SU1722222A3 - Дыхательна система дл водолаза - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к дыхательным системам дл  водолазов во врем  проведени  водолазных работ на большой глубине. Целью изобретени   вл етс  увеличение времени автономного погружени  при одновременном повышении эксплуатационной надежности. Дыхательна  система дл  водолаза содержит дыхательный аппарат с полузамкнутой схемой дыхани , включающий по меньшей мере один дыхательный мешок 1, поглотитель углекислого газа 3, влагоотделитель, включенные в дыхательную линию аппарата. На шлеме 9 установ

Description

Изобретение касаетс  дыхательной системы , предназначенной дл  водолазов во врем  проведени  водолазных работ на большой глубине.

Водолазный комплект дл  погружени  содержит баллон со сжатым газом, который снабжен соединительным шлангом или шлангами, и регулирующий клапан, позвол ющий водолазу вдыхать-газ из баллона. Такое оборудование представл ет собой дыхательную систему с открытым циклом дыхани , причем вдыхаемый газ выходит из шлема или маски водолаза.

В известной дыхательной системе дл  водолаза имеетс  дыхательный аппарат с полузамкнутой схемой дыхани , включающий по меньшей мере один дыхательный мешок с трав щим клапаном, поглотитель углекислого газа и влагоотделитель, включенные в дыхательную линию аппарата, шланги вдоха и выдоха которой соединены с переходником водолазного шлема, соединенного с основным источником дыхательного газа. Кроме того, в известной системе имеетс  дополнительный источник дыхательного газа под давлением, соединенный трубопроводом через .ограничитель с дыхательной линией, и клапан-переключатель.

Во врем  проведени  водолазных работ на глубине (например, 450 м при давлении 45 бар) количество газа, необходимое дл  .дыхани  водолаза, которое можно вз ть с собой (например, 4 л под давлением 300 . бар),  вл етс  достаточным только на непродолжительное врем , например примерно 20-90 с, причем оно зависит от скорости дыхани .

Известные дыхательные системы дл  водолазов действуют по принципу расхода газа, причем газ подаетс  из источника, расположенного на рассто нии (с поверхности или из колокола). Водолазу требуетс  всплывать в случае возникновени  повреждени  в первичной системе подачи газа, например если повредилс , отсоединилс  или запуталс  шланг дл  подачи газа. Врем  всплыти  должно быть достаточным, чтобы

водолаз мог возвратитьс  в безопасное место (например, в водолазный колокол) и спастись .

В дыхательных аппаратах известной

конструкции дл  применени  в стандартных водолазных работах (например, кислородные аппараты с замкнутым циклом дыхани ) примен ют двойные шланговые соединени  со шлемом или маской, причем дл  вдыхани  и выдыхани  примен ют отдельные шланги.

Однако известные системы обладают недостатком в отношении обеспечени  необходимого времени дл  водолаза и не  вл ютс  достаточно надежными в этом отношении.

Цель изобретени  - увеличение времени автономного погружени  при одновременном повышении эксплуатационной

надежности дыхательной системы.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в дыхательной системе дл  водолаза клапан-переключатель установлен на шлеме и выполнен двухпозиционным с возможностью подключени  к переходнику одного, основного или дополнительного, источника дыхательного газа при одновременном отключении другого, при этом в дыхательный аппарат введен байпасный трубопровод,

соедин ющий линию дыхани  с основным источником дыхательного газа, причем в байпасном трубопроводе установлен регул тор давлени  и трав щий клапан.

В предлагаемой дыхательной системе дл  водолаза в нерабочем режиме при обычных водолазных работах аппарат поддерживают под давлением, которое превышает внешнее давление окружающей среды, причем в аппарате по крайней мере один дыхательный мешок предназначен .дл  уравновшивани  давлени , абсорбер (влагоотделитель ) дл  поглощени  влаги, газоочиститель дл  поглощени  углекислого

газа С02 и ограничитель дл  ограничени  дыхательного газа, который может закрепл тьс  на баллоне со сжатым газом, чтобы

при включении аппарата газ мог подаватьс  в аппарат с посто нной скоростью.

Избыточное давление может достигать примерно 4 бар, однако считаетс  достаточным давление примерно 0,1-0,2 бара. Преимущества системы поддержани  жизнеде тельности водолаза заключаютс  в следующем. Применение .дыхательного аппарата с полузамкнутым циклом дыхани  увеличивает врем  дл  автономного погружени  в сравнении с системой d открытым циклом дьГхани . Благодар  поддержанию избыточного давлени  в аппарате исключаетс  возможность попадани  в него морской воды. Работу аппарата в запасном режиме можно контролировать, таким образом , когда водолаз измен ет глубину погружени , то не происходит изменени  плавучести и избыточного давлени  газа.

На фиг. 1 изображена схематически дыхательна  система, общий вид; на фиг. 2 - график работы дыхательной системы во врем  погружени  при различной скорости вдыхани  на глубине 450 и 250 msw; на фиг. . 3 - конструктивна  схема дыхательной системы .

Дыхательна  система дл  водолаза содержит дыхательный аппарат с полузамкнутой схемой дыхани , включающий по меньшей мере один дыхательный мешок 1 с трав щим клапаном 2, поглотитель 3 углекислого газа, влагопоглотитель 4, включенные в дыхательную линию 5 аппарата, шланги вдоха 6 и выдоха которой соединены с переходником 8 водолазного шлема 9, соединенного с основным источником 10 дыхательного газа, дополнительный источник 11 дыхательного газа под давлением, соединенный трубопроводом через ограничитель 12 с дыхательной линией, изолирующий клапан, клапан-переключатель 13.

При этом клапан-переключатель 13 установлен на шлеме и выполнен двухлозици- онным с возможностью подключени  к переходнику 8 шлема 9 одного, основного или дополнительного, источника дыхательного газа при одновременном отключении другого. Дыхательный аппарат имеет также байпасный трубопровод 14, соедин ющий дыхательную линию с основным источником 10 дыхательного газа, причем в байпас- ном трубопроводе установлен регул тор 15 давлени  и трав щий клапан 16.

Дл  хранени  газа под давлением, например , 200-300 бар примен ют обычные баллоны объемом воды 4 л. Давление этого газа на выходе регулируют до величины., котора  превышает внешнее давление окружающей среды, а когда аппарат находитс  в рабочем режиме дл  погружени  газ может выходить через ограничитель 12 в мешок 1 с определенной скоростью, например 1-2 л/мин. Предпочтительно пополн емый газ имеет физиологически высокое содер- 5 жание кислорода при парциальном давлении примерно 2,5 бар.

В нерабочем режиме аппарат можно поддерживать при определенном давлении по отношению к внешнему давлению окру0 жающей среды; предпочтительно избыточное давление в нерабочем режиме аппарата достигает примерно 4 бар, обычно 0,1-0.2 бара.

Внутри заспинного мешка 1 шланг 5

5 раздел етс  на отдельные шланги 6 и 7 дл  вдыхани  и выдыхани , которые проход т через поглотитель влаги (влагоотделитель) 4, поглотитель 3 углекислого газа во врем  цикла выдыхани . В данной конструкции ос0 новные детали системы, включа  поглотитель 3, нагреваютс  при нормальной работе посредством отвода 18 от источника гор чей , воды. Заспинный мешок 1 предпочтительно изолировать от наружного холодного

5 воздуха. Нагрев поглотител  3 углекислого газа в нерабочем режиме поддерживает химический адсорбент(например, натронна  известь) при температуре, при которой он работает эффективно, если аппарат уста0 новлен в рабочем режиме дл  погружени . Дл  исключени  потерь тепла через большую площадь поверхности мешка в верхней части мешка можно поместить рекупераци- онный теплообменник 19, состо щий из сло5 ев тонкой проволочной сетки. Когда аппарат включаетс , из выдыхаемого газа удал етс  тепло, а при вдыхании холодный газ вт гиваетс  назад через рекуперационный теплообменник 19, где он захватывает

0 накопленное тепло до его входа в дыхательный аппарат дл  водолаза. . Когда требуетс  всплытие, изолирующий клапан 13 на шлеме открываетс  и мешок , сразу выпускает любое избыточное

5 давление в шлеме. В зависимости от характера аварийной ситуации така  немедлен- на  подача газа может иметь значение дл  продувки шлема, Тарельчатый клапан, установленный в шлеме, выпускает любое избы0 точное количество вводимого газа, в результате исключаетс  чрезмерное повышение давлени  в шлеме.

В выдыхаемом газе, который содержит, главным образом, разбавитель, часть оста5 точного кислорода и двуокись углерода проход т через один или несколько шлангов в химический сорбент (натронна  известь) дл  удалени  двуокиси углерода в мешок, где газ смешиваетс  с вводимым газом, содержащим физиологически высокое содержание кислорода. Газ из мешка повторно вдыхаетс  водолазом. Таким образом, продолжительность работы аппарата зависит в большой степени от скорости выпуска газа в мешок. Отвод со скоростью 1-2 л/мин соответствует скорости вдоха и выдоха вплоть до 75 л/мин RMV (вдоха и выдоха газа в минуту). Поскольку при каждом вдохе удал етс  только часть общего содержани  кислорода при высоком начальном парциальном давлении кислорода, то тот же газ можно повторно вдыхать много раз при условии , что обеспечиваетс  эффективна  очистка газа от С02.

Дл  повышени  надежности аппарата и исключени  проблем с его ремонтом в открытом море электронные устройства дл  регулировани  подачи кислорода не примен ютс . Благодар  сравнительно широкому диапазону уровн  кислорода, при котором можно удовлетворительно дышать, посто нный выпуск смешанного газа, имеющего парциальное давление примерно 2,5 бар, может обеспечить приемлемые уровни кислорода при любой скорости дыхани .

Рассмотрим подробно конструктивные критерии дл  деталей аппарата. Известно, что начало токсичности кислорода зависит от многих факторов, включа  продолжительность его действи . Максимальное парциальное давление 2,5 бар  вл етс  приемлемым как конструктивный параметр дл  продолжительной работы погружаемого аппарата. Таблицы декомпрессии допускают назначение терапевтической газовой смеси, имеющей парциальное давление кислорода, дл  лечени  от декомпрессии,

Минимальный требуемый уровень кислорода равен 0,4 бар, хот   вл ютс  допустимыми уровни до 0,2 бар.

Конструктивный параметр дыхательного аппарата дл  погружени  водолаза определ ет средний уровень давлени  вдыхаемого СОа, равный 20 мбар, и 7 мбар дл  уровн  С02 в количестве газа, обмениваемого за одно дыхание, в конце очистки .газа канистровым способом.

Дл  оценки аппарата были проведены расчеты уровн  содержани  кислорода в аппарате при различных рабочих услови х; уровн  содержани  двуокиси углерода при повторном вдыхании в зависимости от скорости дыхани ; сопротивлени  дыханию и работы во врем  дыхани . . Парциальное давление кислорода.

При расчетах уровн  кислорода в аппарате при различных рабочих услови х в начале испытани  было прин то, что мешок дл  уравновешивани  давлени  полностью загружен газовой смесью, котора  соответствует газовой смеси в баллоне. Через непродолжительный отрезок времени кислород поступает в систему посредством выпуска газа из баллона, при этом учитываетс  как метаболический расход, так и утечка . Таким образом можно вычислить изменение в уровне кислорода во врем  непродолжительных периодов.

В таблице показаны результаты, пол0 ученные дл  четырех значений скорости вдыхани  газа на глубине 100-450 м. В каждом случае уровень кислорода уменьшаетс  от начального значени  до максимального в зависимости от скорости дыхани . Автоном5 ность аппарата определ ют в основном по скорости, с которой при отсосе газа расходуетс  хранимый объем газа. Однако увеличиваетс  дополнительное врем  на подвод газа в мешок, т.е. автономность аппарата

0 уменьшаетс  в зависимости от глубины, поскольку на глубине расходуетс  большое количество газа,

Самый короткий вычисленный срок службы был равен 16 мин на глубине 450 м

5 при непрерывном вдыхании газовой смеси со скоростью 75 л/мин RMV. При более низкой скорости вдыхани  на такой же глубине автономность -аппарата достигает 24 мин. На небольшой глубине автономность аппа0 рата обычно превышает 25 мин.

Профили кислорода дл  цикла дыхани  с переменными значени ми RMV показывают , что уровень кислорода в аппарате измен етс  в зависимости от рабочей скорости,

5 причем общий показатель автономности аппарата незначительно превышает значение, полученное при максимальном RMV (объем вдоха и выдоха). На этом основании аппарат может иметь минимальную автономность,

0 равную 15 мин при 450 nns« , и более продолжительную на небольшой глубине. Причем верхний уровень остаетс  все врем  в допустимых пределах по крайней мере в течение непродолжительного времени, не5 обходимого дл  дыхательного аппарата, Уровни двуокиси углерода. На основе испытаний, проведенных с использованием натронной извести (марка 727 фирмы МР Юнайтид Драг КО), установ0 лено, что поглотитель углекислого газа работает эффективно в течение периода, когда требуетс  использовать 1-2 л натронной извести . Однако некоторое количество углекислого газа будет вдыхатьс  повторно

5 вследствие мертвого объема в носоглотке, шланге дл  вдоха/выдоха и изолирующем клапанном устройстве.

Результаты расчетов парциального давлени  СОа в зависимости от скорости дыха- ьи  указывают, что за исключением самых

низких скоростей дыхани  уровень повтор - но вдыхаемого С02  вл етс  удовлетворительным . При низких объемах воздуха, обмениваемого за одно дыхание, средний уровень вдыхаемого С02 повышаетс , хот  все еще находитс  в указанных пределах (20 Мбар дл  конструкции), В противном случае это выражаетс  в меньшей гипервентил ции и не создает причин дл  беспокойства в течение коротких периодов времени при всплывании. При более высоких скорост х работы вследствие повышенного объема воздуха, обмениваемого за одно дыхание, средние уровни вдыхаемого СОа должны быть низкими.

Работа механизма дыхани .

Установлены четыре источника сопротивлени  дыханию: потери от трени  в шланге вдоха/выдоха; потери от трени  в поглотителе СОг; тарельчатые клапаны; инерционный эффект (в услови х завершени  обмена воздуха при дыхании) и эффект торможени  (при максимальной скорости) в воде, окружающей мешок дыхательного аппарата .

Расчет размера шланга дыхательного аппарата основан на теории трени  в обычных трубах. Расчеты поглотител  СОа основаны на испытани х, проводимых дл  газоочистител  системы жизнеобеспечени , зар жаемого натронной известью МРИД 797. Результаты, отсчитываемые до 450 msw, относ тс  к более высоким скорост м работы, св занным с существующим оборудованием. Гидродинамические потери в дыхательном мешке основаны на допущени х , относ щихс  к его геометрии.

На фиг. 2 даны результаты расчета дл  дыхательного аппарата при глубине 450 и 250 msw. Пунктирными лини ми обозначен рекомендованный уровень дл  работы во врем  дыхани , верхн   сплошна  лини  представл ет собой верхний предел. Прогнозируемые величины  вл ютс  умеренными при низких скорост х работы и приемлемыми при наивысшей скорости работы 75 л/мин.

Удовлетворительные величины работы дыхани  в предлагаемом дыхательном аппарате получить легче, чем в обычном дыхательном аппарате, вследствие меньшего количества примен емого сорбента СОг.

Проведенна  техническа  оценка подтвердила гибкость дыхательного аппарата дл  плавного погружени . Несмотр  на отсутствие систем электронного управлени , уровень кислорода приемлем при всех-скорост х работы, по меньшей мере во врем  коротких выдержек. Таким же образом найдено , что уровни С02 и работа дыхани  не  вл ютс  избыточными.

Дыхательный аппарат (фиг. 3) с полузамкнутым циклом дыхани , когда он нахо- 5 дитс  в нерабочем режиме во врем  проведени  вододазных работ, поддерживают под давлением 0,2 бар, которое превышает внешнее давление окружающей среды. Уравновешивающие мешки 1, кото0 рые физически сжаты дл  предупреждени  их наполнени  газом при избыточном давлении , размещаютс  на плечах водолаза в нерабочем режиме. Это уменьшает эффект гидростатического давлени  на дыхатель5 ный аппарат, когда аппарат находитс  в рабочем режиме. При работе мешки 1 освобождаютс  и надуваютс  (или частично надуваютс ) в результате создани  избыточного давлени  внутри аппарата. При ава0 рийной ситуации водолазу необходимо включить дыхательный аппарат, выполнив два непоследовательных действи :

провернуть изолирующий клапан 13, при этом загубник 20 одновременно разме5 щаетс  перед ртом водолаза;

освободить и выт нуть шнур, который освободит мешки 1 и приведет в действие регул тор 15 дл  изменени  источника подачи газа от шланга 10 к газовым баллонам

0 2.1.При включении дыхательного аппарата в режиме погружени  газ будет проходить с контролируемой скоростью на газовых баллонах 21 через регул тор 15 и ограничитель

5 12 в корпусе газоочистител , регенератор тепла, расположенный в заспинном мешке 1, дл  пополнени  газа внутри дыхательного аппарата.

При работе дыхательного аппарата во0 долаз захватывает ртом загубник и дышит в него. Выдыхаемый газ проходит через загубник 20, шлем 9 и направл етс  через выпускной клапан 22 и шланг 7 дл  выдоха. Внутри заспинного мешка 1 выдыхаемый

.5 газ проходит в нагнетательную камеру 23, расположенную под баллоном поглотител  3, где достигаетс  его равномерное распределение . Затем газ проходит, через баллон поглотител  3, который загружен гранулами

0 натронной извести дл  удалени  С02 из выдыхаемого газа. Отсюда газ проходит через регенератор 19 тепла, состо щий из множества слоев тонкой проволочной сетки, котора  благодар  большой площади

5 поверхности поглощает тепло, позвол   сравнительно холодному газу проходить по шлангам 24 в размещенные на плечах водолаза мешки 1. При вдыхании газ проходит один из мешков 1 по шлангам 24 в рекупе- оатор 19 тепла, который возвращает тепло.

накопленное во врем  выдоха при дыхательном цикле.

Затем газ направл етс  из заспинного мешка 1, по шлангу 6 проходит через клапан 25 в шлем 9 через загубник 20 к водолазу. Если водолаз, примен ющий дыхательный аппарат в запасном режиме дл  водолазных работ, измен ет глубину в направлении вверх, то создаетс  перепад давлени  и избыточное давление в дыхательном аппарате , которое возникает в результате этого, будет уменьшатьс  через предохранительный клапан 16. В случае, если глубина измен етс  в направлении вниз, дополнительный газ автоматически поступает в дыхательный аппарат через регул тор 15.

В запасном режиме дл  водолазных работ гор ча  вода подаетс  в дыхательный аппарат и направл етс  в рубашку 26 вокруг газопоглотител  и рекуператор тепла дл  предварительного нагрева и поддержани  температуры внутри газоочистител  и регенератора тепла в пределах допустимых уровней. Тепло передаетс  дыхательному газу из рекуператора тепла и поглотител  СОа после выбора рабочего режима даже в ситуации, когда прекращаетс  подача гор чей воды.

Сначала, когда дыхательный аппарат включен дл  погружени  водолаза, может создаватьс  небольшое отрицательное давление ввиду вдыхани  водолазом газа, и это заставл ет срабатывать аварийный (трав щий ) клапан 2, который подает газ в заспин- ный мешок 1 и обеспечивает требуемое положительное давление дл  оптимальной работы дыхательного аппарата.

Внутри мешка расположен влагопогло- титель 4, который предназначен дл  сбора влаги во взвешенном состо нии из выдыхаемого водолазом газа.

Дополнительными отличительными признаками дыхательной системы дл  водолаза при применении дыхательного аппарата , показанного на фиг. 3,  вл ютс  .манометр 27, фильтр 28, продувочна  пробка 29, погружна  трубка 30, загрузочное соединение 31, выпускной клапан 32 дл 

Claims (5)

1.Дыхательна  система дл  водолаза, содержаща  дыхательный аппарат с полузамкнутой схемой дыхани , включающий по меньшей мере один дыхательный мешок с трав щим клапаном, поглотитель углекислого газа, влагоотделитель, включенные в дыхательную линию аппарата, шланги вдоха и выдоха которой соединены с переходником водолазного шлема, соединенного трубопроводом с основным источником дыхательного газа, дополнительный источник

дыхательного газа под давлением, соединенный трубопроводом через ограничитель с дыхательной линией, клапан-переключатель , отличающа с  тем, что, с целью увеличени  времени автономного погружени  при одновременном повышении эксплуатационной надежности, клапан-переключатель установлен на шлеме и выполнен двухпозицион- ным с возможностью подключени  к переходнику шлема одного, основного или

дополнительного, источника дыхательного газа при одновременном отключении другого, при этом в дыхательный аппарат введен байпасный .трубопровод, соедин ющий дыхательную линию аппарата с основным источником дыхательного газа, причем в байпасном трубопроводе установлены регул тор давлени  и трав щий клапан.

2.Система по п. 1, отличающа с  тем, что дыхательный мешок выполнен с

ограничителем наддува,

3.Система по п. 1, о т л и ч а ю щ а   с   тем, что она снабжена рекуперационным теплообменником, выполненным из слоев проволочной сетки и установленным в дыхательной линии в верхней части заспинного мешка.

4.Система по п. 1, отличающа с  тем, что она снабжена рубашкой вод ного

обогрева поглотител  углекислого газа.

5.Система по пп. 1-4, о т л и ч а ю щ а   с   тем, что загубник установлен с возможностью поворота.

1-0

фиг.1