Tobacco burn simulation/cs

=Zadání= Název simulace: Spalování tabáku v dýmce

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

Autor: Daniel Šrám, srad01

Typ modelu: Systémová dynamika

Modelovací nástroj: VensimPLE

=Definice problému= 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 závislosti 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.



=Výsledky=

Pro nalezení extrémních hodnot modelu byla simulace započata ve stabilní fázi, která má vstupní proměnné nastaveny tak, jak je v našich podmínkách nejběžnější (v našich podnebních podmínkách a s ohledem na trhem nabízené tabáky). Konkrétní nastavení výchozích hodnot lze vidět na následujícím vyobrazení:



Faktor vlhkosti tabáku
Někdy se stane, že tabáková dóza špatně těsní nebo uživatel na zakoupený tabák jednoduše zapomene, a tabák vyschne. Simulace odhaluje, že i velmi suchý tabák lze kouřit bez poškození dýmky příliš vysokou teplotou. Suchost tabáku ale musíme kompenovat sníženou rychlostí kouření. Následující graf ukazuje teplotu v hlavičce dýmky při použití tabáku o vlhkosti 5% MBW a rychlosti kouření sedmi potahů za minutu. Při rychlejším kouření již žár v dýmce dosahuje kritických pěti set stupňů Celsia, při kterých může dojít k poškození dřeva dýmky. Ideální rychlost kouření pro suchý tabák s polovičním podílem Burley je tedy sedm potahů za minutu.



Kouření tabáku s většinovým podílem Virginie
Jelikož tabák Virginia velice rychle hoří, musíme při jeho skladování dbát na vlhkost a při kouření na teplotu dýmky. Například při použití tabákové směsi s pouze s 15% procenty tabáku Burley a jinak nezměněných podmínek je hoření tabáku velmi těžko ovladatelné a pro uživatele dýmky nepříjemné. Simulace ukazuje, že při kouření virginských tabáků je potřeba velmi zpomalit rychlost kouření (a to klidně až na 7 potahů za minutu) a pečlivě tabák přidusávat. I při těchto opatření je ale nutno být napozoru pro přehřívání dýmky. Aby toho nebylo málo, při většině simulací s takovými podmínkami dýmka alespoň jednou vyhasne. To pouze potvrzuje chování virginských směsí, které jsou například pro účely cigaret obohacovány o stovky chemických přísad, které udržují jejich vlhkost a při kouření zamezují vyhasnutí. Dýmkové tabáky jsou ale bez přidaných aditiv a proto je kouření virginií jen pro ty nejostřílenější dýmkaře.

Kouření tabáku s většinovým podílem Burley
Opakem k předchozímu příkladu je kouření Burley, jenž podle očekávání vykazuje známky příjemného kouření. To je ovšem vykoupené větším objemem močky v útrubách dýmky, což při kouření může znamenat stížené potahování z dýmky doprovázený bublavým zvukem a při extrémních případech a nepoužití filtru může dokonce kondenzát proniknout náústkem až do úst uživatele. Se vznikem kondenzátu ovšem lze účinně bojovat pomocí vlhkosti použitého tabáku a záleží především na preferenci kuřáka, jak chce mít tabák vlhký. Vlhčí tabák bude pravděpodobně produkovat příjemnější kouř s větším obsahem aromatických látek, na druhou stranu bude také produkovat více močky. Rychlost kouření lze v případě Burley tabáku zvolit víceméně preferovanou a drobnější odchylky v teplotě dýmky lze eliminovat správným dusáním. Optimální rychlost kouření pro tabákové směsi s většinovým podílem Burley tedy nelze jednoznačně určit. Díky dobrým vlastnostem zmíněného typu pochutiny lze téměř libovolnou rozumnou rychlost kouření kompenzovat četností dusání tabáku. Faktem ale zůstává vznik močky, jenž je přirozenou součástí Burley, a její vznik je závislý na vlhkosti použitého tabáku. Následující graf ukazuje postupné hromadění močky v útrobách dýmky při použití směsi s 90% obsahem Burley.



Vlhké aromatizované tabáky
V Praze existují dva (alespoň podle empirického výzkumu, jenž proběhl společně s touto prací) obchody s širokým výběrem tabáků, které se liší způsobem zpracování, podílem Burley, balením a původem. Pokud ale člověk navštíví průměrnou trafiku, která nabízí alespoň nějaké dýmkové tabáky, nalezne pouze tabáky balené v plastovém vaku, které jsou silně aromatizované. Aromatické látky jsou spjaty s vlhkým Burley a obsahují jej kolem padesáti procent. Vzhledem k rozšíření těchto tabáků, jenž jsou většinou původem z Dánska a Německa, proběhla simulace i pro tuto sortu tabáku. Při simulaci s 60% Burley a tabákovou směsí o vlhkosti 20% MBW je díky pomalu hořícímu tabáku a zvýšené vlhkosti možné z dýmky potáhnout až 33x za minutu. Ani při takto frekventovaném rozžhavování dýmky teplota nepřesáhné kritických pěti set stupňů a dýmce by nemělo hrozit nebezpečí. Produkce močky je samozřejmě vyšší, ale část vlhkosti pohltí sušší Virginia tabák, jehož je ve směsi stále 40%. Ideální rychlost kouření pro vlhké aromatizované tabáky je až 33 potahů za minutu. Tento typ tabáku je vhodný pro začínající kuřáky dýmky, kteří se s dynamikou celého procesu teprve seznamují.

=Závěr=

Simulace je funkční a stabilizovaná pro běžně prodávané tabákové směsi. Simulace pomocí systémové dynamiky odhalila ideální rychlosti kouření pro různé poměry Burley a Virginie. Dále nastínila i chování dýmky při použití směsi s extrémními poměry jednoho či druhého typu tabáku. Ani jeden ze zmíněných extrémů ovšem nevykazuje 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 důležitosti jednotlivých faktorů, které se podílejí na procesu spalování tabáku. Simulace by šla dále rozšířit o další typy tabáků, například o tabáky anglické nebo orientální. Popřípadě by bylo možné simulaci upravit pro jiný typ dýmky, to by mohly být například dýmky z mořské pěny, keramiky, kovu nebo jiných dřev, než-li je nejběžněji používaný vřesovec.

=Zajímavosti=
 * Americký lékař Luther L. Terry v roce 1964 zveřejnil studii, jenž statisticky dokazovala, že kuřáci dýmky žijí v průměru o tři roky déle.
 * Modernější studie dokazují, že kuřaci dýmky, kteří vykouří v průměru 2 dýmky za dva až tři dny, a kteří navíc kouř neinhalují, mají pouze o 5% častější výskyt rakoviny plic ve srovnání s nekuřáky.

=Soubory ke stažení=

Casual loop diagram:

Stock and flow diagram:

=Reference=