מגמה להנדסה מכאנית

תקציר מנהלים

פרויקט מס' 212

תכנון נחיר להוצאת ערפל עם שליטה על גודל חלקיקים

מגיש:אמרי הכהן מאי 2002

ת.ז :025132473

מנחה:נמרוד לב

1. תקציר מנהלים לפרויקט גמר.

מטרת הפרויקט:

1. פיתוח ותכנון של נחיר עבור משאף חדשני לחולי ריאות. הנחיר ייצר ספריי עדין בעל גודל חלקיקים ממוצע של 3-5 מיקרון. המשאף עצמו מפותח בחברת מדיהייל.
2. מציאת מודל פיזיקאלי הקושר את כל הפרמטרים המשפיעים על תהליך האטומיזציה, לגודל החלקיקים הממוצע של ספריי, עבור הנחיר שתוכנן.
3. ביצוע אנליזה על הזרימה בנחיר באמצאות תוכנת מחשב, להוכחת התיכון.

רקע לפרויקט:

מתן התרופה לחולים במחלות ריאה בצורה ישירה לריאות, הינה השיטה היעילה ביותר לטיפול, מהסיבות הבאות, התרופה מוגשת הישר לאיבר החולה ולא דרך מערכת העיכול או הדם, והזמן עד להשפעת התרופה קצר. יעילות שיטה זו ידועה כבר שנים רבות, אך החדרה של תרופה נוזלית לריאה אינה תהליך פשוט . בכדי לפתור בעיה זו פותחו במשך השנים מספר מכשירים רפואיים, אשר הופכים את הנוזל שמכיל את התרופה לתרסיס בעל גודל חלקיקים קטן, ואת התרסיס שואף החולה אל ריאותיו. המכשירים הנפוצים ביותר והנוחים ביותר לשימוש הם המשאפים הנישאים. גודלם הקטן, מחירם הנמוך ויעילותם הרפואית הופכים אותם לפופולאריים מאוד.

המשאף החדשני:

הפרמטרים החדשניים במשאף של חברת מדיהייל, אשר משפיעים על תיכון הנחיר:

המשאף החדש	משאפים קיימים
המיכל בו נמצאת התרופה מכיל נוזל מימי בלבד.	המיכל בו נמצאת התרופה מכיל גז CFC המזיק לאוזון.
התרופה מאוכסנת בלחץ הסביבה.	התרופה מאוכסנת בלחץ גבוה.
הזרימה בנחיר היא חד פאזית, דבר המוגדר מאופי המערכת, אין שימוש בגז. דבר המקשה על תכנון הנחיר. אך יעיל לשמירת איכות הסביבה.	תהליך יצירת הספריי משלב זרימה דו פאזית בנחיר. מקל מאוד על ייצור של תרסיס עדין.
ניתן לתת מספר תרופות בשאיפה אחת.	לא ניתן לתת יותר מתרופה אחת בשאיפה.
המשאף מתאים למספר תרופות שונות.	כל משאף מתאים לתרופה אחת בלבד.

סכימה של המשאף.

1.הנחיר והמיכל 2. הנחיר במקומו בתוך המשאף

מפרט הדרישות מהנחיר:

1. הנחיר יקבע את הספיקה הנפחית, כך שזמן מתן התרופה ינוע בין 3-4 שניות
2. הנחיר ישלוט על גודל החלקיקים של הספריי הגודל הדרוש והאפקטיבי 3-5 מיקרון.
3. הנחיר ייקבע את הצורה המרחבית של הספריי, הצורה הדרושה היא: ספריי קוני מלא בעל זווית מפתח של כ-30 מעלות.
4. הזרימה בנחיר תהיה של נוזל בלבד,לא תתקיים זרימה דו פאזית בנחיר.

מהי החשיבות לקביעת גודל החלקיקים:

הדרישה לגודל החלקיקים של 3-5 מיקרון נובע מהמבנה הביולוגי המיוחד של הריאות ומניסויים שבוצעו, אשר הוכיחו כי גודל חלקיקים זה נותן את הפיזור האידיאלי של התרופה בריאות. גודל חלקיקים גדול מ-5 מיקרון עלול לגרום להרגשת מחנק אצל החולה ולאי הגעת תרופה לחלקים הפנימיים ביותר של הריאות, כאשר גודל חלקיקים קטן מ-3 מיקרון הדבר גורם לכך שכמות קטנה מדי של תרופה נשארת בחלק העליון של מערכת הנשימה ורוב התרופה מגיע לחלקים הפנימיים של הריאות.

מטרת הנוסחה לקביעת גודל החלקיקים:

חברת מדיהייל מפתחת משאף אחיד אשר יוכל לייצר תרסיס מסוגים שונים של תרופות. אך תהליך יצירת הספריי תלוי בתכונות הנוזל. על כן יש צורך במציאת מודל פיזיקאלי, אשר בהינתן תכונות התרופה הנוזלית ניתן יהיה בקלות לתכן נחיר המתאים לתרופה זו, ללא שימוש במכשיר למדידת גודל חלקיקים.

מהות העבודה:

1. הגדרת כל התכונות המשפיעות על גודל חלקיקי הספריי.
2. מציאת הקורלציה המקשרת בין גודל החלקיקים לבין גיאומטרית הנחיר, הלחץ האחורי ותכונות הנוזל.
3. מציאת מודל פיזיקאלי, המתאר את תהליך יצירת הספריי וקושר את פרמטרי הנחיר והנוזל, לגודל חלקיקי הספריי.
4. תיכון ושירטוט של הנחיר בעזרת תוכנת solidworks.
5. ביצוע אנליזת זרימה על הנחיר המתוכנן, בעזרת תוכנות המחשב: fluent, gambit .

תוצאות הפרויקט:

א.פרמטרים המשפיעים על גודל חלקיקים:

1. סוג הנחיר. ישנם שני סוגים עיקריים של נחירים ליצירת תרסיסים הסוג הראשון הוא

air atomizing spray , ומכונים גם twin fluid nozzles , סוג זה משתמש בכוחות גזירה של גז המפרק נוזל לטיפות קטנות, מומלץ להשתמש בסוג זה של נחירים ליצירת גודל חלקיקים קטן מ-50 מיקרון. סוג שני הוא pressure swirl nozzle , המייצר הפרעות הגדולות על פני הסילון של הנוזל, הפרעות אילו גורמות לחלקיקי נוזל להיפרד מהסילון. סוג זה של נחיר מייצר גודל חלקיקים קטן מאוד, אך פחות יעיל מהסוג הראשון.

2. קצב הספיקה. לקצב הספיקה של הנוזל יש קשר ישיר על גודל הטיפות. הגדלה של הספיקה מגדילה את גודל הטיפות.

3. לחץ. ללחץ יש קשר הפוך לגודל החלקיקים של הספרי. הגדלת הלחץ תקטין את גודל החלקיקים.

4. זווית מפתח הספריי. לזווית המפתח של הספריי השפעה של קשר הפוך לגודל חלקיקים, הגדלת הזווית מקטינה את גודל החלקיקים.

5. מתח פנים: תכונה זו של הזורם בעלת קשר ישיר לקוטר חלקיקים. נוזל עם מתח פנים גדול, יהפוך בתנאים שווים לספריי בעל גודל חלקיקים גדול משל נוזל בעל מתח פנים קטן.

6. צמיגות: לתכונה זו של הזורם קשר ישיר על גודל החלקיקים. עבור נוזל צמיג מהירות הזרימה בנחיר קטנה, דבר המגדיל את גודל חלקיקי הספריי.

7. קוטר היציאה: קוטר קדח הנחיר הוא בעל קשר ישיר לגודל החלקיקים. כלומר הקטנת הקדח מקטינה את החלקיקים.

ב. הקורלציות שנמצאו:

הקורלציות האמפיריות שנמצאו הן מהסוג הבא:

כאשר SMD הוא קוטר החלקיקים הממוצע, σ הוא מתח הפנים, υ היא הצמיגות הקינימטית, היא הספיקה המסית, ו- הוא הלחץ האחורי. עפ''י מבנה הקורלציה הזו ביצעו חוקרים רבים ניסויים והתאימו את הקבועים a,b,c,d,A לתוצאות ניסוייהם.

לדוגמה הקורלציה של לפברה:

ג.המודל הפיזיקאלי:

מודל זה אינו נובע מניתוח מתמטי של ניסויים, אלא מבוססת על ניתוח תיאורטי של המכאניקה הבסיסית ביצור התרסיס, בנחירי pressure swirl nozzle . מודל זה מכיל בתוכו פרמטרים נוספים שאינם קיימים בקורלציות האמפיריות.

המשתנים הנוספים בנוסחה זו:θ זווית קונוס התרסיס, ρ צפיפות נפחית, μ צמיגות, A ו-B מקדמי צורה.

המשתנה t מסמן את עובי שכבת הנוזל בפתח היציאה:

המשתנה FN (flow number) שווה ל:;

המקדמים A,B הם מהצורה : אך יש להתאימם לנחיר שתוכנן.

ג. תיכון הנחיר:

סוג הנחיר שנבחר הוא pressure swirl nozzle, משמעות הדבר שהנחיר מכיל בתוכו תא ערבול לפני פתח היציאה. תפקיד תא הערבול הוא לייצר הפרעות גדולות בזרימה הנפלטת החוצה. הזרימה בנחיר היא חד פאזית. תכננתי נחיר הבנוי משני חלקים בהרכבה. החלק הראשון הוא חלק הבסיס, חלק זה מתחבר אל הקסטה שצורתה מיכל צילינדרי בקוטר 15.6 מילימטר, המיכל מכיל 2 מיליליטר של נוזל בו מומסת התרופה. בחלק זה קיים פתח הכניסה לנחיר. החלק השני אשר בו קיים הפתח הגלילי הקטן מימנו נפלט התרסיס, הוא חלק בצורת כוס ובתחתיתה מיוצרות שלוש תעלות, בזמן ההרכבה של שני החלקים נסגרות התעלות, ובמרווח שבין שני החלקים עובר הזורם.

חתך הנחיר:

חלק 1: בסיס הנחיר (אדום) הנחיר בהרכבה

חלק 2: הנחיר (אפור)

שני החלקים הללו לאחר הרכבתם מעצבים את הזרימה בנחיר להדגמה נוחה של גיאומטרית הזרימה בנחיר ייצרתי גוף בתוכנת solidworks המתאר את הזרימה בנחיר:

נפח הבקרה של הזרימה בנחיר.

ד. אנליזת הזרימה בנחיר:

את האנליזה ביצעתי בעזרת שלוש תוכנות מחשב: solidworks לבניית נפח הבקרה של הזרימה, Gambit לרישות המודל, ו-fluent לאנליזת הזרימה.

מטרות האנליזה מרוכזות ברשימה הבאה:

בדיקת יעילות התכנון, מציאת הספיקה הנפחית של הנוזל, מציאת פרופיל המהירות של הנוזל בכל חלקי הנחיר ובעיקר בפתח היציאה, מציאת מהירות הזורם ביציאה, השפעת אורך הקדח הסופי על זווית היציאה של הספריי, השפעת קוטר הקדח על זווית היציאה, השפעת שינוי לחץ הכניסה על הפרמטרים הנמדדים.

תנאי השפה שקבעתי לביצוע האנליזה הם לחץ כניסה של 2 אטמוספרות, ולחץ יציאה אפס.

ניתוח תוצאות האנליזה:

1. הנחיר שתוכנן יעיל כלומר הזרימה סימטרית בכול חלקיו, הזרימה ביציאה ערבולית ובעלת הפרעות גדולות.
2. הספיקה הנפחית עומדת בדרישות החברה עבור קדחים בקוטר 0.2-0.3 מילימטר.
3. הקטנת קוטר הקדח, הארכת הקדח, והקטנת הלחץ האחורי מקטינים את הספיקה.
4. מצאתי כי זווית המפתח של הספריי ביציאה תלויה באורך הקדח הסופי, ככל שהוא יותר ארוך הזווית קטנה. הזווית תלויה גם בקוטר הקדח, קדח גדול נותן זווית מפתח גדולה.
5. כאשר מקטינים את קוטר הקדח יש להקטין גם את שטח חתך התעלות לזרימה יעילה בנחיר.
6. פשטות האנליזה מאפשרת בזמן קצר לייצר את נפח הבקרה המיועד לבדיקה, העברתו לתוכנת fluent ומציאת כל הפרמטרים הדרושים להצבה בנוסחאות שפיתחתי.

סיכום והצעה להמשך עבודה:

1. הנחיר תוכנן, הועבר לייצור של אב טיפוס למטרת ניסויי הוכחת יכולת.

2. קיים מודל חישובי למציאת גודל חלקיקי הספריי.

3. נמצאו קורלציות אמפיריות לחישוב גודל החלקיקים של הספריי.

4. מקדמי הצורה למודל החישובי לא נמצאו, כי לא נמצא מכשיר למדידת גודל חלקיקים.

5. קיימת אנליזה של הזרימה בנחיר, המאשרת את תיכון הנחיר.

6. הוצע מערך ניסוי לקביעת מקדמי צורה עבור המודל החישובי.

הצעה להמשך עבודה: יש לבצע סידרה של ניסויים עם הנחירים שייוצרו, ולהתאים את אחת הקורלציות או את המודל החישובי שנמצא.