10.6. Расход и запасы газовых смесей
10.6. Расход и запасы газовых смесей
Выбирая режим спуска, следует убедиться, что запасы воздуха (газовых смесей) или производительность системы являются достаточными как для обеспечения работ на глубине, так и для подъема водолаза по режиму декомпрессии.
Минимальный расход газовой смеси одним водолазом в снаряжении с системой газоснабжения с поверхности определяется минимальным объемом свободной газовой смеси, необходимой на один водолазный спуск, и складывается из следующих статей расхода.
Рис. 10.8. Графики для определения допустимого времени дыхания искусственной газовой смесью в зависимости от парциального давления кислорода и нагрузки: а – очень тяжелая работа n=0,3; б – тяжелая работа n =0,5; в – средняя работа и холодная вода n=0,75; г – средняя работа n=1; д – легкая работа n=2; е – сидение в рекомпрессионной камере n =3; ж – покой n=5
Расход смеси на заполнение газового объема скафандра в м2
Q CK = pV CK = (1 +0,1H)У CK . (10.27)
где р – абсолютное давление на глубине погружения, кгс/см2;
VCK – газовый объем скафандра, м3; Н-глубина погружения, м. Расход смеси за время погружения водолаза на глубину в м3:
где р0 – внешнее абсолютное давление на поверхности, кгс/см2;
q – расход сжатой газовой смеси (воздуха) на глубине погружения, м3/мин;
ТП = H/vП – время погружения водолаза на глубину, мин;
vП – 6/10 м/мин – допустимая скорость погружения водолаза.
Расход смеси за время пребывания (работы) водолаза на глубине (грунте) в м3
Q T = pqT r = Q+0.lH)qT r . (10.29)
где Тr – время пребывания (работы) водолаза на глубине (грунте), мин.
Расход смеси за время перехода водолаза на первую остановку (выдержку) декомпрессии в м3
где р1 – абсолютное давление на первой остановке (выдержке) декомпрессии, кгс/см2;
qB – расход сжатой смеси (воздуха) на выдержках декомпрессии при подъеме водолаза, м3/мин;
ТПВ – время перехода водолаза на первую остановку (выдержку) декомпрессии, мин.
Расход смеси за время выдержек на остановках декомпрессии в воде в м3
Расход смеси для проведения всего процесса декомпрессии водолаза в воде с учетом потерь на утечки смеси и температурные колебания в м3
Q ДВ = 1.15(Q пв + Q в ). (10.32)
Общий минимальный расход свободной газовой смеси на водолазный спуск одним водолазом с проведением режима декомпрессии в воде с учетом потерь на утечки и температурные колебания в м3
Р = 1.15 (Q CK + Q П + Q R + Q ПВ + Q В ). (10.ЗЗ)
Расход свободного воздуха для проведения всего процесса декомпресии водолаза в камере в м3
где М = 0,5 л/мин – выделение С0В одним водолазом в покое;
K = 10л/м3 – допустимая концентрация СО2 в отсеке камеры, приведенная к атмосферному давлению;
Kr = 0,6л/м3 – допустимая концентрация СО2 в вентиляционном воздухе, подаваемом в камеру, приведенная к атмосферному давлению.
Пример 10.21. Определить минимальный расход свободного воздуха для выполнения водолазом работы средней тяжести на глубине 60 м в течение 15 мин в трехболтовом водолазном снаряжении при декомпрессии в воде и в камере.
Решение. По табл. 2.1 находим газовый объем скафандра
VCK = 0,03 м3, расход сжатого газа при работе средней тяжести Я =0,1 м3/мин, по таблице 15.3 режимов декомпрессии определяем время перехода на первую» остановку ТПВ =7 мин, а также глубины и время выдержек на остановках: H1 = 9 м, T1 = 7 мин, H2 = 6 м, Т2 = 2 мин, H3 = 3 м, T3 = 19 мин. Расход сжатого воздуха на выдержках принимаем qВ = 0,05 м3/мин, а скорость погружения водолаза vn = 6 м/мин, тогда время погружения
Расход свободного воздуха на водолазный спуск одним водолазом при декомпрессии в воде по (10.27)-(10.32):
Общий минимальный расход свободного воздуха на водолазный спуск одним водолазом при декомпрессии в воде по (10.33)
Q = 1,15 (2,1 + 4,0 + 10,5 + 1,6 + 2,9) = 24,3 м 3 .
Расход свободного воздуха для декомпрессии водолаза в камере по (10.34)
Общий минимальный расход свободного воздуха на водолазный спуск одним водолазом при декомпрессии в камере
Q = 1,15 (2,1 + 4,0 + 10,5 + 5,3) ~ 25,2 м 3 .
Минимальный запас газовой смеси. Состав газовых смесей, запасы однокомпонентных газов для обеспечения судном водолазных работ различны и определяются заданной максимальной глубиной водолазных спусков и заданной автономностью судна для выполнения водолазных работ. Под автономностью в данном случае понимают количество суток для выполнения заданного объема водолазных спусков на максимальную глубину по запасам газов и газовых смесей в зависимости от типа водолазного снаряжения, принятым на водолазном посту схемами приготовления и подачи газов и газовых смесей водолазам и конструкций устройств обеспечения водолазных спусков (объемы отсеков водолазного колокола, декомпрессионных камер, наличие в них регенеративных установок и т. п.).
Минимальный запас смеси определяется в зависимости от схемы приготовления газовых смесей (см. рис. 8.15). Дл я схемы «а» общий минимальный суточный запас смеси, приведенный к атмосферному давлению в м3:
W 3 = W 3C + W 3a , (10.35)
где W3C – минимальный суточный запас газовой смеси для обеспечения непрерывности спуска пары водолазов с учетом необходимого времени приготовления новой смеси;
W3a – суточный запас аварийной смеси (93%Не + 7% O2), принимается из расчета обеспечения подъема одной пары водолазов с максимальной глубины спуска; практически при спусках в снаряжении ГКС-Зм принимается равным 60 м3. Минимальный суточный запас смеси
где Кпс = 5 – количество парных водолазных спусков в сутки;
Кс = 2 – количество суток для приготовления смеси;
n = 0,75 – коэффициент использования смеси;
Q – общий минимальный расход газовой смеси на один спуск водолаза на максимальную глубину, установленную для судна и применяемого водолазного снаряжения, определяется по (10.33), м3.
Для схемы «б» общий минимальный суточный запас смеси W3 определяется по (10.35). В практических условиях принимается W3C = 120 м3 с использованием двух баллонов С емкостью 400 л каждый, что обеспечивает возможность приготовления смеси в ходе спуска в одном из баллонов С или
где q – расход сжатой газовой смеси водолазом, м3/мин;
H – максимальная глубина погружения водолаза, м;
nсм = 0.78 – коэффициент использования смеси;
tсм = 30 мин – время приготовления смеси.
Запас аварийной смеси принимается W3а = 60 м3.
Для схемы «в» общий минимальный суточный запас смеси определяется по (10.35) и (10.36), но при этом принимают Кс = 0,15; nСМ = 0,75.
Минимальные запасы свободного газа (гелия, кислорода) из условия автономности судна в м3
где A – автономность судна, сутки;
Сr – процентное содержание газа (гелия, кислорода) в смеси по объему, %;
nr – коэффициент использования газа (гелия, кисло рода) при приготовлении газовой смеси.
Значения коэффициентов принимаются в зависимости от схемы газоснабжения (см. рис. 8.15):
– для схемы «а» nHe = nK = 0,93;
– для схем «б» и «в»nHe = nK = 0,93 при избыточном давлении в транспортных баллонах 150 кгс/см2 и
nHe = nK = 0,95 при давлении 200 кгс/см2. Объем баллонов для расхода газовой смеси. Исходя из минимального расхода газовой смеси (воздуха) и принятых принципиальных схем определяются объем и количество баллонов, а также минимальные значения давления смеси (воздуха) в баллонах во время спуска водолазов. Давление в баллонах во время всего водолазного спуска до начала подъема не должно быть ниже значения
где pH – минимальное начальное давление газа в баллонах, при котором обеспечивается подъем водолаза по режимам декомпрессии, кгс/см2;
QД – минимальный расход свободного газа для проведения всего процесса декомпрессии водолаза в воде или камере, м3;
рост – минимальное остаточное давление газа в баллонах, кгс/см2:
р ост = 0,1Н п + 6, (10.40)
где Нп – глубина остановки на последней выдержке водолаза, м.
При этом всегда должно удовлетворяться требование
р ост > 0.1H + 6. (10.41)
где Н – глубина погружения, м.
Суммарный объем баллонов в м3
Пример 10.22. С водолазного рейдового бота требуется выполнить работу одним водолазом за один спуск на глубине 45 м с продолжительностью пребывания на грунте 60 мин. Определить возможность выполнения задачи, если воздушная система бота состоит из одного компрессора производительностью 1 м3/мин свободного воздуха, рабочее давление компрессора 25 кгс/см2. Объем воздушных баллонов 1 м3.
Решение. По таблице приложения 15.3 для заданного режима определяем, что расход воздуха по режиму декомпрессии не обеспечивается запасом воздуха для подъема водолаза при выходе из строя компрессора, так как находится ниже жирной цифры. Данная система и запасы воздуха обеспечивают безопасную работу с пребыванием на грунте только до 45 мин (жирная цифра 19).
Пример 10.23. С того же бота производится спуск водолаза на глубину 45 м с пребыванием на грунте 35 мин. Определить режим работы установки, если на боте имеется камера РКУ-М.
Решение:
1. Для условий декомпрессии в воде по таблице приложения 15.3 определяем, что рH = 16 кгс/см3. Следовательно, давление в баллонах в период спуска до начала подъема водолаза должно быть равным или больше 16 кгс/см2. При выходе компрессора из строя следует немедленно приступить к подъему водолаза.
2. При условиях проведения декомпрессии в воде и камере делаем проверку запаса воздуха. По таблице декомпрессии перевод водолаза в камеру допускается на H1 = 12 м. Объем камеры на боте (РКУ-М) Vqk=2,1 м1.
Следовательно, запас воздуха в баллонах должен быть не менее 0,3*12*2,1 = 7,5 м3… Сравниваем данную величину со значением графы Qдв. и убеждаемся, что запас воздуха обеспечивает подъем водолаза как методом декомпрессии в воде, так и смешанным методом.
10.7. Время действия дыхательных аппаратов
Время действия регенеративных и с открытой схемой дыхания аппаратов зависит от запасов газов и химических веществ, обеспечивающих автономное дыхание водолаза. Определение времени действия аппаратов представляет большие сложности, поэтому в практике ограничиваются упрощенными приближенными расчетами-
Полный запас газа (кислорода или воздуха) в баллонах аппарата, приведенный к атмосферному давлению, в л Wб = pб Vб. (10.43)
где рб – абсолютное давление газа в баллоне, кгс/см2; Vб – суммарная (общая) емкость баллонов аппарата, л. Температурная поправка запаса газа. Если температура воздуха, в среде которого хранились баллоны аппарата, отличается от температуры воды, где предстоит работать водолазу, то в расчетные значения запасов газа необходимо внести поправку
±АW = кt W б (10.44)
где Кt – коэффициент температурной поправки (выбирается из табл. 10.4).
Таблица 10.4. Коэффициенты температурных поправок запасов газа
При температуре воды выше температуры воздуха (зимой) поправка берется с положительным знаком, при температуре воды ниже температуры воздуха (летом)-с отрицательным знаком.
Рабочий запас газа меньше полного запаса газа на величину аварийного запаса газа, который остается после срабатывания указателя минимального давления. Если указатель срабатывает при абсолютном давлении рy = 31 кгс/см2, то рабочий запас свободного газа в л
W р = W б – W а ± АW = V б [p б (1+t)- к 31], (10.45)
где Wф – pуVб – 31Vб – аварийный запас для подъема водолаза на поверхность, л. Запас кислорода в регенеративном веществе определяется в зависимости от регенерационной способности вещества и его количества в л
W K = w K G P .в, (10.46)
где wK – выделение свободного кислорода регенеративным веществом, л/кг;
Gp. в – масса заряда регенеративного вещества в аппарате, кг.
Регенерационная способность вещества с KP = 1,3 в зависимости от температуры воды приведена в табл. 10.5.
Таблица 10.5. Регенерационная способность вещества
Расход кислорода из баллонов регенеративных аппаратов складывается из следующих статей:
– расхода свободного кислорода на трехкратную промывку системы «аппарат – легкие» перед спуском
Q ПР = 3q ПР = 3.5 = 15 л, (10.47)
где qПР = 5 -расход кислорода на один глубокий вдох, л;
– расхода свободного кислорода на выравнивание давления в рабочем объеме дыхательного мешка в л
где VM = 74/8 – емкость (объем) дыхательного мешка аппарата, л;
H – глубина погружения, м.
Продолжительность действия аппарата по запасам кислорода определяется для регенеративных аппаратов в мин
где qK – средний расход (норма потребления) кислорода водолазом под водой по данным табл. 10.6, л/мин.
Таблица 10.6. Средний расход кислорода на дыхание в регенеративном снаряжении, л/мин
При расчетах продолжительности действия аппаратов по кислороду следует иметь в виду, что полученный результат не является допустимым временем пребывания водолаза под водой, которое из-за опасности отравления кислородом ограничивается в зависимости от глубины погружения и парциального давления кислорода в дыхательной смеси.
Продолжительность действия аппарата по запасам химического поглотителя определяется для регенеративных аппаратов по фактической безопасной поглотительной способности и зависит от начальной насыщенности поглотителя углекислым газом, которая определяется анализом и мяссой поглотителя:
где т х.n – время действия аппарата по запасам поглотителя, мин;
N – фактическая безопасная поглотительная способность заряда, л;
М – выделение С02 одним водолазом (приближенно
принимают М = < qK, т. е. потребление водолазом кислорода, см. табл. 10.6);
а – начальная насыщенность поглотителя СО2, л/кг;
Gx.п – масса заряда поглотителя в аппарате, кг. Время действия аппарата в мин по поглотительной способности регенеративного вещества рассчитывается по формуле
где wn – поглощение углекислого газа регенеративным веществом (из табл. 10.5), л/кг.
Продолжительность действия аппарата по запасам воздуха определяется для аппаратов с открытой схемой дыхания в мин
где qB – средний расход воздуха водолазом по табл. 10.7, л/мин.
При спусках без гидрокостюма при низких температурах воды средний расход воздуха водолазом из табл. 10.7 надо увеличивать в 1,5-2 раза.
Расчет на продолжительность действия аппарата производится перед каждым спуском и позволяет ориентировочно находить время пребывания (работы) водолаза под водой.
Таблица 10.7. Средний расход воздуха на дыхание в снаряжении с открытой схемой дыхания, л/мин
Пример 10.24. Определить продолжительность действия аппарата ИДА-57 при спуске на глубину 10 м для выполнения работы средней тяжести при температуре воды 10 и воздуха 25° С. Спуск производится в гидрокомбинезоне с водолазным бельем при давлении в баллоне по манометру 140 кгс/см2 и начальной насыщенности химического поглотителя 10 л/кг.
Решение. Рабочий запас кислорода по (10.45) с учетом табл. 3.9 и 10.4
Wp = 1,3 [141 (1 – 0,055) – 31) = 1.3 (133 – 31) = 132 л.
Расход кислорода на промывку системы «аппарат – легкие» по (10.47)
Q пр = 15 л.
Расход кислорода на выравнивание давления в дыхательном мешке по (10.48)
Q M = 0,05*8*10 = 4 л.
Аппарат заряжается химическим поглотителем, поэтому по (10.46)
W K = 0.
Продолжительность действия аппарата по запасам кислорода по (10.49) с учетом табл. 10.6
Продолжительность действия аппарата по запасам химического поглотителя по (10.50) с учетом табл. 3.9 и 10.6
Из примера видно, что время действия аппарата по запасу химического поглотителя превышает время действия по запасу кислорода.
Пример 10.25. Определить для условий предыдущего примера продолжительность действия аппарата ИДА-64 при выделении регенеративным веществом 70 л/кг свободного кислорода.
Решение. Значения WР QПР остаются прежними. Расход кислорода на выравнивание давления в дыхательном мешке по (10.48) с учетом табл. 3.9
Qm = 0,05*7*10 = 3,5 л.
Запас кислорода в регенеративном веществе по (10.46) с учетом табл. 3.9 и 10.5
Wr = 70*2*1,8 = 252 л.
Продолжительность действия аппарата по запасам кислорода по (10.49) с учетом табл. 10.6
Продолжительность действия аппарата по поглотительной способности регенеративного вещества по (10.51) с учетом табл. 3.9 и 10.5
Из примера видно, что время действия аппарата ИДА-64 по поглотительной способности меньше, однако и оно превышает (для данного примера) время пребывания водолаза на глубине.
Пример 10.26. Определить продолжительность действия аппарата АВМ-3 при условии примера 10.24.
Решение. Рабочий запас воздуха по (10.45) с учетом табл, 3.10
W Р = 2*5 (141 (1 + 0,055) – 311 = 1020 л.
Продолжительность действия аппарата по (10.52) с учетом табл, 10.7.
