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Tesi etd-03192010-174852


Thesis type
Tesi di laurea specialistica
Author
BONACCORSI, BARBARA
URN
etd-03192010-174852
Title
Studio, simulazione e test dei componenti e dell'assieme di un sistema di respirazione a circuito chiuso per operatori subacquei in saturazione
Struttura
INGEGNERIA
Corso di studi
INGEGNERIA BIOMEDICA
Commissione
correlatore Ing. Bellomo, Marco
relatore Prof. Vozzi, Giovanni
Parole chiave
  • sistema di respirazione
  • operatori subacquei
Data inizio appello
27/04/2010;
Consultabilità
parziale
Data di rilascio
27/04/2050
Riassunto analitico
Il mare per l’uomo è sempre stato un elemento fondamentale per il suo sviluppo<br>sociale, economico e culturale. La vicinanza a fiumi o al mare, ha sempre caratterizzato<br>le più grandi città capitali di grandi imperi passati. La ricerca del mare non è stata<br>dettata nei secoli solo per l’abbondanza di materie prime, ma anche per soddisfare<br>quella voglia di esplorazione che da sempre ha accompagnato la nostra specie. Ma se<br>nella storia è stata fondamentale la presenza del mare, è molto importante ricordare<br>l’ispirazione che questo ha dato alla letteratura internazionale: diversi scrittori e<br>filosofi sono riusciti a descrivere i diversi tratti del mare. Montale ha descritto con cura<br>e minuziosità il suo amato e allo stesso tempo odiato paesaggio ligure dove il mare<br>provoca disagio nell’anima del poeta, pur essendo calmo, piatto, tranquillo; Rimbaud<br>scrive del viaggio che il suo battello fa attraverso le intemperie del mare, ma che,<br>ebbro di vita riesce a superare ogni ostacolo senza preoccuparsi di ciò che ha lasciato a<br>terra. Come tralasciare il famigerato scrittore sudamericano Hemingway e il suo libro<br>“Il vecchio e il mare” dove il protagonista vive per tre giorni e tre notti a contatto con il<br>mare e la vita di questo, rischiando la vita ma non perdendosi mai d’animo. Il mare è<br>sempre stato e sempre rimarrà fonte di multisfaccettate ispirazioni dell’intelletto<br>umano. A livello scientifico, il mare ha sempre messo alla prova le abilità<br>ingegneristiche umane. La necessità di aprire nuove rotte commerciali, la curiosità di<br>scoprire nuove terre e nuovi orizzonti, la sfida continua contro la natura, hanno spinto<br>la mente umana ad affacciarsi sempre più alle discipline marittime e navali. Se la<br>ricerca di cibo e di nuovi materiali contribuì alla comparsa dei primi “subacquei<br>apneisti”, le continue guerre e le innovazioni tecnologiche, che hanno caratterizzato la<br>Storia fino ad oggi, hanno partecipato attivamente all’evoluzione globale della figura<br>del subacqueo. La storia del diving è molto affascinante tant’è che il più celebre<br>scienziato di tutti i tempi, Leonardo da Vinci, disegnò diversi prototipi di<br>equipaggiamenti subacquei e i suoi modelli furono spunto per molti altri inventori a lui<br>posteriori. Il diving ha avuto un boom vertiginoso dopo la seconda guerra mondiale,<br>quando personaggi come Jacques-Yves Cousteau e Emile Gagnan, con l’invenzione<br>dell’Aqua Lung, piantarono le basi per il diving moderno. Negli ultimi 60 anni, dato il<br>continuo incremento della profondità di immersione per compiti sempre più complessi<br>e ambiziosi, si è cercato di estendere il tempo effettivo di lavoro in profondità<br>attraverso sistemi in saturazione basati sull’utilizzo in circuito chiuso di miscele<br>gassose. Tali dispositivi, richiedono la presenza di un circuito atto a rigenerare i gas<br>espirati dai divers, non solo eliminando la CO2 prodotta, ma anche ripristinando l’O2<br>assorbito per rendere di nuovo respirabile e quindi riutilizzabile, il flusso gassoso. La<br>DRASS è un’azienda con sede a Livorno, specializzata della progettazione e nella<br>produzione di sistemi in pressione sia nel settore delle immersioni subacquee che nel<br>settore medicale. Questa azienda ha una vasta esperienza nella produzione di sistemi<br>diving in saturazione e ha messo a punto un sistema proprio di rigenerazione degli<br>espirati chiamato Gas Reclaim System. L’obiettivo del seguente lavoro di tesi è quello<br>di analizzare, studiare e simulare il Gas Reclaim System durante il processo di<br>rigenerazione a ciclo chiuso degli espirati di subacquei in saturazione. La simulazione in<br>LabVIEW comprenderà non solo il processo in condizioni ideali di funzionamento, ma<br>anche situazioni di guasto e le relative conseguenze che possono provocare sul diver e<br>sull’intero sistema. Uno studio FMEA completerà la raccolta dei dati relativi al Gas<br>Reclaim che permetteranno di terminare questa prima fase di tesi con la strutturazione<br>di un video illustrativo sull’intero sistema. Tale video sarà utilizzato in futuro<br>dall’azienda, per scopi puramente commerciali e di marketing. Nella seconda fase della<br>tesi, verrà simulato un sistema di respirazione polmonare utile nelle valutazioni<br>qualitative e quantitative della fatica affrontata dal divers collegati al Gas Reclaim,<br>durante le fasi di lavoro. I test reali relativi a questo programma, non saranno oggetto<br>di questa tesi in quanto la DRASS si è riservata di effettuarli in un secondo momento.<br>Durante il periodo di svolgimento di questo lavoro, la candidata, Barbara Bonaccorsi,<br>ha collaborato con l’azienda anche in occasioni al di fuori dell’attività di tesi stessa. La<br>collaborazione instauratasi in questi mesi attraverso un contratto a progetto, ha avuto<br>come obiettivo quello di pianificare al meglio le attività aziendali nell’ambito della<br>produzione e nella gestione di sistemi medicali iperbarici. Il lavoro svolto in questa tesi,<br>si è incentrato sullo sviluppo di un programma di simulazione in grado di facilitare lo<br>studio di qualità dei sistemi diving. In particolare, il programma va a simulare il<br>funzionamento del Gas Reclaim System, progettato dalla DRASS con lo scopo di<br>rigenerare i gas espirati dai diver in saturazione. Riassumendo è possibile individuare le<br>diverse fasi di lavoro:<br>• Studio del funzionamento reale del Gas Reclaim System<br>• Progettazione del programma di simulazione in ambiente Labview<br>• Simulazione del sistema in condizioni normali<br>• Analisi FMEA con relative simulazioni<br>• Pianificazione di un video pubblicitario del sistema come incentivo all’acquisto<br>• Sviluppo di un dispositivo in grado di simulare la respirazione umana<br>• Analisi e sviluppo di un programma di simulazione respiratoria in grado di<br>elaborare i dati provenienti dal trasduttore<br>Nella fase iniziale è stato portato avanti uno studio della storia e dell’evoluzione che i<br>sistemi di diving hanno subito a partire dalla seconda guerra mondiale e del ruolo che<br>la DRASS ha avuto nell’intero percorso. Lo sviluppo di un sistema complesso come<br>quello del Gas Reclaim si è reso necessario nel momento in cui i sistemi diving in<br>saturazione hanno preso forza nel mercato moderno. Come tutti i dispositivi<br>tecnologici, anche il Gas Reclaim ha subito variazioni e miglioramenti nel corso degli<br>anni, ma per riuscire a fare un’analisi qualitativa, si è necessitato di un programma di<br>simulazione dell’intero processo. Il programma sviluppato in LabVIEW, permette<br>all’utente di inserire a piacimento i valori relativi ai dati fisici del sistema (soprattutto<br>condizioni di lavoro in termini di pressione) e di inserire parametri relativi alla<br>fisiologia del diver secondo i valori tabulati dal DNV. La grande interazione tra utente<br>e programma, da modo di vedere in real time i cambiamenti dovuti ad eventuali<br>variazioni inserite. Il tutto è facilitato da una interfaccia grafica semplice e intuitiva,<br>che separa ogni parte del sistema in altrettanti pannelli corrispondenti. Dopo aver<br>ottenuto un ottimo riscontro per il funzionamento in condizioni di normali,<br>l’attenzione si è spostata sulla simulazione di avarie e malfunzionamenti in generale<br>per un eventuale completamento dell’analisi FMEA. L’analisi FMEA permette di<br>definire le possibili modalità di guasto, i loro effetti e le eventuali azioni correttive. E’<br>chiaro che una simulazione di queste fasi, risulta essere importante, se non<br>fondamentale, per ulteriori sviluppi e miglioramenti del sistema. Il programma così<br>strutturato e costruito, da la possibilità di bloccare anche in modo esclusivo, le<br>funzioni di alcuni componenti rispetto ad altri. Questo permette di vedere le<br>conseguenze dirette di azioni ben precise. Nello svolgimento di questa tesi sono stati<br>presi in considerazione 3 tra i malfunzionamenti più comuni sia in condizioni di bassa<br>pressione che in quella di alta pressione: il blocco dei filtraggi per la CO2, il blocco del<br>compressore per lo stoccaggio in alta pressione del gas-mix, il blocco dell’iniezione di<br>O2 nel processo di rigenerazione del gas respirabile. Tali simulazioni hanno definito,<br>per ogni caso studiato, un intervallo di tempo durante il quale l’efficienza del<br>dispositivo risulta ancora accettabile. Ciò è deducibile dal tempo di autonomia che il<br>sistema ha prima di bloccarsi. Misurando, infatti, il tempo che intercorre tra la<br>comparsa del guasto e il blocco dell’intero sistema, si ha un’idea non solo della gravità<br>della situazione, ma anche il tempo disponibile per agire nell’interesse della salute del<br>diver. Una volta ottenuti questi risultati, il lavoro di tesi si è leggermente spostato<br>verso il ramo commerciale. Per volontà dell’azienda, è stato pianificato il montaggio<br>di un video pubblicitario del Gas Reclaim System. Tale video, ha lo scopo di illustrare<br>ai possibili acquirenti ogni singolo aspetto del sistema, dalla localizzazione e<br>disposizione sui deck della nave, alle funzionalità efficientemente simulate, di ogni<br>singolo componente. Il video realizzato è ora a disposizione dell’azienda come<br>elemento di marketing.<br>L’ultima fase della tesi, prevede le prime fasi di sviluppo di un ulteriore programma di<br>simulazione in LabVIEW. Spesso, infatti, si rende necessario, simulare il lavoro<br>compiuto nell’attività respiratoria da parte del diver durante lo svolgimento dei propri<br>compiti. Questo tipo di analisi non solo evidenzia l’impatto del Gas Reclaim sulla<br>fisiologia del diver ma anche l’effetto di resistenza che il casco indossato può dare. Il<br>parametro che ci permette di vedere il lavoro fatto dai divers in termini di energia<br>spesa è la compliance, una grandezza che descrive il rapporto tra pressione e volume<br>polmonare. Per ricreare l’attività del polmone è stato costruito un sistema<br>meccatronico capace di fornire dati dinamici di pressione e volume da dare in<br>ingresso al sistema di simulazione. Il sistema appena descritto è sempre in fase di<br>ultimazione ma il prototipo del programma in Labview è stato sviluppato per<br>descrivere l’atto respiratorio a livello ideale.<br>In base ai risultati ottenuti, è possibile delineare alcuni aspetti di possibile sviluppo:<br>• Simulazione di ulteriori malfunzionamenti del Gas Reclaim System, anche di<br>grave entità.<br>• Perfezionamento della dispositivo meccatronico in grado di simulare l’attività<br>polmonare, inserendo un dispositivo tale da garantire un comportamento<br>dinamico anche in termini di volume e non solo di pressione.<br>• Test del simulatore respiratorio vero e proprio con relativo collegamento tra<br>“polmone” meccatronico e il programma in Labview in condizioni di<br>malfunzionamento e non del Gas Reclaim.
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