Egy lélegzet ára 2.

Avagy: Miből vehetünk levegőt egy merülés alkalmával?

Reduktorok, légzőautomaták felépítése és működése.

Lélegzetet venni nem tűnik nagy figyelmet igénylő feladatnak, hiszen születésünk óta minden pillanatban újra és újra ismételjük ezt a létfontosságú gyakorlatot. A víz alatt azonban nem mindegy, hogy mikor, milyen jellegű merüléshez, milyen felszerelést használunk annak érdekében, hogy biztosítani tudjuk a kényelmes és biztonságos légzésünket.

Korábbi cikkünkben megkezdtük a légzőautomaták működésének elemzését, és eljutottunk az első lépcsőkig. Most arra vállalkoztunk, hogy a második lépcsőkről, azaz a tüdőautomatákról készítünk egy átfogó képet. Reméljük ez a fejezet is hasznos ismereteket nyújt majd mindazoknak, akiket ez a kissé “száraz” technikai terület érdekel!

A második lépcsők feladata, hogy a szabályzott középnyomást a környezet nyomására csökkentsék. Mindez azért fontos, mert a búvár csak így tud kényelmesen lélegezni. Ha a belélegzett nyomás kisebb lenne, mint a környezet nyomása, a búvárnak minden belégzéskor le kellene küzdeni a mellkasára nehezedő túlnyomást, ami azon kívül, hogy nagyon fárasztó, vagy esetleg lehetetlen feladat is lehet, sok más olyan élettani problémát is felvet, amelynek ismertetése több cikk anyagát is megtöltené. Amennyiben a belélegzett gáz nyomása lenne nagyobb a környezetnél, a létrejövő túlnyomás tüdősérüléshez, és még sok más gondhoz vezetne. Abban az esetben, amikor ez a két nyomás megegyezik, szinte ugyanolyan könnyű lélegezni a víz alatt, mint a felszínen.

A nem kiegyensúlyozott vagy irányszelepes második lépcsők a legegyszerűbb megoldások. Az első lépcsőből érkező 8-12 bar nyomást egy szelep tartja vissza, amelyet egy rugó szorít a szelepülékre. A szeleprugó pontosan akkora erőt fejt ki a szelepre, mint amekkorát az első lépcsőből érkező szabályzott középnyomás képvisel a szelep ellenkező oldalán. Ennek az egyensúlynak a megvalósítása szükséges ahhoz, hogy a második lépcső működőképes legyen. A szelephez a szelepszáron keresztül egy kar kapcsolódik, amely a kétkarú emelő elvén egy igen nagy nyomaték áttételezést valósít meg. Ezzel érhető el, hogy igen kis erőhatás is elég legyen a szelep nyitásához, melyet a búvár belégzéskor egy vékony gumi membrán segítségével hoz létre.

Mi történik, ha a búvár belélegzik?

A második lépcső (a reduktorház) egyik “fala” ugyanez a gumi membrán. Ha a búvár megkezdi a belégzést, a reduktorházban csökken a nyomás és a környezeti víz nyomása, a membránt befelé mozdítja, mely azt eredményezi, hogy a membrán elmozdítja a hozzá érintkező kart, így az nyitni tudja a szelepet, és megkezdődhet a levegő beáramlása a második lépcsőbe, majd onnan a búvár tüdejébe. Ez a folyamat addig tart, amíg a búvár belélegzik, vagyis csökkenti a ház nyomását. A belégzés végén a szelep egészen addig nyitva marad, amíg a belső és a külső nyomás ki nem egyenlítődik azáltal, hogy a töltőnyomás folyamatosan szállítja a légzőgázt, és a membrán terheletlenül a helyére nem kerül. Mikor ez megtörtént, a kar is visszaengedi a szelepet, és az lezárja a beáramló levegő útját. Fontos még egy technikai jellemzőről tudnunk. A búvár minél nagyobb lélegzetet kíván venni, (például intenzív úszáskor) annál nagyobb légzési ellenállással találkozik. Ez azért van, mert egy kétszer akkora belégzéshez a szeleprugót a kar segítségével közel kétszer annyira össze kell nyomnunk. A rugók karakteriszitkájából adódóan ez dupla akkora erőt jelent, így kétszer akkora légzési ellenállást okoz. Ehhez a hatáshoz még az a kedvezőtlen fizikai törvényszerűség is kapcsolódik, mely szerint minél nagyobb mennyiségű gáz szeretne átáramolni egy adott keresztmetszeten, annál nagyobb áramlási ellenállást hoz létre, tovább nehezítve a búvár helyzetét. Ezért nevezik ezeket a típusokat (többek közt) nem kiegyensúlyozott második lépcsőknek. Kilégzéskor a használt levegő a reduktor házba, majd onnan a ház alsó részén kialakított kilégző szelepen keresztül a vízbe jut. A kilégző szelep egy egyszerű gumi lapocska, amely csak kifelé képes nyitni, így vizet nem enged be a házba.

Mi történik, ha a búvár kiveszi és visszateszi a szájába a tüdőautomatát?

Természetesen az megtelik vízzel, melyet onnan ki kell üríteni. A víztől a kilégző szelepen keresztül lehet megszabadulni, méghozzá kétféle módon. Az első megoldáshoz csak egy kis kilégzésre van szükség, ilyenkor a házba érkező levegő kiszorítja az ott lévő vizet. Ha a búvár nem képes kilégzéssel kiüríteni a tüdőautomatában lévő vizet, akkor a pótadagoló gombot kell használni. Ez a szerkezet egy egyszerű nyomógomb, amely a membrán külső oldalán, annak védőházában van kialakítva. A gomb megnyomásakor befelé mozdul a membrán ugyan úgy, mint belégzéskor, és megkezdődik a levegő beáramlása, mely szintén képes kiszorítani a házban lévő vizet, és a búvár ismét lélegezhet.

Előnyei:

Egyszerű, olcsó, megbízható, strapabíró szerkezet, egyszerűen és gyorsan szervízelhető. Kevésbé érzékeny a szennyeződésekre. A legtöbb oktatásra és bérlésre használt második lépcső ilyen típusú.

Hátrányai:

A legnagyobb légzési ellenállással bír, így nagy légszállítási teljesítmények esetén nem biztos, hogy a kényelmes légzés biztosított. Nincs személyes szabályozhatóság, amely a komfortérzést és a levegőfogyasztást befolyásolhatja.

A nem kiegyensúlyozott, szabályozható vagy irányszelepes szabályozható második lépcső, a személyes kényelem jobb megvalósulását próbálták sugallni a vásárlóknak. Ez részlegesen meg is valósult, de ha jobban megvizsgáljuk a működési elvet, észrevehetünk némi “álkomfort” funkciót is. Ezek a második lépcsők működésüket tekintve teljesen megegyeznek elődükkel. A szerkezeti plusz csupán annyi, hogy egy menetes állító csavarral egy terhelésnövelő rugó is a szelephez szorul, amelynek a szorító ereje hozzáadódik a szeleprugó erejéhez. Ha a terhelésnövelő rugó csavarját teljesen kitekerjük, akkor érhetjük el a legkényelmesebb légzést. Azonban az állító csavar betekerésével csupán a szelepre ható terhelést növelhetjük, ami a légzési ellenállás növelésével jár, így ez az állapot nem jobb, mint azoknál a második lépcsőknél, ahol szabályzás egyáltalán nincs. Fontos, hogy megértsük azt, ha a búvárnak megfelelő a csökkentett adagolás, úgy számára ez egy komfortos szerkezet, ha azonban csak teljesen nyitva kényelmes, akkor nem sok értelme volt megvásárolni ezt a típust.

Előnyei:

Egyszerű, olcsó, megbízható, strapabíró szerkezet, egyszerűen szervízelhető. Elviekben csökkenthető a levegőfogyasztás.

Hátrányai:

A legjobb légzési ellenállás nem jobb, mint a nem szabályozható típusnál, így igazából csak a költségek növekednek.

A pneumatikusan kiegyensúlyozott második lépcsők tervezői az előző típusok hiányosságainak kiküszöbölését, még kisebb légzési ellenállás megvalósítását, és még nagyobb légszállítási teljesítmény elérését tűzték ki célul. A technikai megoldások is jelentős eltéréseket mutatnak az előző verziókhoz képest. Az első lépcsőből érkező szabályzott középnyomást nem egy rugóterhelésű közönséges szelep tartja vissza, hanem egy pneumatikus dugattyúból és kamrából álló rendszer. Az érkező nyomás egy nyílással ellátott szelepen keresztül áthalad a szelep dugattyúján, és a kiegyensúlyozó kamrába kerül. Ezen a ponton van egy nagy ötlet beépítve ebbe a szelepmegoldásba. A kiegyensúlyozó kamra dugattyújának átmérője közel akkora, vagy nagyobb, mint a szelepülék beáramlási keresztmetszete. Ha a szelep- és dugattyúátmérők azonosak, a nyomás egyformán terheli a dugattyú mindkét végét, a nyomórugónak nem a teljes nyomást kell lezárnia, hanem csak egy, jóval kisebb erővel azt kell megakadályoznia, hogy a szelepülék és a dugattyú szeleptányérja között ne legyen szivárgás. Amennyiben a dugattyú átmérő nagyobb, mint a szelepátmérő, a kamra nyomása még segít is a rugónak visszazárni a szelepet, és így még kisebb rugóerő is elegendő a záráshoz. Ebből az is következik, hogy ha nyitni akarjuk a szelepet, elég egy sokkal kisebb rugóellenállást leküzdenünk, amely jóval kisebb légzési ellenállással is jár. Az adagolás vezérlésére itt is a jól bevált gumimembránt alkalmazták, amely egy, az előzőekben ismertetett módon belégzéskor elmozdul, és szintén hasonló karos áttételen keresztül a dugattyú hátrahúzásával nyitja a szelepet.

Mi történik ha a búvár belélegzik?

Ugyanúgy, mint az előzőekben, a házban csökken a nyomás, a membrán befelé mozdul, a kar hátrahúzza a dugattyút, és nyit a szelep. A nyitás pillanatában viszont a pneumatikus kamrában lecsökken a nyomás, mivel az ott lévő levegő kiáramlik a szelep nyílásán át, így csökkentve az összeszorító erőt és a nyitáshoz szükséges erőkifejtést, vagyis a légzési ellenállást. A belélegzés végén a membrán visszatér a nyugalmi helyzetébe, így a kar is visszaengedi a dugattyút, és zár a szelep. A kilégzés és a reduktor víztelenítése semmiben sem tér el az előző megoldástól. Ezeknél a típusoknál is megoldható a szabályozhatóság, hasonlóan az előzőekhez.

Előnyök:

Nagyon kis légzési ellenállás, nagy légszállítási teljesítmény. Akár extrém mélymerülések kiszolgálására is alkalmas.

Hátrányok:

A legdrágább kivitelek egyike, szervízelésük nagyobb precizitást igényel.

A pilot szelepes második lépcsők kialakításánál a minimális légzési ellenállás megvalósítása volt a cél. A tervezők nagyon jó hatásfokot értek el ennél a szerkezetnél, de mégsem terjedt el igazán. Működését tekintve: az érkező nyomás a pilotkamrába jut, amelynek belső átmérője jóval nagyobb, mint a szelep átmérő. Az ide érkező nyomás, a felületek nagy méretbeli különbsége miatt a dugattyúra akkora erővel hat, hogy az képes rugó segítsége nélkül is visszazárni a szelepet.

Mi történik, ha a búvár belélegzik?

A pilot vezérlőszelepet a befelé mozduló membrán elbillenti, így megszűnik a pilot kamrában felépült nyomás. A dugattyút a beáramló levegő nyomása határolja, és megkezdődik a levegő beáramlása. A belégzés végén a membrán visszatér eredeti helyzetébe, zár a vezérlő szelep, a kamra nyomása pedig ismét felépül, és a dugattyú zárja a szelepet. Sajnos ennek a típusnak van egy nagy hátránya. Ha az első lépcső meghibásodik és szabad folyásra áll át, a második lépcső nem képes elengedni a túlnyomást, mint az előzőekben ismertetett irányszelepes verziók. Mivel itt csak a nyomás zár, a túlnyomás következménye egy még erősebb záró erő. Ezeknél a megoldásoknál egy plusz biztonsági szelepre is szükség van, amelyet legtöbbször az első lépcsőbe építenek be. Ez a szelep védi a csövet túlnyomás esetén a szétrobbanástól. A megoldás egyrészt többletköltséggel jár, másrészt felhasználói és szerviz oldalról is nagyobb figyelmet követel. Ezen kívül, ha a cső mégis szétrobban, a búvár nem jut levegőhöz, mint a fentebb említett típusoknál. Mivel az előző megoldások irányszelepes kialakításúak voltak, így az első lépcső meghibásodása esetén szabad folyás áll be, de a búvár továbbra is tud lélegezni, és ha azonnal megkezdi az emelkedést, általában még elég levegője marad ahhoz, hogy biztonságosan elérje a felszínt.

Az áramlásterelők, szabályzó vagy torló lapok szinte bármely második lépcsőnél megtalálhatóak. Ezek szintén befolyásolják a légzés kényelmét azáltal, hogy a szelepen kiáramló levegőt nyitott állapotban ellenállás nélkül hagyják áramolni a csutorához, vagy egy mesterséges akadályt képeznek a levegő útjában, így kissé megnövelve a házban lévő levegő nyomását, a membránt hamarabb kényszerítik vissza alaphelyzetébe. Elviekben használhatóak levegőfogyasztás csökkentésére, de inkább annak megakadályozására szolgálnak, hogy egy véletlen mozdulat miatt a használaton kívüli reduktor (például tartalék második lépcső) nehogy szabadfolyásúvá váljon. Mikor például vízbe ugrunk, és egy pillanatra teljesen benyomódik a membrán, azonnal megkezdődik az intenzív levegő kiáramlás a második lépcsőből. Sok esetben állandósul mindaddig, amíg a búvár be nem fogja a csutorát, amivel megnöveli a házban lévő nyomást, így a nyomás alaphelyzetbe tolja a membránt, amely zárja a szelepet. Ez egy egyszerű áramlástani törvényszerűség miatt van így. “Minél nagyobb egy áramló közeg sebessége, annál kisebb a nyomása.” (A repülőgép is ezért nem esik le.) A kiáramló levegő nyomása kisebb, mint a környezeté, így a környezet nyomása nyomva tartja a membránt, és az áramlás állandósul. Ha ilyenkor a torlólap folytást hoz létre, és kialakul a házban egy ellennyomás, a membrán a helyére kerülve megszünteti ezt az állapotot.

A nitroxos és oxigénes légzőautomaták működésében nincs különbség, csupán a tömítések és a kenőanyagok változnak a speciális igények miatt. Azért, hogy a búvár véletlenül se szerelje fel levegős palackokra ezeket a speciális reduktorokat, (az oxigéntisztasági követelmények miatt) színük mindig zöld vagy zöld-sárga.

A légzési karakterisztika a reduktorok egyik legfőbb paraméterének, a légzési ellenállásnak a bemutatására szolgál. Ez a diagramm megmutatja, hogy belégzéskor és kilégzéskor mekkora ellenállást kell legyőzni a búvárnak. A függőleges tengelyen a második lépcsőben uralkodó nyomás értékei találhatók pozitív és negatív tartományban is, (általában kiloPascalban vagy vízoszlop cm-ben) míg a vízszintes tengelyen a légzés folyamata követhető. Az origótól jobbra, és a negatív tartományban lefelé indulva követhetjük a diagramm belégzéshez tartozó értékeit, amelynek a végén elérjük a vízszintes tengelyt, mely egyben a belégzés vége is. Ebből a pontból balra a pozitív tartományban a kilégzéshez tartozó munkapontok találhatók, melynek végén visszajutunk az origóba. A két görbe által határolt terület adja a reduktor működtetéséhez befektetendő munka szükségletét. Több típusnál megvizsgálva a maximális és minimális értékeket, össze tudjuk hasonlítani őket, így a pénztárcánkhoz mért legjobb verziót könnyen ki tudjuk választani. Fontos azonban tudni, hogy egy karakterisztika csak egy adott mélységhez tartozóan érvényes. Mélység függvényében az értékek változnak, így ha az összehasonlítandó reduktorok karakterisztikáit különböző mélységekhez tartozóan vették fel, nem lesz korrekt az összehasonlítás eredménye. Van még itt egy fontos tudnivaló. Sok gyártó cég ezen a diagrammon feltünteti a US Navy által meghatározott “A” osztályhoz (vagyis legjobb minőségi osztályhoz) tartozó reduktorok maximális és minimális nyomásértékeit is. Ezek az értékek a +2.5 és -2.5kPa, amelyek minden esetben sokkal nagyobbak, mint a mai legrosszabb reduktorokhoz tartozó értékek, és egy meglehetősen régi szabványt képviselnek. Néhány kevésbé tájékozott, vagy inkorrekt kereskedőnél lehet azzal a téves információval találkozni, hogy ezeknek a követelményeknek megfelelő reduktorokat, (természetesen az övéit) a US Navy is használja. Ez néha így van, de legtöbbször sajnos nem igaz. Ezek az értéknek történő megfelelés ma már gyakorlatilag csak ahhoz elég, hogy a forgalmazást megkezdhessék, de semmiképpen sem jelentenek kiváló minőséget.

Dóra Gyula okl. gépészmérnök

PADI, TDI és UEF instructor