稀釋氣體溫度對麻醉蒸發(fā)器蒸發(fā)效果影響的計算分析

戴 捷 蘇 磊 王 博 馮璐瓊 劉 暉

1 引言

蒸發(fā)器是麻醉機(jī)的關(guān)鍵部件，由于強(qiáng)效吸入麻醉藥的使用，其質(zhì)量的好壞不但標(biāo)志著麻醉機(jī)的水平，也關(guān)系到吸入麻醉的成敗，直接涉及患者的安危。因此，使用麻醉機(jī)時，必須認(rèn)真檢查蒸發(fā)器，必要時應(yīng)對其輸出濃度加以監(jiān)測。如何提高蒸發(fā)器的精確度，使麻醉機(jī)故障率最小，在出現(xiàn)故障后使受害程度控制到最低限度，是設(shè)計蒸發(fā)器時需要解決的首要問題。

蒸發(fā)器應(yīng)具有以下功能：①有效地蒸發(fā)揮發(fā)性吸入麻醉藥；②精確地控制揮發(fā)性吸入麻醉藥的濃度[1-3]。

隨著多種強(qiáng)效揮發(fā)性吸入麻醉藥相繼應(yīng)用于臨床，蒸發(fā)器與麻醉安危的關(guān)系更為密切，對蒸發(fā)器質(zhì)量的要求亦越高。而稀釋氣體的溫度與蒸發(fā)器的蒸發(fā)效果也有很大影響，尤其是在藥物的蒸發(fā)區(qū)域[4]。本文以某型醫(yī)用麻醉蒸發(fā)器為研究目標(biāo)，通過實際測量，建立了三維結(jié)構(gòu)模型，利用CFD方法，分析不同稀釋氣體溫度對麻醉蒸發(fā)器蒸發(fā)效果的影響，以及麻醉藥物蒸發(fā)與稀釋氣體的混合情況，為優(yōu)化改進(jìn)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)提高理論依據(jù)。

2 數(shù)值方法與求解

2.1 藥液蒸發(fā)傳熱過程的數(shù)學(xué)描述

液態(tài)藥物的蒸發(fā)過程包括了從外界吸收熱量，與稀釋空氣進(jìn)行熱交換過程。當(dāng)部分藥液或藥液以液滴形式與穿過多孔介質(zhì)單元的稀釋空氣相遇時，液滴吸收熱量，產(chǎn)生蒸發(fā)過程，可作為離散相作用到連續(xù)相的能量方程中。假設(shè)液滴的溫度達(dá)到蒸發(fā)溫度時，液滴的進(jìn)入氣體的蒸發(fā)量由濃度梯度的變化決定，即蒸氣還保持為液滴狀態(tài)時所在連續(xù)相氣體的蒸氣濃度，與蒸氣已成為連續(xù)相氣體時的蒸氣所在氣體的濃度梯度相關(guān)聯(lián)，可表示為（1）式

液滴的溫度可通過自身的熱平衡得出，熱平衡公式（4）把液滴的焓變與液滴與連續(xù)相氣體兩相之間的對流傳熱，氣化潛熱聯(lián)系起來，即

2.2 求解方法與邊界條件

本文在計算過程中主要論述麻醉藥液在蒸發(fā)器蒸發(fā)區(qū)域內(nèi)與稀釋空氣相遇、混合、蒸發(fā)過程的變化情況。兩相流動的數(shù)值計算方法中采用Lagrange法計算。在設(shè)定離散相邊界條件時，認(rèn)為稀釋氣體與麻醉藥物蒸發(fā)霧滴存在動量和熱交換的相互作用，霧滴的加入方式采用進(jìn)口面入射方式，霧滴從出口邊界流出設(shè)定為逃逸方式，與壁面碰撞設(shè)定為反射方式，霧滴在運(yùn)動過程中忽略剪切力及重力對運(yùn)動的影響作用，采用隨機(jī)跟蹤模型計算湍流脈動速度對離散相霧滴分散和運(yùn)動軌跡的影響規(guī)律。

計算包括了對不同稀釋空氣條件下蒸發(fā)器內(nèi)藥物揮發(fā)以及與空氣混合情況的分析。在連續(xù)相的流動過程中，認(rèn)為稀釋氣體在麻醉蒸發(fā)器內(nèi)部流動狀態(tài)是三維不可壓縮粘性湍流流動，選用RNG湍流模型，采用SIMPLE算法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算，求解精度采用二階精度。計算過程中設(shè)定質(zhì)量流量為入口邊界條件，入口壓力1.213 bar，稀釋氣體入口溫度分別為15 ℃和33℃。設(shè)定流量為出口邊界條件。為了便于分析，計算中麻醉藥物理化參數(shù)按照安氟醚理化參數(shù)設(shè)定，麻醉藥物蒸發(fā)后的體積濃度比為5%。

3 麻醉蒸發(fā)器模型建立

蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示[5-7]。在盛有揮發(fā)性麻藥容器內(nèi)的上方空間通過一定量的氣體可以是氧、空氣或與氧化亞氮的混合氣體，這些氣體稱為旁路稀釋氣體。一小部分氣體經(jīng)過調(diào)節(jié)閥流入蒸發(fā)室，攜走飽和的麻醉蒸氣，稱為分流稀釋氣體或載氣。旁路稀釋氣流與分流稀釋流在輸出口匯合，稱為含有一定百分比濃度的麻醉蒸氣的氣流，直接進(jìn)入麻醉回路。圖2是蒸發(fā)器工作過程的數(shù)值計算模型圖，圖中對蒸發(fā)器計算初始區(qū)域進(jìn)行了說明，其中麻醉藥蒸發(fā)區(qū)域（蒸發(fā)芯）為本次計算中的多孔介質(zhì)區(qū)域飽和麻醉氣是順著中間的管路往上進(jìn)入混合腔。新鮮氣體在分成兩路后，先通過壓力補(bǔ)償裝置（蛇形管）后進(jìn)入蒸發(fā)室，然后再進(jìn)入混合腔。通過網(wǎng)格劃分得到了蒸發(fā)器三維計算網(wǎng)格，如圖3所示，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格總數(shù)為237927。

圖1 蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 蒸發(fā)器工作過程數(shù)值計算模型圖

圖3 蒸發(fā)器三維計算網(wǎng)格

4 計算結(jié)果分析

為了方便顯示流場內(nèi)部變化，選取麻醉蒸發(fā)器XZ平面和YZ平面的剖面圖，計算結(jié)果顯示，當(dāng)稀釋氣體從蒸發(fā)器進(jìn)口進(jìn)入后，一部分壓縮氣體先進(jìn)入蒸發(fā)器穩(wěn)壓腔（壓力補(bǔ)償管），并且隨后氣體流速降幅較大。氣體在壓力得到穩(wěn)定后，進(jìn)入蒸發(fā)芯與藥液蒸汽進(jìn)行第一次混合后再進(jìn)入第二混合區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)與另一部分分流的稀釋氣體進(jìn)行第二次混合，最后形成藥液混合氣后從出口流出。圖4是不同稀釋氣體溫度條件下蒸發(fā)器流場密度變化云圖，由圖可見，當(dāng)稀釋氣體溫度較高時（T=33℃），流場內(nèi)流動物質(zhì)密度較大，這種現(xiàn)象說明了在多孔介質(zhì)區(qū)域藥物的蒸發(fā)量提高較大，增加了藥物蒸汽與稀釋氣體混合后的密度，由此可見，提高稀釋氣體溫度有助于藥物的蒸發(fā)以及與稀釋氣體的混合。

圖4 不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內(nèi)部流場密度變化

圖5是不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內(nèi)部藥物蒸發(fā)率變化云圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)稀釋氣體較高時，在麻醉蒸發(fā)器內(nèi)部以霧滴形式存在的藥物蒸發(fā)量有較大提高。圖6是不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內(nèi)部藥物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化云圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在蒸發(fā)器蒸發(fā)芯區(qū)域，存在了相對較濃的藥物蒸發(fā)區(qū)。在圖5a中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)入蒸發(fā)器稀釋氣體溫度相對較低時，藥物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布極不均勻，由于在壓力補(bǔ)償管與藥液蒸發(fā)芯之間的通道只有一條，最終導(dǎo)致了在氣體流動較快的區(qū)域，蒸發(fā)量隨之增加，但此后稀釋氣體溫度較低，影響了藥物的霧化效果，即導(dǎo)致了稀釋氣體與藥物蒸汽的不充分混合，隨即流向了第二次混合區(qū)。

圖5 不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內(nèi)部藥物蒸發(fā)率變化

圖6 不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內(nèi)部藥物（安氟醚）質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

圖7是不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內(nèi)部藥物濃度變化分布，此時的藥物是以霧滴形式存在于蒸發(fā)器內(nèi)部，由圖中可以看出，當(dāng)稀釋氣體較高時，蒸發(fā)器內(nèi)部整體分布的藥物濃度有明顯提高，并且分布的均勻程度也比較均勻。由此根據(jù)圖5－7可以看出，適當(dāng)提高稀釋氣體的溫度有助于增強(qiáng)藥物蒸發(fā)，以及與稀釋氣體的均勻混合。稀釋氣體溫度對藥物蒸發(fā)，以及藥物蒸氣與稀釋氣體混合過程有較大影響，最終影響了蒸發(fā)藥物濃度的穩(wěn)定性與精確性。圖8是不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內(nèi)部比熱變化分布云圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)稀釋氣體溫度較高時，在麻醉蒸發(fā)器內(nèi)部流動物質(zhì)的比熱明顯增加，這與在多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)有較濃的藥物蒸汽有關(guān)，并且由此可以發(fā)現(xiàn)，隨著稀釋氣體溫度的增加，會導(dǎo)致在蒸發(fā)器內(nèi)部有較大的熱量傳遞過程，即在藥物蒸發(fā)區(qū)域，存在揮發(fā)吸熱過程。

圖7 不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內(nèi)部藥物濃度變化分布

5 結(jié)論

圖8 不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內(nèi)部比熱變化分布

本文運(yùn)用的CFD方法，分析了稀釋氣體溫度對麻醉蒸發(fā)器蒸發(fā)效果影響，采用湍流隨機(jī)跟蹤方法，對麻醉藥物蒸發(fā)霧滴在蒸發(fā)器內(nèi)的運(yùn)動進(jìn)行軌跡追蹤，得到了稀釋氣體溫度對蒸發(fā)器蒸發(fā)區(qū)域內(nèi)麻醉藥物揮發(fā)以及與稀釋氣體混合過程中濃度場變化的影響規(guī)律。稀釋氣體溫度對麻醉蒸發(fā)器藥物與稀釋氣體混合均勻程度有很大影響。適當(dāng)提高稀釋氣體溫度，可以提高藥物的蒸發(fā)量，與稀釋氣體的混合均勻性。溫度適當(dāng)提高，混合效果顯著提高。稀釋氣體溫度對藥物蒸發(fā)，以及藥物蒸氣與稀釋氣體混合過程有較大影響，最終影響蒸發(fā)藥物濃度的穩(wěn)定性與精確性。

[1]Palayiwa E, Sanderson MH, Hahn CE. Effects of carrier gas composition on the output of six anaesthetic vaporizers[J]. Br J Anaesth, 1983,55(10):1025-1038.

[2]Gould DB, Lampert BA, MacKrell TN. Effect of nitrous oxide solubility on vaporizer aberrance[J].Anesth Analg 1982,61(11):938-940.

[3]Pashayan AG, Gravenstein JS. Helium retards endotracheal tube fires from carbon dioxide lasers[J].Anesthesiology 1985,62(3):274-277.

[4]嚴(yán)紅劍.有源醫(yī)療器械檢測技術(shù)[M].北京：科技出版社,2007:8.

[5]韋漢鵬.麻醉機(jī)設(shè)計原理及進(jìn)展[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2005,20(10):44-45.

[6]楊汝.麻醉蒸發(fā)器的原理結(jié)構(gòu)和使用[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2003,18(6):16-18.

[7]郁紅漪.麻醉藥-蒸發(fā)罐的進(jìn)展[J].中國醫(yī)療器械雜志,2003,27(4):279-280.