Підвищення ефективності та оптимізація режимів роботи систем суднового мікроклімату

Оптимальні алгоритми функціонування підсистем контролю за роботою ССМ реалізують програми визначення показників ефективності кондиціонування мікроклімату.

Можливість практичної реалізації алгоритму оптимального контролю визначалася на роботі СКП семи морських суден в умовах рейсу. Результати натурних досліджень показали, що величина коефіцієнту комфортності hк О [0,6; 0,9 відн. од.], hв О [0,64; 0,77 відн. од.], hспп О [0,22; 0,35 відн. од.], а hссм О [0,085; 0,25 відн. од.]. Величина кожного коефіцієнту визначає збалансованість енергообміну у цих послідовно з'єднаних контурах, а їхній добуток -- загальну ефективність роботи ССМ.

Суб'єктивна оцінка роботи СКП визначалася за шкалами тепло- і вологовідчуття і спеціальними опитувальними анкетами. Домінуючим неприємним фактором є денатурація повітря при підготовці повітря, загазованість і запиленість приточного повітря, шум вентиляторів і рух повітря по повітропроводам. Ступінь комфортності при суб'єктивній оцінці (80...85 %) близький до розрахункового за розробленою методикою (69…83 %). З 998 чоловік опитаних тільки 40 % не реагувало на коливання температури повітря в приміщеннях. Інші скаржилися на підвищення температури ввечері (26 %) і зниження її ранком (33 %). На коливання відносної вологості отримано зауваження від 20 % респондентів, а коливання швидкості повітря -- близько 13 %. Звертає на себе увагу великий відсоток скарг на нездужання простудного характеру (близько 50 %) і ознаки порушень серцево-судинної системи (до 20 %).

Для перевірки ефективності режиму ПТА у рейсі спільно з фахівцями Українського НДІ медицини транспорту були проведені обстеження 130 курсантів, 75 членів екіпажів, 35 осіб -- керівники практики і науковці, особи чоловічої статі у віці 18-40 років. Всі обстежені були розділені на дві групи: контрольну і таку, що пройшла ПТА в камері (7 щоденних сеансів при температурі 40 °C). У всіх випробуваних у рейсі проводили психофізіологічні дослідження, що включали оцінку розумової працездатності по тестах "Кільця Ландольдта"і "Додавання з переключенням", фізичної працездатності за результатами функціональної проби "Гарвардський одноступінчатий степ-тест"і наступним розрахунком величин PWC(170) і максимальне споживання кисню (МСК), wс, величину систолічного (СД) і діастолічного (ДД) артеріального кров'яного тиску до, після і через 3 хвилини після дозованого навантаження, а також визначення вмісту і співвідношення K+ і Na+ у змішаній слині на атомарно-абсорбційному спектрофотометрі AAS-3, що відбивають стан клітинних мембран і електролітного балансу при температурному стресі й адаптації.

Результати досліджень показали, що попередня теплова адаптація моряків знижує амплітуду гемодинамічних показників (wс, СД і ДД) на 12...15 % у порівнянні з контрольною групою, зберігає фізичну працездатність до кінця рейса, самопочуття, активність і настрій. Більш ніж на 50 % знижується захворюваність адаптованих моряків з тимчасовою втратою працездатності. Динаміка показників розумової працездатності моряків, що пройшли ПТА, зберігалася до кінця рейса, тоді як у контрольної групи ці показники знизилися на 20...30 %. В адаптованій групи зміна співвідношення Na+/K+ на всіх етапах рейса несуттєва.

В цілому, проведені дослідження показали, що розроблена і впроваджена система ПТА моряків дозволяє не тільки поліпшити їхній психофізіологічний статус і працездатність, але й знизити показники захворюваності в рейсовому періоді, що має не тільки соціальний, але й істотний економічний ефект.

ВИСНОВКИ

Специфіка експлуатації морських і річкових суден, частиною яких є людино-машинні системи, для забезпечення надійності роботи людини-оператора вимагає створення штучного середовища мешкання за фізичним, хімічним і біологічним факторами зовнішнього середовища.

Сучасна теорія кондиціонування і суднові СКП спрямовані на задоволення тільки принципу комфортності мікроклімату, ігноруючи принципи динамізму, кліматичної і сезонної диференціації, урахування виду трудової діяльності, а також ряду інших фізичних, хімічних і біологічних факторів шкідливості суднового середовища мешкання.

У дисертації представлено теоретичне узагальнення і нове рішення науково-прикладної задачі підвищення ефективності й оптимізації роботи систем суднового мікроклімату, спрямованих на забезпечення комфортності мікроклімату повітряного середовища приміщень з мінімально необхідним збалансованим енергоспоживанням на підготовку повітря в умовах безперервної виробничої діяльності людини в плаванні.

В результаті досліджень установлено таке:

1. Для формування статичних закономірностей зміни термодинамічних параметрів повітря у приміщенні в зоні оптимуму застосовне основне рівняння теплового балансу при взаємодії сил у системі "людина - навколишнє середовище", у якому для урахування фактора працездатності людини складові Qт і Mт замінені функціями теплового стану , і ступеня напруженості адаптаційних функцій організму.

2. Для формування динамічних закономірностей термодинамічних параметрів повітря в зоні оптимуму залежно від теплового стану, ступеня напруженості адаптаційних функцій і необхідності підвищення резервної потужності організму застосовні емпіричні нелінійні часові функції і періодичні часові функції PT(з) (PT(t), PT(пр), T(пр), Tтр).

3. Дослідження закономірностей формування іонного складу атмосферного повітря й повітря приміщень показали високий загальний рівень природної іонізації морського повітря, яка має тенденцію до негативної уніполярності, що дозволило відмовитися від додаткової іонізації повітря при підготовці повітря.

4. Дослідження закономірностей щодо рівня загазованості приміщень танкера-газовоза, ефективності очищення повітря існуючими апаратами підготовки повітря, а також ефективності застосовуваних методів і засобів колективного захисту показали їхню недостатність, що привело до застосування принципово нового методу і засобів колективного захисту.

5. Узагальнена математична модель динаміки процесів у системі "людина - навколишнє середовище", отримана на основі законів взаємодії сил в інерційних системах, дозволяє вирішувати широке коло задач формування комфортних мікрокліматичних та інших умов, пов'язаних з перебуванням людини в адекватних і неадекватних умовах зовнішнього середовища мешкання, а також визначення оптимальних навантажувальних характеристик для людини в умовах виробничої діяльності.

6. Розробка математичної моделі нових елементів і синтез багатопараметричного регулятора комфортності мікроклімату оптимального по відхиленню і швидкодії привела до придбання ССМ найважливішої системної якості -- цілісності системи, а запрограмовані в ЕОМ нові алгоритми завдання режимів її роботи забезпечили підвищення функціональної ефективності всієї системи.

7. Для оптимізації процесів підготовки повітря удосконалено стосовно регуляторів комфортності методики й алгоритми визначення оптимальних термодинамічних параметрів приточного повітря у залежності від масової швидкості з урахуванням розподілу параметрів повітря, що приводять до зниження енерговитрат на апаратному, агрегатному і системному для СПП рівні.

8. Використання диференціальних рівнянь плівкової й об'ємної моделей процесів абсорбції газу водою дозволило розрахувати, спроектувати, виготовити й експериментально перевірити ефективність роботи нового фільтруючого пристрою, здатного забезпечити ступінь очищення повітря від хімічного забруднювача на рівні не нижче ГДКсс за рахунок ефективності розпилу, збільшення лінійної та масової швидкості руху абсорбенту.

9. Загальним (глобальним) режимним критерієм ефективності самонастроюваної ССМ залежно від теплового стану людини, районів роботи судна й сезону року представлений відомий енергетичний к.к.д. системи, методику визначення якого розроблено й експериментально перевірено на трьох типах СКП суден різного призначення. Величина hскп становить 22...34 %

ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ

1. Розроблено математичні моделі енергетичної взаємодії у системі "людина - навколишнє середовище", що дозволяють сформувати цільові функції управління і режими роботи ССМ.

2. Математичні моделі зміни параметрів стану повітря у приміщеннях, визначення показників комфортності, алгоритму їх завдання залежно від району плавання, пори року і типу приміщень, а також реалізації цільових функцій управління дозволили розробити багатопараметричний регулятор комфортності.

3. Розроблені способи, методи й алгоритми управління підготовкою повітря дозволили підвищити якість, точність, швидкодію процесів регулювання та збалансованість енергоспоживання.

4. Створення системи раннього виявлення шкідливих і небезпечних речовин у місцях можливої дислокації людей забезпечує безпеку їх життєдіяльності, а також підвищує інформативність ССМ щодо прискорення введення в дію засобів колективного захисту екіпажу.

5. Самонастроювана ССМ задовольняє принципам гігієнічного нормування мікроклімату приміщень за фізичними і хімічними факторами та відповідає основним класифікаційним ознакам систем.

6. Експериментальна перевірка запропонованого алгоритму теплової адаптації і методики визначення ефективності роботи ССМ підтвердили їх реалізованість і високу ефективність.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ, ЩО ВІДБИВАЮТЬ ГОЛОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Голиков В.А. Научные основы управления микроклиматом судна. - Одесса: ОГМА, 1999. - 321 с.

2. Судовые микропроцессорные управляющие системы: Учебное пособие для вузов / Н.П. Агафонов, Н.И. Верлатый, В.А. Голиков, Н.В. Таранчук, Ю.М. Цюпко - М.: Транспорт, 1994. - 136 с.

3. Голиков В.А., Агафонов Н.П., Фадеев В.И. Методы совершенствования автоматического управления судовыми системами кондиционирования воздуха (методика, алгоритмы оптимизации и наладки): Учебное пособие для вузов. - М.: В/О "Мортехинформреклама", 1991. - 36 с.

4. Голиков В.А. Оптимальное управление судовыми холодильными установками и системами кондиционирования воздуха: Учебное пособие для вузов. - М.: "Мортехинформреклама", 1985. - 36 с.

5. Холодильные установки газовозов и их эксплуатация: Учебное пособие для вузов / В.А. Голиков, О.Н. Занько, А.А. Козьминых, В.Т. Писклов - М.: В/О "Мортехинформреклама", 1988. - 24 с.

6. Технология научных исследований и проблемного преподавания: Метод. рекомендации / И.И. Кринецкий, В.А. Голиков - М.: В/О "Мортехинформреклама", 1980. - 66 с.

7. Голиков В.А., Тимофеев П.П. Опыт эксплуатации системы комфортного кондиционирования воздуха на теплоходах типа "Кишинев". // Морской транспорт. Серия ТЭФ - 1983. - Вып. 10 (558). - М.: ЦБНТИ ММФ. - С. 12 -18.

8. Голиков В.А. Динамический комфорт в судовых помещениях с помощью систем комфортного кондиционирования, // Морской транспорт. Серия ТЭФ - Э.И. - 1984. - Вып.2 (574). - М.: ЦБНТИ ММФ. - С.13-24.

9. Шафран Л.М., Фадеев В.И., Голиков В.А., Покора Л.И. Гигиеническая оценка эффективности средств коллективной защиты экипажей судов-газовозов // Гигиена и санитария. - 1986. - № 6 - С. 86-88.

10. Голиков В.А., Цюпко Ю.М. Применение ион-селективных электродов в системах коллективной защиты экипажей танкеров-газовозов // Морской транспорт. Серия ТЭФ - 1987. - Вып. 4(468). - М.: ЦБНТИ ММФ. - С. 1-6.

11. Шафран Л.М., Голиков В.А. Микроклиматическая эффективность судовых систем кондиционирования воздуха // Судостроение. - 1990. - № 2. - С.14.

12. Голиков В.А. Перспективы улучшения условий обитаемости на морских судах // Технология судостроения и сварочного производства: Сб. науч. трудов - Николаев: УГМТУ, 1996. - С. 99-100.

13. Голиков В.А. Вывод и решение дифференциального уравнения температуры в замкнутом пространстве кондиционируемого воздуха // Технология судостроения и сварочного производства: Сб. науч. тр. - Николаев: УГМТУ, 1996. - С. 101-105.

14. Голиков В.А. Идентификация ионного состава кондиционируемого воздуха судовых помещений в различных акваториях мирового океана // Автоматизация судовых технических средств: Науч.-техн. сб. - Одесса: ОГМА, 1997. - Вып. 2. - С. 15-20.

15. Голиков В.А. Математическое обеспечение адаптивной судовой системы кондиционирования воздуха // Автоматизация судовых технических средств: Науч.-техн. сб. - Одесса: ОГМА, 1997. - Вып. 2. - С. 21-24.

16. Голиков В.А., Луценко О.В., Терновский В.Б. Управление микроклиматом кондиционируемых помещений по комплексным показателям // Автоматизация судовых технических средств: Науч.-техн. сб. - Одесса: ОГМА, 1997. - Вып. 2. - С. 25-29.

17. Овчинников П.Ф., Голиков В.А. Математическая модель абсорбции газа жидкостью основанная на дифференциальных уравнениях диффузии // Судовые энергетические установки: Науч.-техн. сб. - Одесса: ОГМА. 1998. - Вып. 1. - С. 47-52.

18. Голиков В.А. Фильтрующее устройство для химически опасных загрязнителей воздуха // Судовые энергетические установки: Науч.-техн. сб. - Одесса: ОГМА, 1998. - № 2. - С. 107-116.

19. Голиков В.А., Мамкичев Н.А. Безопасная перевозка химически опасных грузов //Автоматизация судовых технических средств: Науч. -техн. сб. - Одесса: ОГМА, 1999. - Вып. 3. - С. 13 -20.

20. Голиков В.А., Мамкичев Н.А., Попов В.Г. Математическая модель статического процесса абсорбции примесей в воздухе //Автоматизация судовых технических средств: Науч.-техн. сб. - Одесса: ОГМА, 1999. - Вып.4. - С.45 -51.

21. Голиков В.А. Методика расчета изменения давления воздуха в больших объемах при принудительной вентиляции // Судовые энергетические установки: Науч.-техн. сб. - Одесса: ОГМА, 1999. - № 3. - С. 42 -48.

22. Голиков В.А., Кривой А.Ф. Нелинейная математическая модель состояния: температуры, влагосодержания и скорости воздушного потока в кондиционируемом помещении // Судовые энергетические установки: Науч.-техн. сб. - Одесса: ОГМА, 1999. - Вып. 4. - С. 17-27.

23. Овчинников П.Ф., Голиков В.А. Математические модели адаптации человека у изменениям окружающей среды // Доп. НАН України. - 2000. - № 2. - С. 204-208.

24. Овчинников П.Ф., Голиков В.А. О тепловой адаптации человека к окружающей среде // Доп. НАН України. - 2000. - № 5. - С. 186-188.

25. Голиков В.А., Кривой А.Ф. Оптимальное многопараметрическое управление микроклиматом кондиционируемого помещения // Сб. науч. тр. УГМТУ им. адм. Макарова. - Николаев: УГМТУ, 2000. - № 1 (367). - С. 87-98.

26. Голиков В.А., Мамкичев Н.А., Попов В.Г. Линейная математическая модель динамики очистки воздуха от химических загрязнителей в центральном кондиционере // Сб. науч. тр. УГМТУ им. адм. Макарова. - Николаев: УГМТУ, 2000. - № 2 (368). - С. 78-83.

27. А. с. 1189182 СССР. Способ автоматического регулирования параметров воздуха в помещении / В.В. Вычужанин, В.В. Медзеловский, В.А. Голиков (СССР) - № 3670077/29-06; Заявл. 03.11.83,. Опубл. 12.01.1985, Бюл. № 4.

28. Патент 1796060 РФ, МКИ 01 № 25/66. Датчик росы/ А.А.Голиков, В.А.Голиков, Н.П.Агафонов (Украина). - № 4815217/25; Заявл. 16.04.90; Опубл. 15.02.93, Бюл. № 6. - 3 с.

29. Патент 2082157 РФ МКИ 01 №25/66. Способ измерения температуры точки росы сжатой газовоздушной среды / В.А. Голиков (Украины). - № 4943362/25; Заявл. 08.04.91; Опубл. 20.06.97, Бюл. № 17. - 3 с.

30. Патент 2029927 РФ МКИ 01 КЗ/66. Устройство для определения условий тепловой комфортности микроклимата. / В.А. Голиков, О.В. Луценко (Украина). - № 4866892/10; Заявл. 30.05.80; Опубл. 27.02.95, Бюл. № 6. - 3 с.

31. Голиков В.А., Яроцкий С.В. Математическое моделирование и применение ЭВМ при проектировании судовых систем кондиционирования и холодильных установок // Тезисы докл. науч.-практ. семинара "Использование ЭВМ при проектировании судовых систем. - М.: Ин-т повыш. квалиф. руков. работн. судостроит пром-сти. - 1979. - С. 47-50.

32. Голиков В.А. Системный подход при создании адаптивных систем кондиционирования // Тезисы докл. VIII Всесоюз. науч.-техн. конф. "Современное состояние и перспективы развития кондиционирования воздуха на судах"- Ч. 4. -Николаев: НТО им. ак. А.Н. Крылова - 1984. - С. 42 -47.

33. Голиков В.А., Дулдиер А.П., Луценко О.В. Перспективы создания судового микроклимата и его технические средства реализации // Тезисы докл. VIII Всесоюз. науч. - техн. конф. "Современное состояние и перспективы развития кондиционирования воздуха на судах"- Ч. 1. -Николаев: НТО им. ак. А.Н. Крылова - 1984. - С. 121 -124.

34. Голиков В.А., Проценко В.И. Экспресс - методы определения эффективности работы судовых систем комфортного кондиционирования воздуха (СКВ) и опыт их эксплуатации // Тезисы докл. VIII Всесоюз. науч.-техн. конф. "Современное состояние и перспективы развития кондиционирования воздуха на судах"- Ч. 1. - Николаев: НТО им. ак. А.Н. Крылова - 1984. - С.125 -128.

35. Голиков В.А., Фадеев В.И. Анализ опыта эксплуатации систем комфортного кондиционирования на специализированных судах - газовозах, перспективы комплексной обработки воздуха // Тез. докл. VIII Всесоюз. науч.-техн. конф. "Современное состояние и перспективы развития кондиционирования воздуха на судах"- Ч. 1. - Николаев: НТО им. ак. А.Н. Крылова - 1984. - С. 28 -31.

36. Голиков В.А. Математическое моделирование процессов терморегуляции моряка при создании динамических систем управления микроклиматом // Тезисы докл. Междунар. науч. - практ. конф. "The sailor and his health". - Бургас (Болгария). - 1988. - С. 59-60.

37. Голиков В.А. Оптимальное управление микроклиматом в судовых кондиционируемых помещениях // Тез. докл. VII Все союз. науч.-техн. конф. "Проблемы комплексной автоматизации судовых технических средств"- Л., 1989. - С. 136.

38. Голиков В.А., Луценко О.В. Экологические аспекты в проблеме изучения гигиены моря и водоохранных объектов // Матер. Всесоюз. науч. конф. "Человек - океан". - Ч. 1. - Махачкала: МЗ СССР, 1990. - С. 6-10.

39. Голиков В.А., Луценко О.В. Управление микроклиматом в помещениях по интегральному показателю // Матер. Всесоюз. науч. конф. "Человек - океан". - Ч. 1. - Махачкала: МЗ СССР, 1990. - С. 125-126.

40. Голиков В.А., Луценко О.В. Повышение энергетической эффективности воздухоподготовки в системах кондиционирования воздуха // Матер. Всесоюз. науч. конф. "Человек - океан". - Ч. 1. - Махачкала: МЗ СССР, 1990. - С. 126-127.

41. Ovchinnikov P. Ph., Golikov V. A. Modeling of the process of a person's adoption to wards the change of the surroundings. // XIX symposium on rheology (collection of abstracts), Klaipeda, Lithuania, 1998. - P. 50.

АНОТАЦІЇ

Голіков В.А. Підвищення ефективності та оптимізація режимів роботи систем суднового мікроклімату. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.08.05 -- суднові енергетичні установки. - Український державний морський технічний університет, Миколаїв, 2000.

Вперше вирішення проблеми підвищення надійності суднових енергетичних установок спрямоване на забезпечення працездатності та збереження здоров'я основного елементу системи: людини-оператора. Застосовуючи системний підхід до принципів гігієнічного нормування факторів навколишнього середовища та умов праці на судні, розроблені теоретичні основи побудови систем суднового мікроклімату. Науково обґрунтовано математичні моделі процесів у елементах системи, що встановлюють кількісні залежності між середовищем судна, станом здоров'я моряка та умовами виробничої діяльності. Викладені результати досліджень по розробці багатопараметричних оптимальних регуляторів комфортності, побудові системи колективної безпеки на танкерах-газовозах та самонастроюваних систем автоматичного управління процесами кондиціонування мікроклімату приміщень.

Ключові слова: судно, людина, мікроклімат, система, автоматизація, оптимізація.

Golikov V.А. Increasing of efficiency and optimisation of working modes of ship microclimate systems. -- Manuscript.

Thesis on maintenance a scientific degree of the doctor of engineering science by speciality 05.08.05 -- Ship Power Plants. -- Ukrainian State Maritime Engineering University, Nikolaev, 2000.

For the first time the decision of a problem of increasing the reliability of ship power plants is directed on provision workability and saving health of a principal element of a system: human-operator. Applying a system approach to the principles of a hygienic normalization of the factors of an environment and work conditions on a vessel, the theoretical fundamentals of a ship microclimate systems construction are designed. Mathematical models of processes in system elements which determine quantitative dependence between vessel environment, health condition of a seaman and conditions of industrial activity are scientifically proved. The results of research on development of multiparameter optimum comfort adjusters, construction of collective safety system on gas tankers and self-tuning systems of automatic control of processes of conditioning of a locations microclimate are stated.

Keywords: ship, man, microclimate, system, automation, optimisation.

Голиков В.А. Повышение эффективности и оптимизация режимов работы систем судового микроклимата. -- Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук по специальности 05.08.05 -- судовые энергетические установки. - Украинский государственный морской технический университет, Николаев, 2000.

Современная теория кондиционирования воздуха и конкретные технические решения судовых энергетических систем оказались неспособными решать проблемы адаптации моряков к необычным условиям проживания и жизнедеятельности. Это резко сокращает сроки пребывания людей в плавании. Решение проблемы повышения работоспособности моряков при сохранении здоровья осуществлено путём целенаправленного управления параметрами воздушной среды, вырабатываемого в системах судового микроклимата (ССМ). Для этого разработана теория, согласно которой в ССМ объектом управления является человек с выходными параметрами состояния -- самочувствием и работоспособностью, а входным -- микроклимат помещения. Система воздухоподготовки (СВП) вместе с кондиционируемыми помещениями представляют орган управления.

В процессе теоретических исследований определены режимы работы ССМ (комфорт, ПТА, СТН и ТТ), целевые функции управления, а основное уравнение энергетического баланса в системе "человек - окружающая среда" дополнено функциональными зависимостями, характеризующими нервно-эмоциональное и энергетическое состояние организма человека. Моделирование адаптационных процессов в объекте управления дифференциальными уравнениями 2-го порядка позволило установить состояние и ход этого процесса. Математическое моделирование элементов органа управления дифференциальными уравнениями 1-го порядка относительно параметров воздушной среды привело к формированию прямой и обратной связей системы с регулятором комфортности и СВП.

Осуществлён синтез многопараметрического оптимального по отклонению и быстродействию регулятора комфортности микроклимата. Разработаны методики и алгоритмы оптимального управления режимами работы, воздухораспределением и энергопотреблением в СВП. Установлены условия относительной замкнутости ССМ от внешней среды в процессе транспортировки химически опасных грузов, согласно которым в объёме жилой надстройки создаётся избыточное давление воздуха, а приточный воздух очищается в СВП до ПДКсс. Изготовлены и испытаны опытные образцы измерителя комфортности, задатчиков режимов работы ССМ, система раннего оповещения о химической опасности, автоматическое трёхкаскадное фильтрующее устройство, измерители и датчики энтальпии, влагосодержания, температуры точки росы воздуха, а также двухуровневая подсистема выбора оптимального режима СВП.

В результате разработаны теоретические основы построения самонастраивающихся ССМ, созданы опытные образцы её элементов, что позволило решить научно-прикладную проблему управления параметрами воздушной среды в соответствии с гигиеническими требованиями обитаемости судов.

Ключевые слова: судно, человек, микроклимат, система, автоматизация, оптимизация.

Размещено на Allbest.ru