Дыхательная способность регуляторов - Breathing performance of regulators

Типичный график, полученный при проверке дыхательной способности регулятора для дайвинга.

В показатели дыхания регуляторов - это мера способности регулятора дыхательного газа удовлетворять предъявляемые к нему требования при различных давлениях и температурах окружающей среды, а также при различных нагрузках на дыхание для целого ряда газов для дыхания, которые он может подавать. Характеристики - важный фактор при разработке и выборе регуляторов дыхания для любого применения, но особенно для подводное плавание, так как диапазон рабочих давлений и температур окружающей среды, а также разнообразие дыхательных газов в этом случае шире. А регулятор для дайвинга это устройство, которое снижает высокое давление в баллон для дайвинга или шланг для подачи воды на поверхность под такое же давление, что и в окружающей среде дайвера. Желательно, чтобы дыхание от регулятора требовало небольших усилий даже при подаче большого количества дыхательный газ так как это обычно является ограничивающим фактором для подводных нагрузок и может иметь решающее значение во время чрезвычайных ситуаций при дайвинге. Также предпочтительно, чтобы газ подавался плавно, без каких-либо резких изменений сопротивления при вдохе или выдохе, и чтобы регулятор не блокировался и либо не подавал газ, либо не давал свободного потока. Хотя об этих факторах можно судить субъективно, удобно иметь стандарты с помощью которого можно объективно сравнить множество различных типов и производителей регуляторов.

Различные дыхательные аппараты были разработаны и используются для оценки работы дыхательных аппаратов.[1] Ansti Test Systems разработала система под ключ который измеряет усилие вдоха и выдоха с помощью регулятора и строит графики, показывающие работа дыхания при заданном глубинном давлении и минутный объем дыхания для используемой газовой смеси.[2] Публикация результатов работы регуляторов на испытательной машине ANSTI привела к повышению производительности.[3]

Приложения

Эффективность дыхания регулятора важна во всех обстоятельствах, когда регулятор потребления используется для подачи газа для дыхания. В некоторых из этих приложений достаточно простой регулятор будет работать адекватно. В других приложениях производительность регулятора может ограничивать производительность пользователя. Высокопроизводительный регулятор для данной комбинации газовой смеси и атмосферного давления обеспечит низкую работу дыхания при высоком RMV.

Другим аспектом характеристик дыхания является работа регулятора расхода в холодной воде, где высокая скорость потока может вызвать охлаждение, достаточное для блокировки механизма льдом, что обычно вызывает сильный свободный поток с последующей потерей дыхательного газа, которую можно только остановить. перекрыв вентиль баллона.

  • Подводное плавание с аквалангом - Весь дыхательный газ переносится дайвером в баллонах высокого давления.
  • Дайвинг с поверхности - Газ для дыхания подается с поверхности в широком диапазоне глубин
  • Встроенные дыхательные системы в гипербарической среде - газ с высоким содержанием кислорода выводится наружу через выхлопной регулятор, чтобы избежать высокого риска возгорания. Высокая производительность обычно не требуется, поскольку пользователь обычно отдыхает.
  • Кислородный прием для оказания первой помощи при несчастных случаях при дайвинге - Высокая фракция кислорода при поверхностном давлении, довольно низкая скорость потока, но пользователь может получить травму и затруднить дыхание.
  • Дыхательный аппарат для работы в недоступной для дыхания атмосфере - Обычно при атмосферном давлении, близком к нормальному, воздух для дыхания. Скорость работы может быть высокой, но не чрезмерной. Дыхание с положительным давлением можно использовать в токсичных атмосферах, чтобы снизить риск загрязнения из-за утечек.
    • Автономный дыхательный аппарат (SCBA) для спасения и тушения пожаров - пользователям, возможно, придется много работать в сложных условиях, но диапазон давления обычно близок к нормальному атмосферному давлению. Скорость работы может быть очень высокой в ​​экстренных случаях. Можно использовать маски положительного давления, которые смещают график давления, но не обязательно увеличивают чистую работу дыхания.
  • Аварийная подача газа для дыхания на подводных лодках (BIBS) - Условия выживания при непредсказуемых давлениях.
  • Подача кислорода для негерметичных самолетов - Низкое атмосферное давление из-за большой высоты. Подача воздуха, обогащенная дополнительным кислородом. Ожидаемая скорость потока не будет очень высокой

Актуальность

Здоровый человек, находящийся в состоянии покоя при приземном атмосферном давлении, затрачивает на дыхание лишь небольшое количество доступных усилий. Это может значительно измениться, поскольку плотность дыхательного газа увеличивается при повышении давления окружающей среды. Когда энергия, затрачиваемая на удаление углекислого газа, производит больше углекислого газа, чем удаляет, человек будет страдать от гиперкапнии в цикле положительной обратной связи, заканчивающемся потерей сознания и, в конечном итоге, смертью. На работу дыхания влияют частота дыхания, характер дыхания, плотность газа, физиологические факторы и характеристики гидродинамики дыхательного аппарата, а именно сопротивление трения потоку и перепады давления, необходимые для открытия клапанов и удержания их открытыми для потока.

Плотность вдыхаемого газа можно уменьшить, используя гелий в качестве основного компонента, с добавлением достаточного количества кислорода в зависимости от обстоятельств и сохранения парциального давления, достаточного для поддержания сознания, но не настолько, чтобы вызывать проблемы кислородного отравления. На сопротивление трения потоку влияют форма и размер газовых каналов, а также давление, плотность, вязкость и скорость газа. Давление открытия клапана является фактором конструкции и настройки клапанных механизмов. Характеристики дыхания регуляторов предполагают заданную плотность газа и измеряют сопротивление потоку во время полного цикла дыхания с заданной объемной скоростью потока как перепад давления между мундштуком и внешней средой.

Измерение

Работа дыхания

Основная статья: Работа дыхания

Работа дыхания (WOB) - это энергия, затрачиваемая на вдыхать и выдох а дыхание газ. Обычно он выражается как работа на единицу объема, например, джоули / литр, или как скорость работы (мощность), например, джоули / мин или эквивалентные единицы, так как это не особенно полезно без ссылки на объем или время. Он может быть рассчитан как давление в легких, умноженное на изменение объема легких, или потребление кислорода, связанное с дыханием.[4][5]

Общая работа дыхания при использовании дыхательного аппарата складывается из физиологической работы дыхания и механической работы дыхательного аппарата. В нормальном состоянии покоя физиологическая работа дыхания составляет около 5% от общего потребления кислорода телом. Может значительно увеличиться из-за болезни[6] или ограничения на поток газа, налагаемые дыхательным аппаратом, давлением окружающей среды или составом дыхательного газа.

Проверка функции холодной воды

Экспериментальное водолазное подразделение ВМС США Процедуры испытаний в холодной воде без участия человека (1994 г.) использовались в качестве неофициального стандарта для испытаний в холодной воде различными военными пользователями и основными производителями оборудования.[7]

Европейский стандарт CE для открытых контуров EN 250 от 1993 года установил более высокий уровень для испытаний подводного плавания с открытым контуром на характеристики дыхания, испытания холодной водой, испытание, давление, механическое давление, температуру хранения и CO2 промыть пробы. Стандарт также устанавливает требования к анализ режимов и последствий отказов, и другие вопросы, связанные с производством, гарантия качества и документация. Этот стандарт обратил внимание на проблемы, связанные с большим количеством существующего оборудования, и привел к значительным улучшениям в характеристиках регулятора холостого хода.[7]

Первые испытания, проведенные ВМС США, положили начало имитационным испытаниям подводных дыхательных аппаратов в конце 1970-х годов. Системы имитации дыхания, созданные Стивеном Реймерсом, были куплены Министерством обороны Великобритании и некоторыми частными производителями оборудования, такими как Системы подводного плавания Кирби Морган, и помог разработать европейские стандарты в начале 1990-х годов, но внедрение полной системы имитатора дыхания ООО «АНСТИ Тестовые Системы» в Великобритании сделали возможным тестирование на симуляторе дыхания, которое является нынешней практикой. Компьютеризированные системы имитатора дыхания ANSTI позволяют проводить испытания быстрее, проще и точнее, а также предназначены для испытаний при любых реальных температурах воды.[7]

Система включает точный контроль влажности и температуры выдоха, а также контроль температуры воды в окружающей среде от 0 до 50 ° C (от 32 до 122 ° F), средства для дыхания за дыханием CO2 анализ и контроль уставки ребризера с замкнутым контуром, а также испытание на выносливость скруббера.[7]Ни стандарт EN250, ни процедуры испытаний беспилотных аппаратов ВМС США не используют в качестве основы для испытаний какие-либо реальные сценарии погружения с человеком, включая испытания в холодной воде. Процедура ВМС США заключалась в испытании регуляторов, прежде всего, на глубине 190 футов (58 футов) в воде от 28 до 29 ° F (от −2 до −2 ° C) при очень высокой скорости дыхания 62,5 л / мин в течение минимум 30 минут, при давлении на входе в первую ступень 1500 фунтов на квадратный дюйм (100 бар), что приводит к средней температуре на входе второй ступени около 7 ° F (-14 ° C) по сравнению со средним значением -13 ° F (−25 ° C) при использовании 3000 фунтов на квадратный дюйм (210 бар).[7]Критерии испытаний холодной воды ВМС США и критерии испытаний EN250 ЕС основаны на том, соответствует ли регулятор минимальным требованиям к характеристикам дыхания и начинается ли свободный поток. Очень немногие регуляторы могут пройти этот тест, потому что все регуляторы будут образовывать лед на второй стадии в экстремальных условиях испытания, хотя это не может привести к свободному течению регулятора или выходу за пределы критериев эффективности.[7]

При испытаниях в холодной воде, указанных в стандарте EN250: 2000, регуляторы акваланга испытывались в воде с температурой 4 ° C (39 ° F) или ниже. Регуляторы испытываются как в положении, направленном вперед, так и в положении вниз. Тест начинается при (50 msw) 165 FSW, и регулятор дышит со скоростью 62,5 л / мин в течение пяти минут. Чтобы пройти, регулятор должен оставаться в пределах работа дыхания ограничения и не должны свободно течь. Образование льда не считается до тех пор, пока лед не ухудшает характеристики дыхания, превышающие минимальные требования к характеристикам, и не течет свободно.[7]

В тесте CE используется подача воздуха, начиная с самого высокого давления, на которое рассчитан регулятор, и осуществляется вдыхание в течение пяти минут со скоростью 62,5 л / мин при температуре выдоха 28 ± 2 ° C (82,4 ± 3,6 ° F) и относительной влажности выдоха не выше. менее 90%.[7]

Машина ANSTI

Имитатор дыхания ANSTI рассчитан на максимальное рабочее давление 100 мс. Он использует поршневой механизм для обеспечения точного и воспроизводимого смещения объема с помощью механизма привода синусоидальной волны. Он имеет регулируемые параметры дыхательного объема и частоты дыхания, которые могут обеспечивать скорость вентиляции от 10 до 180 литров в минуту.[8]

Стандарты ЕС

в Евросоюз стандарт EN250: 2000 Респираторное оборудование. Автономный водолазный аппарат на сжатом воздухе открытого цикла. Требования, тестирование, маркировка определяет минимальные стандарты производительности для «Автономного водолазного снаряжения с открытым контуром»,[9] и BS 8547: 2016 определяет требования к регуляторам спроса, которые должны использоваться на глубинах более 50 м.[10] EN 13949: 2003 - Респираторное оборудование - Автономный водолазный аппарат с открытым контуром для использования со сжатым азотом и кислородом - Требования, испытания, маркировка определяет требования к регуляторам, которые должны использоваться с повышенным уровнем кислорода.[11]

Стандарт содержит ограничения на давление вдоха и выдоха, а также общую работу дыхания. Он определяет следующее в условиях испытаний при скорости дыхания 62,5 литра (2,2 куб.фута) в минуту и ​​давлении окружающей среды 6 бар (600 кПа):

  • Работа дыхания: <3,0 джоулей на литр
  • Пиковое давление при дыхании: ± 25 мбар (± 2,5 кПа) (вдох или выдох)
  • Ингаляционная работа дыхания: <0,3 Дж на литр
  • Скачки давления при отсутствии измеримой положительной работы дыхания: <10 мбар (1 кПа)
  • Скачки давления при измеряемой положительной работе дыхания: <5 мбар (0,5 кПа)

Хотя регулятор, отвечающий указанным выше ограничениям, будет подавать достаточное количество воздуха, когда первая ступень питает единственную вторую ступень, он не обязательно способен подавать достаточное количество воздуха во всех обстоятельствах, когда одна первая ступень питает две вторые ступени одновременно.[12]

Связанные стандарты

В Европе, EN 250: 2014 - Респираторное оборудование - Автономный подводный аппарат со сжатым воздухом с открытым контуром - Требования, испытания и маркировка определяет минимальные требования к характеристикам дыхания регуляторов.[11] и BS 8547: 2016 определяет требования к регуляторам спроса, которые должны использоваться на глубинах более 50 м.[10] EN 13949: 2003 - Респираторное оборудование - Автономный водолазный аппарат с открытым контуром для использования со сжатым азотом и кислородом - Требования, испытания, маркировка.[11] определяет требования к регуляторам, которые будут использоваться с повышенным уровнем кислорода.

EN 15333 - 1: 2008 COR 2009 - Респираторное оборудование - Пневматический подводный аппарат с открытым контуром, подводящий сжатый газ - Часть 1: Аппарат по требованию. и EN 15333 - 2: 2009 - Респираторное оборудование - Пневматический подводный аппарат с подводом сжатого газа открытого цикла - Часть 2: Аппарат свободного потока.[11]

ЯВЛЯЕТСЯ. EN 14143: 2013 - Респираторное оборудование - Автономный дыхательный аппарат для дайвинга[11] определяет минимальные требования к ребризерам.

Военные США

В Вооруженных силах США стандартом для регуляторов подводного плавания с одним шлангом был MIl-R-24169B, который в настоящее время снят.[13][14][15][16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Реймерс, С. Д. (1973). «Рабочие характеристики и основные конструктивные особенности дыхательного аппарата для использования на глубине до 3000 футов морской воды». Технический отчет экспериментального водолазного подразделения ВМС США. НЭДУ-20-73. Получено 2008-06-12.
  2. ^ «Испытательная станция регулятора спроса». Ансти Тестовые Системы, ООО 19.06.2003. Получено 2009-09-14.
  3. ^ «Машина ANSTI: оценка характеристик дыхания регулятора - Журнал подводного плавания». Архивировано из оригинал на 09.02.2010.
  4. ^ Медицинский словарь для профессий здравоохранения и медсестер. S.v. «работа дыхания». Получено 8 сентября 2015 г. из http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/work+of+breathing
  5. ^ Медицинский словарь. S.v. «работа дыхания». Получено 8 сентября 2015 г. из http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/work+of+breathing
  6. ^ Медицинский словарь Мосби, 8-е издание. S.v. «работа дыхания». Получено 8 сентября 2015 г. из http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/work+of+breathing
  7. ^ а б c d е ж грамм час Уорд, Майк (9 апреля 2014 г.). Замерзание в регуляторе подводного плавания: факты, вызывающие переохлаждение, и риски, связанные с погружениями в холодной воде (отчет). Панама-Бич, Флорида: Dive Lab, Inc.
  8. ^ сотрудники. «Центр испытаний оборудования жизнеобеспечения» (PDF). Получено 18 ноября 2016.
  9. ^ ISBN  0-580-35713-9 Британский институт стандартов
  10. ^ а б Комитет PH / 4/7 (31 марта 2016 г.). BS 8547: 2016 - Респираторное оборудование. Регулятор потребности в газе для дыхания, используемый для погружений на глубину более 50 метров. Требования и методы испытаний. Лондон: Британский институт стандартов. ISBN  978 0 580 89213 4.
  11. ^ а б c d е Персонал (август 2014 г.). «Дыхательный аппарат для дайвинга» (PDF). Стандарты дайвинга. Дублин: Управление здравоохранения и безопасности. Архивировано из оригинал (PDF) в 2016-11-18. Получено 18 ноября 2016.
  12. ^ Энтони, Т. Г.; Фишер, А. С .; Гулд, Р. Дж. «НИУ ВШЭ публикует исследование эффективности регуляторов« осьминоги »для подводного плавания» (PDF). Отчет об исследовании 341. Норидж, Великобритания: HMSO. ISBN  0 7176 6101 6. Получено 18 ноября 2016.
  13. ^ Миддлтон, младший (1980). «Оценка имеющихся в продаже регуляторов подводного плавания открытого цикла». Технический отчет экспериментального водолазного подразделения ВМС США. НЭДУ-2-80. Получено 2008-06-12.
  14. ^ Морсон, П. Д. (1987). «Оценка имеющихся в продаже регуляторов подводного плавания открытого цикла». Технический отчет экспериментального водолазного подразделения ВМС США. НЭДУ-8-87. Получено 2008-06-12.
  15. ^ Варкандер, Д. Э. (2007). «Всеобъемлющие пределы эффективности для подводного дыхательного оборудования дайверов: последствия принятия ограничений, ориентированных на дайверов». Технический отчет экспериментального водолазного подразделения ВМС США. NEDU-TR-07-02. Получено 2008-06-12.
  16. ^ Персонал (22 февраля 1982 г.). «MIL-R-24169› Регулятор расхода воздуха, один шланг, Diver S ». Министерство обороны США. Получено 27 ноября 2016.