Aparato de respiración. Ciclo de respiración abierto
Así que en parte uno Examinamos la fisiología de la respiración humana y determinamos qué se requiere exactamente para proporcionarla. Ahora analicemos el dispositivo técnico del aparato respiratorio autónomo. Y comencemos con los dispositivos de circuito abierto (OT). Prepárense, damas y caballeros, habrá más detalles.
Todos los dispositivos OT consisten en una fuente de gas - un cilindro de alta presión y un regulador - un dispositivo para reducir la presión del gas en el cilindro a ~ 1 ata (relativo) y suministrar la mezcla respiratoria con presión ya reducida a los órganos respiratorios, como así como eliminar el gas exhalado. ¿Por qué escribo "relativo" entre paréntesis, pero solo porque la respiración desde el aparato se puede realizar a una presión externa excesiva, y 1 ata (relativo) a presión externa, por ejemplo, 3 ata, será en términos absolutos - 4 ata .
Una vez más, haré una reserva de que en el marco de esta publicación quiero describir solo el principio de funcionamiento del dispositivo sin analizar las características de ciertos modelos. Por lo tanto, lo consideraré uno de los representantes típicos de este tipo.
В la primera parte Dije que los dispositivos de OT son de una y dos etapas.
Aparatos de una etapa. De acuerdo con este esquema, Emile Gagnan creó el primer equipo de buceo, que luego fue popularizado por Jacques Yves Cousteau. Consideremos el diseño utilizando el ejemplo del aparato soviético AVM-1M.
Vista general:
(1), (4) tubo inspiratorio y espiratorio ondulado
(2) boquilla
(3) caja de boquilla
(5) diadema
(6) válvula de suministro de aire
(7) correas de hombro
(8) abrazadera del cilindro
(9) correa para conectar las correas de los hombros
(10) inserto de espuma
(11) hebillas para sujetar cinturones
(12) cinturón
(13) hebilla de cinturón
(14) Mosquetón para sujetar la correa de latón
(15) correa de entrepierna
(16) cilindros
(17) manguera de manómetro de alta presión
(18) manómetro de alta presión e indicador de presión mínima
(19) boquilla de carga
(20) reductor y válvula de demanda regulada por pulmón.
La respiración del aparato ocurre a través de la cavidad bucal. La boquilla está diseñada para esto. La caja de la boquilla se utiliza para conectar los tubos inspiratorio y espiratorio. Es decir, cuando inhalamos, el gas proviene solo del tubo de inhalación y, al exhalar, ingresa al tubo de exhalación.
Con su permiso, no consideraré el diseño de la válvula del cilindro, ya que es bastante típico.
A continuación, tenemos una caja de cambios, y como tenemos un aparato de una etapa, aquí se combina con una válvula pulmonar.
Para que quede más claro, hablaré un poco sobre la terminología.
En la URSS, un dispositivo que reduce la presión de alta (en un cilindro) a presión intermedia (ajuste) se llamaba "reductor". Ahora, a la luz del desarrollo del buceo amateur, la terminología ha llegado al término "occidental" de "primera etapa". La válvula de demanda gobernada por pulmones, en terminología soviética, se designa como "la segunda etapa", y esta unidad sirve para reducir la presión del intermedio (ajuste) a ~ 1 ata (relativo).
Dispositivo de caja de cambios DA AVM-1M:
(17) adaptador,
(16) filtro de malla,
(18) válvula reductora con inserto de PTFE,
(15) palanca de doble brazo,
(14) diafragma reductor,
(13) empujador,
(12) resorte de empuje,
(11) tuerca de ajuste,
(10) válvula de seguridad,
(9) resorte y tuerca de ajuste de la válvula de alivio.
Detalles de la válvula pulmonar:
(1) accesorio para conectar una manguera de exhalación ondulada,
(3) tapa de la válvula de demanda controlada por pulmones,
(4) válvula de pétalo espiratoria,
(6) válvula de demanda pulmonar de centro rígido,
(2) el brazo inferior de la válvula de demanda regulada por pulmones,
(7) parte superior del brazo de la válvula de demanda regulada por pulmones,
(8) racor para conectar una manguera inspiratoria ondulada,
(5) tuerca y arandela para fijar el diafragma de la caja de cambios,
(22) tornillo de ajuste del brazo superior,
(21) asiento de válvula de la válvula de demanda pulmonar,
(20) válvula de la válvula de demanda gobernada por pulmón con resorte,
(19) tuerca de ajuste.
Ahora al principio del trabajo.
Cuando la válvula de cierre está cerrada, bajo la acción de su resorte, el empujador, moviéndose hacia la izquierda, presiona la palanca de dos brazos, la palanca gira en el sentido de las agujas del reloj alrededor de su eje, mientras que la válvula reductora está en un estado libre.
Después de abrir la válvula de cierre (Fig. A), el aire abre la válvula y llena la cavidad del reductor hasta que el diafragma del reductor, inclinándose hacia arriba, gira la palanca de dos brazos alrededor de su eje, en sentido antihorario (Fig. B ).
La palanca de dos brazos girará cuando la presión en la cavidad de la caja de cambios sea igual a la presión del ajuste del resorte del empujador (presión de ajuste 5-7 ata). En este caso, la palanca de dos brazos presiona y cierra la válvula reductora con su palanca superior, y mueve el empujador hacia la derecha con la palanca inferior y comprime el resorte. Por lo tanto, en la cavidad de la caja de cambios, el aire está bajo la presión establecida.
Al inhalar (Fig. C), se crea un vacío en la cavidad interna de la válvula de demanda gobernada por los pulmones, la membrana del dispositivo se flexiona y presiona la palanca superior. La palanca superior presiona sobre la inferior y ésta, a su vez, con la plataforma de su tornillo de ajuste, presiona sobre el vástago valvular de la válvula de demanda regulada por pulmón. La válvula comprime su resorte y abre el acceso de aire desde la cavidad de la caja de cambios a la cavidad de la válvula de demanda pulmonar y luego al nadador.
Al final de la inhalación (Fig. D), la deflexión de la membrana de la válvula de demanda pulmonar disminuye, la presión en las palancas se debilita y la válvula de la válvula de la máquina se cierra bajo la acción de su resorte (se asienta sobre el asiento). Al mismo tiempo, la presión en la cavidad del reductor cae, un empujador con un resorte entra en operación, la válvula del reductor se abre y el aire de los cilindros ingresa a la cavidad del reductor hasta que se alcanza la presión de ajuste.
En el caso de un mal funcionamiento del reductor y un aumento de la presión en él por encima de la presión de ajuste, la válvula de seguridad entra en funcionamiento. El resorte de la válvula de seguridad se comprime, la válvula se aleja del asiento y el exceso de aire se ventila en el agua. La activación de la válvula de seguridad sirve como señal de un mal funcionamiento de la caja de cambios, el buceador debe comenzar inmediatamente a ascender a la superficie.
Para inhalar, el buceador debe crear un cierto vacío sobre la membrana de la válvula de demanda pulmonar (aproximadamente 50 mm HXNUMXO). La ubicación de la válvula de demanda pulmonar también afecta la magnitud del vacío (resistencia respiratoria).
Al determinar la cantidad de resistencia a la inhalación, se debe tener en cuenta la diferencia entre la válvula pulmonar y el centro pulmonar del buceador. Este valor cambiará dependiendo de la posición del buceador.
En la posición erguida del buceador, cuando el centro de los pulmones y la válvula de demanda regulada por los pulmones están casi al mismo nivel, la resistencia que surge de la diferencia de presiones hidrostáticas es insignificante.
En la posición horizontal (al nadar), la válvula pulmonar está ubicada sobre el centro de los pulmones, el buceador, al inhalar, supera la resistencia mecánica del aparato y la resistencia igual a la diferencia de presión hidrostática en los niveles del centro. de los pulmones y la ubicación del respirador.
Cuando el buceador está trabajando en decúbito supino, la inhalación se realiza con poca resistencia. Y cuando exhale, la resistencia aumentará, ya que la válvula pulmonar está ubicada debajo del centro de los pulmones.
Y aquí me gustaría señalar cómo se compensa el aumento de la presión externa, porque para garantizar un suministro de gas normal, la presión relativa (en este caso, el ajuste) NO DEBE DEPENDER del valor externo. Este es un punto muy importante. Por lo tanto, la ecualización de la presión establecida se produce de la misma manera que al inhalar. Es decir, el aumento de la presión externa comprimirá el gas en la cavidad de la válvula pulmonar con todas las consecuencias.
Espero que el esquema de trabajo sea muy claro.
SÍ todavía se producen esquemas de una sola etapa. Son utilizados principalmente por fotógrafos y videógrafos subacuáticos, es decir, aquellos que son molestados por las burbujas de gas exhalado cerca de la cabeza / cara.
Un mayor desarrollo del DA del circuito abierto fueron los aparatos de dos etapas.
Para hacer esto, un reductor y una válvula de demanda pulmonar se separaron en dispositivos separados conectados por una manguera de suministro. Con la ayuda de esta "separación", fue posible obtener una serie de ventajas sobre el DA del esquema de una etapa.
Primero, fue posible conectar más de un avión (generalmente dos) a una caja de cambios, lo que aumentó la seguridad de trabajar con DA. Además, se ha simplificado la conexión de mangueras de presión intermedia para inflar los BCD emergentes y los trajes secos.
En segundo lugar, las dimensiones y el peso de los dispositivos han disminuido y estructuralmente se han vuelto más simples y confiables.
Entonces, SÍ de circuito abierto de dos etapas.
Consideraremos su diseño usando el ejemplo de la caja de cambios VR-12 y la válvula pulmonar AVM-12.
Reductor VR-12:
Así es como se ve "en la naturaleza":
Su mundo interior:
El principio de funcionamiento.
El funcionamiento del reductor se basa en el principio de igualdad de esfuerzos, abriendo y cerrando la válvula 16, que separa la cámara de alta presión A, conectada a la fuente de aire comprimido, y la cámara de baja presión B, conectada a la consumidor.
En ausencia de presión en las cámaras A y B, la válvula 16 se abre bajo la acción del resorte 9. El aire suministrado al reductor ingresa a la cámara A y a través del asiento de la válvula 15 debajo de la membrana 12, así como a través de los orificios E y D en la válvula 16 hacia la cavidad B. Bajo la acción de la presión creciente, la membrana 12 se dobla hacia arriba y supera la fuerza del resorte 9. La válvula 16 bajo la acción del resorte 17 y la presión en la cavidad B cubre el asiento 15 y cuando la presión en la cámara B sube al ajuste, se cierra completamente, bloqueando el flujo de aire en la cavidad de baja presión. En esta posición, la válvula se libera del efecto sobre su apertura de los cambios de presión en la entrada del reductor.
Dado que las cavidades B y C están comunicadas entre sí a través de los orificios E y D y, como resultado, las mismas fuerzas actúan sobre la válvula en direcciones opuestas, independientemente de la presión suministrada, luego con una disminución de la presión en la entrada del reductor a medida que se consume aire de los cilindros, la presión en la salida del reductor apenas cambiará.
Cuando se consume aire del reductor, la presión en la cámara B disminuye, la membrana 12 bajo la acción del resorte 9 se mueve hacia abajo y a través del centro rígido 13 aleja la válvula 16 del asiento 15. Se establece un espacio entre el asiento y la válvula de manera que el flujo de aire hacia el reductor sea igual a su consumo.
Por lo tanto, el sistema está en equilibrio y se mantiene una presión constante en la cámara B, asegurando el caudal dentro de los límites especificados.
Al sumergirse bajo el agua, la presión hidrostática actúa sobre la membrana 7 y, doblándola, a través del empujador 5, el centro rígido 11, la membrana 12 y el centro rígido 13, extrae la válvula 16 del asiento 15, aumentando así la presión. a la salida del reductor en proporción a la profundidad de inmersión. Para proteger las cavidades de baja presión y los consumidores conectados de un aumento de presión excesivo, hay una válvula de seguridad I.
Este tipo de reductor se llama diafragma con cámara seca.
También hay varios otros diseños de cajas de cambios.
Por ejemplo, en las cajas de engranajes de pistón con cámara húmeda no hay membranas 7 y 12, y el empujador 5 está realizado en forma de pistón con un sello radial. Este diseño tiene varias desventajas importantes.
Primero, existe una mayor probabilidad de que el empujador se congele y se atasque en la posición "abierta" que en una caja de cambios con una cámara seca. El atasco de la válvula reductora conduce al llamado. Flujo libre o flujo libre. Es decir, el gas del cilindro comienza a silbar, según el diseño de la válvula de demanda controlada por pulmones, ya sea en la boca o a través de la válvula de seguridad del reductor. Una situación muy, puedo decirte, una situación muy desagradable cuando estás en algún lugar dentro de un barco inundado, a una profundidad de decenas de metros, y a la superficie, además de la salida, también hay una hora de descompresión, y el gas se escapa con un silbido ...
Puede preguntar, de dónde viene la temperatura negativa en el agua, porque el agua es líquida principalmente a temperaturas positivas. Y se trata de la expansión del gas. Nuestro gas de un cilindro a una presión de ~ 300 a 50 ata se expande en un reductor con una caída de presión hasta el ajuste de 5 a 15 ata. Y, como saben, el gas se enfría durante la expansión.
Y una característica más de esta caja de cambios, es equilibrada. La cámara B (en el dibujo de la caja de cambios) se llama equilibrado en términos burgueses. En diferentes modelos de cajas de cambios, esta cámara puede tener diferentes esquemas de implementación, pero el significado es el mismo. El equilibrio le permite mantener el caudal de gas independientemente de la presión en el cilindro. En las cajas de cambios antiguas no equilibradas, no existen tales cámaras y, a medida que se consume el gas y disminuye la presión en el cilindro, aumenta la resistencia a la respiración.
Ahora hay cajas de cambios, las llamadas. sobrebalanceado, es decir reequilibrado. En estas cajas de cambios, la presión de tara aumenta con la profundidad. Esto, tal como lo concibieron los desarrolladores, debería compensar el aumento de la "viscosidad" de la mezcla respirable a altas presiones. Aunque, en mi opinión personal, esto es más un truco de relaciones públicas. Igual que las cubiertas de válvulas de demanda de titanio gobernadas por pulmones e intercambiadores de calor en mangueras LP.
Sí, unas palabras sobre la congelación y el gas en los cilindros.
De hecho, incluso las cajas de cambios de diafragma no son inmunes al flujo libre. Y la falla es la humedad en el cilindro, que llega allí cuando se "obstruye" con el aire. En general, los compresores luchan con esta misma humedad en todas partes, con un éxito variable, sin embargo, dependiendo de la codicia y la conciencia de esos compresores. De hecho, para eliminar la humedad del gas obstruido, se utilizan desecantes a base de sílice bastante costosos.
Y, además de la humedad, el aceite del compresor aún puede ingresar al cilindro debido a un grupo de pistón desgastado y otros gases, por ejemplo, el escape del generador o el humo de tabaco banal, de los buzos que fuman cerca de la entrada de aire del compresor. En la entrada del compresor, por supuesto, se instalan diferentes separadores de aceite y filtros de carbón, pero, como muestra la experiencia, estos filtros no siempre se cambian / reparan a tiempo.
Todo esto es muy peligroso, especialmente cuando se respira una mezcla de este tipo con una mayor presión externa. Personalmente, fue el caso, tomé ese aire con aceite. Síntomas después de salir a la superficie: dolor de cabeza terrible y sensación de enjuagar la boca con un disolvente. Y también puede perder el conocimiento. En profundidad. Hubo casos.
Bien, ahora la válvula de demanda gobernada por los pulmones.
El principio de funcionamiento.
El gas se suministra a través de la manguera 5 a la cámara de la aeronave desde el reductor bajo la presión establecida. La válvula de la aeronave está cerrada, y la válvula se mantiene en la posición cerrada tanto por el resorte 6.7 como por la propia presión del gas, ya que el gas en la cámara está bajo una presión de 8-9 ata, y debajo de la válvula 1 atm.
Éste es un punto importante.
Este avión se llama upstream. El uso de tales aviones requiere una válvula de seguridad en el reductor. Dado que cuando ocurre un flujo libre de la caja de engranajes, por ejemplo, debido a su congelación o suciedad que entra debajo de la válvula, el aumento de presión NUNCA conducirá a la apertura de la válvula de la aeronave y la manguera LP simplemente se romperá.
Hoy en día, muchos aviones utilizan aviones de flujo directo, en los que la válvula se sujeta solo por un resorte y el gas se suministra desde el otro lado. Con este esquema, la válvula de la aeronave funciona como válvula de seguridad. Es decir, con un aumento en la presión de ajuste en algún momento, la válvula se abre y libera el "exceso" de presión, no permitiendo que la manguera de LP explote.
Un avión directo le permite prescindir de una válvula de seguridad en la caja de cambios; sin embargo, en un pulmón a contracorriente, la resistencia a la inhalación es menor y no hay riesgo de que ingrese inesperadamente un flujo de gas incontrolado en la garganta. Aunque no es muy peligroso, es bastante desagradable. Aunque en el buceo amateur, predominan los aviones de flujo directo.
Considere el trabajo de la aeronave.
Al inhalar, se crea un vacío y la membrana 6.2, doblada hacia adentro, presiona la palanca 6.3, que, a su vez, al presionar el vástago de la válvula 6.4, la abre. El gas ingresa al espacio debajo de la membrana y luego al sistema respiratorio del buceador. La dirección del movimiento del gas se muestra mediante flechas.
Luego, la inhalación termina, el gas de la válvula explota el espacio debajo de la membrana, lo que hace que la membrana se doble hacia atrás 6.2. El diafragma libera la palanca y la válvula se cierra bajo la acción del resorte y la presión del gas (solo resortes en aviones de flujo directo).
Entonces comienza la exhalación. El gas de los pulmones vuelve al espacio de la submembrana y crea un exceso de presión en él, bajo cuya acción se abre la válvula de exhalación 6.5 y el gas se elimina al medio ambiente. Al final de la exhalación, el exceso de presión desaparece y la válvula de exhalación se cierra, evitando que el agua ingrese al espacio submembrana.
También en la aeronave hay un botón de derivación para la ventilación forzada del espacio debajo de la membrana. A veces es necesario cuando, por ejemplo, se reemplaza un avión bajo el agua.
En general, existen bastantes configuraciones de válvulas de demanda controladas por pulmones.
Por la ubicación de las membranas, las palancas, la presencia de ajustes finos de la fuerza de rotura de la válvula, la simetría de la estructura, el equilibrio de la válvula, etc., etc. Pero el principio de funcionamiento es el mismo para todos.
Entonces, hemos desmontado el dispositivo SÍ de circuito abierto.
En el futuro, al plantearnos los rebreathers, esto nos será de utilidad, ya que en estos DA se suministra gas desde los cilindros al circuito respiratorio con la ayuda del aparato de OT.
Y en la siguiente parte hablaré un poco sobre cilindros de alta presión, sobre las ventajas y desventajas de sus diferentes tipos, sobre los tipos de conexión entre el reductor y el cilindro, bueno, comenzaré por DCS, diferentes mezclas respiratorias y para qué se utilizan. Una vez más, intentaré no entrar en detalles estrictos.
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