Проблемы создания дыхательных аппаратов. Клапанные дыхательные аппараты
Обновлено: 11.05.2024
В 1850 году Бенджамин Лэйн из Массачусетса получил первый известный патент на респиратор со снабжением сжатым воздухом. Его цель состояла в том, чтобы позволить пользователю «входить в здания и судна, заполненные дымом или загрязненным воздухом, а также в коллекторы, шахты, колодцы и другие места, заполненные вредными газами с защитой человека от удушья».
Аппарат Лакура, 1863 год
В 1863 году А. Лакур запатенотовал свое изобретение - улучшенный дыхательный аппарат. Аппарат состоял из воздухонепроницаемой сумки, сделанной из двух листов холста, разделенных подкладкой из каучука. Устройство носилось на спине пожарного и фиксировалось двумя лямками и поясом вокруг талии. Сумка была заполнена чистым воздухом, подаваемым с помощью мехов. Размер варьировался для времени от 10 до 30 минут без доступа воздуха.
От верхней части сумки две каучуковых трубы были присоединены к мундштуку, который зажимался зубами. Когда сумка заполнялась, в мундштук устанавливали пробки, когда пожарный входил в задымленное помещение, пробки удалялись. В комплекте шла пара очков для защиты глаз, зажим для носа и свисток, при нажатии на который подавался сигнал. Испытания, проведенные различными департаментами пожарной охраны, включая Нью-Йорк и Бруклин, и даже американский флот, доказали, что устройство было вполне работоспособным.
Реклама аппарата Лакура, 1863 год
Аппарат Флейса, 1878 год
Известный главным образом как производитель оборудования для подводных работ на большой части его ранней истории, компания Siebe Gorman Co, Ltd. в Англии также стала известным производителем дыхательных аппаратов для наземных работ. Первый из них, разработанный Генри Флейсом в 1870-ых, состоял из маски, выполненной из прорезиненной ткани и закрывающей все лицо, дыхательного мешка, связанного с маской с помощью шлангов, а также медного кислородного цилиндра. Также в конструкцию был включен абсорбент углекислого газа, наполненный волокнами, пропитанными едким калием, что позволяло использовать выдыхаемый воздух несколько раз. Аппарат Флейса доказал свои преимущества во время серии операций по спасению шахтеров, проведенных в Англии, начиная с 1880 года.
Компания Siebe Gorman и главные проектировщики Флейс и Роберт Дэвис оказали большое и продолжительное влияние на дизайн респираторов. Защитные маски их производства служили прототипом для создания противогазов во время Первой Мировой Войны.
Защитник от дыма Vajen Bader, 1886 год
Фирма Vajen Bader производила дыхательное оборудование для пожарных начиная со своего основания в 1881 года. «Защитник от дыма Vajen-Bader» в 1890-ых и в начале 1900-ых закрывал голову пожарного от окружающей среды и подавал воздух от баллона со сжатым воздухом, закрепленного на задней части шлема. Шлем защищал от высокой температуры, отравляющих веществ и дыма.
Кроме того, в верхней части шлема располагалась специальная подушка, которая защищала голову пожарного от падающий обломков. Шлем был оборудован свистком, для подачи звукового сигнала. Визоры были выполнены из толстого стекла или слюды, при этом они защищались специальными решетками и оснащались стеклоочистителем, который приводился в действие поворотом специальной ручки. Пластины, расположенные напротив ушей, производили усиление звука, таким образом, слышимость в шлеме была даже лучше чем без него.
Различные конструкции “Защитника пожарного” Vajen Bader
Дымовой шлем Vajen Bader, конец 19 века
Аппарат Драгера, 1903 год
Аппарат, разработанный в 1903 году компанией Dräger в Германии, действовал способом, похожим на отдельные устройства компании Siebe Gorman. Продукция компании, дыхательные аппараты и другое оборудование для обеспечения безопасности стала столь популярной в горноспасательном бизнесе, что слово “draegerman” в конечном счете стало синонимом для подземного спасателя (Третий Новый Международный Словарь Вебстера). Компания, которая существует и сегодня, утверждает, что произвела два миллиона защитных масок для немецких вооруженных сил во время Первой Мировой Войны.
ГЛАВА I. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
ГЛАВА II. ПРИНЦИП РАБОТЫ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ. ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ.
ВВЕДЕНИЕ
В современной жизни, на производстве и в быту возможно возникновение чрезвычайных ситуаций, сопровождающихся образованием вредной или непригодной для дыхания атмосферы. В этом случае основным способом для обеспечения жизнедеятельности человека является применение средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД).
Эффективное тушение пожаров и проведение спасательных в задымленном здании или помещении невозможно без средств защиты органов дыхания пожарных и спасаемых. Продолжительное время в качестве такого средства защиты губка, смоченная уксусом или водой. Губка способствовала охлаждению раскаленного на пожаре воздуха и выполняла функции фильтра продуктов сгорания. В то же время она была бессильна против образующихся при горении отравляющих газов и совсем не защищал глаза, что делало ее бесполезной даже при кратковременной работе на пожаре.
Цель работы - рассмотреть исторический аспект развития дыхательных аппаратов и их практическую значимость в настоящее время.
ГЛАВА I. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Поиски новых средств защиты дыхания привели к созданию в Австро-Венгрии противодымной маски, состоящей из очков и респиратора. Перед наружным отверстием для поступления воздуха в органы дыхания имелась проволочная решетка, в которую помещалась губка, смоченная уксусом или водой. Эти аппарата получили широкое распространение.
В 1876 году инженер Б.Леба предложил соединить поля , изготавливаемой из прочного материала, с жестяной маской, очками и двойным респиратором. Респиратор изготавливался из двух горизонтальных трубок, наполненных чередующимися слоями пропитанной глицерином ваты и кусочками обожженного угля. Возле выходного отверстия респиратора, рядом с дыхательными путями пожарного, находилась губка, смоченная в ароматическом растворе уксуса.
К середине XIX века с развитием морского дела, и, в частности, подводного судостроения, в мировой практике был накоплен значительный опыт в производстве водолазного снаряжения. Для подачи воздуха внутрь водолазного шлема моряки применяли нагнетательный насос и воздушные трубки. Этот же принцип был использован и в пожарном деле. Первый такой аппарат системы "Бремен", получивший название "пожарная маска", внешне напоминал водолазный шлем.
Это изобретение намного превосходило противодымные маски. Однако работать с ними было нелегко. Вес тяжелого шлема, ограниченное поле зрения очков маски, незначительная длина (около 11 м), опасность повреждения воздушной трубки, сам подаваемый воздух, нагревающийся от высокой температуры внутри горящего здания, не позволяли эффективно выполнять функции по тушению пожара.
Для устранения этих недостатков инженером Г. Клеман из Гамбурга был предложен распирационный аппарат, в котором применялась циркуляция подаваемого воздуха внутри шлема, что обеспечивало охлаждение головы пожарного. Главным достоинством аппарата стало разделение воздухопроводного шланга на спине пожарного на два рукава, сходящихся в мундштуке маски. Сами трубки для подачи воздуха были изготовлены из материала, не лопающегося на изгибах. Предусматривался и звуковой прибор, издававший сигнал при перегибе шланга или прекращении подачи воздуха.
В конце 19 века наиболее совершенным считался аппарат «Магирус-1» с нагнетательным насосом. В нем очковые стекла были заменены одним стеклом, а вместо переговорного устройства придавался ручной фонарь. Во многих немецких и бельгийских пожарных командах применялся аппарат «Штуда», в котором подаваемый насосом воздух использовался для охлаждения головы.
Широкой известностью пользовалась маска «Кенига» - машиниста пожарной команды из г. Альтона (Англия). В качестве нагнетательного насоса он применил воздухонадувной мех, а для выпуска отработанного воздуха служил специальный клапан. С помощью этой маски обеспечивалась связь с наружной службой, так как у обоих сторон имелись переговорные трубки, соединенные с трубкой для подачи воздуха. В состав аппарата «Кенига» входил также ороситель, закрепленный в верхней части маски. Создаваемая оросителем водяная завеса позволяла защитить пожарного от воздействия высокой температуры и ближе подойти к очагу пожара. Питание оросителя осуществлялось от напорного рукава через особое разветвление, имевшее запорный кран. Как отмечали специалисты, главным недостатком маски «Кенига» являлось наличии рукава для подачи воздуха, что связывало действия пожарного. Однако снабжение воздухом обеспечивалось на все время работы, чего не было в других приборах.
Однако, практика показала очевидную неуклюжесть аппаратов данной конструкции и необходимость разработки автономных аппаратов.
Еще в 1853 г. профессор Шванн из Гамбурга предложил конструкцию дыхательного аппарата с замкнутым циклом. В его состав входило два баллона со сжатым до 5 атм кислородом и один баллон с известью и содой, в котором осуществлялась регенерация выдыхаемого воздуха. Эта идея оказалась плодотворной и на ее основе вскоре появляется целый ряд аппаратов, отличающихся лишь способами восстановления выдыхаемого воздуха (например англичанин Элейс в 1879 г. использовал для этих целей только соду). Новые аппараты с замкнутым циклом весили свыше 15 кг, что являлось существенным недостатком в их применении.
В конце 19 века ряд специалистов практически одновременно добивается значительных улучшений в конструкции подобных аппаратов и снижении их веса.
В одной из первых таких конструкций системы « Ванц» сжатый до 120 атм воздух или кислород подавались в шлем пожарного из стального баллона, носимого за спиной или за поясом. Емкость баллона составляло 0,5 л. Однако выдыхаемый воздух удалялся через закрытое холстом отверстие, что не обеспечивало герметичности шлема от продуктов сгорания.
Проблема выпускаемого клапана респиратора была успешно решена инженером из Санкт-Петербурга Э.Гольцгауер, который создает в 1893 г.оду универсальный респиратор. На это техническое решение автору патентным ведомством России была выдана охранная грамота- привилегия.
Респиратор Гольцгауера представлял собой воронкообразный колпак, надеваемый на голову. Воздух внутрь колпака подавался через слой губки, уложенной в верхней части респиратора. На его боковой стенке имелся цилиндрический выступ- тубулис, оканчивавшийся выпускаемым клапаном. В состав клапана входила тонкая металлическая пластина и колпачок с множеством мелкий отверстий . При входе клапан плотно прижимался к отверстию тубулиса и закрывал его. При выходе тонкая металлическая пластина перемещалась, и воздух через мелкие отверстия выходил наружу.
Другим конструктивным решением автономного дыхательного аппарата, стало создание профессором Г. Гертнерт из Вены в 1895 г. дыхательного мешка «Пнеймотор», внутри которого имелись баллон со сжатым до 100 атм кислородом и банка со щелочью. При работе с таким аппаратом дыхательный мешок наполнялся кислородом и подводился через трубку к органам дыхания, а внутренняя поверхность мешка пропитывалась щелочью.
А.Майер и Е.Пиллар разработали аналогичные аппараты. Весили они около 8 кг., что обеспечивало им широкое распространение.
В 1896 г. Р. Риттер и Г. Гертнерт и Т. Бенд из Вены создают аппарат, в котором для проведения пожарно-спасательных рабом использовались один и тот же запас кислорода. С этого же года пожарные команды г. Базеля стали использовать новый дыхательный прибор Р. Горнера, состоящий из баллона емкостью 5 л, наполненный сжатым кислородом, лицевой маски и соединительного рукава. В верхней части баллона имелся редукционный клапан, обеспечивающий поступление в маску кислорода под давлением 0,3-0,4 атм. Вывод продуктов дыхания наружу осуществлялся с помощью специального клапана. Используя аппарат, пожарные могли находиться в дыму до 10 минут. Весил дыхательный аппарат Горнера 12 кг.
Брандмейстер Гире из Берлина в 1899 г. создает аппарат, состоящий из дыхательного мешка, укрепляемого на груди, и баллона с кислородом, соединенного с мешком. Восстановление выдыхаемого воздуха осуществлялось в особом устройстве, содержащем известь. Закреплялось оно на спине пожарного. Конструкция прибора оказалась удачной и в 1901 г. фирма «Дрегер» из г. Любека, специализировавшаяся на изготовление дыхательных аппаратов, приступила к его массовому производству.
В последующие годы аппарат претерпел значительные изменения. Модифицированный аппарат обеспечивал автономную работу в течении 30 мин. В состав аппарата входил баллон с кислородом, очистительный патрон с калием и резиновый мешок с трубкой
Особый класс дыхательных аппаратов составляли устройства, в которых кислород получался непосредственно в аппарате в результате химических реакция. Приоритет из создания принадлежал профессору Венской технической школы Бамбергеру и доктору Беку. В 1904 г. они создали аппарат, принцип работы которого был основан на взаимодействии окиси калия и натрия с водяными парами. Пари этом выделялся кислород, а образующийся в результате едкий калий или натрий использовался для поглощения углекислоты.
В 1894 г. немецкий ученый К. Линде впервые получает в промышленном масштабе жидкий воздух. Одними из первых это достижение по достоинству оценили специалисты, занимающиеся разработкой дыхательных аппаратов. Г. Суес и В. Новитский из Остравы разработали аппарат., состоящий из емкости на 5 л жидкого ( или 4 тыс. л газообразного) воздуха, дыхательного мешка, размещаемого за плечами, и лицевой маски со шлангом.
Новые аппараты отличались от известных тем, что при испарении жидкого воздуха поглощалось тепло, а это, в свою очередь, предохраняло от воздействия высокой температуры в зоне пожара. В первое время их массовому использованию препятствовало малое количество установок для получения жидкого воздуха.
Парижский профессор Л. Клауд вместо жидкого воздуха применил в дыхательных аппаратах жидкий кислород. Последний помешался в металлическом баллоне, носимом пожарным. В комплект дыхательного аппарата входило специальное устройство, с помощью которого сжатый кислород обращался в жидкий. Это способствовало широкому распространению данного аппарата.
Наличие манометра отличало дымовую маску системы «Гирсберга» (Германия) от других. Маска «Гирсберга» была автономного типа, в которой выдыхаемый воздух очищался от углекислоты в специальной емкости, находящийся за спиной пожарного, затем разбавлялся кислородом и вновь поступал при вдыхании.
В начале 20 века известность получил дыхательный аппарат «Нейперта». Он содержал герметичный колпак и трубку с предохранительным клапаном, два соединенных между собой баллона со сжатым кислородом ( до 120 атм). Ресурса одного баллона хватало на 35 мин. Работы, а другого, резервного- на 15 мин. Внутрь колпака кислород подавался под давлением 3 атм.
Разработка автономных (изолирующих) дыхательных аппаратов в последующем подтвердила эффективность данного направления обеспечения безопасности пожарных при тушении пожаров и проведении аварийно-спасательных работ.
ГЛАВА II. ПРИНЦИП РАБОТЫ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ. ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ.
Прототипом всех современных кислородных изолирующих противогазов является дыхательный аппарат "Аэрофор" со сжатым кислородом, созданный в 1853 г. в Бельгии в Льежском университете. С того времени многократно менялись тенденции развития КИП и улучшались их технические данные. Однако принципиальная схема аппарата "Аэрофор" сохранилась до настоящего времени.
Применяемые для работы в подразделениях ГПС МЧС России КИП должны соответствовать по своим характеристикам, требованиям предъявляемым к ним в соответствии с Нормами пожарной безопасности (НПБ) "Техника пожарная. Кислородные изолирующие противогазы (респираторы) для пожарных. Общие технические требования и методы испытаний".
Кислородный изолирующий противогаз (далее - аппарат) -регенеративный противогаз, в котором атмосфера создается за счет регенерации выдыхаемого воздуха путем поглощения из него двуокиси углерода и добавления кислорода из имеющегося в противогазе запаса, после чего регенерированный воздух поступает на вдох.
Противогаз должен быть работоспособным в режимах дыхания, характеризующихся выполнением нагрузок: от относительного покоя (легочная вентиляция 12,5 дм3/мин) до очень тяжелой работы (легочная вентиляция 85 дм3/мин) при температуре окружающей среды от -40 до +60°С, а также оставаться работоспособным после пребывания в среде с температурой 200°С в течение 60 с.
В состав противогаза должны входить:
· корпус закрытого типа с подвесной и амортизирующей системой;
· баллон с вентилем;
· редуктор с предохранительным клапаном;
· устройство дополнительной подачи кислорода (байпас);
· манометр со шлангом высокого давления;
· шланги вдоха и выдоха;
· клапаны вдоха и выдоха;
· влагосборник и (или) насос для удаления влаги;
· лицевая часть с переговорным устройством;
· сумка для лицевой части.
В последнее время дыхательные аппараты со сжатым воздухом (ДАСВ) завоевывают все большее признание у работников пожарной охраны. Кислородные изолирующие противогазы, хотя и отличаются надежностью, относительно небольшой массой и значительным условным временем защитного действия, имеют существенные недостатки, которые исключают дальнейшее применение их в качестве основного СИЗОД в пожарной охране.
При передвижении и выполнении различных видов работ такие физиологические показатели человека, как частота сердечных сокращений, легочная вентиляция, частота дыхания, артериальное давление, возрастают. При работе в КИП, кроме того появляется дополнительная нагрузка на организм, вызываемая:
дополнительным сопротивлением дыханию;
дополнительным "мертвым" пространством;
накоплением в тканях и крови, при продолжительной работе кислых продуктов обмена веществ (СО2), раздражающих дыхательный центр и влекущих за собой рост величины легочной вентиляции;
выделение смесей с высокой температурой (+45°С) и относительной влажностью до (100%);
повышение концентрации кислорода.
Средства индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) подразделяются на следующие виды:
кислородно-изолирующие противогазы (респираторы);
дыхательные аппараты со сжатым воздухом;
самоспасатели (изолирующие или фильтрующие);
аппараты (устройства) искусственной вентиляции легких.
Основной отличительной особенностью СИЗОД является способ подачи дыхательной смеси (кислорода, воздуха, газовой смеси) в легкие человека и вывода отработанной ее части.
Так, кислородный изолирующий противогаз (КИП) использует принцип регенерации выдыхаемого воздуха путем поглощения из него двуокиси углерода и добавления кислорода из имеющегося в противогазе запаса, после чего регенерированный воздух поступает на вдох.
Дыхательный аппарат со сжатым воздухом представляет собой аппарат, в котором весь запас воздуха хранится в баллонах в сжатом состоянии. При этом вдох осуществляется из баллонов, а выдох — в атмосферу.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, пожарные и спасатели при ликвидации пожара или аварии на потенциально опасном объекте действуют в условиях непригодной для дыхания воздушной среды. Чтобы обеспечить пожарных и спасателей воздухом или газовой дыхательной смесью, пригодной для дыхания, применяются дыхательные аппараты, которые также защищают органы дыхания, зрения и кожные покровы головы или лица от поражения продуктами горения и опасными химическими веществами. Дыхательные аппараты используются вместе с боевой одеждой пожарных или изолирующими средствами индивидуальной защиты кожи.
Средства индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) - изолирующие технические средства индивидуальной защиты органов дыхания и зрения человека от воздействия непригодной для дыхания среды. Дыхательный аппарат со сжатым воздухом - изолирующий резервуарный аппарат, в котором весь запас воздуха хранится в баллонах в сжатом состоянии. Вдох осуществляется из баллонов, а выдох - в атмосферу.
При ликвидации аварий возможна загазованность окружающего воздуха выше допустимых норм парами и аэрозолями химических веществ. Высокая концентрация продуктов горения на пожаре значительно понижает содержание в воздухе кислорода, а при его концентрации менее 18% по объему возрастает вероятность кислородного голодания человека. Подобные факторы влекут неоправданно высокий риск проведения аварийно-спасательных работ, а при наличии опасных химических веществ делают их просто невозможными. Поэтому в соответствии со спецификой работы необходимо применение средств защиты органов дыхания и зрения. Правильный выбор и организация эффективного применения СИЗОД обеспечивает минимально допустимую вероятность поражения органов дыхания, глаз и кожных покровов головы пожарных и спасателей продуктами горения, опасными химическими и радиоактивными веществами, а также сохранение физических сил для длительной работы у очага пожара.
История создания дыхательного кислородного аппарата
Интерес человека к неизведанным тайнам природы и необходимость в развитии промышленности и других сфер деятельности, заставлял человека находить все новые решения, связанные с продлением (увеличения времени) своего пребывания под водой, в горных выработках, космосе то есть там, где нет возможности дышать, говоря на языке пожарных в непригодной для дыхания среде.
Самыми элементарными средствами защиты органов дыхания до конца 18 столетия служили смоченные тряпки и губки (смачивались водой, содой, уксусом) наложенные на нос и рот, что позволяло хотя бы частично очистить вдыхаемый воздух от избытка СО2 или пыли.
Конечно же, столь примитивный метод был крайне неэффективен при работе на шахтах, горных выработках и т.д. единственное что и по сей день это остается универсальным средством защиты органов дыхания во время самостоятельной эвакуации (при отсутствие других способов защиты) из задымленных помещений.
Анализируя всевозможные источники, касающиеся истории создания аппаратов защиты органов дыхания, можно практически с 100% уверенностью сказать, что первопроходцами в этой сфере были Европейцы, а точнее сказать немцы, французы и др. Первые, наверное потому, что именно там в то время вершилась вся наука.
Первые идеи для обеспечения дыхания горняков были предложены Вильгельмом Генрих Александр фон Гу́мбольдтом в1790. По сути была предложена идея шлангового аппарата с возможностью самостоятельно вдыхать воздух или же нагнетать его с помощью воздушной подушки. Но из-за ряда недостатков, таких как малая мощность, радиус действия и зависимость от внешнего источника, вопрос оставался не решенным.
Дыхательные аппарат Шванна
Первое, действительно дельное предложение сделано в 1853 году, немецким физиологом, профессором Льежского университета Теодором Шванном (1810-1882). Его «дыхательный аппарат Шванна» был первым респиратором с портативным газовым оборудованием и с возможностью генерации кислорода.
Но только благодаря производству стальных цилиндров, разработанных в Германии с 1887 г. компанией «Mannesmann und Krupp» стало возможным производство портативных регенеративных (кислородных) дыхательных аппаратов.
Один из таких образцов (дыхательный аппарат «Pneumatophor») был разработан в 1896 году для работы на шахте «Shamrock».
Дыхательный аппарат Pneumatophor
Дыхательный аппарат Drager модель 1904 года
Прорыв в области разработки дыхательных аппаратов для работы в шахтах дал толчок здоровой рынковой конкуренции (1897-1901) и открыл для мира ряд компаний среди которых необходимо отметить «Dreger» и его ближайшего конкурента «Westfalia».
В 1903 году Бернхард Дрегер представил дыхательный аппарат с щелочным картриджем, который в последствии переделывался («Draeger Модель 1904/09»). Это устройство было одним из первых в мире аварийно-спасательным оборудованием, которые использовали калипатрон. В котором осуществлялось очищение воздуха от избытка углекислого газа и поддерживалось состояния нормального вакуума и давления при фазах дыхания.
1904 году был представлен первый химически-кислородный дыхательный аппарат «Pneumatogen» изобретенный профессором BambergerиBöck в Вене.
Спустя некоторое время в системе дыхательного аппарата начали использовать респираторы (вместо зажимов и очков). Но она столкнулась с трудностями, такими, как уплотнение маски вокруг рта, носа и глаз, а также крепление маски на голове, поддержке устройства.
В 1910 году компания Draeger представила дыхательный аппарат с защитным временем действия один час.
Дыхательный аппарат Drager модель 1915 года
Дыхательный аппарат Drager модель 1918 года
В 1919 году Dräger представило линейку кислородных дыхательных аппаратов з временем защитного действия от одного до трех часов.
Дыхательный аппарат Drager модель 1919 года
Уже в конце 20-х годов дыхательный кислородный аппарат по своим тактико-техническим характеристикам стал соответствовать требованиям условий работы и внешне уже практически не изменялся.
Модели Dräger 1923 года, Auer (защитное время два часа) MR II / 1932 года и другие имели постоянную подачу кислорода от 1,5 до 2,1 л/мин и автоматическую за счет легочного автомата. Вес аппаратов составлял порядка 16,8 кг.
Дыхательный аппарат Drager модель 1923 года
Дыхательный аппарат Auer MR II модель 1932 года
В дальнейшем именно эти дыхательные аппараты на сжатом кислороде послужили прототипами для сегодняшних КИП-8, Р-30, АП «Альфа», Dräger PSS BG 4 Plus и других о которых мы поговорим далее.
И напоследок небольшое видео про первый кислородный дыхательный аппарат.
Дыхательные аппараты закрытого цикла. Ребризеры
Как следует из названия, такие аппараты работают по принципу использования выдыхаемого газа.
Как мы узнали из первой части статьи о дыхательных аппаратах, в процессе дыхания человеческий организм поглощает из дыхательной смеси порядка 4 % кислорода и выделяет в неё 4 % углекислого газа. Значит для того, чтобы использовать смесь для дыхания повторно, нужно извлечь из неё CO2 и добавить O2.
Для извлечения из дыхательной смеси CO2 в аппаратах ЗЦ используются 2 типа поглотителей. Регенеративные и известковые.
Регенеративные поглотители, кроме непосредственно поглощения CO2, в процессе работы ещё и выделяют кислород.
Это вроде и хорошо, но, как говорится в одном анекдоте, есть нюанс. И не один.
Химическая реакция зависит от внешних условий, и повлиять на количество выделяемого кислорода практически невозможно. И если ДА используется при давлении 1 ата, то в этом нет ничего страшного, а вот при внешнем давлении более единицы от избыточного содержания кислорода в дыхательной смеси могут быть проблемы, о чем я рассказывал в третьей части статьи о ДА.
И ещё в регенеративном веществе используется асбест, как средство от спекания активной массы, поскольку при химической реакции:
4KO2 + 2CO2 → 2K2CO3 + 3O2
Ну и дополнительный бонус для водолазов: при заливании дыхательного контура водой происходит вот такая реакция:
H2O + KO2 = KOH + O2.
И реакция эта протекает весьма бурно, с пузырями, шипением и пенообразованием.
Наверное, никому объяснять не нужно, что будет с лёгкими, попади в них едкая щёлочь?
Есть и ещё несколько неприятных моментов при использовании регенеративного поглотителя.
Именно по этим причинам использование регенерации сокращается. МЧС, например, практически отказался от регенеративных аппаратов. Военные ещё используют, но это больше от отсутствия средств на современные ДА.
Известковые поглотители при работе поглощают CO2 без выделения кислорода. Вот так выглядит реакция поглощения ХП-И (химического поглотителя известкового):
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
Причём поглощающее вещество практически не реагирует с водой. Т. е. при заливании водой дыхательного контура ничего страшного не произойдёт.
Остаются вопросы: добавления кислорода в смесь и (для подводных ДА) - выравнивания давления в дыхательном контуре с внешним.
Самый простейший аппарат, замкнутый кислородный ребризер:
При открытии вентиля баллона (10) кислород через редуктор (11) поступает к лёгочному автомату (7) и ручному байпасу (12).
При вдохе кислород через лёгочный автомат поступает в мешок вдоха (6) и шланг вдоха, через невозвратный клапан (3) в клапанную коробку и через загубник (1) - в легкие дайвера.
При выдохе смесь кислорода с углекислым газом через невозвратный клапан (4) и трубку выдоха поступает в канистру, заполненную поглотителем (5), где очищается от углекислого газа и затем попадает опять в дыхательный мешок (6).
Клапанная коробка имеет специальный клапан (2), который позволяет перекрыть поступление смеси в загубник (и воды в дыхательный контур). Это на случай, если водолазу нужно выключиться из контура (вынуть загубник).
Для контроля за давлением кислорода в баллоне к редуктору подключен манометр (13).
При расходовании кислорода из дыхательного мешка недостаток его восполняется при следующем вдохе с помощью лёгочного автомата или ручного байпаса. При всплытии излишек смеси из дыхательного мешка удаляется в воду через травящий клапан (8).
Так как дыхание происходит практически чистым кислородом, то лимитирующим фактором глубины погружения с кислородным ребризером является парциальное давление кислорода.
По этой схеме работает большинство изолирующих противогазов типа КИП-8.
ASCR (active semi-closed rebreather) - полузамкнутый аппарат с активной подачей газа.
Схема работы аппарата идентична кислородному, с той разницей, что добавляется контур постоянной подачи газа через дюзу (7), и в качестве дыхательной смеси выступает КАС (кислородно-азотная смесь) с содержанием кислорода выше, чем в воздухе.
Через этот контур происходит постоянная подача дыхательной смеси из баллона, а её излишек стравливается через травящий клапан (8). При этом надо понимать, что содержание кислорода в дыхательном контуре будет всегда ниже, чем его содержание в смеси, содержащейся в баллоне.
Безопасная глубина погружения в таком аппарате ~40м.
Также надо отметить, что расчёт декомпрессии при использовании ASCR сложен и неточен, из-за практической невозможности расчёта содержания кислорода в дыхательном контуре.
PSCR (passive semi-closed rebreather) - полузамкнутый аппарат с пассивной подачей газа.
Вот так он выглядит:
И схема его работы:
При выдохе газ из клапанной коробки (1) через шланг выдоха (3) поступает в мешок вдоха, состоящий из 2 частей, внутренней (5) и внешней (6). Во внутренний мешок газ поступает через невозвратный клапан (7).
После начала вдоха клапан (7) закрывается, и газ из внутреннего мешка (5) через стравливающий клапан (10) удаляется в воду, а газ из внешнего мешка (6) через канистру с поглотителем (4), шланг вдоха (2) и клапанную коробку (1) подаётся к лёгким водолаза. Поскольку объем внешнего мешка меньше, чем объем лёгких водолаза, сжимающийся мешок вдоха открывает клапан подачи газа (8). И в конце вдоха в лёгкие подаётся газ из баллона через шланг подачи (9), подключенный к камере промежуточного давления в редукторе.
Такая схема работы ДА позволяет, в отличие от аппаратов с постоянной подачей, более точно контролировать содержание кислорода в дыхательном контуре, хотя оно и будет меньше, чем в смеси из баллона. Причём расчёт декомпрессии при использовании этого типа ДА будет весьма близок к алгоритму для ОЦ.
PSCR ребризеры практически не имеют ограничения по глубине применения (в разумных пределах, конечно) за счёт возможности подключать нужный газ к аппарату через изолированные шланги подачи.
Дыхательный мешок (противолёгкие). Виден стравливающий клапан и штуцер для подключения шланга подачи газа.
Здесь хотелось бы заметить, что на ВСЕ декомпрессионные погружения с аппаратами ЗЦ водолазы берут с собой запас газа для того, чтобы при выходе из строя ребризера водолаз мог всплыть, с соблюдением ВСЕХ декопроцедур из ЛЮБОЙ точки намеченного погружения, используя схему дыхания ОЦ. Называют этот запас «бейлаутом».
Так вот, при использовании PSCR рабочий газ для ребризера одновременно является и бейлаутом. Такие аппараты очень любят пещерные дайверы из-за отсутствия электронных компонентов, высокой механической прочности и простоте перерасчёта декомпрессии при переходе на открытый цикл.
Ну и последний, самый «продвинутый» тип аппаратов: ECCR (electronic closed circle rebreather) - аппарат замкнутого цикла с электронным управлением.
В работе аппарат использует 2 газа: кислород и «дилуент» (разбавитель).
Состав дилуента подбирается таким образом, чтобы он подходил для дыхания на максимальной запланированной глубине погружения. При выдохе газ через невозвратный клапан (4) и шланг выдоха попадает в канистру с поглотителем (5). Проходя через канистру, газ очищается от CO2. На выходе из канистры установлены 3 кислородных датчика, измеряющих парциальное давление кислорода (PPO2) в смеси.
На основании показаний датчиков блок электроники (21), впрыскивая через электромагнитный клапан (22) кислород из баллона (14), доводит PPO2 до значения, заданного водолазом.
Три датчика используются для более точного измерения, поскольку сами датчики не очень надёжны.
Система берёт за основу для расчёта среднее арифметическое от двух наименее различающихся показаний, игнорируя третье. Далее газ, очищенный от CO2 и обогащенный кислородом, попадает в дыхательный мешок, откуда при вдохе - через шланг в клапанную коробку и лёгкие водолаза.
Выравнивание давления происходит с помощью лёгочного автомата (7), подключенного к порту промежуточного давления редуктора баллона с дилуентом (9).
Как видно из схемы работы, стравливание смеси будет происходить только при всплытии, т. е. при погружении на 100 метров и объеме дыхательного мешка в 6 литров, расход дорогого дилуента будет всего лишь ~60 литров!
В то время как водолаз, совершающий такое же погружение, используя открытый цикл дыхания, «снюхает» ТЫСЯЧИ литров газа.
Надо ли писать о том, что ECCR является самым экономным (в плане расхода газа) аппаратом?
Однако сложность конструкции, небольшой срок работы и высокая стоимость кислородных датчиков делают использование аппарата не таким экономически выгодным, как может показаться с первого взгляда.
Есть ещё один тип ребризера MCCR (manual closed circle rebreather) - аппарат замкнутого цикла с электронным управлением.
Это некая упрощённая версия ECCR аппарата.
В нём убрана управляющая электроника, и вместо электромагнитного клапана кислород через калиброванную дюзу постоянно подаётся в контур, но в количестве, недостаточном для жизнедеятельности водолаза.
В результате в процессе работы содержание кислорода в дыхательной смеси медленно снижается, и водолаз должен вручную, с помощью байпасного клапана (17) добавлять кислород в смесь, контролируя его содержание по 1 датчику.
Ну и позволю себе рассказать немного об аппаратах, используемых в нашем ВМФ.
ИДА-59М
Выглядит он примерно так:
Аппарат предназначен для выхода из затонувшей подлодки с глубины до 100 метров в составе ИСП-60 (изолирующее снаряжение подводника).
В штатной комплектации аппарат использует 2 баллона с кислородом и КАГС. Поглотитель - регенеративное вещество О3. Баллон с КАГСом (дилуентом) подключается к дыхательному контуру через редуктор и лёгочный автомат, как в обычном кислороднике, а вот кислород подаётся постоянно через дюзу, как в ASCR.
Впрочем, за счёт изолированного редуктора подача кислорода происходит только до глубины 55-65 метров.
Вообще, ИДА-59М может работать до глубины 170 метров. Для этого к нему подключается гелиевый баллон через арматуру ДГБ-1, обеспечивающую подачу чистого гелия в контур на глубинах более 100 метров.
ИДА-71
Предназначен для легководолазных работ на глубинах до 40 м.
Работает либо в виде замкнутого кислородника (до 20 м), либо глубже 20 м, используя входящий в состав аппарата баллон с КАС 40/60 (40 % кислорода), по той же схеме.
Примечательно, что в составе аппарата не одна, а две канистры с поглотителем: одна - с обычным ХП-И, вторая - с регенерацией.
Ну и чтобы два раза не вставать, расскажу об альтернативных конструкциях ДА, для дыхания под водой.
Как я писал в первой части статьи, человеку для функционирования нужен кислород. Необходим он в объеме порядка 1 литра в минуту. Есть два пути получения кислорода из воды.
1. Извлечение растворённого в воде кислорода. Т. е. некое подобие жабр у рыб.
Так вот, в воде (морской) растворено от 4 до 9 миллиграмм кислорода. Несложно подсчитать, что для получения искомого 1 литра, весящего 1,43 грамма, нам потребуется ПОЛНОСТЬЮ извлечь кислород из 200 литров воды. И сделать это нужно за 1 минуту!
Сразу представляем себе размер насоса и источника его питания.
Теперь - через что прокачивать будем?
На самом деле ФИЗИЧЕСКИ существует силиконовая мембрана, способная «отфильтровывать» кислород из воды. Только площадь такой мембраны, для обеспечения фильтрации литра кислорода будет порядка 100 кв. м.! И это всё идеальные условия.
На самом деле всё гораздо печальнее.
А теперь соотнесите вышеописанное с этим:
С помощью его разработки - кислородного респиратора Triton, вы можете свободно дышать под водой. Это изобретение в области дайверского снаряжения не требует громоздких баллонов, а потому весьма эргономично.
Регулятор включает в себя пластиковый загубник, который вам требуется просто прикусить. Два крыла по бокам маски работают как эффективные жабры морского животного. Их чешуйчатая текстура скрывает маленькие отверстия, через которые вода всасывается внутрь респиратора. Камеры внутри крыльев отделяют кислород и выпускают жидкость обратно - таким образом, позволяя вам комфортно дышать под водой.
Вот некоторые специфические детали работы Triton.
- Он извлекает кислород под водой благодаря фильтру в форме крошечных отверстий, которые меньше, чем молекула воды.
- Благодаря очень миниатюрному, но весьма мощному компрессору, он сжимает кислород и запасает его в резервуаре.
- Микрокомпрессор респиратора питается от микробатареи, которая представляет собой разработку следующего поколения, имеет размер в 30 раз меньше существующих на сегодняшний день батарей - и при этом заряжается в 1000 раз быстрее их.
Если кто-то сомневается, то вот сайт «разработчика».
А вот разработка отечественных (не знаю, как их назвать) - аквабризеров.
Вспомните внешний вид и комплектацию вышеупомянутых регенеративных аппаратов и попробуйте представить их составляющие внутри этого дивайса.
Обратите внимание на адрес компании-разработчика. Это всё, что нужно знать о том, чем занимаются в Сколково. Нанотехнологии.
2. Гидролиз. Т. е. получение кислорода путём разложения воды на кислород и водород.
Реакция выглядит так:
2Н2O + энергия → 2H2+O2.
В реактор подаётся дистиллированная (!) вода и под действием электрического тока на катоде выделяется H2, а на аноде - O2. Теоретически можно представить себе более или менее компактный блок питания для такой установки.
Например, в идеальных условиях для получения 2 литров кислорода потребуется ёмкость 1 аккумулятора формата 18650. Другое дело, что сама установка имеет некий объем и вес. Ну и вода в водоёмах планеты Земля по своему химическому составу весьма далека от дистиллированной.
Вы можете возразить, что можно же использовать и обычную воду, в том числе и солёную морскую?
Да, можно, только чтобы использовать для дыхания кислород, получающийся в процессе её электролиза, придётся предусмотреть систему его очистки от разных примесей. А примеси получаются не очень - хлор, например.
К тому же полностью использовать кислород не получится, вспоминаем о процессе газообмена в лёгких, ага. И тут у нас возникает либо увеличение производительности гидролизной установки, причём большая часть кислорода будет выдыхаться в воду, как при открытом цикле, либо дыхательная петля, как в ребризерах. С поглотителем, дыхательным мешком и прочими атрибутами. И это будет справедливо и для «фильтрационной» установки получения кислорода.
Т. е. все эти сложные схемы заменяют нам всего лишь кислородный баллон. На текущем технологическом уровне баллон выигрывает вчистую.
На самом деле вышеописанные схемы получения кислорода реально используются. Гидролизные установки - на АПЛ, а мембранные - для дообогащения воздуха кислородом. В реалии на мембранной установке можно получать смесь с содержанием кислорода до 60 %.
Читайте также: