Text completat

(1) UNIVERSITATEA CATOLICĂ DIN SANTA MARÍA. FACULTATEA DE ȘTIINȚE FIZICE ȘI FORMALE ȘI INGINERIE. PROGRAM PROFESIONAL DE INGINERIE MECANICĂ, MECANICĂ ELECTRICĂ ȘI MECATRONICĂ. „PROIECTAREA UNEI CAMERE CRIOGENICE ALE CORPULUI PENTRU ATLEȚI”. TEZĂ PREZENTATĂ DE: FERNANDO MATEO MÁRQUEZ MANRIQUE. PENTRU A OPTA TITLUL PROFESIONAL AL: INGINERUL MECANIC. AREQUIPA - ANUL PERU 2015.

corp

(2) II. DEDICARE. Părinților mei.

(4) IV. ABSTRACT. Scopul acestei teze este de a proiecta o cameră criogenică pentru întregul corp pentru sportivi, persoane cu leziuni musculare și/sau persoane care doresc să profite de crioterapie. Proiectarea este împărțită în două componente principale: un sistem de alimentare cu azot evaporat plus aer uscat și o cameră de o persoană unde se află utilizatorul. Temperatura medie în interiorul camerei este de -100 ° C. Funcționarea echipamentului începe cu furnizarea de azot lichid printr-un furtun criogen din rezervorul LN2 către echipament. O electrovalvă (normal închisă) controlează trecerea azotului către evaporator. În timpul unei sesiuni de 3 minute, supapa este deschisă permițând evaporarea azotului din interiorul schimbătorului de căldură. În același timp, aerul este furnizat schimbătorului de căldură (exterior) în care este dezumidificat și apoi se amestecă cu azotul evaporat și astfel intră în camera utilizatorului. După obținerea prețurilor pentru unele componente și luarea prețurilor de referință pentru altele, un cost estimat pentru trimiterea unei camere criogenice la fabricație este de 5295,00 USD (minus costurile suplimentare de import). După o analiză rapidă, s-a stabilit, de asemenea, că pentru o perioadă de recuperare de 1,5 ani, compania care dorește să furnizeze serviciul de crioterapie ar putea percepe pentru fiecare sesiune S/.60.00.

(5) V. INDICE CAPITOLUL I GENERAL. 15 1.1 . CONTEXTUL TEMEI. 15. 1.2 . DESCRIEREA PROBLEMEI. 16. 1.3 . OBIECTIVE. 17. 1.3.1 . OBIECTIV GENERAL. 17. 1.3.2 . OBIECTIVE SPECIFICE. 17. 1.4 . JUSTIFICARE. 17. 1.5 . DOMENIU DE APLICARE ȘI LIMITĂRI. 18. CAPITOLUL II CADRUL TEORETIC. 19 2.1 . CADRU CONCEPTUAL GENERAL. 19. 2.1.1 . CRIOTERAPIE. 19. 2.1.2 . NIVELUL BIOCHIMIC. 20. 2.1.3 . NIVELUL ENERGETIC. 21. 2.1.4 . NIVELUL INFORMATIV. 21. 2.1.5 . METODE DE UTILIZARE A FRIGULUI. 22. 2.1.6 . COMPARAȚIA CRIOTERAPIEI CU BĂILE DE APĂ ÎN GHEȚĂ. 24. 2.1.7 . AVANTAJELE CRIOTERAPIEI CU O CAMERĂ CRIOGENICĂ. 25. 2.1.8 . CONTRAINDICAȚIILE CRIOTERAPIEI ÎNTREGULUI CORP [12]. 26. 2.1.9 . AZOTUL LICHID COMPARAT CU ALTE METODE DE ÎNGELARE. 26. 2.1.10 . TIPURI DE CAMERE CRIOGENICE. 29. 2.1.11 . ELEMENTE PRINCIPALE ALE CAMEREI CRIOGENICE. 31. 2.2 . TERMODINAMICA LA TEMPERATURI CRIOGENICE. 36. 2.3 . Transferul de căldură. 37. 2.4 . CLASIFICAREA TRANSFERULUI DE CĂLDURĂ. 38. 2.5 . TRANSFER CONDUCTIV DE CALDURĂ. 39. 2.6 . TRANSFER CONVECTIV DE CALDURĂ. 40. 2.6.1 . CONVECȚIE EXTERNĂ FORȚATĂ. 41. 2.6.2 . CONVECȚIE INTERNĂ FORȚATĂ. 56. 2.7 . TRANSFERUL DE CALDURĂ PRIN RADIARE. 57. 2.8 . FIERBERE ÎN DEBIT. 58.

(8) VIII. CAPITOLUL V COSTURI. 215 5.1 . BUGET. 215. 5.2 . LIMITĂRI. 216. 5.3 . COST PER SESIUNE. 216. 5.4 . REVENIREA INVESTIȚIEI. 216. CAPITOLUL VI AUTOMATIZAREA. 220 6.1 . OBIECTIVELE AUTOMATIZĂRII. 220. 6.2 . PĂRȚILE MAȘINII IMPLICATE ÎN AUTOMATIZARE. 221. 6.3 . SELECȚIA ȘI CARACTERISTICILE CONTROLLERULUI LOGIC PROGRAMABIL. 223. 6.4 . PARAMETRI DE PROIECTARE A CONTROLULUI AUTOMAT. 224. 6.4.1 . INTRĂRILE SISTEMULUI CARE TREBUIE CONTROLATE. 224. 6.4.2 . IEȘIRILE DE SISTEM CARE TREBUIE CONTROLATE. 225. 6.4.3 . DEFINIȚIA SIMBOLELOR. 226. 6.5 . PROGRAM DE CONTROL, SUPRAVEGHERE ȘI SIMULARE CU SOFTWARE-ul TWIDO SUITE. 227. 6.5.1 . EXPLICAȚIA PROGRAMULUI DE CONTROL. 230. CAPITOLUL VII SECURITATEA ÎN SISTEME CRIOGENICE. 231 7.1 . RISCURI FIZIOLOGICE. 231. 7.1.1 . ÎNGELARE. 231. 7.1.2 . ASFIXIA NITROGENĂ. 233. CONCLUZII. 234 RECOMANDĂRI. 235 BIBLIOGRAFIE. 236 ANEXE. 240 PLANURI. 313.

(12) XII. FIGURA 4-63: REZULTATUL ÎNLOCUIRII. 205 FIGURA 4-64: REZULTATUL EFORTULUI VON MISES. 205 FIGURA 4-65: REZULTATUL EFORTULUI VON MISES. 207 FIGURA 4-66: REZULTATUL DEFORMĂRII. 208 FIGURA 4-67: REZISTENȚA LA IMPACTUL DIVERSELOR METALE. 211 FIGURA 4-68: VEDERE FRONTALĂ A CI. 213 FIGURA 4-69: VEDERE TĂIATĂ A UNEI FIN. 214 FIGURA 6-1: VEDERE ISOMETRICĂ DE TĂIERE A CAMEREI CU ACCESORII DE AUTOMATIZARE. 222 FIGURA 6-2: MODEL TWIDO PLC TWDLCAA24DRF (24E/S). 223 FIGURA 6-3: INTRĂRI PLC. 224 FIGURA 6-4: IEȘIRI PLC. 225 FIGURA 6-5: PROGRAM DE SCARĂ PENTRU CONTROLUL ȘI SUPRAVEGHEREA SISTEMULUI. 229 FIGURA 7-1: ECHIPAMENTE PERSONALE COMUNE DE PROTECȚIE PENTRU MANIPULAREA FLUIDELOR CRIOGENICE. 232. LISTA TABELELOR TABELUL 2-1: COMPARAȚIE ÎNTRE UTILIZAREA UNEI CAMERE CRIOOGENICE ȘI A BĂILOR CU APĂ ÎN GHEȚĂ. 24 TABELUL 2-2: COMPARAȚIE ÎNTRE RĂCIRE ​​CU NITROGEN LICHID ȘI CO2 [23]. 27 TABELUL 2-3: COMPARAȚIE ÎNTRE CONGELAREA NITROGENULUI LICHID ȘI COLDUL MECANIC [23]. 29 TABEL 2-4: VALORI TIPICE ALE COEFICIENTULUI TRANSFERUL DE CĂLDURĂ PRIN CONVECȚIE. 41 TABELUL 2-5: CORELAȚIILE NUMĂRULUI NUSSELT PENTRU DEBITUL CRUZ PENTRU BANCA TUBULUI, PENTRU NL> 16 ȘI 0,7

16 ȘI ROȘU> 1000. 54 TABELUL 2-7: COEFICIENTI DE PIERDERE DATĂ DE SCHIMBĂRI DE DIRECȚIE (COATE) ϚCD. 68 TABELUL 2-8: FACTORI REPREZENTATIVI DE INCRUSTARE. 71 TABEL 2-9: COEFICIENTI DE TRANSFER DE CALDURĂ DE CONVECȚIE PENTRU UN CORP CU ÎMBRĂCĂMINTE, LA 1 ATM (V ÎN M/S) (COMPILAT DIN DIN MAI MULTE SURSE). 77 TABELUL 3-1: LISTA CERINȚELOR PROIECTULUI. 86 TABELUL 3-2: CUTIE NEGRĂ A PROCESULUI DE DESCĂRCARE LN2. 95 TABELUL 3-3: CUTIE NEGRĂ A PROCESULUI DE EVAPORARE LN2. 96 TABELUL 3-4: CUTIE NEGRĂ A PROCESULUI DE AMESTECARE ȘI ALIMENTAREA AERULUI SECAT PLUS NITROGEN EVAPORAT. 97 TABELUL 3-5: CUTIE NEGRĂ A PROCESULUI DE EXTRACȚIE A VAPORULUI RESTANT. 97 TABELUL 3-6: CUTIE NEGRĂ A PROCESULUI DE AUTOMATIZARE, CONTROL ȘI SUPRAVEGHERE. 98 TABELUL 3-7: PROCESUL DE DESCĂRCARE LN2. 100 TABELUL 3-8: PROCESUL DE EVAPORARE LN2. 100 TABELUL 3-9: PROCESUL DE AMESTECARE ȘI ALIMENTAREA AERULUI SECAT PLUS CU AZOT EVAPORAT. 101.

(15) 15. CAPITOLUL I GENERAL. 1.1 CONTEXTUL SUBIECTULUI Acest proiect apare din necesitatea sportivilor din Arequipa de a aplica frigul la extremități după antrenament dificil, deoarece beneficiile antiinflamatorii ale frigului sunt cunoscute în întreaga lume și acesta este modul în care acest proiect încearcă să optimizeze și să îmbunătățească metodele utilizate în prezent . Metodele utilizate în mediul nostru sunt descrise mai jos, . Compresele de gheață, formate dintr-un sac plin cu cuburi de gheață, această metodă este dureroasă deoarece gheața provoacă senzație de arsură . . Băi de gheață, formate dintr-o cadă cu apă și cuburi de gheață în care sportivul se scufundă, cu dezavantajele umidității și durerii generate la nivelul extremităților. Spray-urile reci sunt spray-uri aplicate intermitent pe zona afectată. În paralel cu aceste metode, tehnologia criogenică a fost utilizată pentru ameliorarea bolilor în câteva țări europene. Această tehnologie folosește o cameră criogenică sau criosaună.

(18) 18. Prin proiectarea acestui echipament, se poate oferi o alternativă la metodele convenționale de aplicare la rece, care sunt dureroase și nu ating temperaturi la fel de scăzute ca azotul. 1.5 DOMENIU DE APLICARE ȘI LIMITĂRI Această lucrare va arăta proiectarea și modul de construire a unei camere criogenice pentru o persoană care va consta dintr-un cilindru tapițat cu ușă, împreună cu un sistem de alimentare cu azot lichid vaporizat, văzând necesitatea optimizării dispozitivelor care alcătuiesc sistemul menționat, cum ar fi rezervorul sub presiune, furtunurile de alimentare N2, ventilatorul, conducta de abur, supapele și sistemul electronic de control. Astfel, costul de fabricație și funcționare al mașinii este cel mai eficient posibil. Printre limitările acestui proiect se numără lipsa componentelor necesare, pentru proiectarea camerei criogenice, care va forța importul de componente din străinătate, ceea ce face ca prețul să crească considerabil. O altă limitare a acestui proiect este implementarea automatizării, deoarece proiectarea se concentrează mai mult pe partea termică și structurală, și nu pe partea electrică/electronică...

(19) 19. CAPITOLUL II CADRUL TEORETIC. 2.1 CADRUL GENERAL CONCEPTUAL 2.1.1. CRIOTERAPIE Este definită ca utilizarea locală sau generală a temperaturilor scăzute în terapia medicală. Crioterapia este utilizată pentru a trata o varietate de leziuni tisulare sau leziuni musculare. Prima utilizare a frigului în scopuri terapeutice datează din 1978 datorită doctorului Yamaguchi din Japonia, care a început să folosească gheața ca metodă de vindecare pentru a reduce inflamația articulațiilor și a calma durerea. În 1980, în timp ce își continua cercetările, acum despre efectele crioterapiei întregului corp, Dr. Yamaguchi și asociații săi au ajuns la această concluzie: acea răcire rapidă a suprafeței pielii la o temperatură de -1 ° C/32 ° F în interiorul criocamera are un efect mai benefic asupra corpului uman decât reîncărcările treptate din băile de gheață, unde temperatura cea mai scăzută posibilă este de 5 ° C/41 ° F.

(22) 22. 2.1.5. METODE DE UTILIZARE A FREDULUI 2.1.5.1 IMERSIUNEA ÎN APA ÎNGHIȚATĂ Constă din scufundarea unei părți a corpului sau a unei zone localizate într-o cadă cu apă și gheață, la temperaturi de -1 ° C. Dezavantajul său este confortul scăzut, consumul de apă și durerea generate din primul moment de utilizare Figura 2-1: Sportivii scufundați în gheață. Sursa: site-ul Cryosalud. 2.1.5.2.COLD PACK Sunt pachete sintetice reci care pot atinge o temperatură de -17 ° C, servesc doar zone localizate și nu sunt foarte eficiente, deoarece nu își mențin temperatura mult timp Figura 2-2: gel (Pachet rece) Sursă: site-ul Web NorMed Products.

(23) 23. 2.1.5.3.PULVERIZARE RECE Există o varietate de spray-uri care pot ameliora imediat durerea unei leziuni, deoarece acționează instantaneu. Se folosește în accidentări în timpul activității fizice, de exemplu un joc de fotbal Figura 2-3: spray rece Sursa: site-ul DECATHLON. 2.1.5.4 CAMERE CRIOGENICE Această metodă este în prezent implementată în clinicile sportive ca o alternativă la imersiunea în apă cu gheață și pachete reci. Se compune dintr-o baie de utilizator în vapori de azot lichid rece (la o temperatură medie de -110 până la -190 ° C) amestecată cu aer, pentru o perioadă scurtă de timp (maxim 3 minute). Figura 2-4: Cameră criogenică marca Cryomeditalia Sursa: site-ul Cryomeditalia.

(27) 27. -20 ° C temperatura. Supravegherea și securitatea trebuie controlate foarte atent în cazul CO2. În al treilea rând, CO2 lichid poate provoca blocaje în conductă, datorită faptului că se poate forma zăpadă carbonică6, care blochează conducerea la trecerea de la 20 kg/cm2 la presiunea atmosferică. Tabel 2-2: Comparație între răcirea azotului lichid și CO2 [18] ] ELEMENT. AL AZOTULUI. COMPARARE Temperaturi. -190 ° C. ANHIDRIDĂ. AVANTAJ. CARBONIC. PENTRU. -79 ° C. N2: Mai rapid la răcire. Reacții. Inert. În contact cu N2: Apă inertă. produce. depozitare acid carbonic. Temperatura. Rece. N2: Mai sigur. mediu Siguranță. Inert,. și ieftin este Gas. toxic, N2: mai sigur. prezent în el ar produce aer de asfixiere (78%). utilizatorului camerei . Securitate. Presiune scăzută de 20 kg/cm2. N2:. Mai puțin. depozitare. Presiune. (1 bar man) Canalizare. Fără gemuri. Jam produce. Da. este N2:. Uşor. zăpadă regulată. carbonic Sursa: Elaborare proprie. Pe baza tezei lui Gina Medina, UCSM, Arequipa, 2000. 6. Dioxidul de carbon sau gheața uscată se numește dioxid de carbon CO2 în stare solidă.

(28) 28. Utilizarea azotului lichid va fi apoi comparată cu sistemele mecanice de refrigerare (prin compresie de gaz). În primul rând, viteza de scădere a temperaturii este mult mai mare cu azotul, deoarece pielea utilizatorului poate fi răcită la 0 ° C în câteva minute, în timp ce tunelurile mecanice reci timpul de ședere al utilizatorului pentru a atinge o temperatură minimă ar putea trece de 30 de minute. În al doilea rând, azotul este un gaz inert care se injectează la o temperatură de -196 ° C, în timp ce tunelurile mecanice reci sunt aer care circulă la temperaturi mai ridicate (-25 până la -40 ° C). În al treilea rând, pentru comparație, prețul unui tunel de răcire cu alimentare cu azot lichid este de patru ori mai ieftin decât un tunel mecanic rece. În al patrulea rând, sistemele mecanice de generare a frigului necesită o întreținere mai scumpă (aproximativ 4-6%). Pe locul cinci, cheltuielile anuale (fixe + variabile) care includ cheltuieli financiare, întreținere, electricitate etc. Sunt cu 35 până la 45% mai mari în cazul frigului mecanic.

(29) 29. Tabelul 2-3: Comparație între înghețarea cu azot lichid și frigul mecanic [18] ELEMENTUL DE AZOT. RECE. COMPARAŢIE. MECANIC. Viteză. 30 minute. N2:. aproximativ. rapid . de 3min. răcire Lichid frigorific. Azot. 1. Răcire. (- Aer (-25 până la -40 ° C) N2: 196 ° C) Prețul unui tunel. AVANTAJ PENTRU. plus. temperatura. cel mai mic 4-6. N2: Mai puțin. cost. întreținerea inițială a echipamentului. 1%. 4%. N2: Cost mai mic de întreținere. Cheltuieli anuale. x/kg congelat. 1,4x/kg congelat. din N2: mai puține cheltuieli anuale. Sursa: realizat de sine. Pe baza tezei lui Gina Medina, UCSM, Arequipa, 2000. 2.1.10. TIPURI DE CAMERE CRIOGENICE Există practic două tipuri de criosaune în funcție de sistemul lor de alimentare cu azot. 2.1.10.1 . CAMERA CU STICLĂ DEWAR. Alimentarea cu azot lichid provine dintr-un rezervor dewar (nepresurizat), cel mai mare avantaj al acestuia este portabilitatea rezervoarelor, manipularea lor ușoară și, în general, un consum mai redus de LN2.

(30) 30. Figura 2-5: Criosaună cu navă dewar, Sursă: site-ul Krion. 2.1.10.2 . CAMERA CU REZERVĂ PRESURIZATĂ. Alimentarea cu LN2 se face prin intermediul rezervoarelor speciale presurizate (furnizate în general de către distribuitorul LN2) care pot stoca o cantitate mare de LN2 (mai mult de 100L), astfel încât să poată fi efectuate un număr mai mare de sesiuni cu un singur rezervor. Figura 2-6: Criosauna cu rezervor presurizat. Sursa: site-ul CRYONiQ.

(31) 31. 2.1.11. ELEMENTE PRINCIPALE ALE CAMEREI CRIOGENICE 2.1.11.1 . REZERVORUL CU AZOT LICHID. În general, există două tipuri de rezervoare de stocare LN2, rezervoare simple sau dewars și rezervoare sub presiune. A. REZERVORUL DEWAR NEPRESURIZAT Rezervoarele Dewar sunt recipiente formate din două baloane separate printr-un vid, utilizate pentru transportul și depozitarea gazelor lichefiate. Este sensibil la deteriorarea mecanică, deoarece capacul său exterior este fabricat din aluminiu. Trebuie manipulat cu grijă, astfel încât să nu piardă vidul între straturi Figura 2-7: Părți ale unui vas de dewar. Sursa: site-ul CRYONiQ. B. REZERVOR PRESURIZAT Sunt cilindri din oțel inoxidabil care includ un sistem de control, cum ar fi un manometru, vaporizator pentru utilizarea gazelor (unele modele), manometru, supapă de siguranță, supapă de aerisire etc. Pot rezista la presiuni ridicate (până la 25 bari) și au o capacitate de stocare mai mare decât cele convenționale (până la 800L).

(32) 32. Unele avantaje ale containerelor criogenice sunt: ​​1. Capacitate de stocare mult mai mare. 2. Lichidele pot fi depozitate la presiuni scăzute. 3. Schimbarea containerului este mai puțin frecventă, optimizând costul de producție Figura 2-8: Părți ale unui rezervor sub presiune (CRIOGAS®) Sursa: Brosura Criogas. Părțile numerotate ale imaginii de mai sus pot fi văzute mai jos: (1). Supapă cu fază gazoasă - supapă pentru extragerea produsului în fază gazoasă (2). Supapa de lichid/de umplere - utilizată pentru operațiile de umplere în fază lichidă sau extracție de lichid. (3). Supapă de control al presiunii - Utilizată pentru a bloca (deschide/închide) regulatorul care controlează presiunea (4). Supapă de aerisire - utilizată pentru aerisirea presiunii.

(33) 33. (5). Colector de control al presiunii - Folosit pentru menținerea automată a presiunii. (6). Manometru - Indicator al presiunii interne a cilindrului. (7). Mixer Regulator - Folosit pentru a menține automat presiunea. (8). Supapă de presiune - utilizată pentru a limita presiunea în timpul războiului. (9). indicator de nivel lichid - Folosit pentru a verifica conținutul de lichid în perioada de depozitare . 2.1.11.2 . CABINĂ. Camera camerei are o formă cilindrică, astfel încât utilizatorul să intre în picioare în ea, cu capul expus, astfel încât respirația să fie de aer proaspăt la temperatura camerei, pentru persoanele cu statură mai mică, poate fi utilizat un sistem de ridicare sau perne. Camera este tapițată și are un punct de intrare a aburului aproximativ în mijloc, aburul fiind dispersat de o piesă triunghiulară. Camera are o ușă care nu are încuietoare, astfel încât utilizatorul să poată ieși din cameră în timpul unei sesiuni fără probleme Figura 2-9: Vedere a interiorului camerei. Sursa: site-ul sănătos rece.

(35) 35. comoditate și (8) cost. Pentru a îndeplini aceste criterii, majoritatea măsurătorilor tehnice se fac cu termometre cu rezistență metalică, termometre cu rezistență nemetalică și termopile. 2.1.11.5 . SUPAPĂ SOLENOIDĂ. Electrovanele sunt supape de închidere acționate electric. Cea mai comună este supapa normal închisă (NC normal închisă), dar sunt disponibile și în mod normal deschise (NU normal deschis), există două clasificări ale electrovalvelor [16]: . Acțiune directă. . Pilot operat. În electrovalvele cu acțiune directă, cum ar fi cea prezentată în figura 2-11, forța magnetică dezvoltată de înfășurarea electrică retrage tija și permite trecerea fluidului. Figura 2-11: Electrovana cu acțiune directă. Sursa: Manual de refrigerare industrială, Stoecker. O electrovalvă trebuie selectată pentru a putea fi deschisă la presiunea diferențială de funcționare maximă (MOPD), o caracteristică listată în catalogul producătorului...

(36) 36. La electrovalvele acționate de pilot, se deschide un mic solenoid pentru a aplica presiune în amonte unui piston. Acest piston are o suprafață mai mare decât dopul supapei, care este, de asemenea, supus presiunii în amonte, prin care presiunea din piston deschide supapa. Un design al solenoidului pilotat este prezentat în Figura 2-12 în care deschiderea solenoidului pilot permite presiunii din amonte de la M să treacă prin pasajul către N. Figura 2-12: Electrovană pilotată. Sursa: Manual de refrigerare industrială, Stoecker. 2.2. TERMODINAMICA LA TEMPERATURI CRIOGENICE Instrumentele fundamentale pentru analiza la temperaturi scăzute sunt prima și a doua lege a termodinamicii [3]. Presupunând că energia cinetică și potențială din prima lege sunt neglijabile (aceasta este adesea o ipoteză validă), prima lege pentru un proces de flux stabil poate fi simplificată la, ∆𝐻 = 𝑄 - 𝑊𝑆 Unde ΔH este suma diferențelor de entalpie a tuturor fluidelor care intră și ies din sistem. Q este suma tuturor schimburilor de căldură dintre sistem și împrejurimi, iar WS este lucrarea netă a arborelui.