Создание метода расчета и разработка пневмоэлектромеханических прецизионных исполнительных устройств нагрева и охлаждения

Актуальность исследования.

В современной науке и технике находит широкое применение целый класс технических устройств, работающих на различных физических принципах и обеспечивающих поддержание по заданному закону во времени и в определенных объемах требуемой температуры объекта или среды, окружающей объект. Такие устройства принято называть термостатирующими устройствами.

Основные области применения термостатирующих устройств:

— термостабилизация элементов радиоэлектронных устройств;

— система терморегулирования объектов жизнеобеспечения;

— термостабилизация чувствительных элементов оптикоэлектронных приборов;

— термостабилизация элементов вычислительных систем;

— испытательное оборудование;

— пищевая промышленность;

— системы и изделия медицинского назначения;

— и другие.

Термостатирующее устройство состоят из исполнительного устройства нагрева и охлаждения и систему управления.

Данная работа посвящена разработке методов расчета, исследованию рабочих процессов и созданию новых типов пневмоэлектромеханических исполнительных прецизионных устройств нагрева и охлаждения, предназначенных для программного изменения температуры микрообъемов реакционной смеси.

Начиная с 80-х годов прошлого века большинство промышленно развитых стран ведут интенсивные работы по созданию подобного оборудования, нашедшего широкое применение при проведении полимеразной цепной реакции ДНК (ПЦР ДНК) для осуществления которой необходимо прецизионное циклическое изменение температуры по определенному закону и с заданной точностью. Разработкой таких устройств для проведения ПЦР занимаются множество зарубежных фирм, таких как Perkin Elmer, Bio Rad, MJ Research (США), Techne (Великобритания), Eppendorf, Biometra (Германия). Среди отечественных производителей — ЗАО «ДНК Технология, ЗАО «Компания Биоком», ЗАО «Ресурс Прибор», ЗАО «СТМ-Ц», ОАО «Приборостроительный завод Сигнал», Институт аналитического приборостроения РАН.

Однако перед разработчиками подобных устройств стоят несколько проблем:

1. Методы расчета, известные из научно-технической литературы, фактически, рассматривают только статические тепловые состояния таких устройств. Кроме того, с помощью известных методов можно рассчитать только тепловое поле по всему рассматриваемому объему рабочего тела. Получить конкретные температуры в отдельных точках невозможно. Наиболее близко к решению этого вопроса подошли А. В. Чернышев и О. В. Белова в своих работах [90−93]. Однако для решения поставленной задачи были использованы допущения, такие какупрощенная геометрия рабочего тела, упрощенная модель тепловых процессов в нагревающем элементе, исследование только статических состояний теплового поля рабочего тела, не позволяющие эффективно рассмотреть тепловое состояние прецизионного устройства нагрева и охлаждения в динамическом режиме работы и оценить неоднородность теплового поля отдельных его элементов.

2. При работе прецизионного устройства нагрева и охлаждения в динамическом режиме возникают неоднородности теплового поля рабочего тела, что отрицательно сказывается на результатах ПЦР ДНК. Оценка факторов, влияющих на однородность теплового поля элементов прецизионного устройства нагрева и охлаждения является важной задачей для разработчиков.

3. Разработчики прецизионных устройств нагрева и охлаждения для проведения ПЦР ДНК измеряют и регулируют температуру рабочего тела, обеспечивающего подвод тепла к микропробиркам к реакционной смесью. Однако существенным является и тепловые процессы, происходящие в самой реакционной смеси. В последние годы в связи с созданием устройств для проведения «количественной» ПЦР ДНК в их состав включают блок оптической детекции, обеспечивающий возбуждение и измерение сигнала флуоресценции, что требует прямого оптического контакта с реакционной смесью. Однако, в прецизионных устройствах нагрева и охлаждения возникает эффект конденсации паров реакционной смеси на стенках пробирки, что существенно затрудняет возможность применения оптических методов.

Объект исследований.

Объект исследований — пневмоэлектромеханичское исполнительное прецизионное устройство нагрева и охлаждения.

Предмет исследований.

Предметом исследований будут являться рабочие процессы, происходящие в элементах пневмоэлектромеханического исполнительного устройства нагрева и охлаждения и влияющие на тепловое состояние реакционной смеси.

Цели и задачи исследования.

Цель работы: исследование рабочих процессов и разработка новых типов пневмоэлектромеханических исполнительных устройств нагрева и охлаждения с улучшенными рабочими характеристиками с учетом процессов тепломассопереноса в реакционной смеси.

В соответствии с поставленной целью задачами исследования являются:

1. Создание метода расчета и численной модели для проведения исследований рабочих процессов в элементах пневмоэлектромеханических исполнительных устройств нагрева и охлаждения с учетом процессов тепломассопереноса в реакционной смеси.

2. Исследование на основе математической модели рабочих процессов в элементах пневмоэлектромеханических исполнительных устройств нагрева и охлаждения на различных режимах работы, включая исследование однородности теплового поля рабочего тела.

3. Исследование на основе математической модели теплового состояния реакционной смеси.

4. Разработка новых типов пневмоэлектромеханических исполнительных прецизионных устройств нагрева и охлаждения.

Научная новизна.

1. Разработан метод расчета теплового поля пневмоэлектромеханического исполнительного прецизионного устройства нагрева и охлаждения с учетом реальной геометрии рабочего тела, позволяющий с большой точностью описать динамические процессы тепломассопереноса в тепловом блоке. Созданы дискретные аналоги всех дифференциальных уравнений и алгоритм расчета на ЭВМ. Впервые математическая модель описывает и тепловые процессы, происходящие в реакционной смеси.

2. В математическую модель рабочих процессов, происходящих в пневмоэлектромеханическом прецизионном исполнительном устройстве нагрева и охлаждения, впервые включена модель всех тепловых процессов, происходящий в термоэлементах Пельтье, с учетом их реальной геометрии.

3. Проведен анализ факторов, влияющих на однородность теплового поля рабочего тела. Показано, что при рассмотрении теплового поля рабочего тела некоторыми факторами — допустимыми механическими включениями, трещинами, пустотами и химической неоднородностью материала рабочего тела можно пренебречь.

4. Проведено математическое моделирование процессов, происходящих в реакционной смеси. Описаны и смоделированы процессы конденсации и парообразования паров реакционной смеси при циклическом охлаждении и нагреве. Показано, что разница состояний теплового поля реакционной смеси и теплового состояния рабочего тела в месте контакта с пробиркой может достигать (5.7)К.

5. Впервые теоретически выявлены зоны возможной конденсации паров реакционной смеси на стенках пробирки. Проведено сравнение результатов численного и натурного экспериментов — отклонение результатов расчетов, выполненных по составленной математической модели, не превышает 14% относительно результатов натурного эксперимента при рассмотрении одного цикла, начало которого совпадает в численном и натурном экспериментах.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

1. Разработан метод расчета процессов, происходящих в пневмоэлектромеханическом прецизионном исполнительном устройстве нагрева и охлаждения, которые могут быть использованы для разработки и создания новых устройств.

2. Проведенные исследования причин возникновения неоднородности теплового поля рабочего тела позволяют уже на этапе разработки нового устройства или усовершенствования существующего, внести соответствующие коррективы в схему устройства.

3. На основе проведенных исследований процессов, происходящих в реакционной смеси, даны рекомендации для усовершенствования существующих прецизионных устройств нагрева и охлаждения и повышения качества исследований — введение нагреваемой крышки воздушной камеры, режимы работы вентилятора пневмосистемы в зависимости от протекающей фазы температурного протокола, использование рабочего тела с усовершенствованной геометрией.

4. Математические модели и методы расчета внедрены в практику проектирования тепловых блоков анализаторов нуклеиновых кислот в институте аналитического приборостроения РАН, г. Санкт-Петербург. С использованием созданных методов и программ расчета разработаны и изготовлены в институте аналитического приборостроения РАН, г. Санкт-Петербург, тепловые блоки анализаторов нуклеиновых кислот АНК-16 и АНК-32.

5. Анализаторы нуклеиновых кислот АНК-16, АНК-32 прошли приемочно-технические испытания во ВНИИМТ МЗ РФ и клинические испытания в исследовательских центрах и научно-исследовательских институтах МЗ РФ, МО РФ и РАМН, рекомендованы к применению в медицинской практике, внесены в Государственный Реестр изделий медицинского назначения и серийно производятся.

На защиту выносятся.

Математическая модель и метод расчета процессов тепломассопереноса в пневмоэлектромеханическом прецизионном исполнительном устройстве нагрева и охлаждениярезультаты исследований теплового поля рабочего тела и реакционной смеси.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и симпозиумах:

1. Четвертая научно-техническая конференция «Медико-технические технологии на страже здоровья», г. Анталия, Турция, октябрь 2002 г.

2. Пятая научно-техническая конференция «Медико-технические технологии на страже здоровья», г. Шарм-эль-Шейх, Египет, октябрь 2003 г.

3. Международный симпозиум «Образование через науку», г. Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, июнь 2005 г.

4. Научные семинары на кафедрах «Вакуумная и компрессорная техника» и «Биомедицинские материалы и технологии» МГТУ им. Н. Э. Баумана. В 2006 г. амплификаторы ДНК для количественного анализа в реальном времени АНК-16 и АНК-32 награждены золотыми медалями международной выставки «Мир биотехнологии» в номинации «Медицинское оборудование».

Личный вклад автора.

Личный вклад автора заключается в проведении теоретических и экспериментальных исследований, в разработке методов расчета и участие в создании пневмоэлектромеханических прецизионных исполнительных устройств нагрева и охлаждения. Все вошедшие в диссертационную работу результаты получены лично автором.

Публикации.

По результатам проведенных исследований опубликовано 5 работ, в том числе по списку ВАК — 3 работы.

Структура и объем диссертации

.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 97 наименований. Работа изложена на 148 страницах текста, включая 45 иллюстраций и 3 таблицы.

Структура работы.

В первой главе описаны основные типы термостатирующих устройств. Показаны их основные достоинства и недостатки. Дан обзор работ, посвященных этой тематике. Приведены классические формулы расчета термоэлементов Пельтье. Описаны основные численные методы расчета тепловых задач, выбран наиболее подходящий для данного исследования. В заключении главы сформулированы основные цени и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с математическим моделированием процессов, протекающих в различных элементах устройства. Устройство поделено на несколько областей, каждая из которых является отдельным расчетным пространством. Для каждой области написана математическая модель, сделаны необходимые допущения. Подробно описаны источники и стоки тепла в термоэлементе Пельтье. Составлены дискретные аналоги для каждого из уравнений. На основе математической модели и дискретных аналогов дифференциальных уравнений построены алгоритмы расчета для каждой части расчета. Проведено исследование теплового поля рабочего тела твердотельного прецизионного устройства нагрева и охлаждения. Рассмотрены основные факторы, влияющие на однородность теплового поля рабочего тела. Даны аналитические зависимости для каждого из факторов. На основе полученной математической модели проведены численные эксперименты, наглядно показывающие степень влияния каждого из факторов на тепловое состояние рабочего тела. Далее глава посвящена численному эксперименту, построенному на полученных математических моделях. Проведен численный эксперимент с использованием в устройстве рабочего тела упрощенной формы. Показано, что при такой геометрии рабочего тела и использовании таких материалов достичь требуемых значений разброса температуры по всему рабочему телу невозможно. Предложена иная, усовершенствованная форма рабочего тела. Проведен численный эксперимент и приведены его результаты в количественном и качественном виде.

В третьей главе рассмотрены процессы, протекающие непосредственно в пробирке с реакционной смесью. Дано описание всего цикла воспроизведения цепочки ДНК с точки зрения теплофизических процессов, происходящих в пробирке. Проведен аналитический расчет испарения и конденсации реакционной смеси при циклировании. Также проведен численный эксперимент и дано качественное сравнение с аналитическим расчетом.

Четвертая глава посвящена разработке и экспериментальному исследованию пневмоэлектромеханического прецизионного исполнительного устройства нагрева и охлаждения. Описан экспериментальный стенд, методика проведения эксперимента. Даны результаты натурного эксперимента и сравнение их с результатами численного эксперимента. Описано внедрение и использование результатов исследования на практике.

В заключении представлены результаты исследования согласно поставленным в начале работы задачам и целям.

Заключение

и основные выводы.

1. Создана математическая модель и метод расчета, позволяющие исследовать процессы тепломассопереноса в пневмоэлектромеханическом исполнительном прецизионном устройстве нагрева и охлаждения. Путем преобразования исходных дифференциальных уравнений математической модели, создан ее дискретный аналог, представляющий собой систему линейных алгебраических уравнений.

2. На основе полученного метода проведены исследования работы пневмоэлектромеханического исполнительного прецизионного устройства нагрева и охлаждения при различных формах рабочего тела. Установлено, что при скорости потока воздуха от вентилятора 2 м/с и работе вентилятора на режимах охлаждения и термостабилизации достигаются более высокие скорости нагрева рабочего тела, чем при скорости потока воздуха от вентилятора 5 м/с и непрерывной работе вентилятора.

3. Исследована работа пневмоэлектромеханического исполнительного прецизионного устройства нагрева и охлаждения с усовершенствованной геометрией рабочего тела и приведено сравнение с ранее полученными результатами. Установлено, что изменение геометрии рабочего тела приводит к увеличению скоростей нагрева в 1,76 раза и скорости охлаждения в 2,2 раза. Кроме этого, уменьшается разброс температуры по рабочему телу до 0,1 К.

4. Проведены исследования однородности теплового поля рабочего тела. Выявлены основные факторы, влияющие на однородность теплового поля рабочего тела: условия взаимодействия с окружающей средой, неоднородность тепловых потоков, неоднородность теплофизических свойств материала. Показано, что при рассмотрении теплового поля рабочего тела некоторыми факторами: механическими включениями, трещинами, пустотами и химической неоднородностью материала рабочего тела можно пренебречь.

5. На основе созданной математической модели и метода расчета проведен расчет теплового состояния пробирки с реакционной смесью. Выявлены зоны возможного выпадения конденсата паров реакционной смеси на стенках пробирки, который существенно затрудняет возможность применения оптических методов, обеспечивающих возбуждение и измерение сигнала флуоресценции реакционной смеси. Предложено решение этой проблемыподогрев верхней крышки воздушной камеры. Рассмотрено влияние движения воздуха в воздушной камере. Показано, что в результате движения воздуха в воздушной камере на стенках пробирки с реакционной смесью образуются зоны возможного выпадения конденсата.

6. На базе основных положений данной диссертации разработаны и серийно производятся анализаторы нуклеиновых кислот АНК-16 и АНК-32. Они внесены в реестр изделий медицинского назначения (Регистрационное удостоверение № ФС 022ф2005/2163−05 от 23.08.05 г.), серийно производятся в институте аналитического приборостроения Ран г. Санкт-Петербург и успешно эксплуатируются в институтах и учреждениях РАН, РАМН, Министерства здравоохранения РФ, Министерства обороны РФ и ФСБ РФ.