稀释气体温度对麻醉蒸发器蒸发效果影响的计算分析

戴 捷 苏 磊 王 博 冯璐琼 刘 晖

1 引言

蒸发器是麻醉机的关键部件，由于强效吸入麻醉药的使用，其质量的好坏不但标志着麻醉机的水平，也关系到吸入麻醉的成败，直接涉及患者的安危。因此，使用麻醉机时，必须认真检查蒸发器，必要时应对其输出浓度加以监测。如何提高蒸发器的精确度，使麻醉机故障率最小，在出现故障后使受害程度控制到最低限度，是设计蒸发器时需要解决的首要问题。

蒸发器应具有以下功能：①有效地蒸发挥发性吸入麻醉药；②精确地控制挥发性吸入麻醉药的浓度[1-3]。

随着多种强效挥发性吸入麻醉药相继应用于临床，蒸发器与麻醉安危的关系更为密切，对蒸发器质量的要求亦越高。而稀释气体的温度与蒸发器的蒸发效果也有很大影响，尤其是在药物的蒸发区域[4]。本文以某型医用麻醉蒸发器为研究目标，通过实际测量，建立了三维结构模型，利用CFD方法，分析不同稀释气体温度对麻醉蒸发器蒸发效果的影响，以及麻醉药物蒸发与稀释气体的混合情况，为优化改进蒸发器结构提高理论依据。

2 数值方法与求解

2.1 药液蒸发传热过程的数学描述

液态药物的蒸发过程包括了从外界吸收热量，与稀释空气进行热交换过程。当部分药液或药液以液滴形式与穿过多孔介质单元的稀释空气相遇时，液滴吸收热量，产生蒸发过程，可作为离散相作用到连续相的能量方程中。假设液滴的温度达到蒸发温度时，液滴的进入气体的蒸发量由浓度梯度的变化决定，即蒸气还保持为液滴状态时所在连续相气体的蒸气浓度，与蒸气已成为连续相气体时的蒸气所在气体的浓度梯度相关联，可表示为（1）式

液滴的温度可通过自身的热平衡得出，热平衡公式（4）把液滴的焓变与液滴与连续相气体两相之间的对流传热，气化潜热联系起来，即

2.2 求解方法与边界条件

本文在计算过程中主要论述麻醉药液在蒸发器蒸发区域内与稀释空气相遇、混合、蒸发过程的变化情况。两相流动的数值计算方法中采用Lagrange法计算。在设定离散相边界条件时，认为稀释气体与麻醉药物蒸发雾滴存在动量和热交换的相互作用，雾滴的加入方式采用进口面入射方式，雾滴从出口边界流出设定为逃逸方式，与壁面碰撞设定为反射方式，雾滴在运动过程中忽略剪切力及重力对运动的影响作用，采用随机跟踪模型计算湍流脉动速度对离散相雾滴分散和运动轨迹的影响规律。

计算包括了对不同稀释空气条件下蒸发器内药物挥发以及与空气混合情况的分析。在连续相的流动过程中，认为稀释气体在麻醉蒸发器内部流动状态是三维不可压缩粘性湍流流动，选用RNG湍流模型，采用SIMPLE算法进行稳态计算，求解精度采用二阶精度。计算过程中设定质量流量为入口边界条件，入口压力1.213 bar，稀释气体入口温度分别为15 ℃和33℃。设定流量为出口边界条件。为了便于分析，计算中麻醉药物理化参数按照安氟醚理化参数设定，麻醉药物蒸发后的体积浓度比为5%。

3 麻醉蒸发器模型建立

蒸发器的结构原理如图1所示[5-7]。在盛有挥发性麻药容器内的上方空间通过一定量的气体可以是氧、空气或与氧化亚氮的混合气体，这些气体称为旁路稀释气体。一小部分气体经过调节阀流入蒸发室，携走饱和的麻醉蒸气，称为分流稀释气体或载气。旁路稀释气流与分流稀释流在输出口汇合，称为含有一定百分比浓度的麻醉蒸气的气流，直接进入麻醉回路。图2是蒸发器工作过程的数值计算模型图，图中对蒸发器计算初始区域进行了说明，其中麻醉药蒸发区域（蒸发芯）为本次计算中的多孔介质区域饱和麻醉气是顺着中间的管路往上进入混合腔。新鲜气体在分成两路后，先通过压力补偿装置（蛇形管）后进入蒸发室，然后再进入混合腔。通过网格划分得到了蒸发器三维计算网格，如图3所示，非结构化网格总数为237927。

图1 蒸发器的结构原理图

图2 蒸发器工作过程数值计算模型图

图3 蒸发器三维计算网格

4 计算结果分析

为了方便显示流场内部变化，选取麻醉蒸发器XZ平面和YZ平面的剖面图，计算结果显示，当稀释气体从蒸发器进口进入后，一部分压缩气体先进入蒸发器稳压腔（压力补偿管），并且随后气体流速降幅较大。气体在压力得到稳定后，进入蒸发芯与药液蒸汽进行第一次混合后再进入第二混合区域，在此区域内与另一部分分流的稀释气体进行第二次混合，最后形成药液混合气后从出口流出。图4是不同稀释气体温度条件下蒸发器流场密度变化云图，由图可见，当稀释气体温度较高时（T=33℃），流场内流动物质密度较大，这种现象说明了在多孔介质区域药物的蒸发量提高较大，增加了药物蒸汽与稀释气体混合后的密度，由此可见，提高稀释气体温度有助于药物的蒸发以及与稀释气体的混合。

图4 不同稀释气体温度条件下麻醉蒸发器内部流场密度变化

图5是不同稀释气体温度条件下麻醉蒸发器内部药物蒸发率变化云图，从图中可以发现，当稀释气体较高时，在麻醉蒸发器内部以雾滴形式存在的药物蒸发量有较大提高。图6是不同稀释气体温度条件下麻醉蒸发器内部药物质量分数变化云图，从图中可以发现，在蒸发器蒸发芯区域，存在了相对较浓的药物蒸发区。在图5a中可以发现，当进入蒸发器稀释气体温度相对较低时，药物质量分数分布极不均匀，由于在压力补偿管与药液蒸发芯之间的通道只有一条，最终导致了在气体流动较快的区域，蒸发量随之增加，但此后稀释气体温度较低，影响了药物的雾化效果，即导致了稀释气体与药物蒸汽的不充分混合，随即流向了第二次混合区。

图5 不同稀释气体温度条件下麻醉蒸发器内部药物蒸发率变化

图6 不同稀释气体温度条件下麻醉蒸发器内部药物（安氟醚）质量分数变化

图7是不同稀释气体温度条件下麻醉蒸发器内部药物浓度变化分布，此时的药物是以雾滴形式存在于蒸发器内部，由图中可以看出，当稀释气体较高时，蒸发器内部整体分布的药物浓度有明显提高，并且分布的均匀程度也比较均匀。由此根据图5－7可以看出，适当提高稀释气体的温度有助于增强药物蒸发，以及与稀释气体的均匀混合。稀释气体温度对药物蒸发，以及药物蒸气与稀释气体混合过程有较大影响，最终影响了蒸发药物浓度的稳定性与精确性。图8是不同稀释气体温度条件下麻醉蒸发器内部比热变化分布云图，从图中可以发现当稀释气体温度较高时，在麻醉蒸发器内部流动物质的比热明显增加，这与在多孔介质区域内有较浓的药物蒸汽有关，并且由此可以发现，随着稀释气体温度的增加，会导致在蒸发器内部有较大的热量传递过程，即在药物蒸发区域，存在挥发吸热过程。

图7 不同稀释气体温度条件下麻醉蒸发器内部药物浓度变化分布

5 结论

图8 不同稀释气体温度条件下麻醉蒸发器内部比热变化分布

本文运用的CFD方法，分析了稀释气体温度对麻醉蒸发器蒸发效果影响，采用湍流随机跟踪方法，对麻醉药物蒸发雾滴在蒸发器内的运动进行轨迹追踪，得到了稀释气体温度对蒸发器蒸发区域内麻醉药物挥发以及与稀释气体混合过程中浓度场变化的影响规律。稀释气体温度对麻醉蒸发器药物与稀释气体混合均匀程度有很大影响。适当提高稀释气体温度，可以提高药物的蒸发量，与稀释气体的混合均匀性。温度适当提高，混合效果显著提高。稀释气体温度对药物蒸发，以及药物蒸气与稀释气体混合过程有较大影响，最终影响蒸发药物浓度的稳定性与精确性。

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