BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

LÊ MINH TRÍ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT CRYO
TRONG LĨNH VỰC Y TẾ Ở ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng- năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

LÊ MINH TRÍ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT CRYO
TRONG LĨNH VỰC Y TẾ Ở ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Công nghệ và Thiết bị lạnh
Mã số: 62.52.80.05

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Hoàng Ngọc Đồng
Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Nguyễn Thành Văn

Đà Nẵng- năm 2015



Bình phân ly

BTD

Bình tách dầu

BTG

Bình trung gian

HN

Hồi nhiệt

MGN

Máy giãn nở

MN

Máy nén

NT

Ngưng tụ

TAC

Tuabin cao áp


Sản phẩm lạnh y tế như: hóa chất sinh
phẩm, chế phẩm từ máu, tế bào gốc


iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
STT

KÝ HIỆU

TÊN ĐẠI LƯỢNG

1

C

Nhiệt dung riêng của tế bào

2

r

Nhiệt hóa rắn của tế bào

kJ/kg

3


7

l

Công nén riêng

kJ/kg

8

p

Áp suất

bar

9

t

Nhiệt độ

0

10

e

Hệ số lạnh


15

qk

Năng suất nhiệt tải

kJ/kg

16

m

Lưu lượng môi chất

kg/s

17

t

Thời gian

giây

18

ω

Độ ẩm toàn phần


23

CA, HA

24

v

Vận tốc đóng băng

m/s

25

a

Gia tốc đóng băng

m/s2

26

hs

Hệ số tỏa nhiệt giữa lỏng nitơ và không khí

W/m2K

27


7. Những đóng góp mới của luận án ................................................................................................. 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................7
1.1. Tổng quan về kỹ thuật lạnh Cryo .............................................................................................. 7
1.1.1. Khái niệm ..................................................................................................7
1.1.2. Đặc điểm và ứng dụng của kỹ thuật lạnh Cryo .........................................7
1.1.3. Các phương pháp hóa lỏng khí .................................................................9
1.1. 4. Các loại khí hóa lỏng thông thường: ......................................................17
1.2. Nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật lạnh Cryo trong công nghệ bảo quản sản phẩm
lạnh y tế ....................................................................................................................................................... 18
1.2.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới .....................................18
1.2.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam ...................................24
1.2.3. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ....................................................25
1.3. Nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật lạnh Cryo trong công nghệ phẫu thuật lạnh ...... 25
1.3.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới .....................................25
1.3.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam ...................................32
1.3.3. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ....................................................32
1.4. Kết luận chương 1 .......................................................................................................................... 32
Chương 2: ĐỀ XUẤT CHU TRÌNH HỆ THỐNG LẠNH CRYO CHO CÁC
BỆNH VIỆN VIỆT NAM .......................................................................................34
2.1. Lựa chọn sơ đồ hệ thống lạnh Cryo cho các bệnh viện Việt Nam ........................... 34


v
2.1.1. Giới thiệu thực trạng ...............................................................................34
2.1.2. Lựa chọn sơ đồ hệ thống lạnh Cryo ........................................................35
2.1.3. Nguyên lý làm việc hệ thống lạnh Cryo .................................................38
2.2. Thông số trạng thái tại các điểm nút và thông số kỹ thuật của hệ thống ............... 42
2.2.1. Thông số trạng thái của chu trình lạnh tầng 4 .........................................42
2.2.2. Thông số trạng thái của chu trình lạnh tầng 3 .........................................43
2.2.3. Thông số trạng thái của chu trình lạnh tầng 2 .........................................44

3.2. Xây dựng phần mềm tính các thông số trong quá trình cấp đông nhanh tế bào
....................................................................................................................................................................... 103

3.2.1. Sơ đồ khối .............................................................................................103
3.2.2. Nhập số liệu...........................................................................................103
3.2.3. Chương trình tính các thông số .............................................................106
3.2.4. Xuất kết quả ..........................................................................................110
3.3. Mở rộng phạm vi áp dụng các công thức tính truyền nhiệt đã thiết lập ............... 112
3.3.1. Tính truyền nhiệt khi cấp đông nhanh theo chiều từ vỏ vào tâm vật ẩm
.........................................................................................................................112
3.3.2. Các trường hợp áp dụng trong thực tiễn ...............................................114
3.4. Kết luận chương 3 ........................................................................................................................ 114
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT KHI CẤP
ĐÔNG CỤC BỘ TẾ BÀO BẰNG KỸ THUẬT CRYO.....................................115
4.1. Thực nghiệm trên thiết bị kim tạo cầu băng ..................................................................... 115
4.1.1. Chế tạo kim tạo cầu băng ......................................................................115
4.1.2. Công tác chuẩn bị ..................................................................................120
4.1.3. Các bài thực nghiệm..............................................................................125
4.1.4. Kết quả thực nghiệm .............................................................................127
4.1.5. Luận bàn kết quả ...................................................................................129
4.2. Thực nghiệm trên thiết bị kim tạo trụ băng ...................................................................... 129
4.2.1. Chế tạo kim tạo trụ băng .......................................................................129
4.2.2. Công tác chuẩn bị ..................................................................................131
4.2.3. Các bài thực nghiệm..............................................................................132
4.2.4. Kết quả thực nghiệm .............................................................................133


vii
4.2.5. Luận bàn kết quả ...................................................................................135
4.3. Thực nghiệm trên thiết bị áp lạnh ......................................................................................... 135


Thông số kỹ thuật chu trình lạnh tầng 4

43

2.3.

Thông số điểm nút chu trình lạnh tầng 3

43

2.4.

Thông số kỹ thuật chu trình lạnh tầng 3

44

2.6.

Thông số kỹ thuật chu trình lạnh tầng 2

45

2.5.

Đồ thị LgP-h chu trình lạnh tầng 2

45

2.7.


Nhu cầu tải lạnh tại Bệnh viện Trung ương Huế

50

2.13.

Phụ tải nhiệt tại các tầng hệ thống lạnh

53

2.14.

Tính chọn máy nén tại các tầng của hệ thống lạnh

54

2.15.

Thông số thiết bị phụ trợ tại các tầng của hệ thống lạnh

54

3.1.

Khối lượng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ (-400C÷ 1500C)

65

3.2.


Giá trị hệ số x,h sử dụng trong nghiên cứu

78

3.7.

Thông số vật lý của tế bào khi khảo sát

84


ix

3.8.

So sánh các thông số tạo băng khi làm lạnh Cryo

93

3.9.

Kích thước lớp băng khi giải bằng phương pháp số

100

3.10.

Kết quả giải bằng giải tích


ẩm

134

4.3.

Kết quả thực nghiệm đo kích thước lớp băng trên bề mặt vật
ẩm

139


x

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1.

Sơ đồ nguyên lý thiết bị hóa lỏng kiểu Pictet

10

1.2.



Chu trình thiết bị hóa lỏng Claude có van tiết lưu

16

1.8.

Tủ lạnh Cryo

22

1.9.

Bình bảo quản lạnh Cryo

23

1.10.

Thiết bị áp lạnh

29

1.11.

Thiết bị kim tạo trụ băng

30

1.12.


Đồ thị LgP-h chu trình lạnh tầng 2

45

2.6.

Đồ thị LgP-h chu trình lạnh tầng 1

46

2.7.

Biểu diễn các quá trình trên đồ thị T-s

47

2.8.

Sơ đồ bình bảo quản lạnh Cryo

50

2.9.

Tủ đông âm sâu

51

2.10.


3.4.

Thiết bị làm lạnh khi giải bằng phương pháp số

75

3.5.

Thành phần tế bào khi giải bằng phương pháp số

77

3.6.

Giả thiết nhiệt độ lớp biên loại 1

79

3.7.

Giả thiết quá trình hạ nhiệt độ và đóng băng là đồng thời

80

3.8.

Giả thiết dòng nhiệt q là ổn định trong thời gian vô cùng bé

82


3.14.

Đồ thị giải bằng phương pháp số

99

3.15.

Đồ thị so sánh kết quả giữa hai phương pháp tính (t= -50C)

102

3.16.

Đồ thị so sánh kết quả giữa hai phương pháp tính (t= -100C)

102

3.17.

Sơ đồ khối phần mềm tính các thông số khi cấp đông nhanh

104

tế bào
3.18.

Giao diện của phần nhập số liệu


111

3.24.

Mô hình bài toán cấp đông nhanh theo chiều từ vỏ vào tâm

113

vật ẩm
3.25.

Phát biểu hình học bài toán cấp đông nhanh vật ẩm

113

4.1.

Sơ đồ kim lạnh tạo cầu băng kiểu có lỗ phun lỏng

116


xii
4.2.

Sơ đồ kim tạo cầu băng dẫn lỏng qua ống mao

117

4.3.


Hình ảnh đo thời gian trễ nhiệt của kim tạo cầu băng

123

4.9.

Đo kích thước tạo cầu băng trong thịt bò

126

4.10.

Hình ảnh đo kích thước cầu băng tạo ra trong vật ẩm

127

4.11.

So sánh kích thước cầu băng tạo ra bên trong vật ẩm

128

4.12.

Hình ảnh kiểm tra cách nhiệt của thân kim lạnh

129

4.13.


Thiết bị áp lạnh kiểu phun môi chất

136

4.19.

Thiết bị áp lạnh kiểu tiếp xúc

136

4.20.

Thực nghiệm tạo băng trên bề mặt vật ẩm

138

4.21.

So sánh lớp băng tạo ra trên bề mặt vật ẩm

139


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của kỹ thuật lạnh Cryo trong
những năm gần đây, việc ứng dụng chúng trong lĩnh vực y tế được đầu tư nghiên

Từ những lý do trên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật Cryo
trong lĩnh vực y tế ở điều kiện Việt Nam” làm luận án NCS.

2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lạnh Cryo trong y tế với hai lĩnh vực:
- Đề xuất chu trình hệ thống lạnh Cryo phục vụ trong việc bảo quản SPLYT
cho các bệnh viện Việt Nam;
- Nghiên cứu truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo
bao gồm: xây dựng mô hình toán học; thiết lập các công thức tính các thông số
trong quá trình đông lạnh nhanh tế bào và tiến hành thực nghiệm kiểm chứng.

3. Nội dung nghiên cứu
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước,
NCS xây dựng hướng nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lạnh Cryo trong lĩnh vực y tế ở
điều kiện Việt Nam như sau:
- Khảo sát các thiết bị làm lạnh bảo quản SPLYT tại Bệnh viện Trung ương
Huế;
- Lựa chọn sơ đồ hệ thống lạnh Cryo có nhiều chế độ làm lạnh phục vụ việc
bảo quản SPLYT cho các bệnh viện Việt Nam;
- Tính nhiệt hệ thống lạnh Cryo cho Bệnh viện Trung ương Huế;
- Khảo sát việc ứng dụng phẫu thuật lạnh trong tiêu diệt tế bào ung thư tại
Bệnh viện Trung ương Huế;
- Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán đông lạnh nhanh tế bào;
- Xây dựng mô hình toán học với các loại thiết bị phẫu thuật lạnh khác nhau;
- Thiết lập công thức tính các thông số truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào
bằng kỹ thuật lạnh Cryo;
- Xây dựng phần mềm tính các thông số trong quá trình đông lạnh nhanh;


3

tháng 9/2000 đến tháng 01/2015.


4
- Các thực nghiệm được tiến hành tại cơ sở thí nghiệm Trường Cao đẳng Công
nghiệp Huế dựa trên các thiết bị thực nghiệm, đo lường có trong nước.

5. Phương pháp nghiên cứu
Luận án được tiến hành dựa trên hai phương pháp: nghiên cứu lý thuyết và
nghiên cứu thực nghiệm.
à Nghiên cứu lý thuyết hệ thống lạnh Cryo
Thiết kế hệ thống lạnh Cryo cho các bệnh viện ở Việt Nam dựa trên cơ sở :
- Lý thuyết hệ thống máy lạnh ghép tầng đã được Pictet phát minh.
- Khảo sát thực tế qui trình sản xuất lỏng nitơ tại các nhà máy hóa lỏng khí ở
Việt Nam.
- Khảo sát các thiết bị bảo quản SPLYT tại các bệnh viện Việt Nam.
- Ứng dụng lỏng có nhiệt độ thấp làm môi chất lạnh để thu nhiệt của môi
trường cần làm lạnh, đây là phương pháp làm lạnh cơ bản của ngành kỹ thuật lạnh.
Nguyên lý hoạt động của các thiết bị lạnh dựa trên phương pháp này.
à Nghiên cứu lý thuyết truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng kỹ
thuật lạnh Cryo
Lý thuyết này được xây dựng trên cơ sở:
- Phương pháp giải tích: phương pháp này được sử dụng rộng rãi và phổ biến
khi thiết lập các công thức, phương trình. Ưu điểm của phương pháp này là mối
quan hệ giữa các đại lượng được biểu thị rõ ràng, minh bạch. Việc tính toán đơn
giản, dễ dàng hơn nhiều so với phương pháp số. Quá trình tính toán không phụ
thuộc vào phần mềm do người lập trình thiết lập.
- Phương pháp vi phân và tích phân: đây là phương pháp cơ sở của ngành toán
học. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc chia nhỏ vùng khảo sát, sau đó tích hợp
lại để có kết quả quá trình. Phương pháp này được sử dụng để xây dựng phương

Chương 3. Nghiên cứu lý thuyết truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào
bằng kỹ thuật lạnh Cryo;
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế
bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo;
Chương 5. Kết luận và kiến nghị.


6

7. Những đóng góp mới của luận án
à Lý thuyết
- Đề xuất sử dụng máy lạnh ghép tầng để đạt đến nhiệt độ -1900C với nhiều
chế độ làm lạnh khác nhau;
- Lựa chọn sơ đồ thống lạnh Cryo với nhiều chế độ lạnh phục vụ cho các bệnh
viện Việt Nam;
- Tính nhiệt hệ thống lạnh Cryo cho Bệnh viện Trung ương Huế.
- Xây dựng cơ sở lý thuyết để tính toán các thông số trong quá trình cấp đông
cục bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo;
- So sánh kết quả tính các thông số trong quá trình đông lạnh nhanh tế bào
giữa phương pháp giải tích và phương pháp số;
- Thiết kế được phần mềm tính toán các thông số trong quá trình đông lạnh
nhanh tế bào khi sử dụng thiết bị phẫu thuật lạnh;
- Mở rộng phạm vi áp dụng các công thức được thiết lập trong tính truyền
nhiệt theo chiều từ vỏ vào tâm vật ẩm.
à Thực nghiệm
- Chế tạo mô hình thực nghiệm thiết bị phẫu thuật lạnh;
- Đề xuất cách đo kích thước vùng đóng băng trong thực nghiệm với thiết bị
phẫu thuật lạnh;
- Kết luận về độ chính xác của các công thức đã được thiết lập;
- Kết luận về khả năng cách nhiệt giữa kim lạnh và môi trường.

những mục đích khác. Trong trường hợp dùng khí hóa lỏng để làm lạnh ta chỉ việc
cho khí lỏng bay hơi, thu nhiệt trong môi trường hay từ đối tượng cần làm lạnh. Nếu
áp suất môi trường không thay đổi thì nhiệt độ bay hơi của khí lỏng sẽ không đổi
(bằng nhiệt độ bão hòa ở áp suất môi trường, ví dụ nitơ lỏng ở áp suất 1bar là 77,4K


8
tương ứng -195,750C) và có khả năng tạo nhiệt độ môi trường lạnh không thay đổi
nếu công suất lạnh đủ lớn và các quá trình trao đổi nhiệt được tổ chức một cách hợp
lý.
Như vậy, kỹ thuật lạnh Cryo luôn gắn liền với kỹ thuật hóa lỏng khí. Khí được
hóa lỏng trong các hệ thống lạnh Cryo và chính những khí này lại có thể được dùng
làm môi chất trong các thiết bị sử dụng lạnh Cryo. Vì vậy, khi đã tạo được những
khí hóa lỏng có nhiệt độ bay hơi phù hợp ta coi như đã hoàn thành khâu “chuẩn bị
sản xuất” lạnh Cryo. Công nghệ tách và thu các khí thành phần là nhiệm vụ của kỹ
thuật sản xuất khí hóa lỏng, do vậy cũng là công nghệ của kỹ thuật sản xuất lạnh
Cryo.
Các môi chất lạnh lỏng có nhiệt độ bay hơi thấp hơn -1000C, vì thế được gọi là
các chất lỏng Cryo.
Không khí lỏng cũng được coi là một môi chất lạnh Cryo với nhiệt độ bay hơi
khoảng 800K (-193,150C). Sở dĩ nhiệt độ này không phải là hằng số mà có thay đổi
(tăng) một ít trong quá trình bay hơi cùng với sự giảm tỷ lệ thành phần có nhiệt độ
sôi thấp (nitơ) trong pha lỏng. Tuy nhiên, khi hóa lỏng không khí người ta thường
tách riêng các thành phần chủ yếu là nitơ và oxy, chứ không còn là hỗn hợp không
khí lỏng nữa, vì vậy không khí thường không có mặt trong các bảng thống kê chất
lỏng Cryo.
Các chất lỏng Cryo như nitơ, oxy, hyđro, không khí, acgon, nêon và hêli được
dùng nhiều để tạo nhiệt độ thấp, không chỉ thử nghiệm và dùng trong phòng thí
nghiệm mà đã đi vào sản xuất công nghiệp, phục vụ nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa
học và nhiều ngành công nghiệp quan trọng như kỹ thuật siêu dẫn, vật lý nguyên tử,

1887 [12].
Đây là phương pháp sử dụng nhiều chu trình ghép của máy lạnh nén hơi, như
sơ đồ hình 1.1.
Hệ thống gồm 4 chu trình ghép sử dụng 4 loại môi chất lạnh khác nhau. Trong
chu trình I, môi chất lạnh được ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước
NT1. Trong các chu trình II và III, môi chất lạnh được ngưng tụ trong các bình
ngưng NT2 và NT3 do môi chất lạnh của tầng trên bay hơi làm mát. Các thiết bị
ngưng tụ NT2 và NT3 vừa đóng vai trò là thiết bị ngưng tụ đối với tầng dưới vừa là
thiết bị bay hơi của chu trình tầng trên. Như vậy môi chất lạnh phải được chọn sao


10
cho ở cùng một áp suất thì nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh tầng dưới phải nhỏ
hơn của môi chất lạnh tầng trên.
Ở chu trình tầng cuối cùng (ở đây là tầng IV) môi chất lạnh phải là khí cần hóa
lỏng. Như vậy khí này được làm lạnh sơ bộ trong thiết bị bay hơi NT4 của tầng III
và đi qua van TL4 để giãn nở đến trạng thái của hỗn hợp hai pha rồi vào thiết bị
phân li PL. Phần lỏng của hỗn hợp được tách ra khỏi chu trình, còn phần chưa hóa
lỏng được hòa trộn với khí mới để đưa vào máy nén 4 lặp lại chu trình.
NT1

NT2

NT3

NT4

TL1

TL2

phương pháp này, người ta sử dụng thiết bị hóa lỏng 4 tầng như kiểu sơ đồ hình 1.1.


11
Môi chất lạnh sử dụng ở các tầng trên thường là amôniắc, ôxy và tầng cuối
cùng là không khí. Hyđrô được hóa lỏng trong thiết bị 5 tầng, hêli trong thiết bị 6
tầng ...

1.1.3.2. Phương pháp Linde
à Hệ thống thiết bị
Phương pháp Linde là phương pháp hóa lỏng có làm lạnh khí trước khi tiết lưu
đoạn nhiệt do Linde, người Đức đề xuất và thực hiện lần đầu tiên năm 1895. Sơ đồ
của thiết bị được trình bày trên hình 1.2 [12].
TÂN

MN

3
4

2

8

Khê måïi
5
7

HN