SZKOŁA ASPIRANTÓW PAŃSTWOWEJ STRAŻY POŻARNEJ

W POZNANIU

XI KURS KSZTAŁCENIA ZAOCZNEGO

II PLUTON

PRZEDMIOT : WYPOSAŻENIE TECHNICZNE

TEMAT : ZASADY DZIAŁANIA REDUKCJI PIERWSZEGO

I DRUGIEGO STOPNIA W

APARATACH BUTLOWYCH.

OPRACOWAŁ:

st. plut. Norbert KORCZ

Celem niniejszego pracy jest przedstawienie i użytkowa analiza najczęściej spotykanych rozwiązań konstrukcyjnych stosowanych w pierwszym i drugim stopniu redukcji w aparatach powietrznych butlowych.

Zawór redukcyjny dwustopniowy spełnia następujące funkcje:

-redukuje wysokie ciśnienie mieszaniny oddechowej znajdującej się w butli

-podaje mieszaninę oddechową w odpowiednim momencie

-podaje mieszaninę oddechową w odpowiedniej ilości

Analizie zostaną poddane zawory redukcyjne, które realizują powyższe funkcje przy pomocy dwóch osobnych stopni redukcji. Zawory takie nazywa się dwustopniowymi o stopniach rozdzielonych. 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. Ciśnienie względne jest mierzone w odniesieniu do ciśnienia otoczenia, bezwzględne natomiast w odniesieniu do warunków próżni. 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. 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.

2. Porty przyłączeniowe

W każdym pierwszym stopniu redukcji występują gwintowane gniazda (porty) umożliwiające podłączenie dodatkowych urządzeń. Do portów LP (low pressure) podłączane są odbiorniki ciśnienia międzystopniowego takie jak drugi stopień redukcji, 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.

3. 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 ratownika. Pierwszy stopień redukcji może być sterowany membraną lub tłokiem. Zasadę działania stopnia redukcji 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 na membranę działa parcie hydrostatyczne powietrza 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. Proces otwierania i zamykania zaworu powtarza się cyklicznie przy każdym wdechu ratownika.

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.
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 artość średniego ciśnienia umieszczona w komorze.

Rys. 3. Pierwszy stopień redukcji sterowany tłokiem

Po przyłączeniu reduktora 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 na tłok działa 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. Przepływ zostaje zamknięty w momencie ponownego zrównoważenia tłoka.

5. Odciążenie

Aby wyjaśnić pojęcie odciążenia należy przypomnieć budowę układu redukcyjnego oraz wyjaśnić mechanizm powstawania oporów jego otwarcia. W większości zaworów redukcyjnych ciśnienie 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 ratownika zawartego w butlach powietrza) konsekwencji zmiany wartości oporów oddechowych co znacznie pogarsza parametry automatu, utrudnia jego optymalną konstrukcję oraz zmniejsza komfort pracy ratownika 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 zaworu redukcyjnego, stabilizuje jego pracę oraz umożliwia uzyskanie większych przepływów.

Ciśnienie międzystopniowe (średnie)

Jak już zostało wspomniane w pierwszej części , zadaniem drugiego stopnia jest redukcja ciśnienia międzystopniowego LP (low pressure) do wartości "oddechowej" Większość reduktorów ciśnienia ustawiona jest fabrycznie do pracy z ciśnieniem międzystopniowym wynoszącym01Pa.
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.

1. Zawór redukcyjny

Najczęściej spotykanym w drugim stopniu reduktorów ciśnienia 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 zawór współbieżny automatycznie otwiera się i wypuszczając na zewnątrz nadmiar mieszaniny oddechowej, chroni reduktorów ciśnienia przed zniszczeniem.

2. 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 Zaburzenie równowagi ciśnień nad i pod membraną (wdech), 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. W ten sposób jest realizowana jedna z najważniejszych funkcji spełnianych przez reduktor ciśnienia. Wydech zostaje skierowany poza komorę powietrzną przez zawór wydechowy. Przycisk "by-pass" umożliwia poprzez ugięcie membrany manualne wymuszenie przepływu mieszaniny oddechowej.

3. Odciążenie zaworu redukcyjnego

Niekiedy w konstrukcji drugiego stopnia redukcji wykorzystywany jest mechanizm odciążenia zaworu opisany dokładnie w pierwszej części . 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.

Mechanizmowi odciążenia drugiego stopnia redukcji często stawia się zarzuty, iż zmniejszając w niewielkim tylko stopniu opory otwarcia (głównie w zakresie dużych przepływów), potencjalnie zwiększa jego zawodność, ciężar oraz podnosi cenę produktu i jego serwisowania. Zespół prowadzenia tłoczka odciążającego jest wrażliwy na zanieczyszczenia. Odciążony zawór współbieżny przestaje spełniać funkcję zaworu nadmiarowego i wymaga stosowania w konstrukcji reduktorów ciśnienia zabezpieczeń. Wydaje się również, że w standardowych konfiguracjach dwustopniowych (dopasowanych fabrycznie do pracy z określonym ciśnieniem międzystopniowym) nie ma potrzeby stosowania mechanizmów uniezależniających pracę reduktora 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.

4. Wspomaganie (stosowane w aparatach powietrznych do nurkowania)

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 pomocą ruchu wirowego strugi powietrza

Powietrze dostaje się do ust 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. 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.

5. 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.

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.

Reduktory ciśnienia zapewnia stabilność zredukowanego ciśnienia 6,7at niezależnie od ciśnienia powietrza pozostającego w butlach i rytmu oddychania. Przymocowane są do stelaża, posiadają gniazdo DIN z możliwością podłączenia butli powietrznych 20 i 30MPa.
Wyposażone są w :
- zawór bezpieczeństwa otwierający się przy ciśnieniu 1,3MPa,
- zawór sterujący sygnał alarmowy gwizdka aparatu sterowany wysokim ciśnieniem zasilany średnim,
- adapter średniego ciśnienia umożliwiający dodatkowe podłączenie systemu dla osoby ewakułownej w wersji z maską:
- nadciśnieniową,
- podciśnieniową lub zastosowaniem kaptura nadciśnieniowego systemu do wentylacji ubrań -gazoszczelnych lub systemu umożliwiającego wpięcie do drugiego aparatu, gdzie skończyło się powietrze.

LITERATURA:

„ Wyposażenie techniczne straży pożarnych” autor: Szkoła Główna Służby Pożarniczej

„ Przegląd pożarniczy”

„ Prospekty” firm: FASER, DRAGER, AUER

12

komora

komora

komora

---