ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ПОЛУЗАМКНУТОГО ЦИКЛА

Аппараты с полузамкнутой схемой дыхания имеют более простое устройство, так как работают на готовых газовых смесях и не имеют сложных электронных устройств для регулирования их состава.

Принцип их работы заключается в том, что газовая смесь непрерывно подается в систему дыхания, а образующийся ее избыток периодически травящий клапан стравливает в воду.

Схема циркуляции газовой смеси в аппаратах этого типа аналогична замкнутой схеме дыхания. Здесь газовая смесь также поступает на вдох из дыхательного мешка по трубке вдоха через клапанную коробку, выдыхаемая же смесь снова через клапанную коробку по трубке выдоха направляется в регенеративную коробку, из которой после очистки от углекислого газа и влаги она снова возвращается в дыхательный мешок.

По запасам газовой смеси аппараты этого типа не могут использоваться для спусков с поверхности на глубины более 100 м. В случаях глубоководных спусков их применяют для выходов водолазов из водолазного колокола или подводного аппарата.

Дыхательный аппарат FGG III фирмы «Дрегер» (ФРГ) является автономным аппаратом с полузамкнутой схемой дыхания для спусков на глубины до 200 м. Особенностью аппарата является возможность присоединения шланга для подачи газовой смеси от внешнего источника, т. е. превращение его в шланговый. Масса аппарата составляет около 28 кг в заряженном состоянии.

В зависимости от глубины спуска предусматривается использование трех газовых смесей, которыми предварительно заряжаются газовые баллоны и которые в соответствующих дозах подаются в систему аппарата. Данные по составу смесей, дозах подачи и допустимого времени пребывания на глубине приведены в табл. 3.1. Приведенные в таблице величины подачи газовой смеси даны в пересчете на нормальное давление.

Схема аппарата (рис. 8) предусматривает постоянную непрерывную подачу газовой смеси в систему дыхания, для чего аппарат имеет три дюзы, нужная из которых включается перед спуском.

Газовая смесь, находящаяся в баллонах, подается в редуктор, который снижает ее давление до постоянной величины, и из него – к дозирующему блоку. В этом блоке смесь проходит через одну из открытых дюз в дыхательный мешок вдоха, в котором, как и в других аппаратах, благодаря его эластичности, поддерживается давление, равное давлению окружающей среды.

При недостатке поступления смеси в мешок, например, при погружении, ее добавляют водолазам ручным байпасом. Газовую смесь от внешнего источника подают также в мешок вдоха по присоединенному к нему шлангу.

Цикл циркуляции смеси при дыхании обусловливается наличием двух дыхательных мешков: при вдохе смесь поступает по трубке вдоха через клапанную коробку и загубник в легкие водолаза, а при выдохе – также через загубник и клапанную коробку по трубке выдоха в дыхательный мешок выдоха, из которого через коробку ХПИ, где она очищается от углекислого газа и влаги, попадает в мешок вдоха.

Рис. 8. Схема дыхательного аппарата FCU III.1 – трубка вдоха; 2 – клапанная коробка с загубником; 3 – трубка выдоха; 4 – мешок выдоха; 5 – травящий клапан; 6 – коробка поглотителя; 7 – контрольный манометр; в – баллоны; 9— клапан постоянной подачи; 10 – редуктор; 11 – невозвратный клапан: 12— шланг подачи газа: 13— мешок вдоха.

Избыток газовой смеси, который накапливается из-за ее непрерывной подачи в систему дыхания, вытравливается травящим клапаном в воду. Точно так же происходит вытравливание смеси при её расширении, что бывает при подъеме водолаза на меньшую глубину.

Устройство аппарата (рис. 9). Все части аппарата, за исключением клапанной коробки с дыхательными трубками и манометра, размещены в корпусе, который представляет собой жесткий пластмассовый (полистирол, усиленный фиброгласом) футляр.

Рис. 9. Автономный дыхательный аппарат FGG III: 1 – трубка вдоха: 2 – клапанная коробка с загубником; 3 – трубка выдоха; 4 – травящий клапан; 5 – мешок выдоха; б – коробка химпоглотителя; 7 и 12 – газовые баллоны: 8 и 10 – запорные вентили; 9 – клапанное устройство; 11 – манометр; 13 – плечевой ремень; 14 – мешок вдоха; I5 – крышка.

Дыхательный аппарат МК-6 фирмы «Дженерал электрик» (США) предназначен для спусков с поверхности на глубины до 75 м, при этом для прохождения декомпрессии к нему может присоединяться дополнительный кислородный баллон.

Схема дыхания в аппарате предусматривает постоянную подачу газовой смеси, состав которой устанавливается при зарядке в зависимости от глубины спуска, из баллонов через редуктор и дюзу, регулирующую количество газа, в систему дыхания (см. табл.). Последняя обычна для автономных аппаратов и включает два дыхательных мешка, коробку поглотителя и клапанную коробку с дыхательными трубками.

Избыток газовой смеси вытравливается в воду травящим клапаном, установленным на мешке выдоха. При недостатке газовой смеси, например, при увеличении глубины погружения, ее может добавлять водолаз, для чего в аппарате установлен ручной байпас, перепускающий газовую смесь в обход дозирующей дюзы.

Таблица.

Устройство аппарата (рис.10) отличается тем, что дыхательные мешки располагают на груди водолаза, а остальные части – на спине, смонтированными на раме. Основные части аппарата: газовые баллоны, блок дозировки, дыхательные мешки, коробка поглотителя и клапанная коробка с дыхательными трубками.

Газовые баллоны сделаны из алюминиевого сплава емкостью по 6 л с рабочим давлением 20,59 МПа (210 кгс/см²).

Рис. 10. Устройство аппарата МК-6

Рис. 10. Устройство аппарата МК-6.

1 – пряжки; 2 – мешок вдоха; 7 – клапанная коробка; 4 – загубник; 5 – трубка вдоха: 6 – соединительная трубка; 7 – запорный вентиль; 8 – тройник; 9 – редуктор; 10 – блок дозировки; 11 – трубка подачки газа; 12 – коробка поглотителя; 13 – газовые баллоны; 14 – панель; 15 и 17 – кольца: 16 – ремни; 18 – соединительная трубка выдоха; 19 – травящий клапан; 20 – трубка выдоха; 21- мешок выдоха; 22 – подкладка; 23- застежка типа «молния»; 24 – спускная пробка.

Баллоны соединены трубками с общим запорным вентилем, имеющим штуцер для присоединения зарядной трубки. Запорный вентиль соединен с редуктором, снижающим давление газовой смеси, поступающей из баллонов, до постоянной величины. Газовая смесь из редуктора поступает в блок дозировки.

Перед спуском редуктор регулируется так, чтобы давление подаваемой им газовой смеси соответствовало требуемой подаче через блок дозировки. Для подачи 8 л/мин газовой смеси постоянное давление должно быть 0,549 МПа (5,6 кгс/см²), подачи 12 л/мин – 0,961 МПа (9,8 кгс/см²) и подачи 21 л/мин – 1,236 МПа (12,6 кгс/см²).

Блок дозировки имеет три дюзы с сетчатым фильтром. В зависимости от потребности может подаваться 8, 12 или 21 л/мин газовой смеси в зависимости от ее давления в редукторе. Водолаз может подавать газовую смесь ручным пускателем.

Дыхательные мешки, сделанные из эластичной резины, имеют емкость около 4 л каждый. Мешки крепят к нагрудной подкладке шестью поворачивающимися застежками каждый. Каждый из мешков имеет по два присоединительных штуцера, с дыхательными трубками и трубками, соединяющими их с коробкой поглотителя. На мешке выдоха, кроме того, установлен травящий клапан, вытравливающий в воду излишки газовой смеси.

Коробка поглотителя имеет сверху два штуцера для присоединения дыхательных трубок, а снизу крышку, крепящуюся четырьмя барашками. Внутрь коробки вставляют патрон, содержащий около 2 кг поглотителя углекислого газа. Патрон поджимается пружиной к внутренней части штуцера выхода очищенной газовой смеси. Выдыхаемая водолазом газовая смесь попадает в зазор между корпусом коробки и патроном, затем, проходя через патрон снизу вверх, очищается от углекислого газа.

В России в 2006 г. также был создан дыхательный аппарат ДА-21 полузамкнутого/ замкнутого цикла (рис. 11).

Рис. 11. Внешний вид ДА-21 (без крышки).1 и 2 – газовые баллоны, 3 – коробка с химпоглотителем СО2;4 – дыхательный мешок.

Он содержит два баллона с 60% кислородно-азотной смесью (называемой на западе нитрокс), под давлением 300 кгс/см² и дыхательный мешок объёмом 8 л, что обеспечивает возможность плавания водолаза на глубине до 20 м в течение 4-х часов при полузамкнутом цикле дыхания, и кратковременные погружения на глубину до 40 м. Сопротивление дыханию в этом случае не превышает 50 мм вод. столба.

При переходе на замкнутый цикл дыхания в баллоны заряжают чистый кислород. Но сопротивление дыханию при этом возрастает до 100 мм вод. столба, время пребывания водолаза под водой увеличивается до 6 ч, а глубина погружения снижается до 8 -10 м.

Возможен переход на замкнутый цикл дыхания и при 60% кислородно-азотной смеси, но при этом парциальное давление кислорода в дыхательном мешке будет постепенно падать из—за того, что водолаз потребляет чистый кислород, а взамен из баллона подаётся смесь кислорода с азотом. Поэтому содержание азота в дыхательном мешке будет постепенно нарастать (ведь он не расходуется). Чтобы предупредить кислородное голодание (снижение парциального давления кислорода до 16 – 17%) и потерю водолазом сознания при всплытии, следует периодически производить трёхкратную промывку дыхательного аппарата (трижды выдыхать смесь в воду через клапанную коробку, включив её на атмосферу). При этом уменьшающийся объём смеси в дыхательном мешке будет пополняться из баллонов и содержание кислорода увеличится.

Автором книги была разработана и запатентована другая конструкция дыхательного аппарата замкнутого/ полузамкнутого цикла, которая не имеет указанных выше недостатков (рис. 12)..

Задача решается путём раздельного баллонного хранения компонентов дыхательной смеси – кислорода и азота (в отличие от существующих ИДА полузамкнутого типа), введения в конструкцию аппарата специального дозирующего клапана по азоту, и корректора кислорода.

Рис. 12. Принципиальная схема перспективного дыхательного аппарата замкнутого/ полузамкнутого цикла.

ИДА (фиг. 1) состоит из: баллона с кислородом 1; баллона с азотом 2; запорного вентиля кислорода 3; запорного вентиля азота 4; редуктора кислорода 5; редуктора азота 6; калиброванной дюзы для подачи кислорода 7; дозирующего клапана подачи азота 8; гибких дюритовых шлангов для подачи кислорода 9 и подачи азота 10 в дыхательный мешок водолаза; дыхательного мешка 11; коробки с веществом ХПИ 12; клапанной коробки 13 с клапаном вдоха, трубки вдоха 14 и трубки выдоха 15; полумаски 16; травящего клапана 17; дыхательного автомата 18, автоматического корректора кислорода 19, клапана выдоха 20.

Дозирующий клапан (фиг. 2) состоит из: корпуса 21, герметичной камеры постоянного давления 22, диафрагмы 23, пружины 24, иглы 25, сальника 26, дюзы 27, входного штуцера 28 и выходного штуцера 29.

Работает аппарат следующим образом.

На глубинах до 10 м в дыхательный мешок водолаза подаётся чистый кислород. В мешок он поступает из баллона 1 через вентиль 3, редуктор 5 и калиброванную дюзу 7. Дюза 7 ограничивает подачу кислорода исходя из его потребления водолазом при минимальной физической нагрузке (объём вентиляции лёгких 20 – 25 л/мин).

Далее, из мешка 11, через трубку вдоха 14 и клапанную коробку 13, кислород поступает в полумаску 16 и в лёгкие водолаза. Оттуда, через трубку выдоха 15 и клапан выдоха 20, часть кислорода и образовавшийся в лёгких углекислый газ поступают в коробку 12 с поглотителем двуокиси углерода – веществом ХПИ. После поглощения углекислоты оставшийся кислород снова поступает в дыхательный мешок водолаза, где пополняется новой порцией кислорода, поступающего из кислородного баллона 1. Трубопровод подачи азота в дыхательный мешок водолаза на глубинах до 10 м перекрыт дозирующим клапанном 8. Работает клапан следующим образом.

На глубинах до 10 м давление воды на диафрагму 23 не достаточно, чтобы преодолеть усилие пружины 24 и игла 25 запирает дюзу 27. При погружении водолаза на глубину свыше 10 м, наружное давление преодолевает сопротивление пружины 24, диафрагма 23 прогибается в сторону камеры постоянного давления 22, игла 25 приоткрывает дюзу 27 и азот из баллона 2, через вентиль 4 и редуктор 6, входной штуцер 28, дюзу 27 поступает в выходной штуцер 29 и далее в дыхательный мешок 11.

Подача азота в мешок дозируется в зависимости от глубины погружения. Чем больше глубина, тем больше открыт клапан. Заводская регулировка клапана должна обеспечивать поддержание в дыхательном мешке водолаза:

– 60% содержание кислорода на глубине 20 м;

– 40% содержание кислорода на глубине 40 м;

– 30% содержание кислорода на глубине 60 м;

с погрешностью +3%, при минимальной физической нагрузке (объём лёгочной вентиляции 20 – 25 л/мин.).

В результате исчезает опасность кислородного отравления водолаза.

При подъёме с 60 м на поверхность, клапан 8 сперва уменьшает подачу азота, а на глубине 10 м полностью закрывается. Водолаз переходит на дыхание чистым кислородом, что сокращает время декомпрессии.

Если погружение водолаза происходит достаточно быстро (со скоростью 0,3 м/с и более) то дыхательный мешок 11 не успевает наполняться кислородно-азотной смесью и обжимается. Это приводит к увеличению сопротивления дыханию. Поэтому в мешке установлен дыхательный автомат 18, подсоединённый к трубопроводу азота. Если разряжение в мешке превысило допустимый порог, автоматически открывается клапан подачи азота и мешок наполняется газом. Количество кислорода в нём падает, что делает безопасным дальнейшее погружение.

При всплытии дыхательный мешок водолаза раздувается, и травящий клапан 17 выпускает излишнюю газовую смесь. Постепенно она заменяется на новую, с повышенным содержанием кислорода.

В случае повышения физической нагрузки водолаза, объём его лёгочной вентиляции возрастает и может достигнуть 100 – 120 л/мин. Потребление кислорода также возрастает в несколько раз. Дюза 7 уже не сможет обеспечить заданный состав дыхательной смеси в дыхательном мешке и парциальное давление кислорода в нём начнёт падать. В конечном итоге это может привести к кислородному голоданию и потери сознания водолазом при всплытии с глубины на поверхность.

Чтобы избежать этого, в аппарате установлен автоматический корректор кислорода 19. Это дыхательный автомат аналогичный по конструкции дыхательному автомату акваланга с той лишь разницей, что установлен он в нише трубки выдоха, перед клапаном выдоха 20.

Известно, что с увеличением объёма вентиляции лёгких водолаза, возрастает и сопротивление дыханию. Согласно экспериментальным данным, в ИДА с дыхательным мешком оно может колебаться от 50мм водяного столба при минимальной лёгочной вентиляции, до 200 мм при максимальной лёгочной вентиляции, причём, повышается сопротивление, как при вдохе, так и при выдохе. Это обстоятельство и использовано для автоматической коррекции кислорода. Работает автоматический корректор следующим образом.