Криотерапия сухим холодным воздухом или рекламная мифология

Производители аппаратов для групповой криогенной физиотерапии (криотерапии) в своих рекламных материалах особое значение придают степени сухости, поступающего в процедурную кабину воздуха. "Криотерапия сухим холодным воздухом" преподносится как высококачественно новая процедура. Создается впечатление, что позитивные последствия повышенной сухости воздуха настолько высоки, что оправдывают 20 кратную разницу в цене с аналогичными по лечебному действию аппаратами. Может возникнуть ощущение, что для достижения лечебного эффекта сухость воздуха в криотерапевтической кабине важнее температуры. В действительности сухость воздуха никакого значения не имеет.

Известно, что при низких температурах воздух в принципе не способен переносить технически значимое количество воды. Чем ниже температура воздуха, тем меньше паров воды. Зависимость содержания паров воды в воздухе (абсолютная влажность гр/кг) от температуры приведена на рисунке 1. Из графика видно, что охлаждение воздуха от 20 до -30 0С снижает содержание паров воды в 70 раз. При температуре -60 0С паров воды в воздухе 35 раз меньше чем при -30 0С.

Для того чтобы понять, сколько малые количества воды могут находиться в воздухе при низких температурах, можно сказать, что при t=-60 0С , в воздухе содержится всего одна молекула воды на миллион молекул воздуха. Но и это еще не предел, при -100 0С воздух в 800 раз суше чем -60 0С. Трудно даже мысленно представить столь малые концентрации, а о влиянии примесей воды на свойства воздуха говорить вообще не приходится.

Рис. 1 Снижение содержания паров воды при охлаждении воздуха.

Обсуждая вопрос о наличии или отсутствии у криотерапии сухим холодным воздухом потребительских преимуществ надо решить, что производители групповых криотерапевтических комплексов понимают под термином сухой воздух. В принципе возможны два варианта: сухой воздух, это воздух с пониженным содержанием воды или воздух прошедший специальную осушку.

Как видно из графика 1 , охлаждение газа неизбежно сопровождается снижением его влажности.

Рис. 2 Изменение влагосодержания воздуха при охлаждении от -120 до -1300С.

Учитывая различия в значении температуры газовой среды подаваемой в групповые (от -110 до -120оС) и индивидуальные кабины (не более -130оС), воздух в групповых криотерапевтических комплексах содержит гораздо больше паров воды (см. рис 2). При снижении температуры -120 до -1300С влагосодержание воздуха уменьшается в 10 раз, а воздух охлажденный до -1500С уже в 1000 суше, чем при -1200С. Утверждения об особенной сухости воздуха и связанных с ней потребительских преимуществах групповых комплексов беспочвенны.

Может быть, в групповых системах воздух проходит дополнительную осушку? Хотя производители об этом не говорят, можно оценить принципиальную возможность предварительной осушки газа, направленного в процедурную кабину. Для дополнительной осушки газовых потоков можно предложить только один способ- поглощение воды адсорбентами (гранулированными высокопористыми материалами). Но, адсорбционная осушка применима только в том случае, когда газовый поток имеет повышенное давление (не менее 5 МПа). В современных криотерапевтических комплексах такие условия отсутствуют. Так как газ циркулирует между кабиной и системой охлаждения, для его сжатия потребовалось бы многократно усложнить технологию криостатирования.

Значит, получение "сухого холодного воздуха" основано только на вымораживании воды при охлаждении. И все доводы о действительном содержании воды в групповых кабинах справедливы.

Повышенное внимание, уделяемое сухости воздуха, основано на бытовом опыте, полученом при контакте с низкими температурами природного уровня. Действительно, при температурах выше -200С абсолютная влажность воздуха достаточно высока, поэтому относительная влажность газа (степень насыщения воздуха водой) существенно влияет на субъективные ощущения. Во влажном климате Санкт-Петербурга при температуре -200С в 1м3 воздуха будет содержаться 0,9 гр. воды (относительная влажность 100%).

При той же температуре в Якутске воздух может оказаться в два раза суше (относительная влажность 50 %). Те, кто посещал эти города в зимнее время, на собственном опыте изучили способность паров воды увеличивать потери теплоты. Но, если газ имеет температуру ниже -600С, паров воды в нем настолько мало (0,011 гр./м3), что его теплоёмкость и теплопроводность не зависит от относительной влажности.

Но всё же, остаётся ещё один способ переноса воды в низкотемпературных газовых потоках - миграция кристаллов замерзшей воды в виде инея и снега. Молекулы воды, в ходе кристаллизации, образуют сложные пространственные конструкции с высокой парусностью. При быстром снижении температуры воздуха, снежинки получаются очень мелкими и легко перемещаются по каналам комплекса. Может быть, в групповых кабинах созданы условия для улавливания твердой воды? Для ответа на это вопрос надо сравнить процессы выделения и переноса инея в групповых и индивидуальных комплексах.

Основным источником поступления воды в зону криотерапевтического воздействия является пациент. Вода содержится в выдыхаемом воздухе и испаряется с поверхности тела. В групповых комплексах вода попадает в объем кабины, как от дыхания, так и с поверхности тела. В индивидуальных криотерапевтических кабинах пациент дышит атмосферным воздухом, поэтому влага от дыхания в объем кабины не поступает. Источником поступления воды является только кожный покров, причем, как показывают визуальные наблюдения кожа, высыхает за первые 30 с процедуры.

Оценить количество влаги поступившей в объем с кожного покрова крайне трудно, так как условия выделения пота при сверхнизких температурах никто не исследовал. В тоже время этот источник воды присутствует в обоих случаях, поэтому им можно пренебречь. Гораздо большее количество влаги поступает при дыхании пациента в объеме кабины. Этот источник воды присутствует только в групповых комплексах, поэтому надо оценить способность охлаждающей аппаратуры удалять иней из объема кабины.

Компрессионный охладитель (см. рис. 3) работает по замкнутому циклу. Воздух из кабины отбирается в теплообменник - воздухоохладитель, где его температура понижается на 10-200С. После охлаждения газ вновь возвращается в кабину с пациентами. Охлаждение приводит к тому, что часть воды вымораживается на поверхности теплообменника и воздух становится суше.

Процесс идёт при температуре ниже -1000 С, поэтому способность воздуха переносить воду в виде пара, крайне мала.

Например, в потоке, отводимом из кабины, (t= -1000С) содержится 8,26?10-3мгр/кг паров воды, после охлаждения в теплообменнике до температуры -1200С, абсолютная влажность воздуха снижается до 8,13?10-5мгр/кг. Практически вся вода из потока должна остаться в теплообменнике, но количество вымороженного пара ничтожно мало. Твердая вода не удерживается в теплообменнике и может вернуться в кабину в потоке воздуха. Сравним количество вымораживаемой и выдыхаемой воды.

Исходя из мощности электропривода компрессионного охладителя (20 КВт) и степени переохлаждения воздуха в теплообменнике, расход воздуха через процедурную кабину составляет 0.1-0.2 кг/с. За 4 минуты процедуры через кабину с пациентами пройдет от 30 до 60 кг воздуха. С учетом лагосодержания воздуха при температуре -1000С (см. рис 1), поток сможет вынести из кабины сможет вынести из кабины не более 0,5 гр. воды.

Значительно больше воды поступает в объём кабины от дыхания пациентов. Следует учесть, что для защиты внутренних органов от обморожения, пациенты дышат воздухом через матерчатый фильтр - респиратор. При выдохе - ткань респиратора становится центром конденсации воды из воздуха; при вздохе - влажная ткань согревает воздух и охлаждается сама. Фильтр снижает массу поступающей в кабину воды. За 4 минуты процедуры, пациент делает до 80 выдохов, общим объёмом 40 литров. Пять пациентов выдыхают примерно 0.2 м3 влажного воздуха, в котором изначально содержится до 400 гр. воды.

Рис. 3 Распределение водяных паров поступивших в кабину при дыхании пациентов.

С учётом охлаждения при контакте с материалом респиратора, в объём кабины воздух поступает с температурой около +50С. Тогда 0,2 м3 воздуха вынесут в кабину до 10 грамм водяного пара. Кабина объемом 8 м3 может содержать в виде пара не более 0,0015 мг воды, поэтому пар тут же превратиться в мелкие снежинки (ледяной туман). Циркулирующий поток выносит за процедуру всего 0,5 гр. воды, следовательно, 9,5 гр. останутся в кабине.

Очевидно, что конструкция групповых комплексов не обеспечивает удаление воды поступившей от дыхания пациента. От процедуры к процедуре количество инея в кабине и коммуникациях должно нарастать, для удаления водяного конденсата после окончания работы комплекса, необходимо проводить мероприятия по очистке комплекса от твердой воды. И действительно, в технологическом цикле комплекса предусмотрен режим размораживания, продолжительностью 2-3 часа, который позволяет освободиться от накопившейся воды.

Индивидуальные комплексы с азотным охлаждением (см. рис. 3) работают по разомкнутому циклу, так как часть газа проходящего через процедурную кабину отводится в атмосферу. Количество удаляемого газа определяется расходом жидкого азота в системе охлаждения и составляет 1,5 - 2 кг/ мин. Циркуляционный поток через кабину составляет 0,1 - 0,2 кг/с (60- 120 кг/мин).

Всего за время процедуры (3 минуты) через кабину проходит до 350 кг теплоносителя. Мощные газовые потоки создают условия для переноса инея образовавшегося при испарении пота в атмосферу (10%) и в блок охлаждения (90 %). Условия азотного охлаждения таковы, что в контактном теплообменнике снежинки интенсивно орошаются жидким азотом. При смачивании жидким азотом парусность инея снижается. Смесь жидкого азота и инея оседает во внутренних полостях охладителя.

Влага, поступившая с кожи пациента, быстро удаляется за пределы процедурной кабины. Визуально видно, что через 30-40 секунд после начала процедуры ледяной туман исчезает, и кабина просматривается до самого дна. Способность эвакуировать воду настолько высока, что пациенты могут заходить в кабину сразу после бассейна, с мокрой кожей. Все равно через 40 с кожа высыхает, а газ в кабине очищается от ледяного тумана.

Приведенный анализ показывает, что по всем определяющим влагосодержание газа параметрам в зоне криовоздействия групповые системы значительно уступают индивидуальным комплексам с азотным охлаждением.

Потребители криогенной физиотерапевтической аппаратуры, могут легко оценить степень сухости воздуха в кабине. Если через некоторое время после начала процедуры туман пропадает, охлаждающая аппаратура справляется с удалением влаги. Если ледяной туман держится постоянно, все разговоры о предварительной осушке воздуха лишены всякого физического смысла.

В заключение несколько слов о локальной криотерапии сухим воздухом при -300С. Во-первых при столь высокой температуре газа получить криотерапевтический эффект просто невозможно. Температуры уровня -300С типичны для зимнего климата многих районов России, но, случаи лечения болезней природными воздушными ваннами с температурой -300С ни кем не описаны. Если температура газа выше -1300С процедура в принципе не дает криотерапевтического эффекта. А вот влажность воздуха при температуре -300С будет достаточно высокой, так как воздух осушается за счет вымораживания влаги при охлаждении и относительная влажность его 100% . Таким образом, ни криотерапии, ни сухого воздуха в аппаратах с температурой -300С просто нет.