ tế băo bằng kỹ thuật lạnh Cryo
Cấp đông tế băo bằng kỹ thuật lạnh Cryo lă trường hợp đặc biệt của quâ trình lạnh đông vật ẩm thông thường. Trong quâ trình năy có hiện tượng chuyển pha từ dạng ẩm sang dạng rắn của nước có trong vật ẩm. Ta sẽ nghiín cứu cụ thể câc quâ trình chuyển pha năy.
3.1.1. Lý thuyết tổng quan về câc quâ trình chuyển pha
3.1.1.1. Định nghĩa sự chuyển pha
Mỗi một chất đều có thănh phần hóa học xâc định, tùy theo điều kiện âp suất, nhiệt độ mă chúng có thểở trạng thâi khâc nhau (ví dụ như nước có thểở trạng thâi rắn, lỏng vă khí). Như vậy, khâi niệm về pha trong vật lý có thể được hiểu lă: câc trạng thâi khâc nhau mă vật chất có thể tồn tại cùng một cấu trúc vă tính chất vật lí.
Khi câc thông số trạng thâi thay đổi, vật chất có thể chuyển từ pha năy sang pha khâc gọi lă sự chuyển pha.
3.1.1.2. Phđn loại sự chuyển pha
Có 2 loại chuyển pha thường xảy ra trong kỹ thuật lă chuyển pha loại 1 vă chuyển pha loại 2.
Nếu chuyển pha đi kỉm sự thu hay tỏa một lượng nhiệt năo đó thì gọi lă sự chuyển pha loại1. Vậy đặc trưng của quâ trình chuyển pha loại 1 lă có sự trao đổi nhiệt lượng, nhưng nhiệt độ của vật không tăng.
Nếu chuyển pha mă không thu hay tỏa nhiệt, nhưng kỉm theo sự thay đổi nhiệt
dung vă một số tính chất vật lí khâc thì được gọi lă sự chuyển pha loại 2.
3.1.1.3. Câc tính chất vă thông sốđặc trưng của sự chuyển pha
ă Sự thay đổi của entropy khi chuyển pha
Nếu trong quâ trình chuyển pha, khối lượng vật chất chuyển từ pha năy sang pha khâc lă m. Nhiệt lượng cung cấp (hoặc chuyển đi) từ hệđể chuyển pha hết một đơn vị khối lượng lă L (gọi lă nhiệt chuyển pha riíng) thì nhiệt lượng cần thiết để lăm chuyển pha m khối lượng vật chất lă : DQ=mL.
Khi chuyển pha nhiệt độ của hệ không đổi nín entropy (S) của hệ lă: DS = T L m T Q= . D .
Nếu quâ trình chuyển pha phải cung cấp nhiệt (như nóng chảy, bay hơi) thì nhiệt lượng DQ > 0 do đó DS > 0, vì vậy entropy của hệ tăng.
Nếu quâ trình chuyển pha giải phóng nhiệt (như kết tinh, ngưng tụ), DQ < 0 do đó DS < 0, vì vậy entropy của hệ giảm.
Ta thấy entropy của hệ tăng hay giảm tùy theo chiều của quâ trình chuyển pha lăm cho câc phđn tử hay nguyín tử của hệ trở nín hỗn loạn hơn hay trật tự hơn. Như vậy, xĩt quâ trình chuyển pha của một hệ nhiệt động entropy cũng lă đại lượng đểđo mức độ chuyển động nhiệt hỗn loạn của vật chất.
ă Sự phụ thuộc của nhiệt độ chuyển pha văo âp suất
Nhiệt độ chuyển pha lă nhiệt độ mă tại đó có sự chuyển pha từ trạng thâi năy sang trạng thâi khâc. Thông thường trong một hệ nhiệt động khi âp suất ổn định thì
nhiệt độ chuyển pha cũng ổn định, khi âp suất thay đổi dẫn đến nhiệt độ cũng thay đổi theo.
ă Sự phụ thuộc của nhiệt độ chuyển pha văo thời gian
Vật chất tồn tại trong tự nhiín ở bốn trạng thâi: rắn, lỏng, khí vă plasma. Để 1 kg vật chất chuyển pha theo chiều gia nhiệt (t↑), ta phải cấp cho nó một lượng nhiệt không đổi bằng r [J/kg] gọi lă nhiệt chuyển pha. Để chuyển pha theo chiều lăm lạnh (t↓), ta phải lấy ra khỏi vật một lượng nhiệt r bằng đúng giâ trị trín.
Đặc tính thời gian t(t) của câc quâ trình chuyển pha thuận (t↑) vă ngược (t↓) được mô tả trín hình 3.1. Quâ trình cấp nhiệt cho vật chất trải qua câc trạng thâi:
Hình 3.1. Đặc tính t(t) của câc quâ trình chuyển pha
F- C: cung cấp nhiệt, chất rắn tăng nhiệt độ từ tf đến tc trong thời gian tc1. C- L: quâ trình chuyển pha hóa lỏng, quâ trình năy cần cung cấp cho vật một nhiệt lượng rc, xảy ra đến thời gian tc2, trong quâ trình nhiệt độ không đổi bằng tc.
L- S: quâ trình tăng nhiệt của chất lỏng, xảy ra đến thời gian ts1.
S- H: quâ trình chuyển pha hóa hơi, quâ trình năy cần cung cấp cho vật một nhiệt lượng rs, xảy ra đến thời gian ts2, trong quâ trình nhiệt độ không đổi bằng ts.
H- I: quâ trình tăng nhiệt của chất khí, xảy ra đến thời gian ti1. Điểm K lă điểm ba trạng thâi, tại đđy vật chất tồn tại ở cả ba trạng thâi rắn, lỏng vă khí.
I- P: quâ trình chuyển pha ion hóa, quâ trình năy cần cung cấp cho vật một nhiệt lượng ri, xảy ra đến thời gian ts2, trong quâ trình nhiệt độ không đổi bằng ti.
t Hóa rắn t Hóa lỏng RẮN LỎNG Hóa hơi Ngưng tụ t t HƠI Khử ion Ion hóa t t PLASMA t
Quâ trình thu nhiệt cho vật chất cũng xảy ra tương tự nhưng theo chiều hướng ngược lại.
3.1.1.4. Câc khâi niệm liín quan đến vật ẩm
ă Vật ẩm
Vật ẩm lă những vật có chứa trong nó một khối lượng chất lỏng đâng kể (chủ yếu lă nước). Trạng thâi của vật ẩm được xâc định bởi độẩm vă nhiệt độ của nó. Độ ẩm của vật có thể biểu thị qua độẩm tuyệt đối, độẩm toăn phần [17].
ăĐộẩm tuyệt đối
Độẩm tuyệt đối lă tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối. Độẩm tuyệt đối được ký hiệu ωo. Ta có:
ωo =
k n G
G 100 [%] (3.1)
Trong đó: Gn - khối lượng ẩm chứa trong vật liệu, [kg]
Gk - khối lượng vật khô tuyệt đối, [kg]
Độẩm tuyệt đối có giâ trị từ 0% đến ∞. Vật có độ ẩm tuyệt đối 0% lă vật khô tuyệt đối vă vật có độẩm ∞ lă vật chứa toăn bộ nước.
ăĐộẩm toăn phần
Độ ẩm toăn phần lă tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng của vật ẩm toăn phần lă ω ta có:
ω= GGn 100 [%] (3.2)
Trong đó: G - khối lượng vật ẩm: G = Gn + Gk, [kg]
Độ ẩm toăn phần có giâ trị từ 0% đến 100%. Vật có độ ẩm toăn phần 0% lă vật khô tuyệt đối vă vật có độ ẩm toăn phần 100% lă vật toăn nước. Như vậy độ ẩm toăn phần luôn luôn nhỏ hơn 100%.
Từ câc biểu thức (3-1) vă (3-2) ta có được quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối vă độ ẩm toăn phần. Ta có: ωo = k n G G 100 = n G G.G-/100 w .100 = G Gn - 1 w
ωo = w-w
100 100 [%] (3.3)
3.1.1.5. Câc giai đoạn lạnh đông vật ẩm thông thường
Khi lăm lạnh đông vật ẩm, nước ở trong vật cũng lạnh đông theo vă chính nước lă nguyín nhđn lăm cho quâ trình lạnh đông vật ẩm xảy ra theo 3 giai đoạn (hình 3.2) [4].
Hình 3.2. Câc giai đoạn lạnh đông vật ẩm thông thường
Giai đoạn 1- hạ nhiệt độ vật ẩm từ t1 xuống t0:
Trong giai đoạn năy, nhiệt độ của vật được hạ từ nhiệt độ t1 ban đầu xuống nhiệt độ đóng băng t0 với thời gian lăm lạnh t1. Lúc năy, cả khối vật ẩm cùng hạ nhiệt độ, giai đoạn 1 kết thúc khi nhiệt độ vật ẩm đạt t0.
Giai đoạn 2- Giai đoạn chuyển pha hóa rắn:
Nhiệt độ trong vật lúc năy không đổi bằng t0, nhưng nước ở trong vật bắt đầu chuyển pha từ dạng lỏng sang dạng rắn tương ứng với thời gian t2 . Sự chuyển pha bắt đầu từ những điểm kết tinh đầu tiín, sau đó lan dần trở thănh mạng lưới kết tinh. Mạng lưới phât triển lớn dần vă cuối cùng toăn bộ vật ẩm trở thănh khối băng đông cứng. Vật ẩm sau quâ trình chuyển pha sẽ biến đổi về chất lượng rất lớn, đặc biệt đối với câc tế băo, sau quâ trình năy, câc tế băo không còn khả năng hoạt động bình thường. Trong quâ trình bảo quản câc tế băo, người ta hạn chế giai đoạn chuyển pha
t
hóa rắn bằng câch thím văo câc chất chống đông, hoặc bảo quản lạnh ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ đóng băng.
Giai đoạn 3- Giai đoạn hạ nhiệt độ của vật rắn:
Lúc năy toăn bộ vật ẩm đê trở nín một khối rắn, việc hạ nhiệt độ của vật ẩm đơn thuần chỉ hạ nhiệt độ của một khối rắn đóng băng diễn ra trong thời gian t3.
Đối với quâ trình lạnh đông vật ẩm thông thường (ví dụ lăm lạnh vật ẩm có nhiệt độ ban đầu t1 = 370C, xuống nhiệt độ tk = -500C), trong 3 giai đoạn nói trín, nhiệt lượng cần lấy đi tại giai đoạn 2 lă lớn nhất. Để kiểm chứng điều năy, ta đưa ra băi toân với câc giả thiết như sau:
Cần lạnh đông khối thịt bò có khối lượng m= 1kg từ nhiệt độ ban đầu t1 = 370C, xuống nhiệt độ tk = -500C. Tính nhiệt lượng cần lấy đi ứng với 3 giai đoạn lạnh đông vật ẩm. Biết câc thông số vật lý của thịt bò: w = 75%, nhiệt dung riíng khi còn dạng ẩm c1= 3,45 kJ/kg.K; nhiệt hóa rắn của nước rc = 334 kJ/kg; nhiệt dung riíng sau khi đóng băng hóa rắn ck = 2,67 kJ/kg.K; nhiệt độ đóng băng của nước t0 = 00C.
Sử dụng câc công thức tính nhiệt, ta có nhiệt lượng cần lấy đi của vật ứng với câc giai đoạn:
Q1= c1.m.(t1- t0) = 3,45.1.37 = 127,7 [kJ]. Q2 = w.m.rc = 0,75.1. 334 = 250,5 [kJ]. Q3 = ck.m.(t0 – tk) = 2,67.1. 50 = 133,5 [kJ].
Trong đó Q1, Q2, Q3 lă nhiệt lượng cần lấy đi ứng với giai đoạn 1, 2, 3. Vậy Q2 = 1,97.Q1 = 1,88.Q3.
Hay Q1 = 0,508.Q2 (3.4)
3.1.2. Tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm
Tế băo cũng lă một dạng của thực phẩm. Để hiểu rõ hơn tính chất nhiệt vật lý của tế băo, ta sẽ tham khảo tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm trong quâ trình lăm lạnh đông thực phẩm.
Những tính chất nhiệt vật lý liín quan lă: điểm đóng băng, hăm lượng băng, khối lượng riíng, nhiệt dung riíng, hệ số dẫn nhiệt, entalpy. Câc tính chất nhiệt vật
lý năy sẽ quyết định đến sự vận chuyển năng lượng, lưu trữ năng lượng vă chuyển
pha trong quâ trình lạnh đông.
3.1.2.1. Điểm đóng băng
Điểm đóng băng của một dung dịch có liín quan đến hoạt độ của nước. Nó có thể tính toân từ nồng độ chất tan bằng câch sử dụng mối quan hệ nhiệt động lực học theo công thức [65]:
− = . . − (3.5)
Trong đó:
: hoạt độ của nước;
: khối lượng phđn tử nước = 18,02[ ]; : ẩn nhiệt chuyển pha của nước = 334[ ]; R : hằng số chất khí lí tưởng = 8,314[
. ]; : nhiệt độ bắt đầu kết đông của dung dịch [K]; : nhiệt độđông đặc của nước = 273,15[K].
Hoạt độ của nước được tính toân bởi định luật Raoult âp dụng cho dung dịch loêng có công thức [65]:
= 1− . (3.6)
Với = (3.7)
Ởđđy:
: thănh phần khối lượng của chất rắn trong dung dịch; i : hệ số Van’t Hoff;
: thănh phần khối lượng của nước; : thănh phần khối lượng của chất rắn;
X : thănh phần khối lượng của nước không đóng băng.
Schwartzberg vă cộng sự (2007) đê nghiín cứu vă viết lại công thức (3.5) dưới dạng gần đúng như sau [70]:
≈ − .. .
. . (3.8)
Mặt khâc, trong trường hợp dung dịch có nồng độ chất tan thấp thì công thức (3.8) được viết lại như sau [70]:
≈ − .. (3.9)
Với = . (3.10)
Ởđđy:
: nhiệt độ bắt đầu kết đông của dung dịch [oC]; : phđn tử lượng của chất tan;
: thănh phần khối lượng của tổng chất rắn trong dung dịch; b : hệ số của nước không đóng băng phụ thuộc văo tỷ lệ chất rắn.
Bín cạnh đó có thể tính toân chính xâc hơn dựa văo giâ trị câc thănh phần chất rắn trong thực phẩm. Pham (1987), van der Sman & Boer (2005), Miles vă cộng sự (1983) đê đề xuất công thức tính [65]:
= 0,3. + 0,1. (3.11)
Trong đó:
: thănh phần khối lượng của protein;
: thănh phần khối lượng của Carbohydrate; Đến năm 1996, Pham đề xuất công thức tính [66]:
= 0,342. (1− )−4,51. + 0,167. (3.12)
Ởđđy:
: thănh phần khối lượng của tro trong thực phẩm.
