44

W AKCJI 3/2012

W polskich akwenach strażacy nurkowie często pracują w ekstremalnych
warunkach. Odpowiedni dobór sprzętu i jego właściwa konfi guracja gwarantują
nie tylko bezpieczną pracę ratowników, ale także zwiększają jej efektywność.

mł. bryg. mgr inż. Paweł Dyba
KW PSP Kraków

Automaty nurkowe

do wykonywania prac podwodnych w PSP

A

utomat oddechowy spełnia
pięć podstawowych funkcji:
redukuje wysokie ciśnienie

mieszaniny oddechowej znajdują-
cej się w butli do wartości ciśnienia,
jakie panuje na bieżącej głęboko-
ści nurkowania, podaje mieszaninę
oddechową w odpowiednim mo-
mencie, podaje mieszaninę odde-
chową w odpowiedniej ilości, zasi-
la dodatkowe urządzenia (np. KRW,
suchy skafander itp.) oraz umożli-
wia wykonanie wydechu.

Zadaniem pierwszego stopnia

jest redukcja wysokiego ciśnienia
(200-300 atm) do tzw. ciśnienia mię-
dzystopniowego, wynoszącego 8,5-
13 atm. Zadaniem drugiego stop-
nia redukcji jest redukcja ciśnienia
międzystopniowego do ciśnienia
otoczenia nurka.

Pierwszy stopień

redukcji

Ciśnienie średnie panuje na wyjściu
z I stopnia redukcji, w wężu łączą-
cym stopnie automatu, oraz na wej-
ściu do II stopnia redukcji. Jako wiel-
kość względna ma ono wartość sta-
łą. Jako wielkość bezwzględna jest
zmienne i zależy od głębokości,
na jakiej pracuje automat. Ciśnie-
nie względne jest mierzone w od-
niesieniu do ciśnienia otoczenia,
bezwzględne natomiast w odnie-

sieniu do warunków próżni. Najczę-
ściej spotykana względna wartość
ciśnienia międzystopniowego wy-
nosi 0,1 MPa. Oznacza to, że pod-
czas nurkowania bezwzględne ci-
śnienie międzystopniowe będzie za-
wsze o 10 atm wyższe od panujące-
go na danej głębokości. Tę właśnie
wartość podają producenci w spe-
cyfikacjach automatów oddecho-
wych. Bezwzględna wartość ciśnie-
nia średniego wynika z głębokości,
na jakiej znajduje się nurek (wzrost
ciśnienia hydrostatycznego).

Utrzymywanie wartości ciśnienia

zgodnego z założeniami producen-
ta wpływa na poprawność pracy
automatu. Wzrost względnego ci-
śnienia międzystopniowego może
powodować samoczynny wypływ
powietrza z automatu lub w nie-
których konstrukcjach powodować
jego uszkodzenie. Spadek ciśnienia
międzystopniowego zwiększa opo-
ry oddechowe automatu lub wręcz
uniemożliwia jego działanie. Dlate-
go jedną z podstawowych czynno-
ści serwisowych powinna być kon-
trola i regulacja wartości ciśnienia
międzystopniowego.

Parametr, jakim jest wartość

względna ciśnienia międzystop-
niowego, decyduje o kompatybil-
ności elementów pierwszego i dru-
giego stopnia redukcji pochodzą-

cych od różnych producentów. Pro-
blem ten szczególnie często wystę-
puje podczas współpracy maski
pełnotwarzowej nadciśnieniowej
DIVATOR MK II (AGA) firmy Inter-
spiro z pierwszym stopniem auto-
matu Cyklon 5000 firmy Poseidon.
Aby poszczególne stopnie reduk-
cji poprawnie ze sobą współpra-
cowały, muszą być przystosowane
do takiego samego ciśnienia mię-
dzystopniowego.

W zależności od modelu Cy-

klon 5000 nr kat. 2950 lub 3950,
średnie ciśnienie zredukowane wy-
nosi 11,5-12,5 bar, a w nr kat. 3750
– 10 bar. Średnie ciśnienie zredu-
kowane I stopnia Interspiro wy-
nosi 7,5 bar ± 0,5 przy przepływie
Q = 120 l/min, co w warunkach
statycznych wynosi 10 ± 0,5 bar.
W związku z tym różnica ciśnień
teoretycznie nie ma takiego zna-
czenia, ponieważ:
− II stopień maski AGA posiada za-

wór bezpieczeństwa wyregulo-
wany w zakresie 12-17 bar,

− AGA jest automatem odciążonym,

tzn. że wartość ciśnienia zreduko-
wanego nie ma w tym przypad-
ku istotnego wpływu na funkcjo-
nowanie automatu i jego opory
oddechowe,

− ciśnienie zredukowane w Cy-

klonie 5000 można zmniejszyć

45

W AKCJI 3/2012

Wskazane jest, aby pierwszy

stopień redukcji posiadał co naj-
mniej trzy, a najlepiej cztery por-
ty LP umieszczone po dwa z każdej
strony automatu. Taka liczba portów
pozwoli na wygodne i ergonomicz-
ne rozmieszczenie węży oraz nie bę-
dzie ograniczała rozbudowy konfigu-
racji sprzętowej.

Sposób sterowania

Za pracę każdego ze stopni redukcji
odpowiedzialny jest element steru-
jący. Jego zadanie to automatycz-
na reakcja na zmiany ciśnienia oto-
czenia oraz otwieranie i zamykanie
przepływu powietrza zgodnie z ryt-
mem oddechowym nurka. Pierw-
szy stopień automatu oddechowe-
go może być sterowany membraną
lub tłokiem.

Przed podłączeniem do zasilania

sprężonym powietrzem zawór re-
dukcyjny składający się z grzybka

do wartości 10-11 bar bez
uszczerbku dla funkcjonowania
I stopnia i bez istotnego wpływu
na jego wydajność,

− II stopień automatu Interspiro

może pracować w zakresie 6-11 bar
ciśnienia zredukowanego I stopnia.

Porty przyłączeniowe

W każdym pierwszym stopniu re-
dukcji automatu oddechowego wy-
stępują gwintowane gniazda (por-
ty) umożliwiające podłączenie do-
datkowych urządzeń. Do portów
LP (

low pressure) podłączane są od-

biorniki ciśnienia międzystopniowe-
go, takie jak drugi stopień redukcji,
maska pełnotwarzowa, wężyk zasi-
lający kamizelkę RW lub suchy ska-
fander. Do portu HP (

high pressure)

zwykle podłączany jest manometr
lub komputer wyposażony w funk-
cje pomiaru ciśnienia mieszaniny
oddechowej.

oraz gniazda jest otwarty. Po pod-
łączeniu zasilania sprężone powie-
trze przedostaje się do komory wyso-
kiego ciśnienia, a następnie poprzez
otwarty zawór do komory ciśnienia
międzystopniowego. Przepływ po-
wietrza trwa do chwili zrównoważe-
nia się sił działających na membranę.
Od strony komory wodnej na mem-
branę działa parcie hydrostatyczne
wody oraz siła nacisku sprężyny od-
powiedzialnej za wartość ciśnienia
międzystopniowego. Od strony ko-
mory średniego ciśnienia na mem-
branę działa parcie powietrza sprę-
żonego w tej komorze. Zrównowa-
żenie się sił działających na mem-
branę powoduje jej podniesienie
do pozycji swobodnej, przemiesz-
czenie popychacza oraz dociśnię-
cie przez sprężynę doszczelniającą
grzybka do gniazda. Przepływ zo-
staje zamknięty. Pobranie wdechu
z komory średniego ciśnienia (po-

46

W AKCJI 3/2012

łączonej wężem z drugim stopniem
redukcji) wywołuje spadek ciśnienia
w tej komorze i ugięcie membrany,
która za pośrednictwem popychacza
odsuwa grzybek od gniazda. Prze-
pływ zostaje otwarty aż do chwili
ponownego zrównoważenia mem-
brany. Podczas zwiększania głębo-
kości i wzrostu parcia hydrostatycz-
nego następuje ugięcie membrany,
przesunięcie popychacza i otwarcie
zaworu. Do komory średniego ciśnie-
nia dostaje się powietrze. Przepływ
trwa do chwili zrównoważenia mem-
brany. Proces otwierania i zamyka-
nia zaworu powtarza się cyklicznie
przy każdym wdechu nurka i pod-
czas zwiększania głębokości.

Automaty sterowane membra-

ną szybko reagują na podciśnie-
nie wdechu oraz charakteryzują się
małymi oporami otwarcia przepły-
wu. Wadą dużej czułości automatu
jest jednak tendencja do „wzbudza-
nia się”, czyli uruchamiania samo-
czynnego wypływu powietrza. Au-
tomaty membranowe są stosunko-
wo odporne na zanieczyszczenia,
ze względu na brak kontaktu wody
z ruchomymi elementami urządze-
nia. Z tego powodu między innymi
uznaje się je również za mniej po-
datne na zamarzanie.

Drugi stopień redukcji

Zadaniem drugiego stopnia jest re-
dukcja ciśnienia międzystopniowe-
go do wartości „oddechowej”, jaka
panuje na danej głębokości nurko-
wania. Większość automatów od-
dechowych ustawiona jest fabrycz-
nie do pracy z ciśnieniem między-
stopniowym, wynoszącym 0,1 MPa.
Nie oznacza to jednak przyzwolenia
na wymienność drugich stopni i ich
prawidłową współpracę z dowolnym
pierwszym stopniem. Jest to czyn-
ność niedozwolona, na którą nie ze-
zwalają producenci sprzętu pod ry-
gorem utraty gwarancji.

Najczęściej spotykanym układem

w drugim stopniu automatu od-
dechowego jest zawór redukcyjny
współbieżny. Jego główną zaletą jest
spełnianie funkcji nadmiarowego za-
woru bezpieczeństwa. W przypadku
wzrostu ciśnienia międzystopniowe-
go, wywołanego np. awarią lub za-
marznięciem pierwszego stopnia
redukcji, zawór współbieżny auto-
matycznie otwiera się i, wypuszcza-
jąc na zewnątrz nadmiar mieszaniny
oddechowej, chroni automat przed
zniszczeniem.

Drugi stopień redukcji zawsze ste-

rowany jest za pomocą membra-
ny. Zwykle wykonana jest ona z si-
likonu, a jej środek jest dodatkowo
usztywniany krążkami z nierdzew-
nej blachy lub tworzywa. Średni-
ca membrany wynosi najczęściej
od 60 mm do 80 mm.

Powietrze z pierwszego stopnia

redukcji doprowadzane jest do ko-
mory ciśnienia międzystopniowego.
Membrana rozdziela wnętrze obudo-
wy na komorę powietrzną i wodną.
Zaburzenie równowagi ciśnień nad
i pod membraną (wdech, zmiana głę-
bokości) powoduje jej ugięcie i wy-
warcie nacisku na dźwignię. Poprzez
swój ruch dźwignia odsuwa grzybek
od gniazda, otwierając dopływ powie-
trza. W chwili gdy na membranie za-
panuje równowaga ciśnień, spręży-
na doszczelniająca zamyka zawór re-
dukcyjny. Zachowanie równowagi ci-
śnień na membranie występuje tylko
pod warunkiem zapanowania w ko-
morze powietrznej takiego ciśnienia,
jakie występuje na bieżącej głęboko-
ści nurkowania. W ten sposób jest re-
alizowana jedna z najważniejszych
funkcji spełnianych przez automat
oddechowy. Wydech zostaje skiero-
wany poza komorę powietrzną przez
zawór wydechowy. Przycisk „by-pass”
umożliwia, poprzez ugięcie membra-
ny, manualne wymuszenie przepły-
wu mieszaniny oddechowej.

Wspomaganie

Mechanizm powstawania efektu
Venturiego (efektu iniekcji) można
wyjaśnić w oparciu o prawo Berno-
uliego, które mówi, że dla gazu do-
skonałego suma ciśnień statyczne-
go i dynamicznego jest stała. Po-
wietrze wypływające z dyszy zbież-
nej osiąga na jej końcu największą
prędkość, a więc dużą wartość ci-
śnienia dynamicznego. Odpowied-
nio zmniejsza się wartość ciśnienia
statycznego. W przypadku umiesz-
czenia dyszy w drugim stopniu re-
dukcji automatu oddechowego
i skierowaniu jej w stronę ustnika,
w komorze powietrznej wytworzy
się dodatkowe podciśnienie, wpły-
wające na ugięcie membrany oraz
zwiększenie przepływu. Dojdzie
do wspomaganego wypływu powie-
trza, co znacznie obniży opory odde-
chowe, a szczególnie ich składową
związaną z utrzymaniem przepływu.
Natężenie efektu wspomagania za-
leży również od głębokości nurko-
wania, temperatury otoczenia i spo-
sobu pobierania wdechu.

W początkowej fazie przebiegi

obu charakterystyk są podobne.
Przedstawiają one przyrost warto-
ści oporów otwierania przepływu.
W chwili otwarcia przepływu w ukła-
dzie obrazowanym charakterysty-
ką „b” włącza się układ wspomaga-
nia i następuje gwałtowny spadek
oporów wdechu. Wartości ujemne
oporów świadczą o całkowicie sa-
moczynnym wypływie powietrza
z automatu oddechowego. Porów-
nując pola zawarte między krzywy-
mi a osią czasu, ilustrujące pracę wy-
konywaną przez płuca nurka, widać,
jak bardzo korzystne jest stosowanie
układów wspomagających na dru-
gim stopniu redukcji.

Przy zbyt dużym natężeniu efek-

tu wspomagania może dojść do tzw.
wzbudzenia się automatu, czyli sa-
moczynnego wypływu powietrza

48

W AKCJI 3/2012

po zakończeniu wdechu. Aby temu
zapobiec, układy wspomagające mu-
szą być wyposażone w element regu-
lacyjny, umożliwiający dobranie na-
tężenia efektu iniekcji odpowiednio
do warunków nurkowania.

Zapobieganie

zamarzaniu

Problem zamarzania automatów
oddechowych występuje w czasie
nurkowań w polskich wodach bez
względu na porę roku. Latem do za-
marznięcia automatu dochodzi naj-
częściej w warstwie podskokowej,
gdzie temperatura wody wynosi za-
wsze 4°C. Wiosną, jesienią, a zwłasz-
cza zimą zamarznięcie automatu
może wystąpić na każdej głębokości
nurkowania. Zachodzące w automa-
cie oddechowym zjawiska rozpręża-
nia i dławienia (efekt Joule’a-Thomp-
sona) powodują, że w układzie re-
dukcyjnym automatu oddechowe-
go temperatura powietrza osiąga
wartość ujemną. Wynikiem tego
jest tworzenie się w przestrzeniach
automatu kryształków lodu, które
zakłócają prawidłową pracę auto-
matu poprzez stałe otwarcie bądź
zamknięcie przepływu mieszaniny
oddechowej.

Wymiana ciepła

Podstawowym zadaniem rozwią-
zań konstrukcyjnych zmniejszają-
cych ryzyko zamarzania wewnętrz-
nego jest pobieranie ciepła z wody
i ogrzewanie czynnika oddecho-
wego oraz elementów układu re-
dukcyjnego. Stosowane są w tym
celu materiały o dobrym przewod-
nictwie cieplnym, a geometria ele-
mentów jest tak dobierana, by za-
pewnić jak największą powierzch-
nię wymiany ciepła.

Jedno z rozwiązań polega na in-

tegracji gniazda zaworu z korpu-
sem automatu. Ciepło wody po-
bierane przez korpus przekazywa-

ne jest do gniazda. Ogrzaniu ule-
ga zarówno układ redukcyjny, jak
i przepływający przez niego czyn-
nik oddechowy. Rozwiązanie cha-
rakteryzuje się wysoką sprawno-
ścią przekazywania ciepła i prosto-
tą wykonania.

Zwiększeniu powierzchni wy-

miany ciepła służą

tzw. radiatory.

Są to mosiężne elementy umiesz-
czane najczęściej w pobliżu ukła-
du redukcyjnego. Radiator prze-
kazuje ciepło do gniazda zaworu,
ogrzewając równocześnie powie-
trze dopływające do drugiego stop-
nia redukcji.

Izolacja od środowiska

Ochrona przed zamarzaniem ze-
wnętrznym polega głównie na izo-
lowaniu od otoczenia komory wod-
nej pierwszego stopnia redukcji au-
tomatu oddechowego.

Rozwiązaniem najczęściej stoso-

wanym jest wypełnienie komory
niezamarzającą substancją, taką jak
alkohol czy olej silikonowy. Po na-
pełnieniu komory wodnej zostaje
ona zamknięta dodatkowym, chro-
niącym przed wyciekami, elastycz-
nym elementem, który przenosi sy-
gnał o ciśnieniu hydrostatycznym,
niezbędnym dla prawidłowej pra-
cy automatu.

Innym przykładem zabezpiecze-

nia komory wodnej jest tzw. „komo-
ra sucha”. Przestrzeń nad membra-
ną sterującą wypełniona jest powie-
trzem, a sygnał o ciśnieniu hydrosta-
tycznym przenoszony jest za pośred-
nictwem dodatkowego elementu
(transmitera).

Norma EN250

Sprzęt oddechowy przeznaczo-
ny do nurkowań w zimnej wodzie
musi jako minimum posiadać pa-
rametry określone europejską nor-
mą EN250. Spełnianie warunków
normy sprawdzane jest przez pod-

danie automatu oddechowego ba-
daniom testowym.

Warunki testu:

• temperatura wody: 2-4°C,
• czas trwania testu: 5 minut,
• ciśnienie otoczenia: 6 bar (50 m

głębokości),

• cykl oddechowy: 25 oddechów/min,
• objętość jednego oddechu: 2,5 l,
• przepływ: 62,5 l/min.

Cykl oddechowy realizowany jest

przez urządzenie symulujące pracę
płuc nurka. W czasie trwania testu
nie może dojść do samoczynnego
przepływu powietrza. O dopuszcze-
niu automatu do nurkowań w warun-
kach zimnej wody decydują zmierzo-
ne podczas testu parametry.

Wymagane parametry:

• maks. praca oddechowa: 3 J/l,
• maks. podciśnienie wdechu:

25 mbar,

• maks. nadciśnienie wydechu:

25 mbar,

• maks. nadciśnienie wdechu:

5 mbar.
Dzisiaj każdy automat używany

przez PSP spełnia warunki normy
EN250. Należy pamiętać, że zama-
rzanie układu redukcyjnego może
wystąpić zarówno na pierwszym,
jak i na drugim stopniu automatu
oddechowego. Zależy to od jego
konstrukcji, techniki użytkowania
i wilgotności powietrza. Źródłem
wilgoci na drugim stopniu reduk-
cji jest para wodna zawarta w wy-
dychanym przez nurka powietrzu,
woda przedostająca się przez ustnik
do komory powietrznej oraz wilgot-
ne powietrze pobierane z butli. Źró-
dłem wilgoci na pierwszym stopniu
redukcji może być woda wypełnia-
jąca komorę wodną lub powietrze
pobierane z butli nurkowej.

‰

Piśmiennictwo
1. Paradowski J.:

Nurkowanie pod lodem,

Ogólnopolskie Centrum Szkolenia Nur-
kowego KDP PTTK, Warszawa 2001.