|
|
| Automaty oddechowe - czyli co w wodzie piszczy... |
|
Część I
Wstęp
Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie i użytkowa analiza najczęściej spotykanych rozwiązań konstrukcyjnych stosowanych w automatach oddechowych. Znajomość opisanych zagadnień pozwoli czytelnikowi na świadomy wybór automatu oddechowego zgodny z oczekiwaniami, możliwościami finansowymi lub charakterem wykonywanych nurkowań. Materiał zostanie przedstawiony w trzech częściach, które kolejno będą opisywały: pierwszy stopień redukcji, drugi stopień redukcji oraz zabezpieczenia automatu oddechowego przed zamarzaniem.
Intencją artykułu jest obiektywna prezentacja istniejących rozwiązań, pozbawiona krytyki czy też promowania firm zajmujących się produkcją sprzętu nurkowego.
Automat oddechowy spełnia pięć podstawowych funkcji:
- redukuje wysokie ciśnienie mieszaniny oddechowej znajdującej się w butli do wartości ciśnienia jakie panuje na bieżącej głębokości nurkowania
- podaje mieszaninę oddechową w odpowiednim momencie
- podaje mieszaninę oddechową w odpowiedniej ilości
- zasila dodatkowe urządzenia (np. KRW, suchy skafander itp.)
- umożliwia wykonanie wydechu
Analizie zostaną poddane automaty oddechowe, które realizują powyższe funkcje przy pomocy dwóch osobnych stopni redukcji. Automaty takie nazywa się dwustopniowymi o stopniach rozdzielonych. Aktualnie wypełniają one prawie cały segment oferty dedykowanej dla nurkowań rekreacyjnych. Zadaniem pierwszego stopnia redukcji (przyłączanego do butli) jest redukcja wysokiego ciśnienia do tzw. ciśnienia międzystopniowego. Zadaniem drugiego stopnia redukcji (wyposażonego w ustnik) jest redukcja ciśnienia międzystopniowego do wartości "oddechowej".
|
Pierwszy stopień redukcji
1. Ciśnienie międzystopniowe (średnie)
Ciśnienie średnie panuje na wyjściu z I-go stopnia redukcji, w wężu łączącym stopnie automatu oraz na wejściu do II-go stopnia redukcji. Jako wielkość względna ma ono wartość stałą. Jako wielkość bezwzględna jest zmienne i zależy od głębokości na jakiej pracuje automat. Ciśnienie względne jest mierzone w odniesieniu do ciśnienia otoczenia, bezwzględne natomiast w odniesieniu do warunków próżni. Najczęściej spotykana względna wartość ciśnienia międzystopniowego wynosi 0.1 MPa ("10 atm). Oznacza to, iż podczas nurkowania bezwzględne ciśnienie międzystopniowe będzie zawsze o 10 atm wyższe od panującego na danej głębokości. Tę właśnie wartość podają producenci w specyfikacjach automatów oddechowych. Bezwzględna wartość ciśnienia średniego wynika z głębokości na jakiej znajduje się nurek (wzrost ciśnienia hydrostatycznego). Wartości poszczególnych ciśnień w zależności od głębokości nurkowania przedstawia tab. 1.
Tab.1. Wartości ciśnień
| Głębokość |
Ciśnienie atmosferyczne |
Ciśnienie hydrostatyczne |
Ciśnienie absolutne |
Względne ciśnienie międzystopniowe |
Bezwzględne ciśnienie międzystopniowe |
| [m] | [ata] | [ata] | [ata] | [atm] | [ata] |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 10 | 11 |
| 10 | 1 | 1 | 2 | 10 | 12 |
| 20 | 1 | 2 | 3 | 10 | 13 |
| 30 | 1 | 3 | 4 | 10 | 14 |
| 40 | 1 | 4 | 5 | 10 | 15 |
| 50 | 1 | 5 | 6 | 10 | 16 |
Utrzymywanie wartości ciśnienia zgodnego z założeniami producenta wpływa na poprawność pracy automatu. Wzrost względnego ciśnienia międzystopniowego może powodować samoczynny wypływ powietrza z automatu lub w niektórych konstrukcjach powodować jego uszkodzenie. Spadek ciśnienia międzystopniowego zwiększa opory oddechowe automatu lub wręcz uniemożliwia jego działanie. Wynika z tego, iż jedną z podstawowych czynności serwisowych powinna być kontrola i regulacja wartości ciśnienia międzystopniowego. Parametr jakim jest wartość względna ciśnienia międzystopniowego decyduje o kompatybilności stopni redukcji, czyli możliwości współpracy pierwszego i drugiego stopnia redukcji pochodzących od różnych producentów. Problem ten szczególnie często występuje przy doborze octopusa. Aby poszczególne stopnie redukcji poprawnie ze sobą współpracowały muszą być przystosowane do takiego samego ciśnienia międzystopniowego. Większość producentów przestrzega obecnie standardu jakim jest wartość 0.1 MPa, ale w niektórych automatach (zwłaszcza starszych) można spotkać inne wartości. Dodatkowo, w automatach o niskim ciśnieniu średnim (0.06 MPa - 0.07 MPa) może podczas głębokiego nurkowania dojść do zakłócenia tzw. przepływu krytycznego i zaburzenia pracy automatu.
2. Porty przyłączeniowe
W każdym pierwszym stopniu redukcji automatu oddechowego występują gwintowane gniazda (porty) umożliwiające podłączenie dodatkowych urządzeń. Do portów LP (low pressure) podłączane są odbiorniki ciśnienia międzystopniowego takie jak drugi stopień redukcji, octopus, wężyk zasilający kamizelkę RW lub suchy skafander, pistolet powietrzny itp. Do portu HP (high pressure) zwykle podłączany jest manometr lub komputer wyposażony w funkcje pomiaru ciśnienia mieszaniny oddechowej. Wskazane jest aby pierwszy stopień redukcji posiadał co najmniej trzy a najlepiej cztery porty LP, umieszczone po dwa z każdej strony automatu. Taka ilość portów pozwoli na wygodne i ergonomiczne rozmieszczenie węży oraz nie będzie ograniczała w przyszłości rozbudowy konfiguracji sprzętowej. Pomimo, iż zwykle wystarczający jest jeden port HP, pożądaną cechą automatu jest posiadanie dwóch takich portów występujących po obu stronach korpusu. Umożliwia to wybór strony po której użytkownik chce przyłączyć manometr oraz pozwala na dublowanie wskaźnika elektronicznego np. manometrem analogowym. W portach LP wykorzystuje się gwint 3/8" UNF, w portach HP 7/16" UNF. Zastosowanie w portach LP i HP różnych gwintów zapobiega omyłkowemu podłączeniu urządzenia do niewłaściwego gniazda, prowadzącemu najczęściej do jego uszkodzenia. Planując rozbudowę sprzętu warto zastanowić się czy jest ona możliwa ze względu na zastosowany standard przyłączeń gwintowych poszczególnych portów. W starszych automatach często spotyka się inne gwinty, które wymagają stosowania odpowiednich redukcji i nie różnicują portów HP od LP.
3. Obrotowa głowica
W niektórych automatach porty LP umieszczane są na głowicy, która ma możliwość obrotu względem swojej osi.
Rys. 1. Obrotowa głowica
Zaletą obrotowej głowicy jest większa swoboda ruchu urządzeń przyłączonych do pierwszego stopnia redukcji, wygoda układania węży oraz, w pewnych sytuacjach, zmniejszenie ich naprężenia. Jako wadę uznaje się skomplikowanie konstrukcji i stworzenie potencjalnych źródeł nieszczelności, które obniżają niezawodność automatu oraz podnoszą koszty serwisowania. Spotyka się również zarzuty, iż zbyt duża ruchomość węży utrudnia np. odnalezienie zgubionego pod wodą ustnika. Zastosowanie ruchomej głowicy zwykle podnosi cenę automatu.
4. Sposób sterowania
Za pracę każdego ze stopni redukcji odpowiedzialny jest element sterujący. Jego zadaniem jest automatyczna reakcja na zmiany ciśnienia otoczenia oraz otwieranie i zamykanie przepływu powietrza zgodnie z rytmem oddechowym nurka. Pierwszy stopień automatu oddechowego może być sterowany membraną lub tłokiem. Zasadę działania automatu z membraną przedstawia rys. 2.
Rys. 2. Pierwszy stopień redukcji sterowany membraną
Przed podłączeniem do zasilania sprężonym powietrzem, zawór redukcyjny składający się z grzybka oraz gniazda jest otwarty. Po podłączeniu zasilania, sprężone powietrze przedostaje się do komory wysokiego ciśnienia, a następnie poprzez otwarty zawór do komory ciśnienia międzystopniowego. Przepływ powietrza trwa do chwili zrównoważenia się sił działających na membranę. Od strony komory wodnej na membranę działa parcie hydrostatyczne wody oraz siła nacisku sprężyny odpowiedzialnej za wartość ciśnienia międzystopniowego. Od strony komory średniego ciśnienia na membranę działa parcie powietrza sprężonego w tej komorze. Zrównoważenie się sił działających na membranę powoduje jej podniesienie do pozycji swobodnej, przemieszczenie popychacza oraz dociśnięcie przez sprężynę doszczelniającą grzybka do gniazda. Przepływ zostaje zamknięty. Pobranie wdechu z komory średniego ciśnienia (połączonej wężem z drugim stopniem redukcji) wywołuje spadek ciśnienia w tej komorze i ugięcie membrany, która za pośrednictwem popychacza odsuwa grzybek od gniazda. Przepływ zostaje otwarty i trwa do chwili ponownego zrównoważenia membrany. Podczas zwiększania głębokości i wzrostu parcia hydrostatycznego następuje ugięcie membrany, przesunięcie popychacza oraz otwarcie zaworu. Do komory średniego ciśnienia dostaje się powietrze. Przepływ trwa do chwili zrównoważenia membrany. Proces otwierania i zamykania zaworu powtarza się cyklicznie przy każdym wdechu nurka i podczas zwiększania głębokości.
Automaty sterowane membraną szybko reagują na podciśnienie wdechu oraz charakteryzują się małymi oporami otwarcia przepływu. Wadą dużej czułości automatu jest jednak tendencja do "wzbudzania się" czyli uruchamiania samoczynnego wypływu powietrza. Automaty membranowe są stosunkowo odporne na zanieczyszczenia ze względu na brak kontaktu wody z ruchomymi elementami urządzenia. Z tego powodu między innymi uznaje się je również za mniej podatne na zamarzanie.
Fot. 1. Automat membranowy
Konstrukcja automatów membranowych jest z reguły dosyć skomplikowana, co powoduje, iż niezawodność jego działania zależy w dużym stopniu od jakości produkcji i wpływa na podwyższenie ceny.
Zasadę działania automatu z tłokiem ilustruje rys. 3. W przedstawionym rozwiązaniu, tłok spełnia równocześnie rolę grzybka współpracującego z gniazdem, tworząc w ten sposób zawór redukcyjny. Przed podłączeniem zasilania, tłok jest odsunięty od gniazda. Powoduje to sprężyna odpowiedzialna za wartość średniego ciśnienia umieszczona w komorze wodnej.
Rys. 3. Pierwszy stopień redukcji sterowany tłokiem
Po przyłączeniu automatu do źródła zasilania, powietrze przedostaje się do komory wysokiego ciśnienia, a następnie przez otwarty zawór redukcyjny do komory średniego ciśnienia. Należy zwrócić uwagę na fakt, iż komora średniego ciśnienia znajduje się nie tylko w pobliżu zaworu redukcyjnego, ale również wewnątrz i nad tłokiem. Przepływ powietrza trwa do chwili zrównoważenia się sił działających na tłok. Od strony komory wodnej na tłok działa parcie hydrostatyczne wody oraz siła nacisku sprężyny. Od strony komory średniego ciśnienia na tłok działa parcie powietrza znajdującego się w tej komorze. Po zrównoważeniu się sił działających na tłok, grzybek zostaje dosunięty do gniazda i przepływ powietrza ustaje. Pobranie wdechu powoduje spadek ciśnienia w komorze międzystopniowej (również nad tłokiem), podniesienie się tłoka i udrożnienie zaworu redukcyjnego. Przepływ trwa do chwili ponownego zrównoważenia się sił działających na tłok. Podobna sytuacja zachodzi podczas zwiększania głębokości. Wraz ze wzrostem ciśnienia otoczenia, rośnie parcie hydrostatyczne w komorze wodnej. Efektem tego jest podniesienie się tłoka i udrożnienie układu. Przepływ zostaje zamknięty w momencie ponownego zrównoważenia tłoka.
Fot. 2. Automat tłokowy
Ze względu ma znaczną masę elementu sterującego automaty tłokowe uważane są za mniej czułe. Bezpośredni dostęp wody do tłoka i jego uszczelnień powoduje, iż automaty te często ulegają zanieczyszczeniu uniemożliwiającemu ich poprawną pracę. Stosowane przez producentów systemy izolacji komór wodnych od środowiska wodnego eliminują tę wadę jak również podnoszą odporność na zamarzanie zewnętrzne. Trzeba jednak podkreślić, iż tego typu izolacja zwiększa z kolei podatność na zamarzanie wewnętrzne wywołane efektem Joule'a - Thompsona. Integracja zespołów w automatach tłokowych znacznie upraszcza ich konstrukcję i wpływa na obniżenie kosztów produkcji oraz serwisowania. Należy jednak mieć świadomość, iż automaty tłokowe wymagają stosunkowo częstego wykonywania przeglądów.
5. Odciążenie
Jest to ważna cecha automatu oddechowego i producenci bardzo chętnie się na nią powołują przedstawiając swoją ofertę. Aby wyjaśnić pojęcie odciążenia należy przypomnieć budowę układu redukcyjnego oraz wyjaśnić mechanizm powstawania oporów jego otwarcia. W większości automatów oddechowych na pierwszym stopniu redukcji stosowany jest zawór przeciwbieżny przedstawiony na rys. 4.
Rys. 4. Układ przeciwbieżny
Jest on zbudowany z zaopatrzonego w szczeliwo grzybka oraz gniazda. Sprężyna dociskająca grzybek do gniazda odpowiada za zamykanie i uszczelnianie zaworu. Odsunięcie grzybka od gniazda powoduje przepływ powietrza z komory wysokiego ciśnienia (HP) do komory średniego ciśnienia (LP). Kierunek ruchu grzybka przy otwieraniu zaworu jest przeciwny do kierunku przepływu powietrza. Cechą charakterystyczną układu są wysokie opory otwarcia przepływu (stanowiące składową oporów oddechowych) oraz ich zależność od różnicy ciśnień panującej między komorami układu redukcyjnego. Zmiany wartości ciśnienia zasilania automatu (zużywanie przez nurkującego powietrza zawartego w butlach) wywołują w konsekwencji zmiany wartości oporów oddechowych co znacznie pogarsza parametry automatu, utrudnia jego optymalną konstrukcję oraz zmniejsza komfort nurkującego. Siły działające na układ przeciwbieżny można przeanalizować w oparciu o rys. 5.
Rys. 5. Powierzchnia czynna grzybka
Od strony wysokiego ciśnienia, siła dociskająca grzybek do gniazda wywołana jest parciem sprężonego powietrza na powierzchnię A. Z konstrukcji gniazda i grzybka wynika, iż parcie na powierzchnię B występuje po obu stronach grzybka, a więc siły pochodzące od parcia na powierzchnię B równoważą się wzajemnie. Tak więc, siła docisku grzybka do gniazda (a tym samym siła potrzebna do odsunięcia grzybka i udrożnienia układu) zależy wyłącznie (pomijając siły tarcia występujące w konstrukcji rzeczywistego zaworu) od parcia sprężonego powietrza na powierzchnię C. Jest to tzw. czynna powierzchnia grzybka. Wyeliminowanie parcia na tę właśnie powierzchnię pozwoliło stworzyć układ redukcyjny odciążony, o małych oporach otwarcia niezależnych od zmian ciśnienia zasilania.
Zasadę "wyeliminowania" powierzchni czynnej grzybka od strony komory wysokiego ciśnienia, wykorzystano w układzie przeciwbieżnym przedstawionym na rys. 6.
Rys. 6. Odciążenie zaworu przeciwbieżnego
Wprowadzenie do budowy grzybka elementu walcowego o polu przekroju S równym powierzchni czynnej grzybka spowodowało, iż siły pochodzące od parcia sprężonego powietrza na powierzchnię grzybka równoważą się wzajemnie i układ pozostaje odciążony. Wartość siły docisku grzybka do gniazda zależy wyłącznie od wartości siły wywieranej na grzybek przez sprężynę.
Stosowanie odciążenia na pierwszym stopniu redukcji zmniejsza opory oddechowe automatu, stabilizuje jego pracę oraz umożliwia uzyskanie większych przepływów. W nowoczesnych automatach oddechowych mechanizm odciążenia jest szeroko stosowany zarówno w automatach sterowanych tłokiem jak i membraną.
6. Sposób przyłączania do butli
Obecnie, na świecie rozpowszechniły się dwa rodzaje połączeń automatów oddechowych z butlą:
- strzemiączkowe, tzw. INT
- gwintowe, tzw. DIN
Występowanie dwóch rodzajów połączeń nie jest wygodne, a pełna zamienność stosowania butli jest możliwa dopiero przy użyciu specjalnych elementów korekcyjnych (adapter DIN-INT lub INT-DIN).
Konstruktorzy nowoczesnego sprzętu nurkowego starają się wyeliminować tę niedogodność, produkując butle z głowicą uniwersalną (zaopatrzoną w tzw. wkładkę adaptacyjną) umożliwiającą zamocowanie automatu oddechowego zarówno o przyłączu typu INT jak i DIN.
Fot. 3. Adaptor INT, adaptor DIN oraz zawór z wkładką adaptacyjną
Połączenie typu INT zwane jest również strzemiączkowym ze względu na swój charakterystyczny kształt (rys. 7).
Rys. 7. Przyłącze typu INT
|
Fot. 4. Automat typu INT
|
Jest ono cięższe i większe w porównaniu z połączeniem typu DIN. Jego zaletą jest łatwy i szybki sposób zakładania oraz zdejmowania automatu oddechowego z butli. Ograniczeniem stosowania połączenia jest wytrzymałość mechaniczna strzemiączka. Przyjmuje się, iż automaty o przyłączeniu typu INT nie powinny być zasilane powietrzem o ciśnieniu wyższym od 20 MPa. Dodatkową wadą jest fakt, iż uszczelnienie połączenia znajduje się w butli co zwiększa ryzyko jego uszkodzenia lub zgubienia w czasie transportu.
Połączenie typu DIN jest połączeniem gwintowym G 5/8" (rys. 8).
Rys. 8. Przyłącze typu DIN
|
Fot. 5. Automat typu DIN
|
Charakteryzuje się ono dużą wytrzymałością mechaniczną i z tego względu może być przyłączane do butli o ciśnieniu roboczym 30 MPa i wyższym. Jest wrażliwe na zanieczyszczenia a jego montaż jest bardziej pracochłonny. Ze względu na umiejscowienie uszczelnienia połączenia w automacie oddechowym jest ono w sposób oczywisty lepiej chroniony w czasie transportu. Jest to połączenie najbardziej rozpowszechnione w Polsce. Wybierając się na zagraniczną wyprawę nurkową z własnym automatem warto zaopatrzyć się w odpowiedni adaptor, tak aby możliwe było korzystanie z butli oferowanych przez miejscowe centra nurkowe.
<< część II
<< część III
Jacek Paradowski - Nowa AMA
|
|
|