Wydajność oddechowa automatów - Breathing performance of regulators

Typowy wykres tworzony podczas testowania wydajności oddychania automatu oddechowego

Wydajność oddechowa automatów oddechowych jest miarą zdolności automatu oddechowego do sprostania stawianym mu wymaganiom przy różnych ciśnieniach i temperaturach otoczenia oraz przy różnych obciążeniach oddechowych, w zakresie gazów oddechowych, które może dostarczać. Wydajność jest ważnym czynnikiem przy projektowaniu i doborze automatów oddechowych do dowolnego zastosowania, ale szczególnie do nurkowania pod wodą , ponieważ zakres ciśnień i temperatur otoczenia oraz różnorodność gazów oddechowych jest w tym zastosowaniu szerszy. Automat do nurkowania to urządzenie, które redukuje wysokie ciśnienie w butli nurkowej lub wężu powierzchniowym do takiego samego ciśnienia, jakie panuje w otoczeniu nurka. Pożądane jest, aby oddychanie z automatu wymagało niewielkiego wysiłku, nawet przy dostarczaniu dużych ilości gazu oddechowego, ponieważ jest to zwykle czynnik ograniczający wysiłek pod wodą i może być krytyczny podczas nagłych sytuacji nurkowych. Zalecane jest również, aby gaz był dostarczany płynnie, bez żadnych nagłych zmian oporu podczas wdechu lub wydechu, a także aby regulator nie blokował się i nie dostarczał gazu lub swobodnego przepływu. Chociaż czynniki te można ocenić subiektywnie, wygodnie jest mieć standardy, według których można obiektywnie porównać wiele różnych typów i producentów regulatorów.

Opracowano różne maszyny do oddychania i zastosowano je do oceny działania aparatów oddechowych. Firma Ansti Test Systems opracowała system „pod klucz”, który mierzy wysiłek przy wdechu i wydechu przy użyciu automatu oddechowego i tworzy wykresy wskazujące pracę oddychania przy ustawionym ciśnieniu głębokości i minutowej objętości oddechowej dla używanej mieszaniny gazów. Opublikowanie wyników działania regulatorów w maszynie testowej ANSTI zaowocowało poprawą wydajności.

Aplikacje

Wydajność oddechowa automatu oddechowego jest istotna we wszystkich okolicznościach, w których do dostarczania gazu do oddychania używany jest automat oddechowy. W niektórych z tych zastosowań bardzo podstawowy regulator będzie działał odpowiednio. W innych zastosowaniach działanie regulatora może ograniczać wydajność użytkownika. Wysokowydajny regulator dla danej kombinacji mieszaniny gazów i ciśnienia otoczenia zapewni niską pracę oddechową przy wysokim RMV.

Innym aspektem wydajności oddychania jest działanie regulatora zapotrzebowania w zimnej wodzie, gdzie wysokie natężenie przepływu może powodować wychłodzenie wystarczające do zablokowania mechanizmu lodem, co zwykle powoduje poważny swobodny przepływ, aw konsekwencji utratę gazu oddechowego, który można jedynie zatrzymać. zamykając zawór butli.

  • Nurkowanie - nurek przenosi cały gaz do oddychania w butlach wysokociśnieniowych
    • Nurkowanie rekreacyjne - powietrze i nitrox przy ciśnieniu otoczenia do około 30 msw
    • Nurkowanie techniczne - Ciśnienie otoczenia może znacznie przekraczać 30 msw
      • Gaz mieszany - Oddychanie gazami zawierającymi hel w celu ograniczenia narkozy i pracy związanej z oddychaniem
      • Gaz dekompresyjny - Gazy oddechowe o wysokim ciśnieniu parcjalnym tlenu, generalnie niezbyt wysokim ciśnieniu otoczenia
  • Nurkowanie z zasilaniem powierzchniowym - Gaz oddechowy dostarczany z powierzchni na szerokim zakresie głębokości
  • Wbudowane systemy oddechowe w środowiskach hiperbarycznych - Gaz o wysokiej zawartości tlenu jest odprowadzany na zewnątrz przez regulator wydechu, aby uniknąć wysokiego ryzyka pożaru. Wysoka wydajność nie jest generalnie potrzebna, ponieważ użytkownik normalnie odpoczywa.
  • Podawanie tlenu w celu udzielenia pierwszej pomocy w wypadkach nurkowych - Wysoki udział tlenu przy ciśnieniu powierzchniowym, dość niskie natężenie przepływu, ale użytkownik może odnieść obrażenia i mieć trudności z oddychaniem.
  • Aparat oddechowy do pracy w atmosferze, w której nie można oddychać - Zwykle przy ciśnieniu otoczenia zbliżonym do normalnego ciśnienia atmosferycznego, oddychanie powietrzem. Wskaźnik pracy może być wysoki, ale nie powinien być ekstremalny. W atmosferach toksycznych można stosować oddychanie dodatnim ciśnieniem, aby zmniejszyć ryzyko zanieczyszczenia z powodu nieszczelności.
    • Niezależne aparaty oddechowe (SCBA) do ratownictwa i gaszenia pożarów - użytkownicy mogą być zmuszeni do ciężkiej pracy w trudnych warunkach, ale zakres ciśnień jest na ogół zbliżony do normalnego ciśnienia atmosferycznego. Wskaźnik pracy może być ekstremalny w nagłych wypadkach. Można stosować maski nadciśnieniowe, które zrównoważy wykres ciśnienia, ale niekoniecznie zwiększy pracę netto oddychania.
  • Awaryjne zaopatrzenie w gaz do oddychania na okrętach podwodnych (BIBS) - Warunki przetrwania przy nieprzewidywalnych ciśnieniach.
  • Dopływ tlenu do samolotów bezciśnieniowych - Niskie ciśnienie otoczenia ze względu na dużą wysokość. Dopływ powietrza wzbogacony o dodatkowy tlen. Przepływ nie powinien być bardzo wysoki

Stosowność

Zdrowa osoba odpoczywająca przy powierzchniowym ciśnieniu atmosferycznym zużywa tylko niewielką ilość dostępnego wysiłku na oddychanie. Może się to znacznie zmienić, gdy gęstość gazu oddechowego wzrasta przy wyższym ciśnieniu otoczenia. Kiedy energia wydatkowana na usunięcie dwutlenku węgla wytwarza więcej dwutlenku węgla niż usuwa, osoba cierpi na hiperkapnię w pozytywnym cyklu sprzężenia zwrotnego, kończącym się utratą przytomności i ostatecznie śmiercią. Na pracę oddechową wpływają częstość oddechów, sposób oddychania, gęstość gazów, czynniki fizjologiczne i szczegóły dotyczące dynamiki płynów aparatu oddechowego, takie jak opór tarcia przy przepływie oraz różnice ciśnień wymagane do otwarcia zaworów i utrzymania ich w stanie otwartym dla przepływu.

Gęstość gazów oddechowych można zmniejszyć, stosując hel jako podstawowy składnik, dodając wystarczającą ilość tlenu, aby dostosować się do okoliczności i utrzymać ciśnienie parcjalne wystarczające do podtrzymania świadomości, ale nie na tyle, aby spowodować problemy z toksycznością tlenu. Na opór tarcia przepływu wpływa kształt i wielkość kanałów gazowych oraz ciśnienie, gęstość, lepkość i prędkość gazu. Ciśnienie pękania zaworu jest czynnikiem wpływającym na konstrukcję i ustawienia mechanizmów zaworowych. Wydajność oddechowa regulatorów zakłada, że ​​gęstość gazu jest określona i mierzy opór przepływu podczas pełnego cyklu oddychania przy danym objętościowym natężeniu przepływu jako spadek ciśnienia między ustnikiem a środowiskiem zewnętrznym.

Pomiary

Praca nad oddychaniem

Główny artykuł: Praca z oddychaniem

Pracuj z oddychaniem (WOB) to energia wydatkowana na wdech i wydech do oddychania gaz. Zwykle jest wyrażany jako praca na jednostkę objętości, na przykład w dżulach / litr lub jako współczynnik pracy (moc), taki jak dżule / min lub równoważne jednostki, ponieważ nie jest szczególnie przydatny bez odniesienia do objętości lub czasu. Można go obliczyć jako ciśnienie w płucach pomnożone przez zmianę objętości płuc lub zużycie tlenu związane z oddychaniem.

Całkowita praca oddechowa podczas korzystania z aparatu oddechowego jest sumą fizjologicznej pracy oddechowej i mechanicznej pracy oddychania aparatu. W normalnym stanie spoczynku fizjologiczna praca oddechowa stanowi około 5% całkowitego zapotrzebowania organizmu na tlen. Może znacznie wzrosnąć z powodu choroby lub ograniczeń przepływu gazu narzuconych przez aparat oddechowy, ciśnienie otoczenia lub skład gazu do oddychania.

Testowanie funkcji zimnej wody

Procedury bezzałogowych testów zimnej wody na jednostce nurkowej Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych (1994) zostały wykorzystane jako nieoficjalny standard testów zimnej wody przez różnych użytkowników wojskowych i głównych producentów sprzętu.

Europejska norma CE dotycząca obwodu otwartego EN 250 z 1993 r. Ustanowiła wyższy poziom dla testów z akwalungiem w obwodzie otwartym pod kątem wydajności oddychania, testów w zimnej wodzie, testów wytrzymałościowych, ciśnieniowych, mechanicznych, temperatur przechowywania i wymywania CO 2 . Norma określa również wymagania dotyczące trybów awarii i analizy skutków oraz innych kwestii związanych z produkcją, zapewnianiem jakości i dokumentacją. Norma ta zwróciła uwagę na problemy z wieloma istniejącymi urządzeniami i doprowadziła do znacznych ulepszeń w działaniu regulatora z obiegiem otwartym.

Wczesne testy przeprowadzone przez marynarkę wojenną USA były początkiem testów symulacyjnych podwodnych aparatów oddechowych pod koniec lat siedemdziesiątych. Systemy symulatorów oddechu zbudowane przez Stephena Reimersa zostały zakupione przez Ministerstwo Obrony Wielkiej Brytanii oraz przez niektórych prywatnych producentów sprzętu, takich jak Kirby Morgan Diving Systems , i pomogły w opracowaniu europejskich standardów na początku lat 90. ANSTI Test Systems Ltd w Wielkiej Brytanii umożliwiła dokładne testowanie symulatora oddechu, które jest obecnie stosowaną praktyką. Skomputeryzowane systemy symulatorów oddechu ANSTI umożliwiły szybsze, łatwiejsze i dokładniejsze testy i są przeznaczone do testowania we wszystkich realistycznych temperaturach wody.

System obejmuje precyzyjną kontrolę wilgotności i temperatury wydechu, a także kontrolę temperatury wody w środowisku od 0 do 50 ° C (32 do 122 ° F), urządzenia do analizy CO 2 oddech po oddechu, kontrolę wartości zadanej rebreathera z zamkniętym obiegiem i testy wytrzymałościowe skrubera. Ani norma EN250, ani procedury testów bezzałogowych Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych nie opierają się na żadnym scenariuszu nurkowania w świecie rzeczywistym, w tym w testach w zimnej wodzie. Procedura US Navy polegała na testowaniu automatów głównie na głębokości 190 fsw (58 msw) w wodzie 28 do 29 ° F (-2 do -2 ° C) przy bardzo wysokim współczynniku oddychania 62,5 l / min przez co najmniej 30 minut, przy ciśnieniu wlotowym do pierwszego stopnia wynoszącym 1500 funtów na cal kwadratowy (100 barów), co skutkuje średnią temperaturą wlotową drugiego stopnia wynoszącą około 7 ° F (-14 ° C), w porównaniu ze średnią -13 ° F (−25 ° C), jeśli zostanie użyte 3000 funtów na cal kwadratowy (210 barów). Kryteria testowe dla zimnej wody Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych oraz kryteria testowe UE EN250 opierają się na tym, czy automat spełnia minimalne wymagania dotyczące wydajności oddychania i czy rozpoczyna się swobodny przepływ. Bardzo niewiele regulatorów może przejść ten test, ponieważ wszystkie regulatory będą tworzyć lód w drugim etapie w ekstremalnych warunkach testowych, chociaż może to nie spowodować swobodnego przepływu regulatora lub wykraczać poza kryteria wydajności.

Testy w zimnej wodzie określone w normie EN250: 2000 obejmują automaty do nurkowania testowane w wodzie o temperaturze 4 ° C (39 ° F) lub niższej. Regulatory są testowane zarówno w pozycji skierowanej do przodu, jak i do dołu. Test rozpoczyna się przy (50 msw) 165 fsw, a automat oddycha się przy 62,5 l / m przez pięć minut. Aby przejść, automat musi pozostawać w granicach pracy oddychania i nie może swobodnie przepływać. Nie bierze się pod uwagę tworzenia się lodu, o ile lód nie pogarsza wydajności oddychania poza minimalne wymagania dotyczące wydajności i nie ma swobodnego przepływu.

Test CE wykorzystuje dopływ powietrza rozpoczynający się przy najwyższym ciśnieniu, na jakie reduktor jest przeznaczony, i jest on wdychany przez pięć minut przy 62,5 l / min przy temperaturze wydechu 28 ± 2 ° C (82,4 ± 3,6 ° F) i przy wydychanej wilgotności względnej nie mniej niż 90%.

Maszyna ANSTI

Symulator oddechu ANSTI jest przystosowany do maksymalnego ciśnienia roboczego 100 msw. Wykorzystuje mechanizm tłokowy, aby zapewnić dokładne i powtarzalne przemieszczanie objętości z mechanizmem napędu fali sinusoidalnej. Posiada regulowane ustawienia objętości oddechowej i częstości oddechów, które zapewniają częstość wentylacji od 10 do 180 litrów na minutę.

Normy UE

W Unii Europejskiej norma EN250: 2000 Sprzęt do oddychania. Samodzielny aparat do nurkowania z obiegiem otwartym na sprężone powietrze. Wymagania, testowanie, znakowanie definiuje minimalne standardy wydajności dla „samodzielnych aparatów do nurkowania na sprężone powietrze z obiegiem otwartym”, a BS 8547: 2016 określa wymagania dla regulatorów zapotrzebowania, które mają być stosowane na głębokościach przekraczających 50 m. EN 13949: 2003 - Sprzęt do oddychania - Samodzielny aparat do nurkowania z obiegiem otwartym do użytku ze sprężonym nitroksem i tlenem - Wymagania, badanie, znakowanie określa wymagania dotyczące automatów oddechowych do stosowania przy podwyższonych poziomach tlenu.

Norma zawiera ograniczenia dotyczące ciśnień wdechowych i wydechowych oraz ogólnej pracy oddechowej. W warunkach testowych przy szybkości oddychania wynoszącej 62,5 litra (2,2 stopy sześciennej) i ciśnieniu otoczenia wynoszącym 6 barów (600 kPa) określono następujące parametry:

  • Praca przy oddychaniu: <3,0 dżuli na litr
  • Szczytowe ciśnienie oddechowe: ± 25 mbar (± 2,5 kPa) (wdech lub wydech)
  • Wdychanie oddechowe: <0,3 dżula na litr
  • Skoki ciśnienia bez mierzalnej dodatniej pracy oddechowej: <10 mbar (1 kPa)
  • Skoki ciśnienia z mierzalną pozytywną pracą oddechową: <5 mbar (0,5 kPa)

Chociaż regulator spełniający powyższe ograniczenia dostarczy wystarczającą ilość powietrza, gdy pierwszy stopień zasila jeden drugi stopień, niekoniecznie jest w stanie dostarczyć wystarczającą ilość powietrza we wszystkich okolicznościach, gdy jeden pierwszy stopień zasila jednocześnie dwa drugie stopnie.

Powiązane normy

W Europie norma EN 250: 2014 - Sprzęt oddechowy - Niezależny aparat do nurkowania na sprężone powietrze z obiegiem otwartym - Wymagania, testowanie i znakowanie definiuje minimalne wymagania dotyczące wydajności oddechowej regulatorów, a BS 8547: 2016 określa wymagania dotyczące regulatorów zapotrzebowania, które mają być używane w głębokości przekraczające 50 m. EN 13949: 2003 - Sprzęt do oddychania - Niezależny aparat do nurkowania z obiegiem otwartym do użytku ze sprężonym nitroksem i tlenem - Wymagania, badanie, znakowanie. określa wymagania dla automatów do stosowania przy podwyższonych poziomach tlenu.

EN 15333-1: 2008 COR 2009 - Sprzęt do oddychania - Aparaty do nurkowania z otwartym obwodem zasilanym z przewodu zasilającego na sprężony gaz - Część 1: Aparatura na żądanie. oraz EN 15333-2: 2009 - Sprzęt do oddychania - Aparaty do nurkowania z otwartym obwodem zasilanym z przewodu pępowinowego na sprężony gaz - Część 2: Aparaty o swobodnym przepływie.

IS EN 14143: 2013 - Sprzęt oddechowy - Niezależny aparat do nurkowania z oddychaniem definiuje minimalne wymagania dla aparatów oddechowych.

Wojsko USA

W armii Stanów Zjednoczonych standardem dla automatów do nurkowania z jednym wężem był MIl-R-24169B, który został wycofany.

Zobacz też

Bibliografia