Spalování tabáku v dýmce

Zadání

Název simulace: Spalování tabáku v dýmce

Předmět: 4IT495 Simulace systémů (LS 2016/2017)

Autor: Daniel Šrám, srad01

Typ modelu: Systémová dynamika

Modelovací nástroj: Vensim PLE

Definice problému

Dýmka.

Simulace se bude zabývat pálením tabáku a vzniku vlhkosti v hlavičce dýmky. Tabáková směs v dýmce doutná za velmi vysoké teploty. Teplota je tím vyšší, čím větší je přívod kyslíku, tedy čím rychleji uživatel kouří. Této teplotě je vystavena jak dřevěná hlavička dýmky, tak tabák, který je v ní umístěn. Přitom se vyvíjí vlhkost, a to tím více, čím vyšší je teplota. Tato vlhkost (kondenzát) se skládá z přirozené vlhkosti tabáku, která je žádoucí, poněvadž suchý tabák nechutná dobře. Tabáková směs je tvořena dvěma typy tabáku - Virginia a Burley. Virginia má delikátní chuť, ale je obecně sušší, rychle hoří a produkuje vyšší teplotu, pokud je kouřena příliš rychle, zatímco Burley hoří pomaleji, produkuje menší teplotu a do směsi je přidáván právě pro jeho dobré kuřácké vlastnosti. Část vlhkosti tabáku se při kouření vypaří, zbylou část absorbuje zatím nedoutnající tabák (převážně Burley) a hlavička dýmky. Dřevo dýmky však kondenzát nesnáší dobře a dokáže jí pojmout jen omezené množství. Kdyby vstřebalo veškerý kondenzát, změnila by se dýmka v močál a chutnala by velice nevábně. Při kouření je tedy důležité, aby co nejméně vlhkosti proniklo přímo ke dřevu, zároveň ale dýmka nesmí vyhasnout.

Vlhkost tabáku je měřena jako procento vody tvořící váhu tabáku (MBW - moisture by weight). Pro skladování tabáku je optimální 15-24% MBW. Kouřit lze tabák v rozmezí 10-18% MBW a záleží to na preferenci uživatele. Nutné je ovšem vzít v potaz, že čím vlhčí tabák je, tím větší potřebuje teplotu, uvolňuje více kondenzátu, ale má obecně lepší chuť.

Cíl

Cílem bude nalézt optimální rychlost kouření (v počtu potahů za minutu) v závislosti na podílu Burley v tabákové směsi, za současného nevyhasnutí dýmky, nepoškození dřeva přílišnou teplotou a uvolnění minima kondenzátu. Sekundárně a čistě nezištně může simulace sloužit k namíchání optimální tabákové směsi pro požadovanou dobu kouření.

Metoda

Na zpracování modelu bude použita systémová dynamika, konkrétně bude použit program VensimPLE. Díky systémové dynamice budeme schopni pozorovat vývoj spalování tabáku v čase, to nám umožní sledovat všechny závisloti a nalézt hraniční hodnoty jednotlivých proměnných. Klíčové ovšem bude namodelovat veškeré vztahy, které v problematice dýmání hrají roli.

Model

Primární hodnoty modelu

• produkce tepla - Tato proměnná určuje míru zahřívání dýmky.
  • Vzorec: ((380+okolní teplota)/220*(rychlost kouření+(1-rychlost kouření*podíl Burley v tabákové směsi)-četnost dusání tabáku))
• teplota v hlavičce dýmky - Teplota rozžhaveného uhlíku v hlavičce dýmky, pod kterým dýmá tabák.
  • Vzorec: produkce tepla - chladnutí dýmky
• chladnutí dýmky - Míra samovolného chladnutí dýmky. Dýmkový tabák narozdíl od cigaretového tabáku neobsahuje samohořící látky, takže pokud dýmka není kouřena, vyhasne.
  • Vzorec: IF THEN ELSE( teplota v hlavičce dýmky > 50 , podíl Burley v tabákové směsi * rychlost kouření * (1 - vlhkost tabáku), 0 )
• produkce vlhkosti - Míra vzniku kondenzátu uvnitř dýmky, který se hromadí na spodu kotle a v útrobách.
  • Vzorec: (1-podíl Burley v tabákové směsi)*vlhkost tabáku*vlhkost vzduchu*teplota v hlavičce dýmky/95
• vlhkost hlavičky dýmky - Vlhkost obsažená v nehořícím tabáku a v útrobách dýmky.
  • Vzorec: produkce vlhkosti*vlhkost hlavičky dýmky
• produkce močky - Vznik kondenzátu.
  • Vzorec: teplota v hlavičce dýmky*0.01*vlhkost hlavičky dýmky*vlhkost tabáku
• močka v hlavičce dýmky - Nežádoucí kondenzát hromadící se na spodu kotle dýmky.
  • Vzorec: produkce močky

Operativní proměnné modelu

• podíl Burley v tabákové směsi - Podíl tabáku Burley v tabákové směsi. Za zbytek je považován tabák typu Virginia.
• rychlost kouření - Četnost potahů z dýmky v jednotce počet potahů za minutu.
• četnost dusání tabáku - Četnost dusání hořícího tabáku. Dusání má za následek dočasné a mírné snížení teploty hoření.
• okolní teplota - Tato proměnná ovlivňuje produkci tepla a její hodnoty mohou nabývat -10 až 35 stupňů Celsia.
• vlhkost vzduchu - Tato proměnná ovlivňuje produkci vlhkosti a její hodnoty mohou nabývat 0% až 100%.
• vlhkost tabáku - Tato proměnná ovlivňuje produkci vlhkosti a močky a její hodnoty mohou nabývat 5% až 24%.

Casual loop diagram

Na následujícím vyobrazení je možno vidět diagram kauzálních smyček. Pomocí tohoto nástroje jsou zanalyzovány vzájemé vlivy proměnných v modelu.

Stock and flow diagram

Na následujícím obrázku je uvedena ukázka simulace.

Závěr

Simulace je funkční a stabilizovaná pro běžně prodávané tabákové směsi. Simulace pomocí systémové dynamiky odhalila ideální poměr Burley v tabákové směsi a nastínila i chování dýmky při použití směsi s extrémními poměry jednoho či druhého typu tabáku. Ani jeden ze zmíněných extrémů nenese známky příjemného kouření, což je užitečná znalost. I hoření uhlíku v hlavičce dýmky se podařilo nasimulovat tak, aby vystihovalo realitu. Neposlední přidanou hodnotou, kterou simulace přinesla, je odhalení vlivu jednotlivých faktorů, které se podílejí na procesu spalování tabáku.

Soubory ke stažení

File:Casual loop diagram.mdl - Casual loop diagram

File:Stock and flow diagram.mdl - Stock and flow diagram