Разработка автоматической системы регулирования температуры дыхательной смеси для обогреваемой спецодежды глубоководных водолазов

Актуальность темы

.

Проблеме изучения и освоения мирового океана во многих развитых странах мира уделяется особое внимание как одной из важнейших государственных задач.

Подводные погружения с научными целями оказали влияние почти на всю деятельность, связанную с изучением нашей планеты.

Наиболее интенсивно водолазный метод исследований подводных глубин развивался в 60-х годах нашего столетия. В дальнейшем основные усилия ученых, инженеров, техников были направлены на решение задач физиологического и технического характера, связанных с проникновением человека на все большие глубины.

В последние годы наметилась тенденция к сокращению водолазных погружений в научных целях на большие глубины. По соображениям рентабельности и условиям безопасности во многих случаях целесообразнее использовать роботов, обитаемые и телеуправляемые аппараты[1].

Однако во многих видах деятельности людей, связанных с освоением океана, погружение человека на глубину — наиболее эффективный и универсальный метод выполнения подводных работ, несмотря на риск и большую стоимость водолазных спусков [2].

К ним относятся аварийно-спасательные водолазные работы по оказанию помощи судам, приводнившимся летательным аппаратам и другим объектам, терпящим бедствие на воде, их личному составу и пассажирам, а также горнорабочим при внезапных затоплениях горных выработок, шахт и туннелей, спасению оборудования, а также работы, выполняемые в затопленных отсеках по обеспечению живучести судна. Судовые и судоремонтные водолазные работы, которые заключаются в осмотре, очистке от обрастания и коррозии, замене изношенных элементов, восстановлении покраски, устранении повреждений подводной части корпуса судна и других подводных устройств и систем. Водолазные работы по добыче морепродуктов — добыча морских животных, организмов и растений, а также обслуживание морских хозяйств, занимающихся их искусственным разведением. Специальные водолазные работы — обеспечение подводных научных исследований и испытание новых образцов водолазной и подводной техники. Очень важную роль играют водолазные погружения для военных целей [3].

В настоящее время основные усилия в области глубоководных водолазных погружений направлены на увеличение эффективности пребывания человека под водой, отсюда постоянное совершенствование водолазного снаряжения, систем связи, подводной аппаратуры и приборов, режимов спуска, оптимального состава дыхательной газовой смеси, а также оптимизация организационных принципов проведения подводных исследований.

В легкой промышленности большое внимание уделяется созданию и совершенствованию спецодежды для защиты человека, работающего в экстремальных условиях, на большой глубине погружения, при повышенном давлении, при низких температурах окружающей среды.

Анализ исследований, проводимых в данной области, показал, что спецодежда для глубоководных погружений помимо обогрева тела человека должна выполнять функцию ингаляционного обогрева водолаза [8, 9].

В связи с этим, встает актуальная проблема создания и совершенствования автоматических систем регулирования (АСР) температуры дыхательной смеси на базе водяных и электрических нагревателей в составе обогреваемой спецодежды глубоководных водолазов. При этом данные системы должны поддерживать необходимый тепловой режим дыхательной смеси, компенсируя основные возмущающие воздействия.

Степень научной разработанности проблемы.

Настоящая диссертационная работа продолжает научные изыскания в области создания и совершенствования обогреваемой спецодежды для водолазов, проводимых в течение многих лет на кафедре автоматики Московского государственного университета дизайна и технологии, который ранее назывался Московский технологический институт легкой промышленности, а затем Московская государственная академия легкой промышленности.

Ученые кафедры Жаворонков А. И., Шелудько А. Г., Ефремов В. В. и др. проводили исследования тепловых свойств материалов и пакетов из них в газовых средах с различной теплопроводностью и внешнем удельном давленииисследование теплозащитных свойств электрообогревательной одежды для водолазов. На основе проведенных ими исследований были разработаны электрообогреваемые одежды для гидрокомбинезонов ВЭК-67 и ВЭКГ-72. Во время испытаний, проводимых в реальных условиях, была подтверждена необходимость обогрева дыхательной газовой смеси. Ефремовым В. В. был разработан электронагреватель дыхательной смеси для аппарата ИДА-72. Проводились исследования АСР температуры дыхательной смеси с этим электронагревателем.

В работе Жаворонкова А. И. [8] предложена система проектирования обогреваемой спецодежды, обобщающая результаты предыдущих исследований и рекомендаций. Математическое моделирование системы «Человек — обогреваемая спецодежда — среда», проводимое ученым, было в дальнейшем модернизировано Никитченко И. И., Ефремовым В. В. и Ромашом Э. М., которые предложили электрическую схему модели системы «Человекобогреваемая спецодежда — среда» [9].

Никитченко И.И. под руководством Ефремова В. В. и Ромаша Э. М. проводила исследования динамики температуры тела человека в обогреваемой спецодежде, также были исследованы теплопотери на нагрев дыхательной смеси и теплопотери от тела водолаза во внешнюю среду.

В исследованиях в области создания и разработки обогреваемой спецодежды для глубоководных водолазов и людей, работающих в условиях пониженных температур окружающей среды принимали также участие ученые кафедры: Суханов В. А., Сергеева Т. С., Гривина И. В., Кулаков И. В. и др. [4 -12].

Были исследованы особенности воздействия среды с повышенной теплопроводностью на работу АСР температуры в обогреваемой спецодеждеисследована динамика переходных процессов в одежде при непрерывном и релейном двухпозиционном регулировании температурыисследован электронагреватель дыхательной смеси для специального снаряжения и разработана АСР температуры дыхательной смеси на его основе.

Исследования в области разработки и усовершенствования спецодежды для глубоководных водолазных спусков проводились и проводятся в в/ч 20 914 (Смирнов А. И. Сухих В.А., Хвостова Н. О. и др.) [5, 12, 13] и в ВЦКМ «Защита» (Березкина В.В. и др.) [14].

Работы по сбору и классификации информации по глубоководной водолазной технике провели ученые Гольдин Э. Р., Челышев Ф. П., Козлов В. П., Меренов И. В., Смолин В. В., Вишняков В. А., Слесарев О. М., Рыбников A.B. и ДР- [3, 16−18].

Одной из разработок в области обогрева дыхательной смеси глубоководного водолаза является система для автономного получения, обогащения дыхательного газа и снабжения им водолаза на экстремальных глубинах, запатентованная Тодоровым Г. в 2001 году [15].

Зарубежные исследования в области обогревательного водолазного снаряжения проводились следующими фирмами и отдельными учеными: в области обогреваемой спецодежды: Diving Unlimited (США), Westinghous (США), Comex (Франция), Taylor Diving and Saivage Co (США), Divex.

Англия), Atomic Energy of Canada Limited (Канада), Mark Withrow (UK), Andrew James Thomas. (UK), Krasberg Alan (ЕР) — в области обогрева дыхания водолазов: Dacor Corporation (UK), Gas Services Offshore Limited (UK), William Broady & Son Limited, David Haygreen & Associates Limited (UK), Normalair-Garrett (Holdings) Limited (UK), Drager Siecherheitstechnic GmbH (FRG), P Valves (UK), AQUALUNG, OPS (Франция), Beux Claudio (Roma) и др [19−35].

Анализируя проводимые в области обогреваемого снаряжения исследования, приходим к следующим выводам:

— необходимость ингаляционного обогрева глубоководных водолазов подтверждена не только теоретическими, но и практическими исследованиями;

— область малогабаритных водонагревателей дыхательной смеси в составе АСР температуры является малоизученной и требует дальнейших исследований;

— проблема разработки АСР температуры дыхательной смеси для обогреваемой спецодежды глубоководных водолазов на базе водонагревателя является актуальной на сегодняшний день, и для ее решения требуются теоретические и практические исследования.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью данной диссертационной работы является решение важной научной задачи по совершенствованию теории и методов проектирования и средств реализации АСР температуры дыхательной смеси для обогревательной спецодежды глубоководных водолазов на базе водонагревателя смеси путем развития и создания теоретических и практических моделей отдельных элементов и системы в целом.

Для достижения поставленной цели решены следующие теоретические и прикладные задачи:

Изучены особенности тепловых процессов человека при работе на глубине и разработаны требования к элементам системы ингаляционного обогрева в водолазной спецодежде.

Проанализированы существующие обогреваемые системы в водолазной спецодежде и теоретически обоснована необходимость усовершенствования отдельных ее элементов, в частности нагревателей дыхательной смеси.

Исследованы процессы переноса тепла в глубоководном водолазном снаряжении с водообогревом и разработана усовершенствованная конструкция водонагревателя дыхательной смеси как элемента АСР температуры.

Выявлены основные возмущающие воздействия в системе регулирования температуры дыхательной смеси глубоководного водолаза и определены пути их компенсации.

Создан водонагреватель дыхательной смеси для обогреваемой спецодежды глубоководного водолаза, проведено его теоретическое и экспериментальное исследование как элемента АСР температуры дыхательной смеси.

Разработана автоматическая система регулирования температуры дыхательной смеси на базе водонагревателя для обогреваемой спецодежды глубоководного водолаза.

Методы исследования.

Решение поставленных задач осуществлено на основе методов математического моделирования, планирования эксперимента, математической статистики, использования приближенных методов решения дифференциальных уравнений на базе широкого использования вычислительной техники.

Научная новизна.

1. Проведено более углубленное исследование возмущающих факторов, действующих на АСР температуры дыхательной смеси. Разработана оригинальная методика более точного определения теплотехнических параметров дыхательной смеси и мощности, необходимой для нагрева смеси до заданной температуры, позволяющая более точно регулировать температуру вдыхаемой дыхательной смеси в независимости от ее состава и глубины погружения.

2. Разработана методика оценки влияния возмущающих воздействий на АСР температуры дыхательной смеси водолаза: получены более полные соотношения, связывающие каждый возмущающий фактор с мощностью нагревателя дыхательной смеси, необходимой для его компенсации.

3. Разработана новая методика расчета конструкции нагревателя дыхательной смеси для водолазной спецодежды Усовершенствована конструкция водонагревателя дыхательной смеси как элемента АСР температурыисследованы коэффициенты теплоотдачи и определена мощность теплопередачи от водонагревателя дыхательной смеси на диапазоне глубин погружения до 300 м.

4. Впервые получена математическая модель температурных процессов водонагревателя смеси как системы с распределенными параметрами Определены динамические тепловые параметры водонагревателя дыхательной смеси как элемента АСР температуры, разработана методика их численного определениявыведена передаточная функция водонагревателя дыхательной смеси.

5. Впервые разработана методика определения коэффициентов теплопотерь в окружающую среду через элементы водонагревателя дыхательной смеси при разных температурах теплоносителя.

6. Разработана двухконтурная каскадная АСР температуры дыхательной смеси на базе водонагревателя с регулированием температуры дыхательной смеси путем изменения мощности нагревателя теплоносителя. Разработана методика, позволяющая определить ориентировочный диапазон значений коэффициента усиления регулятора непрерывного действия, минуя построение ЛЧХ. Разработана комбинированная АСР температуры дыхательной смеси с релейным двухпозиционным переключением расхода теплоносителя.

Практическая значимость.

Полученные теоретические выводы о процессах управления в системе обогрева дыхательной смеси позволяют создавать более компактные и надежные нагреватели дыхательной смеси и дают возможность повысить точность регулирования температуры дыхательной смеси.

1. Проведенные исследования позволили создать более компактный водонагреватель дыхательной смеси.

2. Разработанные методики расчетов позволяют определить параметры элементов АСР и провести синтез АСР температуры дыхательной смеси.

3. Предложенная методика определения возмущающих воздействий позволяет более точно рассчитывать температурные процессы дыхательной смеси, определять величину требуемой компенсирующей мощности нагревателя и минимизировать размеры основных элементов АСР (блока питания, устройства нагрева теплоносителя, регуляторов, коммутационных элементов и др.).

4. Разработанная структурная схема и математическая модель температурного процесса АСР позволяет на ЭВМ рассчитывать влияние разных параметров элементов, типов и параметров настроек регуляторов, повысить точность регулирования температуры дыхательной смеси. В связи с этим существенно ускоряется процесс проектирования, и снижаются расходы на дорогостоящие экспериментальные проверки.

5. Внедрение теоретических разработок в учебный процесс позволит повысить качество подготовки студентов по профилирующим специальностям.

Апробация и реализация.

Материалы работы докладывались и обсуждались на научной конференции студентов, молодых ученых «Молодые ученые — XXI веку» в МГУДТ в апреле 2003 года, на Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности» (Г10ИСК-2003) в ИГТА (Иваново) в 2003 г., на Международной научной конференции «Роль предметов личного потребления в формировании среды жизнедеятельности человека» в МГУДТ в 2002 г, на Межвузовской научно-технической конференции: «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности» в РЗИТЛП (Москва) 12−13 мая 2004 г. Они опубликованы в сборниках научных трудов МГУДТ и статьях [36−40]. В получении и обсуждении результатов настоящей работы большую помощь оказал коллектив кафедры Автоматики, которым автор выражает свою искреннюю благодарность и признательность.

Проведение экспериментов и внедрение результатов работы проводилось на базе кафедры автоматики МГУДТ, Института медико-биологических проблем, ВЧ20 914.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

1. В результате анализа различных структур АСР температуры дыхательной смеси глубоководного водолаза исследована двухконтурная каскадная структурная схема АСР с коррекцией по отклонению и возмущению.

2. Выбраны параметры регуляторов с непрерывным законом регулирования в двухконтурной каскадной АСР температуры дыхательной смеси. Для внутреннего контура рекомендуется использовать П-регулятор. Во внешнем контуре рекомендуется использовать ПИ-регулятор. Разработана методика, позволяющая определить ориентировочный диапазон значений коэффициента усиления регулятора, минуя построение ЛЧХ.

3. Исследован переходный процесс двухконтурной каскадной АСР температуры дыхательной смеси с регуляторами при выбранных параметрах настроек. Время регулирования переходного процесса при этом составляет 6 с. Сделан вывод о нецелесообразности использования системы с управлением по мощности устройства нагрева воды при применении регуляторов с непрерывным законом регулирования.

4. Исследована комбинированная АСР температуры дыхательной смеси с релейным двухпозиционным управляющим воздействием расходом теплоносителя. Амлитуда автоколебаний 0.08, период автоколебаний 3 с. Точность регулирования температуры дыхательной смеси в установившемся режиме при постоянном расходе смеси через теплообменник составляет ±-1°С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основным предметом настоящей диссертационной работы являлась разработка и исследование автоматической системы регулирования температуры дыхательной смеси для обогреваемой спецодежды глубоководных водолазов, основная задача которой заключается в поддержании необходимой температуры дыхательной смеси, компенсируя при этом основные возмущающие воздействия на глубинах погружения до 300 м при разной температуре окружающей среды.

При этом были проведены следующие исследования и решены задачи:

1. Проведено углубленное исследование возмущающих факторов, действующих на АСР температуры дыхательной смеси в водолазной спецодежде. В результате разработана оригинальная методика определения теплотехнических параметров дыхательной смеси на глубинах погружения до 300 м, позволяющая более точно регулировать температуру вдыхаемой дыхательной смеси в независимости от ее состава и глубины погружения.

2. Разработана новая методика оценки влияния возмущающих воздействий на АСР температуры дыхательной смеси водолаза: получены соотношения, связывающие каждый возмущающий фактор с мощностью нагревателя дыхательной смеси необходимой для компенсации данного возмущения.

3. Усовершенствована конструкция водонагревателя дыхательной смеси (ВДС) как элемента АСР температурыисследованы коэффициенты теплоотдачи и мощность разработанного ВДС на глубинах погружения до 300 м.

4. Впервые разработана математическая модель ВДС как системы с распределенными параметрамиразработана методика численного определения динамических параметров основных элементов ВДС и ВДС в целом как элемента АСР температуры дыхательной смеси на диапазоне глубин погружения до 300 м при разных температурах теплоносителя.

5. Разработана методика определения коэффициентов теплопотерь в окружающую среду через элементы ВДС при разных температурах теплоносителя.

6. Разработана экспериментальная установка для исследования ВДС. Проведены экспериментальные исследования, в результате которых получены численные зависимости теплотехнических и динамических параметров ВДС от глубины погруженияпроведен анализ переходных процессов температуры дыхательной смеси на выходе теплообменника ВДСопределена экспериментальная передаточная функция цепи элементов ВДС: теплообменника и дыхательной смеси, с учетом инерционности датчиков температуры и записывающего потенциометра.

7. Разработана и исследована двухконтурная каскадная АСР температуры дыхательной смеси на базе ВДС с коррекцией по отклонению и возмущению с управляющим воздействием по мощности электронагревателя водыразработана оригинальная методика, позволяющая определить ориентировочный диапазон значений коэффициента усиления регулятора с непрерывным законом регулирования и частотную зону регулирования в АСР.

8. Разработана и исследована комбинированная АСР температуры дыхательной смеси с релейным двухпозиционным регулированием на базе ВДС с управляющим воздействием путем включения — выключения потока теплоносителя через теплообменник ВДС. Установлено, что регулировать температуру дыхательной смеси изменением потока теплоносителя через теплообменник ВДС эффективнее, чем управлять за счет изменения мощности электронагревателя теплоносителя.

Таким образом, в результате исследований, проведенных в данной диссертационной работе, разработана и исследована АСР температуры дыхательной смеси глубоководного водолаза на базе ВДС, которая обеспечивает стабильный тепловой режим ингаляции, компенсируя при этом основные возмущающие воздействия.