Введение к работе
Важнейшим стратегическим направлением развития морехозяйствен-ного комплекса Украины является создание безопасных условий работы при эксплуатации судовых технических средств.
Суда современного транспортного флота характеризуются действием на моряков вредных производственно-бытовых факторов физической и химической природы, производственно обусловленный контакт с которыми сохраняется и в нерабочее время (период межвахтенного отдыха). Факторы морской стихии, быстрое по времени и значительное по величине изменение естественных, прежде всего, метеорологических условий в плавании дополняет отрицательное влияние судовых производственных факторов, которые обуславливают не только вредный характер работы, но и неполноценность межвахтенного отдыха членов экипажей и необходимость ограничения непрерывного плавания.
Безопасность судна и охрану человеческой жизни на море обеспечивают судовые энергетические установки и системы, основными функциями которых является создание технической надежности судна и формирование гигиенически обусловленных условий проживания.
Рост уровня автоматизации современных морских судов, внедрение автоматизированных комплексов по эксплуатации судовых энергетических систем, включая навигационные, существенным образом изменили характер производственной деятельности плавсостава, трансформировав его функции как операторов на подвижном объекте. Это, с одной стороны, создало предпосылки для сокращения численности судового экипажа, а с другой — увеличило степень нервно-эмоциональной и энергетической компонент труда.
В связи с ростом функциональной значимости каждого специалиста в судовом экипаже для повышения его надежности как элемента эргатиче-ских систем, включая и судовые энергетические установки, для моряков в продолжительных рейсах необходимы современные системы жизнеобеспечения.
Прогрессивные тенденции в развития судостроения и эксплуатации флота, которые лежат в основе улучшения обитаемости современных морских судов, создают предпосылки для существенного повышения производительности труда при сохранении высокой работоспособности и потенциала здоровья моряков. В то же время результаты многочисленных исследований показывают, что наблюдается несоответствие между современными гигиеническими требованиями, которые основываются на результатах новых научно-теоретических разработок, и конкретными техническими решениями.
Актуальность темы исследований связана с отсутствием современных теорий, которые решают проблемы адаптации людей к необычным условиям
обитания и жизнедеятельности, а также неспособностью судовых энергетических систем обеспечивать уровень современных гигиенических требований, в первую очередь, по важнейшему компоненту внешней среды — микроклимату судовых помещений. Эти обстоятельства вызваны сложностью изучения динамических процессов взаимодействия организма человека с окружающей средой, ограниченностью функционирования систем кондиционирование воздуха (СКВ), низким уровнем технических решений по подготовке воздуха и автоматизации процессов кондиционирования воздуха.
В настоящее время эта важная народно-хозяйственная задача решается главным образом путем предоставления морякам компенсаций и льгот за вредные и опасные условия работы. Однако для независимой Украины возрождение морского флота следует начинать с оснащения судов новейшими образцами энергетических установок, включая системы судового микроклимата (ССМ), способные создавать все необходимые условия обитания для активной деятельности человека в продолжительном плавании.
Связь работы с научными программами, планами, темами состоит в обобщении результатов исследований, выполненных автором и под его непосредственным руководством в рамках таких государственных координационных планов и программ: плана ускорения научно-технического прогресса на морском транспорте на 1986-1989 гг. и на период до 2000 г. и мероприятия по его обеспечению, одобренного Коллегией Минморфлота СССР 27 августа 1985 г. (прет. № 48, поз. 4.8, 5.6 и 8.3); национальной программы исследований и использования ресурсов Азово-Черноморского бассейна на период до 2000 года (Указ Президента Украины от 16.12.1993 г., государственная программа «Флот и транспорт»); приоритетному направлению научных исследований Министерства образования Украины на 1992-1996 гг. «Здоровье человека»; приоритетному направлению научно-исследовательских и научно-технических программ Министерства образования Украины на 1997-1999 гг. «Энергоресурсы и энергосбережение».
Основные диссертационные исследования отражены в НИР № ГРО 196U018699, № ГРО 18600315, № ГРО 1826063289.
Целью исследования является разработка теоретических основ проектирования самонастраиваемых ССМ, решающих научно-прикладную проблему управления параметрами воздушной среды в помещениях в соответствии с гигиеничными требованиями обитания на судах.
В процессе исследований решались следующие основные задачи:
установление количественных характеристик и функциональных зависимостей, определяющих результаты нервно-эмоционального и энергетического взаимодействия организма моряка с внешней воздушной средой для определения границ области применимости ССМ;
разработка математических моделей элементов ССМ для парамет
ризации тепломассообменных процессов в воздухе при подготовке
воздуха и формировании регулирующего влияния на объект управ
ления;
ш установление соответствия результатов моделирования заданным целям и критериям с прогнозированием развития системы;
определение качества переходных процессов в контурах регулирования параметров воздушной среды в ССМ;
разработка методик определения оптимальных настроечных параметров, алгоритмов их задания, оптимизации управления элементами и контроля режимов работы ССМ.
Объектом исследования являются судовые энергетические установки, важнейшей функцией которых является создание комфортных условий жизнедеятельности моряков в плавании.
Предметом исследования является ССМ с энергетическими и материальными процессами в воздушных потоках: открытых территорий судна, производственных отсеков, служебных помещений, замкнутых мест обитания, технологическими средствами подготовки воздуха и управления.
Методы исследования. В работе применены методы планирования эксперимента, статистической обработки данных и статистического контроля, математического моделирования на ЭВМ, теорий систем, вероятностей, кондиционирования воздуха и других, охватывающих основные направления системотехники.
В лабораторных и натурных судовых рейсовых исследованиях применены стандартные физические, химические и психофизиологические методы, адаптированные к условиям судна. Результаты исследований обработаны методами математической статистики.
Научная новизна работы и полученных результатов заключается в том, что впервые, в отличие от существующих СКВ, режимы работы которых определяются метеоусловиями, проблема повышения эффективности ССМ решена путём научного обоснования нового принципа функционирования системы, согласно которому режимы работы формируются по тепловому состоянию и степени адаптированности человека, а воздухоподготовка оптимизируется по энергетическим критериям с дополнительным учётом метеоусловий и степени загазованности атмосферного воздуха, что соответствует основным положениям концепции кондиционирования судового микроклимата.
Получили научное обоснование:
усовершенствованная принципиальная схема перспективной ССМ, как следствие открытия явления повышенной униполярной иониза-
ции атмосферного воздуха над поверхностью воды морей и океанов (105... 107 эл. зар.см'3) за счёт баллоэлектрического эффекта, установления закономерностей влияния физических и химических факторов, особенностей трудовой деятельности и состояния работоспособности человека, а также уровня технического совершенства процессов воздухоподготовки на формирование термодинамического состояния воздушной среды в кондиционируемых помещениях судов;
новые методы расчёта оптимальных значений термодинамических
параметров кондиционируемого воздуха в помещении и при возду
хоподготовке для автоматического поддержания условий комфорт
ности микроклимата и снижения до минимально неизбежных затрат
энергопотребления ССМ в статике и динамике;
". новые технологические решения по воздухоподготовке в ССМ для обеспечения кондиционности микроклимата помещений по газовому составу воздуха на уровне ПДКСС путём повышения давления воздуха внутри жилой надстройки до 250...350 Па и непрерывной, автоматически управляемой очистки приточного воздуха до уровня ПДКСС;
новые технические решения построения многопараметрических ре
гуляторов комфортности оптимальных по отклонению и быстро
действию, а также фильтрующего устройства, обеспечивающего
степень извлечения загрязнителя из воздуха на уровне не ниже
0,999 при коэффициенте орошения 1,0...1,2.
Практическое значение полученных результатов. Научные положения, определяющие условия энергетического и материального равновесия в системе «человек - судно - окружающая среда» стали основой при разработке и создании систем жизнеобеспечения, нормативных, инструктивно-методических документов, учебно-методической литературы.
Математические модели, блок-схемы, алгоритмы, лабораторные и исследовательские образцы новой техники, примененные в данных исследованиях, внедрены в следующие научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы по модернизации и созданию систем и средств коллективной безопасности на судах и в портах при перевозке химически опасных грузов.
Предложены системы и средства, а также конструктивные схемы и технические решения, отличающиеся технической новизной, защищенные авторским свидетельством и патентами.
Теоретические разработки по управлению микроклиматом судна позволили приступить к решению широкого спектра проблем, связанных с экологической безопасностью на производстве.
Реализация полученных результатов. По материалам исследований разработаны и внедрены: «Технико-эксплуатационные требования по автоматизации судовых систем кондиционирования воздуха» (1985 г.) и «Требования к судовым средствам контроля и обеспечения коллективной безопасности экипажей в жилой надстройке танкеров-газовозов при перевозке аммиака» (1986 г.); «Разработка и исследование фильтрующих элементов систем кондиционирования воздуха танкеров-газовозов» (1985 г.); «Разработка электронной приставки к датчику раннего выявления аммиака для защиты от проникновения паров перевозимого груза» (1986 г.); «Разработка автоматической системы регулирования газового состава воздуха в помещениях надстройки танкера-газовоза» (1987 г.); «Разработка проекта модернизации системы комфортного кондиционирования воздуха» (1987 г.); «Разработка и исследование прибора для диагностики тепло-влажностной комфортности микроклимата судовых жилых помещений» (1986 г.); «Разработка и исследование приборов управления системами динамического комфорта» (1985-1986 гг.); «Разработка алгоритмов управления СКВ по минимально неизбежным затратам» (1987 г.).
Фрагменты работы демонстрировались на ВДНХ СССР и отмечены одной золотой, двумя серебряными и 4 бронзовыми медалями.
Коллективная межведомственная НИР «Разработка и внедрение комплексной системы обеспечения безопасности экипажей специализированных судов-газовозов» (1991 г.) отмечена дипломом Президиума Центрального правления научно-технического общества водного транспорта СССР. Акты внедрения и иные документы, которые подтверждают факт реализации результатов работы, прилагаются.
Конкретное непосредственное участие автора в получении научных результатов, изложенных в диссертации, состоит в постановке целей, формулировании задач исследований, получении экспериментальных данных, проведении натурных производственных исследований и испытаний, построении математических моделей, а также участии в техническом выполнении созданных на основе проведенных теоретических разработок систем, устройств и приборов. В последнем случае степень непосредственного участия автора составляет 60 %. В создании образцов техники принимали участие Вычужанин В.В., Голиков А.А., Луценко А.В., Фадеев В.И., с которыми у соискателя имеются публикации, авторское свидетельство и патенты.
Автор выражает благодарность д.т.н., проф. Овчинникову П.Ф., д.ф.-м.н. Попову В.Г., к.ф.-м.н. Кривому А.Ф. за консультации в процессе проведения исследований по математическому моделированию и д.м.н., проф. Шафрану Л.М. за консультации в процессе проведения физиолого-гигиенических
исследований по тепловой адаптации моряков в рейсах и химической безопасности экипажей танкеров-газовозов.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на: научно-практическом семинаре «Использование ЭВМ при проектировании судовых систем» (Москва, 1979); VIII всесоюзной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития кондиционирования воздуха на судах» (Николаев, 1984); международной научно-практической конференции «Моряк и его здоровье» (Болгария, Бургас, 1988); VII всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы комплексной автоматизации судовых технических средств» (Ленинград, 1989); всесоюзной научной конференции «Человек - океан» (Махачкала, 1990); 19-м симпозиуме по реологии (Литва, Клайпеда, 1998); семинарах «Проблемы морской кибернетики» секции научного совета АН Украины по проблеме «Кибернетика» (Одесса, 1982, 1986, 1989 и 1994); научных и научно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава ОГМА (1987-1999).
Публикации. По теме диссертации опубликована 41 научная работа, в том числе одна монография, 5 учебных пособий; 20 статей, авторское свидетельство и 3 патента на изобретения, 11 тезисов докладов конференций. Кроме того, результаты работы представлены в 26 отчетах о НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из вступления, 8 разделов, вывода, списка литературы из 298 наименований и приложений. Общий объем работы — 408 стр., в том числе 339 стр. основного текста, 29 стр. списка литературы, 81 рисунка, 47 таблиц и 40 стр. приложений.
