Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie i użytkowa analiza najczęściej spotykanych rozwiązań konstrukcyjnych stosowanych w automatach oddechowych. Znajomość opisanych zagadnień pozwoli czytelnikowi na świadomy wybór automatu oddechowego zgodny z oczekiwaniami, możliwościami finansowymi lub charakterem wykonywanych nurkowań. Materiał zostanie przedstawiony w trzech częściach, które kolejno będą opisywały: pierwszy stopień redukcji, drugi stopień redukcji oraz zabezpieczenia automatu oddechowego przed zamarzaniem.

Intencją artykułu jest obiektywna prezentacja istniejących rozwiązań, pozbawiona krytyki czy też promowania firm zajmujących się produkcją sprzętu nurkowego.

Automat oddechowy spełnia pięć podstawowych funkcji:

• redukuje wysokie ciśnienie mieszaniny oddechowej znajdującej się w butli do wartości ciśnienia jakie panuje na bieżącej głębokości nurkowania

• podaje mieszaninę oddechową w odpowiednim momencie

• podaje mieszaninę oddechową w odpowiedniej ilości

• zasila dodatkowe urządzenia (np. KRW, suchy skafander itp.)

• umożliwia wykonanie wydechu

Analizie zostaną poddane automaty oddechowe, które realizują powyższe funkcje przy pomocy dwóch osobnych stopni redukcji. Automaty takie nazywa się dwustopniowymi o stopniach rozdzielonych. Aktualnie wypełniają one prawie cały segment oferty dedykowanej dla nurkowań rekreacyjnych. Zadaniem pierwszego stopnia redukcji (przyłączanego do butli) jest redukcja wysokiego ciśnienia do tzw. ciśnienia międzystopniowego. Zadaniem drugiego stopnia redukcji (wyposażonego w ustnik) jest redukcja ciśnienia międzystopniowego do wartości "oddechowej".

Pierwszy stopień redukcji

1. Ciśnienie międzystopniowe (średnie)

Ciśnienie średnie panuje na wyjściu z I-go stopnia redukcji, w wężu łączącym stopnie automatu oraz na wejściu do II-go stopnia redukcji. Jako wielkość względna ma ono wartość stałą. Jako wielkość bezwzględna jest zmienne i zależy od głębokości na jakiej pracuje automat. Ciśnienie względne jest mierzone w odniesieniu do ciśnienia otoczenia, bezwzględne natomiast w odniesieniu do warunków próżni. Najczęściej spotykana względna wartość ciśnienia międzystopniowego wynosi 0.1 MPa ("10 atm). Oznacza to, iż podczas nurkowania bezwzględne ciśnienie międzystopniowe będzie zawsze o 10 atm wyższe od panującego na danej głębokości. Tę właśnie wartość podają producenci w specyfikacjach automatów oddechowych. Bezwzględna wartość ciśnienia średniego wynika z głębokości na jakiej znajduje się nurek (wzrost ciśnienia hydrostatycznego). Wartości poszczególnych ciśnień w zależności od głębokości nurkowania przedstawia tab. 1.

Tab.1. Wartości ciśnień
Głębokość	Ciśnienie atmosferyczne	Ciśnienie hydrostatyczne	Ciśnienie absolutne	Względne ciśnienie międzystopniowe	Bezwzględne ciśnienie międzystopniowe
[m]	[ata]	[ata]	[ata]	[atm]	[ata]
0	1	0	1	10	11
10	1	1	2	10	12
20	1	2	3	10	13
30	1	3	4	10	14
40	1	4	5	10	15
50	1	5	6	10	16

Utrzymywanie wartości ciśnienia zgodnego z założeniami producenta wpływa na poprawność pracy automatu. Wzrost względnego ciśnienia międzystopniowego może powodować samoczynny wypływ powietrza z automatu lub w niektórych konstrukcjach powodować jego uszkodzenie. Spadek ciśnienia międzystopniowego zwiększa opory oddechowe automatu lub wręcz uniemożliwia jego działanie. Wynika z tego, iż jedną z podstawowych czynności serwisowych powinna być kontrola i regulacja wartości ciśnienia międzystopniowego. Parametr jakim jest wartość względna ciśnienia międzystopniowego decyduje o kompatybilności stopni redukcji, czyli możliwości współpracy pierwszego i drugiego stopnia redukcji pochodzących od różnych producentów. Problem ten szczególnie często występuje przy doborze octopusa. Aby poszczególne stopnie redukcji poprawnie ze sobą

współpracowały muszą być przystosowane do takiego samego ciśnienia międzystopniowego. Większość producentów przestrzega obecnie standardu jakim jest wartość 0.1 MPa, ale w niektórych automatach (zwłaszcza starszych) można spotkać inne wartości. Dodatkowo, w automatach o niskim ciśnieniu średnim (0.06 MPa - 0.07 MPa) może podczas głębokiego nurkowania dojść do zakłócenia tzw. przepływu krytycznego i zaburzenia pracy automatu.

2. Porty przyłączeniowe

W każdym pierwszym stopniu redukcji automatu oddechowego występują gwintowane gniazda (porty) umożliwiające podłączenie dodatkowych urządzeń. Do portów LP (low pressure) podłączane są odbiorniki ciśnienia międzystopniowego takie jak drugi stopień redukcji, octopus, wężyk zasilający kamizelkę RW lub suchy skafander, pistolet powietrzny itp. Do portu HP (high pressure) zwykle podłączany jest manometr lub komputer wyposażony w funkcje pomiaru ciśnienia mieszaniny oddechowej. Wskazane jest aby pierwszy stopień redukcji posiadał co najmniej trzy a najlepiej cztery porty LP, umieszczone po dwa z każdej strony automatu. Taka ilość portów pozwoli na wygodne i ergonomiczne rozmieszczenie węży oraz nie będzie ograniczała w przyszłości rozbudowy konfiguracji sprzętowej. Pomimo, iż zwykle wystarczający jest jeden port HP, pożądaną cechą automatu jest posiadanie dwóch takich portów występujących po obu stronach korpusu. Umożliwia to wybór strony po której użytkownik chce przyłączyć manometr oraz pozwala na dublowanie wskaźnika elektronicznego np. manometrem analogowym. W portach LP wykorzystuje się gwint 3/8" UNF, w portach HP 7/16" UNF. Zastosowanie w portach LP i HP różnych gwintów zapobiega omyłkowemu podłączeniu urządzenia do niewłaściwego gniazda, prowadzącemu najczęściej do jego uszkodzenia. Planując rozbudowę sprzętu warto zastanowić się czy jest ona możliwa ze względu na zastosowany standard przyłączeń gwintowych poszczególnych portów. W starszych automatach często spotyka się inne gwinty, które wymagają stosowania odpowiednich redukcji i nie różnicują portów HP od LP.

3. Obrotowa głowica

W niektórych automatach porty LP umieszczane są na głowicy, która ma możliwość obrotu względem swojej osi.

Rys. 1. Obrotowa głowica

Zaletą obrotowej głowicy jest większa swoboda ruchu urządzeń przyłączonych do pierwszego stopnia redukcji, wygoda układania węży oraz, w pewnych sytuacjach, zmniejszenie ich naprężenia. Jako wadę uznaje się skomplikowanie konstrukcji i stworzenie potencjalnych źródeł nieszczelności, które obniżają niezawodność automatu oraz podnoszą koszty serwisowania. Spotyka się również zarzuty, iż zbyt duża ruchomość węży utrudnia np. odnalezienie zgubionego pod wodą ustnika. Zastosowanie ruchomej głowicy zwykle podnosi cenę automatu.

4. Sposób sterowania

Za pracę każdego ze stopni redukcji odpowiedzialny jest element sterujący. Jego zadaniem jest automatyczna reakcja na zmiany ciśnienia otoczenia oraz otwieranie i zamykanie przepływu powietrza zgodnie z rytmem oddechowym nurka. Pierwszy stopień automatu oddechowego może być sterowany membraną lub tłokiem. Zasadę działania automatu z membraną przedstawia rys. 2.

Rys. 2. Pierwszy stopień redukcji sterowany membraną

Przed podłączeniem do zasilania sprężonym powietrzem, zawór redukcyjny składający się z grzybka oraz gniazda jest otwarty. Po podłączeniu zasilania, sprężone powietrze przedostaje się do komory wysokiego ciśnienia, a następnie poprzez otwarty zawór do komory ciśnienia międzystopniowego. Przepływ powietrza trwa do chwili zrównoważenia się sił działających na membranę. Od strony komory wodnej na membranę działa parcie hydrostatyczne wody oraz siła nacisku sprężyny odpowiedzialnej za wartość ciśnienia międzystopniowego. Od strony komory średniego ciśnienia na membranę działa parcie powietrza sprężonego w tej komorze. Zrównoważenie się sił działających na membranę powoduje jej podniesienie do pozycji swobodnej, przemieszczenie popychacza oraz dociśnięcie przez sprężynę doszczelniającą grzybka do gniazda. Przepływ zostaje zamknięty. Pobranie wdechu z komory średniego ciśnienia (połączonej wężem z drugim stopniem redukcji) wywołuje spadek ciśnienia w tej komorze i ugięcie membrany, która za pośrednictwem popychacza odsuwa grzybek od gniazda. Przepływ zostaje otwarty i trwa do chwili ponownego zrównoważenia membrany. Podczas zwiększania głębokości i wzrostu parcia hydrostatycznego następuje ugięcie membrany, przesunięcie popychacza oraz otwarcie zaworu. Do komory średniego ciśnienia dostaje się powietrze. Przepływ trwa do chwili zrównoważenia membrany. Proces otwierania i zamykania zaworu powtarza się cyklicznie przy każdym wdechu nurka i podczas zwiększania głębokości.

Automaty sterowane membraną szybko reagują na podciśnienie wdechu oraz charakteryzują się małymi oporami otwarcia przepływu. Wadą dużej czułości automatu jest jednak tendencja do "wzbudzania się" czyli uruchamiania samoczynnego wypływu powietrza. Automaty membranowe są stosunkowo odporne na zanieczyszczenia ze względu na brak kontaktu wody z ruchomymi elementami urządzenia. Z tego powodu między innymi uznaje się je również za mniej podatne na zamarzanie.

Fot. 1. Automat membranowy

Konstrukcja automatów membranowych jest z reguły dosyć skomplikowana, co powoduje, iż niezawodność jego działania zależy w dużym stopniu od jakości produkcji i wpływa na podwyższenie ceny.

Zasadę działania automatu z tłokiem ilustruje rys. 3. W przedstawionym rozwiązaniu, tłok spełnia równocześnie rolę grzybka współpracującego z gniazdem, tworząc w ten sposób zawór redukcyjny. Przed podłączeniem zasilania, tłok jest odsunięty od gniazda. Powoduje to sprężyna odpowiedzialna za

wartość średniego ciśnienia umieszczona w komorze wodnej.

Rys. 3. Pierwszy stopień redukcji sterowany tłokiem

Po przyłączeniu automatu do źródła zasilania, powietrze przedostaje się do komory wysokiego ciśnienia, a następnie przez otwarty zawór redukcyjny do komory średniego ciśnienia. Należy zwrócić uwagę na fakt, iż komora średniego ciśnienia znajduje się nie tylko w pobliżu zaworu redukcyjnego, ale również wewnątrz i nad tłokiem. Przepływ powietrza trwa do chwili zrównoważenia się sił działających na tłok. Od strony komory wodnej na tłok działa parcie hydrostatyczne wody oraz siła nacisku sprężyny. Od strony komory średniego ciśnienia na tłok działa parcie powietrza znajdującego się w tej komorze. Po zrównoważeniu się sił działających na tłok, grzybek zostaje dosunięty do gniazda i przepływ powietrza ustaje. Pobranie wdechu powoduje spadek ciśnienia w komorze międzystopniowej (również nad tłokiem), podniesienie się tłoka i udrożnienie zaworu redukcyjnego. Przepływ trwa do chwili ponownego zrównoważenia się sił działających na tłok. Podobna sytuacja zachodzi podczas zwiększania głębokości. Wraz ze wzrostem ciśnienia otoczenia, rośnie parcie hydrostatyczne w komorze wodnej. Efektem tego jest podniesienie się tłoka i udrożnienie układu. Przepływ zostaje zamknięty w momencie ponownego zrównoważenia tłoka.

Fot. 2. Automat tłokowy

Ze względu ma znaczną masę elementu sterującego automaty tłokowe uważane są za mniej czułe. Bezpośredni dostęp wody do tłoka i jego uszczelnień powoduje, iż automaty te często ulegają zanieczyszczeniu uniemożliwiającemu ich poprawną pracę. Stosowane przez producentów systemy izolacji komór wodnych od środowiska wodnego eliminują tę wadę jak również podnoszą odporność na zamarzanie zewnętrzne. Trzeba jednak podkreślić, iż tego typu izolacja zwiększa z kolei podatność na zamarzanie wewnętrzne wywołane efektem Joule'a - Thompsona. Integracja zespołów w automatach

tłokowych znacznie upraszcza ich konstrukcję i wpływa na obniżenie kosztów produkcji oraz serwisowania. Należy jednak mieć świadomość, iż automaty tłokowe wymagają stosunkowo częstego wykonywania przeglądów.

5. Odciążenie

Jest to ważna cecha automatu oddechowego i producenci bardzo chętnie się na nią powołują przedstawiając swoją ofertę. Aby wyjaśnić pojęcie odciążenia należy przypomnieć budowę układu redukcyjnego oraz wyjaśnić mechanizm powstawania oporów jego otwarcia. W większości automatów oddechowych na pierwszym stopniu redukcji stosowany jest zawór przeciwbieżny przedstawiony na rys. 4.

Rys. 4. Układ przeciwbieżny

Jest on zbudowany z zaopatrzonego w szczeliwo grzybka oraz gniazda. Sprężyna dociskająca grzybek do gniazda odpowiada za zamykanie i uszczelnianie zaworu. Odsunięcie grzybka od gniazda powoduje przepływ powietrza z komory wysokiego ciśnienia (HP) do komory średniego ciśnienia (LP). Kierunek ruchu grzybka przy otwieraniu zaworu jest przeciwny do kierunku przepływu powietrza. Cechą charakterystyczną układu są wysokie opory otwarcia przepływu (stanowiące składową oporów oddechowych) oraz ich zależność od różnicy ciśnień panującej między komorami układu redukcyjnego. Zmiany wartości ciśnienia zasilania automatu (zużywanie przez nurkującego powietrza zawartego w butlach) wywołują w konsekwencji zmiany wartości oporów oddechowych co znacznie pogarsza parametry automatu, utrudnia jego optymalną konstrukcję oraz zmniejsza komfort nurkującego. Siły działające na układ przeciwbieżny można przeanalizować w oparciu o rys. 5.

Rys. 5. Powierzchnia czynna grzybka

Od strony wysokiego ciśnienia, siła dociskająca grzybek do gniazda wywołana jest parciem sprężonego powietrza na powierzchnię A. Z konstrukcji gniazda i grzybka wynika, iż parcie na powierzchnię B występuje po obu stronach grzybka, a więc siły pochodzące od parcia na powierzchnię B równoważą się wzajemnie. Tak więc, siła docisku grzybka do gniazda (a tym samym siła potrzebna do odsunięcia grzybka i udrożnienia układu) zależy wyłącznie (pomijając siły tarcia występujące w konstrukcji rzeczywistego zaworu) od parcia sprężonego powietrza na powierzchnię C. Jest to tzw. czynna powierzchnia grzybka. Wyeliminowanie parcia na tę właśnie powierzchnię pozwoliło stworzyć układ redukcyjny odciążony, o małych oporach otwarcia niezależnych od zmian ciśnienia zasilania.

Zasadę "wyeliminowania" powierzchni czynnej grzybka od strony komory wysokiego ciśnienia,

Zasadę "wyeliminowania" powierzchni czynnej grzybka od strony komory wysokiego ciśnienia, wykorzystano w układzie przeciwbieżnym przedstawionym na rys. 6.

Rys. 6. Odciążenie zaworu przeciwbieżnego

Wprowadzenie do budowy grzybka elementu walcowego o polu przekroju S równym powierzchni czynnej grzybka spowodowało, iż siły pochodzące od parcia sprężonego powietrza na powierzchnię grzybka równoważą się wzajemnie i układ pozostaje odciążony. Wartość siły docisku grzybka do gniazda zależy wyłącznie od wartości siły wywieranej na grzybek przez sprężynę.

Stosowanie odciążenia na pierwszym stopniu redukcji zmniejsza opory oddechowe automatu, stabilizuje jego pracę oraz umożliwia uzyskanie większych przepływów. W nowoczesnych automatach oddechowych mechanizm odciążenia jest szeroko stosowany zarówno w automatach sterowanych tłokiem jak i membraną.

6. Sposób przyłączania do butli

Obecnie, na świecie rozpowszechniły się dwa rodzaje połączeń automatów oddechowych z butlą:

• strzemiączkowe, tzw. INT

• gwintowe, tzw. DIN

Występowanie dwóch rodzajów połączeń nie jest wygodne, a pełna zamienność stosowania butli jest możliwa dopiero przy użyciu specjalnych elementów korekcyjnych (adapter DIN-INT lub INT-DIN).

Konstruktorzy nowoczesnego sprzętu nurkowego starają się wyeliminować tę niedogodność, produkując butle z głowicą uniwersalną (zaopatrzoną w tzw. wkładkę adaptacyjną) umożliwiającą zamocowanie automatu oddechowego zarówno o przyłączu typu INT jak i DIN.

Fot. 3. Adaptor INT, adaptor DIN oraz zawór z wkładką adaptacyjną

Połączenie typu INT zwane jest również strzemiączkowym ze względu na swój charakterystyczny kształt (rys. 7).

Rys. 7. Przyłącze typu INT

Fot. 4. Automat typu INT

Jest ono cięższe i większe w porównaniu z połączeniem typu DIN. Jego zaletą jest łatwy i szybki sposób zakładania oraz zdejmowania automatu oddechowego z butli. Ograniczeniem stosowania połączenia jest wytrzymałość mechaniczna strzemiączka. Przyjmuje się, iż automaty o przyłączeniu typu INT nie powinny być zasilane powietrzem o ciśnieniu wyższym od 20 MPa. Dodatkową wadą jest fakt, iż uszczelnienie połączenia znajduje się w butli co zwiększa ryzyko jego uszkodzenia lub zgubienia w czasie transportu.

Połączenie typu DIN jest połączeniem gwintowym G 5/8" (rys. 8).

Rys. 8. Przyłącze typu DIN

Fot. 5. Automat typu DIN

Charakteryzuje się ono dużą wytrzymałością mechaniczną i z tego względu może być przyłączane do butli o ciśnieniu roboczym 30 MPa i wyższym. Jest wrażliwe na zanieczyszczenia a jego montaż jest bardziej pracochłonny. Ze względu na umiejscowienie uszczelnienia połączenia w automacie oddechowym jest ono w sposób oczywisty lepiej chroniony w czasie transportu. Jest to połączenie najbardziej rozpowszechnione w Polsce. Wybierając się na zagraniczną wyprawę nurkową z własnym automatem warto zaopatrzyć się w odpowiedni adaptor, tak aby możliwe było korzystanie z butli oferowanych przez miejscowe centra nurkowe.

Drugi stopień redukcji

1. Ciśnienie międzystopniowe (średnie)

Jak już zostało wspomniane w pierwszej części artykułu, zadaniem drugiego stopnia jest redukcja ciśnienia międzystopniowego LP (low pressure) do wartości "oddechowej" CP (current pressure) czyli do takiej, jaka panuje na bieżącej głębokości nurkowania. Większość automatów oddechowych ustawiona jest fabrycznie do pracy z ciśnieniem międzystopniowym wynoszącym 0.1 MPa.
Utrzymywanie tego standardu pozwala na wymienność drugich stopni i ich prawidłową współpracę z dowolnym pierwszym stopniem. Bardzo rzadko spotyka się drugie stopnie redukcji, które mają regulację umożliwiającą przystosowanie ich do pracy z innym niż założone przez producenta ciśnieniem średnim.

2. Zawór redukcyjny

Najczęściej spotykanym w drugim stopniu automatu oddechowego jest układ redukcyjny współbieżny przedstawiony na rys.

Rys. 1. Współbieżny zawór redukcyjny

Jego główną zaletą jest spełnianie funkcji nadmiarowego zaworu bezpieczeństwa. W przypadku wzrostu ciśnienia międzystopniowego wywołanego np. awarią lub zamarznięciem pierwszego stopnia redukcji, zawór współbieżny automatycznie otwiera się i wypuszczając na zewnątrz nadmiar mieszaniny oddechowej, chroni automat przed zniszczeniem.

3. Sterowanie i zasada działania drugiego stopnia redukcji

Drugi stopień redukcji zawsze sterowany jest za pomocą membrany. Zwykle wykonana jest ona z silikonu, a jej środek jest dodatkowo usztywniany krążkami z nierdzewnej blachy lub tworzywa. Średnica membrany wynosi najczęściej od 60 do 80 mm.
Na rys. 2 został przedstawiony prosty, standardowy drugi stopień redukcji.

Rys. 2. Drugi stopień redukcji

Powietrze z pierwszego stopnia redukcji doprowadzane jest do komory ciśnienia międzystopniowego. Membrana rozdziela wnętrze obudowy na komorę powietrzną oraz wodną.

Zaburzenie równowagi ciśnień nad i pod membraną (wdech, zmiana głębokości), powoduje jej ugięcie i wywarcie nacisku na dźwignię. Poprzez swój ruch dźwignia odsuwa grzybek od gniazda, otwierając dopływ powietrza. W chwili gdy na membranie zapanuje równowaga ciśnień, sprężyna doszczelniająca zamyka zawór redukcyjny. Zachowanie równowagi ciśnień na membranie występuje tylko pod warunkiem zapanowania w komorze powietrznej takiego ciśnienia jakie występującego na bieżącej głębokości nurkowania. W ten sposób jest realizowana jedna z najważniejszych funkcji spełnianych przez automat oddechowy. Wydech zostaje skierowany poza komorę powietrzną przez zawór wydechowy. Przycisk "by-pass" umożliwia poprzez ugięcie membrany manualne wymuszenie przepływu mieszaniny oddechowej.

4. Odciążenie zaworu redukcyjnego

Niekiedy w konstrukcji drugiego stopnia redukcji wykorzystywany jest mechanizm odciążenia zaworu opisany dokładnie w pierwszej części niniejszego artykułu. Jeden ze sposobów odciążenia współbieżnego zaworu redukcyjnego drugiego stopnia został przedstawiony na rys. 3.

Rys. 3. Odciążenie zaworu współbieżnego

Powietrze pochodzące z pierwszego stopnia redukcji dostaje się przez otwór wlotowy do komory średniego ciśnienia umieszczonej pod grzybkiem. W komorze tej znajduje się tzw. tłoczek odciążenia, który wprowadza dodatkową powierzchnię o polu równym powierzchni czynnej grzybka. Jest to typowy przykład odciążenia układu współbieżnego. Zasada otwierania grzybka za pośrednictwem popychacza jest taka sama jak w przykładzie opisanym powyżej. Po odsunięciu grzybka od gniazda, powietrze przedostaje się do komory powietrznej i ustnika.

Do głównych zalet rozwiązania zalicza się uniezależnienie pracy drugiego stopnia redukcji od wartości ciśnienia międzystopniowego. Pozwala to na zasilanie drugiego stopnia redukcji z każdego pierwszego stopnia redukcji bez względu na producenta i przyjęty przez niego standard nastaw ciśnienia średniego. Dodatkowo, automaty takie pozwalają na zwiększanie wartości ciśnienia międzystopniowego wymagane np. przy nurkowaniach bardzo głębokich (konieczność utrzymania przepływu krytycznego).

Mechanizmowi odciążenia drugiego stopnia redukcji często stawia się zarzuty, iż zmniejszając w niewielkim tylko stopniu opory otwarcia (głównie w zakresie dużych przepływów) znacznie komplikuje on budowę automatu, potencjalnie zwiększa jego zawodność, ciężar oraz podnosi cenę produktu i jego serwisowania. Zespół prowadzenia tłoczka odciążającego jest wrażliwy na zanieczyszczenia oraz, ze względu na dużą wilgotność powietrza wydechowego, również na zamarzanie. Odciążony zawór współbieżny przestaje spełniać funkcję zaworu nadmiarowego i wymaga stosowania w konstrukcji automatu dodatkowych zabezpieczeń. Wydaje się również, że w standardowych konfiguracjach dwustopniowych (dopasowanych fabrycznie do pracy z określonym ciśnieniem międzystopniowym) nie ma potrzeby stosowania mechanizmów uniezależniających pracę automatu od niewielkich zmian ciśnienia średniego wynikających głównie ze wzrostu gęstości czynnika oddechowego. Przeważająca ilość drugich stopni redukcji konstruowana jest w oparciu o nie odciążony zawór współbieżny.

5. Wspomaganie

Mechanizm powstawania efektu Venturiego (efektu iniekcji) można wyjaśnić w oparciu o prawo Bernouliego, które mówi, że dla gazu doskonałego suma ciśnień statycznego i dynamicznego jest stała. Powietrze wypływające z dyszy zbieżnej osiąga na jej końcu największą prędkość (równanie ciągłości), a więc dużą wartość ciśnienia dynamicznego. Odpowiednio zmniejsza się wartość ciśnienia statycznego. W przypadku umieszczenia dyszy w drugim stopniu redukcji automatu oddechowego i skierowaniu jej w stronę ustnika, w komorze powietrznej wytworzy się dodatkowe podciśnienie wpływające na ugięcie membrany oraz zwiększenie przepływu. Dojdzie do wspomaganego wypływu powietrza, co znacznie obniży opory oddechowe, a szczególnie ich składową związaną z utrzymaniem przepływu. Natężenie efektu wspomagania zależy również od głębokości nurkowania, temperatury otoczenia i sposobu pobierania wdechu. Rys. 4 ilustruje przebiegi zmian oporów wdechu (Pw) w funkcji czasu w automacie bez układu wspomagania (a) oraz z układem wspomagającym (b).

Rys. 4. Charakterystyka oporów wdechu: a - bez wspomagania, b - ze wspomaganiem

W początkowej fazie przebiegi obu charakterystyk są podobne. Przedstawiają one przyrost wartości oporów otwierania przepływu. W chwili otwarcia przepływu, w układzie obrazowanym charakterystyką "b" włącza się układ wspomagania (punkt oznaczony strzałką) i następuje gwałtowny spadek oporów wdechu. Wartości ujemne oporów świadczą o całkowicie samoczynnym wypływie powietrza z automatu oddechowego. Porównując pola zawarte między krzywymi a osią czasu ilustrujące pracę wykonywaną przez płuca nurka, widać jak bardzo korzystne jest stosowanie układów wspomagających na drugim stopniu redukcji.

Przy zbyt dużym natężeniu efektu wspomagania może dojść do tzw. wzbudzenia się automatu, czyli samoczynnego wypływu powietrza po zakończeniu wdechu. Aby temu zapobiec układy wspomagające muszą być wyposażone w element regulacyjny umożliwiający dobranie natężenia efektu iniekcji odpowiednio do warunków nurkowania. W rozwiązaniu przedstawionym na rys. 5 powietrze z komory średniego ciśnienia przedostaje się do komory powietrznej kanałem obejścia. Znajdujący się w nim otwór wylotowy (pełniący rolę zwężki) skierowany jest wprost do ust nurka. Takie usytuowanie otworu zapewnia uzyskanie maksymalnego natężenia efektu iniekcji.

Rys. 5. Realizacja efektu wspomagania

Obrotowa tuleja, zaopatrzona w otwór rozpraszający, wpływa na osłabienie efektu dyszowego. Zmiana położenia otworu rozpraszającego względem otworu wylotowego (możliwa do przeprowadzenia również w czasie nurkowania) pozwala na dokładne dobranie wartości natężenia efektu do potrzeb użytkownika.

Na podobnej zasadzie działania oparta jest większość systemów regulujących natężenie efektu wspomagania. Ukierunkowywanie bądź zaślepianie ruchomymi przysłonami otworów rozpraszających powoduje osłabianie lub wzmacnianie wypływu powietrza z dyszy zbieżnej.
Często spotykanym elementem regulującym efekt iniekcji jest tzw. deflektor (rys. 6).

Rys. 6. Realizacja efektu wspomagania z wykorzystaniem deflektora

Jest to płaska bądź profilowana płytka służąca do zmiany kierunku wypływającej z dyszy strugi powietrza. W zależności od ustawienia, deflektor może wzmagać efekt iniekcji (skierowanie strugi powietrza do ustnika) bądź go osłabiać. W niektórych konstrukcjach deflektor jest ustawiany fabrycznie i nie daje użytkownikowi możliwości regulacji natężenia wspomagania.

Przedstawione na rys. 7 rozwiązanie również opiera się na efekcie Venturiego ale realizowanym w nieco inny sposób.

Rys. 7. Realizacja efektu wspomagania za pomoca ruchu wirowego strugi powietrza

Powietrze dostaje się do ust nurka dwiema drogami: przez komorę powietrzną oraz kanał obejścia. Powietrze płynące specjalnie ukształtowanym kanałem przybiera postać wirującej strugi. W wyniku ruchu wirowego strugi powietrza w ustniku, w komorze powietrznej powstaje podciśnienie zwiększające ugięcie membrany.

Zaletą rozwiązania jest uzyskanie w bardzo prosty sposób efektu iniekcji o znacznym natężeniu. W rozwiązaniach tego typu nie przewiduje się samodzielnej regulacji natężenia wspomagania.

W większości nowoczesnych automatów oddechowych wykorzystywany jest efekt wspomagania realizowany za pomocą jednego z przedstawionych powyżej rozwiązań. Możliwość regulacji efektu pozwala użytkownikowi na dobranie go do indywidualnych potrzeb lub warunków nurkowania. Należy jednak wspomnieć, iż właściwe ustawienie efektu wspomagania wymaga elementarnej wiedzy i rozumienia mechanizmu jego działania. Przypadkowa, nieświadoma regulacja może wywołać skutek całkowicie przeciwny do oczekiwanego. Aby wyeliminować ryzyko występowania takich sytuacji oraz uprościć obsługę automatu, niektórzy producenci stosują wyłącznie ustawienia fabryczne bez możliwości ich zmiany przez nurkującego.

6. Regulacja docisku grzybka do gniazda

Na rys. 8 został przedstawiony drugi stopień redukcji, w którym wykorzystano mechanizm płynnej regulacji docisku grzybka do gniazda zaworu redukcyjnego.

Rys. 8. Regulacja oporów otwarcia

Poprzez wkręcanie bądź wykręcanie pokrętła regulacyjnego, uzyskuje się zmianę napięcia sprężyny dociskającej grzybek do gniazda. Regulacja umożliwia ustawienie optymalnej siły docisku, tzn. takiej przy której opory otwarcia przepływu będą minimalne a układ pozostanie szczelny.

Zaletą przedstawionego rozwiązania jest możliwość obniżenia wartości oporów otwarcia przepływu lub ich dostosowania do indywidualnych potrzeb nurkującego. Wygodny dostęp do pokrętła regulacyjnego pozwala na zmianę parametrów oddechowych nawet w trakcie nurkowania.

Do wad rozwiązania zaliczyć można stosunkowo szybkie zużywanie się szczeliwa. Jest to spowodowane częstymi zmianami nacisków jednostkowych wywieranych przez gniazdo na szczeliwo grzybka. Po długotrwałym okresie użytkowania automatu przy zwiększonej sile docisku grzybka do gniazda, jej ponowne zmniejszenie bardzo często wywołuje nieszczelność w układzie redukcyjnym. Ponadto, w automatach oddechowych wyposażonych dodatkowo w nastawny zespół wspomagania, prawidłowe wyregulowanie siły docisku grzybka oraz natężenia efektu wspomagania przy wzajemnym wpływie na siebie tych dwóch wielkości, wymaga doświadczenia oraz znajomości zjawisk zachodzących w automacie. Z wyżej wymienionych powodów rozwiązanie takie może nastręczać kłopotów nurkowi początkującemu. Zwykle, zastosowanie mechanizmu regulacji siły docisku grzybka do gniazda powoduje wzrost ceny automatu.

7. Zawór wydechowy

Zawór wydechowy znajduje się w komorze powietrznej drugiego stopnia redukcji. Umożliwia on wykonanie swobodnego wydechu poza układ automatu oddechowego. Jego konstrukcja wpływa na wartość oporu wydechu, będącego składową oporów oddechowych.

Zawór wydechowy jest zaworem jednokierunkowym, oddzielającym powietrzne przestrzenie automatu oddechowego od środowiska wodnego. Powinien on charakteryzować się dobrą szczelnością w kierunku zaporowym oraz małym oporem otwarcia i utrzymania drożności w kierunku przepływowym.

W nowoczesnych automatach o stopniach rozdzielonych jest stosowany zawór listkowy, tzw. "koniczynka" przedstawiony na rys. 9.

Rys. 9. Zawór wydechowy

Jest to płaski, silikonowy krążek przytwierdzony do odpowiednio przystosowanej w tym miejscu puszki automatu. Powietrze wydechowe wydostające się przez otwory w obudowie odchyla gumowy krążek i wypływa na zewnątrz. Podczas wdechu podciśnienie wytworzone w komorze powietrznej automatu, dociska gumowy krążek do puszki, uniemożliwiając przepływ wody w kierunku zaporowym.

Zaletą rozwiązania są bardzo małe opory wydechu, duża powierzchnia czynna zaworu oraz prosta i tania konstrukcja.

Wadą jest wrażliwość na zanieczyszczenia, które przedostając się pod silikonowy krążek rozszczelniają zawór. Po dłuższym okresie nie używania automatu zdarza się, iż listki zaworu przyklejają się do obudowy automatu. Zwykle usterka ta znika po przepłukaniu automatu wodą.

Rys. 10. Zastosowanie opisanych rozwiązań

---