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Tesi etd-03192010-174852


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