Воздушный компрессор для дайвинга

Воздушный компрессор для дайвинга

Небольшая стационарная установка для подводного плавания с воздушным компрессором высокого давления
Другие имена	Компрессор дыхательного воздуха
Использует	Заполнение баллонов для подводного плавания (высокое давление) Обеспечение подачи воздуха для дыхания с поверхности (низкое давление)

Компрессор воздуха для дайвинга — это компрессор воздуха для дыхания , который может подавать воздух для дыхания непосредственно водолазу, находящемуся на поверхности, или заполнять баллоны для дайвинга воздухом высокого давления , достаточно чистым для использования в качестве гипербарического дыхательного газа . Компрессор воздуха для дайвинга низкого давления обычно имеет давление подачи до 30 бар, которое регулируется в соответствии с глубиной погружения. Компрессор воздуха для дайвинга высокого давления имеет давление подачи, которое обычно превышает 150 бар и обычно находится в диапазоне от 200 до 300 бар. Давление ограничивается клапаном избыточного давления, который может быть регулируемым.

Большинство воздушных компрессоров высокого давления для дайвинга представляют собой многоступенчатые поршневые компрессоры с масляной смазкой, промежуточным охлаждением и конденсационными ловушками. Компрессоры низкого давления могут быть одно- или двухступенчатыми и могут использовать другие механизмы, помимо возвратно-поступательных поршней. Когда давление на входе выше давления окружающей среды, машина называется газовым бустерным насосом .

Выходной воздух обычно должен фильтроваться для контроля чистоты до уровня, соответствующего дыхательному газу на соответствующей глубине погружения. Стандарты чистоты дыхательного газа публикуются для обеспечения безопасности газа. Также может потребоваться фильтрация всасываемого воздуха для удаления твердых частиц, а в некоторых средах может потребоваться удаление углекислого газа с помощью скруббера . Качество всасываемого воздуха имеет решающее значение для качества продукта, поскольку многие типы примесей невозможно удалить после сжатия. Конденсированный водяной пар обычно удаляется между ступенями после охлаждения сжатого воздуха для повышения эффективности сжатия .

Компрессоры высокого давления могут быть установлены с большими баллонами для хранения и панелью наполнения для переносных баллонов, а также могут быть связаны с оборудованием для смешивания газов . Компрессоры низкого давления для дайвинга обычно подают сжатый воздух на панель распределения газа через объемный резервуар, что помогает компенсировать колебания спроса и предложения. ^[1] Воздух из газовой панели подается к водолазу через шлангокабель водолаза .

Высоконапорные компрессоры для дайвинга обычно представляют собой трех- или четырехступенчатые поршневые воздушные компрессоры, которые смазываются высококачественным минеральным или синтетическим компрессорным маслом, не содержащим токсичных добавок (некоторые используют керамические цилиндры с уплотнительными кольцами, а не поршневые кольца, не требующие смазки). ^{[ необходима цитата ]} Масляные компрессоры должны использовать только смазочные материалы, указанные производителем компрессора как подходящие для использования с воздухом для дыхания. Для очистки воздуха от большинства остаточных масел и воды используются специальные фильтры (см. «Чистота воздуха»). ^[2]

Меньшие компрессоры часто смазываются разбрызгиванием — масло разбрызгивается в картере под воздействием коленчатого вала и шатунов — но более крупные компрессоры, скорее всего, будут иметь смазку под давлением с использованием масляного насоса, который подает масло в критические области через трубы и каналы в отливках. Большинство компрессоров с масляной смазкой будут иметь мокрый поддон в нижней части картера и требуют, чтобы уровень масла находился в пределах, указанных смотровым стеклом или щупом для надлежащей смазки. ^[2] Компрессор также должен быть выровнен в соответствии со спецификацией производителя во время работы. Эти ограничения гарантируют, что смазка находится в нужном месте либо для контакта с движущимися частями для смазки разбрызгиванием, либо для надежного всасывания в масляный насос. Несоблюдение этих спецификаций может привести к повреждению компрессора из-за чрезмерного трения и перегрева, а также к загрязнению воздуха для дыхания токсичными продуктами распада смазочных материалов. ^[2]

Процесс сжатия помогает удалить воду из газа, делая его сухим, что хорошо для уменьшения коррозии в баллонах для дайвинга и замерзания регуляторов для дайвинга , но способствует обезвоживанию , фактору декомпрессионной болезни , у дайверов, которые дышат этим газом. ^[3]

Компрессоры низкого давления для дайвинга обычно являются одноступенчатыми, поскольку давление нагнетания относительно низкое. ^{[ необходима цитата ]}

Сжатый воздух, вырабатываемый компрессором, должен быть отфильтрован , чтобы сделать его пригодным для использования в качестве дыхательного газа. ^[4] Периодически воздух, вырабатываемый компрессором, должен проверяться на соответствие стандартам чистоты воздуха. Частота проверки, загрязняющие вещества, которые должны быть проанализированы, и допустимые пределы различаются в зависимости от области применения и юрисдикции. Могут проверяться следующие примеси: ^{[ необходима цитата ]}

• Углекислый газ –
• Угарный газ – газ, который присутствует в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания, включая те, которые часто используются для привода компрессоров. Он также появляется в результате распада смазочного масла, когда компрессоры работают слишком жарко. Угарный газ не имеет запаха, цвета и вкуса. Он смертелен даже в небольших количествах, поскольку он легко связывается с гемоглобином в эритроцитах и, таким образом, разрушает способность крови переносить кислород. Компрессоры воздуха для дыхания должны быть тщательно спроектированы и размещены так, чтобы впуск компрессора находился на свежем воздухе вдали от выхлопных газов двигателя и выше по потоку. ^{[5] [6]}
• Пары смазочного масла – Масло, которое должно использоваться для смазки внутренних частей компрессора, может быть вредным, если оно загрязняет дыхательный газ и вдыхается в виде тумана. Масла на основе нефти не могут быть поглощены и усвоены организмом и будут покрывать внутренние поверхности легких, вызывая состояние, известное как липоидная пневмония, и приводящее к асфиксии и смерти. По этой причине компрессоры должны быть тщательно спроектированы и обслуживаться, чтобы гарантировать, что загрязнение маслом дыхательного газа находится в безопасных пределах. Используемые масла должны быть одобрены производителем компрессора и оценены как безопасные для компрессоров дыхательного воздуха. Ряд минеральных и синтетических масел поставляются несколькими производителями смазочных материалов для этого применения. ^[7]
• Всего углеводородов –
• Диоксид азота –
• Запах и вкус –
• Твердые частицы –
• Водяной пар – Допустимые пределы содержания влаги зависят от давления: влажный воздух не вреден для водолаза и снижает обезвоживание, поэтому приемлем в воздухе для дыхания низкого давления для поверхностной подачи в гораздо более высокой концентрации, чем для хранения в баллонах высокого давления, где коррозия из-за конденсации является проблемой, и где может произойти замерзание регулятора . ^{[5] [6]}

Фильтры удаляют: ^{[5] [6]}

• Твердые частицы из всасываемого воздуха, с использованием бумажных фильтров
• Вода , с использованием водоотделителей, силикагеля , активированного оксида алюминия или молекулярного сита
• Масло, с использованием активированного угля или молекулярного сита
• Окись углерода , с использованием катализатора ( Гопкалит )
• В зависимости от качества всасываемого воздуха может потребоваться использование фильтра предварительной очистки (скруббера) для углекислого газа .

Всасываемый воздух для компрессора высокого давления должен быть чистым и иметь низкое содержание углекислого газа. Удаление твердых частиц обычно осуществляется бумажным пылевым фильтром на первой ступени всасывания. При необходимости углекислый газ может быть удален скруббером. Чистый свежий воздух в настоящее время не нуждается в очистке, но воздух в центре города может иметь чрезмерно высокое содержание углекислого газа, а стандартное содержание углекислого газа в атмосферном воздухе медленно увеличивается. Очистка углекислого газа требует влаги для эффективной работы абсорбирующего материала, а влажный воздух нежелателен для других фильтрующих сред, поэтому очистка углекислого газа часто удаляется предварительной системой фильтрации перед сжатием воздуха. ^{[5] [6]}

Когда воздух сжимается, парциальное давление водяного пара пропорционально увеличивается. Воздух также нагревается при сжатии, и при охлаждении между ступенями в промежуточных охладительных змеевиках относительная влажность увеличивается, и когда она превышает 100%, она будет иметь тенденцию конденсироваться на поверхности труб и в виде капель, переносимых потоком воздуха. Воздух из промежуточных охладительных змеевиков поступает в вертикальную осевую трубу большого диаметра сепаратора, где он меняет направление примерно на 90 градусов и значительно замедляется. Когда поток воздуха меняет направление к выходному отверстию в верхней части корпуса сепаратора, более плотные капли имеют тенденцию ударяться о стенки и объединяться в пленку, которая будет стекать вниз к нижней части сепаратора и собираться там, откуда ее можно периодически сбрасывать через сливной клапан. Это снижает содержание воды в выходящем воздухе, который затем снова сжимается в цилиндре следующей ступени, снова охлаждается, и конденсирующаяся вода снова удаляется следующим сепаратором. ^{[5] [6]}

После окончательного этапа разделения относительно свободный от капель, но влажный воздух проходит через фильтр, чтобы удалить еще больше воды и любых других загрязняющих веществ, которые будет адсорбировать фильтрующий материал. Эффективность осушения и фильтрации зависит от значительной компрессии и ограниченной скорости потока, что требует противодавления на выходе окончательного этапа для сопротивления потоку при низком давлении заполнения. Клапан противодавления, предусмотренный на выходе из окончательного стека фильтров, влияет на эффективность работы фильтра. ^{[5] [6]}

Заключительный этап очистки воздуха — фильтрация остаточной влаги, масла и углеводородов, а также, при необходимости, каталитическая конверсия оксида углерода. Все это зависит от достаточного времени контакта с фильтрующим материалом, известного как «время пребывания», поэтому либо фильтр должен иметь длинный воздушный путь, либо воздух должен течь медленно. Медленный поток воздуха легко достигается за счет высокой компрессии, поэтому фильтрация лучше всего работает при рабочем выходном давлении компрессора или около него, и это достигается с помощью обратного клапана, который позволяет воздуху выходить из фильтра только выше установленного давления. ^{[5] [6]}

Система фильтрации состоит из одного или нескольких сосудов высокого давления, известных как фильтрующие колонны, с предварительно упакованным картриджем или свободным фильтрующим материалом, обратным клапаном, одним или несколькими манометрами и коалесцирующим сепаратором. ^[6] После прохождения через конечный промежуточный змеевик сжатый воздух проходит через сепараторы для механического удаления конденсированной воды и капель масла, после чего другие загрязняющие вещества удаляются в фильтрах путем химической связи, абсорбции и катализа. ^[6] Первым фильтрующим материалом является осушитель, поскольку загрязнение водой может снизить эффективность некоторых других материалов. Далее следует катализатор, преобразующий оксид углерода (если используется), затем активированный уголь и, наконец, фильтр твердых частиц, который также будет улавливать пыль из фильтрующего материала. Соотношение осушителя и активированного угля будет где-то около 70/30. ^[6]

Способность удалять примеси из воздуха, проходящего через фильтрующую среду, во многом зависит от того, как долго воздух остается в контакте с средой при прохождении через стек фильтров, что называется временем выдержки. Более длительное время выдержки в фильтре является эффективным способом увеличения времени контакта, и оно пропорционально давлению воздуха в корпусе фильтра. При использовании обратного клапана воздух всегда проходит через фильтр примерно за одинаковое время, и фильтрация является постоянной (при условии постоянной рабочей скорости). Обратный клапан обычно устанавливается на давление, близкое к рабочему давлению компрессора, чтобы гарантировать, что воздух достаточно сжат для эффективной работы фильтров. ^[6]

Подаваемый воздух должен иметь точку росы ниже рабочей температуры цилиндра, которая обычно выше 0°C при погружении, но может быть холоднее при транспортировке. Температура воздуха также снижается во время расширения через регулятор при использовании, и когда эта температура достаточно низкая для замерзания конденсата, он может заблокировать движущиеся части регулятора и вызвать свободный поток, известный как внутреннее обледенение. Правильное противодавление также обеспечивает относительно равномерную загрузку ступеней компрессора, что снижает вибрацию, вызванную дисбалансом, и продлевает срок службы компрессора. ^{[5] [6]}

Фильтрующий материал из активированного угля лучше всего работает в сухом виде, поэтому его обычно загружают в фильтрующую батарею так, чтобы воздух сначала проходил через осушающий материал, обычно молекулярное сито. Катализатор гопкалита преобразует оксид углерода в диоксид углерода, но требует очень сухого воздуха — относительная влажность должна быть ниже 50 процентов — поэтому гопкалит загружается ниже по потоку от осушителя. Поглотитель диоксида углерода может быть загружен ниже по потоку от гопкалита. ^{[5] [6]}

Осушители предназначены для поглощения водяного пара. Осушающие среды, используемые в фильтрах дыхательного воздуха HP, включают: активированный оксид алюминия , силикагель , сорбционные гранулы и молекулярное сито . Некоторые сорта молекулярного сита могут поглощать до 23% собственного веса воды, могут создавать точки росы −75 °C (−103 °F) и обладают дополнительной способностью поглощать углеводороды, углекислый газ и другие органические вещества, а также функционировать при температуре до 49 °C (120 °F) 120 градусов по Фаренгейту. ^[6]

Катализаторы на основе диоксида марганца (Monoxycon и Hopcalite 300) используются для окисления оксида углерода в гораздо менее токсичный диоксид углерода. Это важно, если есть риск загрязнения оксидом углерода, поскольку он очень токсичен. ^[6] Воздух, поступающий в слой катализатора, должен быть сухим (точка росы около -46 °C (-51 °F) -50 градусов), так как влага нейтрализует катализатор. После катализатора для удаления CO2 можно использовать абсорбент _. [ ^6]

Активированный уголь поглощает как конденсируемые, так и газообразные углеводороды и эффективен для удаления запахов, органических соединений и галогенированных растворителей. ^[6]

Последняя часть газового контура компрессора — это обратный клапан. Это подпружиненный клапан, который открывается, чтобы обеспечить поток воздуха только после того, как давление достигнет установленного давления. Обычно он устанавливается на давление, близкое к рабочему давлению компрессора, и имеет две основные функции. ^[6] Во-первых, он обеспечивает, чтобы после короткого периода запуска все ступени компрессора работали при своих расчетных давлениях нагнетания, так что нагрузки на поршни являются устойчивыми и равномерно распределенными вокруг коленчатого вала. Это нагрузка, при которой компрессор уравновешен на расчетной рабочей скорости. Когда давление в любом цилиндре отличается от номинального давления, нагрузки будут неуравновешенными, и компрессор будет вибрировать больше, чем при равновесии, а подшипники вала будут нагружены сильнее и будут изнашиваться быстрее. Во время запуска компрессор сначала создает давление на первой ступени, и он не сбалансирован, с большей нагрузкой на поршень этого цилиндра, и будет вибрировать больше, чем обычно, поскольку нет эквивалентной нагрузки на поршни других ступеней, затем давление на других ступенях нарастает последовательно, пока все цилиндры не будут работать при своих рабочих давлениях, нагрузки на всех поршнях не станут одинаковыми, и обратный клапан не начнет открываться, чтобы сжатый газ поступал в распределительную панель. ^[6]

Компрессоры для дайвинга обычно делятся на две категории: те, которые используются для погружений с подачей воздуха с поверхности , и те, которые используются для наполнения баллонов для подводного плавания и баллонов для хранения воздуха с подачей воздуха с поверхности.

Компрессоры для дайвинга с поверхностной подачей воздуха имеют низкое давление и большой объем. Они подают воздух для дыхания непосредственно водолазу через панель управления газом, иногда называемую «стойкой», через шланг, который обычно является частью группы шлангов и кабелей, называемых «пуповиной». Их выход обычно составляет от 6 до 20 бар (от 100 до 300 фунтов на квадратный дюйм). Эти компрессоры должны быть достаточно мощными, чтобы подавать газ под достаточным давлением и объемом для нескольких водолазов, работающих на глубине до 60 метров (200 футов). ^[8]

Компрессоры, используемые для наполнения баллонов для подводного плавания, имеют высокое давление подачи и могут иметь низкий объем подачи. Они используются для наполнения баллонов для подводного плавания и баллонов для хранения или групп баллонов для хранения. Эти компрессоры могут быть меньше и менее мощными, поскольку объем газа, который они подают, не так важен, поскольку он не используется непосредственно дайвером; компрессор с меньшим объемом может использоваться для наполнения больших баллонов для хранения в периоды, когда спрос низкий. Этот сохраненный сжатый воздух может быть перелит в баллоны для подводного плавания при необходимости. Обычные давления баллонов для подводного плавания составляют 200 бар (2940 фунтов на кв. дюйм), 3000 фунтов на кв. дюйм (207 бар), 232 бар (3400 фунтов на кв. дюйм) и 300 бар (4500 фунтов на кв. дюйм). ^[2]

При заполнении баллонов для дайвинга газ внутри них нагревается в результате адиабатического нагрева . Когда газ охлаждается, отдавая тепло окружающей среде, давление падает, как описано в общем уравнении газа и законе Гей-Люссака . Водолазы, чтобы максимально увеличить время погружения, обычно хотят, чтобы их баллоны были заполнены до безопасной емкости, рабочего давления. Чтобы предоставить водолазу баллон, заполненный до рабочего давления при номинальной температуре 15 или 20 °C, баллон и газ должны оставаться холодными при заполнении или заполняться до давления, чтобы при охлаждении он находился при рабочем давлении. Это известно как развиваемое давление для температуры заполнения. Правила охраны труда и техники безопасности и стандарты проектирования сосудов под давлением могут ограничивать рабочую температуру баллона, обычно до 65 °C, в этом случае баллон должен заполняться достаточно медленно, чтобы не превышать максимальную рабочую температуру. ^[9]

Баллоны часто заполняются со скоростью менее 1 бара (100 кПа или 15 фунт-сил/дюйм² ) в секунду, чтобы дать время для передачи тепла в окружающую среду и ограничить это повышение температуры. В качестве метода более быстрого отвода тепла при заполнении баллона некоторые заправочные станции «мокрого заполнения» баллонов погружают в ванну с холодной водой. Существует повышенный риск внутренней коррозии баллона, вызванной влагой из влажной среды, попадающей в баллон из-за загрязнения во время подсоединения заправочного шланга во время мокрого заполнения. ^[10]

Компрессоры могут быть подключены к банку больших баллонов высокого давления для хранения сжатого газа, для использования в пиковые периоды. Это позволяет более дешевому маломощному компрессору, который относительно медленно перекачивает газ, автоматически заполнять банк во время периодов простоя, сохраняя большой объем сжатого воздуха, так что партия баллонов может быть заполнена быстрее при пиковом спросе без задержки из-за медленно работающего компрессора. При погружениях с поверхностной подачей баллоны высокого давления могут использоваться в качестве аварийного резерва в случае отказа основного компрессора, или они могут использоваться в качестве основного источника дыхательного газа, система также известная как « замена акваланга ». ^[8]

Баллоны могут быть заполнены непосредственно из выходного отверстия компрессора или из заправочного коллектора через гибкий шланг высокого давления с заправочным клапаном и продувочным клапаном, известным как заправочный хлыст. Манометр предусмотрен для контроля давления в баллоне по мере его заполнения. Клапан избыточного давления или электрический датчик давления могут использоваться для ограничения давления заполнения, если компрессор настроен на более высокое давление, чем развиваемое рабочее давление заполняемых баллонов. ^[2]

Компрессоры могут быть подключены к панели смешивания газов для создания смесей нитрокс , тримикс , гелиоэр или гелиокс . ^[11] Панель управляет перекачкой кислорода и гелия из баллонов, купленных у коммерческих поставщиков газа.

Поскольку невозможно перекачивать в баллон для дайвинга из баллона для хранения, который содержит газ при более низком давлении, чем баллон для дайвинга, дорогой газ в баллонах для хранения низкого давления не потребляется легко и может быть потрачен впустую, когда баллон для хранения возвращается поставщику. Каскадная система может использоваться с банком баллонов для экономного потребления этих дорогостоящих газов, чтобы из банка использовался максимально экономически выгодный газ. ^[11] Это включает заполнение баллона для дайвинга сначала перекачиванием из баллона с самым низким давлением, которое выше давления баллона для дайвинга, а затем из следующего баллона с более высоким давлением последовательно, пока баллон для дайвинга не заполнится. Система максимизирует использование газа из банка низкого давления и минимизирует использование газа из банка высокого давления. ^[2]

Другой метод очистки дорогостоящих газов низкого давления заключается в их перекачке с помощью газового бустерного насоса, например, насоса Haskel, или в добавлении их к всасываемому воздуху подходящего компрессора при атмосферном давлении в смесителе, известном как смесительная палочка . ^[11]

Оператору водолазного воздушного компрессора может потребоваться иметь формальный сертификат компетентности для работы с водолазным воздушным компрессором и для заполнения баллонов высокого давления. В других юрисдикциях оператор может быть обязан иметь компетентность для использования оборудования и внешнего осмотра баллонов на соответствие, но может не требоваться формальная лицензия или регистрация. ^[9] В других юрисдикциях может вообще не быть контроля. Обычно применяется национальное и/или государственное законодательство по охране труда и технике безопасности.

Существует два основных аспекта, которые можно учитывать: здоровье и безопасность оператора, который управляет опасным оборудованием и подвергается воздействию механической и шумовой опасности от компрессорного оборудования, оборудования высокого давления и баллонов, а также здоровье и безопасность пользователя дыхательного газа, который полагается на оператора компрессора в плане обеспечения качества. ^{[9] [2]}

• Бустерный насос  – машина для повышения давления жидкости.