Жидкая вода, жидкий воздух: криоланг
- Криогенный водолазный комплекс (КВК)
Говорят, что они были сложными, громоздкими, тяжелыми и ненадежными. Еще говорят, что, потому, что газ в них хранился в жидком виде, вдыхаемый воздушное пространство был весьма холодным и у аппаратов довольно часто обмерзали редукторы. Еще утверждают, что они были нерентабельными.
И все это не соответствует действительности.
Жизнь Анатолия Витюка, поступившего во второй половине 60-ых годов двадцатого века в Одесский технологический университет холодильной индустрии (ОТИХП), поменяла заметка в зарубежном научном издании. В ней упоминался перспективный подход к конструированию дыхательного аппарата, в котором воздушное пространство хранился не в толстостенных баллонах большого давления, а в легких и компактных сосудах Дьюара.
Это разрешало расширить время независимой работы втрое и существенно снизить габариты и массу аппаратов. «Я увлекался подводным плаванием с аквалангом, закончил направления ДОСААФ, — вспоминает Анатолий. — Приходилось всегда таскать тяжелые баллоны, и я тогда поразмыслил — из-за чего бы не создать таковой аппарат? Как мы знаем, лень — двигатель прогресса. Это и предопределило тему моих диссертации и диплома, и предстоящих работ».
Мало истории
Первые попытки создания криогенных дыхательных аппаратов относятся к началу XX века. Тогда в Германии (1905) и в Российской Федерации (1911) были предложены подобные аппараты для горноспасательных работ в шахтах (низкая температура жидкого кислорода к тому же разрешала снизить температуру вдыхаемого газа, что уменьшало возможность перегрева). Криогенные аппараты для подводных погружений начали разрабатываться в конце 1960-х.
Американские и французские инженеры собирались применять криоланги при обслуживании морских буровых платформ. В СССР первые аппараты были созданы и изготовлены в ХФТИНТ. По заказу армейских в том месте создавали криогенные аппараты с замкнутым циклом дыхания с применением азота и жидкого кислорода и газообразного гелия, причем состав смеси регулировался в зависимости от глубины без всякой электроники — на базе зависимости температуры кипения газа от давления.
В Харькове были сконструированы и более простые в применении гражданские аппараты с открытой схемой дыхания — криоланги АК-3 и АК-5, умелая партия последних была передана в середине 1970-х в Аварийно-спасательную работу Киева для опробований.
В первой половине 70-ых годов XX века Анатолий Витюк, к тому времени уже закончивший университет, внес предложение организовать на базе кафедры криогенной техники, которую возглавлял доктор наук Вячеслав Андреевич Наер, новую лабораторию криогенных совокупностей жизнеобеспечения. Завкафедрой поддержал начинание, и в новой лаборатории началась работа. «За шесть лет я и мои коллеги Александр Балетов, Александр Николай и Сысоев Тешин создали пара моделей газотеплозащитных совокупностей для работы при больших температурах для спасателей и пожарных, — вспоминает Анатолий. — Но отечественной самой любимой темой оставались перспективные водолазные совокупности».
Закрытый и открытый цикл
В лаборатории был создан независимый криогенный дыхательный аппарат замкнутого цикла дыхания АКДА-1, что снабжал дыхание человека в загазованной среде либо при погружениях на маленькие глубины. Придумать более несложную конструкцию было легко нереально. Аппарат имел два регенератора, пористую насадку, пропитанную жидким кислородом, загубник и дыхательный мешок.
При выдохе газ поступал во влагонакопитель, а после этого в регенератор, где охлаждался за счет испарения жидкого кислорода. Углекислый газ в выдыхаемом воздухе вымерзал, никаких химических поглотителей не требовалось. Пройдя через второй регенератор, газ нагревался и попадал в дыхательный мешок.
При вдохе он снова проходил через регенераторы, а после этого, очищенный от углекислоты и увлажненный во влагонакопителе, поступал к загубнику. Аппарат весом 3 кг снабжал дыхание в течение 30 мин.. Для работы под водой к дыхательному мешку подсоединялся через редуктор баллон с азотом, что снабжало нужное понижение концентрации кислорода в смеси.
А вот при конструировании аппарата открытого цикла дыхания АКДА-2 конструкторы столкнулись с проблемой. Дело в том, что жидкий воздушное пространство является смесью жидких азота (79%) и кислорода (21%), температуры кипения которых отличаются. Азот кипит при более низкой температуре, исходя из этого в газовой фазе содержание кислорода образовывает всего около 7%, и применять ее для дыхания запрещено.
Необходимо забирать из сосуда жидкий воздушное пространство, испарять его (газифицировать) посредством теплообменников и подавать для дыхания к легочному автомату, причем при любом положении сосуда Дьюара. «В харьковских аппаратах для этого употреблялись качающиеся на сильфонах заборные патрубки и подвижный гравитационный клапан, — говорит Анатолий. — Патрубки на ходу постукивали по стенкам сосуда изнутри, что нервировало водолазов, исходя из этого мы применяли второе ответ. Я ‘подсмотрел’ его у конструкторов космической техники, каковые для подвода горючего из баков к двигателям в условиях невесомости применяют капиллярный эффект, устанавливая на топливозаборниках особые ‘губки’.
Опыты с войлоком и водой продемонстрировали работоспособность концепции, а для работы с жидким воздухом в итоге был выбран пористый никель с размерами пор 6−10 мкм». Насадки из пористого никеля трудились как разделители фаз — они за счет смачиваемости отбирали жидкий воздушное пространство, а газовую фазу не пропускали. Две такие насадки в верхней и нижней частях баллона снабжали подачу воздуха при любом положении водолаза.
Такая совокупность разрешила существенно упростить аппарат, покинув лишь два клапана и убрав редуктор (в АК-5 употреблялись редуктор и восемь клапанов), что положительно сказалось на его надежности.
минусы и Плюсы
Первыми оценили новые аппараты водолазы Михаил Боргуль и Владимир Бернатович. По отзывам испытателей, криоланги не только не уступали простым аквалангам по удобству и простоте эксплуатации, но и превосходили их по многим параметрам. Аппарат заправлялся жидким воздухом несложным переливом из сосудов Дьюара, наряду с этим возможно было легко и скоро обеспечить любую концентрацию кислорода.
Анатолий Витюк вспоминает: «Мы сосуд Дьюара на весы и по весу смешивали нужные количества жидких газов. Занимало это считанные 60 секунд, но для непосвященных смотрелось как алхимические опыты — с кипящим клубами и воздухом пара». Еще одним серьёзным преимуществом криолангов было то, что в жидком воздухе гарантированно отсутствовали угарный газ и углекислота.
При заправке простых аквалангов для очистки воздуха от этих газов употребляются особые фильтры, потому, что под давлением они смогут быть смертельны для человека: известен случай, в то время, когда Жак-Ив Кусто и его напарник Фредерик Дюма чуть не погибли на протяжении погружения в августе 1946 года, из-за того что в баллоны попал угарный газ от выброса двигателя компрессора.
Аппарат был весьма компактным и легким: скажем, двухбаллонный акваланг имеет количество 14 л и весит более 25 кг, а криоланг с таким же запасом воздуха — 3 л и 4 кг. Очевидно, при погружениях с аквалангом вес на воздухе не играется особенной роли, по причине того, что все равно приходится брать множество грузов для компенсации плавучести гидрокостюма. С данной точки зрения маленькой вес криоланга — скорее минус (требуется брать больше грузов), а вот компактность крайне полезна при погружениях в тесном пространстве (к примеру, на затонувшие объекты).
Вопреки обширно распространенному заблуждению, температура подаваемого из криоланга для дыхания воздуха была не ниже, а выше, чем у акваланга. «Дело в том, что в аквалангах происходит адиабатическое расширение газа, приводящее к его охлаждению, — растолковывает Анатолий. — Воздушное пространство просто не успевает нагреться до температуры воздуха, что не только не очень приятно, но может приводить кроме того к обледенению конструкции. Только в некоторых моделях ‘морозостойких’ лёгочных автоматов и редукторов предусмотрены теплообменники, но все равно температура подаваемого воздуха на 5−7° ниже температуры воздуха.
У отечественного криоланга редуктора не было, а развитые теплообменники были необходимой частью конструкции, исходя из этого температура подаваемого воздуха отличалась от температуры воды всего на 2−3°. Мы эксплуатировали аппараты много лет в самых различных условиях, и я не помню ни одного случая обмерзания».
Но, был у криоланга и один минус. Из-за не сильный теплоизоляции баллона приблизительно за день целый воздушное пространство улетучивался, и заправлять его следовало перед погружением. Но с учетом того, что заправка занимала всего несколько мин., это не составляло особенной неприятности.
Десять лет успеха
В первой половине 80-ых годов двадцатого века несколько разработчиков криоланга перешла в Южный центр АН УССР, где была организована лаборатория подводных изучений. В том месте группа из четырех инженеров и пяти водолазов создала водолазный криогенный комплекс, что в будущем стал очень успешным. «в течении десяти лет все научные экспедиции Южного центра по подводным биологическим, химическим и геологическим изучениям, картографированию дна моря и поиску затонувших объектов обеспечивались лишь отечественными совокупностями», — вспоминает Анатолий.
Главным элементом комплекса был криогенный блок (БК) — цилиндрический сосуд с громадным запасом (22−24 кг) жидкой дыхательной смеси. БК имел экранно-вакуумную изоляцию, в нижней части размешалась теплообменная аппаратура для подогрева и газификации рабочей смеси, в верхней — вентили управления, система стабилизации и заправочная горловина рабочего давления. Заправка светло синий из стандартных сосудов Дьюара занимала около 5 мин., пуск (повышение давления до рабочего) — около 3 мин..
БК имел быстроразъемное соединение для подключения легочных автоматов и был универсален — имел возможность употребляться как совокупность подачи дыхательной смеси с борта, с берега, хранения жидких смесей либо заправки легких независимых аппаратов АКДА-2. БК кроме этого имел возможность устанавливаться в качестве источника дыхательной смеси на маленьком буксируемом подводном аппарате мокрого типа «ЮГ-7м», что создали в лаборатории для изучений дна моря, осмотра и поиска затонувших объектов. Последним элементом комплекса была легководолазная станция «МАКС-1», оснащенная телефонной связью.
Печальная будущее криоланга
За десять лет конструкция была отработана практически до совершенства. При развитии соответствующей инфраструктуры данный аппарат в полной мере имел возможность бы стать важным соперником акваланга. «У криоланга имеется, очевидно, собственная специфика, — вычисляет Анатолий Витюк. — Но в целом его применение никак не более сложно, чем простого акваланга. Я уверен, что он мог на успех».
Но будущее перспективного технического ответа сложилась в противном случае. В первой половине 90-ых годов XX века началась перестройка, у лаборатории подводных изучений, которая все эти долгие годы существовала на самофинансировании, просто не осталось клиентов, и ее расформировали.
Возможно, конструкторы в будущем снова «изобретут» криоланг, как это случилось с ребризерами?
Как устроен криоланг Акда-2
- Конструкция аппарата, созданного в Одесском технологическом университете холодильной индустрии
Аппарат складывается из двухстенного баллона (1), выполненного в виде сосуда Дьюара с экранно-вакуумной изоляцией (2), и заправочной горловины (3). В баллона, в верхней и нижней части, установлены криогенные разделители фаз (4) с насадками из пористого никеля (диаметр пор 6−10 мкм), каковые снабжают отбор жидкого воздуха при любом положении аппарата под водой. Для подогрева и испарения жидкого воздуха в аппарате предусмотрены теплообменники (5, 6, 7, 8).
Для подачи рабочего воздуха и регулирования давления для дыхания установлены непроизвольный клапан (9), вентиль резерва (10), предохранительный клапан (11) и легочный автомат (12).
По окончании заправки способом перелива горловина закрывается завинчивающейся пробкой; за счет теплопритоков из внешней среды давление в баллона поднимается. При включении клапана легочного автомата (12) жидкий воздушное пространство поступает из разделителей фаз (4) последовательно в теплообменники (8, 5, 6), где происходит его подогрев и испарение. Тепло в теплообменнике (5) передается жидкому воздуху, что приводит к росту давления в баллоне.
Подогретый в теплообменнике (6) воздушное пространство через непроизвольный клапан (9) поступает в легочный автомат. При достижении в баллоне (1) рабочего давления клапан (9) перекрывает подачу воздуха через теплообменники (5, 6), и предстоящая подача воздуха к легочному автомату происходит лишь через теплообменник (8). По окончании расходования главного запаса жидкого воздуха в аппарате остается резервный (около 0,5 кг), так как разделители фаз установлены не у самых доньев.
Пористые насадки перестают смачиваться жидкостью, появляется сопротивление дыханию: газовая фаза из-за малого размера пор не хорошо проходит через насадки. В этом случае водолаз устанавливает вентиль (10) в положение «воздух» и Резерв начинает поступать из баллона напрямую через теплообменник (7). Уровень жидкого воздуха контролируется набором и магнитным поплавком герконов.
Легководолазная станция
- Конструкция станции
Совокупности стабилизации рабочего давления Поддержание рабочего давления постоянным разрешало существенно упростить конструкцию и обойтись без редуктора
Посредством станции «МАКС-1» осуществлялись спуск и подъём водолазов, рабочего инструмента, питание воздухом и продувка маленьких понтонов. Отсутствие дыхательных аппаратов за спиной облегчало работу в труднодоступных местах.
Одной из главных разработок криогенных дыхательных совокупностей была совокупность стабилизации рабочего давления.
Для вертикально-ориентированных бортовых блоков прекрасно зарекомендовали себя испарительные совокупности замкнутого типа (1), особенно с теплоизолирующей плавающей перегородкой (2). Она скоро устанавливала и регулировала рабочее давление за счет неравновесного температурного состояния паровой и жидкостной фаз. В этом случае жидкий воздушное пространство не разогревается и не сбрасывается в вохдух.
Как раз такие совокупности использовались в конструкции легководолазной станции «МАКС-1» и буксируемом подводном аппарате «ЮГ-7м».
В газобаллонной совокупности стабилизации (3) регулирование рабочего давления осуществлялось за счет подачи инертного газа в паровую фазу из баллона через редуктор. Такая совокупность разрешала весьма скоро регулировать рабочее давление с высокой точностью, но имела более большую цена.
Экономическая сторона вопроса
Примечательно, что кроме того с чисто экономической точки зрения криоланг выгоднее, чем простой акваланг на сжатом воздухе. Для легких сосудов Дьюара затраты на транспортировку меньше, а меры безопасности несложнее, чем для тяжелых баллонов большого давления. В 1980-х 1 кг жидкого воздуха обходился в 10−20 раз дешевле, чем 1 кг сжатого до 200 атм.
На данный момент цена на 1 кг жидкого кислорода меньше цены на сжатый газообразный кислород в пять раз, а для азота это соотношение и того выше — практически вдесятеро.
Производительность ожижителей выше производительности компрессоров (при сходных габаритах) многократно, а запасы жидкого воздуха возможно готовить заблаговременно, хранить в термоизолированных цистернах (для сжатого воздуха это намного страшнее) и доставлять на место проведения погружений в легких сосудах Дьюара при атмосферном давлении. Действительно, цена ожижителей намного выше стоимости компрессоров, но со временем эта отличие может окупиться.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№81, июль 2009).
<
h4>