Способ извлечения воздуха из воды
Изобретение относится к водолазной технике и может быть использовано при создании аппаратов для автономного подводного плавания. Способ извлечения воздуха из воды путем газообмена между водой и газовой средой полой камеры, ограниченной пленкой-мембраной, отличается тем, что в качестве пленки-мембраны применяют пористый материал со сквозными порами диаметром до 100 мкм. Газообмен осуществляют при давлении воздуха в полой камере, превышающем суммарное давление атмосферы и гидростатического столба погружения камеры. Достигается увеличение скорости газообмена между воздухом камеры и водой и снижение количества используемой пленки-мембраны. 4 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к области проведения подводных работ и может быть использовано при создании аппаратов для автономного подводного плавания с практически неограниченным временем пребывания под водой, а также для жизнеобеспечения людей под водой и их деятельности.
В настоящее время для этих целей используют акваланги или замкнутые, герметичные устройства типа подводных лодок.
В первом случае для дыхания под водой используют баллоны со сжатым или сжиженным газом, в состав которого входит кислород, а во втором случае, как правило, используют регенерационные химические элементы для сорбции углекислого газа и восстановления кислорода (патент РФ 2138421, B 63 С, 11/00, 11/36, опубл. 1999 г.).
Недостатками известных решений являются сложность и дороговизна, а время пребывания под водой ограничивается запасом газа в баллоне или объемом регенерационных элементов.
Наиболее близким к предлагаемому способу по своей сущности является способ, основанный на извлечении кислорода из воды и выводе углекислого газа через полую камеру, выполненную из селективных пленочных пластмассовых мембран, который нами принят за прототип («Наука и жизнь», 1965 г., 3, с.139; «Наука и жизнь», 1967 г., 2, с. 86). Однако существенным недостатком способа является то, что скорость газообмена между воздухом и водой, зависящая от величины скорости диффузии кислорода и углекислого газа через мембрану, при небольшой движущей силе (определяемой разницей парциальных давлений кислорода внутри камеры и снаружи над водой) является весьма низкой, вследствие чего для обеспечения человека кислородом требуется мембрана площадью 6 м 2 , что весьма дорого, требует сложной конструкции камеры и применения дефицитных пластмассовых материалов.
Задачей предлагаемого изобретения является существенное увеличение скорости газообмена между воздухом камеры и водой и снижение количества используемой пленки-мембраны.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе извлечения воздуха из воды путем газообмена между водой и газовой средой полой камеры, пленкой-мембраной, при этом в качестве пленки-мембраны применяют пористый материал со сквозными порами диаметром до 100 мкм, причем газообмен осуществляется при давлении воздуха в полой камере, превышающем суммарное давление атмосферы и гидростатического столба погружения камеры. Кроме того, давление воздуха в камере ниже давления, необходимого для преодоления сил поверхностного натяжения воды на границе раздела газовой и жидкой фаз в порах пленки мембраны.
Кроме того, давление воздуха в камере поддерживают путем принудительной подачи газа. В качестве газа используют воздух или кислород, или азот, или гелий, или их смеси.
В качестве пленки-мембраны применяют тканые или нетканые полимерные, хлопчатобумажные, шерстяные, синтетические материалы.
В настоящем изобретении используются силы поверхностного натяжения на границе раздела фаз (в данном случае воздух-вода); силы поверхностного натяжение воды позволяют поддерживать избыточное давление воздуха. Граница раздела фаз при этом находится в порах используемой мембраны. Таким образом, в порах мембраны устанавливается непосредственный контакт между газовой средой и водой и газообмен осуществляется непосредственно, минуя диффузию через вещество мембраны, что значительно увеличивает его скорость, а это, в свою очередь, позволяет снизить площадь мембраны.
Достаточно всего 10-50 мм водяного столба избыточного давления, чтобы исключить попадание воды внутрь камеры, хотя газообмен в целом и газообмен по отдельным газовым компонентам проходит и при значительно больших значениях избыточного давления. Интенсивность газообмена зависит от разницы парциальных давлений газовых компонентов внутри камеры и над соприкасающейся с мембраной водой.
Выбор материала и размера пор мембран для создания полой камеры проводился на специальном стенде-камере. Сверху камеры устанавливался образец пористой мембраны диаметром 50 мм и укреплялся сверху нижней полой герметичной части стенда. Нижняя часть стенда снабжена манометром для замера давления воздуха. Кроме того, к нижней части стенда подведена подача воздуха. При установлении сухой пористой мембраны воздух практически беспрепятственно проходит через поры мембраны. При погружении стенда в воду ее сопротивление многократно увеличивается, так как на границе раздела фаз воздух-вода в порах мембраны силы поверхностного натяжения воды препятствует свободному прохождению воздуха. Сопротивление полой мембраны обратно пропорционально диаметру отверстий пор и изменяется от 5 мм водяного столба при диаметре пор 100 мкм до нескольких атмосфер избыточного давления при диаметре пор менее 0,01 мкм. При дальнейшем погружении стенда под воду сопротивление мембраны дополнительно возрастает на величину гидростатического давления столба воды и зависит от глубины погружения.
Проверка газообмена между водой и полой камерой осуществлялась на специально созданных аппаратах. Результаты испытаний приведены в нижеследующих примерах, которые иллюстрируют, но не ограничивают возможность использования предлагаемого изобретения.
Испытатель через загубник с патрубком, соединенным с полой камерой объемом около 100 л, образованной путем обтяжки смоченной водой хлопчатобумажной тканью двух колец диаметром по 800 мм с размером сквозных пор до 100 мкм при расстоянии между кольцами 200 мм, опускался под воду на глубину от 0,3 до 1,5 м. Давление внутри камеры было на 30-50 мм водяного столба больше суммарного давления атмосферы и гидростатического столба, которое изменялось от 1,03 до 1,15 ата. При опускании камеры в воду к ней подвешивался груз для преодоления выталкивающей силы воды. При этом дыхание осуществлялось только воздухом, находящимся внутри камеры. Выдох осуществлялся также внутрь камеры. Время, проведенное испытателем под водой, составляло 50 мин. Вдох и выдох через камеру осуществлялся без заметных усилий.
В отсутствие газообмена между воздухом камеры и водой испытатель мог бы дышать данным объемом воздуха не более 10 мин, после чего из-за исчерпывания кислорода и накопления СО2 дыхание оказалось бы невозможным. Следовательно, газообмен между воздухом камеры и водой осуществлялся нормально.
Способ осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве пористых мембран применяют «ядерные» фильтры на основе полиэтилентерефталата с диаметром пор 0,01 мкм. Испытатель провел под водой 40 мин.
Способ осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве пористых мембран применяют комбинированную ткань на основе шерстяных и синтетических волокон. Диаметр пор материала находится в пределах от 15 до 80 мкм. Испытатель провел под водой 2,0 ч, опускаясь на глубину до 2,6 м. Давление внутри камеры было на 90 мм водяного столба больше суммарного давления атмосферы и гидростатического столба, составлявшего 1,26 ата.
Способ осуществляют аналогично примеру 1, но погружение проводят на глубину 7,0 м при давлении внутри камеры на 70 мм водяного столба выше значения 1,7 ата. При этом за счет гидростатического давления камера сжималась и объем ее уменьшался приблизительно до 58 л. Для восстановления объема камеры из баллона со сжатым воздухом через специальное устройство была проведена подпитка воздуха до восстановления объема камеры 100 л. Дыхание не вызывало затруднений у испытателя. Опыт продолжался 30 мин.
Способ осуществляют аналогично примеру 4, но подпитку для восстановления объема проводят смесью гелий — кислород с 20 об.% кислорода. В течение 45 мин испытатель дышал этой смесью без заметных затруднений при вдохе и выдохе. При этом часть подаваемого газа выходила из камеры через наиболее крупные поры мембраны. Давление внутри камеры было на 220 мм водяного столба выше значения 1,7 ата.
Из материала на основе вискозы и стеклоткани с диаметром пор менее 70 мкм был изготовлен купол объемом 50 л. Купол помещают под воду и заполняют его объем азотом. После 5 ч нахождения купола под водой отбирают пробу газа на содержания кислорода. Анализ показал присутствие кислорода под куполом в количестве 18,7 об.%, что свидетельствует о диффузии кислорода из воды.
Как видно из представленных примеров, предложенный способ позволяет работать под водой в течение длительного времени (до двух и более часов) на различных глубинах, при этом за счет извлечения воздуха (кислорода) из воды концентрация кислорода поддерживается постоянной даже при значительно меньшей (около 1,5 м 2 ) поверхности мембраны.
1. Способ извлечения воздуха из воды путем газообмена между водой и газовой средой полой камеры, ограниченной пленкой-мембраной, отличающийся тем, что в качестве пленки-мембраны применяют пористый материал со сквозными порами диаметром до 100 мкм, причем газообмен осуществляют при давлении воздуха в полой камере, превышающем суммарное давление атмосферы и гидростатического столба погружения камеры.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление воздуха в камере ниже давления, необходимого для преодоления сил поверхностного натяжения воды на границе раздела газовой и жидкой фаз в порах пленки-мембраны.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что давление воздуха в камере поддерживают путем принудительной подачи газа.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве газа используют воздух, или кислород, или азот, или гелий, или их смеси.
5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве пленки-мембраны применяют тканые или нетканые полимерные, хлопчатобумажные, шерстяные, шелковые, синтетические материалы.
NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.08.2010
Источник
Хука – воздух с поверхности для дайверов
Один из моих любимых документальных фильмов о взаимодействии людей с океаном — Human Planet от BBC. Очень советую всем посмотреть. Мы часто показываем его вечерами на наших фридайв-кемпах и трипах. Самый впечатляющий момент фильма для меня — сюжет о паалинских рыбаках на Палаване, которые ловят рыбу сетями, дыша под водой через обычные садовые шланги, воздух по которым подается из компрессора на корабле. Вот здесь на Youtube есть часть этого сюжета. Молодые парни суют шланги, из которых фигачит воздух прямо в рот без всяких регуляторов. Шланги травят и путаются друг с другом. Компрессор допотопный. Из-за больших глубин, быстрого всплытия и долгого нахождения под водой у многих развивается декомпрессионная болезнь. Полный ад!
И вот недавно узнал, что у этого занятия есть даже название — хука-дайвинг. Для него производится профессиональное оборудование, которое используется в некоторых местах для развлечения туристов и рекреационного дайвинга. По аналогии со SCUBA (аквалангом) называется это SNUBA и даже есть организация Snuba International. Ниже перевод статьи о хука-дайвинге с Deeperblue.
Хука (от англ. Hookah – кальян) или система подачи воздуха с поверхности для дайвинга, как отдыха и развлечения, стала очень популярна во многих местах по всему миру. Курорты продают этот вид отдыха, как смесь подводного плавания с дайвингом без необходимости сертификации. В то время, как различные поставщики оборудования могут добавлять свое собственное имя этому занятию, в целом используется термин хука-дайвинг. По сути, хука-система обеспечивает человека под водой воздухом, источник которого находится на поверхности. Воздушный шланг, тянущийся от источника воздуха к регулятору, связывает человека с системой. В существующих системах встречаются различные вариации.
Наибольшее отличие состоит в том, являются ли системы динамическими или статическими. Динамическая система использует воздушный компрессор, чтобы обеспечить необходимый воздух при надлежащем давлении. Эти системы часто имеют небольшой накопительный резервуар, чтобы гарантировать постоянное давление. Поскольку воздух удаляется из резервуара, компрессор подкачивает новый для поддержания давления. Компрессоры могут быть свободно плавающими или зафиксированными. Они также могут быть бензиновыми или электрическими. Статическая система использует цилиндр сжатого воздуха в качестве источника воздуха для дайверов. Во многих статических системах для этого используется акваланг.
Системы могут быть зафиксированными или плавающими. Зафиксированные системы могут быть размещены на пристани, но чаще устанавливаются на лодке. Многие яхты, которые используют воздух под высоким давлением для различных систем, имеют выходные отверстия для подключения к шлангу. Хука-дайвинг оказался очень удобен для осмотра корпусов лодок, очистки гребных винтов и других рутинных работ по техническому обслуживанию. В плавающей системе источник воздуха имеет поплавок, так что дайверы могут тянуть его за собой. Статья, опубликованная в прошлом году на сайте The SUSiE Chronicles: Хука-дайвинг для науки, дает некоторое представление о преимуществах использования хука-системы для исследований на небольшой глубине.
Как работает хука-система
Проще говоря, шланг соединяет источник воздуха и регулятор, который обеспечивает дайвера воздухом. Некоторые системы имеют по одному воздушному шлангу, который часто называют даунлайн (down—line), идущему от источника воздуха к регулятору, для каждого дайвера. Другие системы имеют один даунлайн, к которому подключен воздушный шланг и регулятор для каждого дайвера. Эта система дает каждому дайверу немного больше свободы и снижает риск спутывания даунлайнов.
Дайвер использует стандартную маску и ласты. Хука-дайверы не надевают компенсатор плавучести (BCD), вместо этого они надевают ремень. Основной целью ремня является обеспечение точки крепления для даунлайна. Если даунлайн за что-то зацепится, то он дернет за ремень, а не за регулятор, который мог бы при этом выпасть изо рта. Дайвер также одевает грузовой пояс. Наиболее распространенный дизайн предусматривает съемные весовые карманы. Дайверы нагружаются для поддержания нейтральной плавучести. Так как на них нет баллона с воздухом, который изменяет плавучесть, когда они дольше они остаются под водой, то их плавучесть не меняется в течение дайва.
Обычно дайвер использует для дыхания стандартный двухступенчатый регулятор. Существуют системы, предназначенные для 1-4 дайверов.
Типичный курортный хука-дайвинг
Во многих отношениях хука-дайвинг на курорте очень похож на дайвинг с аквалангом. Участники начинают с короткого урока, на котором им объясняют, чего ожидать, требования безопасности, а также обучают нескольким навыкам, таким как очистка маски. Затем с инструктором они погружаются на глубину около 6 метров / 20 футов. В некоторых местах нормы и правила требуют, чтобы гид имел лицензию и использовал акваланг. Так как дайверы привязаны к поплавку, риск того, что участник может потеряться или уйти на глубину, намного меньше.
Персональные хука-системы
Хука-системы имеют огромную гибкость за пределами курортной зоны для дайвинга. Наиболее распространенные конфигурации позволяют максимум 4 дайверам спуститься на 18 метров / 60 футов. Что эквивалентно новичкам аквалангистам (Open Water Diver). Некоторые системы могут позволять двум дайверам опускаться до 30 метров / 100 футов (глубина продвинутых дайверов). Первоначальная стоимость хука-системы для одного дайвера примерно такая же, как первоначальный набор SCUBA-дайвера. Тем не менее, хука-система для двух или даже четырех дайверов незначительно больше. Это делает их менее дорогими, чем несколько комплектов. Операционные расходы также низкие, на галлоне бензина большинство компрессоров может работать в течение пяти часов при подаче воздуха для четырех дайверов.
Опасности хука-системы
В хука-дайвинге и дайвинге с аквалангом используется сжатый воздух. Риски использования сжатого воздуха на глубине остаются такими же, независимо от того, где находится его источник. Операторы на курортах спешат указать на то, насколько они безопасны. Производители хука-систем утверждают, что это относительно безрисковая активность, и большинство статистических данных это подтверждают. Тем не менее, имейте в виду, что в основном хука-дайвингом занимаются на глубине менее 12 метров и практически весь дайвинг, предлагаемый на курортах, происходит на глубинах менее 9-ти. На этой глубине декомпрессионная болезнь является редкостью и для хука-дайвинга, и для погружения с аквалангом. Есть еще некоторые большие проблемы безопасности.
Первой и, может быть, основной является проблема обучения. Дайверы должны быть сертифицированы для погружений. Конечно, есть много дайверов, которые не получали сертификаты, но их меньшинство. Основные производители и дистрибьюторы хука-систем рекомендуют обучение и у некоторых даже есть учебные онлайн-программы. У некоторых агентств по сертификации аквалангистов есть обучение на воде для хука-дайверов. Тем не менее, нет обязательной профессиональной подготовки.
Вот интересная статистика из Тасмании. Недавний отчет показал, что количество обращений с декомпрессионной болезнью были примерно равны для аквалангистов и хука-дайверов. Несмотря на то, что по оценкам у аквалангистов таких случаев в пятнадцать раз больше. После опроса выяснилось, что более 90% хука-дайверов ничего не знали о рисках глубокого погружения и не знали о том, что такое декомпрессионная болезнь. Ни один из 90% не получил никакого обучения. Следует помнить, что количество воздуха, которое хука-дайвер получает на глубине, контролируется топливом компрессора. Таким образом, возможны погружения на 2-3 часа. Хука-дайверы, выполняющие те же процедуры, что и аквалангисты, планирующие погружение и имеющие подводный компьютер, могут снизить риск наступления декомпрессионной болезни.
Второй серьезной проблемой является пригодность оборудования. Концепция хука-системы очень проста, не сильно отличается от той, какой она была в 1700-х годах. Конечно, были сделаны улучшения в компрессорах, и регуляторы, которые также используются при погружениях с аквалангом, помогают. Тем не менее, есть много людей, делающих их самостоятельно. Они собирают системы, которые имеют фатальные недостатки. Кроме того, в интернете можно найти людей, изготавливающих свои собственные системы и продающих их. Они не всегда безопасны. Некоторые используют для подачи воздуха шланг низкого качества, а другие не защищают от угарного газа, поступающего в воздухозаборники.
Австралийская система аккредитации дайверов (ADAS) является правительственной организацией, которая управляет коммерческим дайвингом в этой стране. Вот что они говорят по теме:
«Некоторые дайверы могут использовать хука-систему, примитивный аппарат для подачи воздуха с поверхности. Хука-дайвинг обширно представлен в статистике смертности при дайвинге, как на любительском, так и на профессиональном уровне, причем основной причиной является отравление угарным газом в результате всасывания выхлопных газов в воздухозаборники компрессора, оставленного на поверхности без присмотра».
Погружение с аквалангом дает больше свободы под водой, так как вы не привязаны к поплавку. Но для некоторых дайверов это ограничение не является проблемой, поэтому хука-система может стать их выбором. Если вы решите попробовать данную систему, просто помните, что перемещение расположения воздуха не отменяет риск. Некоторые дилеры хука-систем рекомендуют тем, кто использует конфигурации, позволяющие погружаться глубоко, использовать подводный компьютер и ремень с малым запасным баллоном с дыхательной смесью.
Источник
