Air Liquid Interface System

Max Attergren

Martin Lindwall

Examensarbete TRITA-ITM-EX 2021:356

KTH Industriell teknik och management

Maskinkonstruktion

SE-100 44 STOCKHOLM

Examensarbete TRITA-ITM-EX 2021:356

Max Attergren

Martin Lindwall

Godkänt

Examinator

Stefan Björklund

Handledare

Ulf Olofsson

Uppdragsgivare

Stockholm Universitet

Kontaktperson

Karine Elihn

Sammanfattning

Ett ALI-System används för att undersöka om luftburna nanopartiklar kan vara skadliga för

människliga lungor. Nedan följer en rapport där ett ALI-System byggt i labb anpassas och

förbereds för tillverkning. Tanken är att det skall konstrueras ett mobilt ALI-System som möjliggör

mätningar i fält. Rapporten behandlar i huvudsak vilka komponenter som ingår, utformning av

dessa samt krav och funktion. Systemet som skall konstrueras är komplext och kräver många

delsystem för att klara av mätningar i fält. Delar av dessa system och lösningar på problem

behandlas i rapporten. Huvudområden som behandlas är elektriska system, CAD och ritningar

samt termiska analyser för att möta de krav som ställs. Projektet genererade ett komplett

ritningsunderlag av exponeringsenhet, konceptframtagning för elektriska system samt

dimensionering och analys av uppvärmningskällor. Projektets initiala mål att konstruera ett mobilt

system, frångicks då upphandlingar av komponenter försenades samt att uppdragsgivaren behövde

ritningsunderlag omgående på grund av tillgängligheten av verkstadspersonal under projektets

gång. Trots detta anses projektet lyckat då uppdragsgivaren tillhandhölls det som önskades och

arbetet som gjordes kan ligga till grund för vidareutveckling av ett mobilt system.

Nyckelord: ALI-System, Design, Produktion

BachelorThesis TRITA-ITM-EX 2021:356

Max Attergren

Martin Lindwall

Approved

Examiner

Stefan Björklund

Supervisor

Ulf Olofsson

Commissioner

Stockholm University

Contactperson

Karine Elihn

Abstract

The ALI-System is used to determine the toxicity of airborne nanoparticles to the human lungs.

The following report seeks to describe the process of preparing an ALI-system built in a laboratory,

for use outdoor. The project also involves preparing the existing ALI-system for manufacturing.

The report mainly discusses the ALI-systems components, how these are constructed, demands

and function. The ALI-system is very complex and needs many assisting systems to work. Some

of these systems and problems with current solutions are discussed within this report. The main

focus of the report is electrical systems, CAD and drafts. But also discussed are some thermal

analyses.

The project generated a complete set of drafts of the exposure unit, a concept for all the electrical

components and an evaluation of the heating system. The project departed from its main thesis

since the available time to work on the thesis was cut short since all of the parts were not available

from start, but also since there was a shortage of available workshop workers after June. Despite

this the project could be regarded as successful since the client was happy with the end result.

Keywords: ALI-System, Design, Production

NOMENKLATUR

Beteckningar

Symbol Beskrivning

�̇� Effekt (W)

r Radie (m)

T Temperatur (m)

A Area (m2)

L Längd (m)

K Värmegenomgångskoefficient (W/m2 ∗ K)

λ Värmeledningsförmåga (W/m*K)

𝛼𝑣 Värmeövergångskoefficient varma sidan (W/m2 ∗ K)

𝛼𝑘 Värmeövergångskoefficient kalla sidan (W/m2 ∗ K)

δ Tjocklek (m)

Förkortningar

CAD Computer Aided Design

ALI Air Liquid Interface

RH/T mätare Thermogrometer

SMPS Scanning Mobility Particle Sizer

EU Europeiska unionen

INNEHÅLLSFÖRTECKNING

SAMMANFATTNING

ABSTRACT (ENGLISH)

NOMENKLATUR

INNEHÅLLSFÖRTECKNING

1 INTRODUKTION 1

1.1 Bakgrund 1

1.2 Syfte 1

1.3 Avgränsningar 1

1.4 Metodik 2

1.5 Kravspecifikation 2

2 REFERENSRAM 3

2.1 Beskrivning av ALI-Systemets uppbyggnad__________________________________________3

2.2 Beskrivning av specialkomponenter________________________________________________10

3 GENOMFÖRANDE 11

3.1 Förstudie och introduktion till systemet 11

3.2 Mätningar av befintligt system 11

3.3 3D-modellering av komponenter 12

3.4 Termiska analyser 13

3.5 Analys och konceptframtagning av elektriska system 16

4 RESULTAT 17

4.1 Förstudier 17

4.2 Slutgiltiga CAD modeller 18

4.3 Resultat termiska analyser 19

4.4 Slutgiltigt koncept elektriskt system 19

5 DISKUSSION OCH SLUTSATSER 20

5.1 Diskussion 20

5.2 Slutsatser 21

6 REKOMMENDATIONER OCH FRAMTIDA ARBETE ____________________________________ 22

6.1 Rekommendationer 22

6.2 Framtida arbete 22

7 REFERENSER 23

BILAGA A: Slutgiltiga 2D Ritningar 24

BILAGA B: Matlabkod 51

BILAGA C: Ansys simuleringar 52

BILAGA D: Elschema______________________________________________________________________ 53

1

1 INTRODUKTION

1.1 Bakgrund

I dagens samhälle är vi ständigt omgivna av mängder med luftburna nanopartiklar. Dessa kan

uppstå i kontakten mellan dubbdäck och vägbanan, i förbränningsmotorer, i industrier eller

liknande processer. Hur nanopartiklar påverkar kroppen och i synnerhet lungorna, har länge varit

okänt. För att kunna skydda människan från nanopartiklarna måste man veta toxiciteten för

särskilda nanopartiklar, och i vilken grad dessa förekommer. Hur dessa nanopartiklar påverkar

oss har fått intresse av EU. ALI-systemet som finns på Stockholms universitet har valts ut för att

undersöka detta i flera städer inom EU.

ALI- Air Liquid Interface system är ett system som skall undersöka luftburna nanopartiklars

påverkan på mänskliga lungceller. Det finns idag ett fåtal system i världen och ett av dom står på

Stockholms universitet. ALI-systemet är av komplex natur och utöver exponeringsenheten (där

lungcellerna utsätts för nanopartiklarna), innehåller det mycket kringutrustning. Detta system

skall implementeras i en mobil mätutrustning för att kunna göra mätningar över hela världen.

1.2 Syfte

Projektets mål är att i samspel med beställaren ta fram underlag för vidare tillverkning och bistå

med design och konstruktionslösningar för deras ALI-system. Beställaren har fått i uppdrag att

utföra experiment i olika miljöer och behöver därmed ett mobilt system. Deras ALI-System skall

även användas i flera andra länder i ett gemensamt projekt. Kompletta ritningar av

exponeringssystemet i CAD vilket även gäller 2D ritningar för tillverkning, kopplingsscheman

och en konstruktionslösning för modulsystemet.

1.3 Avgränsningar

Projektet kommer inte behandla justeringar av exponeringsenheten då detta är förbestämt och

testat av beställaren. Produktval för övriga komponenter görs av beställaren i samråd med

rapportförfattarna. Modulens utformning anpassas efter dessa produktval

2

1.4 Metodik

Med avseende på projektets mål sker arbetet i stor utsträckning i CAD. För att få skapa så bra

ritningar som möjligt sker flera möten med uppdragsgivaren på deras labb där mätningar av det

befintliga systemet, och dialog om olika lösningar sker. Även simuleringar i ANSYS och

tillämpning av termodynamiska modeller kommer att behandlas. Flera andra ingenjörsmässiga

tillämpningar kommer att ske för att tillhandahålla idéer och lösningar för att hjälpa

uppdragsgivaren att välja komponenter, tillverkning och utformning.

Arbetet utför i huvudsakligen i CAD och ritprogram för elektriska kopplingsscheman. Flera

fysiska besök för studier av befintligt system gjordes. Kontinuerlig dialog med uppdragsgivaren

löper genom hela projektet eftersom alla lösningar bör godkännas innan vidare arbete fortsätter.

Konstruktion av modulsystem är inte möjligt förrän systemets ingående komponenter är fullt

bestämda.

1.5 Kravspecifikation

För att skapa ett tydligt mål för projektet och avgränsa det ytterligare så fastställs en

kravspecifikation i samråd med uppdragsgivaren. Kravspecifikationen tar i beaktning klimatet

där systemet i första hand ska användas, vilka platser mätningar kommer att ske (tunnlar,

flygplatser m.m) samt hur komponenternas placering påverkar experimenten.

Kraven på produkten är som följer

1. Rackenheten ska vara portabel till den utsträckning att den ska kunna bäras i trappor.

2. Värmetillförsel ska finnas för experiment i kalla förhållanden (ner till 10℃).

3. En del komponenter i racket ska vara lättåtkomliga för att underlätta experimenten. Alla

komponenter ska vara lätta att byta vid eventuella defekter.

4. Systemet ska vara lätthanterligt och vara enkelt att sätta i gång.

3

2 REFERENSFRAM

2.1 Beskrivning av ALI-Systemets uppbyggnad

Då ämnet är tämligen outforskat är det svårt att hitta information om liknande projekt. Det

finns ett fåtal egentillverkade ALI-System som används inom forskningen, och ännu färre

kommersiella iterationer. Dessa system har varit till hjälp för att förstå hur ALI-System

fungerar. Den huvudsakliga kunskapen om ALI-Systemet kommer dock från

uppdragsgivaren som är väl insatta i systemet. De har själva varit aktiva i skrivandet av två

artiklar som varit till hjälp för att förstå systemet [2] och [3]. För att kunna ta del av det

arbete som skett samt underlätta förståelse för de problem och lösningar som uppstått krävs

en förståelse för ALI-Systemets uppbyggnad och ingående komponenter.

Nedan följer en genomgång av det befintliga systemet baserad på en dialog med

uppdragsgivaren.

Vid systemets inlopp tas den luft in som skall analyseras. Det kan endera vara från en

partikelgenerator eller direkt ifrån en utomhusmiljö. Luften som äntrat systemet kommer att

passera en RH/T mätare som har till uppgift att logga storheterna luftfuktighet samt temperatur

på den intagna aerosolen. Därefter sker en torkningsprocess, se figur 1,

4

där luftfuktigheten i aerosolen skall sänkas med målpunkt på ca 20%. Detta sker med hjälp av ett

slutet system där ingående komponenter består av två nafion rör, silicagel-torkare, kylspiral,

filter, två critical orifices och en pump.

Det ena nafion röret ser till att torka aerosolen innan dess väg vidare i systemet medan den andra

används för torkning av aerosol som gått ur systemet, innan mätningar görs av

partikelkoncentrationen via SMPS systemet (Scanning Mobility Particle Sizer). Vidare i

systemet passerar aerosolen en radioaktiv laddare vars uppgift är att ge aerosolens partiklar en

känd laddningsfördelning, där det förekommer både negativa och positiva laddningar. (Detta för

att senare kunna påverkas av ett pålagt elektriskt fält). Efter laddaren finns ett inloppsrör där CO2

tillsätts, detta för att lungcellerna skall exponeras av en aerosol som liknar människans naturliga

luft i lungorna. Regleringen av inblandningen av CO2 sker med en regulator vars flöde justeras

med en nålventil. Därefter sker en mätning med en RH/T sensor där torkarens effektivitet och

resultat kan avläsas. Den torkade aerosolen går därefter genom en process för att höja

luftfuktigheten igen. Detta sker på samma sätt som torkningen med ett nafion rör, men med

cirkulerande vatten i den yttre kammaren, förtydligande i figur 2 nedan.

Pump

Kylspiral

Silicagel torkare

Filter

Nafion rör

Aerosol in

Aerosol ut (torkad)

Figur 1, översikt torknnigsprocess

5

Figur 2, översikt fuktningsprocess [1]

Efter aerosolen passerat nafion röret avläses fuktighet och temperatur återigen för att validera att

luftfuktigheten ligger inom det område lungcellerna önskar. Därefter äntrar aerosolen själva

exponeringsenheten. Exponeringsenheten utformas enligt figurer 3 & 4 och funktioner i

exponeringsenheten ses i figur 5.

6

Figur 3, ISO-vy cad

7

Figur 4, översikt komponenter

8

Exponeringsenheten har uppvärmning i aluminiumplattan samt innanför huven. Uppvärmning i

plattan upprätthåller rätt temperatur på den näringslösning som omger lungcellerna,

förtydligande ses i figur 6. Uppvärmningen i huven ser till att det sker ett värmeutbyte mellan

luften i huven och aerosolen som flödar i rören, detta för att lungcellerna inte skall skadas av en

för låg temperatur på inblåsande aerosol.

Figur 6, detaljerad vy inloppsrör och lungceller

Figur 5, funktioner i exponeringsenhet

9

Ovan i figur 6 syns det hur exponeringen av lungcellerna går till. Aerosolen kommer ur

inloppsröret och lungcellerna exponeras av de partiklar som finns i luftlandningen. Cellerna

plockas sedan ur för att undersökas i laboratorium.

För att öka partikeldeponeringen på cellerna finns ett pålagt elektriskt fält som är spänningssatt

upp till 4kV. I och med att aerosolen passerat den radioaktiva partikelladdaren kommer

partiklarna vara laddade, antingen positivt eller negativt. Det elektriska fältet skiftar polaritet

under experimentets gång. Detta innebär att nedre elektroden antar +4kV eller -4kV. Detta är en

viktig funktion för att öka partikeldeponeringen samt att undvika statisk uppbyggnad kring

cellerna som hindra partiklar från att deponera. Utformningen av detta tas upp i kapitel 4.2.

När aerosolen passerat lungcellerna evakueras den genom utsugskanalen som syns i figur 6.

Därefter sker en till mätning av luftfuktighet samt temperatur. En av kanalerna grenas av för att

kunna gå mot referensmätningssystemet (SMPS). Genom att mäta partikelkoncentrationen hos

aerosolen innan exponeringsenheten och efter exponeringsenheten kan dosen cellerna utsatts för

beräknas. Aerosolen passerar sedan ett filter som tar bort partiklar samt en critical orifice som

ger ett givet volymflöde av aerosolen för samtliga utlopp. Filtret är nödvändigt för att undvika att

de små hålen i critical orifices sätts igen. Slutligen sammanfogas de 7 utloppen med varandra i

en manifold vars ena ände är ansluten till den luftpump som driver processen.

10

2.2 Beskrivning av specialkomponenter

Systemet innehåller ett antal komponenter av kemimedicinsk karaktär som behöver förtydligas

för full förståelse. De komponenter detta avser är nafionrör, critical orifice, SMPS,

Silicageltorkare.

Nafionrör:

Ett nafionrör är ett mantlat rör där två olika medier flödar på inner respektive yttersidan om

manteln. I ALI-systemet passerar aerosolen som skall mätas på insidan i de två nafionrören. På

yttersidan används vatten för fuktning och torr luft för torkning. Nafionröret tillåter ett begränsat

utbyte av fuktighet genom manteln, och på så sätt kan det användas för torkning och befuktning

av aerosolen.

Critical orifice:

En critical orifice används för att styra flödet i respektive utloppsrör från exponeringsenheten.

De består av en metalldel som har ett litet hål med toleranser. Eftersom det är ett väldigt litet hål

blir flödesmotståndet stort, vilket blir styrande för flödet i utloppen. Storleken på hålet gör i sin

tur att flödet går att justera genom att använda olika storlek på hålen. Se figur 7 nedan.

Figur 7, exempelbild critical orifice

SMPS:

SMPS är det externa systemet uppdragsgivaren kopplar upp mot ALI-systemet för att

beräkna dosen cellerna bli utsatta för. Det består av en enhet som bestämmer partiklarnas

storlek, samt en enhet som bestämmer partiklarnas antal. Detta gör det möjligt att erhålla

partiklarnas storleksordning.

Silicagel torkare:

Silicagel torkaren är en egenbyggd konstruktion som enkelt förklarat består av ett plaströr

som fylls med silicagel, Genom att låta luft passera genom detta rör kommer fukten i luften

att tas upp av silicagelen. Detta gör i sin tur att torr luft kommer ut på andra sidan torkaren.

Det är denna torra luft som används i kombination med ett nafionrör som gör det möjligt

att torka aerosolen.

11

3 GENOMFÖRANDE

3.1 Förstudier och introduktion till systemet

Projektet inleds med ett antal möten med uppdragsgivaren för att med deras expertis förstå

systemets ingående komponenter och aktuella utformning. Uppdragsgivaren har själv skrivit

vetenskapliga artiklar om systemet och även dessa tillhandahåller viktig kunskap för projektet.

Även en tidsplan upprättas i de tidiga stadierna och en första prioriteringsordning bestäms.

Eftersom uppdragsgivarens system är ett av få i världen är information om befintliga lösningar

sparsam. Därför är dialogen med uppdragsgivaren särskilt viktig för att skapa förståelse om

projektet.

Projektet startar med ett första möte med beställarna, översiktlig plan och introduktion till ämnet.

ALI-System är ett komplext system och kräver viss förståelse för att kunna börja arbeta med.

Därefter skedde ett studiebesök där vi fick en full genomgång av systemet i helhet. Därefter kan

mätningar av exponeringsenhetens komponenter göras för att kunna påbörja ritningar i CAD.

3.2 Mätning av befintligt system

Som underlag för de första ritningarna användes bilder och mätningar av samtliga komponenter.

Uppdragsgivaren har ett komplett system och ett system i delar. Dessa system är skapade för

hand och är inte lika i alla avseenden. Därför väljs de bästa lösningarna från båda ut för att skapa

en så optimal lösning som möjligt. Ett stort arbete går åt till att skruva isär, mäta och studera

komponenterna i systemet. Verktyg som används är linjal, måttband, skjutmått, multimeter och

olika skruvmejslar. Olika idéer på konstruktionslösningar tillhandahålls muntligt åt

uppdragsgivaren för att besluta om bästa lösning.

12

3.3 3D-modellering av komponenter

Nästa steg var att påbörja arbetet med att modellera komponenter i CAD. Det befintliga systemet

är tillverkat för hand och utan ritningar. Vissa mått behövde därför avrundas för att skapa

konsekventa ritningar. Ändringar sker även för att göra systemet mer robust och lätthanterligt

vilket är ett krav från uppdragsgivaren.

Förslag på konstruktionslösningar ses i figur 8, dessa granskades av uppdragsgivaren. T.ex

föreslogs en vingmutter i stället för den befintliga lösningen vilken krävde verktyg. Denna idé

togs väl emot och implementerades. Även ett förslag om att göra spår för huven att sitta i

skissades, men detta förslag fick nedslag eftersom det ökade tillverkningskostnaden. Även en

hållare för de filter som används för referensprover konstruerades. Det var en enkel men

uppskattad design.

Spår

Låsmutter

Figur 8, illustration av förändringar i exponeringsenhet

13

3.4 Termiska analyser

För att undersöka värmebehovet och möjligheten för experiment ned mot 10 grader i

omgivningstemperatur utfördes beräkningar och simuleringar. Uppdragsgivarna förespråkade en

temperatur innanför huven på 37 grader. För att uppnå detta placeras resistorer med flänsar

innanför huven som ger ifrån sig värme till omgivande luft. För att kunna dimensionera

värmarna undersöktes vilken effekt som krävs för att bibehålla en temperatur på 37 grader

innanför huven. Med andra ord beräknades effekten på den förlust som sker i huvens vägg, topp

och botten mot omgivningen. Värmeöverföringen sker i tre steg, till en början genom konvektion

mellan varm luft mot omgivande delars insida. Sedan genom värmeledning från insidan till

utsida, därefter genom konvektion mellan utsidan och omgivande luft. Detta förlopp beskrivs

med hjälp av följande modeller.[4] Förtydligande ses i figur 9 nedan.

Tabell 1, storheter temperaturberäkningar

Figur 9, värmeflöde ur huven

För beräkning av effekten genom toppen och botten användes ekvation 1.

�̇� = 𝑘 ∙ 𝐴 ∙ (𝑇𝑣 − 𝑇𝑘) (1)

Där: 𝑘 =1

(1

𝛼𝑣)+(

1

𝛼𝑘)+(

𝛿

𝜆) (2)

För beräkning av effekten genom det cylindriska skalet användes ekvation 3.

�̇� = 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝐿 ∗(𝑇𝑣−𝑇𝑘)1

𝜆∗ln(

𝑟𝑦

𝑟𝑖) (3)

Storhet

Betäckning Enhet

Effekt �̇� W

Total värmegenomgångskoefficient k (W/m2K) Area A (m2) Temperatur T (℃) Värmeövergångskoefficient α (W/m2K) Tjocklek δ (m)

Värmeledningsförmåga λ (W/mK)

Längd (höjd) L (m)

Radie r (m)

14

Beräkningarna som gjordes använde sig av en värmeövergångskoefficient på 5 W/m2K som

gäller för egenkonvektion i luft. Värmeledningsförmågan som användes är för polykarbonat

vilket är 0.20 W/mK. Väggtjockleken för huvens vägg och topp sattes till 4mm, samt 26mm för

botten. Geometriska dimensioner som användes var en höjd på 320mm, innerradie på 98mm

respektive ytterradie på 102mm.

Genom att summera förlusteffekten från huvens vägg, topp och botten kan den erforderliga

uppvärmningseffekten för att upprätthålla 37 grader uppskattas. I detta fall antogs det att huvens

botten är i direktkontakt med omgivande luft vilket inte stämmer överens med verkligheten. Då

den är monterad med o-ringar mot plattan under är det eventuellt en liten luftspalt eller

direktkontakt mellan dem. Det är möjligt att värmeöverföringen som sker i botten inte följer den

matematiska modellen. Detta är dock inte relevant för dimensioneringen då största delen av

värmeöverföringen (98%) sker i huvens cylindriska vägg. Förenklingen höjer snarare än sänker

det beräknade uppvärmningsbehovet vilket är att föredra vid dimensionering.

Sedan var uppdragsgivaren även intresserade av hur aerosolens temperatur påverkades av rören

som värms upp av luften innanför huven. Vi analyserade fall med olika randvillkor där både

temperatur på inkommande aerosol och omgivningstemperaturen varierade. Detta för att ge

uppdragsgivaren möjlighet att utvärdera miljön cellerna kommer uppleva. Därav simulerades ett

flöde i ANYS genom ett rör med längd som motsvarade rören som är innanför huven, se figur 10

nedan. I simuleringen sattes rörets yttre del till konstant temperatur och via simuleringen kunde

temperaturen på aerosolen uppskattas efter att det passerat röret. Aerosolens hastighet

beräknades med hjälp av det konstanta volymflödet på 214ml/min, som ges av de 7 critical

orifices. Hastigheten blir således volymflödet dividerat med rörets innerarea (22,48𝑚𝑚2) vilket

gav en hastighet på 0,1587m/s. Simuleringarna som gjordes tar endast hänsyn till uppvärmning

som sker efter fördelaren. Detta eftersom hastigheten i centrumröret är 7 gånger så stor samt att

sträckan i den tempererade zonen är relativt kort, vilket gör att uppvärmningen blir relativt liten

där gentemot de 7 rören efter fördelaren.

15

Figur 10, aerosolens väg och uppvärmning

Detta var av intresse att undersöka eftersom uppdragsgivarna var intresserade av skillnaden på

temperaturen på aerosolen vid experiment utomhus jämfört med labbmiljö. Beroende på

resultatet av analysen kan temperaturen i huven behöva justeras, alternativ leda till andra

konstruktionsförändring för att upprätthålla en temperatur på aerosolen som icke är skadlig för

cellerna.

16

3.5 Analys och konceptframtagning av elektriska system

Det befintliga systemet bestod av ett flertal separata elektroniska komponenter. Bl.a. två

värmeregleringssystem, högspänningsaggregat med styrning och olika transformatorer. Det

befintliga upplägget var både otympligt och ostrukturerat, vilket inte lämpar sig i ett mobilt

system. Ett system som var kompakt, driftsäkert och användarvänligt efterfrågades av

uppdragsgivaren. Därav gjordes en analys av befintliga komponenter och dess funktioner, samt

en analys av möjliga lösningar.

Ett av problemen var att befintlig utrustning krävde ett flertal separata 230V-anslutningar.

Uppdragsgivaren önskade även en jordfelsbrytare i systemet, detta i kombination med behovet

av olika drivspänningar ledde till att en elcentral med DIN-skena ansågs lämpligt. En elcentral

skulle endast kräva en 230V-anslutning, samt ge möjlighet att samla komponenter på en plats,

vilket förenklar kabeldragning och bidrar till en kompaktare lösning. Tanken var att placera

jordfelsbrytare, automatsäkringar och transformatorer i elcentralen, som i sin tur kan monteras i

ett mobilt system.

En analys av det befintliga högspänningsaggregaten samt växelaggregaten genomfördes, se

bilaga D. Den befintliga styrningen var ett axplock av komponenter som funnits tillgängliga i

verkstaden. Den var i ingen utsträckning optimal. I samråd med uppdragsgivaren undersöktes två

nya koncept. Ett med PLC-styrning och ett med en köpt växlande krets.

17

4 RESULTAT

4.1 Förstudier

Förstudierna behandlade hur ett ALI-System fungerar samt hur liknande lösningar ser ut. Det

tycktes inte existera en produkt som möjliggjorde experiment i fält. Dock fanns det några som

utvecklar liknande system för användning i laboratoriemiljöer. Eftersom exponeringsenheten

redan är given av beställaren tillför andra befintliga system inget i detta projekt. Dock fanns det

utrymme för mindre estetiska och funktionella förändringar, men anpassade efter den befintliga

exponeringsenheten.

Underlaget för förstudierna var som sagt sparsamt. Få artiklar om ALI-system fanns tillgängliga

och den mesta informationen tillhandahölls från uppdragsgivaren själv. Det gemensamma för

alla system på marknaden är att de är konstruerade för drift i labbmiljö.

Det fanns ännu mindre information om kringutrustningen som krävs för att utföra mätningarna.

Det är just dessa som arbetet inriktar sig på. Därför var mycket av förstudien på plats. De system

som krävs för drift dokumenterades och mättes. Förslag på nya komponenter som lämpade sig

bättre för ett portabelt system togs fram i samråd med beställaren.

Till sist beslutades det om att ett ensamt rack skulle bli för tungt och stort. Därmed framtogs ett

förslag med tre separata rackenheter, ett med högspänningsaggregat värme m.m, ett med pumpar

och vattenbad m.m, och slutligen ett med mätutrustning. Detta underlättar transport och

flexibilitet med hur man ställer upp systemet. De olika systemen föreslogs använda

snabbkopplingar mellan de nödvändiga komponenterna för enkel uppställning.

18

Figur 11, Slutgiltig sammanställning

4.2 Slutgiltiga CAD modeller

En verklighetstrogen modell av systemet upprättades. Denna kunde ligga till grund för 2D-

ritningarna, se bilaga A, som i sin tur användes för tillverkningen av systemet. Inga stora

förenklingar behövde göras och uppdragsgivaren godkände de avrundningarna som gjorts i

modellerna. Se figur 11 nedan för resultat.

19

4.3 Resultat termiska analyser

Vid en omgivningstemperatur på 10 grader beräknades den erforderliga effekten för

uppvärmningen av huven till 275W. Detta ligger till grund för val av resistorer samt

drivspänning i uppvärmningssystemet. Matlabkod för beräkningar presenteras i bilaga B.

Om uppvärmningseffekten behöver minskas går det att öka väggtjockleken på huvens

cylindriska vägg. En ökning till 5mm tjocklek i stället för 4mm sänker värmebehovet till 212W.

Ett annat alternativ kan vara att addera ett isolerande skikt på utsidan för att begränsa

värmeledningsförmågan.

Simuleringen av aerosolens uppvärmning av rörväggarna gav följande resultat.

Tabell 2, resultat temperatursimulering

I bilaga C presenteras resultaten från ANSYS efter simuleringen.

Uppdragsgivarens bedömning var att experimenten vid 10 graders utomhustemperatur är möjligt.

Det finns möjlighet att höja temperaturen i huven ifall en högre temperatur på aerosolen önskas.

Detta kräver dock att uppvärmningen av huven är dimensionerad för det, något som

uppdragsgivarna informerades att ta i beaktning.

4.4 Slutgiltigt koncept elektriskt system

Efter resonemang och dialog med uppdragsgivaren beslutades det att byta ut befintliga

högspänningsaggregat mot ett Spellman-MX8 aggregat. Fördelarna med det aggregatet var att

funktionerna uppdragsgivarna eftersökte fanns inbyggda i aggregatet. Utgående spänning

justeras genom en styrsignal bestående av en varierande spänning mellan 0-8V. Aggregatet har

även inbyggd möjlighet att växla polaritet, samt en på/av funktion. Detta förenklar och minskar

antalet komponenter som krävs för att uppfylla uppdragsgivarens önskemål.

Utgående spänning justeras lämpligen via en potentiometer, på/av signalen tages från

mikrobrytare i exponeringsenheten. Denna funktion önskas för att undvika spänningsförande

Aersolens

inloppstemp

(℃)

Temperatur

i huv

(℃)

Medeltemp

utlopp

(℃) 10 37 23,5

22 37 26,4

10 50 25

20

delar utan att huven är på. Vidare krävs det någon form av relä eller styrning som ger en cyklisk

signal till högsspänningsaggregatet, eftersom det önskas en växlande polaritet. Förslagsvis

används ett multirelä som kan ge ifrån sig en cyklisk signal men ställbar paus. Även dessa typer

av reläer finns för montage på DIN-skena och kan lämpligen placeras i elcentralen.

5 DISKUSSION OCH SLUTSATSER

5.1 Diskussion

Resultatet nådde förväntningarna och uppdragsgivaren var till synes nöjd. Uppdraget ändrades

dock under arbetets gång. Vad som började som ett projekt för en mobil lösning på ett ALI-

system slutade med ett projekt för att förbereda produkten för tillverkning. Detta har inneburit att

tidsplanen har frångåtts. Mycket tid har gått åt till 3D-modellering men även 2D-modellering.

2D-modelleringen har i många fall varit svårare än 3D-modelleringen eftersom det är stora

komponenter med små detaljer. Själva grunduppgiften behandlades mer som ett sidospår. Ett

förslag på hur en eventuell lösning på ett portabelt system kan se ut har hanterats muntligt.

Varken ritningar eller praktiskt byggande har skett inom det området. Uppdragsgivaren har dock

fått ett flertal idéer och kunskap för framtiden.

Arbetsfördelning under arbetets gång kunde ha varit bättre. Eftersom uppdragsgivaren inte var

säker på vilka komponenter som skulle användas till racket, så kunde inte arbetet med det

påbörjas. Det fanns sidoprojekt under tiden som att simulera temperaturflöden, modellera och

avbilda elektroniken, men stora delar av arbetet skedde under relativt kort tid. Projektet

omformulerades helt eftersom det blev bråttom att få produkten färdig för tillverkning. Därför

lades många timmars arbete på att upprätta 2D-ritningar, något som var planerat att ske efter att

resten av projektet var färdigt.

Att frångå en tidsplan är ett vanligt problem inom alla typer av projekt. Projektet kan ändå anses

lyckat trots att arbetet skedde åt en helt annan riktning än planerat. Uppdragsgivaren har gjort sitt

bästa för att ta reda på exakt vilka komponenter som kommer att användas och angett de mått

som funnits tillgängliga. Men det är svårt att upprätta en fullständig konstruktionslösning utan

alla ingående komponenter.

21

5.2 Slutsatser

Trots det varierande uppgifterna och målen var uppdragsgivaren i slutändan nöjd med resultatet.

Underlag för tillverkning blev färdigt och tillverkningen kunde påbörjas. Även om arbetet med

mobiliteten inte har legat i fokus så har samtliga punkter i kravspecifikationen avhandlats

muntligt och hur man ser till att systemet lever upp till dom. Projektet har bevisat att det finns

möjlighet att göra ALI-systemet portabelt.

En viktig slutsats är att man aldrig vet vart ett projekt kommer hamna helt säkert. Arbetet som

har utförts har till stor del inte varit av relevans utifrån den ursprungliga frågeställningen. Trots

detta tycks uppdragsgivaren vara nöjd med resultatet och arbetsinsats. Dessutom har projektet

troligen varit mer givande för alla inblandade just eftersom frågeställningen frångåtts. Flexibilitet

är en viktig del av ingenjörsmannaskapet, och just flexibiliteten har satts på prov under detta

projekt.

22

6 REKOMMENDATIONER OCH FRAMTIDA ARBETE

6.1 Rekommendationer

Projektet begränsades en hel del eftersom det var viktigt att göra enheten redo för tillverkning så

fort som möjligt. Därför utgick projektet helt utifrån den existerande enheten. Det kan därför

finnas många variationer av exponeringsenheten som fungerar lika bra men som är enklare att

tillverka. T.ex kan man utvärdera om vissa detaljer går att tillverka i metall i stället för plast för

att underlätta tillverkning, eller om vissa utformningar är direkt nödvändiga eller om det går att

göra på ett annat sätt. Detta är viktigt ifall ett flertal enheter ska tillverkas, då kan

tidsbesparingen vara radikal.

6.2 Framtida arbete

Det finns en hel del arbete med systemet kvar. Bara en grund har lagts för det arbete inom

projektets huvudområde, att göra ALI-systemet mobilt. Det framtida arbete bör syfta mer på att

faktiskt utforma och bygga rackenheterna. Uppdragsgivaren hade även en förfrågan om att

undersöka olika mättekniker för mätning av partikeldeponering, något som beslutades vara mer

lämpat för ett mekatronik-examens-arbete.

Genom olika tester och i samråd med tillverkaren skulle det kunna vara lämpligt att förenkla

vissa delar där möjligt för att minska tillverkningskostnaderna vilka är dyra i dagsläget. T.ex är

de spår som finns i plexitoppen (se figur 12) ett svårt moment i tillverkningen och ökar

tillverkningskostnaden. En annan lösning

skulle kunna underlätta tillverkningen

avsevärt. Det är mycket möjligt att det

invändiga spåret hade kunnat slopats, men

för att undvika att få problem med virvlar

eller ojämn exponering behölls de.

Figur 12, invändigt spår

23

7 REFERENSER

1. Nafion® Tubing Humidification System for Polymer Electrolyte Membrane Fuel

Cells, Ferrasis, Messana, Ariale, Sisca, Pinheiro, Zevola & Carello, [2021-04-20]

https://www.mdpi.com/1996-1073/12/9/1773/htm

2. Optimization of an air–liquid interface exposure system for assessing toxicity of airborne

nanoparticle, Applied Toxicology, Siiri Latvala , Jonas Hedberg , Lennart Möller , Inger

Odnevall Wallinder , Hanna L. Karlsson and Karine Elihn, [2016-01-13]

3. In vitro genotoxicity of airborne Ni‐NP in air–liquid interface, Applied Toxicology, Siiri

Latvala, Daniel Vare, Hanna L. Karlsson, Karine Elihn, [2017-06-13]

4. Värmeöverföring, Jernkontorets energihandbok, [2021-04-24]

https://www.energihandbok.se/varmeoverforing

24

BILAGA A: SLUTGILTIGA 2D-RITNINGAR

Samtliga mått i (mm)

25

26

Martin

Aerosol splitter explode

Datum

Skapad av

Ritningsnr

MaterialGodkänd av Ersätter Ersatt av

2021-04-06

Skala

Max Attergren

Ämne/ Dimension

MF130X

Detaljnr Antal Benämning Material Anmärkning

ItemNumber

File Name (no extension) Author Quantity

1* splitter 2.0 Max 1

2* splitter top Max 1

3* m3 10mm Max 3

1

2

3

Stainless steel

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

Martin

Grovskiss

Datum

Skapad av

Ritningsnr

MaterialGodkänd av Ersätter Ersatt av

2021-04-06

Skala

Max Attergren

Ämne/ Dimension

MF130X

Detaljnr Antal Benämning Material Anmärkning

1: Tube small 5 pc

2: Cannon 7 pc

3: Nippel 7 pc

4: O-ring clamp assembly 7 pc

5: Plexi cover 1 pc

6: Shell 1 pc

7: Locking nut 1 pc

8: Preassuer distributor 1 pc

9: Aerosol splitterassembly

1 pc

10: Filter holder 1 pc

11: Filter 2 pc

12: SoftTube 2 pc

13: Swagelock 7 pc

For questions contactMartin

+46 707 49 89 80

1

2

3

5

6

8

7

4

13

119

10

12

39

40

41

42

Martin

Plates_explode

Datum

Skapad av

Ritningsnr

MaterialGodkänd av Ersätter Ersatt av

2021-04-19

Skala

M.A

Ämne/ Dimension

MF130X

Detaljnr Antal Benämning Material Anmärkning

Part number part name

1 Base Plate

2 Aluminium Plate

3 Alignment Bushing

4 Centering Piece

5 Cup Holder

6 Plexi Top

7 Centering Socket

1

2

3

4

5

6

7

43

44

45

46

Martin

Shell explanatory

Datum

Skapad av

Ritningsnr

MaterialGodkänd av Ersätter Ersatt av

2021-04-15

Skala

M.A

Ämne/ Dimension

MF130X

Detaljnr Antal Benämning Material Anmärkning

1

2

Parts

1 Top shell

2 Shell

47

48

49

50

51

BILAGA B: MATLABKOD

52

BILIGA C: ANSYS SIMULERING

53

Bilaga D: Elschema

54

55