Laminarni protok vazduha u operacionoj sali. Laminarni način kretanja fluida
Opis:
Operacione sale su jedna od najkritičnijih karika u strukturi bolničke zgrade u pogledu značaja hirurškog procesa, kao i obezbeđivanja posebnim uslovima mikroklima neophodna za njegovu uspješnu implementaciju i završetak. Ovdje je izvor oslobađanja bakterijskih čestica uglavnom medicinsko osoblje, koje je u stanju generirati čestice i oslobađati mikroorganizme prilikom kretanja po prostoriji.
Bolničke operacione sale
Kontrola protoka vazduha
Poslednjih decenija u našoj zemlji i inostranstvu bilježi se porast gnojno-upalnih bolesti uzrokovanih infekcijama, koje se prema definiciji Svjetske zdravstvene organizacije (WHO) najčešće nazivaju bolničkim infekcijama (HAI). Analiza bolesti uzrokovanih bolničkim infekcijama pokazuje da njihova učestalost i trajanje direktno zavise od stanja vazdušne sredine u bolničkim prostorijama. Kako bi se osigurali potrebni parametri mikroklime u operacionim salama (i industrijskim čistim prostorijama), koriste se jednosmjerni razdjelnici zraka. Rezultati praćenja vazdušne sredine i analize kretanja vazdušnih tokova pokazali su da rad ovakvih razvodnika obezbeđuje potrebne parametre mikroklime, ali često pogoršava bakteriološku čistoću vazduha. Da bi se zaštitilo kritično područje, potrebno je da protok zraka koji izlazi iz uređaja održava ravnomjernost i ne gubi oblik svojih granica, odnosno da se protok ne širi ili skuplja preko zaštićenog područja u kojem se vrši hirurški zahvat.
Operacione sale su jedna od najkritičnijih karika u strukturi bolničke zgrade po značaju hirurškog procesa, kao i po obezbeđivanju posebnih mikroklimatskih uslova neophodnih za njegovu uspešnu realizaciju i završetak. Ovdje je izvor oslobađanja bakterijskih čestica uglavnom medicinsko osoblje, koje je u stanju generirati čestice i oslobađati mikroorganizme prilikom kretanja po prostoriji. Intenzitet čestica koje ulaze u unutrašnji vazduh zavisi od stepena pokretljivosti ljudi, temperature i brzine vazduha u prostoriji. Nozokomijalne infekcije imaju tendenciju da se zračnim strujama kreću po operacijskoj sali i uvijek postoji opasnost od njenog prodora u nezaštićenu šupljinu rane operiranog pacijenta. Iz zapažanja je očigledno da nepravilno organizovan rad ventilacionih sistema dovodi do intenzivnog gomilanja infekcije do nivoa koji prelazi dozvoljene nivoe.
Već nekoliko decenija stručnjaci iz različitih zemalja razvijaju sistemska rešenja za obezbeđivanje uslova vazduha u operacionim salama. Protok zraka koji se dovodi u prostoriju ne samo da mora asimilirati različite štetne tvari (toplinu, vlagu, mirise, štetne tvari) i održavati potrebne parametre mikroklime, već i osigurati zaštitu strogo utvrđenih područja od ulaska infekcija u njih, odnosno potrebnu čistoća unutrašnjeg vazduha. Područje u kojem se izvode invazivne intervencije (prodiranje u ljudsko tijelo) može se nazvati operativnom zonom ili “kritičnom”. Standard definiše takvo područje kao „operativnu sanitarnu zaštitnu zonu“ i pod njim se podrazumijeva prostor u kojem se nalaze operacioni sto, pomoćni stolovi za instrumente i materijale, opremu, kao i medicinsko osoblje u sterilnoj odjeći. Postoji koncept „tehnološkog jezgra“ koji se odnosi na prostor u kojem se proizvodni procesi odvijaju u sterilnim uslovima, što se u značenju može povezati sa operativnim prostorom.
Kako bi se spriječilo prodiranje bakterijskih zagađivača u najkritičnija područja, metode skrininga su postale naširoko korištene korištenjem istisnutog protoka zraka. Stvoreni su različiti dizajni laminarnih razdjelnika zraka, a termin „laminarni“ je kasnije promijenjen u „jednosmjerni“ protok. Trenutno možete pronaći razne nazive za uređaje za distribuciju zraka u čistim prostorijama, kao što su "laminarni", "laminarni strop", "operativni strop", " operativni sistemčist vazduh” itd., što ne menja njihovu suštinu. Razdjelnik zraka se ugrađuje u stropnu konstrukciju iznad zaštitne zone prostorije i može biti različitih veličina u zavisnosti od protoka zraka. Preporučena optimalna površina takvog plafona treba da bude najmanje 9 m2 kako bi se u potpunosti pokrio radni prostor sa stolovima, opremom i osobljem. Protok vazduha pri malim brzinama dolazi odozgo prema dole, poput zavese, presecajući i aseptičko polje zone hirurške intervencije i zonu prenosa sterilnog materijala iz okruženje. Zrak se istovremeno uklanja iz donje i gornje zone prostorije. HEPA filteri (klasa H prema) ugrađeni su u plafonsku konstrukciju kroz koje prolazi dovodni vazduh. Filteri hvataju, ali ne dezinfikuju žive čestice.
Trenutno se u cijelom svijetu velika pažnja poklanja pitanjima dezinfekcije zraka u bolnicama i drugim ustanovama gdje postoje izvori bakterijske kontaminacije. U dokumentima su izraženi zahtjevi za potrebom dezinfekcije zraka u operacionoj sali sa efikasnošću inaktivacije čestica od najmanje 95%, kao i vazdušnih kanala i opreme za klimatizaciju. Bakterijske čestice koje oslobađa hirurško osoblje kontinuirano ulaze u zrak prostorije i akumuliraju se u njemu. Kako bi se osiguralo da koncentracija čestica u zraku u zatvorenom prostoru ne dostigne maksimalne dozvoljene razine, neophodna je kontrola zraka. Takav nadzor se mora izvršiti nakon ugradnje sistema za kontrolu klime, održavanja ili popravke, odnosno u režimu rada čiste prostorije.
Upotreba razdjelnika zraka sa jednosmjernim protokom sa ugrađenim ultra-finim filterima plafonskog tipa u operacionim salama postala je uobičajena među dizajnerima. Zračni tokovi velikih količina idu niz prostoriju malim brzinama, odsijecajući zaštićeno područje od okoline. Međutim, mnogi profesionalci nisu svjesni da ova rješenja nisu dovoljna za održavanje adekvatnih nivoa dezinfekcije zraka tokom hirurških zahvata.
Činjenica je da postoji dosta dizajna uređaja za distribuciju zraka, od kojih svaki ima svoje područje primjene. Čiste sobe u operacionoj sali u okviru svoje „čiste“ klase dele se na klase prema stepenu čistoće, zavisno od namene. Na primjer, općehirurške operacione sale, kardiohirurške ili ortopedske operacione sale, itd. Za svaku konkretan slučaj imaju svoje zahtjeve da osiguraju čistoću.
Prvi primjeri korištenja razdjelnika zraka za čiste prostorije pojavili su se sredinom 1950-ih. Od tada je postalo tradicionalno distribuirati zrak u čistim proizvodnim prostorijama kroz perforirani strop kada su potrebne niske koncentracije čestica ili mikroorganizama. Protok vazduha se kreće kroz celu zapreminu prostorije u jednom pravcu ujednačenom brzinom, obično 0,3-0,5 m/s. Vazduh se dovodi kroz niz visokoefikasnih filtera za vazduh koji se nalaze na plafonu čiste prostorije. Dovod zraka organiziran je po principu zračnog klipa koji se kreće naniže kroz cijelu prostoriju, uklanjajući zagađivače. Uklanjanje zraka se odvija kroz pod. Ova vrsta kretanja zraka doprinosi uklanjanju aerosolnih zagađivača, čiji su izvori osoblje i procesi. Ovakav raspored ventilacije je usmjeren na osiguravanje čistog zraka u prostoriji, ali zahtijeva velike protoke zraka i stoga je neekonomičan. Za čiste prostorije klase 1000 ili ISO klase 6 (ISO klasifikacija), brzina izmjene zraka može se kretati od 70 do 160 puta na sat.
Kasnije su se pojavili racionalniji modularni uređaji, sa znatno manjim dimenzijama i niskim troškovima, što je omogućilo odabir uređaja za dovod zraka na osnovu veličine štićenog prostora i potrebnih brzina izmjene zraka u prostoriji, ovisno o namjeni prostora. soba.
Analiza rada laminarnih razdjelnika zraka
Jedinice za laminarni protok koriste se u čistim proizvodnim prostorijama i služe za distribuciju velikih količina zraka, osiguravajući posebno dizajnirane stropove, podne nape i regulaciju sobnog pritiska. U ovim uslovima, rad distributera laminarnog toka garantovano će obezbediti zahtevani jednosmerni tok sa paralelnim linijama protoka. Visoka brzina razmene vazduha pomaže u održavanju uslova u protoku dovodnog vazduha bliskim izotermnim. Plafoni projektovani za distribuciju vazduha sa velikim izmenama vazduha, zbog svoje velike površine, obezbeđuju nisku početnu brzinu strujanja vazduha. Rad izduvnih uređaja smještenih na nivou poda i kontrola tlaka zraka u prostoriji minimiziraju veličinu zona recirkulacije protoka, a princip „jedan prolaz i jedan izlaz“ se lako implementira. Suspendirane čestice se pritiskaju na pod i uklanjaju, tako da postoji mali rizik od njihovog ponovnog cirkulacije.
Međutim, kada takvi razdjelnici zraka rade u operacionoj sali, situacija se značajno mijenja. Da bi se održao prihvatljiv nivo bakteriološke čistoće vazduha u operacionim salama, izračunate vrednosti razmene vazduha obično su u proseku 25 puta na sat ili čak i manje, odnosno nisu uporedive sa vrednostima za proizvodnih prostorija. Kako bi se održao stabilan protok zraka između operacijske i susjednih prostorija, u njoj se obično održava višak tlaka. Vazduh se odvodi kroz ispušne uređaje simetrično postavljene u zidove donje zone prostorije. Za distribuciju manjih količina vazduha po pravilu se koriste uređaji za laminarni protok male površine, koji se ugrađuju samo iznad kritične površine prostorije u vidu ostrva u sredini prostorije, umesto koristeći ceo plafon.
Zapažanja pokazuju da takvi laminarni uređaji neće uvijek osigurati jednosmjeran protok. Budući da gotovo uvijek postoji razlika između temperature u dovodnoj struji i temperature okolnog zraka (5-7°C), hladniji zrak koji izlazi iz dovodnog uređaja spušta se mnogo brže od izotermnog jednosmjernog strujanja. Ovo je uobičajena pojava za stropne difuzore koji se koriste u javnim zgradama. Postoji zabluda da laminarni podovi pružaju stabilan, jednosmjeran protok zraka bez obzira na lokaciju ili način primjene. Zapravo, u realnim uslovima, brzina vertikalnog laminarnog toka niske temperature će se povećavati kako se približava podu. Što je veća zapremina dovodnog vazduha i što je niža njegova temperatura u odnosu na vazduh u prostoriji, to je veće ubrzanje njegovog protoka. Tabela pokazuje da upotreba laminarnog sistema površine 3 m 2 s temperaturnom razlikom od 9 ° C daje trostruko povećanje brzine zraka već na udaljenosti od 1,8 m od početka staze. Brzina vazduha na izlazu dovodnog uređaja je 0,15 m/s, a na nivou operacionog stola dostiže 0,46 m/s. Ova vrijednost premašuje prihvatljiv nivo. Odavno je dokazano mnogim studijama da je sa prevelikim protokom protoka nemoguće održati njegovu „jednosmjernost“. Analiza kontrole vazduha u operacionim salama, koju su posebno izvršili Salvati (1982) i Lewis (Lewis, 1993), pokazala je da u nekim slučajevima upotreba laminarnih jedinica sa velikim brzinama vazduha dovodi do povećanja nivoa kontaminacija zraka u području kirurškog reza sa naknadnim rizikom od infekcije.
Zavisnost brzine strujanja zraka od površine laminarni panel i temperatura dovodnog zraka |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
T - razlika između temperature dovodnog i okolnog zraka |
Kada se tok kreće, u početnoj tački linije strujanja zraka će biti paralelne, tada će se granice strujanja mijenjati, sužavajući prema podu, i više neće moći zaštititi područje određeno dimenzijama laminarnog toka. jedinica. Pri brzinama zraka od 0,46 m/s, protok će zahvatiti zrak koji se nisko kreće iz prostorije. Budući da se bakterijske čestice neprestano oslobađaju u prostoriji, zaražene čestice će se umiješati u protok zraka koji dolazi iz dovodne jedinice, jer izvori njihovog oslobađanja stalno djeluju u prostoriji. To je olakšano recirkulacijom zraka koja je rezultat zraka pod pritiskom u prostoriji. Za održavanje čistoće operacionih sala, prema standardima, potrebno je obezbediti neravnotežu vazduha zbog viška dotoka nad izduvnim za 10%. Višak zraka se kreće u susjedne manje čiste prostorije. U savremenim uslovima, hermetička klizna vrata se često koriste u operacionim salama; višak vazduha cirkuliše kroz prostoriju i vraća se u dovodnu jedinicu pomoću ugrađenih ventilatora za dalje čišćenje u filterima i sekundarno dovod u prostoriju; . Zrak koji kruži sakuplja sve kontaminirane čestice iz zraka u prostoriji i, krećući se blizu dovodnog toka, može ga zagaditi. Zbog kršenja granica protoka, zrak iz okolnog prostora se miješa u njega i patogene čestice prodiru u sterilnu zonu, koja se smatra zaštićenom.
Visoka pokretljivost potiče intenzivno odvajanje mrtvih čestica kože sa nezaštićenih područja kože medicinskog osoblja i njihov ulazak direktno u hirurški rez. S druge strane, treba napomenuti da je razvoj infektivnih bolesti u postoperativnom periodu uzrokovan hipotermijskim stanjem pacijenta, koje se pojačava kada je izložen tokovima hladnog zraka povećane pokretljivosti.
Dakle, difuzor vazduha sa laminarnim protokom, koji se tradicionalno koristi i efikasan u okruženju čistih prostorija, može biti štetan za operacije u konvencionalnoj operacionoj sali.
Ovaj razgovor vrijedi za uređaje s laminarnim protokom, koji imaju prosječnu površinu od oko 3 m 2 - optimalno za zaštitu radnog područja. Prema američkim zahtjevima, brzina strujanja zraka na izlazu iz laminarnih panela ne bi trebala biti veća od 0,15 m/s, odnosno 14 l/s zraka bi trebalo ući u prostoriju sa 1 ft 2 (0,09 m 2) površine panela. U našem slučaju, to će biti 466 l / s (1677,6 m 3 / h) ili otprilike 17 puta / h. Prema standardnoj vrednosti razmene vazduha u operacionim salama, trebalo bi da bude 20 puta na sat, 25 puta na sat, dakle 17 puta na sat u potpunosti ispunjava uslove. Ispostavilo se da vrijednost od 20 puta na sat odgovara prostoriji zapremine 64 m 3.
Prema današnjim standardima, površina standardne operacione sale (opće hirurgije) treba da bude najmanje 36 m2. A zahtjevi za operacionim salama za složenije operacije (kardiološke, ortopedske, itd.) su mnogo veći, a često zapremina takve operacione sale može premašiti 135–150 m 3 . Sistem za distribuciju vazduha za ove slučajeve će zahtevati znatno veću površinu i kapacitet vazduha.
U slučaju organizovanja strujanja vazduha u većim operacionim salama, nastaje problem održavanja laminarnosti protoka od izlazne ravni do nivoa operacionog stola. Studije ponašanja protoka vazduha sprovedene su u nekoliko operacionih sala. U različitim prostorijama postavljene su laminarne ploče koje su po površini podijeljene u dvije grupe: 1,5–3 m 2 i više od 3 m 3, a postavljene su i eksperimentalne klima jedinice koje su omogućile promjenu temperature dovodnog zraka. Ponovljena mjerenja protoka ulaznog zraka vršena su pri različitim brzinama protoka i promjenama temperature, čiji se rezultati mogu vidjeti u tabeli.
Kriterijumi za čistoću sobe
Ispravne odluke u vezi sa organizacijom distribucije vazduha u operacionim salama: izbor racionalne veličine dovodnih panela, osiguranje standardnog protoka i temperature dovodnog vazduha - ne garantuju apsolutnu dezinfekciju vazduha u prostoriji. Pitanje dezinfekcije zraka u operacionim salama akutno je pokrenuto prije više od 30 godina, kada su predložene različite antiepidemiološke mjere. A sada je cilj zahtjeva modernih regulatornih dokumenata za projektovanje i rad bolnica dezinfekcija zraka, gdje su HVAC sistemi predstavljeni kao glavni način sprječavanja širenja i gomilanja infekcija.
Na primjer, standard smatra dezinfekciju glavnim ciljem svojih zahtjeva, napominjući: „ispravno dizajniran HVAC sistem minimizira prijenos virusa, bakterija, gljivičnih spora i drugih bioloških zagađivača zrakom“, a HVAC sistemi igraju glavnu ulogu u kontroli infekcija i drugih štetnih faktora. Ističe se zahtjev za klimatizacijom u operacijskoj sali: „sistem za dovod zraka mora biti dizajniran tako da minimizira unošenje bakterija u sterilne prostore zajedno sa zrakom, istovremeno održavajući maksimalan nivo čistoće u ostatku operacione sale.”
Međutim, regulatorni dokumenti ne sadrže direktne zahtjeve za određivanje i praćenje učinkovitosti dezinfekcije za različite metode ventilacije, a dizajneri se često moraju uključiti u aktivnosti pretraživanja, što oduzima puno vremena i odvlači pažnju od glavnog posla.
U našoj zemlji postoji dosta različite regulatorne literature o projektovanju HVAC sistema za bolničke zgrade, a svuda se izgovaraju zahtevi za dezinfekciju vazduha, koje je iz mnogo objektivnih razloga projektantima praktično teško realizovati. Za to je potrebno ne samo poznavanje savremene opreme za dezinfekciju i pravilnu upotrebu iste, već, što je najvažnije, dalje pravovremeno epidemiološko praćenje unutrašnjeg vazdušnog okruženja, što daje predstavu o kvalitetu rada HVAC sistema, ali, nažalost, se ne sprovodi uvek. Ako se čistoća čistih industrijskih prostorija procjenjuje prisustvom čestica (na primjer, čestica prašine), onda su pokazatelj čistoće zraka u čistim prostorijama medicinskih zgrada žive bakterijske čestice ili čestice koje stvaraju kolonije, čiji su dopušteni nivoi dati in. Da bi se ovi nivoi održali, vazdušnu sredinu treba redovno pratiti na mikrobiološke pokazatelje, za koje je neophodno moći da ih izbroje. Metodologija prikupljanja i brojanja mikroorganizama za procjenu čistoće zraka još nije predstavljena ni u jednom regulatornom dokumentu. Važno je da se brojanje mikrobnih čestica vrši u operacionoj sali, odnosno tokom operacije. Ali za to mora biti spreman dizajn i ugradnja sistema za distribuciju zraka. Nivo dezinfekcije ili efikasnost sistema ne može se utvrditi pre nego što počne sa radom u operacionoj sali, to se može uraditi samo u uslovima najmanje nekoliko radnih procesa. To predstavlja velike poteškoće za inženjere, budući da su istraživanja, iako neophodna, u suprotnosti sa antiepidemijskom disciplinom bolnice.
Vazdušna zavjesa
Da bi se osigurali potrebni uslovi vazduha u operacionoj sali, važno je pravilno organizovati zajednički rad dotoka i odvođenja vazduha. Racionalnim pozicioniranjem dovodnih i izduvnih uređaja u operacionoj sali može se poboljšati priroda strujanja vazduha.
U operacionim salama nemoguće je koristiti i čitavu plafonsku površinu za distribuciju vazduha i podnu površinu za uklanjanje vazduha. Podne nape su nehigijenske jer se brzo zaprljaju i teško se čiste. Glomazni, složeni i skupi sistemi nikada nisu našli svoju primenu u malim operacionim salama. Iz tih razloga najracionalniji je „otočki“ raspored laminarnih panela iznad kritičnog područja sa ugradnjom ispušnih otvora u donjem dijelu zidova. Ovo omogućava simulaciju protoka zraka sličnih industrijskoj čistoj prostoriji na jeftiniji i manje glomazan način. Metoda koja se pokazala uspješnom je korištenje zračnih zavjesa koje rade na principu zaštitne barijere. Zračna zavjesa se dobro kombinira sa protokom dovodnog zraka u obliku uske "ljuske" zraka pri većoj brzini, posebno organizirane po obodu stropa. Vazdušna zavjesa kontinuirano radi na izduvnim gasovima i sprječava ulazak kontaminiranog okolnog zraka u laminarni tok.
Da biste razumeli rad vazdušne zavese, trebalo bi da zamislite operacionu salu sa aspiratorom koji je postavljen na sve četiri strane prostorije. Dovodni vazduh koji dolazi sa „laminarnog ostrva“ koji se nalazi u sredini plafona samo će pasti, šireći se prema stranama zidova dok se spušta. Ovo rješenje smanjuje recirkulacijske zone, veličinu stagnirajućih područja u kojima se skupljaju patogeni mikroorganizmi, a također sprječava miješanje laminarnog toka sa zrakom prostorije, smanjuje njegovo ubrzanje i stabilizuje brzinu, zbog čega se silazni tok pokriva (zaključava) cijelo sterilno područje. To pomaže u uklanjanju bioloških zagađivača iz zaštićenog područja i izolaciji od okoliša.
Na sl. Slika 1 prikazuje standardni dizajn vazdušne zavese sa otvorima po obodu prostorije. Prilikom organiziranja ispuha duž perimetra laminarnog toka, on se rasteže, širi i ispunjava cijelu zonu unutar zavjese, zbog čega se sprječava efekat „sužavanja“ i stabilizira potrebna brzina laminarnog toka.
Od sl. Na slici 3 prikazane su vrijednosti stvarne (izmjerene) brzine koja se javlja kod pravilno dizajnirane zračne zavjese, koje jasno pokazuju interakciju laminarnog toka sa zračnom zavjesom, a laminarni tok se kreće jednoliko. Vazdušna zavjesa eliminira potrebu za ugradnjom glomaznog izduvnog sistema po cijelom perimetru prostorije, umjesto ugradnje tradicionalne nape u zidove, kao što je uobičajeno u operacionim salama. Vazdušna zavjesa štiti područje direktno oko hirurškog osoblja i stola, sprječavajući da se kontaminirane čestice vrate u primarni tok zraka.
Nakon projektovanja vazdušne zavese postavlja se pitanje koji nivo dezinfekcije se može postići tokom njenog rada. Loše dizajnirana vazdušna zavesa neće biti efikasnija od tradicionalnog sistema laminarnog toka. Greška u dizajnu može biti velika brzina zraka, jer će takva zavjesa prebrzo "povući" laminarni tok, odnosno čak i prije nego što stigne do operativnog poda. Ponašanje protoka se možda neće kontrolisati i može postojati rizik od curenja kontaminiranih čestica u radni prostor sa nivoa poda. Isto tako, vazdušna zavesa sa malom brzinom usisavanja ne može efikasno blokirati laminarni tok i može biti uvučena u nju. U tom slučaju, klimatizacija prostorije će biti ista kao kada se koristi samo laminarni uređaj za dovod zraka. Prilikom projektiranja važno je pravilno odrediti raspon brzina i odabrati odgovarajući sistem. Ovo direktno utiče na izračunavanje karakteristika dezinfekcije.
Unatoč očiglednim prednostima zračnih zavjesa, ne treba ih koristiti slijepo. Sterilni protok vazduha koji stvaraju vazdušne zavese tokom operacije nije uvek potreban. O potrebi obezbjeđivanja nivoa dezinfekcije zraka treba odlučiti zajedno sa tehnolozima, čija bi uloga u ovom slučaju trebala biti hirurzi uključeni u specifične operacije.
Zaključak
Vertikalni laminarni tok može se ponašati nepredvidivo u zavisnosti od uslova rada. Laminarni paneli koji se koriste u čistim proizvodnim prostorima generalno ne mogu da obezbede potreban nivo dezinfekcije u operacionim salama. Sistemi vazdušnih zavesa pomažu u ispravljanju obrasca kretanja vertikalnih laminarnih tokova. Vazdušne zavese su optimalno rešenje za problem bakteriološke kontrole vazdušnog okruženja u operacionim salama, posebno tokom dugih hirurških operacija i pacijenata sa narušenim imunološkim sistemom, za koje infekcije koje se prenose vazduhom predstavljaju poseban rizik.
Članak je pripremila A. P. Borisoglebskaya koristeći materijale iz časopisa ASHRAE.
Kretanje fluida uočeno pri malim brzinama, u kojem se pojedinačni tokovi fluida kreću paralelno jedni s drugima i osi strujanja, naziva se laminarno kretanje fluida.
Način laminarnog kretanja u eksperimentima
![](https://i1.wp.com/nektonnasos.ru/articles/laminarnyj_rezhim/pic11.jpg)
Vrlo jasna ideja o laminarnom režimu kretanja fluida može se dobiti iz Reynoldsovog eksperimenta. Detaljan opis .
Tečnost teče iz rezervoara kroz prozirnu cev i ide kroz slavinu do odvoda. Dakle, tečnost teče određenim malim i konstantnim protokom.
Na ulazu u cijev nalazi se tanka cijev kroz koju obojeni medij ulazi u središnji dio toka.
Kada boja uđe u tok tekućine koja se kreće malom brzinom, crvena boja će se kretati ravnomjerno. Iz ovog eksperimenta možemo zaključiti da tečnost teče slojevito, bez miješanja i stvaranja vrtloga.
Ovaj način protoka fluida se obično naziva laminarni.
Razmotrimo osnovne zakone laminarnog režima s ravnomjernim kretanjem u okruglim cijevima, ograničavajući se na slučajeve kada je os cijevi horizontalna.
U ovom slučaju ćemo smatrati već formirani tok, tj. protoka u sekciji, čiji se početak nalazi od ulaznog dijela cijevi na udaljenosti koja obezbjeđuje konačni stabilan oblik raspodjele brzine po protočnom dijelu.
Imajući u vidu da režim laminarnog strujanja ima slojeviti (mlazni) karakter i da se javlja bez miješanja čestica, treba pretpostaviti da će u laminarnom toku postojati samo brzine paralelne osi cijevi, dok će poprečne brzine izostati.
![](https://i1.wp.com/nektonnasos.ru/articles/laminarnyj_rezhim/pic2.jpg)
Može se zamisliti da se u ovom slučaju pokretna tekućina čini kao podijeljena na beskonačno veliki broj beskonačno tankih cilindričnih slojeva, paralelnih s osi cjevovoda i koji se kreću jedan unutar drugog različitim brzinama, rastući u smjeru od zidova prema osi cijevi.
U ovom slučaju, brzina u sloju koji je direktno u kontaktu sa zidovima zbog efekta prianjanja je nula i dostiže svoju maksimalnu vrijednost u sloju koji se kreće duž ose cijevi.
Formula laminarnog toka
Prihvaćena šema kretanja i prethodno uvedene pretpostavke omogućavaju da se teorijski uspostavi zakon raspodjele brzine u poprečnom presjeku strujanja u laminarnom modu.
![](https://i0.wp.com/nektonnasos.ru/articles/laminarnyj_rezhim/pic3.jpg)
Da bismo to uradili, uradićemo sledeće. Označimo unutrašnji radijus cijevi sa r i izaberemo ishodište koordinata u centru njenog poprečnog presjeka O, usmjeravajući os x duž ose cijevi, a osu z vertikalno.
Odaberimo sada volumen tekućine unutar cijevi u obliku cilindra određenog polumjera y i dužine L i na njega primijenimo Bernoullijevu jednačinu. Budući da zbog horizontalne ose cijevi z1=z2=0, onda
![](https://i2.wp.com/nektonnasos.ru/articles/laminarnyj_rezhim/pic4.jpg)
gdje je R hidraulički radijus presjeka odabranog cilindričnog volumena = y/2
τ – jedinična sila trenja = - μ * dυ/dy
Zamjenom vrijednosti R i τ u originalnu jednačinu dobijamo
![](https://i0.wp.com/nektonnasos.ru/articles/laminarnyj_rezhim/pic5.jpg)
Određivanjem različitih vrijednosti y koordinate, možete izračunati brzine u bilo kojoj tački u sekciji. Maksimalna brzina će očito biti na y=0, tj. na osi cijevi.
![](https://i0.wp.com/nektonnasos.ru/articles/laminarnyj_rezhim/pic6.jpg)
![](https://i1.wp.com/nektonnasos.ru/articles/laminarnyj_rezhim/pic7.jpg)
Da bi se ova jednačina grafički prikazala, potrebno je na određenoj skali nacrtati brzinu od neke proizvoljne prave AA u obliku segmenata usmjerenih duž toka fluida, a krajeve segmenata povezati glatkom krivom.
Rezultirajuća kriva će predstavljati krivu raspodjele brzine u poprečnom presjeku strujanja.
![](https://i2.wp.com/nektonnasos.ru/articles/laminarnyj_rezhim/pic8.jpg)
Grafikon promjene sile trenja τ preko poprečnog presjeka izgleda potpuno drugačije. Dakle, u laminarnom režimu u cilindričnoj cijevi, brzine u poprečnom presjeku strujanja se mijenjaju po paraboličkom zakonu, a tangencijalni naponi se mijenjaju po linearnom zakonu.
Dobiveni rezultati vrijede za dijelove cijevi s potpuno razvijenim laminarnim tokom. U stvari, tekućina koja ulazi u cijev mora proći određeni dio od ulaznog dijela prije nego što se u cijevi uspostavi parabolični zakon raspodjele brzine koji odgovara laminarnom režimu.
Razvoj laminarnog režima u cijevi
Razvoj laminarnog režima u cijevi može se zamisliti na sljedeći način. Neka, na primjer, tekućina uđe u cijev iz velikog rezervoara, čiji su rubovi ulaznog otvora dobro zaobljeni.
![](https://i1.wp.com/nektonnasos.ru/articles/laminarnyj_rezhim/pic9.jpg)
U ovom slučaju, brzine u svim tačkama ulaznog poprečnog preseka biće gotovo iste, sa izuzetkom veoma tankog, tzv. do zidova dolazi do skoro naglog pada brzine na nulu. Stoga se kriva brzine u ulaznom dijelu može prilično precizno prikazati u obliku pravocrtnog segmenta.
Kako se udaljavamo od ulaza, zbog trenja o zidovima, slojevi tekućine uz granični sloj počinju usporavati, debljina ovog sloja se postupno povećava, a kretanje u njemu, naprotiv, usporava.
Središnji dio toka (jezgro toka), koji još nije zahvaćen trenjem, nastavlja da se kreće kao jedna cjelina, približno istom brzinom za sve slojeve, a usporavanje kretanja u sloju uz zid neminovno uzrokuje povećanje brzine u jezgru.
![](https://i1.wp.com/nektonnasos.ru/articles/laminarnyj_rezhim/pic10.jpg)
Tako se u sredini cijevi, u jezgru, brzina protoka stalno povećava, a u blizini zidova, u rastućem graničnom sloju, opada. To se događa sve dok granični sloj ne pokrije cijeli poprečni presjek toka i jezgro se svede na nulu. U ovom trenutku formiranje strujanja završava, a kriva brzine poprima parabolički oblik uobičajen za laminarni režim.
Prijelaz s laminarnog na turbulentno strujanje
Pod određenim uslovima, laminarni tok fluida može postati turbulentan. Kako se brzina toka povećava, slojevita struktura toka počinje da se urušava, pojavljuju se valovi i vrtlozi čije širenje u toku ukazuje na sve veći poremećaj.
Postepeno, broj vrtloga počinje da raste i raste sve dok se mlaz ne razbije na mnogo manjih tokova koji se miješaju jedan s drugim.
Haotično kretanje tako malih tokova sugerira početak prijelaza iz laminarnog toka u turbulentno. Kako se brzina povećava, laminarni tok gubi svoju stabilnost, a svi slučajni mali poremećaji koji su ranije izazivali samo male fluktuacije počinju se brzo razvijati.
Video o laminarnom toku
U svakodnevnom životu, prijelaz iz jednog režima strujanja u drugi može se pratiti na primjeru strujanja dima. U početku se čestice kreću gotovo paralelno duž vremenski nepromjenjivih putanja. Dim je praktično nepomičan. S vremenom se na nekim mjestima iznenada pojavljuju veliki vrtlozi i kreću se haotičnim putanjama. Ti se vrtlozi raspadaju na manje, ovi na još manje itd. Na kraju se dim praktično miješa sa okolnim zrakom.
Ovisno o načinu ventilacije, prostorija se obično naziva:
a) turbulentno ventilirane ili prostorije sanejednosmjerno strujanje zraka;
b) prostorije sa laminarnim ili jednosmjernim strujanjem zraka.
Bilješka. Stručnim vokabularom dominiraju termini
„turbulentno protok vazduha", "laminarni protok vazduha".
Načini vožnje Ja sam vazduh
Postoje dva načina vožnje zrak: laminarni? i turbulentno?. Laminar? Način rada karakterizira uređeno kretanje čestica zraka duž paralelnih putanja. Mešanje u toku nastaje kao rezultat međusobnog prožimanja molekula. U turbulentnom režimu, kretanje čestica zraka je haotično, miješanje je uzrokovano međusobnom prodiranjem pojedinačnih volumena zraka i stoga se događa mnogo intenzivnije nego u laminarnom režimu.
Kod stacionarnog laminarnog kretanja, brzina strujanja zraka u tački je konstantna po veličini i smjeru; tokom turbulentnog kretanja, njegova veličina i smjer su promjenjivi u vremenu.
Turbulencija je posljedica vanjskih (nošenih u tok) ili unutrašnjih (generiranih u toku) poremećaja?. Turbulencija ventilacioni tokovi su obično unutrašnjeg porekla. Njegov uzrok je stvaranje vrtloga kada tok teče oko nepravilnosti?zidova i objekata.
Kriterijum temelja? turbulentni režim je Rhea broj?Nolds:
R e = uD / h
Gdje I - prosečna brzina vazduha u u zatvorenom;
D - hidraulički? prečnik prostorije;
D= 4S/P
S - površina poprečnog presjeka prostorije;
R - perimetar poprečne dijelovi prostorije;
v- kinematička?koeficijent viskoznosti vazduha.
Rhea broj? Nolds, iznad kojih je turbulentno kretanje upornjaka?jasno, naziva se kritičnim. Za prostorije jednak je 1000-1500, za glatke cijevi - 2300. V prostorije kretanje vazduha je obično turbulentno; prilikom filtriranja(u čistim prostorijama)moguće kao laminarno?i turbulentno? način rada.
Jedinice za laminarni protok koriste se u čistim proizvodnim prostorijama i služe za distribuciju velikih količina zraka, osiguravajući posebno dizajnirane stropove, podne nape i regulaciju sobnog pritiska. U ovim uslovima, rad distributera laminarnog toka garantovano će obezbediti zahtevani jednosmerni tok sa paralelnim linijama protoka. Visoka brzina razmene vazduha pomaže u održavanju uslova u protoku dovodnog vazduha bliskim izotermnim. Plafoni projektovani za distribuciju vazduha sa velikim izmenama vazduha, zbog svoje velike površine, obezbeđuju nisku početnu brzinu strujanja vazduha. Rad izduvnih uređaja smještenih na nivou poda i kontrola tlaka zraka u prostoriji minimiziraju veličinu zona recirkulacije protoka, a princip „jedan prolaz i jedan izlaz“ se lako implementira. Suspendirane čestice se pritiskaju na pod i uklanjaju, tako da postoji mali rizik od njihovog ponovnog cirkulacije.
Sadržaj teme "Disanje. Respiratorni sistem.":1. Disanje. Respiratornog sistema. Funkcije respiratornog sistema.
2. Spoljašnje disanje. Biomehanika disanja. Proces disanja. Biomehanika inspiracije. Kako ljudi dišu?
3. Izdahnite. Biomehanizam izdisaja. Proces izdisaja. Kako dolazi do izdisaja?
4. Promjena volumena pluća tokom udisaja i izdisaja. Funkcija intrapleuralnog pritiska. Pleuralni prostor. Pneumotoraks.
5. Faze disanja. Volumen pluća(a). Brzina disanja. Dubina disanja. Zapremine plućnog vazduha. Volumen plime. Rezerva, preostali volumen. Kapacitet pluca.
6. Faktori koji utiču na plućni volumen tokom inspiratorne faze. Rastezljivost pluća (plućno tkivo). Histereza.
7. Alveole. Surfaktant. Površinski napon sloja tečnosti u alveolama. Laplasov zakon.
9. Odnos protok-volumen u plućima. Pritisak u disajnim putevima tokom izdisaja.
10. Rad respiratornih mišića tokom respiratornog ciklusa. Rad respiratornih mišića pri dubokom disanju.
Usklađenost pluća kvantitativno karakteriše rastegljivost plućnog tkiva u bilo kom trenutku promene njihovog volumena tokom faza udisaja i izdisaja. Stoga je rastezljivost statička karakteristika elastičnih svojstava plućnog tkiva. Međutim, prilikom disanja nastaje otpor kretanju aparata za vanjsko disanje, što određuje njegove dinamičke karakteristike, među kojima je najvažniji otpor protok vazduha dok se kreće kroz disajne puteve pluća.
Kretanje zraka iz vanjskog okruženja kroz respiratorni trakt do alveola i u suprotnom smjeru je pod utjecajem gradijenta tlaka: u ovom slučaju zrak se kreće iz područja visokog tlaka u područje niskog tlaka. . Kada udišete, pritisak vazduha u alveolarnom prostoru je manji od atmosferskog pritiska, a kada izdišete je suprotno. Otpor disajnih puteva protok vazduha zavisi od gradijenta pritiska između usne duplje i alveolarnog prostora.
Protok zraka kroz respiratorni trakt može biti laminarni, turbulentno i prelazni između ovih tipova. Zrak se u respiratornom traktu kreće uglavnom laminarnim protokom, čija je brzina veća u centru ovih cijevi, a niža u blizini njihovih zidova. Kod laminarnog strujanja vazduha, njegova brzina linearno zavisi od gradijenta pritiska duž disajnih puteva. U tačkama razdvajanja respiratornog trakta (bifurkacija), laminarni protok vazduha postaje turbulentan. Kada dođe do turbulentnog strujanja u disajnim putevima, javlja se šum disanja, koji se može čuti u plućima stetoskopom. Otpor laminarnom strujanju plina u cijevi određuje se njenim promjerom. Dakle, prema Poiseuilleovom zakonu, otpor disajnih puteva protoku zraka proporcionalan je njihovom prečniku podignutom na četvrtu potenciju. Budući da je otpor dišnih puteva obrnuto povezan s njihovim promjerom na četvrtu potenciju, ovaj pokazatelj najznačajnije ovisi o promjenama u promjeru dišnih puteva uzrokovanim, na primjer, oslobađanjem sluzi iz sluznice ili sužavanjem lumena. bronhija. Ukupni promjer poprečnog presjeka dišnih puteva raste u smjeru od traheje prema periferiji pluća i postaje najveći u terminalnim dišnim putevima, što uzrokuje naglo smanjenje otpora protoka zraka i njegove brzine u ovim dijelovima pluća. . Dakle, linearna brzina protoka udahnutog zraka u traheji i glavnim bronhima iznosi približno 100 cm/s. Na granici zračnih i prijelaznih zona respiratornog trakta, linearna brzina protoka zraka je oko 1 cm/s u respiratornim bronhima opada na 0,2 cm/s, au alveolarnim kanalima i vrećicama -; do 0,02 cm/s. Ovako mala brzina strujanja zraka u alveolarnim kanalima i vrećicama uzrokuje beznačajan otpor kretanje zraka i nije praćeno značajnim utroškom energije zbog mišićne kontrakcije.
Naprotiv, najveći otpor disajnih puteva protok vazduha nastaje na nivou segmentnih bronha zbog prisustva sekretornog epitela u njihovoj sluzokoži i dobro razvijenog sloja glatkih mišića, odnosno faktora koji najviše utiču kako na prečnik disajnih puteva tako i na otpor protoku vazduha u njima. Jedna od funkcija respiratornih mišića je savladavanje ovog otpora.
Postoje dva različita oblika, dva načina strujanja fluida: laminarni i turbulentni tok. Strujanje se naziva laminarnim (slojevitim) ako duž toka svaki odabrani tanki sloj klizi u odnosu na svoje susjede bez miješanja s njima, a turbulentnim (vorteksnim) ako se uz tok odvija intenzivno formiranje vrtloga i miješanje tekućine (plina).
Laminar tok fluida se opaža pri malim brzinama njegovog kretanja. U laminarnom toku, putanje svih čestica su paralelne i njihov oblik prati granice toka. U okrugloj cijevi, na primjer, tekućina se kreće u cilindričnim slojevima, čiji su generatrisi paralelni sa zidovima i osi cijevi. U pravougaonom kanalu beskonačne širine, tečnost se kreće u slojevima paralelnim sa svojim dnom. U svakoj tački toka, brzina ostaje konstantna u smjeru. Ako se brzina ne mijenja s vremenom i veličinom, kretanje se naziva ravnomjernim. Za laminarno kretanje u cijevi, dijagram raspodjele brzine u poprečnom presjeku ima oblik parabole s maksimalnom brzinom na osi cijevi i nultom vrijednošću na zidovima, gdje se formira prianjajući sloj tekućine. Vanjski sloj tekućine uz površinu cijevi u koju teče prianja uz nju zbog molekularnih sila prianjanja i ostaje nepomičan. Što je veća udaljenost od sljedećih slojeva do površine cijevi, to je veća brzina sljedećih slojeva, a sloj koji se kreće duž ose cijevi ima najveću brzinu. Profil prosječne brzine turbulentnog strujanja u cijevima (slika 53) razlikuje se od paraboličkog profila odgovarajućeg laminarnog toka bržim povećanjem brzine v.
Slika 9Profili (dijagrami) laminarnih i turbulentnih tokova fluida u cijevima
Prosječna vrijednost brzine u poprečnom presjeku okrugle cijevi pod stalnim laminarnim strujanjem određena je Hagen-Poiseuilleovim zakonom:
(8)
gdje su p 1 i p 2 pritisak u dva poprečna presjeka cijevi, međusobno razmaknutih na udaljenosti Δx; r - radijus cijevi; η - koeficijent viskoznosti.
Hagen-Poiseuilleov zakon se može lako provjeriti. Ispostavilo se da za obične tekućine vrijedi samo pri niskim brzinama protoka ili malim veličinama cijevi. Tačnije, Hagen-Poiseuilleov zakon je zadovoljen samo pri malim vrijednostima Reynoldsovog broja:
(9)
gdje je υ prosječna brzina u poprečnom presjeku cijevi; l- karakteristična veličina, u ovom slučaju - promjer cijevi; ν je koeficijent kinematičke viskoznosti.
Engleski naučnik Osborne Reynolds (1842. - 1912.) je 1883. godine izveo eksperiment prema sljedećoj shemi: na ulazu u cijev kroz koju teče stalan tok tekućine, postavljena je tanka cijev tako da je njen otvor bio na osi. cijevi. Boja je dovođena kroz cijev u mlaz tekućine. Dok je postojao laminarni tok, boja se kretala približno duž ose cijevi u obliku tanke, oštro ograničene trake. Zatim, počevši od određene vrijednosti brzine, koju je Reynolds nazvao kritičnom, na traci su nastali talasni poremećaji i pojedinačni brzo raspadajući vrtlozi. Kako se brzina povećavala, njihov broj je postajao sve veći i počeli su da se razvijaju. Pri određenoj brzini, traka se raspala u zasebne vrtloge, koji su se širili po cijeloj debljini toka tekućine, uzrokujući intenzivno miješanje i bojenje cijele tekućine. Ova struja se zvala turbulentno .
Polazeći od kritične vrijednosti brzine, prekršen je i Hagen-Poiseuilleov zakon. Ponavljajući eksperimente sa cijevima različitih promjera i s različitim tekućinama, Reynolds je otkrio da kritična brzina kojom se prekida paralelizam vektora brzine strujanja varira ovisno o veličini toka i viskoznosti tekućine, ali uvijek na takav način. da je bezdimenzionalni broj poprimio određenu konstantnu vrijednost u području prijelaza iz laminarnog u turbulentno strujanje.
Engleski naučnik O. Reynolds (1842 - 1912) dokazao je da priroda strujanja zavisi od bezdimenzionalne veličine koja se zove Reynoldsov broj:
(10)
gdje je ν = η/ρ - kinematička viskoznost, ρ - gustina fluida, υ av - prosječna brzina fluida preko poprečnog presjeka cijevi, l- karakteristična linearna dimenzija, na primjer promjer cijevi.
Dakle, do određene vrijednosti Re broja postoji stabilan laminarni tok, a zatim u određenom rasponu vrijednosti ovog broja laminarni tok prestaje biti stabilan i nastaju pojedinačni, manje ili više brzo raspadajući poremećaji u protok. Reynolds je ove brojeve nazvao kritičnim Re cr. Kako se Reynoldsov broj dalje povećava, kretanje postaje turbulentno. Područje kritičnih Re vrijednosti obično leži između 1500-2500. Treba napomenuti da na vrijednost Re cr utiče priroda ulaza u cijev i stupanj hrapavosti njenih zidova. Sa vrlo glatkim zidovima i posebno glatkim ulazom u cijev, kritična vrijednost Reynoldsovog broja mogla bi se povisiti na 20.000, a ako ulaz u cijev ima oštre ivice, izbočine itd. ili su zidovi cijevi grubi, Re cr vrijednost može pasti na 800-1000.
U turbulentnom strujanju, čestice fluida dobijaju komponente brzine okomite na strujanje, tako da se mogu kretati iz jednog sloja u drugi. Brzina čestica tekućine raste brzo kako se udaljavaju od površine cijevi, a zatim se prilično lagano mijenja. Budući da se čestice tekućine kreću iz jednog sloja u drugi, njihove brzine u različitim slojevima se malo razlikuju. Zbog velikog gradijenta brzine na površini cijevi obično se formiraju vrtlozi.
Turbulentno strujanje tekućina najčešće je u prirodi i tehnologiji. Protok vazduha unutra. atmosfera, voda u morima i rijekama, u kanalima, u cijevima je uvijek turbulentna. U prirodi, laminarno kretanje nastaje kada se voda filtrira kroz tanke pore sitnozrnog tla.
Proučavanje turbulentnog strujanja i konstrukcija njegove teorije je izuzetno složena. Eksperimentalne i matematičke poteškoće ovih studija do sada su samo djelimično prevaziđene. Stoga se niz praktično važnih problema (protok vode u kanalima i rijekama, kretanje letjelice određenog profila u zraku, itd.) mora riješiti približno ili testiranjem odgovarajućih modela u posebnim hidrodinamičkim cijevima. Da bi se od rezultata dobijenih na modelu prešlo na fenomen u prirodi, koristi se tzv. teorija sličnosti. Reynoldsov broj je jedan od glavnih kriterija za sličnost protoka viskozne tekućine. Stoga je njegova definicija praktično veoma važna. U ovom radu uočen je prijelaz iz laminarnog toka u turbulentno strujanje i određeno nekoliko vrijednosti Reynoldsovog broja: u području laminarnog toka, u području prijelaza (kritični tok) i u turbulentnom toku.
- Usekovanje glave Jovana Krstitelja: istorija
- Osvećenje hrama na Dubrovki Hram u čast svetih ravnoapostolnih Metodija i Kirila na Dubrovki
- Jedinstvene kupole - hram kneza Igora Černigovskog u Peredelkinu Crkva Preobraženja Gospodnjeg u Peredelkinu raspored bogosluženja
- Poslednji ispovednik kraljevske porodice Zvanični ispovednici ruskih careva