MODELOWANIE MATEMATYCZNE PROCESU WENTYLACJI

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK XLV NR 3 (158) 2004 Ryszard Kł s MODELOWANIE MATEMATYCZNE PROCESU WENTYLACJI STRESZCZENIE W artykule zaprezentwan trzy przykłady symulacji prcesu wentylacji różnych biektów: przedziału krętu pdwdneg reprezentująceg duży biekt nrmbaryczny, kmry hiperbarycznej reprezentującej duży biekt hiperbaryczny i aparatu nurkweg reprezentująceg mały biekt hiperbaryczny. D mdelwania prcesu wentylacji wykrzystan tę samą frmułę matematyczną, dknując jedncześnie jej sprawdzenia przy wykrzystaniu różnych metd symulacji wymiany gazwej w prcesie ddychania. APARAT NURKOWY Zasymulwanie prcesu ddychania wiąże się z mechanicznym dwzrwaniem wentylacji płuc raz zasymulwaniem prcesu wymiany gazwej. Prcesy te nie muszą kniecznie uwidaczniać wszystkich szczegółów, np. mżna przyjąć sinusidalne przybliżenie akcji ddechwej [2]. W przypadku symulacji ustrjwej wymiany gazwej należy skupić się przede wszystkim na knsumpcji tlenu (O 2 ) i emisji w t miejsce tlenku węgla (IV) (CO 2 ). Najczęściej sptyka się dwie wartści przyjmwaneg współczynnika ddechweg ε=0,8 i 0,75 [1] wskazująceg, w jakim stsunku bjętściwym następuje emisja metabliczneg CO 2 na miejsce sknsumwaneg O 2. D zasymulwania teg prcesu mżliwe jest wykrzystanie reaktra d katalityczneg utlenienia substancji chemicznych w bjętści pbranej przez symulatr z przestrzeni ddechwej aparatu nurkweg raz pwtórne jej zwrócenie wraz z prduktami spalania. W reakcji wykrzystan ketn dimetylwy (Me 2 CO), dla któreg ε=0,75. Me 2 CO pdawany był d reaktra za pmcą dkładnej pmpy dzującej typu 40-PS4L firmy Lubrizl, zadającej żądany strumień cieczy pd ciśnieniem. D reakcji utleniania Me 2 CO zastswan katalizatr typu 0.3R73 (0,5% platyny na 45

2 Ryszard Kłs 3-milimetrwych wałeczkach aluminy) firmy Jhnsn Matthey Limited. Badania i wdrżenie symulatra zstały pisane wcześniej i nie będą tutaj przedstawiane [5]. Symulatr metablicznej knsumpcji O 2 i emisji CO 2 płączn ze stanwiskiem sztucznych płuc (rys. 1.). Jak czynnika ddechweg d zasilania aparatu nurkweg półzamkniętym biegu i stałym dzwaniu czynnika ddechweg typu APW-6M użyt pwietrza. Jeg dzwanie wynsił (8,61±0,06) dm 3 min -1. Pdczas eksperymentu wyknywan pmiary zawartści O 2, tlenku węgla (II) CO i CO 2 raz stężenia węglwdrów c 10 s przy wykrzystaniu analizatra typu MULTIWARN prdukcji Drägerwerk AG Lübeck [7]. Zawartści węglwdrów były ddatkw sprawdzane wyrywkw przy wykrzystaniu zestawu chrmatgrafu gazweg sprzężneg ze spektrmetrem maswym typu 5973 prdukcji firmy Agilent [5]. Przez cały czas eksperymentów stężenie węglwdrów był pniżej prgu pmiarweg. Pdbnie jak zawartści CO 2, ze względu na jeg ilściwe usuwanie w pchłaniaczu aparatu nurkweg. Zawartści CO dchdziły spradycznie d 100 ppm. Rys. 1. Stanwisk badawcze symulatra ddechweg i metabliczneg: lewa strna stanwisk zasilania i kntrli reaktra płączneg z symulatrem ddechwym; prawa strna aparat nurkwy APW-6M pdłączny d symulatra Przy bniżeniu zawartści O 2 pniżej 12% bj., czyli przy dstatecznie dużym dzwaniu Me 2 CO, pjawiały się kłpty z siągnięciem warunków pełnej stabilizacji reakcji utleniania, gdyż jej wydajnść na katalizatrze znacznie malała. Jest t typwe zjawisk znane z termdynamiki pżarów [9]. Przeprwadzn eksperymentalną weryfikację (walidację) mdelu matematyczneg [4] prcesu wentylacji dwuwrkweg aparatu nurkweg typu APW-6M [6], przyjmując następujący plan przeprwadzenia badań: 46 Zeszyty Naukwe AMW

3 Mdelwanie matematyczne prcesu wentylacji p ustabilizwaniu się składu dla głębkści 0 m przechdzn na głębkść 10 m; p ustabilizwaniu się składu dla głębkści 10 m przechdzn na głębkść 20 m; p ustabilizwaniu się składu dla głębkści 20 m przechdzn z pwrtem na 10 m; p ustabilizwaniu się składu dla głębkści 10 m przechdzn na 0 m. W ciągu pięciu dni wyknan 33 pmiary stabilnej wartści knsumpcji O 2 p zmianie głębkści według pisaneg prgramu badań. Traktując je jak pmiary teg sameg parametru, p stwierdzeniu, że badana zbirwść ma rzkład nrmalny (testy Liliefrsa, Shapir Wilka i K-S), bliczn z nich wartść średnią, która wynisła (1,22±0,02) dm 3 min -1. Stsunkw duża dkładnść uzyskana z pmiarów rzeczywistych sugeruje, że pdczas całych badań warunki były stabilne. Otrzymana wartść knsumpcji O 2 jest zgdna z przewidywaną, według prpnwaneg mdelu matematyczneg prcesu wentylacji takiej knstrukcji aparatu nurkweg [2], dla któreg wartść stabilną knsumpcji O 2 mżna przedstawić zależnścią: υ = p p 1 + x p p w x x w 1 x x s V d s w + V d V V. (1) Dtychczaswe wdrżenia nw pracwanych technlgii nurkwania i rzwiązań knstrukcyjnych aparatów nurkwych, prwadzane d wielu lat w Akademii Marynarki Wjennej, wiązały się z ryzykiem wyknywania eksperymentów na ludziach. Zbudwanie symulatra metablicznej wymiany gazwej zmniejsza ryzyk i kszty części takich badań raz pzwala na weryfikację teretyczneg mdelu matematyczneg prcesu wentylacji zachdząceg w aparatach nurkwych półzamkniętym biegu i stałym dzwaniu czynnika ddechweg. D chwili becnej prttyp symulatra metablicznej wymiany gazwej zbudwali jedynie Szwedzi [8], natmiast Amerykanie prwadzą prace nad wyknaniem i wdrżeniem pdbneg stanwiska badawczeg. 3 (158)

4 Ryszard Kłs OKRĘT PODWODNY Mnitrwanie stanu atmsfery krętu pdwdneg jest isttne, szczególnie w sytuacji zagrżenia. Pdczas nrmalnej pracy znajmść stanu atmsfery jest użyteczna w takich sytuacjach, jak: pdjęcie decyzji włączeniu/wyłączeniu systemu dpalania wdru, systemu regeneracji atmsfery krętu, wentylacji jam bateryjnych, decyzji mżliwści wejścia d przestrzeni z graniczną wentylacją itp. W sytuacji awaryjnej stanwi pdstawę d pdjęcia decyzji kniecznści puszczenia zagrżneg krętu pdwdneg (np. pdczas próby samratwania się załgi). Rejestrację pmiarów pdczas badań wentylacji przedziału krętu pdwdneg part na eksperymentalnej sieci pmiarwej RS485 (rys. 2.) zbudwanej z przetwrników analgw-cyfrwych ADAM 4517, d których pdłączn analizatry i czujniki mające standardwe wyjścia (z reguły 4 20 ma). Wyniki pmiarów transmitwane były przez sieć d knwertera RS485/RS232 (ADAM 4520) i dalej d kmputera przemysłweg typu PPC-120E firmy Advantech [3]. Wyniki pmiarów mgą być archiwizwane c 1 s lub rzadziej. Pdczas badań zapisywan wyniki c 10 s. Sieć RS485 umżliwia pdłączenie ddatkweg kmputera d rejestracji danych bez wyraźneg zwiększenia kłptów z ich transmisją i zwiększenia prpagacji błędów, gdyż zachdzące pdczas wentylacji prcesy są wlnzmienne, a częsttliwść dczytywania wyników stsunkw mała. Integracja systemu mnitringu z pdglądem zewnętrznym umżliwiła przeprwadzenie badań wentylacji krętu pdwdneg. Pczątkwe stężenie CO 2 w wybranym przedziale krętu wytwarzan, uwalniając g z butli gazwych. D prób przygtwan jeden rdzaj butli napełninych (3,50±0,01) kg CO 2 i (0,25±0,01) kg N 2. Przedział składał się z dwóch pkładów dzielących g na trzy pmieszczenia, w przybliżeniu tej samej bjętści. Pmiędzy pmieszczeniem górnym i dlnym znajdwały się schdy. Pmiędzy dwma dlnymi właz ładunkwy pwierzchni kł 2 m 2. Analizatry CO 2 zlkalizwane były na szczycie pkładu górneg i w zęzach w pmieszczeniu dlnym. D wytwrzenia wstępneg stężenia CO 2 w przedziale użyt zawartści czterech butli. Dwie próżnin na górnym pkładzie i dwie na dlnym. Hmgenizacja atmsfery przebiegła stsunkw szybk (rys. 3.), w czasie krótszym niż 1 gdzina. Znając bjętść pusteg przedziału, masę wyemitwaneg CO 2 raz wartść stabilną jeg stężenia p hmgenizacji, mżna bliczyć bjętść efektywną przedziału. 48 Zeszyty Naukwe AMW

5 Mdelwanie matematyczne prcesu wentylacji Dkładne wyznaczenie wartści tej wielkści ma kluczwe znaczenie dla mdelwania prcesu wentylacji. Dyspnując prtkłem z mnitringu stanu atmsfery w przedziale i wartścią strumienia czynnika wentylacyjneg mżna uzyskane wyniki prównać z teretycznymi. Strumień wentylacyjny pliczn ze spadku ciśnienia w bateriach butli zasilających zlkalizwanych na kręcie ratwniczym. Wyniki pmiarów zawartści CO 2 wraz z blicznymi według mdelu matematyczneg wentylacji, będąceg adaptacją mdelu wentylacji aparatu nurkweg, pkazan na rysunku 3. Rys. 2. Elementy eksperymentalnej sieci pmiarwej na kręcie pdwdnym klasy KILO 3 (158)

6 Ryszard Kłs Rys. 3. Zawartść dwutlenku węgla i ciśnienie w przedziale krętu pdwdneg Z rysunku 3. wynika, że występuje zadwalającą zgdnść danych eksperymentalnych z teretycznym przebiegiem teg prcesu. Przy niskich stężeniach CO 2 pmiary rzeczywiste dbiegają lekk d krzywej teretycznej. Spwdwane jest t faktem zmniejszenia się różnicy stężeń CO 2 w czynniku wentylacyjnym w stsunku d atmsfery wentylwaneg przedziału. Pwduje t zmniejszenie się efektywnści prcesu wentylacji (mały mduł napędwy) pprzez spwlnienie prcesu hmgenizacji, czeg bjawem jest bserwwana niezgdnść. Rzbieżnść ta jest jednak niewielka i mżna uznać, że przyjęty mdel dsknale spełnia wymgi związane z jeg zastswaniem przy kreślaniu efektywnej wentylacji krętu. Opracwanie i sprawdzenie matematyczneg mdelu prcesu wentylacji krętu pdwdneg był mżliwe dzięki wcześniejszemu zbudwaniu i wdrżeniu przez Akademię Marynarki Wjennej systemu mnitrwania stanu jeg atmsfery [3, 7]. KOMORA HIPERBARYCZNA Badania walidacyjne matematyczneg mdelu prcesu wentylacji ciągłej kmry hiperbarycznej przeprwadzn przy wykrzystaniu symulatra emisji CO 2. Zdecydwan się wykrzystać w tym celu układ złżny z reduktra ciśnienia 50 Zeszyty Naukwe AMW

7 Mdelwanie matematyczne prcesu wentylacji i współpracującej z nim dyszy [2]. Układ dbrany był tak, że przy jeg zasilaniu mieszaniną CO 2 w N 2 dysza pracwała w zakresie przepływów nadkrytycznych aż d ustalneg graniczneg ciśnienia wsteczneg (dla maksymalneg ciśnienia w kmrze hiperbarycznej). Wyknan dwa eksperymenty plegające na prwadzeniu hiperbarycznej wentylacji ciągłej przy stałej emisji CO 2 d wnętrza kmry. Ich parametry raz prównanie z bliczeniami teretycznymi zbrazwan na rysunku 4. Przyjęty d walidacji mdel był, pdbnie jak pprzedni, mdyfikacją mdelu wentylacji aparatu nurkweg. Wyniki przeprwadznych badań ptwierdziły zadwalającą zgdnść wyników pmiarów uzyskanych w warunkach rzeczywistych z bliczeniami teretycznymi. Daje t mżliwść mdelwania prcesu wentylacji przestrzeni ddechwej zarówn w warunkach nrm-, jak i hiperbarycznych. Zastswanie teg sameg pdejścia d aparatów nurkwych i habitatów pkazuje, że prpnwany spsób mdelwania sprawdza się w skali mikr i makr sptykanej w technice hiperbarycznej. Sugeruje t gólnść prezentwaneg spsbu pdejścia d mdelwania prcesów wentylacji. Zastswanie mdeli analitycznych, a nie empirycznych czy półempirycznych, daje mżliwść interpretacji zachdzących zjawisk fizycznych, gdyż mają ne parcie w makrskpwych prawach fizycznych. Wynika z teg, że prces wentylacji pmieszczeń (zarówn w warunkach nrm-, jak i hiperbarycznych) raz aparatu nurkweg przebiega zgdnie z tym samym mechanizmem. Daje t zaprpnwanemu spsbwi mdelwania znamina gólnści. Rys. 4. Prównanie wyników pmiarów z danymi teretycznymi dla prcesu wentylacji ciągłej bazy typu ORTOLAN L-80 3 (158)

8 Ryszard Kłs WNIOSKI Prjektwanie i mdelwanie regeneracyjnych aparatów ddechwych raz cena bezpieczeństwa wykrzystania ich przy załżnej technlgii nurkwania piera się, w znacznej mierze, na pznaniu i przewidywaniu zachdzących zmian pdczas prcesu wentylacji ich przestrzeni ddechwej. Psiadanie sprawdzneg mdelu matematyczneg prcesu wentylacji aparatów nurkwych ułatwia także analizy symulacyjne prwadzne przy wykrzystaniu elektrnicznej techniki bliczeniwej. Wymagania w stsunku d pprawnści takieg mdelu są stsunkw wyskie, chciażby ze względu na t, że zaburzenia w wentylacji takiej knstrukcji mgą w przeciągu kł 1minuty dprwadzić d śmierci nurka. Opracwanie makrskpwych mdeli wentylacji aparatów nurkwych półzamkniętym biegu i stałym dzwaniu czynnika ddechweg nie stwarza prblemów. Kłptliwa jest ich walidacja. Prwadzenie takich prac błżne jest wielma bstrzeniami, gdyż zawsze próbą kńcwą w takich badaniach są eksperymenty z udziałem ludzi, na które trzeba uzyskać zgdę Kmisji Etyki Badań Naukwych. Zaprezentwane badania były dpwiedzią na ptrzebę ptymalizacji prcedur nurkwych, wentylacji krętów pdwdnych i kmpleksów hiperbarycznych. Ich mdyfikację wymusiły wypadki raz wdrażanie nwych technlgii. Przedstawine wyniki nie pchdzą więc z knkretneg zamysłu badawczeg, lecz są raczej dziełem przypadku pdyktwaneg kniecznścią. W przyszłści planwane jest płączenie mdelu wentylacji z mdelem dekmpresji w parciu pmiary parametrów atmsfery ddechwej, c da mżliwść mdyfikwania prcesu dekmpresji w czasie rzeczywistym. Wymaga t zmiany prgramwania prdukwanych już dekmpresjmetrów elektrnicznych. Prjekt taki zaprpnwan w ramach prac dla Underwater Diving Wrking Grup NATO Standardizatin Agency. INFORMACJE UZUPEŁNIAJĄCE Prezentwane wyniki są efektem realizacji prjektu badawczeg przyznaneg przez Kmitet Badań Naukwych KBN nr 0 T00A Mdele matematyczne wentylacji atmsfery aparatów nurkwych z częściwą regeneracją czynnika 52 Zeszyty Naukwe AMW

9 Mdelwanie matematyczne prcesu wentylacji ddechweg, pracy badawczej prwadznej na zlecenie Departamentu Plityki Zbrjeniwej MON pt. Systemy pdtrzymania życia na kręcie pdwdnym umwa nr 20/DPZ/3/OTM/S/WR/MON/2002/706 raz ekspertyzy zlecnej przez Departament Plityki Zbrjeniwej MON pt. Zasady wentylacji kmpleksów nurkwych pdczas pwietrznych ekspzycji hiperbarycznych z uwzględnieniem wykrzystania wewnętrznych instalacji tlenwych pdczas dekmpresji raz leczenia wypadków nurkwych. BIBLIOGRAFIA [1] Guide fr the classificatin f manned submersibles, Bureau Special Cmmittee n Submersible Vehicles, 1972 [2] Kłs R., Aparaty nurkwe z regeneracją czynnika ddechweg, KOOPgraf, Pznań [3] Kłs R., Olejnik A., Khan A., Mnitring f the submersible atmsphere cmpsitin, Dräger Review, 2001, 87. [4] Kłs R., Mathematical mdelling f the breathing space ventilatin f semi-clsed circuit diving apparatus, Bicybernetics and Bimedical Engineering, 2002, 22. [5] Kłs R., Metablic Simulatr Supprts Diving Apparatus Researches, Sea Technlgy, 2002, 12. [6] Kłs R., Experimental verificatin f a new mathematical mdel f ventilatin f semi-clsed circuit breathing apparatus, Plish Maritime Research, 2003, 1. [7] Kłs R., Mnitrwanie pdstawwych parametrów stanu atmsfery krętu pdwdneg, Pdstawwe Prblemy Metrlgii, Plska Akademia Nauk, Oddział w Katwicach, [8] Lucar M., Breathing apparatus simulates human xygen intake, Offshre Oct.,1992, 82. [9] Safety AT 8% xygen 15 minutes, Fire Research, Test, Develpment and Educatin Centra, Cpenhagen (158)

10 Ryszard Kłs ABSTRACT The paper presents three examples f a ventilatin prcess simulatin fr varius bjects: submarine cmpartment representing a large nrmbaric bject, hyperbaric chamber representing a large hyperbaric bject and a diving gear representing a small hyperbaric bject. T mdel the ventilatin prcess the same mathematical frmula was used. At the same time it was tested with varius methds f gas exchange simulatin in the breathing prcess. Recenzent dr hab. inż. Lech Rwiński 54 Zeszyty Naukwe AMW