Katedra Maszyn i Urządzeń Energetycznych
Department of Power Engineering and Turbomachinery
18 Konarskiego Street,44-100, Gliwice
Phone +48 32 237 21 74Mon-Fri. : 8am to 4pm

Opracowanie prototypu maski ochronnej dla personelu medycznego z wysoko wydajnym procesem wentylacji, dezynfekcji oraz filtracji powietrza.

Zespół projektu:

  • Tomasz Palkowski,
    Joachim Gasz,
    Bartosz 
    Kutypa,
    Daniel Wagstyl

Opiekunowie projektu: 

  • Dr hab.inż Leszek Remiorz Prof.PŚ
    Dr hab.inż Mirosław Majkut Prof.PŚ
    Dr inż. Daniel Węcel

 
            Na początku 2020 roku, w Chinach pojawił się wirus zwany SARS-COV-2, znany również pod nazwą COVID-19, który wywołał ogólnoświatową pandemię. Przez pewien okres wirus, z którym walczymy był dla nas nieznany i nie wiedzieliśmy jakie skutki może wywołać oraz w jaki sposób jest przenoszony. W związku z odkryciem, przez naukowców, że wirus COVID-19 przenosi się drogą kropelkową na twarzach całego świata pojawiły się maseczki, które mają chronić przed masowym roznoszeniem wirusa, aby uniknąć zachorowań. W związku ze wzrostem popularności przyłbic oraz przymusem noszenia pełnych skafandrów ochronnych przez służbę zdrowia, który utrudniał pracę opracowano lekką przyłbicę z systemem wentylacyjno-filtracyjnym. Założeniem projektu było stworzenie taniej przyłbicy, która będzie lekka oraz nie będzie utrudniała pracy. Ważnym aspektem stało się to, aby przyłbica mogła być dezynfekowana oraz używana kilkukrotnie, ponieważ w związku z używaniem jednorazowych maseczek itp., szacuje się, iż ilość odpadów medycznych generowanych przez szpitale oraz inne jednostki służby zdrowia wzrosła przynajmniej o połowę.

            Pierwszym krokiem pracy było opracowanie geometrii przyłbicy. Geometria stworzonej przyłbicy pokazana na rysunku 1. oraz 2. została opracowana na podstawie wykonanych wywiadów z personelem medycznym. W górnej części przyłbicy znajduje się kanał wentylacyjny, który doprowadza do maski przefiltrowane powietrze oraz służy jako wentylacja.



Sposób filtracji oraz wentylacji wyróżnia stworzoną przyłbicę od istniejących rozwiązań. Sposób doprowadzenia został pokazany na rysunkach 3. i 4.


Dobór sposobu doprowadzenia przefiltrowanego powietrza został określony na podstawie, numerycznej mechaniki płynów (CFD - ang. Computational Fluid Dynamics). Na podstawie wyników obliczeń numerycznych wybrano najkorzystniejszy wariant geometrii, który wykazywał się największą wydajnością nawiewu powietrza, przy możliwe najmniejszym zjawisku turbulencji w okolicach oczu. Do wykonania analizy wykorzystano środowisko ANSYS Fluent 2020. Rozwiązywano równania bilansu energii, masy (w tym bilansu pierwiastków chemicznych), pędu oraz modelu turbulencji . W celu wiarygodnego oddania naturalnych warunków oddechu zmierzono w warunkach laboratoryjnych prędkość wydechu powietrza przez usta oraz nos dla różnych stanów oddechu tj. szybki oddech spowodowany wysoką aktywnością człowieka, oraz oddech swobodny bez żadnej aktywności. Te pomiary następnie wykorzystano jako jeden z warunków brzegowych do przeprowadzenia symulacji. Aby zamodelować oddech posłużono się wbudowanymi narzędziami środowiska ANSYS Fluent takim jak UDF (ang. User Defined Function), a sam oddech został opisany funkcją cosinusa. Powietrze wydychane przez człowieka jest nasycone oraz ma temperaturę zbliżoną do temperatury głębokiej, dlatego do symulacji przyjęto, że wilgotność powietrza wydychanego równa jest RH 100%, natomiast temperatura wynosi około 37oC.

Do filtracji powietrza zastosowano wysokowydajne filtry klasy HEPA. Na rynku dostępne są różnego rodzaju systemy filtracji sprzężone razem z wentylatorem, lecz z uwagi na wysokie koszty zdecydowano skonstruować geometrię komory filtrującej, która pełniła zarazem przejściówkę z kwadratowego przekroju wyjścia nawiewu wentylatora na okrągły przekrój rury, która ma za zadanie doprowadzić powietrze do nagłowia, a dalej na szybę przyłbicy. Zabieg ten został zastosowany w celu, zmniejszenia kosztów wytworzenia przyłbicy oraz w celu zmniejszenia powstawania ilości odpadów. Dzięki zastosowanej komory filtracyjnej, możemy dokonać wymiany samego filtra bez wentylatora, co pozwoli na redukcję odpadów elektronicznych.


Koncepcja doprowadzenia świeżego powietrza do przyłbicy ma zapewnić nie tylko przefiltrowane powietrze użytkownikowi podczas pracy, ale również powiększyć komfort pracy jako chłodzenie. Takie rozwiązanie może przyczynić się do wzrostu efektywności wykonywanych czynności w warunkach bezpośredniego narażenia na kontakt z czynnikami zakaźnymi, takimi jak wirusy oraz bakterie. Natomiast aby powietrze zostało dostarczone do użytkownika musiało pokonać różnego rodzaju opory liniowe oraz miejscowe, dlatego dobór odpowiedniego wentylatora był bardzo ważnym czynnikiem. Dobór wentylatora został przeprowadzony w oparciu o wyniki pomiarów w zakresie oporów miejscowych filtra powietrza umieszczonego w komorze filtracyjnej oraz wartości strat liniowych obliczonych na podstawie uzyskanych danych. Do przeprowadzenia badań użyto kanału symulacyjnego przepływu powietrza, do którego zainstalowano komorę filtracyjną wraz z filtrem. Kolejnym istotnym czynnikiem był głośność pracy wentylatora, która nie mogła być irytująca dla użytkowania, dlatego dobrano wentylator o najniższej głośności pracy.

W celu porównania przepływu powietrza w przyłbicy do maseczek ochronnych, przeprowadzono badania  przepływu powietrza metodą Schlierena, podczas którego wykonano pomiary dla następujących rodzajów maseczki:

  • bawełniana,
  • maseczka z filtrem FFP2,
  • maseczka chirurgiczna wykonana z flizeliny.



Podczas prób przeprowadzanych dla kaszlu znaczna większość podejść zwieńczona była odepchnięciem maski od twarzy i wypływem powietrza na znaczne odległości, szczególnie niekorzystna sytuacja dotyczyła maski chirurgicznej która z racji swojej sztywności była gorzej dopasowana do twarzy niż pozostałe. Z obserwacji wynika istotny fakt braku możliwości uszczelnienia maseczki w części poniżej oczodołów na wysokości połowy nosa, stąd też podjęta została decyzja o realizacji zamkniętej przyłbicy.