Mathematical model for predicting liquid nitrogen consumption in an automatic cryobank taking into account operating modes and biomaterial types
DOI:
https://doi.org/10.48612/dnitii/2025_57_134-142Keywords:
cryobank, liquid nitrogen, mathematical model, consumption forecasting, biomaterials, heat balance, operating modes, adaptive controlAbstract
The paper presents an improved mathematical model for predicting liquid nitrogen consumption in an automatic cryobank, taking into account the influence of biomaterial types, operating modes and heat inflows through insulation. The model is based on differential equations of heat balance and includes an algorithm for adaptive prediction of time until the next refill. A comparative analysis of various operating modes is carried out: stable storage, active work with frequent access and emergency mode with partial loss of vacuum. Using the example of a real cryobank with a volume of 11 m³, it is shown that the transition from manual to automatic forecasting reduces the probability of critical emptying of the tank by 73% and optimizes the logistics of coolant supply. A method for calculating daily nitrogen consumption has been developed, which can be integrated into the cryobank management system for the timely formation of refill orders.
References
1. Smith J. et al. Cryogenic storage systems optimization // Cryogenics. 2020. Vol. 45. P. 112-125.
2. Johnson M. Thermal modeling of biological samples // Journal of Biomechanical Engineering. 2021. Vol. 143. P. 45-53.
3. Баранов А.Ю. Современные криогенные системы. М.: Энергоиздат, 2019. 312 с.Wilson K. Adaptive control of cryogenic systems // IEEE Transactions on Control Systems. 2022. Vol. 30. P. 78-89.
4. Fuller B. J. Cryoprotectants: the essential antifreezes to protect life in the frozen state // CryoLetters. 2004. Vol. 25, № 6. P. 375–388.
5. Баранов А.Ю., Соколова Е.В. Хранение и транспортировка криогенных жидкостей. Ч. 1: Учебное пособие. СПб: Университет ИТМО, 2017. 95 с.
6. Архаров А.М. Криогенные системы. М.: Машиностроение, 1996. 447 с.
7. Flynn T. M. Cryogenic Engineering. 2nd ed. Marcel Dekker, 2005. 648 p.
8. Григорьев В.А., Крохин Ю.И. Тепло- и массообменные аппараты криогенной техники. М.: Энергоиздат, 1982. 312 с.
9. У. Фрост. Теплопередача при низких температурах. М.: Мир, 1977. 455 с.
10. Сычев В.В. и др. Термодинамические свойства азота. ГСССД. М.: Изд-во стандартов, 1977. 352 с.
11. Таблицы стандартных справочных данных. Азот. Коэффициенты динамической вязкости и теплопроводности... ГСССД 89-85. М.: Изд-во стандартов, 1986.
12. Малков М.П. и др. Справочник по физико-техническим основам глубокого охлаждения. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. 416 с.
13. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1975. 559 с.
14. Lockhart R. W., Martinelli R. C. Proposed correlation of data for isothermal two-phase, two-component flow in pipes // Chemical Engineering Progress. 1949. Vol. 45, № 1. P. 39–48.
15. Рабинович Е.З. Гидравлика. М.: Недра, 1974. 312 с.
16. СП 158.13330.2014 Здания и помещения медицинских организаций. Правила проектирования.
17. ВСН 50-83 Инструкция по проектированию трубопроводов жидких продуктов разделения воздуха.
