Ребризер — это дыхательный аппарат, который поглощает углекислый газ из выдыхаемого пользователем воздуха , чтобы обеспечить повторное дыхание (рециркуляцию) существенно неиспользованного содержания кислорода и неиспользованного инертного содержания, если оно присутствует, при каждом вдохе. Кислород добавляется для восполнения количества, усвоенного пользователем. Это отличается от дыхательного аппарата открытого цикла, где выдыхаемый газ выбрасывается непосредственно в окружающую среду. Цель состоит в том, чтобы продлить выносливость дыхания ограниченного запаса газа, а также устранить пузырьки, которые в противном случае производятся системой открытого цикла. Последнее преимущество перед другими системами полезно для тайных военных операций водолазов , а также для беспрепятственного наблюдения за подводной дикой природой. Ребризер, как правило, понимается как портативный аппарат, переносимый пользователем. Та же технология на транспортном средстве или неподвижной установке, скорее всего, будет называться системой жизнеобеспечения .
Технология ребризера может использоваться там, где ограничен запас дыхательного газа , например, под водой, в космосе, где окружающая среда токсична или гипоксична (например, при тушении пожаров), при спасении в шахтах, при высотных работах или там, где дыхательный газ специально обогащен или содержит дорогостоящие компоненты, такие как гелиевый разбавитель или анестезирующие газы.
Ребризеры используются во многих средах: под водой, водолазные ребризеры — это тип автономных подводных дыхательных аппаратов , которые имеют положения как для основного, так и для аварийного снабжения газом. На суше они используются в промышленных приложениях , где могут присутствовать ядовитые газы или может отсутствовать кислород, пожаротушение , где пожарным может потребоваться работать в атмосфере, непосредственно опасной для жизни и здоровья в течение длительного времени, в больничных системах анестезии и дыхания для подачи контролируемых концентраций анестезирующих газов пациентам без загрязнения воздуха, которым дышит персонал, и на большой высоте, где парциальное давление кислорода низкое, для высотного альпинизма. В космонавтике они применяются в негерметичных самолетах и для парашютных прыжков на большой высоте, а также за пределами атмосферы Земли в скафандрах для внекорабельной деятельности . Аналогичная технология используется в системах жизнеобеспечения на подводных лодках, батискафах, атмосферных водолазных костюмах , подводных и поверхностных средах насыщения , космических кораблях и космических станциях, а также в системах регенерации газа, используемых для извлечения больших объемов гелия, используемого при насыщенном погружении .
Переработка дыхательного газа осуществляется за счет технологической сложности и определенных опасностей, некоторые из которых зависят от области применения и типа используемого ребризера. Масса и объем могут быть больше или меньше, чем у открытого контура, в зависимости от обстоятельств. Ребризеры для дайвинга с электронным управлением могут автоматически поддерживать парциальное давление кислорода между программируемыми верхними и нижними пределами или заданными значениями и быть интегрированы с декомпрессионными компьютерами для контроля декомпрессионного состояния дайвера и записи профиля погружения .
Когда человек дышит, организм потребляет кислород и вырабатывает углекислый газ . Базовый метаболизм требует около 0,25 л/мин кислорода при частоте дыхания около 6 л/мин, а физически подготовленный человек, работающий усердно, может вентилировать легкие со скоростью 95 л/мин, но будет усваивать только около 4 л/мин кислорода. [1] Метаболизируемый кислород обычно составляет около 4% - 5% вдыхаемого объема при нормальном атмосферном давлении или около 20% имеющегося кислорода в воздухе на уровне моря . Выдыхаемый воздух на уровне моря содержит примерно 13,5% - 16% кислорода. [2]
Ситуация становится еще более расточительной, когда доля кислорода в дыхательном газе выше, а при подводном погружении сжатие дыхательного газа из-за глубины делает рециркуляцию выдыхаемого газа еще более желательной, поскольку еще большая часть газа открытого цикла тратится впустую. Продолжение повторного дыхания тем же газом истощит кислород до уровня, который больше не будет поддерживать сознание и, в конечном счете, жизнь, поэтому газ, содержащий кислород, должен быть добавлен к дыхательному газу для поддержания необходимой концентрации кислорода. [3]
Однако, если это сделать без удаления углекислого газа, он быстро накопится в рециркулированном газе, что почти немедленно приведет к легкому респираторному дистрессу и быстро перерастет в дальнейшие стадии гиперкапнии или отравления углекислым газом. Высокая скорость вентиляции обычно необходима для устранения метаболического продукта углекислого газа (CO 2 ). Дыхательный рефлекс запускается концентрацией CO 2 в крови, а не концентрацией кислорода, поэтому даже небольшое накопление CO 2 во вдыхаемом газе быстро становится невыносимым; если человек попытается напрямую повторно вдыхать свой выдыхаемый дыхательный газ, он вскоре почувствует острое чувство удушья , поэтому ребризеры должны удалять CO 2 в компоненте, известном как очиститель углекислого газа . [4]
Добавляя достаточное количество кислорода для компенсации метаболического использования, удаляя углекислый газ и повторно вдыхая газ, можно сохранить большую часть объема. [4]
Продолжительность работы ребризера, то есть время, в течение которого его можно безопасно и комфортно использовать, зависит от подачи кислорода при скорости потребления кислорода пользователем и способности скруббера удалять углекислый газ при скорости его производства пользователем. Эти переменные тесно связаны, поскольку углекислый газ является продуктом метаболического потребления кислорода, хотя и не единственным продуктом. Это не зависит от глубины, за исключением работы дыхания, увеличивающейся из-за увеличения плотности газа. [4]
Существуют две основные системы управления потоком дыхательного газа внутри ребризера, известные как маятниковая и петлевая системы.
В конфигурации маятника пользователь вдыхает газ из дыхательного мешка через дыхательный шланг, а выдыхаемый газ возвращается в дыхательный мешок, протекая обратно через тот же шланг. Скруббер обычно находится между дыхательным шлангом и мешком дыхательного мешка, а поток газа является двунаправленным. Все проточные каналы между пользователем и активным абсорбентом в скруббере представляют собой мертвое пространство — объем, содержащий газ, который повторно вдыхается без изменений ребризером. Мертвое пространство увеличивается по мере истощения абсорбента. Объем дыхательного шланга должен быть минимизирован, чтобы ограничить мертвое пространство.
В конфигурации петли пользователь вдыхает газ через один шланг и выдыхает через второй шланг. Выдыхаемый газ поступает в скруббер с одной стороны и выходит с другой стороны. Может быть одно большое дыхательное легкое с каждой стороны скруббера или два меньших дыхательных легкого с каждой стороны скруббера. Поток идет в одном направлении, что обеспечивается обратными клапанами, которые обычно находятся в дыхательных шлангах, где они соединяются с мундштуком. Только проход потока в мундштуке перед разделением между шлангами вдоха и выдоха является мертвым пространством, и на него не влияет объем шланга. [6]
Есть некоторые компоненты, которые являются общими почти для всех персональных портативных ребризеров. К ним относятся компоненты объема дыхания при давлении окружающей среды, обычно называемые дыхательным контуром в ребризере с циркулирующим потоком, а также система подачи и управления подпиточным газом.
Противолегкое — это герметичный мешок из прочного гибкого материала, который удерживает объем выдыхаемого газа до тех пор, пока он не будет снова вдохнут. Противолегкое может быть одно или по одному с каждой стороны скруббера, что обеспечивает более равномерный поток газа через скруббер, что может уменьшить работу дыхания и повысить эффективность скруббера за счет более постоянного времени задержки .
Скруббер представляет собой контейнер, заполненный абсорбирующим материалом для углекислого газа, в основном сильными основаниями , через который проходит выдыхаемый газ для удаления углекислого газа. Абсорбент может быть гранулированным или в форме формованного картриджа. [7] Гранулированный абсорбент может быть изготовлен путем разбивания комков извести и сортировки гранул по размеру или путем формования гранул с постоянным размером и формой. [8] Поток газа через скруббер может быть в одном направлении в петлевом ребризере или в обоих направлениях в маятниковом ребризере. Канистра скруббера обычно имеет входное отверстие с одной стороны и выходное отверстие с другой стороны.
Типичным абсорбентом является натронная известь , которая состоит из гидроксида кальция Ca(OH) 2 и гидроксида натрия NaOH. Основным компонентом натронной извести является гидроксид кальция, который относительно дешев и легко доступен. В абсорбенте могут присутствовать и другие компоненты. Гидроксид натрия добавляется для ускорения реакции с углекислым газом. Другие химикаты могут добавляться для предотвращения нежелательных продуктов разложения при использовании со стандартными галогенированными ингаляционными анестетиками. Может быть включен индикатор , показывающий, когда углекислый газ растворяется в воде натронной извести и образует угольную кислоту, изменяя pH с основного на кислый, поскольку изменение цвета показывает, что абсорбент достиг насыщения углекислым газом и его необходимо заменить. [8]
Углекислый газ соединяется с водой или водяным паром, образуя слабую угольную кислоту: CO2 + H2O – > H2CO3 . Она реагирует с гидроксидами, образуя карбонаты и воду в экзотермической реакции. [6] В промежуточной реакции угольная кислота экзотермически реагирует с гидроксидом натрия, образуя карбонат натрия и воду: H2CO3 + 2NaOH – > Na2CO3 + 2H2O + тепло. В конечной реакции карбонат натрия реагирует с гашеной известью (гидроксидом кальция), образуя карбонат кальция и гидроксид натрия: Na2CO3 + Ca ( OH) 2 –> CaCO3 + 2NaOH. Затем гидроксид натрия снова доступен для реакции с большим количеством угольной кислоты. [ 8] 100 граммов (3,5 унции) этого абсорбента могут удалить около 15–25 литров (0,53–0,88 куб. футов) углекислого газа при стандартном атмосферном давлении. [6] [8] Этот процесс также нагревает и увлажняет воздух, что желательно для погружений в холодную воду или восхождений на большие высоты, но не для работы в жарких условиях.
Другие реакции могут использоваться в особых обстоятельствах. Гидроксид лития и особенно пероксид лития могут использоваться там, где важна малая масса, например, на космических станциях и в скафандрах. Пероксид лития также восполняет кислород во время реакции очистки. [9]
Другой метод удаления углекислого газа, иногда используемый в портативных ребризерах, — это его замораживание, что возможно в криогенном ребризере, который использует жидкий кислород. Жидкий кислород поглощает тепло из углекислого газа в теплообменнике, чтобы преобразовать кислород в газ, которого достаточно для замораживания углекислого газа. Этот процесс также охлаждает газ, что иногда, но не всегда, желательно.
Дыхательный шланг или иногда дыхательная трубка на ребризере — это гибкая трубка для прохождения дыхательного газа при давлении окружающей среды. Они отличаются от шлангов низкого, среднего и высокого давления, которые также могут быть частями аппарата ребризера. Они имеют достаточно широкий канал, чтобы минимизировать сопротивление потоку при давлении окружающей среды в рабочем диапазоне для оборудования, обычно имеют круглое поперечное сечение и могут быть гофрированными, чтобы голова пользователя могла двигаться без смятия трубки в местах перегиба. [6]
Каждый конец имеет герметичное соединение с соседним компонентом, и они могут содержать односторонний клапан, чтобы поддерживать правильную циркуляцию газа в замкнутой системе. В зависимости от обслуживания они могут быть изготовлены из гибкого полимера, эластомера , армированного волокном или тканью эластомера или эластомера, покрытого тканым материалом для усиления или стойкости к истиранию. Если тканый слой прикреплен к внешней поверхности, он защищает резину от повреждений от царапин, но затрудняет смывание загрязнений. [6] Дыхательные шланги обычно имеют два типа гофрирования. Кольцевые гофры, как показано на фотографии, выигрывают от более легкого полевого ремонта в случае разрыва или отверстия, в то время как спиральные гофры обеспечивают эффективный дренаж после очистки. [10]
Дыхательные шланги обычно достаточно длинные, чтобы соединить аппарат с головой пользователя в любом положении головы, но не должны быть излишне длинными, так как это приведет к дополнительному весу, гидродинамическому сопротивлению , риску зацепиться за предметы или содержать избыточное мертвое пространство в маятниковом ребризере. Дыхательные шланги могут быть привязаны к плечам дайвера или балластированы для нейтральной плавучести, чтобы минимизировать нагрузку на загубник.
В комплект поставки входит мундштук с захватом для укуса , рото-носовая маска , полнолицевая маска или герметичный шлем, чтобы пользователь мог дышать через устройство, не занимая рук.
Хранилище кислорода, обычно в виде сжатого газа в баллоне высокого давления, но иногда и в виде жидкого кислорода , которое подает газообразный кислород в дыхательный объем с давлением окружающей среды либо непрерывно, либо когда пользователь управляет клапаном подачи кислорода, либо через клапан подачи кислорода по требованию в кислородном ребризере, когда объем газа в дыхательном контуре становится низким и давление падает, или в электронно-управляемом ребризере смешанного газа, после того как датчик обнаруживает недостаточное парциальное давление кислорода и активирует электромагнитный клапан.
Клапаны необходимы для управления потоком газа в дыхательном объеме и подачи газа из контейнера для хранения. Они включают в себя:
Датчики кислорода могут использоваться для контроля парциального давления кислорода в ребризерах со смешанным газом, чтобы гарантировать, что оно не выходит за пределы безопасных пределов, но, как правило, не используются в ребризерах с кислородом, поскольку содержание кислорода фиксировано на уровне 100%, а его парциальное давление изменяется только в зависимости от давления окружающей среды.
Ребризеры можно в первую очередь разделить на водолазные ребризеры, предназначенные для гипербарического использования, и другие ребризеры, используемые при давлениях от немного выше нормального атмосферного давления на уровне моря до значительно более низкого давления окружающей среды на больших высотах и в космосе. Водолазные ребризеры часто сталкиваются с трудностями, связанными с предотвращением гипербарической токсичности кислорода, в то время как нормобарические и гипобарические приложения могут использовать относительно тривиально простую технологию кислородного ребризера, где нет необходимости контролировать парциальное давление кислорода во время использования, если давление окружающей среды достаточно.
Ребризеры также можно подразделить по функциональному принципу на ребризеры замкнутого цикла и полузамкнутого цикла.
Это самый ранний тип ребризера, который широко использовался военно-морскими силами для эвакуации с подводных лодок и водолазных работ на мелководье, для спасения шахтеров, высотного альпинизма и полетов, а также в промышленных целях с начала двадцатого века. Кислородные ребризеры могут быть удивительно простыми и механически надежными, и они были изобретены до акваланга открытого цикла. Они только подают кислород, поэтому нет необходимости контролировать состав газа, кроме удаления углекислого газа. [11]
В некоторых ребризерах кислородный баллон имеет параллельные механизмы подачи кислорода. Один из них — постоянный поток ; другой — ручной двухпозиционный клапан, называемый перепускным клапаном; оба подают кислород в один и тот же шланг, который питает дыхательный мешок. [12] Другие подаются через клапан подачи на дыхательный мешок. Это позволит добавлять газ в любое время, когда дыхательный мешок опорожняется, а дайвер продолжает вдыхать. Кислород также можно добавлять вручную с помощью кнопки, которая активирует клапан подачи. [13] Некоторые простые кислородные ребризеры не имели автоматической системы подачи, а только ручной клапан подачи, и дайверу приходилось время от времени управлять клапаном, чтобы пополнять дыхательный мешок, когда объем кислорода опускался ниже комфортного уровня.
Все ребризеры, кроме кислородных ребризеров, можно считать ребризерами смешанного газа, поскольку дыхательный газ представляет собой смесь кислорода и метаболически неактивного разбавителя. Их можно разделить на полузамкнутые контуры, где подаваемый газ представляет собой дыхательную смесь, содержащую кислород и инертные разбавители, обычно азот и гелий, и которая пополняется путем добавления большего количества смеси по мере расходования кислорода, достаточного для поддержания пригодного для дыхания парциального давления кислорода в контуре, и ребризеры замкнутого контура, где используются две параллельные подачи газа: разбавитель, обеспечивающий большую часть газа и рециркулируемый, и кислород, который метаболически расходуется. Углекислый газ считается отходом, и в правильно функционирующем ребризере эффективно удаляется, когда газ проходит через скруббер.
Было несколько конструкций ребризеров (например, Oxylite), которые используют супероксид калия , который выделяет кислород при поглощении углекислого газа, в качестве абсорбента углекислого газа: 4KO2 + 2CO2 = 2K2CO3 + 3O2 . Для заполнения и продувки контура в начале использования необходим небольшой кислородный баллон. [14] Эта технология может применяться как к кислородным, так и к смешанным газовым ребризерам, и может использоваться для дайвинга и других применений. Супероксид калия бурно реагирует с жидкой водой, выделяя значительное количество тепла и кислорода и вызывая опасность возгорания, поэтому более успешно применяется в скафандрах, пожаротушении и спасении на шахтах. [15]
Подача жидкого кислорода может использоваться для кислородных или смешанных газовых ребризеров. При использовании под водой контейнер с жидким кислородом должен быть хорошо изолирован от передачи тепла от воды. Промышленные комплекты этого типа могут не подходить для дайвинга, а комплекты для дайвинга этого типа могут не подходить для использования вне воды из-за противоречивых требований к теплопередаче. Бак с жидким кислородом комплекта должен быть заполнен непосредственно перед использованием. Примеры такого типа включают:
Криогенный ребризер удаляет углекислый газ, замораживая его в «снежном ящике» за счет низкой температуры, возникающей при испарении жидкого кислорода для замены использованного кислорода.
Это можно сравнить с некоторыми применениями дыхательных аппаратов открытого цикла:
_Diving_Apparatus_(oxygen_rebreather),_prepares_for_a_dive_during_mine_counter_measure_operations_as_part_of_Exercise_970617-N-TU986-004.jpg/1280px-thumbnail.jpg)
Самый широкий спектр типов ребризеров используется в дайвинге, поскольку последствия дыхания под давлением усложняют требования, и доступен большой выбор вариантов в зависимости от конкретного применения и доступного бюджета. Ребризер для дайвинга является критически важным для безопасности оборудованием жизнеобеспечения — некоторые режимы отказа могут убить дайвера без предупреждения, другие могут потребовать немедленного соответствующего реагирования для выживания.
Система регенерации гелия (или система push-pull) используется для восстановления дыхательного газа на основе гелия после его использования водолазом, когда это более экономично, чем его потеря в окружающую среду в системах с открытым контуром. Восстановленный газ проходит через систему скруббера для удаления углекислого газа, фильтруется для удаления запахов и нагнетается в контейнеры для хранения, где он может быть смешан с кислородом до требуемого состава для повторного использования либо немедленно, либо позднее.
Система жизнеобеспечения обеспечивает дыхательный газ и другие услуги для поддержания жизни персонала под давлением в жилых помещениях и закрытом водолазном колоколе. Она включает в себя следующие компоненты: [22]
Система жизнеобеспечения колокола обеспечивает и контролирует основную подачу дыхательного газа, а станция управления контролирует развертывание и связь с водолазами. Первичное газоснабжение, питание и связь с колоколом осуществляются через шлангокабель колокола, состоящий из нескольких шлангов и электрических кабелей, скрученных вместе и развернутых как единое целое. [23] Это распространяется на водолазов через шлангокабель водолаза. [22]
Система жизнеобеспечения помещения поддерживает среду в камере в пределах, приемлемых для здоровья и комфорта жильцов. Температура, влажность, качество дыхательного газа, системы санитарии и функционирование оборудования контролируются и контролируются. [23]
Атмосферный водолазный костюм — это небольшой одноместный сочлененный подводный аппарат примерно антропоморфной формы с суставами конечностей, которые позволяют сочленяться под внешним давлением, поддерживая внутреннее давление в одну атмосферу. Подача дыхательного газа может осуществляться с поверхности по шлангокабелю или из ребризера, переносимого на костюме. Аварийный ребризер подачи газа также может быть установлен на костюм либо с поверхностной подачей, либо с ребризером для основного дыхательного газа. Поскольку внутреннее давление поддерживается на уровне одной атмосферы, нет риска острого отравления кислородом. Это подводное применение для дайвинга, но имеет больше общего с промышленным применением, чем с ребризерами для подводного плавания с давлением окружающей среды.
К ребризерам SCBA , предназначенным только для использования вне воды, применяются различные критерии проектирования :
Альпинистские ребризеры обеспечивают кислород в более высокой концентрации, чем доступный из атмосферного воздуха в естественной гипоксической среде. Они должны быть легкими и надежными в условиях сильного холода, в том числе не задыхаться от отложений инея. [25] Высокий уровень отказов систем из-за экстремального холода не был решен. [ необходима цитата ] Дыхание чистым кислородом приводит к повышенному парциальному давлению кислорода в крови: альпинист, дышащий чистым кислородом на вершине Эвереста, имеет большее парциальное давление кислорода, чем дышащий воздухом на уровне моря. Это приводит к возможности прилагать большие физические усилия на высоте. Экзотермическая реакция помогает предотвратить замерзание содержимого скруббера и помогает снизить потери тепла пользователем.
Как химический, так и сжатый кислород использовались в экспериментальных кислородных системах замкнутого цикла – первая на Эвересте в 1938 году . Экспедиция 1953 года использовала кислородное оборудование замкнутого цикла, разработанное Томом Бурдиллоном и его отцом для первой штурмовой группы Бурдиллона и Эванса ; с одним «дюралюминиевым» баллоном сжатого кислорода на 800 л и канистрой с содовой известью (вторая (успешная) штурмовая группа Хиллари и Тенцинга использовала оборудование открытого цикла). [26]
Аналогичные требования и рабочая среда для альпинизма, но вес — не такая уж большая проблема. Советский ребризер ИДА71 также выпускался в высотной версии, которая использовалась как кислородный ребризер.
Анестезиологические аппараты могут быть сконфигурированы как ребризеры для подачи кислорода и анестезирующих газов пациенту во время операции или других процедур, требующих седации. В аппарате присутствует абсорбент для удаления углекислого газа из контура. [27]
Для анестезиологических аппаратов могут использоваться как полузакрытые, так и полностью закрытые контурные системы, а также используются как двухнаправленные (маятниковые) системы с двухсторонним потоком, так и однонаправленные контурные системы. [28] Дыхательный контур аппарата с петлевой конфигурацией имеет два однонаправленных клапана, так что к пациенту поступает только очищенный газ, а выдыхаемый газ возвращается в аппарат. [27]
Анестезиологический аппарат также может подавать газ пациентам, находящимся на искусственной вентиляции легких, которые не могут дышать самостоятельно. [29] Система очистки отработанных газов удаляет все газы из операционной, чтобы избежать загрязнения окружающей среды. [30]
Одной из функций скафандра является обеспечение носителя дыхательным газом. Это может быть сделано через шлангокабель от систем жизнеобеспечения космического корабля или среды обитания, или от основной системы жизнеобеспечения, установленной на скафандре. Обе эти системы используют технологию ребризеров, поскольку они удаляют углекислый газ из дыхательного газа и добавляют кислород для компенсации кислорода, используемого носителем. В скафандрах обычно используются кислородные ребризеры, поскольку это позволяет снизить давление в скафандре, что дает носителю большую свободу движений.
Подводные лодки , подводные жилища , бомбоубежища, космические станции и другие жилые помещения, в которых в течение средних и длительных периодов времени находятся несколько человек при ограниченном запасе газа, в принципе эквивалентны ребризерам замкнутого цикла, но, как правило, полагаются на механическую циркуляцию дыхательного газа через скрубберы.
Существует ряд проблем безопасности, связанных с оборудованием для ребризеров, и они, как правило, более серьезны в случае с водолазными ребризерами.
Некоторые опасности обусловлены принципом работы оборудования, в то время как другие связаны со средой, в которой оно используется, поскольку ребризеры обычно используются там, где отсутствует пригодная для дыхания окружающая среда.
Гипоксия может возникнуть в любом ребризере, содержащем достаточно инертного газа, чтобы обеспечить дыхание без срабатывания автоматической подачи газа.
В кислородном ребризере это может произойти, если контур недостаточно продут в начале использования. Продувка — это замена исходного газового содержимого свежим газом, и ее, возможно, придется повторить, чтобы полностью удалить инертный газ. Продувку следует выполнять во время дыхания из устройства, чтобы инертный газ в легких и тканях тела пользователя, который попадает в контур, также был удален из системы.
Накопление углекислого газа произойдет, если среда скруббера отсутствует, плохо упакована, неадекватна или истощена. Нормальный человеческий организм довольно чувствителен к парциальному давлению углекислого газа, и пользователь заметит накопление. Однако зачастую не так много можно сделать, чтобы исправить проблему, кроме как перейти на другой источник дыхательного газа, пока скруббер не будет переупакован. Продолжение использования ребризера с неэффективным скруббером невозможно в течение очень долгого времени, так как уровни станут токсичными, и пользователь будет испытывать крайнюю дыхательную недостаточность, что в конечном итоге приведет к потере сознания и смерти. Скорость развития этих проблем зависит от объема контура и скорости метаболизма пользователя в данный момент.
Накопление углекислого газа может также происходить, когда сочетание нагрузки и работы дыхания превышает возможности пользователя. Если это происходит, когда пользователь не может в достаточной степени снизить нагрузку, исправить это может быть невозможно. Эта проблема чаще возникает с ребризером для дайвинга на глубинах, где плотность дыхательного газа значительно повышена. [31] [32] [33] Единственный выход — выпустить выдыхаемый воздух за пределы закрытой системы, таким образом, не используя повторно кислород и тем самым увеличивая использование газовой смеси, но это не вариант в каждой области применения.
Промышленные ребризеры часто используются там, где окружающий воздух загрязнен и может быть токсичным. Части контура будут находиться под немного более низким давлением, чем внешнее окружающее давление во время вдоха, и если контур не герметичен, внешние газы могут просачиваться внутрь. Это особая проблема по краю полнолицевой маски, где резиновый обтюратор маски должен плотно прилегать к лицу пользователя.
Высокое парциальное давление кислорода значительно увеличивает опасность возгорания, и многие материалы, которые являются самозатухающими в атмосферном воздухе, будут гореть непрерывно при высокой концентрации кислорода. Это представляет большую опасность для наземных применений, таких как спасание и пожаротушение, чем для дайвинга, где риск возгорания относительно низок.
Вызывается затоплением контура, достигающим абсорбирующей емкости, поэтому применимо только в погруженных приложениях.
Термин «прорыв» означает неспособность скруббера продолжать удалять достаточное количество углекислого газа из циркулирующего в контуре газа. Это неизбежно произойдет, если скруббер используется слишком долго, но может произойти преждевременно в некоторых обстоятельствах. Существует несколько способов, при которых скруббер может выйти из строя или стать менее эффективным:
Около 1620 года Корнелиус Дреббель обнаружил, что нагревание селитры ( нитрата калия ) приводит к образованию кислорода. [34]
Первый базовый ребризер, основанный на поглощении углекислого газа , был запатентован во Франции в 1808 году Пьером-Мари Тубуликом из Бреста , механиком Императорского флота Наполеона . Эта ранняя конструкция ребризера работала с кислородным резервуаром, кислород постепенно доставлялся водолазом и циркулировал по замкнутому контуру через губку , пропитанную известковой водой , раствором гидроксида кальция в воде. [35] [36] Тубулик назвал свое изобретение Ихтиоандре (по-гречески «рыбочеловек»). [37] [ необходима цитата ] Нет никаких свидетельств того, что прототип был изготовлен.
Прототип ребризера был построен в 1849 году Пьером Эмаблем де Сен-Симоном Сикаром [38] .
В 1853 году профессор Т. Шванн представил ребризер в Бельгийской академии наук. [39] [36] Он имел большой кислородный баллон, установленный сзади, с рабочим давлением около 13,3 бар, и два скруббера, содержащих губки, пропитанные раствором каустической соды . [36]
Первый коммерчески применимый акваланг замкнутого цикла был спроектирован и построен инженером-водолазом Генри Флёссом в 1878 году, когда он работал на Siebe Gorman в Лондоне. [40] [12] Его автономный дыхательный аппарат состоял из резиновой маски, соединенной с дыхательным мешком, с (оценочно) 50–60% O 2 , подаваемым из медного бака, и CO 2 , очищаемым веревочной пряжей, пропитанной раствором едкого кали; система обеспечивала продолжительность около трех часов. [12] [41] Флёсс испытал свое устройство в 1879 году, проведя час, погруженный в резервуар с водой, затем неделю спустя, погрузившись на глубину 5,5 м в открытую воду, и во время этого случая он получил легкую травму, когда его помощники резко вытащили его на поверхность.
Его аппарат был впервые использован в рабочих условиях в 1880 году Александром Ламбертом, ведущим водолазом на проекте строительства туннеля Северн , который смог проплыть 1000 футов в темноте, чтобы закрыть несколько затопленных шлюзовых дверей в туннеле; это свело на нет все его усилия в стандартном водолазном костюме из-за опасности загрязнения шланга подачи воздуха подводным мусором и сильных потоков воды в выработках. [12] В 1880 году Флейсс использовал ребризер для осмотра шахты Сихем в Великобритании после взрыва газа. [36]
В 1911 году Флейсс и Зибе Горбан разработали дыхательный аппарат Proto для спасения горняков. [36]
Флейсс постоянно совершенствовал свой аппарат, добавляя регулятор потребности и баллоны, способные удерживать большее количество кислорода при более высоком давлении. Сэр Роберт Дэвис , глава Siebe Gorman , усовершенствовал кислородный ребризер в 1910 году [12] [41], изобретя Davis Submerged Escape Apparatus , первый практический ребризер, который производился в больших количествах. Хотя он был предназначен в первую очередь как аварийный спасательный аппарат для экипажей подводных лодок , вскоре он также стал использоваться для дайвинга , будучи удобным мелководным водолазным аппаратом с тридцатиминутным сроком действия [41] и как промышленный дыхательный комплект .
Оснастка состояла из резинового дыхательного/плавучего мешка, содержащего канистру с гидроксидом бария для очистки выдыхаемого CO2 , и, в кармане на нижнем конце мешка, стального баллона под давлением, содержащего приблизительно 56 литров кислорода под давлением 120 бар. Баллон был оснащен регулирующим клапаном и был соединен с дыхательным мешком . Открытие клапана баллона впускало кислород в мешок и заряжало его до давления окружающей воды. Оснастка также включала аварийный плавучий мешок спереди, чтобы помочь владельцу оставаться на плаву. DSEA был принят на вооружение Королевским флотом после дальнейшей разработки Дэвисом в 1927 году. [42] Различные промышленные кислородные ребризеры, такие как Siebe Gorman Salvus и Siebe Gorman Proto , оба изобретенные в начале 1900-х годов, были получены из него.
Профессор Жорж Жобер изобрел химическое соединение Oxylithe в 1907 году. Это была форма перекиси натрия (Na 2 O 2 ) или супероксида натрия (NaO 2 ). Поглощая углекислый газ в скруббере ребризера, он выделяет кислород. Это соединение было впервые включено в конструкцию ребризера капитаном С. С. Холлом и доктором О. Ризом из Королевского флота в 1909 году. Хотя оно предназначалось для использования в качестве спасательного аппарата для подводной лодки, оно никогда не было принято Королевским флотом и вместо этого использовалось для погружений на мелководье. [41]
В 1912 году немецкая фирма Dräger начала массовое производство собственной версии стандартного водолазного костюма с подачей воздуха из ребризера. Аппарат был изобретен несколькими годами ранее Германом Штельцнером, инженером компании Dräger, [43] для горноспасательных работ . [44]
В 1930-х годах, после ряда трагических происшествий в 1920-х годах, ВМС США начали оснащать подводные лодки классов «Дельфин» и «Сальмон» примитивными ребризерами, называемыми легкими Момсена , которые использовались до 1960-х годов.
В 1930-х годах итальянские спортивные подводные охотники начали использовать ребризер Дэвиса ; итальянские производители получили лицензию от английских патентообладателей на его производство. Эта практика вскоре привлекла внимание итальянского флота , который разработал значительно модернизированную модель, разработанную Тезео Тезеи и Анджело Беллони , которая использовалась его подразделением водолазов Decima Flottiglia MAS с хорошими результатами во время Второй мировой войны. [41]
Во время Второй мировой войны ребризеры захваченных итальянских водолазов повлияли на усовершенствованные конструкции британских ребризеров. [41] Многие британские водолазы использовали кислородные баллоны для дыхания экипажей, спасенные со сбитых немецких самолетов Люфтваффе . Самые ранние из этих дыхательных аппаратов, возможно, были модифицированными Davis Submerged Escape Apparatus ; их полнолицевые маски были типа, предназначенного для Siebe Gorman Salvus , но в более поздних операциях использовались другие конструкции, что привело к полнолицевой маске с одним большим лицевым окном, сначала круглым или овальным, а затем прямоугольным (в основном плоским, но стороны загибались назад, чтобы обеспечить лучший обзор вбок). Ранние британские ребризеры водолазов имели прямоугольные дыхательные мешки на груди, как и итальянские дыхательные мешки водолазов, но более поздние конструкции имели квадратную выемку в верхней части дыхательного мешка, чтобы он мог выдвигаться дальше к плечам. Спереди у них был резиновый воротник, который зажимался вокруг абсорбирующего баллона. [41] Некоторые водолазы британских вооруженных сил использовали громоздкие толстые водолазные костюмы, называемые костюмами Слэйдена ; одна из их версий имела откидывающуюся лицевую пластину для обоих глаз, чтобы пользователь мог поднести бинокль к глазам, находясь на поверхности.
Ребризеры Dräger, особенно серии моделей DM20 и DM40, использовались немецкими водолазами и боевыми пловцами во время Второй мировой войны . Ребризеры для ВМС США были разработаны доктором Кристианом Дж. Ламбертсеном для подводной войны. [45] [46] Ламбертсен провел первый в Соединенных Штатах курс по кислородному ребризеру замкнутого цикла для морского подразделения Управления стратегических служб в Военно-морской академии 17 мая 1943 года. [46] [47]
Во время и после Второй мировой войны в вооруженных силах возникла необходимость погружаться глубже, чем позволял чистый кислород. Это побудило, по крайней мере в Британии, разработать простые варианты «смесевого ребризера» с постоянным расходом некоторых из их кислородных ребризеров для дайвинга (= то, что сейчас называется « нитрокс »): SCMBA от SCBA ( Swimmer Canoeist's Breathing Apparatus ), и CDMBA от Siebe Gorman CDBA , путем добавления дополнительного баллона с газом. Перед погружением с таким набором дайвер должен был знать максимальную или рабочую глубину своего погружения и то, как быстро его организм использует запас кислорода, и исходя из этого рассчитать, какой установить расход газа в своем ребризере.
Пионер дайвинга Ганс Хасс в начале 1940-х годов использовал кислородные ребризеры Dräger для подводной кинематографии.
Из-за военной важности ребризера, наглядно продемонстрированной во время морских кампаний Второй мировой войны , большинство правительств не хотели выдавать технологию в общественное достояние. В Великобритании использование ребризеров гражданскими лицами было незначительным, и BSAC формально запретил использование ребризеров своими членами. Итальянские фирмы Pirelli и Cressi-Sub сначала продавали по модели спортивного дайвинг-ребризера, но через некоторое время прекратили выпуск этих моделей. Некоторые самодельные ребризеры использовались пещерными дайверами для проникновения в пещерные отстойники .
Большинство альпинистов-высотников используют кислородное оборудование открытого цикла; экспедиция на Эверест 1953 года использовала как кислородное оборудование открытого, так и закрытого цикла: см. баллонный кислород .
В конце концов холодная война закончилась, и в 1989 году коммунистический блок распался , в результате чего предполагаемый риск диверсионных атак со стороны боевых водолазов снизился, а у западных вооруженных сил стало меньше причин реквизировать гражданские патенты на ребризеры , и начали появляться автоматические и полуавтоматические ребризеры для любительского дайвинга с датчиками парциального давления кислорода .
Промышленные/спасательные:
Другие:
{{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link)
Медиа, связанные с ребризеры на Wikimedia Commons