Обеспечение производственных помещений чистым воздухом. Сопротивление дыхательных путей. Сопротивление легких. Воздушный поток. Ламинарный поток. Турбулентный поток Устойчивость режима ламинарного течения в трубопроводе

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.

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

1. СНиП 2.08.02–89*. Общественные здания и сооружения.
2. СанПиН 2.1.3.1375–03. Гигиенические требования к размещению, устройству, оборудованию и эксплуатации больниц, родильных домов и других лечебных стационаров.
3. Инструктивно-методические указания по организации воздухообмена в палатных отделениях и операционных блоках больниц.
4. Инструктивно-методические указания по гигиеническим вопросам проектирования и эксплуатации инфекционных больниц и отделений.
5. Пособие к СНиП 2.08.02–89* по проектированию учреждений здравоохранения. ГипроНИИздрав Минздрава СССР. М., 1990.
6. ГОСТ ИСО 14644-1–2002. Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Ч. 1. Классификация чистоты воздуха.
7. ГОСТ Р ИСО 14644-4–2002. Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Ч. 4. Проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию.
8. ГОСТ Р ИСО 14644-5–2005. Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Ч. 5. Эксплуатация.
9. ГОСТ 30494–96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.
10. ГОСТ Р 51251–99. Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка.
11. ГОСТ Р 52539–2006. Чистота воздуха в лечебных учреждениях. Общие требования.
12. ГОСТ Р МЭК 61859–2001. Кабинеты лучевой терапии. Общие требования безопасности.
13. ГОСТ 12.1.005–88. Система стандартов.
14. ГОСТ Р 52249–2004. Правила производства и контроля качества лекарственных средств.
15. ГОСТ 12.1.005–88. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
16. Инструктивно-методическое письмо. Санитарно-гигиенические требования к лечебно-профилактическим учреждениям стоматологического профиля.
17. МГСН 4.12-97. Лечебно-профилактические учреждения.
18. МГСН 2.01-99. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению.
19. Методические указания. МУ 4.2.1089-02. Методы контроля. Биологические и микробиологические факторы. Минздрав России. 2002.
20. Методические указания. МУ 2.6.1.1892-04. Гигиенические требования по обеспечению радиационной безопасности при проведении радионуклидной диагностики с помощью радиофармпрепаратов. Классификация помещений ЛПУ.

Когда жидкость протекает через закрытый канал, такие как труба или между двумя плоскими пластинами, либо из двух типов потока может иметь место в зависимости от скорости и вязкости жидкости: ламинарный потока или турбулентного потока . Ламинарный поток имеет тенденцию к возникновению при более низких скоростях, ниже порога, при котором он становится турбулентным. Турбулентный поток является менее упорядоченно режимом потока, который характеризуется завихрениями или небольшими пакетами жидких частиц, которые приводят к боковому перемешиванию. В не-научных терминах, ламинарный поток является гладким , в то время как турбулентный поток является грубым .

Отношения с числом Рейнольдса

Тип потока, происходящих в жидкости в канале имеет важное значение в задачах динамики текучих сред, а затем воздействует тепло и массообмен в системах текучих сред. Безразмерное число Рейнольдса является важным параметром в уравнениях, которые описывают ли привести полностью разработанные условия потока в ламинарный или турбулентный поток. Число Рейнольдса отношения силы инерции к сдвигающей силе жидкости: как быстро жидкость двигается относительно того, как вязкое это, независимо от масштаба системы текучей среды. Ламинарный поток обычно происходит, когда жидкость двигается медленно или жидкость очень вязкая. В увеличении числа Рейнольдса, например, за счет увеличения скорости потока текучей среды, поток будет переход от ламинарного к турбулентному потоку в определенном диапазоне чисел Рейнольдса ламинарно-турбулентного перехода диапазона в зависимости от малых уровней помех в жидкости или несовершенства в проточной системе. Если число Рейнольдса очень мало, гораздо меньше, чем 1, то жидкость будет проявлять Стоукс , или ползучий, поток, где сила вязкости флюида доминировать инерционные силы.

Конкретный расчет числа Рейнольдса, а значения, где происходит ламинарное течение, будет зависеть от геометрии системы потока и структуры потока. Общий пример потока через трубу , где число Рейнольдса определяется как

R e = ρ u D H μ = u D H ν = Q D H ν A , {\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {\rho uD_{\text{H}}}{\mu }}={\frac {uD_{\text{H}}}{\nu }}={\frac {QD_{\text{H}}}{\nu A}},} Д Н представляет собой гидравлический диаметр трубы (м); Q представляет собой объемный расход (м 3 / с); Это область трубы в поперечном сечении (м 2); U является средней скоростью жидкости ( единицы СИ : м / с); μ представляет собой динамическую вязкость жидкости (Па · с = Н · с / м 2 = кг / (м · с)); ν является кинематической вязкостью жидкости, ν = μ / р (м 2 / с); ρ представляет собой плотность жидкости (кг / м 3).

Для таких систем, ламинарный поток имеет место, когда число Рейнольдса ниже критического значения приблизительно 2040, хотя диапазон перехода обычно составляет от 1,800 и 2,100.

Для гидравлических систем, происходящих на внешних поверхностях, таких как обтекания объектов, взвешенных в жидкости, другие определения для чисел Рейнольдса могут быть использованы для прогнозирования тип потока вокруг объекта. Частицы число Рейнольдса Re р будет использоваться для частиц, взвешенных в жидкости текучей, например. Как и в случае потока в трубах, ламинарный поток, как правило, происходит при более низких значениях числа Рейнольдса, в то время турбулентного потока и связанные с ними явления, такие как вихрей , происходит при более высоких числах Рейнольдса.

Примеры

Общее применение ламинарного потока в гладком потоке вязкой жидкости через трубку или трубу. В этом случае скорость потока изменяется от нуля на стенках максимума вдоль центра поперечного сечения сосуда. Профиль потока ламинарного потока в трубе может быть рассчитан путем деления потока в тонкие цилиндрических элементы и применения вязкой силы к ним.

Другой пример может служить потоком воздуха над самолетом крылом . Пограничный слой представляет собой очень тонкий лист воздуха, лежащий на поверхность крыла (и все другие поверхности самолета). Поскольку воздух имеет вязкость , этот слой воздуха имеет тенденцию прилипать к крылу. По мере того как крыло двигается вперед по воздуху, пограничный слой сначала плавно перетекает над обтекаемой формой из аэродинамического профиля . Здесь поток ламинарный и пограничный слой является ламинарным слоем . Прандтль применил концепцию ламинарного пограничного слоя с аэродинамическими поверхностями в 1904 году.

барьеры ламинарного потока

Ламинарный поток воздуха используется для разделения объемов воздуха, или предотвратить в воздухе загрязняющих веществ из входе в зону. Капоты ламинарного потока используется для исключения загрязнения из чувствительных процессов в области науки, электронике и медицине. Воздушные завесы часто используются в коммерческих условиях, чтобы нагретый или охлажденный воздух проходит через дверные проемы. Реактор с ламинарным потоком (LFR) представляет собой реактор , который использует ламинарный поток для изучения химических реакций и механизмов процесса.

Движение жидкости, наблюдаемое при малых скоростях, при котором отдельные струйки жидкости движутся параллельно друг другу и оси потока, называют ламинарный режим движения жидкости.

Ламинарный режим движения в опытах

Очень наглядное представление о ламинарном режиме движения жидкости можно получить из опыта Рейнольдса. Подробное описание .

Жидкая среда вытекает из бака через прозрачную трубу и через кран уходит на слив. Таким образом жидкость течет с определенным небольшим и постоянным расходом.

На входе в трубу установлена тонкая трубочка по которой в центральную часть потока поступает подкрашенная среда.

При попадании краски в поток жидкости движущейся с небольшой скоростью красная краска будет двигаться ровной струйкой. Из этого опыта можно сделать вывод о слоистом течении жидкости, без перемешивания и вихреообразования.

Такой режим течения жидкости принято назыать ламинарным.

Рассмотрим основные закономерности ламинарного режима при равномерном движении в круглых трубах, ограничиваясь случаями, когда ось трубы горизонтальна.

При этом мы будем рассматривать уже сформировавшийся поток, т.е. поток на участке, начало которого находится от входного сечения трубы на расстоянии, обеспечивающем окончательный устойчивый вид распределения скоростей по сечению потока.

Имея ввиду, что ламинарный режим течения имеет слоистый(струйный) характер и происходит без перемешивания частиц, следует считать, что в ламинарном потоке будут иметь место только скорости, параллельные оси трубы, поперечные же скорости будут отсутствовать.

Можно представить себе, что в этом случае движущаяся жидкость как бы разделяется на бесконечно большое число бесконечно тонких цилиндрических слоев, параллельных оси трубопровода и движущихся один внутри другого с различными скоростями, увеличивающимися в направлении от стенок к оси трубы.

При этом скорость в слое, непосредственно соприкасающемся со стенками из-за эффекта прилипания равна нулю и достигает максимального значения в слое, движущемся по оси трубы.

Формула ламинарного режима течения

Принятая схема движения и введенные выше предположения позволяют теоретическим путем установить закон распределения скоростей в поперечном сечении потока при ламинарном режиме.

Для этого сделаем следующее. Обозначим внутренний радиус трубы через r и выберем начало координат в центре её поперечного сечения O, направив ось х по оси трубы, а ось z по вертикали.

Теперь выделим внутри трубы объем жидкости в виде цилиндра некоторого радиуса y длиной L и применим к нему уравнение Бернулли . Так как вследствии горизонтальности оси трубы z1=z2=0, то

где R – гидравлический радиус сечения выделенного цилиндрического объема = у/2

τ – единичная сила трения = - μ * dυ/dy

Подставляя значения R и τ в исходное уравнение получим

Задавая различные значения координаты y, можно вычислить скорости в любой точке сечения. Максимальная скорость, очевидно, будет при y=0, т.е. на оси трубы.

Для того, чтобы изобразить это уравнения графически, необходимо отложить в определенном масштабе от некоторой произвольной прямой АА скорости в виде отрезков, направленных по течению жидкости, и концы отрезков соединить плавной кривой.

Полученная кривая и представит собой кривую распределения скоростей в поперечном сечении потока.

График изменения силы трения τ по сечению выглядит совсем по другому. Таким образом, при ламинарном режиме в цилиндрической трубе скорости в поперечном сечении потока изменяются по параболическому закону, а касательные напряжения – по линейному.

Полученные результаты справедливы для участков труб с вполне развитым ламинарным течением. В действительности, жидкость, которая поступает в трубу, должна пройти от входного сечения определенный участок, прежде чем в трубе установится соответствующий ламинарному режиму параболический закон распределения скоростей.

Развитие ламинарного режима в трубе

Развитие ламинарного режима в трубе можно представить себе следующим образом. Пусть, например, жидкость входит в трубу из резервуара большого размеры, кромки входного отверстия которого хорошо закруглены.

В этом случае скорости во всех точках входного поперечного сечения будут практически одинаковы, за исключением очень тонкого, так называемого пристенного слоя(слоя вблизи стенок), в котором вследствие прилипания жидкости к стенкам происходит почти внезапное падение скорости до нуля. Поэтому кривая скоростей во входном сечении может быть представлена достаточно точно в виде отрезка прямой.

По мере удаления от входа, вследствие трения у стенок, слои жидкости, соседние с пограничным слоем, начинают затормаживаться, толщина этого слоя постепенно увеличивается, а движение в нем, наоборот, замедляется.

Центральная же часть потока (ядро течения), еще не захваченная трением, продолжает двигаться как одно целое, с примерно одинаковой для всех слоев скоростью, причем замедление движения в пристенном слое неизбежно вызывает увеличение скорости в ядре.

Таким образом, в середине трубы, в ядре, скорость течения все время возрастает, а у стенок, в растущем пограничном слое, уменьшается. Это происходит до тех пор, пока пограничный слой не захватит всего сечения потока и ядро не будет сведено к нулю. На этом формирование потока заканчивается, и кривая скоростей принимает обычную для ламинарного режима параболическую форму.

Переход от ламинарного течения к турбулентному

Ламинарное течения жидкости при некоторых условиях способно перейти в турбулентное. При повышении скорости течения потока слоистая структура потока начинает разрушаться, появляются волны и вихри, распространение которых в потоке говорит о нарастающем возмущении.

Постепенно количество вихрей начинает возрастать, и возрастает пока струйка не разобьется на множество перемешивающихся между собой более мелких струек.

Хаотичное движение таких мелких струек позволяет говорить о начале перехода ламинарного режима течения в турбулентное. С увеличением скорости ламинарное течение теряет свою устойчивость, при этом любые случайные небольшие возмущения, которые раньше вызывали только лишь малые колебания, начинают быстро развиваться.

Видео о ламинарном течении

В бытовом случае переход одного режима течения в другой можно отследить на примере струи дыма. Сначала частицы движутся практически параллельно по неизменяемым во времени траекториям. Дым практически неподвижен. Со временем в некоторых местах вдруг возникают крупные вихри, которые двигаются по хаотичным траекториям. Эти вихри распадаются на более маленькие, те – на еще более мелкие и так далее. В конце концов, дым практически смешивается с окружающим воздухом.

В зависимости от способа вентилирования помещения принято называть:

а) турбулентно вентилируемыми или помещениями с неоднонаправленным воз­душным потоком;

б) помещениями с ламинарным, или однонаправленным, воздушным потоком.

Примечание. В профессиональной лексике преобладают термины

«турбулентны й воздушный поток», «ламинарный воздушный поток».

Режимы движени я воздуха

Существуют два режима движения воздуха : ламинарный ? и турбулентный ?. Ламинарный ? режим характеризуется упорядоченным движением частиц воздуха по параллельным траекториям. Перемешивание в потоке происходит в результате взаимопроникновения молекул. При турбулентном режиме движение частиц воздуха хаотично, перемешивание обусловлено взаимопроникновением отдельных объемов воздуха и поэтому происходит значительно интенсивнее, чем при ламинарном режиме.

При стационарном ламинарном движении скорость воздушного потока в точке постоянна по величине и направлению; при турбулентном движении ее величина и направление переменны во времени.

Турбулентность является следствием внешних (заносимых в поток) или внутренних (генерируемых в потоке) возмущении ?. Турбулентност ь вентиляционных потоков, как правило, внутреннего происхождения. Ее причина - вихреобразования при обтекании потоком неровностеи ? стен и предметов.

Критерием устои ?чивости турбулентного режима является число Реи ?нольдса:

Re = uD / h

где и - средняя скорость движения воздуха в помещении ;

D - гидравлическии ? диаметр помещения ;

D = 4S/P

S - площадь поперечного сечения помещения ;

Р - периметр поперечного сечения помещения ;

v - кинематический ?коэффициент вязкости воздуха.

Число Реи ?нольдса, выше которого турбулентное движение устои ?чиво, называется критическим. Для помещений оно равно 1000-1500, для гладких труб - 2300. В помещениях движение воздуха, как правило, турбулентное; при фильтрации (в чистых помещениях) возможен как ламинарный ?, так и турбулентный ? режим.

Ламинарные устройства применяются в чистых производственных помещениях и служат для раздачи больших объемов воздуха, предусматривая наличие специально спроектированных потолков, напольных вытяжек и регулирования давления в помещении. В этих условиях работа распределителей ламинарного потока гарантированно обеспечивает требуемый однонаправленный поток с параллельными линиями тока. Высокая кратность воздухообмена способствует подержанию в приточном потоке воздуха условий, близких к изотермическим. Потолки, спроектированные под распределение воздуха при больших воздухообменах, за счет большой площади обеспечивают маленькую начальную скорость воздушного потока. Работа вытяжных устройств, расположенных на уровне пола, и контроль давления воздуха в помещении сводят к минимуму размеры зон рециркуляции потоков, и легко срабатывает принцип «одного прохода и одного выхода». Взвешенные частицы прижимаются к полу и удаляются, поэтому риск возникновения их рециркуляции невелик.