Дыхательные аппараты закрытого цикла. Ребризеры

Ребризеры (аппараты замкнутого цикла)

Как следует из названия, такие аппараты работают по принципу использования выдыхаемого газа.
Как мы узнали из первой части статьи о дыхательных аппаратах, в процессе дыхания человеческий организм поглощает из дыхательной смеси порядка 4 % кислорода и выделяет в неё 4 % углекислого газа. Значит для того, чтобы использовать смесь для дыхания повторно, нужно извлечь из неё CO2 и добавить O2.
Для извлечения из дыхательной смеси CO2 в аппаратах ЗЦ используются 2 типа поглотителей. Регенеративные и известковые.
Регенеративные поглотители, кроме непосредственно поглощения CO2, в процессе работы ещё и выделяют кислород.
Это вроде и хорошо, но, как говорится в одном анекдоте, есть нюанс. И не один.
Химическая реакция зависит от внешних условий, и повлиять на количество выделяемого кислорода практически невозможно. И если ДА используется при давлении 1 ата, то в этом нет ничего страшного, а вот при внешнем давлении более единицы от избыточного содержания кислорода в дыхательной смеси могут быть проблемы, о чем я рассказывал в третьей части статьи о ДА.
И ещё в регенеративном веществе используется асбест, как средство от спекания активной массы, поскольку при химической реакции:
4KO2 + 2CO2 → 2K2CO3 + 3O2  выделяется тепло.
Ну и дополнительный бонус для водолазов: при заливании дыхательного контура водой происходит вот такая реакция:
H2O + KO2 = KOH + O2.
И реакция эта протекает весьма бурно, с пузырями, шипением и пенообразованием.
Наверное, никому объяснять не нужно, что будет с лёгкими, попади в них едкая щёлочь?
Есть и ещё несколько неприятных моментов при использовании регенеративного поглотителя.
Именно по этим причинам использование регенерации сокращается. МЧС, например, практически отказался от регенеративных аппаратов. Военные ещё используют, но это больше от отсутствия средств на современные ДА.
Известковые поглотители при работе поглощают CO2 без выделения кислорода. Вот так выглядит реакция поглощения ХП-И (химического поглотителя известкового):
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
Причём поглощающее вещество практически не реагирует с водой. Т. е. при заливании водой дыхательного контура ничего страшного не произойдёт.
Остаются вопросы: добавления кислорода в смесь и (для подводных ДА) – выравнивания давления в дыхательном контуре с внешним.
Самый простейший аппарат, замкнутый кислородный ребризер:

При открытии вентиля баллона (10) кислород через редуктор (11) поступает к лёгочному автомату (7) и ручному байпасу (12).
При вдохе кислород через лёгочный автомат поступает в мешок вдоха (6) и шланг вдоха, через невозвратный клапан (3) в клапанную коробку и через загубник (1) – в легкие дайвера.
При выдохе смесь кислорода с углекислым газом через невозвратный клапан (4) и трубку выдоха поступает в канистру, заполненную поглотителем (5), где очищается от углекислого газа и затем попадает опять в дыхательный мешок (6).
Клапанная коробка имеет специальный клапан (2), который позволяет перекрыть поступление смеси в загубник (и воды в дыхательный контур). Это на случай, если водолазу нужно выключиться из контура (вынуть загубник).

Для контроля за давлением кислорода в баллоне к редуктору подключен манометр (13).
При расходовании кислорода из дыхательного мешка недостаток его восполняется при следующем вдохе с помощью лёгочного автомата или ручного байпаса. При всплытии излишек смеси из дыхательного мешка удаляется в воду через травящий клапан (8).
Так как дыхание происходит практически чистым кислородом, то лимитирующим фактором глубины погружения с кислородным ребризером является парциальное давление кислорода.
По этой схеме работает большинство изолирующих противогазов типа КИП-8.
ASCR

ASCR (active semi-closed rebreather) – полузамкнутый аппарат с активной подачей газа.

Схема работы аппарата идентична кислородному, с той разницей, что добавляется контур постоянной подачи газа через дюзу (7), и в качестве дыхательной смеси выступает КАС (кислородно-азотная смесь) с содержанием кислорода выше, чем в воздухе.
Через этот контур происходит постоянная подача дыхательной смеси из баллона, а её излишек стравливается через травящий клапан (8). При этом надо понимать, что содержание кислорода в дыхательном контуре будет всегда ниже, чем его содержание в смеси, содержащейся в баллоне.
Безопасная глубина погружения в таком аппарате ~40м.
Также надо отметить, что расчёт декомпрессии при использовании ASCR сложен и неточен, из-за практической невозможности расчёта содержания кислорода в дыхательном контуре.

PSCR

PSCR (passive semi-closed rebreather) – полузамкнутый аппарат с пассивной подачей газа.
Вот так он выглядит:

И схема его работы:

При выдохе газ из клапанной коробки (1) через шланг выдоха (3) поступает в мешок вдоха, состоящий из 2 частей, внутренней (5) и внешней (6). Во внутренний мешок газ поступает через невозвратный клапан (7).
После начала вдоха клапан (7) закрывается, и газ из внутреннего мешка (5) через стравливающий клапан (10) удаляется в воду, а газ из внешнего мешка (6) через канистру с поглотителем (4), шланг вдоха (2) и клапанную коробку (1) подаётся к лёгким водолаза. Поскольку объем внешнего мешка меньше, чем объем лёгких водолаза, сжимающийся мешок вдоха открывает клапан подачи газа (8). И в конце вдоха в лёгкие подаётся газ из баллона через шланг подачи (9), подключенный к камере промежуточного давления в редукторе.
Такая схема работы ДА позволяет, в отличие от аппаратов с постоянной подачей, более точно контролировать содержание кислорода в дыхательном контуре, хотя оно и будет меньше, чем в смеси из баллона. Причём расчёт декомпрессии при использовании этого типа ДА будет весьма близок к алгоритму для ОЦ.
PSCR ребризеры практически не имеют ограничения по глубине применения (в разумных пределах, конечно) за счёт возможности подключать нужный газ к аппарату через изолированные шланги подачи.

    
Дыхательный мешок (противолёгкие). Виден стравливающий клапан и штуцер для подключения шланга подачи газа.

Здесь хотелось бы заметить, что на ВСЕ декомпрессионные погружения с аппаратами ЗЦ водолазы берут с собой запас газа для того, чтобы при выходе из строя ребризера водолаз мог всплыть, с соблюдением ВСЕХ декопроцедур из ЛЮБОЙ точки намеченного погружения, используя схему дыхания ОЦ. Называют этот запас «бейлаутом».
Так вот, при использовании PSCR рабочий газ для ребризера одновременно является и бейлаутом. Такие аппараты очень любят пещерные дайверы из-за отсутствия электронных компонентов, высокой механической прочности и простоте перерасчёта декомпрессии при переходе на открытый цикл.

ECCR

Ну и последний, самый «продвинутый» тип аппаратов: ECCR (electronic closed circle rebreather) – аппарат замкнутого цикла с электронным управлением.

В работе аппарат использует 2 газа: кислород и «дилуент» (разбавитель).
Состав дилуента подбирается таким образом, чтобы он подходил для дыхания на максимальной запланированной глубине погружения. При выдохе газ через невозвратный клапан (4) и шланг выдоха попадает в канистру с поглотителем (5). Проходя через канистру, газ очищается от CO2. На выходе из канистры установлены 3 кислородных датчика, измеряющих парциальное давление кислорода (PPO2) в смеси.
На основании показаний датчиков блок электроники (21), впрыскивая через электромагнитный клапан (22) кислород из баллона (14), доводит PPO2 до значения, заданного водолазом.
Три датчика используются для более точного измерения, поскольку сами датчики не очень надёжны.
Система берёт за основу для расчёта среднее арифметическое от двух наименее различающихся показаний, игнорируя третье. Далее газ, очищенный от CO2 и обогащенный кислородом, попадает в дыхательный мешок, откуда при вдохе – через шланг в клапанную коробку и лёгкие водолаза.
Выравнивание давления происходит с помощью лёгочного автомата (7), подключенного к порту промежуточного давления редуктора баллона с дилуентом (9).
Как видно из схемы работы, стравливание смеси будет происходить только при всплытии, т. е. при погружении на 100 метров и объеме дыхательного мешка в 6 литров, расход дорогого дилуента будет всего лишь ~60 литров!
В то время как водолаз, совершающий такое же погружение, используя открытый цикл дыхания, «снюхает» ТЫСЯЧИ литров газа.
Надо ли писать о том, что ECCR является самым экономным (в плане расхода газа) аппаратом?
Однако сложность конструкции, небольшой срок работы и высокая стоимость кислородных датчиков делают использование аппарата не таким экономически выгодным, как может показаться с первого взгляда.

MCCR

Есть ещё один тип ребризера MCCR (manual closed circle rebreather) – аппарат замкнутого цикла с электронным управлением.
Это некая упрощённая версия ECCR аппарата.
В нём убрана управляющая электроника, и вместо электромагнитного клапана кислород через калиброванную дюзу постоянно подаётся в контур, но в количестве, недостаточном для жизнедеятельности водолаза.
В результате в процессе работы содержание кислорода в дыхательной смеси медленно снижается, и водолаз должен вручную, с помощью байпасного клапана (17) добавлять кислород в смесь, контролируя его содержание по 1 датчику.
Ну и позволю себе рассказать немного об аппаратах, используемых в нашем ВМФ.

ИДА-59М

Выглядит он примерно так:

Аппарат предназначен для выхода из затонувшей подлодки с глубины до 100 метров в составе ИСП-60 (изолирующее снаряжение подводника).
В штатной комплектации аппарат использует 2 баллона с кислородом и КАГС. Поглотитель – регенеративное вещество О3. Баллон с КАГСом (дилуентом) подключается к дыхательному контуру через редуктор и лёгочный автомат, как в обычном кислороднике, а вот кислород подаётся постоянно через дюзу, как в ASCR.
Впрочем, за счёт изолированного редуктора подача кислорода происходит только до глубины 55–65 метров.
Вообще, ИДА-59М может работать до глубины 170 метров. Для этого к нему подключается гелиевый баллон через арматуру ДГБ-1, обеспечивающую подачу чистого гелия в контур на глубинах более 100 метров.

ИДА-71

Предназначен для легководолазных работ на глубинах до 40 м.
Работает либо в виде замкнутого кислородника (до 20 м), либо глубже 20 м, используя входящий в состав аппарата баллон с КАС 40/60 (40 % кислорода), по той же схеме.
Примечательно, что в составе аппарата не одна, а две канистры с поглотителем: одна – с обычным ХП-И, вторая – с регенерацией.
Ну и чтобы два раза не вставать, расскажу об альтернативных конструкциях ДА, для дыхания под водой.
Как я писал в первой части статьи, человеку для функционирования нужен кислород. Необходим он в объеме порядка 1 литра в минуту. Есть два пути получения кислорода из воды.
1. Извлечение растворённого в воде кислорода. Т. е. некое подобие жабр у рыб.
Так вот, в воде (морской) растворено от 4 до 9 миллиграмм кислорода. Несложно подсчитать, что для получения искомого 1 литра, весящего 1,43 грамма, нам потребуется ПОЛНОСТЬЮ извлечь кислород из 200 литров воды. И сделать это нужно за 1 минуту!
Сразу представляем себе размер насоса и источника его питания.
Теперь – через что прокачивать будем?
На самом деле ФИЗИЧЕСКИ существует силиконовая мембрана, способная «отфильтровывать» кислород из воды. Только площадь такой мембраны, для обеспечения фильтрации литра кислорода будет порядка 100 кв. м.! И это всё идеальные условия.
На самом деле всё гораздо печальнее.
А теперь соотнесите вышеописанное с этим:

С помощью его разработки – кислородного респиратора Triton, вы можете свободно дышать под водой. Это изобретение в области дайверского снаряжения не требует громоздких баллонов, а потому весьма эргономично.
Регулятор включает в себя пластиковый загубник, который вам требуется просто прикусить. Два крыла по бокам маски работают как эффективные жабры морского животного. Их чешуйчатая текстура скрывает маленькие отверстия, через которые вода всасывается внутрь респиратора. Камеры внутри крыльев отделяют кислород и выпускают жидкость обратно – таким образом, позволяя вам комфортно дышать под водой.
Вот некоторые специфические детали работы Triton.
– Он извлекает кислород под водой благодаря фильтру в форме крошечных отверстий, которые меньше, чем молекула воды.
– Благодаря очень миниатюрному, но весьма мощному компрессору, он сжимает кислород и запасает его в резервуаре.
– Микрокомпрессор респиратора питается от микробатареи, которая представляет собой разработку следующего поколения, имеет размер в 30 раз меньше существующих на сегодняшний день батарей – и при этом заряжается в 1000 раз быстрее их.

Если кто-то сомневается, то вот сайт «разработчика».
Оценили?
Вот и я тоже.
А вот разработка отечественных (не знаю, как их назвать) – аквабризеров.
Вспомните внешний вид и комплектацию вышеупомянутых регенеративных аппаратов и попробуйте представить их составляющие внутри этого дивайса.
Обратите внимание на адрес компании-разработчика. Это всё, что нужно знать о том, чем занимаются в Сколково. Нанотехнологии.
2. Гидролиз. Т. е. получение кислорода путём разложения воды на кислород и водород.
Реакция выглядит так:
2Н2O + энергия → 2H2+O2.
В реактор подаётся дистиллированная (!) вода и под действием электрического тока на катоде выделяется H2, а на аноде – O2. Теоретически можно представить себе более или менее компактный блок питания для такой установки.
Например, в идеальных условиях для получения 2 литров кислорода потребуется ёмкость 1 аккумулятора формата 18650. Другое дело, что сама установка имеет некий объем и вес. Ну и вода в водоёмах планеты Земля по своему химическому составу весьма далека от дистиллированной.
Вы можете возразить, что можно же использовать и обычную воду, в том числе и солёную морскую?
Да, можно, только чтобы использовать для дыхания кислород, получающийся в процессе её электролиза, придётся предусмотреть систему его очистки от разных примесей. А примеси получаются не очень – хлор, например.
К тому же полностью использовать кислород не получится, вспоминаем о процессе газообмена в лёгких, ага. И тут у нас возникает либо увеличение производительности гидролизной установки, причём большая часть кислорода будет выдыхаться в воду, как при открытом цикле, либо дыхательная петля, как в ребризерах. С поглотителем, дыхательным мешком и прочими атрибутами. И это будет справедливо и для «фильтрационной» установки получения кислорода.
Т. е. все эти сложные схемы заменяют нам всего лишь кислородный баллон. На текущем технологическом уровне баллон выигрывает вчистую.
На самом деле вышеописанные схемы получения кислорода реально используются. Гидролизные установки – на АПЛ, а мембранные – для дообогащения воздуха кислородом. В реалии на мембранной установке можно получать смесь с содержанием кислорода до 60 %.
На этом я, пожалуй, закончу описание дыхательных аппаратов.

                                                                                                                        Автор:  Ставцев Олег