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
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
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) 2004 47
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
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) 2004 49
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
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) 2004 51
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 072 18 Mdele matematyczne wentylacji atmsfery aparatów nurkwych z częściwą regeneracją czynnika 52 Zeszyty Naukwe AMW
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 2000. [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, 2003. [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 1993. 3 (158) 2004 53
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