Theoretische und experimentelle Analyse von Dosierungs- und Verdampfungsvorgängen in porösen Werkstoffen zur Atemgaskonditionierung

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Die Atemgaskonditionierung in Form von Atemgasanfeuchtung oder Verabreichung von volatilen Anästhetika ist bei der künstlichen Beatmung von Patienten unverzichtbar. In der vorliegenden Arbeit wird ein physikalisches Modell einer neuartigen Verdampfereinheit für einen Einsatz auf dem Gebiet der medizinischen Beatmungstechnik aufgebaut. Sie enthält einen porösen Glassinter, der im unteren Bereich mit der zu verdampfenden Flüssigkeit in Verbindung steht. Mit Hilfe der Kapillarkräfte wird die Flüssigkeit wie in einem Docht nach oben zu einem von außen beheizten Verdampfer transportiert. Der Verdampfer ist aus einem in ein Metallrohr eingesinterten porösen Metallsinter aufgebaut und hat einen direkten Kontakt mit dem Glassinter. Die in das System eingebrachte Wärme wird durch Wärmeleitung im Metallsinter zur Siedefront übertragen und führt zur Verdampfung der Flüssigkeit.

Als Konsequenz ergeben sich in der Verdampfereinheit mehrphasige Mehrkomponenten-strömungen mit Phasenwechsel, die zunächst durch transiente, örtliche und zeitliche Druck- und Temperaturgradienten geprägt sind. Im stationären Fall, der sich insbesondere durch eine stabile Siedefront auszeichnet, liegt dagegen ein strömungsmechanisches Gleichgewicht zwischen der kapillar nachfließenden Flüssigkeit und dem abfließenden Dampf und ein thermodynamisches Gleichgewicht aus der zugeführten Verdampfungsleistung und der Erhöhung des Enthalpiestromes des Fluids vor.

Zur Ermittlung der wichtigsten Einflussgrößen auf die Strömungs- und Verdampfungsvorgänge in der Verdampfereinheit werden diese Prozesse allgemein modelliert, für das Fluid Wasser numerisch umgesetzt und mit Hilfe experimenteller Untersuchungen überprüft. Die Formulierung der Erhaltungsgleichungen basiert auf dem Multiphase Flow Model und erfolgt separat für jede Komponente und Phase. Dieses Konzept ermöglicht eine genaue Implementierung der Grundgleichungen ohne Einschränkung des physikalischen Modells und eine zweidimensionale Berechnung des Wärme- und Stofftransports, die aufgrund des radialen Wärmeeintrags und mehrdirektionaler Strömungen in porösen Feststoffstrukturen für eine vollständige Abbildung des Systems erforderlich ist.

Mit Hilfe der Simulation konnte der Grenzwert für den kapillar transportierten Flüssigkeitsvolumenstrom, der für die Sicherstellung der Flüssigkeitsversorgung und damit für die Aufrechterhaltung der Verdampfung von grundlegender Bedeutung ist, durch Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeiten und der kapillaren Aufstiegshöhe ermittelt und experimentell validiert werden. In Bezug auf die Verdampfung konnte weiterhin gezeigt werden, dass eine stabile Siedefront grundsätzlich erreicht werden kann. Die Verdampfung findet anfänglich genau an der Kontaktfläche zwischen dem Glas- und dem Metallsinter statt. Mit zunehmendem Wärmeeintrag in den Verdampfer nehmen die Temperaturgradienten und der konduktive Wärmestrom im Glassinter jedoch immer mehr zu. Diese Tendenz führt zu einer Verschiebung der Verdampfungsfront in Richtung des Glassinters. Der Vorgang resultiert aufgrund der relativ schlechten Wärmeleitung im Glassinter in einer Zunahme des Verlustwärmestroms bei stagnierender oder abnehmender Dampfproduktion. Der negative Effekt der Siedefrontverschiebung wird durch das Vorliegen eines Beatmungsdrucks bzw. eines Überdrucks am Verdampferausgang noch zusätzlich verstärkt.

Die entwickelten Modellgleichungen zeigen in Bezug auf die Aufstiegshöhe und den produzierten Dampfmassenstrom eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse konnten Optimierungsmaßnahmen abgeleitet und beim Aufbau weiterer Funktionsmuster konstruktiv umgesetzt werden. Mit Hilfe der neuen Funktionsmuster konnte gezeigt werden, dass die erforderlichen Dampfmassenströme sowohl bei der Verdampfung von Wasser, als auch bei der Verdampfung von Narkosemitteln erreicht werden können.