Rebreathers (aparato de circuito cerrado)
Como sugiere el nombre, estos dispositivos funcionan según el principio de utilizar gas exhalado.
Como aprendimos de la primera parte del artículo sobre aparatos respiratorios, en el proceso de respirar, el cuerpo humano absorbe aproximadamente el 4% del oxígeno de la mezcla respiratoria y libera el 4% de dióxido de carbono en ella. Esto significa que para reutilizar la mezcla de respiración, debe extraer CO2 y agregar O2.
Para extraer CO2 de la mezcla respiratoria, los dispositivos ZC utilizan 2 tipos de absorbentes. Regenerador y calcáreo.
Los absorbedores regenerativos, además de absorber directamente CO2, también liberan oxígeno durante el funcionamiento.
Esto parece estar bien, pero, como dicen en un chiste, hay un matiz. Y no solo.
La reacción química depende de las condiciones externas y es casi imposible influir en la cantidad de oxígeno liberado. Y si se usa SÍ a una presión de 1 ata, entonces no hay nada de malo en eso, pero a una presión externa de más de uno del exceso de oxígeno en la mezcla respiratoria, puede haber problemas, de los que hablé en la tercera parte del artículo sobre SÍ.
Y también en la sustancia regenerativa, el amianto se utiliza como remedio para la sinterización de la masa activa, ya que durante una reacción química:
4KO2 + 2CO2 → 2K2CO3 + 3O2
se genera calor.
Bueno, una ventaja adicional para los buceadores: cuando el circuito de respiración se inunda de agua, se produce la siguiente reacción:
H2O + KO2 = KOH + O2.
Y esta reacción procede muy violentamente, con burbujas, silbidos y espuma.
Probablemente, no es necesario que le explique a nadie lo que le sucederá a los pulmones si les penetra un álcali cáustico.
También hay algunos momentos más desagradables cuando se usa un absorbente regenerativo.
Es por estas razones que el uso de la regeneración está disminuyendo. El Ministerio de Emergencias, por ejemplo, prácticamente abandonó los dispositivos regenerativos. El ejército todavía lo está usando, pero esto se debe más a la falta de fondos para el DA moderno.
Los captadores de cal absorben CO2 durante el funcionamiento sin emitir oxígeno. Así es como se ve la reacción de absorción de KhP-I (un absorbente químico de cal):
Ca (OH) 2 + CO2 → CaCO3 + H2O
Además, la sustancia absorbente prácticamente no reacciona con el agua. Es decir, cuando el circuito respiratorio se inunde de agua, no ocurrirá nada terrible.
Quedan dudas: añadir oxígeno a la mezcla y (para DA submarinos) igualar la presión en el circuito respiratorio con el externo.
El aparato más simple, un rebreather de oxígeno cerrado:
Cuando se abre la válvula del cilindro (10), el oxígeno fluye a través del reductor (11) hacia la válvula de demanda pulmonar (7) y el bypass manual (12).
Durante la inhalación, el oxígeno ingresa a la bolsa de inhalación (6) y la manguera de inhalación a través de la válvula de demanda regulada por los pulmones, a través de la válvula de retención (3) hacia la caja de válvulas y a través de la boquilla (1) hacia los pulmones del buceador.
Durante la exhalación, una mezcla de oxígeno y dióxido de carbono a través de la válvula de retención (4) y el tubo de exhalación ingresa al recipiente lleno con un absorbedor (5), donde se purifica a partir de dióxido de carbono y luego vuelve a caer en la bolsa de respiración ( 6).
La caja de válvulas tiene una válvula especial (2) que le permite cortar el flujo de la mezcla hacia la boquilla (y el agua hacia el circuito respiratorio). Esto es en caso de que el buceador necesite apagar el circuito (quitar la boquilla).
Para controlar la presión de oxígeno en el cilindro, se conecta un manómetro (13) al reductor.
Cuando se consume oxígeno de la bolsa de respiración, la falta de oxígeno se repone con la siguiente respiración utilizando una válvula de demanda pulmonar o un bypass manual. Al salir a la superficie, el exceso de mezcla de la bolsa de respiración se elimina al agua a través de la válvula de grabado (8).
Dado que la respiración se produce con oxígeno prácticamente puro, el factor limitante de la profundidad del buceo con un rebreather de oxígeno es la presión parcial de oxígeno.
La mayoría de las máscaras de gas aislantes del tipo KIP-8 funcionan de acuerdo con este esquema.
ASCR
ASCR (rebreather semicerrado activo) es un aparato semicerrado con suministro de gas activo.
El esquema de funcionamiento del aparato es idéntico al de oxígeno, con la diferencia de que se añade un circuito de suministro de gas constante a través de la boquilla (7), y UAN (mezcla oxígeno-nitrógeno) con un contenido de oxígeno superior al aire actúa como una mezcla para respirar.
A través de este circuito, la mezcla respirable se suministra continuamente desde el cilindro y su exceso se ventila a través de la válvula de grabado (8). Debe entenderse que el contenido de oxígeno en el circuito respiratorio siempre será menor que su contenido en la mezcla contenida en el cilindro.
La profundidad de inmersión segura en un dispositivo de este tipo es de ~ 40 m.
También debe tenerse en cuenta que el cálculo de la descompresión cuando se utiliza el ASCR es complejo e impreciso, debido a la imposibilidad práctica de calcular el contenido de oxígeno en el circuito respiratorio.
PSCR
PSCR (rebreather pasivo semicerrado) es un aparato semicerrado con suministro de gas pasivo.
Así es como se ve:
Y el esquema de su trabajo:
Cuando exhala, el gas de la caja de válvulas (1) ingresa a la bolsa inspiratoria, que consta de 3 partes, interna (2) y externa (5) a través de la manguera de exhalación (6). El gas entra en la bolsa interior a través de una válvula de retención (7).
Después del inicio de la inhalación, la válvula (7) se cierra y el gas de la bolsa interior (5) a través de la válvula de purga (10) se extrae al agua y el gas de la bolsa exterior (6) a través del recipiente con el absorbedor (4), la manguera de inhalación (2) y la válvula de la caja (1) se alimentan a los pulmones del buceador. Dado que el volumen de la bolsa exterior es menor que el volumen de los pulmones del buceador, la bolsa inspiratoria plegable abre la válvula de suministro de gas (8). Y al final de la inhalación, se suministra gas a los pulmones desde el cilindro a través de la manguera de suministro (9) conectada a la cámara de presión intermedia en el reductor.
Tal esquema de operación DA permite, a diferencia de los dispositivos con un suministro constante, controlar con mayor precisión el contenido de oxígeno en el circuito de respiración, aunque será menor que en la mezcla del cilindro. Además, el cálculo de la descompresión al utilizar este tipo de DA estará muy cerca del algoritmo de los OT.
Los rebreathers PSCR prácticamente no tienen restricciones sobre la profundidad de uso (dentro de límites razonables, por supuesto) debido a la capacidad de conectar el gas requerido al aparato a través de mangueras de suministro aisladas.
Bolsa respiratoria (anti-pulmones). La válvula de purga y el accesorio para conectar la manguera de suministro de gas son visibles.
Aquí me gustaría señalar que en TODAS las inmersiones de descompresión con dispositivos de CC, los buzos llevan consigo un suministro de gas para que, si el rebreather falla, el buceador pueda ascender, observando TODOS los procedimientos de descompresión desde CUALQUIER punto de la inmersión prevista, utilizando los OTs. Patrón de respiración. Esta acción se llama "rescate".
Entonces, cuando se usa PSCR, el gas de trabajo para el rebreather es simultáneamente un rescate. Estos dispositivos gustan mucho a los buceadores de cuevas debido a la falta de componentes electrónicos, alta resistencia mecánica y facilidad para recalcular la descompresión cuando se cambia a un ciclo abierto.
ECCR
Bueno, el último, el tipo de aparato más "avanzado": ECCR (rebreather electrónico de círculo cerrado) - un aparato de circuito cerrado con control electrónico.
En funcionamiento, el aparato utiliza 2 gases: oxígeno y "diluyente" (diluyente).
El diluyente está formulado para ser adecuado para respirar a la profundidad máxima de inmersión planificada. Cuando exhala, el gas fluye a través de la válvula de retención (4) y la manguera de exhalación hacia el recipiente con el absorbedor (5). Al pasar a través del recipiente, el gas se purifica a partir de CO2. En la salida del bote, hay 3 sensores de oxígeno que miden la presión parcial de oxígeno (PPO2) en la mezcla.
En base a las lecturas de los sensores, la unidad electrónica (21), inyectando oxígeno desde el cilindro (22) a través de la electroválvula (14), lleva la PPO2 al valor fijado por el buceador.
Se utilizan tres sensores para una medición más precisa, ya que los propios sensores no son muy fiables.
El sistema toma como base para calcular la media aritmética de las dos lecturas menos diferentes, ignorando la tercera. Además, el gas, purificado de CO2 y enriquecido con oxígeno, ingresa a la bolsa de respiración, desde donde, cuando se inhala, a través de una manguera hasta la caja de válvulas y los pulmones del buceador.
La presión se iguala por medio de una válvula de demanda (7) gobernada por pulmón conectada al puerto de presión intermedia del regulador del cilindro de diluyente (9).
Como se puede ver en el diagrama de funcionamiento, la mezcla se ventilará solo al ascender, es decir, cuando se sumerja a 100 metros y el volumen de la bolsa de respiración sea de 6 litros, ¡el consumo de un diluyente costoso será de solo ~ 60 litros!
Mientras que un buceador que realiza la misma inmersión con un ciclo de respiración abierto huele MILES de litros de gas.
¿Tengo que escribir que ECCR es el aparato más económico (en términos de consumo de gas)?
Sin embargo, la complejidad del diseño, la corta vida útil y el alto costo de los sensores de oxígeno hacen que el uso del aparato no sea tan económico como podría parecer a primera vista.
MCCR
Existe otro tipo de MCCR (rebreather manual de círculo cerrado): un aparato de circuito cerrado controlado electrónicamente.
Esta es una especie de versión simplificada del dispositivo ECCR.
Quita la electrónica de control, y en lugar de una válvula electromagnética, el oxígeno se suministra constantemente al circuito a través de una boquilla calibrada, pero en una cantidad insuficiente para la vida de un buceador.
Como resultado, durante la operación, el contenido de oxígeno en la mezcla respiratoria disminuye lentamente, y el buceador debe manualmente, usando la válvula de derivación (17), agregar oxígeno a la mezcla, controlando su contenido usando 1 sensor.
Bueno, déjame contarte un poco sobre los dispositivos que se utilizan en nuestra Marina.
IDA-59M
Se parece a esto:
El dispositivo está diseñado para salir de un submarino hundido desde una profundidad de hasta 100 metros como parte de ISP-60 (equipo de aislamiento para un submarinista).
En la configuración estándar, el dispositivo utiliza 2 cilindros de oxígeno y KAGS. El absorbente es una sustancia regeneradora O3. Un cilindro con KAGS (diluyente) se conecta al circuito respiratorio a través de un reductor y una válvula de demanda controlada por pulmón, como en un tanque de oxígeno convencional, pero el oxígeno se suministra constantemente a través de una boquilla, como en un ASCR.
Sin embargo, debido al reductor aislado, el oxígeno se suministra solo a una profundidad de 55 a 65 metros.
En general, el IDA-59M puede operar hasta una profundidad de 170 metros. Para hacer esto, se le conecta un cilindro de helio a través de los accesorios DGB-1, que proporcionan suministro de helio puro al circuito a profundidades de más de 100 metros.
IDA-71
Diseñado para operaciones de buceo ligero a profundidades de hasta 40 m.
Funciona en forma de tanque de oxígeno cerrado (hasta 20 m), o más profundo de 20 m, utilizando un cilindro con UAN 40/60 (40% de oxígeno) incluido en el aparato, según el mismo esquema.
Es de destacar que el aparato contiene no uno, sino dos botes con un absorbedor: uno con HP-I convencional, el segundo con regeneración.
Bueno, para no levantarte dos veces te cuento diseños alternativos SI, para respirar bajo el agua.
Como escribí en la primera parte de este artículo, los humanos necesitan oxígeno para funcionar. Se necesita en un volumen de aproximadamente 1 litro por minuto. Hay dos formas de obtener oxígeno del agua.
1. Extracción de oxígeno disuelto en agua. Es decir, una especie de branquias en los peces.
Entonces, de 4 a 9 miligramos de oxígeno se disuelven en agua (mar). Es fácil calcular que para obtener el 1 litro deseado con un peso de 1,43 gramos, necesitaremos extraer COMPLETAMENTE el oxígeno de 200 litros de agua. ¡Y debes hacerlo en 1 minuto!
Imagine inmediatamente el tamaño de la bomba y su fuente de energía.
Ahora, ¿qué vamos a bombear?
De hecho, existe FÍSICAMENTE una membrana de silicona capaz de "filtrar" el oxígeno del agua. Solo el área de dicha membrana para garantizar la filtración de un litro de oxígeno será de aproximadamente 100 metros cuadrados. metro.! Y todas estas son condiciones ideales.
De hecho, todo es mucho más triste.
Ahora correlacione lo anterior con esto:
Con su desarrollo, el respirador de oxígeno Triton, puede respirar libremente bajo el agua. Esta invención en el campo de los equipos de buceo no requiere cilindros voluminosos y, por lo tanto, es muy ergonómica.
El regulador incluye una boquilla de plástico que solo necesita morder. Las dos alas a los lados de la máscara actúan como las branquias eficientes del animal marino. Su textura escamosa oculta pequeños orificios a través de los cuales se succiona agua hacia el respirador. Las cámaras dentro de las alas separan el oxígeno y liberan el líquido, lo que le permite respirar cómodamente bajo el agua.
Aquí hay algunos detalles específicos de cómo funciona Triton.
- Extrae oxígeno bajo el agua gracias a un filtro en forma de diminutos orificios más pequeños que una molécula de agua.
- Gracias a un compresor muy en miniatura pero muy potente, comprime el oxígeno y lo almacena en un tanque.
“El microcompresor del respirador funciona con una microbatería de próxima generación, 30 veces más pequeña que las baterías actuales y se recarga 1000 veces más rápido que ellas.
El regulador incluye una boquilla de plástico que solo necesita morder. Las dos alas a los lados de la máscara actúan como las branquias eficientes del animal marino. Su textura escamosa oculta pequeños orificios a través de los cuales se succiona agua hacia el respirador. Las cámaras dentro de las alas separan el oxígeno y liberan el líquido, lo que le permite respirar cómodamente bajo el agua.
Aquí hay algunos detalles específicos de cómo funciona Triton.
- Extrae oxígeno bajo el agua gracias a un filtro en forma de diminutos orificios más pequeños que una molécula de agua.
- Gracias a un compresor muy en miniatura pero muy potente, comprime el oxígeno y lo almacena en un tanque.
“El microcompresor del respirador funciona con una microbatería de próxima generación, 30 veces más pequeña que las baterías actuales y se recarga 1000 veces más rápido que ellas.
Si alguien duda, entonces aquí sitio web "Desarrollador".
¿Apreciado?
Aquí estoy yo también.
Pero el desarrollo de los domésticos (no sé cómo llamarlos) - respiradores de agua.
Recuerde la apariencia y equipamiento de los dispositivos regenerativos antes mencionados e intente imaginar sus componentes dentro de este dispositivo.
Preste atención a la dirección de la empresa desarrolladora. Eso es todo lo que necesita saber sobre lo que hacen en Skolkovo. Nanotecnología.
2. Hidrólisis. Es decir, obtener oxígeno mediante la descomposición del agua en oxígeno e hidrógeno.
La reacción se ve así:
2H2O + energía → 2H2 + O2.
Se introduce agua destilada (!) En el reactor y, bajo la acción de una corriente eléctrica, se libera H2 en el cátodo y O2 en el ánodo. En teoría, puede imaginar una fuente de alimentación más o menos compacta para tal instalación.
Por ejemplo, en condiciones ideales, para obtener 2 litros de oxígeno se requiere la capacidad de 1 batería 18650. Otra cosa es que la propia instalación tenga un cierto volumen y peso. Bueno, el agua de los reservorios del planeta Tierra en su composición química está muy lejos de ser destilada.
¿Puede argumentar que puede usar agua corriente, incluida el agua de mar salada?
Sí, es posible, solo para poder usar el oxígeno obtenido en el proceso de su electrólisis para respirar, tendrá que proporcionar un sistema para limpiarlo de diversas impurezas. Y las impurezas no son muy buenas, el cloro, por ejemplo.
Además, no será posible utilizar completamente el oxígeno, recordamos el proceso de intercambio de gases en los pulmones, sí. Y aquí tenemos un aumento en la productividad de la unidad de hidrólisis ybоLa mayor parte del oxígeno se exhalará en el agua, como en un ciclo abierto, o en un circuito de respiración, como en los rebreathers. Con absorbente, bolsa de respiración y otros atributos. Y esto será cierto para la instalación de "filtración" para la obtención de oxígeno.
Es decir, todos estos complejos esquemas nos reemplazan con solo un cilindro de oxígeno. En el nivel tecnológico actual, el globo gana por completo.
De hecho, se utilizan realmente los esquemas descritos anteriormente para obtener oxígeno. Unidades de hidrólisis - en submarinos nucleares y unidades de membrana - para enriquecimiento adicional del aire con oxígeno. En realidad, una planta de membranas puede producir una mezcla con un contenido de oxígeno de hasta el 60%.
Con esto, quizás, terminaré la descripción del aparato respiratorio.