1. Дыхание. Дыхательная система. Функции дыхательной системы.
2. Внешнее дыхание. Биомеханика дыхания. Процесс дыхания. Биомеханика вдоха. Как люди дышат?
3. Выдох. Биомеханизм выдоха. Процесс выдоха. Как происходит выдох?
4. Изменение объема легких во время вдоха и выдоха. Функция внутриплеврального давления. Плевральное пространство. Пневмоторакс.
5. Фазы дыхания. Объем легкого (легких). Частота дыхания. Глубина дыхания. Легочные объемы воздуха. Дыхательный объем. Резервный, остаточный объем. Емкость легких.
6. Факторы, влияющие на легочный объем в фазу вдоха. Растяжимость легких (легочной ткани). Гистерезис.
7. Альвеолы. Сурфактант. Поверхностное натяжение слоя жидкости в альвеолах. Закон Лапласа.
9. Зависимость «поток-объем» в легких. Давление в дыхательных путях при выдохе.
10. Работа дыхательных мышц в течение дыхательного цикла. Работа дыхательных мышц при глубоком дыхании.
Растяжимость легких количественно характеризует растяжимость легочной ткани в любой момент изменения их объема в течение фазы вдоха и выдоха. Поэтому растяжимость представляет собой статическую характеристику эластических свойств легочной ткани. Однако во время дыхания возникает сопротивление движению аппарата внешнего дыхания, обусловливающее его динамические характеристики, среди которых наибольшее значение имеет сопротивление потоку воздуха при его движении через дыхательные пути легких.
На движение воздуха из внешней среды через дыхательные пути к альвеолам и в обратном направлении оказывает влияние градиент давления: при этом воздух движется из области высокого давления в область низкого давления. При вдохе давление воздуха в альвеолярном пространстве меньше, чем атмосферное, а при выдохе - наоборот. Сопротивление дыхательных путей потоку воздуха зависит от градиента давления между полостью рта и альвеолярным пространством.
Поток воздуха через дыхательные пути может быть ламинарным , турбулентным и переходным между этими типами. Воздух движется в дыхательных путях, в основном, ламинарным потоком, скорость которого выше в центре этих трубок и меньше вблизи их стенок. При ламинарном потоке воздуха его скорость линейно зависит от градиента давления вдоль дыхательных путей. В местах деления дыхательных путей (бифуркации) ламинарный поток воздуха переходит в турбулентный. При возникновении турбулентного потока в дыхательных путях возникает дыхательный шум, который может выслушиваться в легких с помощью стетоскопа. Сопротивление ламинарному потоку газа в трубе обусловлено ее диаметром. Поэтому, согласно закону Пуа-зейля величина сопротивления дыхательных путей потоку воздуха пропорциональна их диаметру, возведенному в четвертую степень. Поскольку сопротивление дыхательных путей находится в обратной зависимости от их диаметра в четвертой степени, то этот показатель самым существенным образом зависит от изменений диаметра воздухоносных путей, вызванных, например, выделением в них слизи из слизистой оболочки или сужением просвета бронхов. Общий диаметр сечения дыхательных путей возрастает в направлении от трахеи к периферии легкого и становится максимально большим в терминальных дыхательных путях, что вызывает резкое снижение сопротивления потоку воздуха и его скорости в этих отделах легких. Так, линейная скорость потока вдыхаемого воздуха в трахее и главных бронхах равна примерно 100 см/с. На границе воздухопроводящей и переходной зон дыхательных путей линейная скорость воздушного потока составляет около 1 см/с, в дыхательных бронхах она снижается до 0,2 см/с, а в альвеолярных ходах и мешочках - до 0,02 см/с. Столь низкая скорость воздушного потока в альвеолярных ходах и мешочках обусловливает в них незначительное сопротивление движущемуся воздуху и не сопровождается значимыми затратами энергии мышечного сокращения.
Напротив, наибольшее сопротивление дыхательных путей потоку воздуха возникает на уровне сегментарных бронхов в связи с наличием в их слизистой оболочке секреторного эпителия и хорошо развитого гладкомышечного слоя, т. е. факторов, которые в наибольшей степени влияют как на диаметр воздухоносных путей, так и на сопротивление в них потоку воздуха. В преодолении этого сопротивления заключается одна из функций дыхательных мышц.
Для уменьшения загрязнения в чистых помещениях высокого класса применяются специальные системы вентиляции, при которых поток воздуха движется сверху вниз без турбулентностей, т.е. ламинарно . При ламинарном потоке воздуха частицы грязи от людей и оборудования не разлетаются по всему помещению, а собираются потоком у пола.
|
|
|
|
Air flow pattern for "Turbulent Cleanroom" |
Air flow pattern for "Laminar Flow Cleanroom" |
Конструкции
В общем виде чистые помещения включают в себя следующие базовые элементы:
ограждающие стеновые конструкции (каркас, глухие и остекленные стеновые панели, двери, окна);
герметичные панельные и кассетные потолки со встроенными растровыми светильниками;
антистатические полы;
Clean-Zone Floor Covering Clean-Zone is supplied in standard rolls, to be professionally installed as a wall-to-wall floor covering, creating a permanent and unavoidable trap for dirt.
систему подготовки воздуха (приточные, вытяжные и рециркуляционные вентиляционные установки, устройства забора воздуха, воздухораспределители с финишными фильтрами, воздухорегулирующие устройства, датчиковая аппаратура и элементы автоматики и др.);
систему управления инженерными системами чистых помещений;
воздушные шлюзы;
передаточные окна;
|
Cleanroom Talk-Throughs |
фильтро-вентиляторные модули для создания чистых зон внутри чистых помещений.
Электронная промышленность в мире является одним из самых крупных потребителей чистых помещений. Требования к уровню чистоты в этой отрасли являются наиболее жесткими. Тенденция постоянного роста этих требований привела к качественно новым подходам к созданию чистых сред. Суть этих подходов заключается в создании изолирующих технологий, т.е. в физическом отделении определенного объема с чистым воздухом от окружающей среды. Это разделение, как правило, герметичное, позволило исключить влияние одного из самых интенсивных источников загрязнений – человека. Применение изолирующих технологий влечет за собой широкое внедрение автоматизации и роботизации. Использование чистых помещений в микроэлектронике имеет свои особенности: на первый план выходят требования к чистоте воздушной среды по аэрозольным частицам. Повышенные требования предъявляются также к системе заземления чистого помещения, особенно в части обеспечения отсутствия статического электричества. В микроэлектронике требуется создание чистых помещений самых высоких классов чистоты с устройством перфорированных фальшполов для улучшения линий тока воздуха, т.е. повышения однонаправленности потока.
Чистые производственные помещения должны обеспечивать условия максимальной чистоты производства; обеспечивать изоляцию внутреннего объема; вход в чистые помещения через специальный тамбур (шлюз).
Давление в чистой комнате должно быть больше атмосферного, что способствует выталкиванию пыли из нее. В шлюзе производится обдувка одежды персонала для удаления пылевых частиц.
В чистых комнатах создаются ламинарные потоки воздуха, и недопустимы турбулентные потоки, которые создаются вращающимися и перемещающимися частями оборудования. Требуется следить, чтобы не было нагретых вещей, способствующих образованию конвекционным потокам.
Обычно применяют решетчатый пол и решетчатый потолок.
В чистых комнатах размещают минимум оборудования
Поскольку производство чистых комнат очень дорогое, применяют зоны локального обеспыливания.
Одним из эффективных способов снижения затрат при создании комплексов чистых помещений является зонирование чистого помещения на локальные участки, которые могут отличаться друг от друга как классом чистоты воздушной среды, так и функциональным назначением (только защита продукта, либо защита как продукта, так и окружающей среды).
Таким образом, внутри чистого помещения низкого класса чистоты над критичными местами технологического процесса могут быть созданы чистые зоны с более высоким классом чистоты, чем помещение, где они размещены.
Основное назначение чистых зон:
поддержание в локальном рабочем пространстве заданных параметров воздушной среды;
защита продукта от воздействия окружающей среды.
Согласно определению, данному в ГОСТ Р ИСО 14644-1-2000, чистая зона – это определенное пространство, в котором контролируется концентрация взвешенных в воздухе частиц, построенное и используемое так, чтобы свести к минимуму поступление, выделение и удержание частиц внутри зоны, и позволяющее, по мере необходимости, контролировать другие параметры, например, температуру, влажность и давление.
Чистые зоны конструктивно могут быть выполнены либо как часть общей вентиляционной системы чистого помещения, либо представлять собой самостоятельные изделия.
Первый способ применим в случае, когда месторасположение чистых зон закладывается на проектной стадии создания чистого помещения и не подлежит изменению на весь период его эксплуатации, а также в случае, если в рабочее пространство чистой зоны необходимо подать приточный воздух.
Второй способ предполагает возможность изменения местоположения чистых зон, что дает более широкие возможности для изменения технологического процесса и модернизации оборудования. При этом чистые зоны, выполненные как самостоятельные изделия, могут быть либо закрепленными к силовым конструкциям чистого помещения, либо представлять собой мобильные автономные изделия, имеющие возможность перемещения внутри чистого помещения.
|
|
|
Наиболее часто используют чистые условия производства с минимальным использованием персонала, применяя полуавтоматы. Часто используют локальные установки. Последнее время стали использовать кластерные установки (cluster).
Технические характеристики:
1 Предельное давление в чистой, пустой и обезгаженной камере, Па 1,33х10-3
2 Время восстановления давления 1,33х10-3 Па, мин 30
3 Размеры рабочей камеры, мм Диаметр Высота 900 1000
4 Количество плазменных ускорителей с катодами из металла (СПУ-М) с сепарацией плазменного потока, шт 3
5 Количество импульсных плазменных ускорителей с катодами из графита (ИПУ-С) с сепарацией плазменного потока, шт 4
6 Количество протяженных ионных источников для очистки и ассистирования (типа РИФ), шт 1
7 Нагрев подложек, 0С 250
8 Технологическая оснастка: Одинарная планетарка, шт. Двойная планетарка, шт 1 1
9 Система напуска технологического газа
10 Система контроля и управления технологическим циклом
11 Высоковакуумная откачка: два диффузионных насоса, работающих параллельно НВДМ-400 производительностью 7000 л/с каждый
12 Форвакуумная откачка: форвакуумный агрегат АВР-150 производительностью 150 л/с
13 Максимальная электрическая мощность, потребляемая вакуумной установкой, кВт, не более 50
14 Площадь, занимаемая вакуумной установкой, м2 25
Ламинарный - это воздушный поток, в котором струйки воздуха движутся в одном направлении и параллельны друг другу. При увеличении скорости до определенной величины струйки воздушного потока кроме поступательной скорости также приобретают быстро меняющиеся скорости, перпендикулярные к направлению поступательного движения. Образуется поток, который называется турбулентным, т. е. беспорядочным.
Пограничный слой
Пограничный слой - это слой, в котором скорость воздуха изменяется от нуля до величины, близкой к местной скорости воздушного потока.
При обтекании тела воздушным потоком (Рис. 5) частицы воздуха не скользят по поверхности тела, а тормозятся, и скорость воздуха у поверхности тела становится равной нулю. При удалении от поверхности тела скорость воздуха возрастает от нуля до скорости течения воздушного потока.
Толщина пограничного слоя измеряется в миллиметрах и зависит от вязкости и давления воздуха, от профиля тела, состояния его поверхности и положения тела в воздушном потоке. Толщина пограничного слоя постепенно увеличивается от передней к задней кромке. В пограничном слое характер движения частиц воздуха отличается от характера движения вне его.
Рассмотрим частицу воздуха А (Рис. 6), которая находится между струйками воздуха со скоростями U1 и U2, за счет разности этих скоростей, приложенных к противоположным точкам частицы, она вращается и тем больше, чем ближе находится эта частица к поверхности тела (где разность скоростей наибольшая). При удалении от поверхности тела вращательное движение частицы замедляется и становится равным нулю ввиду равенства скорости воздушного потока и скорости воздуха пограничного слоя.
Позади тела пограничный слой переходит в спутную струю, которая по мере удаления от тела размывается и исчезает. Завихрения в спутной струе попадают на хвостовое оперение самолета и снижают его эффективность, вызывают тряску (явление Бафтинга).
Пограничный слой разделяют на ламинарный и турбулентный (Рис. 7). При установившемся ламинарном течении пограничного слоя проявляются только силы внутреннего трения, обусловленные вязкостью воздуха, поэтому сопротивление воздуха в ламинарном слое мало.
Рис. 5
Рис. 6 Обтекание тела воздушным потоком - торможение потока в пограничном слое
Рис. 7
В турбулентном пограничном слое наблюдается непрерывное перемещение струек воздуха во всех направлениях, что требует большего количества энергии для поддерживания беспорядочного вихревого движения и, как следствие этого, создается большее по величине сопротивление воздушного потока движущемуся телу.
Для определения характера пограничного слоя служит коэффициент Cf. Тело определенной конфигурации имеет свой коэффициент. Так, например, для плоской пластины коэффициент сопротивления ламинарного пограничного слоя равен:
для турбулентного слоя
где Re - число Рейнольдса, выражающее отношение инерционных сил к силам трения и определяющее отношение двух составляющих - профильное сопротивление (сопротивление формы) и сопротивление трения. Число Рейнольдса Re определяется по формуле:
где V - скорость воздушного потока,
I - характер размера тела,
кинетический коэффициент вязкости сил трения воздуха.
При обтекании тела воздушным потоком в определенной точке происходит переход пограничного слоя из ламинарного в турбулентный. Эта точка называется точкой перехода. Расположение ее на поверхности профиля тела зависит от вязкости и давления воздуха, скорости струек воздуха, формы тела и его положения в воздушном потоке, а также от шероховатости поверхности. При создании профилей крыльев конструкторы стремятся отнести эту точку как можно дальше от передней кромки профиля, чем достигается уменьшение сопротивления трения. Для этой цели применяют специальные ламинизированные профили, увеличивают гладкость поверхности крыла и ряд других мероприятий.
При увеличении скорости воздушного потока или увеличении угла положения тела относительно воздушного потока до определенной величины в некоторой точке происходит отрыв пограничного слоя от поверхности, при этом резко уменьшается давление за этой точкой.
В результате того, что у задней кромки тела давление больше чем за точкой отрыва, происходит обратное течение воздуха из зоны большего давления в зону меньшего давления к точке отрыва, которое влечет за собой отрыв воздушного потока от поверхности тела (Рис. 8).
Ламинарный пограничный слой отрывается легче от поверхности тела, чем турбулентный.
Уравнение неразрывности струи воздушного потока
Уравнение неразрывности струи воздушного потока (постоянства расхода воздуха) - это уравнение аэродинамики, вытекающее из основных законов физики - сохранения массы и инерции - и устанавливающее взаимосвязь между плотностью, скоростью и площадью поперечного сечения струи воздушного потока.
Рис. 8
Рис. 9
При рассмотрении его принимают условие, что изучаемый воздух не обладает свойством сжимаемости (Рис. 9).
В струйке переменного сечения через сечение I протекает за определенный промежуток времени секундный объем воздуха, этот объем равен произведению скорости воздушного потока на поперечное сечение F.
Секундный массовый расход воздуха m равен произведению секундного расхода воздуха на плотность р воздушного потока струйки. Согласно закону сохранения энергии, масса воздушного потока струйки m1, протекающего через сечение I (F1), равна массе т2 данного потока, протекающего через сечение II (F2), при условии, если воздушный поток установившийся:
m1=m2=const, (1.7)
m1F1V1=m2F2V2=const. (1.8)
Это выражение и называется уравнением неразрывности струи воздушного потока струйки.
F1V1=F2V2= const. (1.9)
Итак, из формулы видно, что через различные сечения струйки в определенную единицу времени (секунду) проходит одинаковый объем воздуха, но с разными скоростями.
Запишем уравнение (1.9) в следующем виде:
Из формулы видно, что скорость воздушного потока струи обратно пропорциональна площади поперечного сечения струи и наоборот.
Тем самым уравнение неразрывности струи воздушного потока устанавливает взаимосвязь между сечением струи и скоростью при условии, что воздушный поток струи установившийся.
Статическое давление и скоростной напор уравнение Бернулли
воздух самолет аэродинамика
Самолет, находящийся в неподвижном или подвижном относительно него воздушном потоке, испытывает со стороны последнего давление, в первом случае (когда воздушный поток неподвижен) - это статическое давление и во втором случае (когда воздушный поток подвижен) - это динамическое давление, оно чаще называется скоростным напором. Статическое давление в струйке аналогично давлению покоящейся жидкости (вода, газ). Например: вода в трубе, она может находиться в состоянии покоя или движения, в обоих случаях стенки трубы испытывают давление со стороны воды. В случае движения воды давление будет несколько меньше, так как появился скоростной напор.
Согласно закону сохранения энергии, энергия струйки воздушного потока в различных сечениях струйки воздуха есть сумма кинетической энергии потока, потенциальной энергии сил давления, внутренней энергии потока и энергии положения тела. Эта сумма - величина постоянная:
Екин+Ер+Евн+Еп=сопst (1.10)
Кинетическая энергия (Екин) - способность движущегося воздушного потока совершать работу. Она равна
где m - масса воздуха, кгс с2м; V-скорость воздушного потока, м/с. Если вместо массы m подставить массовую плотность воздуха р, то получим формулу для определения скоростного напора q (в кгс/м2)
Потенциальная энергия Ер - способность воздушного потока совершать работу под действием статических сил давления. Она равна (в кгс-м)
где Р - давление воздуха, кгс/м2; F - площадь поперечного сечения струйки воздушного потока, м2; S - путь, пройденный 1 кг воздуха через данное сечение, м; произведение SF называется удельным объемом и обозначается v, подставляя значение удельного объема воздуха в формулу (1.13), получим
Внутренняя энергия Евн - это способность газа совершать работу при изменении его температуры:
где Cv - теплоемкость воздуха при неизменном объеме, кал/кг-град; Т-температура по шкале Кельвина, К; А - термический эквивалент механической работы (кал-кг-м).
Из уравнения видно, что внутренняя энергия воздушного потока прямо пропорциональна его температуре.
Энергия положения En - способность воздуха совершать работу при изменении положения центра тяжести данной массы воздуха при подъеме на определенную высоту и равна
где h - изменение высоты, м.
Ввиду мизерно малых значений разноса центров тяжести масс воздуха по высоте в струйке воздушного потока этой энергией в аэродинамике пренебрегают.
Рассматривая во взаимосвязи все виды энергии применительно к определенным условиям, можно сформулировать закон Бернулли, который устанавливает связь между статическим давлением в струйке воздушного потока и скоростным напором.
Рассмотрим трубу (Рис. 10) переменного диаметра (1, 2, 3), в которой движется воздушный поток. Для измерения давления в рассматриваемых сечениях используют манометры. Анализируя показания манометров, можно сделать заключение, что наименьшее динамическое давление показывает манометр сечения 3-3. Значит, при сужении трубы увеличивается скорость воздушного потока и давление падает.
Рис. 10
Причиной падения давления является то, что воздушный поток не производит никакой работы (трение не учитываем) и поэтому полная энергия воздушного потока остается постоянной. Если считать температуру, плотность и объем воздушного потока в различных сечениях постоянными (T1=T2=T3;р1=р2=р3, V1=V2=V3), то внутреннюю энергию можно не рассматривать.
Значит, в данном случае возможен переход кинетической энергии воздушного потока в потенциальную и наоборот.
Когда скорость воздушного потока увеличивается, то увеличивается и скоростной напор и соответственно кинетическая энергия данного воздушного потока.
Подставим значения из формул (1.11), (1.12), (1.13), (1.14), (1.15) в формулу (1.10), учитывая, что внутренней энергией и энергией положения мы пренебрегаем, преобразуя уравнение (1.10), получим
Это уравнение для любого сечения струйки воздуха пишется следующим образом:
Такой вид уравнения является самым простым математическим уравнением Бернулли и показывает, что сумма статического и динамического давлений для любого сечения струйки установившегося воздушного потока есть величина постоянная. Сжимаемость в данном случае не учитывается. При учете сжимаемости вносятся соответствующие поправки.
Для наглядности закона Бернулли можно провести опыт. Взять два листка бумаги, держа параллельно друг другу на небольшом расстоянии, подуть в промежуток между ними.
Рис. 11
Листы сближаются. Причиной их сближения является то, что с внешней стороны листов давление атмосферное, а в промежутке между ними вследствие наличия скоростного напора воздуха давление уменьшилось и стало меньше атмосферного. Под действием разности давлений листки бумаги прогибаются вовнутрь.
Аэродинамические трубы
Экспериментальная установка для исследования явлений и процессов, сопровождающих обтекание тел потоком газа называется аэродинамической трубой. Принцип действия аэродинамических труб основан на принципе относительности Галилея: вместо движения тела в неподвижной среде изучается обтекание неподвижного тела потоком газа В аэродинамических трубах экспериментально определяются действующие на ЛА аэродинамические силы и моменты исследуются распределения давления и температуры по его поверхности, наблюдается картина обтекания тела, изучается аэроупругость и т д.
Аэродинамические трубы зависимости от диапазона чисел Маха М разделяются на дозвуковые (М=0,15-0,7), трансзвуковые (М=0,7-1 3), сверхзвуковые (М=1,3-5) и гиперзвуковые (М=5-25), по принципу действия - на компрессорные (непрерывного действия), в которых поток воздуха создается спец компрессором, и баллонные с повышенным давлением, по компоновке контура - на замкнутые и незамкнутые.
Компрессорные трубы имеют высокий кпд, они удобны в работе, но требуют создания уникальных компрессоров с большими расходами газа и большой мощности. Баллонные аэродинамические трубы по сравнению с компрессорными менее экономичны, поскольку при дросселировании газа часть энергии теряется. Кроме того, продолжительность работы баллонных аэродинамических труб ограничена запасом газа в баллонах и составляет для различных аэродинамических труб от десятков секунд до несколько минут.
Широкое распространение баллонных аэродинамических труб обусловлено тем, что они проще по конструкции а мощности компрессоров, необходимые для наполнения баллонов, относительно малы. В аэродинамических трубах с замкнутым контуром используется значительная часть кинетической энергии, оставшейся в газовом потоке после его прохождения через рабочую область, что повышает КПД трубы. При этом, однако, приходится увеличивать общие размеры установки.
В дозвуковых аэродинамических трубах исследуются аэродинамические характеристики дозвуковых самолетов вертолетов а также характеристики сверхзвуковых самолетов на взлетно-посадочных режимах. Кроме того, они используются для изучения обтекания автомобилей и др. наземных транспортных средств, зданий, монументов, мостов и др. объектов На рис показана схема дозвуковой аэродинамической трубы с замкнутым контуром.
Рис. 12
1- хонейкомб 2 - сетки 3 - форкамера 4 - конфузор 5 - направление потока 6 - рабочая часть с моделью 7 - диффузор, 8 - колено с поворотными лопатками, 9 - компрессор 10 - воздухоохладитель
Рис. 13
1 - хонейкомб 2 - сетки 3 - форкамера 4 конфузор 5 перфорированная рабочая часть с моделью 6 эжектор 7 диффузор 8 колено с направляющими лопатками 9 выброс воздуха 10 - подвод воздуха от баллонов
Рис. 14
1 - баллон со сжатым воздухом 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - выравнивающие сетки 5 - хонейкомб 6 - детурбулизирующие сетки 7 - форкамера 8 - конфузор 9 - сверхзвуковое сопло 10 - рабочая часть с моделью 11 - сверхзвуковой диффузор 12 - дозвуковой диффузор 13 - выброс в атмосферу
Рис. 15
1 - баллон с высоким давлением 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - подогреватель 5 - форкамера с хонейкомбом и сетками 6 - гиперзвуковое осесимметричное сопло 7 - рабочая часть с моделью 8 - гиперзвуковой осесимметричный диффузор 9 - воздухоохладитель 10 - направление потока 11 - подвод воздуха в эжекторы 12 - эжекторы 13 - затворы 14 - вакуумная емкость 15 - дозвуковой диффузор
В течение последних десяти лет за рубежом и в нашей стране возросло количество гнойно-воспалительных заболеваний вследствие инфекций, которые приобрели название «внутрибольничные» (ВБИ) – так определила Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ). По анализу заболеваний, вызванных ВБИ, можно сказать, что их продолжительность и частота напрямую зависят от состояния воздушной среды больничных помещений. Для того, чтобы обеспечить требуемые параметры микроклимата в операционных залах (и производственных чистых помещениях), используются воздухораспределители однонаправленного потока. Как показали результаты контроля окружающей среды и анализа движения воздушных потоков, работа таких распределителей может обеспечить требуемые параметры микроклимата, однако отрицательно влияет на бактериологический состав воздуха. Для достижения необходимой степени защиты критической зоны нужно чтобы поток воздуха, который выходит из устройства, не терял форму границ и сохранял прямолинейность движения, другими словами, поток воздуха не должен сужаться или расширяться над выбранной для защиты зоной, в которой находится хирургический стол.
В структуре здания больницы помещения операционных требуют наибольшей ответственности из-за важности хирургического процесса и обеспечения необходимых условий микроклимата для того, чтобы этот процесс был удачно проведен и завершен. Основным источником выделения различных бактериальных частиц является непосредственно медицинский персонал, который генерирует частицы и выделяет микроорганизмы во время движения по помещению. Интенсивность появления новых частиц в воздушном пространстве помещения зависит от температуры, степени подвижности людей, скорости движения воздуха. ВБИ, как правило, перемещается по помещению операционного зала с воздушными потоками, и никогда не падает вероятность ее проникновения в уязвимую полость раны оперируемого больного. Как показали наблюдения, неправильная организация работы систем вентиляции обычно приводит к настолько быстрому накоплению инфекции в помещении, что ее уровень может превысить допустимую норму .
Уже несколько десятков лет зарубежные специалисты пытаются разработать системные решения по обеспечению необходимых условий воздушной среды операционных палат. Поток воздуха, который поступает в помещение, должен не только поддерживать параметры микроклимата, ассимилировать вредные факторы (тепло, запах, влажность, вредные вещества), но и поддерживать защиту выбранных зон от возможности попадания в них инфекции, а значит - обеспечивать требуемую чистоту воздуха операционных. Зона, в которой проводят инвазивные операции (проникновение в организм человека), называется «критической» или операционной зоной . Стандартом такая зона определяется как «операционная санитарно-защитная зона», под этим понятием подразумевается пространство, в котором размещены операционный стол, аппаратура, столики для инструментов, и находится медицинский персонал. В есть такое понятие, как «технологическое ядро». Оно относится к зоне, в которой ведутся производственные процессы в условиях стерильности, эту зону можно по смыслу соотнести с операционной.
Для того, чтобы предотвратить проникновение бактериального загрязнения в самые критические области, широкое применение получили способы экранирования, в основе которого лежит использование вытеснения воздушного потока. С этой целью были разработаны воздухораспределители ламинарного потока воздуха, имеющие различную конструкцию. Позже «ламинарный» стал называться «однонаправленным» потоком. Сегодня можно встретить самые разные варианты названия воздухораспределяющих устройств для чистоты помещений, например, «ламинарный потолок», «ламинар», «операционная система чистого воздуха», «операционный потолок» и прочие, но от этого их суть не меняется. Распределитель воздуха встраивается в конструкцию потолка над защищаемой зоной помещения. Он может быть различных размеров, это зависит от расхода воздуха. Оптимальная площадь такого потолка не должна быть менее 9 м 2 , для того чтобы он мог полностью перекрыть зону со столами, персоналом и оборудованием. Вытесняющий поток воздуха малыми порциями медленно поступает сверху вниз, отделяя, таким образом, асептическое поле зоны операционного воздействия, зону, где передается стерильный материал от зоны окружающей среды. Воздух удаляется из нижней и верхней зон защищаемого помещения одновременно. В потолок встраиваются HEPA-фильтры (класс Н по ), которые пропускают через себя приток воздуха. Фильтры только задерживают живые частицы, не обеззараживая их.
В последнее время на мировом уровне возросло внимание к вопросам обеззараживания воздушной среды больничных помещений и других учреждений, в которых присутствуют источники бактериальных загрязнений. В документах изложены требования о том, что необходимо обеззараживать воздух операционных помещений с эффективностью деактивации частиц от 95% и выше. Обеззараживанию подлежат также оборудование климатических систем и воздуховод . Бактерии и частицы, которые выделяет хирургический персонал, поступают в воздушную среду помещения непрерывно и накапливаются в ней. Для того, чтобы не дать концентрации вредных веществ в помещении достичь предельно допустимого уровня , необходимо постоянно контролировать воздушную среду. Этот контроль проводится в обязательном порядке после монтажа климатической системы, ремонта или технического обслуживания, то есть в то время, когда используется чистое помещение.
Для проектировщиков уже стало привычным применение в операционных помещениях воздухораспределителей однонаправленного потока сверхтонкой очистки со встроенными фильтрами потолочного типа.
Потоки воздуха, имеющие большие объемы, медленно движутся вниз помещения, отделяя, таким образом, защищаемую зону от окружающего воздуха. Однако многие специалисты не переживают о том, что одними только этими решениями для поддержания необходимого уровня обеззараживания воздушной среды во время проведения хирургических операций не обойтись.
Предложено большое количество вариантов конструкций воздухораспределительных устройств, каждый из них получил свое применение в определенной области. Специальные операционные помещения между собой внутри своего класса делятся на подклассы в зависимости от назначения по степени чистоты. Например, операционные кардиохирургические, общего профиля, ортопедические и т.д. Для каждого класса определены свои требования к обеспечению чистоты.
Впервые воздухораспределители для чистых помещений были применены в середине 50-х годов прошлого столетия. С того времени распределение воздуха в производственных помещениях стало традиционным в тех случаях, когда необходимо обеспечить сниженные концентрации микроорганизмов или частиц, производится все это через перфорированный потолок . Поток воздуха движется в одном направлении через весь объем помещения, скорость при этом остается равномерной - примерно 0,3 – 0,5 м/с. Подача воздуха производится через группу воздушных фильтров, обладающих высокой эффективностью, которые размещены на потолке чистого помещения. Воздушный поток подается по принципу воздушного поршня, который стремительно движется вниз через все помещение, удаляя вредные вещества и загрязнения. Удаляется воздух через пол. Такое движение воздуха способно удалить аэрозольные загрязнения, источниками которых служат процессы и персонал. Организация такой вентиляции нацелена на обеспечение необходимой чистоты воздуха операционного помещения. Ее минус в том, что она требует большого расхода воздуха, что не экономично. Для чистых помещений класса ISO 6 (по классификации ISO) или класса 1 000 допускается воздухообмен 70-160 крат/ч. Уже позже на смену пришли более эффективные устройства модульного типа, имеющие меньшие размеры и низкие расходы, что позволяет выбирать приточное устройство, отталкиваясь от размеров зоны защиты и необходимых кратностей обмена воздуха в помещении в зависимости от его назначения.
Эксплуатация ламинарных воздухораспределителей
Ламинарные устройства предназначены для применения в чистых производственных помещениях для раздачи воздуха больших объемов. Для реализации необходимы специально спроектированные потолки, регулирование давления в помещении и напольные вытяжки. При соблюдении этих условий распределители ламинарного потока обязательно создадут необходимый однонаправленный поток, имеющий параллельные линии тока. Благодаря высокой кратности воздухообмена, в приточном потоке воздуха поддерживаются условия, близкие к изотермическим. Спроектированные для распределения воздуха при обширных воздухообменах, потолки обеспечивают низкую стартовую скорость потока за счет своей большой площади. Контроль изменения давления воздуха в помещении и результат работы вытяжных устройств обеспечивают минимальные размеры зон рециркуляции воздуха, здесь срабатывает принцип «один проход и один выход». Взвешенные частицы падают на пол и удаляются, поэтому их рециркуляция практически невозможна.
Однако в условиях операционного помещения такие воздухонагреватели работают несколько иначе. Чтобы не превысить допустимые уровни бактериологической чистоты воздушной среды в операционных помещениях, по расчетам значения воздухообмена составляют около 25 крат/ч, а бывает и меньше. Другими словами, эти значения не сопоставимы со значениями, рассчитанными для производственных помещений. Чтобы поддерживать стабильное движение воздушных потоков между операционной и соседними помещениями, в операционной поддерживается избыточное давление. Воздух удаляется через вытяжные устройства, которые установлены симметрично в стенах нижней зоны. Для раздачи меньших объемов воздуха используются ламинарные устройства меньшей площади, устанавливаются они непосредственно над критической зоной помещения как островок посередине комнаты, а не занимают весь потолок.
По результатам наблюдений такие ламинарные воздухораспределители не всегда смогут обеспечить однонаправленный поток. Поскольку разница между температурой в приточной струе воздуха и температурой окружающей воздушной среды в 5-7 °С неизбежна, воздух более холодный, выходящий из приточного устройства, опустится гораздо быстрее, чем однонаправленный изотермический поток. Это привычное явление для работы потолочных диффузоров, установленных в общественных помещениях. Мнение о том, что ламинары обеспечивают однонаправленный стабильный воздушный поток в любом случае, независимо от того, где и как их применяют, ошибочно. Ведь в реальных условиях скорость вертикального низкотемпературного ламинарного потока будет расти по мере опускания к полу.
С увеличением объема приточного воздуха и снижением его температуры по отношению к воздуху помещения увеличивается ускорение его потока. Как показано в таблице, благодаря применению ламинарной системы, площадь которой 3 м 2 , а температурный перепад 9 °С, скорость воздуха на расстоянии 1,8 м от выхода увеличивается в три раза. На выходе из ламинарного устройства скорость воздуха составляет 0,15 м/с, а в районе операционного стола - 0,46 м/с, что превышает допустимый уровень . Многие исследования уже давно доказали, что при повышенной скорости приточного потока его «однонаправленность» не сохраняется.
| Расход воздуха, м 3 /(ч м 2) | Давление, Па | Скорость воздуха на расстоянии 2 м от панели, м/с | |||||
| 3 °С T | 6 °С T | 8 °С T | 11 °С T | NC | |||
| Одиночная панель | 183 | 2 | 0,10 | 0,13 | 0,15 | 0,18 | <20 |
| 366 | 8 | 0,18 | 0,20 | 0,23 | 0,28 | <20 | |
| 549 | 18 | 0,25 | 0,31 | 0,36 | 0,41 | 21 | |
| 732 | 32 | 0,33 | 0,41 | 0,48 | 0,53 | 25 | |
| 1,5 – 3,0 м 2 | 183 | 2 | 0,10 | 0,15 | 0,15 | 0,18 | <20 |
| 366 | 8 | 0,18 | 0,23 | 0,25 | 0,31 | 22 | |
| 549 | 18 | 0,25 | 0,33 | 0,41 | 0,46 | 26 | |
| 732 | 32 | 0,36 | 0,46 | 0,53 | – | 30 | |
| Более 3 м 2 | 183 | 2 | 0,13 | 0,15 | 0,18 | 0,20 | 21 |
| 366 | 8 | 0,20 | 0,25 | 0,31 | 0,33 | 25 | |
| 549 | 18 | 0,31 | 0,38 | 0,46 | 0,51 | 29 | |
| 732 | 32 | 0,41 | 0,51 | – | – | 33 | |
Результаты анализа контроля воздушной среды в помещениях операционных, проводимого Льюисом (Lewis, 1993) и Салвати (Salvati, 1982), выявили, что в некоторых случаях использование ламинарных установок с завышенными скоростями воздуха обуславливает рост уровня обсемененности воздуха в районе хирургического разреза, что может привести к его заражению.
Зависимость изменения скорости потока воздуха от температуры приточного воздуха и величины площади ламинарной панели отражена в таблице. При движении воздуха от начальной точки линии тока будут идти параллельно, затем границы потока поменяются, произойдет сужение в направлении к полу, а, следовательно, он уже не сможет защищать зону, которую определили размеры ламинарной установки. Имея скорость 0,46 м/с, поток воздуха захватит малоподвижный воздух помещения. А поскольку в помещение непрерывно поступают бактерии, в поток воздуха, выходящего из приточного устройства, будут попадать зараженные частицы. Этому содействует рециркуляция воздуха, которая возникает из-за подпора воздуха в помещении.
Для поддержания чистоты операционных помещений, согласно нормам , необходимо обеспечить дисбаланс воздуха за счет увеличения притока на 10% больше, чем вытяжка. Избыточный воздух поступает в смежные, не очищенные помещения. В современных операционных часто используются герметичные раздвижные двери, тогда избыточный воздух не может выйти и циркулирует по помещению, после чего забирается снова в приточное устройство с помощью встроенных вентиляторов, далее он проходит очистку в фильтрах и вторично подается в помещение. Циркулирующий поток воздуха собирает все загрязненные вещества из воздуха помещения (если он будет двигаться вблизи приточного потока, то может его загрязнить). Поскольку происходит нарушение границ потока, неизбежно подмешивание в него воздуха из пространства помещения, а, следовательно, и проникновение в защищаемую стерильную зону вредных частиц.
Повышенная подвижность воздуха влечет за собой интенсивное отслоение частиц отмершей кожи с открытых участков кожного покрова медицинского персонала, после чего они попадают в хирургический разрез. Однако, с другой стороны, развитие инфекционных заболеваний в период реабилитации после операции является следствием гипотермического состояния больного, которое усугубляется при воздействии на него подвижных потоков холодного воздуха. Итак, рационально работающий традиционный воздухораспределитель ламинарного потока в чистом производственном помещении может принести не только пользу, но и вред в процессе операции, проводимой в обычной операционной.
Такая особенность характерна для ламинарных устройств со средней площадью около 3 м 2 – оптимальной для защиты операционной зоны. По американским требованиям , скорость потока воздуха на выходе из ламинарного устройства не должна быть выше 0,15 м/с, то есть с площади 0,09 м 2 в помещение должно приходить 14 л/с воздуха. В данном случае будет поступать 466 л/с (1677,6 м 3 /ч) или около 17 крат/ч. Поскольку согласно нормативная величина воздухообмена в операционных помещениях должна составлять 20 крат/ч, согласно – 25 крат/ч, то 17 крат/ч вполне соответствует требуемым нормам. Выходит, что значение 20 крат/ч подходит для помещения, имеющего объем 64 м 3 .
По нынешним нормам площадь общехирургического профиля (стандартной операционной) должна быть не менее 36 м 2 . Однако к операционным, предназначенным для проведения более сложных операций (ортопедических, кардиологических и т.д.), предъявляются более высокие требования, зачастую объем таких операционных - около 135 – 150 м 3 . Для таких случаев потребуется система распределения воздуха, имеющая большую площадь и производительность воздуха.
Если организуется приток воздуха для операционных большего размера, это приводит к возникновению проблемы поддержания ламинарности потока от уровня на выходе до операционного стола. Проводились исследования потоков воздуха в нескольких операционных помещениях. В каждом из них устанавливались ламинарные панели, которые по занимаемой площади можно разделить на две группы: 1,5 – 3 м 2 и более 3 м 2 , а также были построены экспериментальные установки для кондиционирования воздуха, которые позволяют менять значение температуры приточного воздуха. В ходе исследования были проведены замеры скорости поступающего воздушного потока при различных его расходах и изменении температуры; эти замеры можно увидеть в таблице.
Критерии чистоты операционных помещений
Для правильной организации циркуляции и распределения воздуха в помещении необходимо выбрать рациональный размер приточных панелей, обеспечить нормативную скорость потока и температуру приточного воздуха. Однако эти факторы не гарантируют абсолютное обеззараживание воздуха. Более 30 лет ученые решают вопрос обеззараживания операционных помещений и предлагают разные противоэпидемиологические мероприятия. Сегодня же перед требованиями современных нормативных документов по эксплуатации и проектированию больничных помещений стоит цель обеззараживания воздуха, где основным способом предупреждения накопления и распространения инфекций являются системы ОВК .
Например, согласно стандарту , главная цель его требований – обеззараживание, а в сказано, что «правильно спроектированная система ОВК сводит к минимуму воздушно-капельное распространение вирусов, спор грибков, бактерий и других биологических загрязнений», главную роль в контроле инфекций и других вредных факторов играет система ОВК. В определены требования к системам кондиционирования воздуха помещений, которые говорят о том, что проектирование системы подачи воздуха должно обеспечить минимизацию проникновения бактерий вместе с воздухом в чистые зоны, и поддержать максимально возможный уровень чистоты в оставшейся части операционного помещения.
Однако в нормативных документах не содержатся прямые требования, отражающие определение и контроль эффективности обеззараживания помещений с различными способами вентиляции. Поэтому при проектировании приходится заниматься поисками, которые требуют много времени и не дают заниматься основной работой.
Было выпущено большое количество нормативной литературы о проектировании систем ОВК для операционных залов, в ней описаны требования к обеззараживанию воздушной среды, которым проектировщикоу достаточно трудно соответствовать по целому ряду причин. Для этого мало только знать современное обеззараживающее оборудование и правила работы с ним, нужно еще поддерживать дальнейший своевременный эпидемиологический контроль воздуха в помещениях, что и создает представление качества работы систем ОВК. Это, к сожалению, не всегда соблюдается. Если производимая оценка чистоты производственных помещений ориентируется на наличие в нем частиц (взвешенных веществ), то показатель чистоты в чистых больничных помещениях представлен живыми бактериальными или колониеобразующими частицами, их допустимые уровни приведены в . Чтобы не превысить эти уровни, нужен регулярный контроль воздуха помещений по микробиологическим показателям, для этого требуется вести подсчет микроорганизмов. Методика сбора и подсчета для оценки уровня чистоты воздушной среды не была приведена ни в одном нормативном документе. Очень важно, что подсчет микроорганизмов должен производиться в рабочем помещении во время проведения операции. Но для этого требуется готовый проект и установка системы распределения воздуха. Степень обеззараживания или эффективности работы системы определить до начала работы в операционном зале невозможно, устанавливается это только во время проведения хотя бы нескольких операций. Здесь возникает ряд трудностей для инженеров, ведь необходимые исследования противоречат соблюдению противоэпидемической дисциплины больничных помещений.
Способ воздушных завес
Правильно организованная совместная работа притока и удаления воздуха обеспечивает требуемый воздушный режим операционного зала. Для улучшения характера движения потоков воздуха в операционной необходимо обеспечить рациональное взаиморасположение вытяжных и приточных устройств.
Рис. 1. Анализ работы воздушной завесы
Использование как площади всего потолка для распределения воздуха, так и всего пола для отведения является невозможным. Вытяжные устройства на полу – это негигиенично, поскольку они быстро загрязняются и трудно очищаются. Сложные, громоздкие и дорогие системы не получили широкого распространения в небольших операционных палатах. Поэтому наиболее рациональным считается «островное» размещение ламинарных панелей над защищаемой зоной и установка вытяжных отверстий в нижней части помещения. Это дает возможность организовать потоки воздуха по аналогии с чистыми промышленными помещениями. Этот способ более дешевый и компактный. Успешно применяются воздушные завесы, выступающие как защитный барьер. Воздушная завеса соединяется с потоком приточного воздуха, образуя узкую «оболочку» из воздуха с большей скоростью, которую специально создают по периметру потолка. Такая завеса постоянно работает на вытяжку и не дает поступать в ламинарный поток загрязненному окружающему воздуху.
Чтобы лучше понять принцип работы воздушной завесы, можно представить операционное помещение с вытяжкой, установленной со всех четырех сторон комнаты. Приток воздуха, который поступает из расположенного в центре потолка «ламинарного островка», может только опускаться вниз, при этом расширяясь в стороны стен по мере приближения к полу. Это решение позволит уменьшить зоны рециркуляции и размеры участков застоя, где собираются вредные микроорганизмы, предотвратить смешение воздуха помещения с ламинарным потоком, снизить его ускорение, стабилизировать скорость и получить перекрытие нисходящим потоком всей стерильной зоны. Это способствует изоляции защищаемой зоны от окружающего воздуха и позволяет удалить из нее биологические загрязнители.
Рис. 2 показывает стандартную конструкцию воздушной завесы, имеющей щели по периметру комнаты. Если организовать вытяжку по периметру ламинарного потока, произойдет его растягивание, воздушный поток расширится и заполнит всю зону под завесой, и как результат предотвращение эффекта «сужения» и стабилизация требуемой скорости ламинарного потока.
Рис. 2. Схема воздушной завесы
На рис. 3 представлены значения фактической скорости воздуха при правильно спроектированной воздушной завесе. Они наглядно показывают взаимодействие воздушной завесы с ламинарным потоком, который движется равномерно. Воздушная завеса позволяет избежать установки громоздкой вытяжной системы на весь периметр помещения. Вместо нее, как принято в операционных, в стенах устанавливается традиционная вытяжка. Воздушная завеса служит защитой зоны, охватывающей хирургический персонал и стол, не дает возвращаться загрязненным частицам в начальный воздушный поток.
Рис. 3. Фактический профиль скоростей в сечении воздушной завесы
Какого же уровня обеззараживания можно добиться при использовании воздушной завесы? Если ее плохо спроектировать, то она не принесет большего эффекта, чем ламинарная система. Ошибиться можно на высокой скорости воздуха, тогда такая завеса может «вытягивать» воздушный поток быстрее, чем нужно, и он не успеет достичь операционного стола. Неконтролируемое поведение потока может дать угрозу проникновения зараженных частиц в защищаемую зону с уровня пола. Также завеса с недостаточной скоростью всасывания не сможет полностью шибировать воздушный поток и может в него втянуться. В таком случае воздушный режим операционной будет такой же, как при применении только ламинарного устройства. Во время проектирования нужно правильно выявить диапазон скоростей и выбрать соответствующую систему. От этого зависит расчет характеристик обеззараживания.
Воздушные завесы имеют целый ряд явных преимуществ, но не стоит применять их везде, ведь не всегда требуется создание стерильного потока во время операции. Решение о том, насколько необходимо обеспечивать уровень обеззараживания воздуха, принимается совместно с хирургами, участвующими в данных операциях.
Заключение
Вертикальный ламинарный поток ведет себя не всегда предсказуемо, что зависит от условий его использования. Ламинарные панели, которые эксплуатируются в чистых производственных помещениях, зачастую не обеспечивают необходимый уровень обеззараживания в операционных залах. Установка систем воздушных завес помогает управлять характером движения вертикальных ламинарных воздушных потоков. Воздушные завесы помогают осуществлять бактериологический контроль воздуха в операционных помещениях, особенно при длительных хирургических вмешательствах и постоянном нахождении пациентов со слабой иммунной системой, для которых огромным риском являются воздушные инфекции.
Статья подготовлена А. П. Борисоглебской с использованием материалов журнала «ASHRAE».
Литература
- СНиП 2.08.02–89*. Общественные здания и сооружения.
- СанПиН 2.1.3.1375–03. Гигиенические требования к размещению, устройству, оборудованию и эксплуатации больниц, родильных домов и других лечебных стационаров.
- Инструктивно-методические указания по организации воздухообмена в палатных отделениях и операционных блоках больниц.
- Инструктивно-методические указания по гигиеническим вопросам проектирования и эксплуатации инфекционных больниц и отделений.
- Пособие к СНиП 2.08.02–89* по проектированию учреждений здравоохранения. ГипроНИИздрав Минздрава СССР. М., 1990.
- ГОСТ ИСО 14644-1–2002. Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Ч. 1. Классификация чистоты воздуха.
- ГОСТ Р ИСО 14644-4–2002. Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Ч. 4. Проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию.
- ГОСТ Р ИСО 14644-5–2005. Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Ч. 5. Эксплуатация.
- ГОСТ 30494–96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.
- ГОСТ Р 51251–99. Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка.
- ГОСТ Р 52539–2006. Чистота воздуха в лечебных учреждениях. Общие требования.
- ГОСТ Р МЭК 61859–2001. Кабинеты лучевой терапии. Общие требования безопасности.
- ГОСТ 12.1.005–88. Система стандартов.
- ГОСТ Р 52249–2004. Правила производства и контроля качества лекарственных средств.
- ГОСТ 12.1.005–88. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
- Инструктивно-методическое письмо. Санитарно-гигиенические требования к лечебно-профилактическим учреждениям стоматологического профиля.
- МГСН 4.12-97. Лечебно-профилактические учреждения.
- МГСН 2.01-99. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению.
- Методические указания. МУ 4.2.1089-02. Методы контроля. Биологические и микробиологические факторы. Минздрав России. 2002.
- Методические указания. МУ 2.6.1.1892-04. Гигиенические требования по обеспечению радиационной безопасности при проведении радионуклидной диагностики с помощью радиофармпрепаратов. Классификация помещений ЛПУ.
Во всех современных операционных используются ламинарные системы (ЛС) для предотвращения инфицирования пациента через открытую рану. Операционные светильник, расположенные под потолком, оказывают сильное влияние на ламинарный поток(ЛП). Ниже представлены результаты исследования влияния размеров и геометрических форм операционных светильников на ЛП.
Введение
Ламинарная система — система, создающая чистый, ЛП воздуха, препятствующий попаданию инфекций в рану пациента. ЛС расположена под потолком на уровне «фальшпотолка», ЛС находится над операционным столом и хирургами. Купол операционного светильники располагаются между операционным столом и ЛС, вследствие чего происходит изменение ЛП.
Для вычисления величины влияния геометрии операционного светильника на ЛП используются 2 индекса- LAF (LaminarAirFlow), индекс по Леенеманну и индекс по Оостландеру.
Рисунок 1. Экспериментальная камера
Индекс по Леенеманну учитывает площадь поверхности светильника, кол-во тепловой энергии и освещенность. Данный индекс имеет особенность, если светоотдача высока, то возможно нарушение воздушного потока.
Индекс по Оостландеру учитывает геометрию светильника и является упрощенной версией индекса по Леенеманну.
Алгоритм подсчета коэффициента форму купола светильника до сих пор не найден, поэтому обычно коэффициент берется за 1.
Существует еще один метод оценки эффективности ЛС (VDI).В операционной располагается источник загрязнения, по кол-ву частит попадающих на хирургический стол можно судить о способности ЛС поддерживать заданную чистоту воздуха. Оценка геометрии операционного светильника с помощью метода VDI не является достоверно, тк этот метод дает комплексную оценку помещения.
Методики
Эксперимент проводился в стеклянной камере размером: 2×2×1,65 м, представленной на рисунке 1. В центре на потолке, располагается вентиляционная установка площадью 1 м². Вытяжка располагается по левой нижней стороне высотой 0.2 м. Были выбраны 3 операционных светильника с разной геометрией купола, светильники устанавливались под вентиляционной установкой на удалении 0.25 м. Все действия повторялись для каждого светильника.
Источник загрязнения был расположен в центре помещения на полу, высота источника составляла 0,2 м, размер частиц варьировался от 0,1-5 мкм (дым). Кол-во частиц определялось под светильником на удалении 0,2 м. Для каждой модели светильника было выполнено два эксперимента, первый — в заполненном дымом помещении включали вентиляцию, второй — система вентиляции и источник загрязнения работали постоянно. Также определялась скорость воздуха на расстоянии 0,8 м от пола. Измерения проводились про одинаковой температуре.
Были выбраны 3 различные формы светильников: 1- классическая форма, 2 — светильник с промежутками между отдельными лампами, 3 — светильник с отдельными осветителями. Светильники крепились на тонкую леску для уменьшения влияния на ЛП.
Рисунок 2. Геометрия операционных светильников
Дополнительные данные
Измерения поступающего воздуха в камеру проводилось в 25 точках камеры, была получена средняя скорость равная — 0,31 м/с. Предельное отклонение от этой скорости составляло 11%. Среднее значение турбулентности составило 2,25%, максимальная турбулентность — 7% . Воздушный поток под ЛС можно считать ламинарным. Постоянно измерялась температура в камере и температура поступающего воздуха. Так же измерялось кол-во частиц в поступающем воздушном потоке.
Вычисление индекса ламинарного потока (ИЛП)
Так как светильники не имели светоотдачи и тепловыделения были выбраны одинаковые специальные коэффициенты тепловыделения и освещенности для данных моделей.
ИЛП по Леенеманну:
Где, Р- общее кол-во электроэнергии для 1 лампы, Вт; AG — поверхность купола светильника, см2; Е-освещенность рабочего поля, кЛк.
ИЛП по Оостландеру:
Результаты
Ниже приведены результаты исследования светильника при заполнении помещения дымом и последующем включении вентиляции. Снимки были сделаны с периодом в 3,3с.
Рисунок 3. Работа системы вентиляции при заполнении комнаты дымом.
На следующем рисунке приведены фотографии эксперимента с постоянно работающей вентиляционной системой и источником загрязнения. Данные фотографии показывают структуру потока, для лучшего выделения поверхности чистого участка, выполнено усреднение.
Рисунок 4. Распределение дыма с постоянно работающей вентиляционной системой и источником загрязнения.
С результатами усреднения для трех светильников можно ознакомится на рисунке 5.
Рисунок 5. Усредненная концентрация загрязняющих частиц от непрерывного источника дыма.
Таблица № 1. Концентрация частиц для 3 форм светильников
Если значение фактора защиты равно 0 — это показатель смешанной вентиляции. Если значение фактора защиты равно 1 — концентрация ниже в 10 раз в сравнение с значением 0. если поток частиц устремлен к лампе, то значение фактора защиты может опуститься ниже 0.Для открытого светильника концентрация загрязнения была равна концентрации под приточной камерой.
Рисунок 6. Скорость воздуха в поперечном сечении.
Результаты
Форма светильника по-разному влияет на ЛП. В комнате без светильника максимальная турбулентность наблюдалась в нижнем правом углу. Светильник с открытой формой почти не влияет на результат, а светильник закрытой формы препятствует распространению воздушного потока.
Результаты визуального представления частиц подтверждены результатами подсчетов концентрации частиц. По данным из таблицы 1, установлена связь между результатами измерений частиц и индексами ЛП выбранных форм светильников.
