|
|
| Automaty oddechowe - czyli co w wodzie piszczy... |
|
Część II
Drugi stopień redukcji
1. Ciśnienie międzystopniowe (średnie)
Jak już zostało wspomniane w pierwszej części artykułu, zadaniem drugiego stopnia jest redukcja ciśnienia międzystopniowego LP (low pressure) do wartości "oddechowej" CP (current pressure) czyli do takiej, jaka panuje na bieżącej głębokości nurkowania. Większość automatów oddechowych ustawiona jest fabrycznie do pracy z ciśnieniem międzystopniowym wynoszącym 0.1 MPa.
Utrzymywanie tego standardu pozwala na wymienność drugich stopni i ich prawidłową współpracę z dowolnym pierwszym stopniem. Bardzo rzadko spotyka się drugie stopnie redukcji, które mają regulację umożliwiającą przystosowanie ich do pracy z innym niż założone przez producenta ciśnieniem średnim.
2. Zawór redukcyjny
Najczęściej spotykanym w drugim stopniu automatu oddechowego jest układ redukcyjny współbieżny przedstawiony na rys.
Rys. 1. Współbieżny zawór redukcyjny
|
Jego główną zaletą jest spełnianie funkcji nadmiarowego zaworu bezpieczeństwa. W przypadku wzrostu ciśnienia międzystopniowego wywołanego np. awarią lub zamarznięciem pierwszego stopnia redukcji, zawór współbieżny automatycznie otwiera się i wypuszczając na zewnątrz nadmiar mieszaniny oddechowej, chroni automat przed zniszczeniem.
3. Sterowanie i zasada działania drugiego stopnia redukcji
Drugi stopień redukcji zawsze sterowany jest za pomocą membrany. Zwykle wykonana jest ona z silikonu, a jej środek jest dodatkowo usztywniany krążkami z nierdzewnej blachy lub tworzywa. Średnica membrany wynosi najczęściej od 60 do 80 mm.
Na rys. 2 został przedstawiony prosty, standardowy drugi stopień redukcji.
Rys. 2. Drugi stopień redukcji
Powietrze z pierwszego stopnia redukcji doprowadzane jest do komory ciśnienia międzystopniowego. Membrana rozdziela wnętrze obudowy na komorę powietrzną oraz wodną.
Zaburzenie równowagi ciśnień nad i pod membraną (wdech, zmiana głębokości), powoduje jej ugięcie i wywarcie nacisku na dźwignię. Poprzez swój ruch dźwignia odsuwa grzybek od gniazda, otwierając dopływ powietrza. W chwili gdy na membranie zapanuje równowaga ciśnień, sprężyna doszczelniająca zamyka zawór redukcyjny. Zachowanie równowagi ciśnień na membranie występuje tylko pod warunkiem zapanowania w komorze powietrznej takiego ciśnienia jakie występującego na bieżącej głębokości nurkowania. W ten sposób jest realizowana jedna z najważniejszych funkcji spełnianych przez automat oddechowy. Wydech zostaje skierowany poza komorę powietrzną przez zawór wydechowy. Przycisk "by-pass" umożliwia poprzez ugięcie membrany manualne wymuszenie przepływu mieszaniny oddechowej.
4. Odciążenie zaworu redukcyjnego
Niekiedy w konstrukcji drugiego stopnia redukcji wykorzystywany jest mechanizm odciążenia zaworu opisany dokładnie w pierwszej części niniejszego artykułu. Jeden ze sposobów odciążenia współbieżnego zaworu redukcyjnego drugiego stopnia został przedstawiony na rys. 3.
Rys. 3. Odciążenie zaworu współbieżnego
Powietrze pochodzące z pierwszego stopnia redukcji dostaje się przez otwór wlotowy do komory średniego ciśnienia umieszczonej pod grzybkiem. W komorze tej znajduje się tzw. tłoczek odciążenia, który wprowadza dodatkową powierzchnię o polu równym powierzchni czynnej grzybka. Jest to typowy przykład odciążenia układu współbieżnego. Zasada otwierania grzybka za pośrednictwem popychacza jest taka sama jak w przykładzie opisanym powyżej. Po odsunięciu grzybka od gniazda, powietrze przedostaje się do komory powietrznej i ustnika.
Do głównych zalet rozwiązania zalicza się uniezależnienie pracy drugiego stopnia redukcji od wartości ciśnienia międzystopniowego. Pozwala to na zasilanie drugiego stopnia redukcji z każdego pierwszego stopnia redukcji bez względu na producenta i przyjęty przez niego standard nastaw ciśnienia średniego. Dodatkowo, automaty takie pozwalają na zwiększanie wartości ciśnienia międzystopniowego wymagane np. przy nurkowaniach bardzo głębokich (konieczność utrzymania przepływu krytycznego).
Mechanizmowi odciążenia drugiego stopnia redukcji często stawia się zarzuty, iż zmniejszając w niewielkim tylko stopniu opory otwarcia (głównie w zakresie dużych przepływów) znacznie komplikuje on budowę automatu, potencjalnie zwiększa jego zawodność, ciężar oraz podnosi cenę produktu i jego serwisowania. Zespół prowadzenia tłoczka odciążającego jest wrażliwy na zanieczyszczenia oraz, ze względu na dużą wilgotność powietrza wydechowego, również na zamarzanie. Odciążony zawór współbieżny przestaje spełniać funkcję zaworu nadmiarowego i wymaga stosowania w konstrukcji automatu dodatkowych zabezpieczeń. Wydaje się również, że w standardowych konfiguracjach dwustopniowych (dopasowanych fabrycznie do pracy z określonym ciśnieniem międzystopniowym) nie ma potrzeby stosowania mechanizmów uniezależniających pracę automatu od niewielkich zmian ciśnienia średniego wynikających głównie ze wzrostu gęstości czynnika oddechowego. Przeważająca ilość drugich stopni redukcji konstruowana jest w oparciu o nie odciążony zawór współbieżny.
5. Wspomaganie
Mechanizm powstawania efektu Venturiego (efektu iniekcji) można wyjaśnić w oparciu o prawo Bernouliego, które mówi, że dla gazu doskonałego suma ciśnień statycznego i dynamicznego jest stała. Powietrze wypływające z dyszy zbieżnej osiąga na jej końcu największą prędkość (równanie ciągłości), a więc dużą wartość ciśnienia dynamicznego. Odpowiednio zmniejsza się wartość ciśnienia statycznego. W przypadku umieszczenia dyszy w drugim stopniu redukcji automatu oddechowego i skierowaniu jej w stronę ustnika, w komorze powietrznej wytworzy się dodatkowe podciśnienie wpływające na ugięcie membrany oraz zwiększenie przepływu. Dojdzie do wspomaganego wypływu powietrza, co znacznie obniży opory oddechowe, a szczególnie ich składową związaną z utrzymaniem przepływu. Natężenie efektu wspomagania zależy również od głębokości nurkowania, temperatury otoczenia i sposobu pobierania wdechu. Rys. 4 ilustruje przebiegi zmian oporów wdechu (Pw) w funkcji czasu w automacie bez układu wspomagania (a) oraz z układem wspomagającym (b).
Rys. 4. Charakterystyka oporów wdechu: a - bez wspomagania, b - ze wspomaganiem
W początkowej fazie przebiegi obu charakterystyk są podobne. Przedstawiają one przyrost wartości oporów otwierania przepływu. W chwili otwarcia przepływu, w układzie obrazowanym charakterystyką "b" włącza się układ wspomagania (punkt oznaczony strzałką) i następuje gwałtowny spadek oporów wdechu. Wartości ujemne oporów świadczą o całkowicie samoczynnym wypływie powietrza z automatu oddechowego. Porównując pola zawarte między krzywymi a osią czasu ilustrujące pracę wykonywaną przez płuca nurka, widać jak bardzo korzystne jest stosowanie układów wspomagających na drugim stopniu redukcji.
Przy zbyt dużym natężeniu efektu wspomagania może dojść do tzw. wzbudzenia się automatu, czyli samoczynnego wypływu powietrza po zakończeniu wdechu. Aby temu zapobiec układy wspomagające muszą być wyposażone w element regulacyjny umożliwiający dobranie natężenia efektu iniekcji odpowiednio do warunków nurkowania. W rozwiązaniu przedstawionym na rys. 5 powietrze z komory średniego ciśnienia przedostaje się do komory powietrznej kanałem obejścia. Znajdujący się w nim otwór wylotowy (pełniący rolę zwężki) skierowany jest wprost do ust nurka. Takie usytuowanie otworu zapewnia uzyskanie maksymalnego natężenia efektu iniekcji.
Rys. 5. Realizacja efektu wspomagania
Obrotowa tuleja, zaopatrzona w otwór rozpraszający, wpływa na osłabienie efektu dyszowego. Zmiana położenia otworu rozpraszającego względem otworu wylotowego (możliwa do przeprowadzenia również w czasie nurkowania) pozwala na dokładne dobranie wartości natężenia efektu do potrzeb użytkownika.
Na podobnej zasadzie działania oparta jest większość systemów regulujących natężenie efektu wspomagania. Ukierunkowywanie bądź zaślepianie ruchomymi przysłonami otworów rozpraszających powoduje osłabianie lub wzmacnianie wypływu powietrza z dyszy zbieżnej.
Często spotykanym elementem regulującym efekt iniekcji jest tzw. deflektor (rys. 6).
Rys. 6. Realizacja efektu wspomagania z wykorzystaniem deflektora
Jest to płaska bądź profilowana płytka służąca do zmiany kierunku wypływającej z dyszy strugi powietrza. W zależności od ustawienia, deflektor może wzmagać efekt iniekcji (skierowanie strugi powietrza do ustnika) bądź go osłabiać. W niektórych konstrukcjach deflektor jest ustawiany fabrycznie i nie daje użytkownikowi możliwości regulacji natężenia wspomagania.
Przedstawione na rys. 7 rozwiązanie również opiera się na efekcie Venturiego ale realizowanym w nieco inny sposób.
Rys. 7. Realizacja efektu wspomagania za pomoca ruchu wirowego strugi powietrza
Powietrze dostaje się do ust nurka dwiema drogami: przez komorę powietrzną oraz kanał obejścia. Powietrze płynące specjalnie ukształtowanym kanałem przybiera postać wirującej strugi. W wyniku ruchu wirowego strugi powietrza w ustniku, w komorze powietrznej powstaje podciśnienie zwiększające ugięcie membrany.
Zaletą rozwiązania jest uzyskanie w bardzo prosty sposób efektu iniekcji o znacznym natężeniu. W rozwiązaniach tego typu nie przewiduje się samodzielnej regulacji natężenia wspomagania.
W większości nowoczesnych automatów oddechowych wykorzystywany jest efekt wspomagania realizowany za pomocą jednego z przedstawionych powyżej rozwiązań. Możliwość regulacji efektu pozwala użytkownikowi na dobranie go do indywidualnych potrzeb lub warunków nurkowania. Należy jednak wspomnieć, iż właściwe ustawienie efektu wspomagania wymaga elementarnej wiedzy i rozumienia mechanizmu jego działania. Przypadkowa, nieświadoma regulacja może wywołać skutek całkowicie przeciwny do oczekiwanego. Aby wyeliminować ryzyko występowania takich sytuacji oraz uprościć obsługę automatu, niektórzy producenci stosują wyłącznie ustawienia fabryczne bez możliwości ich zmiany przez nurkującego.
6. Regulacja docisku grzybka do gniazda
Na rys. 8 został przedstawiony drugi stopień redukcji, w którym wykorzystano mechanizm płynnej regulacji docisku grzybka do gniazda zaworu redukcyjnego.
Rys. 8. Regulacja oporów otwarcia
Poprzez wkręcanie bądź wykręcanie pokrętła regulacyjnego, uzyskuje się zmianę napięcia sprężyny dociskającej grzybek do gniazda. Regulacja umożliwia ustawienie optymalnej siły docisku, tzn. takiej przy której opory otwarcia przepływu będą minimalne a układ pozostanie szczelny.
Zaletą przedstawionego rozwiązania jest możliwość obniżenia wartości oporów otwarcia przepływu lub ich dostosowania do indywidualnych potrzeb nurkującego. Wygodny dostęp do pokrętła regulacyjnego pozwala na zmianę parametrów oddechowych nawet w trakcie nurkowania.
Do wad rozwiązania zaliczyć można stosunkowo szybkie zużywanie się szczeliwa. Jest to spowodowane częstymi zmianami nacisków jednostkowych wywieranych przez gniazdo na szczeliwo grzybka. Po długotrwałym okresie użytkowania automatu przy zwiększonej sile docisku grzybka do gniazda, jej ponowne zmniejszenie bardzo często wywołuje nieszczelność w układzie redukcyjnym. Ponadto, w automatach oddechowych wyposażonych dodatkowo w nastawny zespół wspomagania, prawidłowe wyregulowanie siły docisku grzybka oraz natężenia efektu wspomagania przy wzajemnym wpływie na siebie tych dwóch wielkości, wymaga doświadczenia oraz znajomości zjawisk zachodzących w automacie. Z wyżej wymienionych powodów rozwiązanie takie może nastręczać kłopotów nurkowi początkującemu. Zwykle, zastosowanie mechanizmu regulacji siły docisku grzybka do gniazda powoduje wzrost ceny automatu.
7. Zawór wydechowy
Zawór wydechowy znajduje się w komorze powietrznej drugiego stopnia redukcji. Umożliwia on wykonanie swobodnego wydechu poza układ automatu oddechowego. Jego konstrukcja wpływa na wartość oporu wydechu, będącego składową oporów oddechowych.
Zawór wydechowy jest zaworem jednokierunkowym, oddzielającym powietrzne przestrzenie automatu oddechowego od środowiska wodnego. Powinien on charakteryzować się dobrą szczelnością w kierunku zaporowym oraz małym oporem otwarcia i utrzymania drożności w kierunku przepływowym.
W nowoczesnych automatach o stopniach rozdzielonych jest stosowany zawór listkowy, tzw. "koniczynka" przedstawiony na rys. 9.
Rys. 9. Zawór wydechowy
Jest to płaski, silikonowy krążek przytwierdzony do odpowiednio przystosowanej w tym miejscu puszki automatu. Powietrze wydechowe wydostające się przez otwory w obudowie odchyla gumowy krążek i wypływa na zewnątrz. Podczas wdechu podciśnienie wytworzone w komorze powietrznej automatu, dociska gumowy krążek do puszki, uniemożliwiając przepływ wody w kierunku zaporowym.
Zaletą rozwiązania są bardzo małe opory wydechu, duża powierzchnia czynna zaworu oraz prosta i tania konstrukcja.
Wadą jest wrażliwość na zanieczyszczenia, które przedostając się pod silikonowy krążek rozszczelniają zawór. Po dłuższym okresie nie używania automatu zdarza się, iż listki zaworu przyklejają się do obudowy automatu. Zwykle usterka ta znika po przepłukaniu automatu wodą.
Rys. 10. Zastosowanie opisanych rozwiązań
<< część I
<< część III
Jacek Paradowski - Nowa AMA
|
|
|