Badanie działania urządzeń stosowanych do podniesienia funkcjonalności automatu oddechowego w warunkach niskich temperatur

    W związku z wyjątkowo udaną z punktu widzenia nurkowań podlodowych zimą 2005/2006 podjęliśmy próbę przetestowania i opisania niektórych urządzeń stosowanych do podniesienia funkcjonalności automatów oddechowych w warunkach niskich temperatur. Omawiane urządzenia w odróżnieniu od fabrycznych usprawnień konstrukcji automatów, mających na celu przystosowanie automatu oddechowego do pracy w niskich temperaturach, są umieszczane poza automatem na korpusie I lub II stopnia lub na wężu średniego ciśnienia. Należą do nich w szczególności: FCD Freeflow Control Device, zawory nadmiarowe (bezpieczeństwa) „grzałka Michalaka” i indywidualny filtr węglowy. Wyniki wykonanych testów mają istotne znaczenie praktyczne, ponieważ zwracają uwagę na niebezpieczeństwa wynikające ze zbytniego zaufania pokładanego przez ich użytkowników w niektórych z opisywanych urządzeń.

1)                 Testy zostały wykonane w kamieniołomie Zakrzówek w styczniu i lutym 2006 r. w warunkach idealnie sprzyjających testowaniu urządzeń mających w założeniu podnosić funkcjonalność automatów oddechowych stosowanych w niskich temperaturach. Urządzenia były testowane w wodzie o temperaturze 0-3°C po wcześniejszym przechłodzeniu w temperaturze otoczenia od -10 do -23°C. Opisane warunki odbiegają zasadniczo od warunków, w jakich dokonuje się testowania automatów oddechowych zgodnie z normą polską PrPN-EN 250 „Sprzęt do oddychania Aparaty powietrzne butlowe do nurkowania ze sprężonym powietrzem, z obiegiem otwartym Wymagania, badania, znakowanie”, identyczną z normą europejską EN 250:2000. Przeprowadzane testy dotyczyły jednak nie automatów oddechowych, tylko urządzeń stosowanych do podniesienia ich funkcjonalności w warunkach niskich temperatur – i mając na celu wyłącznie względy praktyczne użytkowania automatów przemawiały za przeprowadzeniem ich w opisanych powyżej idealnych warunkach naturalnych a nie warunkach laboratoryjnych.

2)                 Urządzenia, które zostały poddane testowi:

a)      FCD (freeflow control device) służy do odcinania przepływu czynnika oddechowego między I i II stopniem automatu oddechowego. W dostępnych na rynku urządzeniach wykonuje się to przez przesunięcie ruchomego pierścienia po korpusie wkręcanym do II stopnia automatu aczkolwiek różnią je szczegółowe rozwiązania konstrukcyjne. FCD jest rozwiązaniem firmy „Apex” chronionym patentem i znakiem towarowym”. W FCD pierścień odcinający przepływ powietrza, jest wykonany częściowo z tworzywa sztucznego. Na rynku znajdują się także pełniące identyczną funkcję urządzenia odcinające firmy „Piórewicz” i „Lola” nazywane dalej „fcd”, które poza o-ringowymi uszczelnieniami gumowymi są w całości wykonane z metalu.

b)      zawór nadmiarowy (bezpieczeństwa) wkręcany do I stopnia automatu jako zabezpieczenie przed pęknięciem węża średniego ciśnienia, w sytuacji zamarznięcia I stopnia redukcji po odcięciu przepływu czynnika oddechowego za pomocą FCD. Sytuacja, w jakiej zadziała ten zawór wymaga jednoczesnego spełnienia następujących warunków:

o  pozostawanie I stopnia automatu w pozycji otwartej np. na skutek zamarznięcia,

o  zamknięcie przepływu czynnika oddechowego przez wąż średniego ciśnienia np. za pomocą FCD,

o  ustawienia sprężyny lub bezpiecznika płytkowego zaworu nadmiarowego na ciśnienie niższe od wytrzymałości węża średniego ciśnienia, czyli zgodnie z normą EN 250:2000 - 100 bar („zespół węża średniego ciśnienia powinien wytrzymywać ciśnienie 100 bar bez rozerwania”). Jeżeli wąż średniego ciśnienia spełnia ww. warunek normy EN 250 to przy ciśnieniu w butli niższym od 100 bar nie nastąpi jego rozerwanie nawet gdyby w układzie nie było zaworu nadmiarowego. To zawęża potrzebę używania zaworu do zakresu ciśnień roboczych powyżej 100 bar.

Konieczność spełnienia łącznie pierwszych dwóch z powyższych warunków zmniejsza z kolei prawdopodobieństwo zadziałania zaworu nadmiarowego, ze względu na następujące okoliczności:

·         prawdopodobieństwo zamrożenia I stopnia automatu jest bardzo niskie, co potwierdzono w przeprowadzonych testach, co zostanie opisane szczegółowo poniżej,

·         w przeprowadzonych testach dowiedziono także, że zamknięcie przepływu czynnika oddechowego w warunkach awaryjnych za pomocą FCD jest trudno wykonalne, co zostanie opisane szczegółowo poniżej.

W dostępnych na rynku zaworach nadmiarowych producenci nie podają ciśnienia otwarcia i tempa wypływu czynnika oddechowego. Wg informacji otrzymanych od producenta zawór nadmiarowy „Piórewicz” jest ustawiony na nadciśnienie 16 bar czyli nieco powyżej ciśnienia pośredniego a jego przepustowość wynosi 5000 l/min. Zgodnie z przedstawioną charakterystyką taki zawór w sytuacji awaryjnej otwiera się prawie natychmiast po zamknięciu przepływu za pomocą FCD/fcd i w szybkim tempie opróżnia butlę. Praktyczny wniosek: zawór nadmiarowy powinien być ustawiony na ciśnienie minimalnie poniżej ciśnienia wytrzymałości węża, bo ustawienie znacznie poniżej ciśnienia wytrzymałości węża w przypadku jego otwarcia powodowałoby zbędą utratę czynnika oddechowego aż do zamknięcia zaworu w wyniku pokonania przez sprężynę ciśnienia (przy ciśnieniu 16 bar). W przypadku zaworu płytkowego jego otwarcie oznacza zniszczenie płytki, czyli wypływ czynnika oddechowego do opróżnienia butli.

3)                 Testowi nie została poddana „grzałka Michalaka” - ponieważ wyniki testów tego urządzenia były publikowane wielokrotnie (ostatnio w miesięczniku Nurkowanie nr 1/06). Poważne, podbudowane teoretycznie testy oraz opinie użytkowników jednoznacznie wskazują, że urządzenie to cechuje duża skuteczność i niezawodność. W testach, w których chodziło o doprowadzanie do zamarznięcia II stopnia automatu grzałka Michalaka została wyeliminowana w celu sprawniejszego (szybszego) uzyskania tego celu.

4)                 Początkowo nie zamierzaliśmy też przeprowadzać testu indywidualnego filtru węglowego „Aquatec” - ponieważ zgodnie z logiką zadaniem filtra jest oczyszczanie przepływającego czynnika oddechowego a nie jego ogrzewanie. Ze względu jednak na to, iż w miesięczniku Nurkowanie nr 1/06 znalazło się stwierdzenie, że indywidualny filtr węglowy ma zbliżone właściwości do „grzałki Michalaka”, w kontekście ogrzewania czynnika oddechowego, i w wyniku tego ma opóźniać zamarzanie II stopnia automatu oddechowego - należy wyjaśnić to nieporozumienie. Powołane stwierdzenie w brzmieniu „protekcja cieplna II stopnia automatu-grzałka(dodatni bilans wymiany energii cieplnej ze środowiskiem zew. Przy temperaturze wody od 1 st. c” znajduje się rzeczywiście w reklamie omawianego urządzenia (www.diveshop.com.pl), niemniej budzi ono poważne wątpliwości. Wątpliwości wynikają z porównania fizycznych możliwości omawianych urządzeń do pobierania ciepła z wody. Grzałka zapewnia intensywną wymianę ciepła z otoczeniem dzięki umieszczeniu w jej korpusie kanalików, na których powierzchni zachodzi wymiana ciepła z dobrze przewodzącym ciepło metalem, który ma z kolei kontakt z otoczeniem (przy tym praca oddechowa wzrasta maksymalnie o 2% przy pełnym przepływie powietrza). Natomiast filtr ma wprawdzie obudowę wykonaną z brązu morskiego – materiału o wysokim przewodnictwie cieplnym jednak w tym konkretnym rozwiązaniu obudowa nie ma bezpośredniego kontaktu z przepływającym przez filtr powietrzem, bowiem powietrze przepływa przez wymienny wkład do filtra wykonany z tworzywa sztucznego wypełnionego węglem aktywnym. Gdyby nawet powietrze przepływało przez węgiel umieszczony bezpośrednio w obudowie to wymiana ciepła byłaby ograniczona do powierzchni obudowy, czyli ze względu na rozmiary urządzenia i rozwinięcie powierzchni wielokrotnie mniej od grzałki. W rezultacie reklamowany efekt pobierania ciepła z otoczenia i wynikające z tego korzyści stanowią efekt uboczny i z punktu widzenia ochrony przed zamarzaniem, co dowiodły testy – niestety nieistotny.

Drugim wymienionym w reklamie zadaniem filtra jest „pochłanianie pary wodnej w czynniku oddechowym między I i II stopniem”. Węgiel aktywny stanowi znakomity absorber wilgoci, co wpływa jednak na wzrost oporów oddechowych i spadek właściwości absorpcyjnych w odniesieniu do zasadniczej jego funkcji „filtrowania czynnika oddechowego z aerozoli, zapachów, pozostałości oleju z kompresora”. Te właściwości z punktu widzenia funkcjonalności działania automatu w zimnej wodzie są mało istotne natomiast istotne ochładzanie wilgotnego wkładu może spowodować jego zamarznięcie i w rezultacie ograniczenie a nawet całkowite odcięcie przepływu czynnika oddechowego!

5)                 Przebieg testów:

a)      I stopień Scubapro z mokrą komorą i zamontowanym zaworem nadmiarowym oraz FCD/fcd zamontowane na wężu średniego ciśnienia. Nie montowaliśmy natomiast II stopnia w celu zwiększenia tempa wypływu powietrza i wykluczenia efektu ubocznego w postaci jego zamarznięcia

b)      I stopień Scubapro z mokrą komorą i FCD/fcd zamontowane na wężu średniego ciśnienia (jw. bez II stopnia)

c)      I stopień Scubapro z mokrą komorą i FCD/fcd zamontowane na wężu średniego ciśnienia z II stopniem Scubapro

ad a) Test miał na celu sprawdzenie po jakim czasie od zamknięcia przepływu za pomocą FCD przy zamarzniętym I stopniu automatu nastąpi otwarcie zaworu nadmiarowego i jaka będzie intensywność wypływu czynnika oddechowego z zaworu nadmiarowego. Mimo otwarcia przepływu na 100% zaworem odcinającym na butli i FCD żadna z prób, które wymagały zamrożenia I stopnia automatu w trakcie prowadzenia testu nie powiodła się - po raz kolejny uzyskano potwierdzenie, że zamrożenie I stopnia automatu, nawet z mokrą komorą jest bardzo trudne. Zamrożenie I stopnia okazało się możliwe dopiero po przechłodzeniu automatu w bardzo niskiej temperaturze otoczenia a następnie po włożeniu do wody i spowodowaniu dużego wydatku z automatu.

W wymiarze praktycznym oznacza to, że przyczynę problemów z zamarzaniem automatów stanowi przeważnie II stopień.

Pomimo, że nie udało się przeprowadzić zaplanowanego testu to przy sposobności okazało się, że gwałtowny przepływ powietrza za każdym razem powodował zamrożenie zarówno FCD jak i obydwu fcd (testy odbywały się po kolei a nie na raz wszystkich urządzeń) objawiające się brakiem możliwości przesunięcia pierścienia zamykającego jego przepływ w wyniku przymarznięcia wykonanego z metalu pierścienia do korpusu a dodatkowo oblodzenia wolnej części korpusu unieruchamiając pierścień. W celu odmrożenia FCD/fcd niezbędne było zamykanie zaworu odcinającego na butli, jednak dla nurka, który nie potrafi tego wykonać, FCD/fcd w takiej sytuacji okaże się bezużyteczny – nie zamknie wypływu powietrza z automatu.

Przy wysokim ciśnieniu w butli fcd zamraża się natychmiast (1-2 sekund), próba przeciwdziałania zamarznięciu poprzez poruszanie pierścieniem odcinającym po kilku sekundach kończyła się przymarzaniem do fcd rękawicy i następnie zamarzaniem fcd. W miarę spadku ciśnienia w butli wydłużał się czas zamarzania i skracał czas odmrażania fcd.

Podczas próby z użyciem automatu w konfiguracji ad c) z II stopniem -  zamarzanie fcd było jeszcze szybsze. Dzieje się tak dlatego, że fcd jest wkręcony bezpośrednio do metalowego radiatora II stopnia automatu, w którym następuje gwałtowne rozprężanie, co powoduje ochładzanie radiatora, który odbiera ciepło nie tylko z wody ale także od fcd.

FCD poddane tej próbie w identycznych warunkach zarówno w konfiguracji bez II stopnia jak również z II stopniem (ad c) przy otwartych maksymalnie regulatorze oporów otwarcia i regulatorze efektu Venturiego zachowało się podobnie, jednak okres zamarzania był dłuższy i wynosił kilkanaście sekund. Czasu było wystarczająco dużo, żeby po zamrożeniu II stopnia automatu, przed zamarznięciem FCD odciąć przepływ powietrza.

W żadnym przypadku nie doszło do pęknięcia węża pośredniego ani zadziałania zaworu bezpieczeństwa.

ad b) Test nr 2 miał polegać na sprawdzeniu, po jakim czasie od zamknięcia przepływu za pomocą FCD przy zamarzniętym I stopniu automatu nastąpi pęknięcie węża średniego ciśnienia. Ze względu na fakt, że w większości prób nie udało się spowodować stałego wypływu powietrza z I stopnia nie doszło w tych przypadkach do przeprowadzenia testu. Jak wspomniano wyżej po intensywnym przechłodzeniu i zamrożeniu I stopnia (na jego korpusie wytworzyła się kula lodu) i zamknięciu przepływu za pomocą FCD (w celu uniknięcia zamrożenia po otwarciu by-passu pierścień FCD był delikatnie obracany w osi korpusu) nie doszło do pęknięcia węża średniego ciśnienia.

Wnioski praktyczne z przeprowadzonych testów:

·         przy niskich temperaturach otoczenia należy ograniczać do minimum przechładzanie sprzętu na powierzchni w szczególności poprzez ograniczanie wystawiania go na działanie bardzo niskich temperatur oraz ograniczanie czasu i intensywności wypływu czynnika oddechowego (np. w czasie sprawdzania działania automatu oddechowego ograniczyć się do jednego, krótkiego wdechu)

·         należy stosować zasadę ograniczonego zaufania do sprzętu, który jest określany jako awaryjny bez wypróbowania jego działania w pozorowanej sytuacji awaryjnej

Wniosek praktyczny z porównania teoretycznego indywidualnego filtra węglowego z „grzałką Michalaka”

·         nie powinno się stosować indywidualnego filtra węglowego jako substytutu „grzałki Michalaka” ponieważ nim nie jest i nie posiada porównywalnych właściwości.

Film stanowiący dokumentację z wykonanego testu można oglądnąć na: Ten adres email jest ukrywany przed spamerami, włącz obsługę JavaScript w przeglądarce, by go zobaczyć

Wiesław Kantor

Janusz Solarz

Słowniczek:

FCD                            -           Freeflow Control Device firmy Apex ®

fcd                              -           zawór odcinający średniego ciśnienia