Метод визначення параметрів генератору медичного озону для ефективного підвищення його продуктивності

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.11.17 «Біологічні та медичні прилади і системи». – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2019. Дисертація Махоніна М.В. присвячена вирішенню однієї з актуальних науково-технічних задач сучасного медичного приладобудування – підвищенню ефективності генератору медичного озону за рахунок визначення параметрів розрядної камери, напруги живлення та витрати кисню. На даний час у світі активно використовують озон та його суміші для широких потреб різних галузей. Для отримання озону використовуються спеціальні генератори озону різних типів у залежності від сфери їх застосування. Ці генератори відрізняються розмірами, кількістю озону, що генерується за відрозок часу та інші. Особливістю ж генераторів медичного озону є те, що необхідно підтримувати задані параметри отримуваної озоно-кисневої суміші на протязі усього часу проведення процедури, а у якості робочого газу використовується медичний кисень. Це дозволяє реалізовувати методики озонотерапії для максимально ефективного лікування пацієнтів. Типові параметри озоно-кисневої суміші, які повинен забезпечувати медичний генератор озону регламентуються в Україні «Методиками для застосування озону в медичній практиці», які були затверджені Міністерством охорони здоров’я в 2004 році. Згідно сучасної редакції цих методик концентрація озону в озоно-кисневій суміші повинна змінюватись у діапазоні від 0,1 до 80 мг/л, а витрата суміші від 0,1 до 1 л/хв. Медичні генератори озону активно використовуються у кабінетах озонотерапії та медичних установах України, країн СНД, а також країн Латинської Америки. Щорічно у світі проводиться велика кількість конференцій присвячених озонотерапії, на яких вона отримує свій подальший розвиток Практичне використання генераторів медичного озону свідчить, що більшість апаратури, що використовуються, потребує вдосконалення для забезпечення роботи на основі сучасних медичних рішень у лікуванні. Тобто розробка сучасного генератора потребує не тільки відповідність параметрів сучасним вимогам, а й ще запас на розвиток та можливість збільшення значень концентрації озону. Крім того, у більшості медичних генераторів озону спостерігається невідповідність заявлених параметрів озоно-кисневої суміші та значення продуктивності по озону. Продуктивність генератора озону, в свою чергу, залежить від: параметрів розрядної камери, параметрів напруги живлення, параметрів робочого газу. Вирішенням проблему пошуку оптимальних значень цих параметрів для підвищення ефективності роботи генератора озона займаються багато науковців, серед яких можна виділити японських, німецьких та науковців з країн СНД. Але на даний момент ще не існує універсальної моделі розрахунку параметрів генератору Таким чином, задача підвищення ефективності роботи генератора медичного озону за рахунок визначення найкращих параметрів його вузлів, що дозволить підвищити якість процедур озонотерапії є актуальним і перспективним напрямком розвитку генераторів озону. У дисертаційній роботі вперше побудовано математичну модель синтезу озону в розрядній камері генератора медичного озону, яка враховує вплив не тільки параметрів електричної енергії, а також параметрів розрядної камери та робочого газу. Отримані залежності впливу параметрів електричної енергії на синтез озону у розрядній камері на основі проведеного аналізу та з використанням комп’ютерного моделювання. Отримала подальший розвиток модель процесу генерації озону в бар'єрному розряді, яка, на відміну від існуючої, враховує не тільки параметри напруги живлення і розміри камери, але і процеси, що відбуваються в розрядному проміжку. Запропоновано методику розрахунку основних параметрів генератора озону при його розробці, що дозволяє підвищити ефективність синтезу озону. Практичне значення одержаних результатів полягає у обґрунтованні переліку параметрів, що чинять найбільший вплив на продуктивність генератора медичного озону; інженерних розрахунках параметрів генератора медичного озону, які дозволили оптимізувати конструкцію генератора з заданими параметрами; реалізації експериментального зразка генератора медичного озону з вдосконаленою системою автоматичного регулювання витрати газу, що дозволила забезпечити виконання широко спектру процедур озонотерапії. Отриманні практичні результати дисертаційної роботи впроваджені на НВП «Еконіка» при розробці та виготовлення сучасних генераторів медичного озону, а також розроблений макетний зразок пройшов медичну апробації у медичному центрі «Пульс-медика» та у Інституті медичної радіології ім. С.П. Григор’єва.Thesis for the degree of candidate of technical sciences (PhD) in the specialty 05.11.17 “Biological and medical devices and systems”. -National Technical University "Kharkov Polytechnic Institute", Kharkov, 2019. The thesis is devoted to the solution of one of the current scientific and technical problems of modern medical instrument making - increasing the efficiency of the medical ozone generator by determining the parameters of the discharge chamber, the supply voltage and the oxygen consumption. Currently, ozone and its mixtures are widely used in the world for the wide range of applications. Different types of ozone generators depending on their application are used for ozone synthesis. These generators differ in size, the amount of ozone generated by the time span, etc. The peculiarity of the generators of medical ozone is that it is necessary to maintain the prescribed parameters of the resulting ozone-oxygen mixture throughout the entire duration of the procedure, and medical oxygen is used as the working gas. This allows us to implement ozone therapy techniques for the most effective treatment of patients. Typical parameters of the ozone-oxygen mixture, which the ozone generating plant should provide, are regulated in Ukraine "Methods for the application of ozone in medical practice", which were approved by the Ministry of Health in 2004. According to the modern version of these methods, the concentration of ozone in the ozone-oxygen mixture should vary in the range from 0.1 to 80 mg / l, and the flow rate of the mixture is from 0.1 to 1 l / min. Medical ozone generators are actively used in the offices of ozonotherapy and medical institutions in Ukraine, CIS countries, as well as Latin American countries. A large number of conferences devoted to ozone therapy are being held annually in the world in which it is further developed. The practical use of generators of medical ozone shows that most of the equipment used needs to be improved to provide work on the basis of modern medical solutions in treatment. That is, the development of a modern generator requires not only compliance with the parameters of modern requirements, but also a stock for development and the possibility of increasing the values of ozone concentration. In addition, in most medical ozone generators there is a discrepancy between the stated parameters of the ozone oxygen mixture and the value of ozone productivity. The performance of the ozone generator, in turn, depends on: the parameters of the discharge chamber, the parameters of the supply voltage, the parameters of the working gas. Many scientists, including Japanese, German and scholars from the CIS countries, are engaged in solving the problem of finding the optimal values of these parameters for increasing the efficiency of ozone generator operation. But at the moment there is still no universal model for calculating the parameters of the ozone generator. Thus, the task of increasing the efficiency of the medical ozone generator by determining the best parameters of its nodes, which will improve the quality of ozone therapy procedures, is an urgent and promising direction for the development of ozone generators. In the dissertation, for the first time, a mathematical model of the synthesis of ozone in a digital chamber of the medical ozone generator was constructed, which takes into account the influence not only of the parameters of electric energy, but also of the parameters of the discharge chamber and the working gas. The dependence of the influence of electric energy parameters on the synthesis of ozone in a discharge chamber was obtained on the basis of the conducted analysis and using computer simulation. The model of the ozone generation process in the barrier discharge has been further developed, which, in contrast to the existing one, takes into account not only the power supply parameters and camera dimensions, but also the processes occurring in the discharge gap. The method of calculation of the basic parameters of the ozone generator during its development, which allows increasing the efficiency of ozone synthesis, is proposed. The practical value of the results obtained is to justify the list of parameters that have the greatest impact on the performance of the medical ozone generator; engineering calculations of parameters of the generator of medical ozone, which allowed to optimize the design of the generator with the given parameters; the implementation of an experimental model of the medical ozone generator with an improved system of automatic regulation of gas consumption, which allowed to ensure the implementation of a wide range of procedures for ozone therapy. The practical results of the dissertation work were introduced at the Scientific-Production Enterprise "Econika" in the development and manufacture of modern generators of medical ozone, and also a prototype sample was developed, was tested at the medical center "Pulse Medika" and at the Institute of Medical Radiology N.A. Grigoriev.