Laminarny ruch powietrza. Przepływ laminarny i turbulentny

Badanie właściwości przepływów cieczy i gazów jest bardzo ważne dla przemysłu i mediów. Przepływ laminarny i turbulentny wpływa na szybkość transportu wody, ropy, gazu ziemnego rurociągami do różnych celów oraz wpływa na inne parametry. Nauka hydrodynamiki zajmuje się tymi problemami.

Klasyfikacja

W środowisku naukowym reżimy przepływu cieczy i gazów są podzielone na dwie zupełnie różne klasy:

• laminarny (strumień);
• burzliwy.

Wyróżnia się również etap przejściowy. Nawiasem mówiąc, termin „ciecz” ma szerokie znaczenie: może być nieściśliwy (w rzeczywistości jest to ciecz), ściśliwy (gaz), przewodzący itp.

Historia problemu

Nawet Mendelejew w 1880 roku wysunął ideę istnienia dwóch przeciwnych reżimów przepływu. Brytyjski fizyk i inżynier Osborne Reynolds zbadał tę kwestię bardziej szczegółowo, kończąc swoje badania w 1883 roku. Na początku praktycznie, a następnie używając wzorów odkrył, że przy małej prędkości przepływu ruch płynów przybiera kształt laminarny: warstwy (przepływy cząstek) prawie nie mieszają się i poruszają po równoległych trajektoriach. Jednak po przekroczeniu pewnej wartości krytycznej (dla różnych warunków jest różna), zwanej liczbą Reynoldsa, zmieniają się reżimy przepływu cieczy: strumień strumieniowy staje się chaotyczny, wirowy - czyli turbulentny. Jak się okazało, te parametry są również w pewnym stopniu charakterystyczne dla gazów.

Praktyczne obliczenia angielskiego naukowca wykazały, że zachowanie np. Wody silnie zależy od kształtu i wielkości zbiornika (rura, kanał, kapilara itp.), Przez który przepływa. W rurach o przekroju kołowym (służą do montażu rurociągów ciśnieniowych) ich liczbę Reynoldsa - wzór przedstawia się następująco: Re \u003d 2300. Dla przepływu w kanale otwartym inny: Re \u003d 900. Przy mniejszych wartościach Re przepływ będzie uporządkowany, przy dużych wartościach - chaotyczny ...

Przepływ laminarny

Różnica między przepływem laminarnym a turbulentnym polega na naturze i kierunku przepływu wody (gazu). Poruszają się warstwami bez mieszania i bez pulsacji. Innymi słowy, ruch przebiega równomiernie, bez nieregularnych skoków ciśnienia, kierunku i prędkości.

Przepływ laminarny cieczy powstaje np. W wąskich organizmach żywych, kapilarach roślin oraz, w porównywalnych warunkach, podczas przepływu bardzo lepkich cieczy (olej opałowy rurociągiem). Aby wyraźnie zobaczyć strumień prądu wystarczy lekko odkręcić kran - woda popłynie spokojnie, równomiernie, bez mieszania. Jeśli kran zostanie całkowicie zakręcony, ciśnienie w systemie wzrośnie, a przepływ stanie się chaotyczny.

Turbulentny przepływ

W przeciwieństwie do laminarnego, w którym pobliskie cząstki poruszają się po praktycznie równoległych trajektoriach, turbulentny przepływ cieczy jest nieuporządkowany. Jeśli zastosujemy podejście Lagrange'a, to trajektorie cząstek mogą się dowolnie przecinać i zachowywać się dość nieprzewidywalnie. Ruchy cieczy i gazów w tych warunkach są zawsze niestabilne, a parametry tej niestabilności mogą mieć bardzo szeroki zakres.

To, jak laminarny reżim przepływu gazu zmienia się w burzliwy, można prześledzić na przykładzie smugi dymu z palącego się papierosa w nieruchomym powietrzu. Początkowo cząstki poruszają się prawie równolegle po trajektoriach, które nie zmieniają się w czasie. Dym wydaje się nieruchomy. Wtedy w jakimś miejscu nagle pojawiają się duże wiry, które poruszają się zupełnie chaotycznie. Te wiry rozpadają się na mniejsze, te - na jeszcze mniejsze i tak dalej. W końcu dym praktycznie miesza się z otaczającym powietrzem.

Cykle turbulencji

Powyższy przykład to podręcznik, az jego obserwacji naukowcy wyciągnęli następujące wnioski:

1. Przepływy laminarne i turbulentne mają charakter probabilistyczny: przejście z jednego reżimu do drugiego następuje nie w ściśle określonym miejscu, ale w dość arbitralnym, przypadkowym miejscu.
2. Najpierw pojawiają się duże wiry, których rozmiar jest większy niż rozmiar smugi dymu. Ruch staje się niestabilny i wysoce anizotropowy. Duże strumienie tracą stabilność i dzielą się na mniejsze i mniejsze. W ten sposób powstaje cała hierarchia wirów. Energia ich ruchu jest przenoszona z dużej na małą, a pod koniec tego procesu zanika - rozpraszanie energii następuje w małych skalach.
3. Reżim burzliwego przepływu ma charakter przypadkowy: ten lub inny wir może znajdować się w całkowicie arbitralnym, nieprzewidywalnym miejscu.
4. Mieszanie się dymu z otaczającym powietrzem praktycznie nie występuje w trybie laminarnym, aw trybie turbulentnym jest bardzo intensywne.
5. Pomimo tego, że warunki brzegowe są nieruchome, sama turbulencja ma wyraźny niestały charakter - wszystkie parametry gazodynamiczne zmieniają się w czasie.

Jest jeszcze jedna ważna właściwość turbulencji: jest ona zawsze trójwymiarowa. Nawet jeśli weźmiemy pod uwagę jednowymiarowy przepływ w rurze lub dwuwymiarowej warstwie granicznej, ruch turbulentnych wirów nadal zachodzi w kierunkach wszystkich trzech osi współrzędnych.

Liczba Reynoldsa: wzór

Przejście od laminarności do turbulencji charakteryzuje się tzw. Krytyczną liczbą Reynoldsa:

Re cr \u003d (ρuL / µ) cr,

gdzie ρ jest gęstością przepływu, u jest charakterystycznym natężeniem przepływu; L to charakterystyczna wielkość przepływu, µ to współczynnik cr to przepływ przez rurę o przekroju kołowym.

Na przykład dla przepływu o prędkości u w rurze jako L stosuje się Osborne Reynolds; pokazał, że w tym przypadku 2300

Podobny wynik uzyskuje się w warstwie granicznej na płycie. Jako rozmiar charakterystyczny przyjmuje się odległość od przedniej krawędzi płyty, a następnie: 3 × 10 5

Koncepcja zaburzenia prędkości

Przepływ cieczy laminarnej i turbulentnej oraz odpowiednio krytyczna wartość liczby Reynoldsa (Re) zależą od większej liczby czynników: od gradientu ciśnień, wysokości nierówności, intensywności turbulencji w przepływie zewnętrznym, różnicy temperatur itp. Dla wygody te czynniki całkowite nazywane są również zaburzeniem prędkości ponieważ mają pewien wpływ na natężenie przepływu. Jeśli to zaburzenie jest małe, może zostać ugaszone przez siły lepkości dążące do wyrównania pola prędkości. Przy dużych zaburzeniach przepływ może stać się niestabilny i pojawiają się turbulencje.

Biorąc pod uwagę, że fizyczne znaczenie liczby Reynoldsa to stosunek sił bezwładności do sił lepkości, zaburzenie przepływów podlega działaniu wzoru:

Re \u003d ρuL / µ \u003d ρu 2 / (µ × (u / L)).

Licznik zawiera podwojoną wysokość prędkości, a mianownikiem jest wartość rzędu naprężeń tarcia, jeżeli grubość warstwy granicznej przyjmuje się jako L. Ciśnienie przy dużej prędkości ma tendencję do niszczenia równowagi, ale oni się temu sprzeciwiają. Jednak nie jest jasne, dlaczego (lub wysokość podnoszenia) prowadzi do zmian tylko wtedy, gdy są one 1000 razy większe niż siły lepkości.

Obliczenia i fakty

Prawdopodobnie wygodniej byłoby zastosować jako prędkość charakterystyczną w Re cr nie bezwzględną prędkość przepływu u, ale zaburzenie prędkości. W tym przypadku krytyczna liczba Reynoldsa będzie wynosić około 10, to znaczy, gdy zaburzenie wysokości podnoszenia przez naprężenia lepkie jest 5 razy większe, przepływ laminarny płynu wpływa do przepływu turbulentnego. Ta definicja Re, według wielu naukowców, dobrze wyjaśnia następujące eksperymentalnie potwierdzone fakty.

Aby uzyskać idealnie jednorodny profil prędkości na idealnie gładkiej powierzchni, tradycyjnie określona wartość Re cr dąży do nieskończoności, to znaczy praktycznie nie ma przejścia do turbulencji. Ale liczba Reynoldsa, określona przez wielkość zaburzeń prędkości, jest mniejsza niż krytyczna, która wynosi 10.

W obecności sztucznych turbulatorów, które powodują gwałtowny wzrost prędkości porównywalny z prędkością główną, przepływ staje się turbulentny przy znacznie niższych liczbach Reynoldsa niż Re cr, określonych na podstawie wartości bezwzględnej prędkości. Pozwala to na wykorzystanie wartości współczynnika Re cr \u003d 10, gdzie jako prędkość charakterystyczną przyjmuje się wartość bezwzględną zaburzenia prędkości spowodowanego powyższymi przyczynami.

Stabilność reżimu przepływu laminarnego w rurociągu

Przepływ laminarny i turbulentny jest charakterystyczny dla wszystkich rodzajów cieczy i gazów w różnych warunkach. W naturze przepływy laminarne są rzadkie i są typowe na przykład dla wąskich przepływów podziemnych w warunkach płaskich. Naukowcy są bardziej zaniepokojeni tym problemem w kontekście praktycznego zastosowania do transportu wody, ropy, gazu i innych cieczy technicznych rurociągami.

Zagadnienie stabilności przepływu laminarnego jest ściśle związane z badaniem ruchu zaburzonego przepływu głównego. Stwierdzono, że podlega wpływom tzw. Małych perturbacji. W zależności od tego, czy zanikają, czy rosną w czasie, główny prąd jest uważany za stabilny lub niestabilny.

Przepływ płynu ściśliwego i nieściśliwego

Jednym z czynników wpływających na laminarny i turbulentny przepływ płynu jest jego ściśliwość. Ta właściwość płynu jest szczególnie ważna podczas badania stabilności niestabilnych procesów przy szybkiej zmianie głównego przepływu.

Badania pokazują, że laminarny przepływ nieściśliwego płynu w cylindrycznych rurach jest odporny na stosunkowo niewielkie osiowo-symetryczne i nieosiowo-symetryczne zaburzenia w czasie i przestrzeni.

W ostatnim czasie przeprowadzono obliczenia wpływu zaburzeń osiowosymetrycznych na stabilność przepływu na wlocie rury cylindrycznej, gdzie przepływ główny zależy od dwóch współrzędnych. W tym przypadku współrzędna wzdłuż osi rury jest uważana za parametr, od którego zależy profil prędkości wzdłuż promienia rury głównego przepływu.

Wynik

Pomimo stuleci badań nie można powiedzieć, że zarówno przepływy laminarne, jak i turbulentne zostały dokładnie zbadane. Badania eksperymentalne na poziomie mikro rodzą nowe pytania, które wymagają dobrze uzasadnionego uzasadnienia obliczeń. Charakter badań ma również znaczenie użytkowe: na świecie ułożono tysiące kilometrów rurociągów wody, ropy, gazu i produktów. Im więcej rozwiązań technicznych zostanie wprowadzonych w celu zmniejszenia turbulencji podczas transportu, tym będzie on bardziej wydajny.

Opis:

Sale operacyjne to jedno z najważniejszych ogniw w strukturze budynku szpitala ze względu na wagę procesu operacyjnego, a także zapewnienie specjalnych warunków mikroklimatycznych niezbędnych do jego pomyślnej realizacji i zakończenia. Tutaj źródłem uwalniania się drobnoustrojów bakteryjnych jest głównie personel medyczny, który podczas poruszania się po pomieszczeniu jest w stanie wytwarzać cząsteczki i wydalać mikroorganizmy.

Szpitalne sale operacyjne
Kontrola przepływu powietrza

Na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci w naszym kraju i za granicą nastąpił wzrost zachorowań na choroby ropno-zapalne wywołane infekcjami, które zgodnie z definicją Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) nazywane są najczęściej infekcjami szpitalnymi (NOS). Analiza chorób wywołanych zakażeniami szpitalnymi wskazuje, że ich częstość i czas trwania są wprost proporcjonalne do stanu powietrza na terenie szpitala. W celu zapewnienia wymaganych parametrów mikroklimatu w salach operacyjnych (i przemysłowych pomieszczeniach czystych) stosuje się jednokierunkowe nawiewniki powietrza. Wyniki monitoringu powietrza i analizy ruchu powietrza wykazały, że praca takich rozdzielaczy zapewnia wymagane parametry mikroklimatu, ale często pogarsza czystość bakteriologiczną powietrza. Aby chronić strefę krytyczną, konieczne jest, aby strumień powietrza wychodzący z urządzenia pozostawał prosty i nie tracił kształtu swoich granic, to znaczy przepływ nie powinien rozszerzać się ani zawężać nad chronionym obszarem, w którym operacja

Sale operacyjne to jedno z najważniejszych ogniw w strukturze budynku szpitala ze względu na wagę procesu operacyjnego, a także zapewnienie specjalnych warunków mikroklimatycznych niezbędnych do jego pomyślnej realizacji i zakończenia. Tutaj źródłem uwalniania się drobnoustrojów bakteryjnych jest głównie personel medyczny, który podczas poruszania się po pomieszczeniu jest w stanie wytwarzać cząsteczki i wydalać mikroorganizmy. Szybkość przenikania cząstek stałych do powietrza w pomieszczeniu zależy od stopnia mobilności ludzi, temperatury i prędkości powietrza w pomieszczeniu. VBI ma tendencję do przemieszczania się po sali operacyjnej z przepływem powietrza i zawsze istnieje ryzyko jego przeniknięcia do niezabezpieczonej jamy rany operowanego pacjenta. Z obserwacji wynika, że \u200b\u200bnieprawidłowo zorganizowana wentylacja prowadzi do intensywnej kumulacji infekcji do poziomów przekraczających dopuszczalne.

Od kilkudziesięciu lat specjaliści z różnych krajów opracowują systemowe rozwiązania zapewniające warunki powietrza na salach operacyjnych. Strumień powietrza dostarczany do pomieszczenia powinien nie tylko przyswajać różne zagrożenia (ciepło, wilgotność, zapachy, substancje szkodliwe), utrzymywać wymagane parametry mikroklimatu, ale także zapewniać ochronę ściśle określonych stref przed infekcją, czyli niezbędną czystość powietrza w pomieszczeniach. Obszar, w którym przeprowadzane są interwencje inwazyjne (przenikanie do organizmu człowieka), można nazwać obszarem operacyjnym lub „krytycznym”. Norma definiuje taki obszar jako „operacyjny obszar ochrony sanitarnej” i rozumie przez to przestrzeń, w której znajduje się stół operacyjny, stoły pomocnicze na instrumenty i materiały, sprzęt oraz personel medyczny w sterylnej odzieży. Pojawia się w nim pojęcie „rdzeń technologiczny”, odnoszący się do obszaru procesów produkcyjnych w warunkach sterylnych, który w sensie można skorelować z obszarem działania.

Aby zapobiec przenikaniu zanieczyszczeń o charakterze bakteryjnym do najbardziej krytycznych obszarów, powszechnie stosuje się metody przesiewowe z wykorzystaniem powietrza wypierającego. Powstały nawiewniki laminarne o różnych konstrukcjach, później termin „laminarny” zmieniono na przepływ „jednokierunkowy”. W dzisiejszych czasach można znaleźć wiele różnych nazw urządzeń do dystrybucji powietrza w pomieszczeniach czystych, takich jak „laminarny”, „sufit laminarny”, „sufit operacyjny”, „system operacyjny czystego powietrza” itp., Co nie zmienia ich istoty. Nawiewnik jest wbudowany w konstrukcję sufitu powyżej strefy ochronnej pomieszczenia i może mieć różne rozmiary w zależności od natężenia przepływu powietrza. Zalecana optymalna powierzchnia dla takiego sufitu powinna wynosić co najmniej 9 m 2, aby całkowicie pokryć obszar operacyjny ze stołami, wyposażeniem i personelem. Przemieszczający się strumień powietrza z niewielkimi prędkościami wchodzi od góry do dołu jak kurtyna, odcinając zarówno aseptyczne pole strefy interwencji chirurgicznej, jak i strefę przenoszenia sterylnego materiału ze środowiska. Powietrze jest usuwane jednocześnie z dolnej i górnej strefy pomieszczenia. Filtry HEPA (klasa H po) są wbudowane w konstrukcję sufitu, przez którą przepływa powietrze nawiewane. Filtry zatrzymują żywe cząstki, ale ich nie dezynfekują.

Obecnie na całym świecie wiele uwagi poświęca się zagadnieniom dezynfekcji powietrza w szpitalach i innych placówkach, w których występują źródła zakażeń bakteryjnych. Dokumenty zawierają wymagania dotyczące konieczności dezynfekcji powietrza sal operacyjnych ze skutecznością inaktywacji cząstek co najmniej 95%, a także kanałów powietrznych i wyposażenia systemów klimatyzacyjnych. Cząsteczki bakterii uwalniane przez personel chirurgiczny nieustannie przedostają się do powietrza w pomieszczeniu i gromadzą się w nim. Aby zapewnić, że stężenie cząstek w powietrzu w pomieszczeniu nie osiągnie maksymalnych dopuszczalnych poziomów, konieczne jest monitorowanie powietrza. Taką kontrolę należy przeprowadzić po zamontowaniu systemów klimatycznych, konserwacji lub naprawie, czyli w trybie obsługiwanego pomieszczenia czystego.

Stosowanie jednokierunkowych nawiewników powietrza w salach operacyjnych z wbudowanymi w sufit filtrami ultradrobnymi stało się powszechne wśród projektantów. Strumienie powietrza o dużych objętościach opływają posesję z niewielką prędkością, odcinając chroniony obszar od środowiska. Jednak wielu ekspertów nie podejrzewa, że \u200b\u200bte rozwiązania nie wystarczą do utrzymania odpowiedniego poziomu odkażania powietrza podczas operacji.

Faktem jest, że istnieje wiele projektów urządzeń do dystrybucji powietrza, z których każdy ma swój własny obszar zastosowania. Pomieszczenia czyste sal operacyjnych w swojej klasie „czyste” są podzielone na klasy ze względu na stopień czystości, w zależności od przeznaczenia. Na przykład sale operacyjne o ogólnym profilu chirurgicznym, kardiochirurgiczne lub ortopedyczne itp. Każdy konkretny przypadek ma swoje własne wymagania dotyczące zapewnienia czystości.

Pierwsze przykłady zastosowania nawiewników do pomieszczeń czystych pojawiły się w połowie lat pięćdziesiątych XX wieku. Od tego czasu dystrybucja powietrza w pomieszczeniach czystych w przypadkach, w których wymagane jest zapewnienie niskich stężeń cząstek lub mikroorganizmów, stała się tradycyjna, a wytwarzanie przez perforowany sufit. Powietrze przepływa przez całą objętość pomieszczenia w jednym kierunku ze stałą prędkością, zwykle 0,3–0,5 m / s. Powietrze dostarczane jest przez grupę wysokowydajnych filtrów powietrza umieszczonych na suficie pomieszczenia czystego. Dopływ powietrza jest zorganizowany na zasadzie tłoka powietrza poruszającego się w dół przez całe pomieszczenie, usuwając jednocześnie zanieczyszczenia. Powietrze jest usuwane przez podłogę. Ten rodzaj ruchu powietrza pomaga usunąć zanieczyszczenia aerozolowe, których źródłem jest personel i procesy. Taka organizacja wentylacji ma na celu zapewnienie czystości powietrza w pomieszczeniu, ale wymaga dużego zużycia powietrza i dlatego jest nieekonomiczna. W pomieszczeniach czystych klasy 1000 lub klasy ISO 6 (zgodnie z klasyfikacją ISO) wymiana powietrza może odbywać się od 70 do 160 razy / h.

W przyszłości pojawiły się bardziej racjonalne urządzenia typu modułowego o znacznie mniejszych wymiarach i niskich kosztach, co pozwoliło dobrać urządzenie zasilające na podstawie wielkości chronionego obszaru i wymaganych współczynników wymiany powietrza w pomieszczeniu w zależności od przeznaczenia pomieszczenia.

Analiza działania laminarnych rozdzielaczy powietrza

Urządzenia laminarne są stosowane w pomieszczeniach czystych i służą do wypuszczania dużych ilości powietrza, zapewniając obecność specjalnie zaprojektowanych sufitów, okapów podłogowych oraz regulację ciśnienia w pomieszczeniu. W tych warunkach rozdzielacze przepływu laminarnego gwarantują wymagany przepływ jednokierunkowy z równoległymi liniami przepływu. Wysoki współczynnik wymiany powietrza przyczynia się do utrzymania warunków zbliżonych do izotermicznych w przepływie powietrza nawiewanego. Sufity przeznaczone do rozprowadzania powietrza przy dużej wymianie powietrza, ze względu na dużą powierzchnię zapewniają niski początkowy przepływ powietrza. Układy wydechowe na poziomie podłogi i regulacja ciśnienia powietrza w pomieszczeniu minimalizują strefy recyrkulacji, a zasada „jedno przejście, jeden wylot” z łatwością działa. Zawieszone cząsteczki są dociskane do podłogi i usuwane, więc istnieje małe ryzyko recyrkulacji.

Jednak gdy takie dystrybutory powietrza działają na sali operacyjnej, sytuacja znacznie się zmienia. Aby zachować dopuszczalne poziomy bakteriologicznej czystości powietrza w salach operacyjnych, obliczane wartości wymiany powietrza wynoszą zwykle średnio 25 razy / h lub nawet mniej, czyli nie są porównywalne z wartościami dla obiektów przemysłowych. Aby utrzymać stabilny przepływ powietrza między salą operacyjną a sąsiednimi pomieszczeniami, zwykle utrzymuje się nadciśnienie. Usuwanie powietrza odbywa się za pomocą urządzeń wywiewnych, zamontowanych symetrycznie w ścianach dolnej strefy pomieszczenia. Do dystrybucji mniejszych ilości powietrza z reguły stosuje się urządzenia laminarne o małej powierzchni, które są instalowane tylko nad strefą krytyczną pomieszczenia w postaci wyspy pośrodku pomieszczenia, zamiast wykorzystywać cały sufit.

Z obserwacji wynika, że \u200b\u200btakie urządzenia laminarne nie zawsze będą zapewniać przepływ jednokierunkowy. Ponieważ prawie zawsze występuje różnica między temperaturą strumienia zasilającego a temperaturą otoczenia (5–7 ° C), zimniejsze powietrze opuszczające jednostkę zasilającą opada znacznie szybciej niż izotermiczny przepływ jednokierunkowy. Jest to częste zjawisko w przypadku nawiewników sufitowych stosowanych w budynkach użyteczności publicznej. Istnieje powszechne błędne przekonanie, że laminary zapewniają stabilny, jednokierunkowy przepływ powietrza bez względu na to, gdzie i jak są używane. W rzeczywistości w rzeczywistych warunkach prędkość pionowego przepływu laminarnego w niskiej temperaturze będzie wzrastać, gdy zbliża się on do podłogi. Im większa objętość powietrza nawiewanego i im niższa jego temperatura w stosunku do powietrza w pomieszczeniu, tym większe jest przyspieszenie jego przepływu. Z tabeli wynika, że \u200b\u200bzastosowanie układu laminarnego o powierzchni 3 m 2 przy spadku temperatury o 9 ° C daje trzykrotny wzrost prędkości powietrza już w odległości 1,8 m od początku ścieżki. Prędkość powietrza na wylocie z jednostki zasilającej wynosi 0,15 m / s, a na poziomie stołu operacyjnego 0,46 m / s. Ta wartość przekracza dopuszczalny poziom. Wiele badań dowiodło od dawna, że \u200b\u200bniemożliwe jest utrzymanie jej „jednokierunkowości” przy dużych przepływach dostaw. Analiza kontroli powietrza w salach operacyjnych, przeprowadzona w szczególności przez Salvatiego (1982) i Lewisa (Lewis, 1993), wykazała, że \u200b\u200bw niektórych przypadkach stosowanie systemów laminarnych o dużych prędkościach powietrza prowadzi do wzrostu stopnia zanieczyszczenia powietrza w okolicy nacięcia chirurgicznego. późniejsze ryzyko infekcji.

Natężenie przepływu powietrza a powierzchnia panel laminarny i temperatura powietrza nawiewanego

Zużycie powietrza, m 3 / (h.m 2) Ciśnienie, Pa Prędkość powietrza w odległości 2 m od panelu, m / s 3 ° C T. 6 ° C T. 8 ° C T. 11 ° C T. NC Pojedynczy panel 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 m 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 Ponad 3 m 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

T - różnica między temperaturą powietrza nawiewanego i otaczającego

Kiedy przepływ się porusza, w punkcie początkowym linie przepływu powietrza będą równoległe, wówczas granice przepływu ulegną zmianie, zwężając się w kierunku podłogi i nie będzie już w stanie chronić obszaru wyznaczonego przez wymiary instalacji laminarnej. Przy prędkościach powietrza 0,46 m / s, przepływ będzie wychwytywał powietrze o niskiej mobilności z pomieszczenia. Ponieważ cząsteczki bakterii są stale emitowane w pomieszczeniu, zanieczyszczone cząsteczki będą mieszać się ze strumieniem powietrza pochodzącym z wlotu powietrza, ponieważ ich źródła uwalniania stale działają w pomieszczeniu. Ułatwia to recyrkulacja powietrza wynikająca ze zwiększonego ciśnienia powietrza w pomieszczeniu. W celu utrzymania czystości sal operacyjnych, zgodnie z normami, należy zapewnić nierównowagę powietrza poprzez przekroczenie napływu nad wylotem o 10%. Nadmiar powietrza jest przenoszony do sąsiednich, mniej czystych pomieszczeń. W nowoczesnych warunkach uszczelnione drzwi przesuwne są często używane w salach operacyjnych, nadmiar powietrza nie ma dokąd pójść, krąży po pomieszczeniu i jest z powrotem wciągany do wlotu powietrza za pomocą wbudowanych wentylatorów w celu dalszego czyszczenia filtrów i wtórnego zasilania pomieszczenia. Obiegowe powietrze zbiera wszystkie zanieczyszczone cząsteczki z powietrza w pomieszczeniu i poruszając się w pobliżu powietrza nawiewanego, może je zanieczyścić. Z powodu naruszenia granic przepływu powietrze z otaczającej przestrzeni miesza się z nim, a cząsteczki chorobotwórcze wnikają do strefy sterylnej, którą uważa się za chronioną.

Wysoka mobilność przyczynia się do intensywnego złuszczania martwych cząstek naskórka z niezabezpieczonych obszarów skóry personelu medycznego i ich przedostania się bezpośrednio do nacięcia operacyjnego. Z drugiej strony należy zwrócić uwagę, że rozwój chorób zakaźnych w okresie pooperacyjnym spowodowany jest stanem hipotermicznym pacjenta, który nasila się pod wpływem prądów zimnego powietrza o zwiększonej ruchliwości.

W związku z tym nawiewnik powietrza o przepływie laminarnym, tradycyjnie używany i skutecznie działający w czystym pomieszczeniu, może być szkodliwy dla operacji na konwencjonalnej sali operacyjnej.

Ta rozmowa dotyczy urządzeń laminarnych o średniej powierzchni około 3 m 2 - optymalnej do ochrony obszaru operacyjnego. Zgodnie z wymaganiami amerykańskimi, natężenie przepływu powietrza na wylocie paneli laminarnych nie powinno przekraczać 0,15 m / s, czyli od 1 ft 2 (0,09 m 2) powierzchni panelu do pomieszczenia musi dostać się 14 l / s powietrza. W naszym przypadku będzie to 466 l / s (1677,6 m3 / h) lub około 17 razy / h. Zgodnie ze standardową wartością wymiany powietrza w salach operacyjnych powinna ona wynosić 20 razy / godzinę, 25 razy / godzinę, a więc 17 razy / godzinę jest w pełni zgodne z wymaganiami. Okazuje się, że wartość 20 razy / h odpowiada pomieszczeniu o kubaturze 64 m 3.

Zgodnie z dzisiejszymi standardami powierzchnia standardowej sali operacyjnej (profil ogólny) powinna wynosić co najmniej 36 m 2. A w przypadku sal operacyjnych do bardziej złożonych operacji (kardiologicznych, ortopedycznych itp.) Wymagania są znacznie wyższe, a często objętość takiej sali operacyjnej może przekraczać 135-150 m 3. System dystrybucji powietrza w tych przypadkach będzie wymagał znacznie większej powierzchni i wydajności powietrza.

W przypadku organizowania przepływu powietrza w większych salach operacyjnych pojawia się problem obserwacji przepływu laminarnego z płaszczyzny wyjścia na poziom stołu operacyjnego. W kilku salach operacyjnych przeprowadzono badania zachowania przepływu powietrza. W różnych pomieszczeniach zamontowano panele laminarne, które podzielono powierzchniowo na dwie grupy: 1,5–3 m 2 i ponad 3 m 3 oraz zamontowano eksperymentalne klimatyzatory, co umożliwiło zmianę temperatury nawiewanego powietrza. Wielokrotne pomiary natężenia przepływu powietrza nawiewanego przeprowadzono przy różnych natężeniach przepływu i spadkach temperatury, których wyniki przedstawiono w tabeli.

Kryteria czystości

Prawidłowe decyzje dotyczące organizacji rozdziału powietrza w salach operacyjnych: dobór racjonalnej wielkości paneli nawiewnych, zapewnienie normalnego natężenia przepływu i temperatury powietrza nawiewanego - nie gwarantuje całkowitej dezynfekcji powietrza w pomieszczeniu. Kwestia dezynfekcji powietrza w salach operacyjnych została podniesiona ponad 30 lat temu, gdy zaproponowano różne środki przeciwepidemiologiczne. A teraz celem wymagań nowoczesnych dokumentów regulacyjnych dotyczących projektowania i funkcjonowania szpitali jest dezynfekcja powietrza, w której systemy HVAC są przedstawiane jako główny sposób zapobiegania rozprzestrzenianiu się i gromadzeniu infekcji.

Na przykład norma traktuje dezynfekcję jako główny cel swoich wymagań, zauważa: „odpowiednio zaprojektowany system HVAC minimalizuje przenoszenie wirusów, bakterii, zarodników grzybów i innych zanieczyszczeń biologicznych”, systemy HVAC odgrywają główną rolę w kontrolowaniu infekcji i innych szkodliwych czynników. Podkreślono wymaganie dotyczące systemów klimatyzacji sal operacyjnych: „System nawiewu powietrza powinien być tak zaprojektowany, aby zminimalizować przenikanie bakterii do stref sterylnych wraz z powietrzem, a także zachować maksymalny poziom czystości w pozostałej części sali operacyjnej”.

Jednak dokumenty regulacyjne nie zawierają bezpośrednich wymagań dotyczących określania i monitorowania skuteczności dezynfekcji dla różnych metod wentylacji, a projektanci często muszą angażować się w działania poszukiwawcze, co zajmuje dużo czasu i odwraca uwagę od głównej pracy.

W naszym kraju istnieje wiele różnych literatury regulacyjnej dotyczącej projektowania systemów HVAC dla budynków szpitalnych i wszędzie pojawiają się wymagania dotyczące dezynfekcji powietrza, które z wielu obiektywnych powodów są praktycznie trudne do wdrożenia przez projektantów. Wymaga to nie tylko znajomości nowoczesnego sprzętu dezynfekującego i poprawności jego obsługi, ale przede wszystkim dalszej terminowej kontroli epidemiologicznej powietrza w pomieszczeniach, która daje wyobrażenie o jakości systemów HVAC, ale niestety nie zawsze jest przeprowadzana. Jeżeli ocena czystości czystego obiektu przemysłowego opiera się na obecności w nim cząstek (np. Pyłu), to wskaźnikiem czystości powietrza w pomieszczeniach czystych budynków medycznych są żywe cząsteczki bakterii lub kolonie, których dopuszczalne poziomy są podane. Aby utrzymać te poziomy, środowisko powietrza powinno być regularnie monitorowane pod kątem wskaźników mikrobiologicznych, dla których konieczna jest umiejętność ich liczenia. Metoda zbierania i zliczania mikroorganizmów do oceny czystości powietrza nie została jeszcze podana w żadnym z dokumentów regulacyjnych. Ważne jest, aby zliczanie cząstek drobnoustrojów było przeprowadzane na sali operacyjnej, czyli podczas operacji. Ale w tym celu projekt i instalacja systemu dystrybucji powietrza muszą być gotowe. Poziomu dezynfekcji ani wydajności systemu nie można określić przed rozpoczęciem pracy na sali operacyjnej; można to zrobić tylko w warunkach co najmniej kilku procesów operacyjnych. Dla inżynierów stwarza to duże trudności, gdyż badania, choć konieczne, są sprzeczne z procedurą przestrzegania szpitalnej dyscypliny antyepidemicznej.

Kurtyna powietrzna

Aby zapewnić wymagany przepływ powietrza na sali operacyjnej, ważne jest, aby odpowiednio zorganizować wspólną pracę dostarczania i usuwania powietrza. Racjonalne rozmieszczenie urządzeń nawiewnych i wywiewnych na sali operacyjnej może poprawić charakter ruchu przepływów powietrza.

W salach operacyjnych nie jest możliwe wykorzystanie zarówno całej powierzchni sufitu do dystrybucji powietrza, jak i powierzchni podłogi do odprowadzania powietrza. Okapy stojące na podłodze są niehigieniczne, ponieważ szybko się brudzą i są trudne do czyszczenia. Nieporęczne, złożone i drogie systemy nigdy nie znalazły zastosowania w małych salach operacyjnych. Z tych powodów najbardziej racjonalne jest „wysepkowe” rozmieszczenie paneli laminarnych nad obszarem krytycznym z zamontowaniem otworów wylotowych w dolnej części ścian. Umożliwia to symulację przepływów powietrza w czystym pomieszczeniu przemysłowym w tańszy i mniej uciążliwy sposób. Taka metoda, jak zastosowanie kurtyn powietrznych działających na zasadzie bariery ochronnej, okazała się skuteczna. Kurtyna powietrzna działa dobrze przy przepływie powietrza nawiewanego w postaci wąskiej „skorupy” powietrza przy większej prędkości, specjalnie zorganizowanej na obwodzie sufitu. Kurtyna powietrzna działa w sposób ciągły, usuwając powietrze i zapobiegając przedostawaniu się zanieczyszczonego powietrza z otoczenia do przepływu laminarnego.

Aby zrozumieć działanie kurtyny powietrznej, należy wyobrazić sobie salę operacyjną z okapem wyciągowym umieszczonym ze wszystkich czterech stron pomieszczenia. Powietrze nawiewane z „wyspy laminarnej” znajdującej się w środku sufitu będzie tylko opadać, rozszerzając się w kierunku ścian w miarę opadania. Rozwiązanie to ogranicza strefy recyrkulacji, wielkość obszarów zastoju, w których gromadzą się patogenne mikroorganizmy, a także zapobiega mieszaniu się przepływu laminarnego z powietrzem w pomieszczeniu, zmniejsza jego przyśpieszenie i stabilizuje prędkość, w wyniku czego przepływ w dół pokrywa (blokuje) całą strefę sterylną. Pomaga to usunąć zanieczyszczenia biologiczne z chronionego obszaru i odizolować go od środowiska.

Na rys. 1 przedstawia standardową konstrukcję kurtyny powietrznej ze szczelinami wokół pomieszczenia. Organizując odciąg po obwodzie przepływu laminarnego, rozciąga się, rozszerza i wypełnia całą strefę wewnątrz kurtyny, dzięki czemu unika się efektu „zwężenia” i stabilizuje wymagany przepływ laminarny.

Figa. 3 przedstawia wartości rzeczywistej (zmierzonej) prędkości, która występuje przy prawidłowo zaprojektowanej kurtynie powietrznej, które wyraźnie pokazują interakcję przepływu laminarnego z kurtyną, a przepływ laminarny porusza się równomiernie. Kurtyna powietrzna eliminuje potrzebę instalowania nieporęcznego systemu wyciągowego na całym obwodzie pomieszczenia, zamiast którego ściany są wyposażone w tradycyjny układ wydechowy, jak to jest powszechne w salach operacyjnych. Kurtyna powietrzna chroni obszar bezpośrednio wokół personelu chirurgicznego i stołu, zapobiegając powrotowi skażonych cząstek do głównego strumienia powietrza.

Po wykonaniu projektu kurtyny powietrznej pojawia się pytanie, jaki poziom dezynfekcji można osiągnąć podczas jej eksploatacji. Źle zaprojektowana kurtyna powietrzna nie będzie bardziej skuteczna niż tradycyjny system laminarny. Błędem projektowym może być duża prędkość powietrza, ponieważ taka kurtyna zbyt szybko „ciągnie” przepływ laminarny, to znaczy nawet zanim dotrze do podłogi roboczej. Właściwości przepływu nie można kontrolować i może wystąpić ryzyko przedostania się zanieczyszczonych cząstek do obszaru roboczego z poziomu podłogi. Podobnie kurtyna powietrzna o niskim współczynniku zasysania nie może skutecznie tłumić przepływu laminarnego i może zostać do niego wciągnięta. W takim przypadku tryb powietrza w pomieszczeniu będzie taki sam, jak przy użyciu tylko laminarnego urządzenia zasilającego. Podczas projektowania ważne jest prawidłowe określenie zakresu prędkości i dobór odpowiedniego systemu. Wpływa to bezpośrednio na obliczenia właściwości dezynfekcji.

Pomimo wyraźnych zalet kurtyn powietrznych nie należy ich montować na ślepo. Sterylny przepływ powietrza generowany przez kurtyny powietrzne podczas operacji nie zawsze jest wymagany. Potrzeba zapewnienia poziomu dezynfekcji powietrza powinna być rozwiązywana wspólnie z technologami, w roli których w tym przypadku powinni brać udział chirurdzy uczestniczący w poszczególnych operacjach.

Wniosek

Pionowy przepływ laminarny może zachowywać się nieprzewidywalnie w zależności od trybu pracy. Panele laminarne stosowane w pomieszczeniach czystych z reguły nie zapewniają wymaganego poziomu odkażania w salach operacyjnych. Systemy kurtyn powietrznych pomagają korygować pionowe wzorce przepływu laminarnego. Kurtyny powietrzne są optymalnym rozwiązaniem problemu bakteriologicznego monitoringu środowiska powietrza na salach operacyjnych, zwłaszcza podczas długotrwałych operacji operacyjnych i znajdowania pacjentów z upośledzonym układem odpornościowym, u których infekcje przenoszone drogą powietrzną stanowią szczególne zagrożenie.

Artykuł został przygotowany przez A. P. Borisoglebskaya na podstawie materiałów z czasopisma „ASHRAE”.

Ruch cieczy obserwowany przy małych prędkościach, przy którym poszczególne strumienie cieczy poruszają się równolegle do siebie i do osi przepływu, nazywany jest laminarnym reżimem ruchu cieczy.

Ruch laminarny w eksperymentach

Bardzo wizualne przedstawienie laminarnego reżimu ruchu płynu można uzyskać z eksperymentu Reynoldsa. Szczegółowy opis .

Ciekłe medium wypływa ze zbiornika przezroczystą rurką i poprzez kran trafia do odpływu. W ten sposób ciecz przepływa z pewnym małym i stałym natężeniem przepływu.

Cienka rurka jest zainstalowana na wlocie rury, przez którą kolorowe medium wpływa do centralnej części przepływu.

Kiedy farba dostanie się do strumienia cieczy poruszającej się z małą prędkością, czerwona farba będzie się przemieszczać równomiernym strumieniem. Z tego doświadczenia można wywnioskować, że płyn jest warstwowy, bez mieszania i tworzenia wirów.

Taki reżim przepływu płynu jest zwykle nazywany laminarnym.

Rozważmy główne prawa reżimu laminarnego z ruchem jednostajnym w okrągłych rurach, ograniczając się do przypadków, gdy oś rury jest pozioma.

W takim przypadku rozważymy już uformowany przepływ, tj. przepływ w odcinku, którego początek znajduje się od odcinka wlotowego rury w odległości zapewniającej ostateczną stabilną postać rozkładu prędkości na odcinku przepływu.

Mając na uwadze, że przepływ laminarny ma charakter warstwowy (strumieniowy) i zachodzi bez mieszania się cząstek, należy przyjąć, że w przepływie laminarnym będą występowały tylko prędkości równoległe do osi rury, natomiast nie będzie prędkości poprzecznych.

Można sobie wyobrazić, że w tym przypadku poruszający się płyn jest niejako podzielony na nieskończenie dużą liczbę nieskończenie cienkich cylindrycznych warstw równoległych do osi rurociągu i poruszających się jedna w drugiej z różnymi prędkościami, rosnącymi w kierunku od ścianek do osi rury.

W tym przypadku prędkość w warstwie bezpośrednio stykającej się ze ściankami na skutek efektu sklejania jest równa zeru i osiąga maksymalną wartość w warstwie poruszającej się wzdłuż osi rury.

Formuła przepływu laminarnego

Przyjęty schemat ruchu oraz przedstawione powyżej założenia pozwalają teoretycznie ustalić prawo rozkładu prędkości w przekroju przepływu w reżimie laminarnym.

Aby to zrobić, wykonaj następujące czynności. Oznaczmy promień wewnętrzny rury przez r i wybierzmy początek współrzędnych w środku jej przekroju poprzecznego O, kierując oś x wzdłuż osi rury, a oś z wzdłuż pionu.

Teraz wybierzmy objętość cieczy wewnątrz rury w postaci cylindra o pewnym promieniu yi długości L i zastosujmy do niej równanie Bernoulliego. Ponieważ ze względu na poziomą oś rury z1 \u003d z2 \u003d 0, to

gdzie R jest promieniem hydraulicznym przekroju wybranej objętości cylindrycznej \u003d y / 2

τ - jednostkowa siła tarcia \u003d - μ * dυ / dy

Podstawiając wartości R i τ do pierwotnego równania, otrzymujemy

Określając różne wartości współrzędnej y, można obliczyć prędkości w dowolnym punkcie przekroju. Oczywiście maksymalna prędkość będzie wynosić y \u003d 0, tj. na osi rury.

Aby przedstawić te równania graficznie, konieczne jest odłożenie, w pewnej skali, z pewnej dowolnej linii prostej AA, prędkości w postaci odcinków skierowanych w dół cieczy i połączenie końców odcinków gładką krzywą.

Powstała krzywa będzie przedstawiać krzywą rozkładu prędkości w przekroju poprzecznym przepływu.

Zupełnie inaczej wygląda wykres zmiany siły tarcia τ na przekroju. Zatem w reżimie laminarnym w rurze cylindrycznej prędkości w przekroju poprzecznym przepływu zmieniają się zgodnie z prawem parabolicznym, a naprężenia ścinające zgodnie z liniowym.

Uzyskane wyniki są ważne dla odcinków rur o w pełni rozwiniętym przepływie laminarnym. W rzeczywistości ciecz, która wpływa do rury, musi przejść przez pewien odcinek od sekcji wlotowej, zanim w rurze zostanie ustalone prawo parabolicznego rozkładu prędkości odpowiadające reżimowi laminarnemu.

Rozwój przepływu laminarnego w rurze

Rozwój reżimu laminarnego w rurze można sobie wyobrazić w następujący sposób. Na przykład niech ciecz dostanie się do rury z dużego zbiornika, którego krawędzie wlotu są dobrze zaokrąglone.

W tym przypadku prędkości we wszystkich punktach przekroju wlotu będą praktycznie takie same, z wyjątkiem bardzo cienkiej, tzw. Warstwy przyściennej (przyściennej), w której na skutek przylegania cieczy do ścianek następuje niemal nagły spadek prędkości do zera. Dlatego krzywą prędkości w sekcji wlotowej można dość dokładnie przedstawić jako odcinek linii prostej.

Wraz z odległością od wejścia, z powodu tarcia na ścianach, warstwy cieczy przylegające do warstwy granicznej zaczynają zwalniać, grubość tej warstwy stopniowo rośnie, a ruch w niej, wręcz przeciwnie, spowalnia.

Środkowa część przepływu (rdzeń przepływu), jeszcze nie uchwycona przez tarcie, nadal porusza się jako całość, z mniej więcej taką samą prędkością dla wszystkich warstw, a spowolnienie w warstwie przyściennej nieuchronnie powoduje wzrost prędkości w rdzeniu.

Tak więc w środku rury, w rdzeniu, prędkość przepływu cały czas rośnie, natomiast na ścianach, w rosnącej warstwie granicznej, maleje. Dzieje się tak, dopóki warstwa graniczna nie pokryje całej sekcji przepływu, a rdzeń zostanie zredukowany do zera. To kończy tworzenie przepływu, a krzywa prędkości przyjmuje zwykły kształt paraboliczny dla reżimu laminarnego.

Przejście od przepływu laminarnego do turbulentnego

Laminarny przepływ cieczy w pewnych warunkach może zmienić się w burzliwy. Wraz ze wzrostem prędkości przepływu warstwowa struktura przepływu zaczyna się zapadać, pojawiają się fale i wiry, których propagacja w przepływie wskazuje na narastające zaburzenie.

Stopniowo liczba wirów zaczyna rosnąć i rośnie, aż strużka rozpada się na wiele mniejszych, mieszając się ze sobą.

Chaotyczny ruch tak małych strumieni pozwala mówić o początku przejścia z reżimu przepływu laminarnego na burzliwy. Wraz ze wzrostem prędkości przepływ laminarny traci swoją stabilność, podczas gdy wszelkie przypadkowe drobne zakłócenia, które wcześniej powodowały jedynie niewielkie fluktuacje, zaczynają szybko się rozwijać.

Film o przepływie laminarnym

W przypadku gospodarstw domowych przejście z jednego trybu przepływu do drugiego można prześledzić na przykładzie strumienia dymu. Początkowo cząstki poruszają się prawie równolegle po trajektoriach, które nie zmieniają się w czasie. Dym jest praktycznie nieruchomy. Z biegiem czasu w niektórych miejscach nagle pojawiają się duże wiry, które poruszają się po chaotycznych trajektoriach. Te wiry rozpadają się na mniejsze, te na jeszcze mniejsze i tak dalej. W końcu dym praktycznie miesza się z otaczającym powietrzem.

Gdy ciecz przepływa przez zamknięty kanał, taki jak rura, lub między dwiema płaskimi płytami, może mieć miejsce jeden z dwóch rodzajów przepływu w zależności od prędkości i lepkości cieczy: przepływ laminarny lub przepływ turbulentny. Przepływ laminarny ma tendencję do zachodzenia przy niższych prędkościach, poniżej progu, przy którym staje się burzliwy. Przepływ turbulentny to mniej uporządkowany model przepływu, który charakteryzuje się wirami lub małymi paczkami cząstek cieczy, które powodują mieszanie boczne. W kategoriach pozanaukowych przepływ laminarny jest gładki podczas gdy przepływ burzliwy jest niegrzeczny .

Związek z liczbą Reynoldsa

Rodzaj przepływu występującego w płynie w kanale jest ważny w przypadku problemów z dynamiką płynów, a następnie wpływa na niego wymiana ciepła i masy w układach płynów. Bezwymiarowa liczba Reynoldsa jest ważnym parametrem w równaniach, które opisują, czy w pełni rozwinięte warunki przepływu należy wprowadzić do przepływu laminarnego czy turbulentnego. Liczba Reynoldsa to stosunek siły bezwładności do siły ścinającej płynu: jak szybko płyn porusza się w stosunku do jego lepkości, niezależnie od skali układu płynu. Przepływ laminarny występuje zwykle, gdy płyn porusza się powoli lub jest bardzo lepki. Wraz ze wzrostem liczby Reynoldsa, na przykład poprzez zwiększenie natężenia przepływu płynu, przepływ zmieni się z przepływu laminarnego na turbulentny w pewnym zakresie liczb Reynoldsa przejścia w zakresie laminarno-turbulentnym w zależności od małych poziomów interferencji w płynie lub niedoskonałości w układzie przepływu. Jeśli liczba Reynoldsa jest bardzo mała, znacznie mniejsza niż 1, wówczas płyn będzie wykazywał przepływ Stokesa lub pełzający, w którym siła lepkości płynu jest zdominowana przez siły bezwładności.

Konkretne obliczenia liczby Reynoldsa i wartości, w których występuje przepływ laminarny, będą zależeć od geometrii systemu przepływu i struktury przepływu. Ogólny przykład przepływu przez rurę, w której liczba Reynoldsa jest zdefiniowana jako

R mi \u003d ρ u DH μ \u003d u DH ν \u003d QDH ν A, (\\ Displaystyle \\ operatorname (Re) \u003d (\\ Frac (\\ rho uD _ (\\ tekst (H))) (\\ mu)) \u003d (\\ Frac ( uD _ (\\ text (H))) (\\ nu)) \u003d (\\ frac (QD _ (\\ text (H))) (\\ nu A)),) re H jest średnicą przewodu hydraulicznego (m); Q to objętościowe natężenie przepływu (m 3 / s); To jest powierzchnia rury w przekroju (m 2); U jest średnią prędkością płynu (jednostki SI: m / s); μ jest lepkością dynamiczną cieczy (Pa · s \u003d N · s / m 2 \u003d kg / (m · s)); ν jest lepkością kinematyczną płynu, ν = μ / p (m 2 / s); ρ reprezentuje gęstość cieczy (kg / m3).

W takich systemach przepływ laminarny występuje, gdy liczba Reynoldsa jest poniżej wartości krytycznej około 2040 r., Chociaż zakres przejścia wynosi zwykle od 1800 do 2100.

W przypadku układów hydraulicznych występujących na powierzchniach zewnętrznych, takich jak opływanie obiektów zawieszonych w cieczy, można zastosować inne definicje liczb Reynoldsa, aby przewidzieć rodzaj przepływu wokół obiektu. Cząstki liczba Reynoldsa Re p zostanie wykorzystana na przykład do cząstek zawieszonych w płynnym płynie. Podobnie jak w przypadku przepływu w rurach, przepływ laminarny ma tendencję do występowania przy niższych liczbach Reynoldsa, podczas gdy przepływ turbulentny i związane z nim zjawiska, takie jak wiry, występują przy wyższych liczbach Reynoldsa.

Przykłady

Powszechnym zastosowaniem przepływu laminarnego jest płynny przepływ lepkiego płynu przez rurkę lub rurę. W tym przypadku prędkość przepływu zmienia się od zera na ścianach maksimum wzdłuż środka przekroju naczynia. Profil przepływu laminarnego przepływu w rurze można obliczyć, dzieląc przepływ na cienkie cylindryczne elementy i przykładając do nich siłę lepkości.

Innym przykładem jest przepływ powietrza nad skrzydłem samolotu. Warstwa graniczna to bardzo cienka warstwa powietrza leżąca na powierzchni skrzydła (i wszystkich innych powierzchni samolotu). Ponieważ powietrze jest lepkie, ta warstwa powietrza ma tendencję do przyklejania się do skrzydła. Gdy skrzydło porusza się do przodu w powietrzu, warstwa graniczna najpierw płynnie przepływa przez opływowy kształt z płata. Tutaj przepływ jest laminarny, a warstwa graniczna jest warstwą laminarną. Prandtl zastosował koncepcję laminarnej warstwy granicznej z powierzchniami aerodynamicznymi w 1904 roku.

laminarne bariery przepływu

Laminarny przepływ powietrza służy do oddzielania objętości powietrza lub zapobiegania przedostawaniu się zanieczyszczeń z powietrza do obszaru. Okapy z przepływem laminarnym są stosowane w celu eliminacji zanieczyszczeń z wrażliwych procesów w nauce, elektronice i medycynie. Kurtyny powietrzne są często stosowane komercyjnie, aby umożliwić przepływ ogrzanego lub schłodzonego powietrza przez drzwi. Reaktor z przepływem laminarnym (LFR) to reaktor wykorzystujący przepływ laminarny do badania reakcji chemicznych i mechanizmów procesu.

Powietrze w pomieszczeniach przemysłowych jest potencjalnym źródłem skażenia lekami, dlatego jego oczyszczanie jest jednym z kluczowych zagadnień higieny technologicznej. O klasie czystości decyduje poziom czystości powietrza w pomieszczeniu.

Aby zapewnić produkcję sterylnych roztworów z bezpyłowym sterylnym powietrzem, stosuje się zarówno konwencjonalne systemy wentylacji turbulentnej, które zapewniają sterylność powietrza w pomieszczeniu, jak i systemy z laminarnym przepływem powietrza po całej powierzchni pomieszczenia lub w niektórych obszarach roboczych.

Przy przepływie turbulentnym oczyszczone powietrze zawiera do 1000 cząsteczek na 1 litr, gdy powietrze jest nawiewane laminarnym przepływem przez całą objętość pomieszczenia, zawartość cząstek w powietrzu jest 100 razy mniejsza.

Lokal z przepływ laminarny- są to takie pomieszczenia, w których powietrze jest doprowadzane w kierunku obszaru roboczego przez filtry zajmujące całą ścianę lub sufit i jest usuwane przez powierzchnię przeciwną do wlotu powietrza.

Istnieją dwa systemy: pionowy przepływ laminarny, w którym powietrze przepływa z góry przez sufit i wypływa przez listwową podłogę oraz poziomy przepływ laminarny, w którym powietrze wchodzi przez jeden, a wypływa przez przeciwległą perforowaną ścianę. Przepływ laminarny przenosi z pomieszczenia wszystkie unoszące się w powietrzu cząsteczki pochodzące z dowolnych źródeł (personel, sprzęt itp.).

W pomieszczeniach czystych należy stworzyć przepływ laminarny. Laminarne systemy przepływu powietrza muszą zapewniać jednorodną prędkość powietrza około 0,30 m / s dla przepływów pionowych i około 0,45 m / s dla przepływów poziomych. Przygotowanie i kontrola powietrza pod kątem wtrąceń mechanicznych i zanieczyszczeń mikrobiologicznych, a także ocena sprawności filtrów powietrza powinny być przeprowadzone zgodnie z dokumentacją regulacyjną i techniczną.

Na rys. 5.2 przedstawia różne schematy dostarczania bezpyłowego powietrza do hali produkcyjnej.

Postać: 5.2. Bezpyłowe schematy nawiewu powietrza: A - przepływ turbulentny; B - przepływ laminarny

Aby zapewnić wymaganą czystość powietrza w układach „pionowy przepływ laminarny” i „poziomy przepływ laminarny” stosuje się instalacje filtrujące składające się ze wstępnych zgrubnych filtrów oczyszczających powietrze - wentylatora i filtra sterylizującego (rys. 5.3.).

Postać: 5.3. Instalacja filtracji i sterylizacji powietrza:

1 - filtr zgrubny; 2 - wentylator; 3 - filtr dokładny

Do ostatecznego oczyszczenia powietrza z cząstek i zawartej w nim mikroflory stosuje się filtr LAIK. Jako materiał filtrujący wykorzystuje ultracienkie włókno z żywicy perchlorowinylowej. Materiał ten jest hydrofobowy, odporny na środowiska agresywne chemicznie i może pracować w temperaturach nie wyższych niż 60 ° C i wilgotności względnej do 100%. Ostatnio rozpowszechnione stały się wysokowydajne filtry powietrza z cząstkami stałymi (HEPA).

Wysoką czystość powietrza zapewnia filtracja przez filtr wstępny, a następnie za pomocą wentylatora - przez filtr sterylizujący z materiałem filtrującym FPP-15-3, stanowiącym warstwę ultracienkich włókien wykonanych z polichlorowanego polimeru winylowego. Wewnątrz pomieszczeń można dodatkowo zainstalować mobilne oczyszczacze powietrza recyrkulacyjnego VOPR-0.9 i VOPR-1.5, które zapewniają szybkie i efektywne oczyszczanie powietrza dzięki mechanicznej filtracji przez filtr z ultracienkich włókien i promieniowania ultrafioletowego. Oczyszczacze powietrza mogą być używane podczas pracy, ponieważ nie mają negatywnego wpływu na obsługę i nie powodują nieprzyjemnych wrażeń.

Aby stworzyć super czyste pomieszczenia lub wydzielone strefy wewnątrz, umieszcza się specjalny blok, do którego autonomicznie doprowadzany jest laminarny przepływ sterylnego powietrza.

Wymagania dotyczące personelu i kombinezonu

Wyposażenie produkcji w systemy przepływu laminarnego oraz dostarczanie czystego i sterylnego powietrza do pomieszczeń nie rozwiązuje jeszcze problemu czystego powietrza, ponieważ Personel wewnętrzny jest również aktywnym źródłem zanieczyszczeń. Dlatego minimalna liczba pracowników przewidziana w odpowiednich instrukcjach powinna znajdować się w czystych pomieszczeniach produkcyjnych podczas pracy.

W ciągu minuty osoba bez ruchu emituje 100 tysięcy cząstek. Podczas intensywnej pracy liczba ta wzrasta do 10 milionów. Średnia liczba mikroorganizmów wydalanych przez osobę w ciągu 1 minuty sięga 1500-3000. Dlatego ochrona leków przed skażeniem człowieka jest jednym z głównych problemów higieny technologicznej, a rozwiązywać go głównie poprzez higienę osobistą pracowników oraz stosowanie odzieży technologicznej.

Personel wchodzący na obszar produkcyjny musi być ubrany w specjalną odzież odpowiednią do wykonywanych czynności produkcyjnych. Odzież technologiczna personelu musi odpowiadać klasie czystości obszaru, na którym pracuje i spełniać swój główny cel - maksymalnie chronić produkt przed cząstkami emitowanymi przez człowieka.

Głównym celem odzieży technologicznej pracowników jest maksymalne zabezpieczenie produktu produkcyjnego przed cząstkami emitowanymi przez człowieka. Szczególnie ważny jest materiał, z którego wykonana jest odzież technologiczna. Musi mieć minimalne oddzielanie kłaczków, pojemność pyłu, przepuszczalność pyłu, a także przepuszczalność powietrza co najmniej 300 m 3 / (m 2 s), higroskopijność co najmniej 7% i nie gromadzi ładunków elektrostatycznych.

Na odzież osobową i technologiczną przeznaczoną dla stref różnego typu nakładane są następujące wymagania:

· Klasa D: Włosy muszą być zakryte. Należy nosić ogólny strój ochronny, odpowiednie obuwie lub kalosze.

· Klasa C: Włosy muszą być zakryte. Należy nosić garnitur ze spodniami (jednoczęściowymi lub dwuczęściowymi), przylegającymi nadgarstkami, z wysokim kołnierzem i odpowiednimi butami lub kaloszami. Odzież i obuwie nie powinny uwalniać kłaczków ani cząstek.

· W pomieszczeniach klasy czystości A / B należy nosić sterylne spodnie lub kombinezon, nakrycia głowy, pokrowce na buty, maskę, rękawice gumowe lub plastikowe. O ile to możliwe, należy używać jednorazowej lub specjalistycznej odzieży i obuwia przemysłowego o minimalnej zdolności zatrzymywania kłaczków i kurzu. Dolna część spodni powinna być schowana wewnątrz ochraniaczy na buty, a rękawy w rękawiczkach.

Osoby pracujące w czystych pomieszczeniach muszą mieć wysokie wymagania dotyczące higieny osobistej i czystości. W czystych pomieszczeniach nie noś zegarków na rękę, biżuterii, kosmetyków.

Duże znaczenie ma również częstotliwość zmiany ubrań w zależności od warunków klimatycznych i pory roku. W obecności klimatyzowanego powietrza zaleca się zmianę ubrania co najmniej raz dziennie, a maskę ochronną co 2 godziny. Gumowe rękawiczki należy wymieniać po każdym kontakcie ze skórą twarzy, a także w każdym przypadku, gdy istnieje ryzyko zanieczyszczenia.

Cały personel (w tym personel sprzątający i konserwujący) pracujący w czystych pomieszczeniach powinien być systematycznie szkolony z tematów, które dotyczą prawidłowego wytwarzania sterylnych produktów, w tym higieny i podstawowej mikrobiologii.

Personel pracujący w „czystych” pomieszczeniach zobowiązany jest do:

- ściśle ograniczać wchodzenie i wychodzenie z „czystych” pomieszczeń zgodnie ze specjalnie opracowanymi instrukcjami;

Realizuj proces produkcyjny przy minimalnej wymaganej liczbie pracowników. Procedury inspekcji i kontroli powinny generalnie być przeprowadzane poza obszarami „czystymi”;

Ograniczyć przemieszczanie się personelu w pomieszczeniach o klasie czystości B i C; unikać gwałtownych ruchów w obszarze roboczym;

Nie umieszczać między źródłem przepływu powietrza a obszarem roboczym, aby uniknąć zmiany kierunku przepływu powietrza;

Nie pochylaj się ani nie dotykaj otwartego produktu lub pojemnika;

Nie podnosić ani nie używać przedmiotów, które spadły na podłogę podczas pracy;

Przed wejściem do „czystego” pomieszczenia (na sali treningowej) należy zdjąć wszelką biżuterię i kosmetyki, w tym lakier do paznokci, wziąć prysznic (w razie potrzeby), umyć ręce, zastosować środki dezynfekujące oraz założyć sterylną odzież i obuwie technologiczne;

Unikaj rozmów na nieistotne tematy. Wszelka komunikacja ustna z osobami znajdującymi się poza terenem produkcyjnym powinna odbywać się przez domofon;

Zgłaszaj przełożonym wszelkie naruszenia, a także niekorzystne zmiany w reżimie sanitarno-higienicznym lub parametrach klimatycznych.

Wymagania dotyczące procesu

Niedozwolone jest wytwarzanie różnych leków w tym samym czasie lub po kolei w tym samym pomieszczeniu, z wyjątkiem przypadków, w których nie ma ryzyka zanieczyszczenia krzyżowego, a także mieszania i pomieszania różnych rodzajów surowców, półproduktów, materiałów, półproduktów i gotowych produktów.

Kontrola podczas produkcji, prowadzona w zakładach produkcyjnych, nie powinna mieć negatywnego wpływu na proces technologiczny i jakość produktu.

Na wszystkich etapach procesu technologicznego, w tym na etapach poprzedzających sterylizację, konieczne jest podjęcie działań minimalizujących zanieczyszczenie mikrobiologiczne.

Odstępy czasu między rozpoczęciem przygotowania roztworów a ich sterylizacją lub filtracją sterylizującą powinny być minimalne i mieć ograniczenia (limity czasowe) ustalone w trakcie walidacji.

Zabrania się produkcji i pakowania preparatów zawierających żywe mikroorganizmy w pomieszczeniach przeznaczonych do produkcji innych produktów leczniczych.

Źródła wody, sprzęt do uzdatniania wody i woda uzdatniona powinny być regularnie monitorowane pod kątem skażenia chemicznego i mikrobiologicznego oraz, jeśli to konieczne, skażenia endotoksynami, aby zapewnić, że jakość wody spełnia wymogi regulacyjne.

Każdy gaz, który ma kontakt z roztworami lub innymi produktami pośrednimi podczas procesu, musi zostać poddany filtracji sterylizującej.

Materiały, które mają tendencję do tworzenia włókien i ich ewentualnego uwalniania do środowiska, co do zasady nie powinny być stosowane w pomieszczeniach czystych, a przy prowadzeniu procesu technologicznego w warunkach aseptycznych ich stosowanie jest całkowicie zabronione.

Po etapach (operacjach) końcowego czyszczenia opakowania podstawowego i wyposażenia w trakcie dalszego prowadzenia procesu technologicznego należy je tak użytkować, aby nie doszło do ponownego zanieczyszczenia.

Skuteczność wszelkich nowych technik, wymiany sprzętu i metod prowadzenia procesu technologicznego powinna być potwierdzona walidacją, którą należy regularnie powtarzać zgodnie z opracowanymi harmonogramami.

Wymagania dotyczące wyposażenia technologicznego

Wyposażenie produkcyjne nie powinno negatywnie wpływać na jakość produktu. Części lub powierzchnie wyposażenia stykające się z produktem muszą być wykonane z materiałów, które z nim nie wchodzą w reakcję, nie mają właściwości absorpcyjnych i nie wydzielają żadnych substancji w takim stopniu, że mogłoby to wpłynąć na jakość produktu.

Jednym ze sposobów rozwiązania tych problemów jest użycie nowoczesnego linie automatyczne ampulacja leków do wstrzykiwań.

Transfer surowców i materiałów do iz obszarów produkcyjnych jest jednym z najpoważniejszych źródeł zanieczyszczenia. Dlatego konstrukcje urządzeń transferowych mogą się różnić od urządzeń z pojedynczymi lub podwójnymi drzwiami po w pełni uszczelnione systemy ze strefą sterylizacji dla nich (tunel sterylizacyjny).

Izolatory można uruchomić dopiero po odpowiedniej walidacji. Walidacja powinna uwzględniać wszystkie krytyczne czynniki technologii izolacji (np. Jakość powietrza wewnątrz i na zewnątrz izolatora, technologię transmisji i integralność izolatora).

Szczególną uwagę należy zwrócić na:

Projekty i kwalifikacje sprzętu

· Walidacja i powtarzalność procesów czyszczenia na miejscu i sterylizacji na miejscu

Środowisko, w którym sprzęt jest zainstalowany

Kwalifikacje i szkolenie operatorów

· Czystość odzieży technologicznej operatorów.

Wymagania dotyczące kontroli jakości

W trakcie procesu technologicznego wytwarzania roztworów wtryskowych obowiązkowa jest pośrednia (etapowa) kontrola jakości tj. po każdym etapie technologicznym (operacji) następuje odrzucenie ampułek, fiolek, pojemników elastycznych itp., które nie spełniają określonych wymagań. Tak więc po rozpuszczeniu (izotonizacji, stabilizacji itp.) Substancji leczniczej skład jakościowy i ilościowy, pH roztworu, gęstość itp.; po operacji napełniania - selektywnie objętość napełniania naczyń itp.

Odebrane surowce, materiały, półprodukty, a także wytworzone półprodukty lub wyroby gotowe bezpośrednio po przyjęciu lub zakończeniu procesu technologicznego, przed podjęciem decyzji o możliwości ich wykorzystania, muszą zostać poddane kwarantannie. Gotowe produkty nie są dopuszczane do sprzedaży, dopóki ich jakość nie zostanie uznana za zadowalającą.

Płynne leki do stosowania pozajelitowego są zwykle monitorowane pod kątem następujących wskaźników jakości: opis, identyfikacja, klarowność, kolor, pH, powiązane zanieczyszczenia, objętość do ekstrakcji, sterylność, pirogeny, nienormalna toksyczność, cząstki stałe, ilościowe oznaczenie składników aktywnych, przeciwbakteryjne środki konserwujące i rozpuszczalniki organiczne.

W przypadku leków płynnych do stosowania pozajelitowego w postaci lepkich płynów dodatkowo kontroluje się gęstość.

W przypadku leków płynnych do stosowania pozajelitowego w postaci zawiesin dodatkowo kontroluje się wielkość cząstek, jednorodność zawartości (w przypadku zawiesin jednodawkowych) oraz stabilność zawiesiny.

W proszkach do wstrzykiwań lub wlewów dożylnych dodatkowo kontroluje się: czas rozpuszczania, ubytek masy podczas suszenia, jednorodność zawartości lub jednolitość masy.