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Alfred Cichy poseidon 11/1974 |
Betrachtungen über die Verwendung von Flüssiggasen in Atmungsgeräten für Taucher Das autonome Atemgerät für Taucher ist in seiner prinzipiellen Form seit Jahrzehnten unverändert geblieben: Zum Atmen dient komprimiertes Gas, das sich unter einem Druck bis zu 300 at in einem Vorratsbehälter befindet und über einen tiefengesteuerten Druckminderautomaten den Lungen des Tauchers zugeführt wird. Diese Atemgeräte müssen folgende Bedingungen erfüllen: - in einem bestimmten Rhythmus und einer
entsprechenden Menge das Atemgas nach Bedarf in die Lungen leiten, Die Einhaltung dieser Erfordernisse ist bisher auf einfachste Art gelöst, da als Atemgas Druckluft verwendet und die Ausatemluft ins Wasser geleitet wird. Mit zunehmender Tiefe sinkt allerdings die Sicherheit der DTG. Um die Sicherheit und die erreichbare Tauchtiefe zu vergrößern, verwendet man Geräte mit Atemgasgemischen in einem geschlossenen Kreislauf. Ein Kontrollsystem (mechanisch oder elektrisch) hält die der Tauchtiefe entsprechende Zusammensetzung des Atemgases konstant. Diese modernen autonomen Atemgeräte sind teuer, kompliziert und erfordern eine gut ausgebaute technische Basis. |
Die immer häufiger werdenden Abstiege des Menschen unter die Wasseroberfläche und die Notwendigkeit der Ausführung verschiedener Arbeiten in großen Tiefen mobilisieren die Suche nach neuen Lösungswegen, die für den Menschen bessere Bedingungen schaffen, sich unter Wasser frei zu bewegen und Tätigkeiten auszuführen. Eine dieser praktikablen Lösungen ist die Verwendung flüssiger Gase in autonomen Tauchergeräten. Bild 1 zeigt das Schema eines solchen Gerätetyps (Helium/Sauerstoff). Im Druckbehälter befindet sich ein neutrales Gas. Die Gasabgabe des Gerätes erfolgt durch Öffnen des Nadelventils - analog dem normalen DTG. Die Leitungen und der Atemsack besitzen Rückschlagventile, die nur in der gewünschten Durchflußrichtung wirken. Im Umlaufzyklus wird das Ausatemgas gereinigt, in einem C02-Filter getrocknet und anschließend bis zu einer Temperatur von -51°C gekühlt. Die C02-Reinigung und Trocknung ist nicht notwendig, verlängert jedoch in hohem Grade die Sicherheit bei der Nutzung offener Umlaufsysteme. Der Vorbereitungsprozeß des Atemgases beginnt im Wärmeaustauscher, wo das ausgeatmete Gas eine Temperatur von -195°C erreicht. Im Laufe des Abkühlungsprozesses erfolgt das Ausscheiden der C02-Reste und ihr Absetzen auf der Oberfläche des Wärmeaustauschers. Nach dem Verlassen des Wärmeaustauschers besitzt das Atemgas keine Verunreinigungen mehr - es besteht nur aus Helium und Sauerstoff. Bei einer Temperatur von -195°C bleibt das Atemgas noch gasförmig. Im Behälter mit flüssigem Sauerstoff erfolgt ein thermischer Ausgleich beider Gase. Damit ein grober Durchfluß erreicht wird, beschleunigt man den thermischen Austausch mit Hilfe einer vergrößerten Flüssigkeitsoberfläche im Verhältnis zu den Gasen. |
Gleichgewicht bedeutet die Sättigung des Atemgases mit Sauerstoff - und damit gleiche Temperatur im gesamten Behälter; ein physikalischer Prozeß, der ähnliche Eigenschaften wie das Verhältnis Wasser/Wasserdampf zeigt. Bild 2 stellt als Beispiel die
Sättigungsdiagramme Flüssigkeit/Gas für die Gase Sauerstoff und Stickstoff dar. Sie
entsprechen 100% relativer Feuchtigkeit. Die Temperatur des flüssigen Sauerstoffs ist
gleich -195 °C und bewirkt die Sättigung des Atemgases bis zum Teildruck von 0,2 kp/cm2
oder 20% im Verhältnis zu den Oberflächenbedingungen. Auf diese Art hält das Inertgas im
Flüssiggasbehälter den Teildruck des Sauerstoffs stabil, der hauptsächlich von der
Temperatur des flüssigen Sauerstoffs und nur unwesentlich vom Tiefendruck abhängig ist.
Das so mit 02 angereicherte neutrale Gas (in diesem Falle Helium) wirkt hier als
Wärmeaustauscher, der in der entgegengesetzten Richtung zur Ausatmung erwärmt wird.
Durch die Beseitigung der Verunreinigungen und die Anpassung des Sauerstoffpartialdrucks
(p02) kann man sicher damit atmen. |
Bild 2 stellt eine Kurve
gesättigten Stickstoffs (N2) bei einer Temperatur von -195°C und einem Druck
des N2 von 1atü dar. Die Neigung der Kurve von N2 ist steiler als
die Kurve von 02. Benutzt man den von der Temperatur des flüssigen Sauerstoffs
abhängigen N2-Druck im Röhrchen, so kann man das Kühlsystem des flüssigen
Sauerstoffs und somit pO2 steuern. Das System muß genügend gekühlt werden. Die einfachste Vorrichtung im offenen Zyklus besteht aus einem Druckbehälter, der mit Helium unter hohem Druck gefüllt und auf eine Temperatur von -195 °C gekühlt wird. Das Helium strömt dem Wärmeaustauscher zu und nimmt die Wärme des ausgeatmeten Gases auf. Das abgekühlte Ausatemgas wiederum kühlt den flüssigen Sauerstoff. Das Helium strömt aus dem Austauscher durch ein Regelventil ins Wasser. Dieses Ventil wird durch ein mit N2-Dampf gefülltes Druckthermometer gesteuert, das die Temperatur des flüssigen Sauerstoffs mißt. Steigt diese Temperatur über einen festen Punkt, dann öffnet durch den Druck das N2 das Regelventil, und das ausströmende Kühlelement bewirkt das Sinken der Temperatur. Eine andere Art, die ein der Volumen- und Gewichtseinheit angenähertes größeres Kühlpotential sichert, beruht auf der Wirkung flüssigen Stickstoffs als Kühlmittel. Seine Verwendung erfordert eine spezielle Ablaßtechnik für die Flüssigkeit: Für das Ausströmen der Flüssigkeit aus dem Behälter wurde ein Spezialsyphon (Bild 3) entwickelt, der aus einem Rohr mit porösen Wänden besteht. Das eine Ende ist dicht, das andere am Behälterausgang angeschlossen. Die poröse Masse, die das Rohr des Syphons umschließt, ist der Flüssigkeit entsprechend angepaßt. Durch eine entsprechende Krümmung des Rohres wird es immer von der Flüssigkeit umspült und in seiner gesamten Länge angefeuchtet; das Gas gelangt nicht ins Rohrinnere. Ist genug Flüssigkeit vorhanden, bleibt das Rohr naß. Man muß dabei beachten, daß der Druck des flüssigen Stickstoffdampfes bzw. des im Behälter eingeschlossenen Stickstoffs bei einer Temperatur von -195 °C ein atü oder weniger beträgt. Steigt der Druck im Behälter nicht, kann der Dampf nicht ausströmen und das flüssige Gas nicht herausgedrückt werden. Eine Temperaturerhöhung der Flüssigkeit aber würde das angestrebte Ziel durchkreuzen. Druckerhöhung im Behälter durch Einleiten von kaltem komprimiertem Helium führt nicht zum Temperatur-wechsel. Bild 4 zeigt den Ablauf der thermodynamischen Umwandlung: Wenn im Behälter nur eine Flüssigkeit und ihr Dampf sind, dann steht die gesamte Flüssigkeit im Punkt 1, auf der Übergangslinie zwischen Dampf und Flüssigkeit bei entsprechender Temperatur. In dem Moment, da das abgekühlte Helium in den Behälter gelangt, steigt der Druck ohne Temperaturänderung zum Punkt 4. Die Flüssigkeit bleibt unter Druck und ändert die Temperatur nicht. Wärme wird erst im Wärmeaustauscher zugeführt, und die Flüssigkeit verläßt den Behälter als Gas mit Umgebungstemperatur (Punkt 5). |
Die Eigenschaften der porösen Masse zur Beschichtung des Rohres wurden im Labor auch auf Sättigung des Atemgases mit Sauerstoff getestet. Eine Walze wurde mit porösem Teflon beschichtet, das isotropisch wirkt: es nimmt Flüssigkeit auf und fungiert als Wärmeleiter, da es eine größere Berührungsfläche zwischen Flüssigkeit und Gas bildet. Man erreichte praktisch einheitliche Sättigung bei verschiedenen Durchflußgeschwindigkeiten. Die Tests ergaben, daß bei Anwendung einer entsprechenden Technologie und Konstruktion des Wärmeaustauschers ein noch größeres Kühlpotential erreicht werden kann. Dieser Austauscher, ein vollkommen passiver Apparat, arbeitet auch unter sehr hohem Umgebungsdruck. Das ausgenutzte Kühlpotential dient dem gleichzeitigen Ausgleich verschiedener Wärmebelastungen unter den Bedingungen einer kontrollierten Wärmebilanz. Die Temperatur des flüssigen Sauerstoffs, die konstant gehalten wird, stabilisiert automatisch den Sauerstoff-Partialdruck im Atemgas. Dieses System zeichnet sich durch hohe Funktionssicherheit aus. Das einzige aktive Element ist ein Druckregler für den Gasaustritt. Wichtigstes Bauteil des Systems ist der Wärmeaustauscher (Bild 5). In ihm erfolgt die Reinigung des Atemgases von CO2 und der Wärmeaustausch der durchströmenden Gase. Durch den veränderten Faktor für die Wärmeaufnahme im Kondensationspunkt des CO2 versucht die bei der Kondensation entstandene verborgene Wärme, die Richtung des Temperaturgradienten zu verändern (Bild 5). Im Zusammenhang mit den normalen Lösungseigenschaften von CO2 mit Helium bildet sich im Wärmeaustauscher eine Sammelstrecke von C02, die verhältnismäßig kurz zur Gesamtlänge des Austauschers ist. Das CO2 kondensiert in Form eines haarähnlichen Satzes, der sich als dünner Belag im Wärmeaustauscher absetzt. Läßt man zu, daß dieser Satz sich in der Durchflußstrecke des Wärmeaustauschers sammelt, so führt er schon nach 15 bis 20 Minuten Arbeit unter Belastung zum verstärkten Atemwiderstand. Durch die Verringerung der Koeffizienten für die Wärmeaufnahme innerhalb des Behälters an dem Punkt, wo sich das CO2 am schnellsten sammelt, kann das Profil des thermischen Gradienten vergrößert werden. Auf diese Weise vergrößert sich auch die Sammelzone des COrSatzes. Die richtige Einstellung des Tunperaturgradienten erlaubt auch eine gleichmäßige Verteilung des CO2-Satzes auf einer größeren Fläche. Eine in einem 200mm langen Austauscher nicht regulierte Sammelzone benötigt 6mm Länge und erlaubt eine Sammlung des C02-Satzes bei voller Belastung (durchschnittlicher Durchfluß von 170l/mm) nur über 45 Minuten. |
Wenn eine
Strecke mit kleinem Wärmekoeffizienten vorgesehen wird, kann sich an einem entsprechenden
Platz des Austauschers die Sammelzone für den C02-Satz auf 50mm und mehr
vergrößern. Gleichzeitig verlängert sich die Arbeitszeit des Systems bis auf etwa sechs
Stunden. Die gleiche Methode kann für die Wassersammelzone angewandt werden, wenn das zur
Trocknung des Atemgases dienende Silikongel eliminiert werden soll. So entsteht eine Situation, in der sich das durch den Regenerator fliehende Atemgas der Temperatur und Feuchtigkeit anpassen muß, wie sie im Generator festgelegt ist. Beim entsprechenden Entwurf kann man eine Leistungsfähigkeit von 90% erreichen. Bei einer Umgebungstemperatur von 10°C kann das Gas bis zu 32°C erwärmt werden und eine relative Feuchtigkeit von 90% enthalten. Der Durchflußwiderstand im Generator beträgt dabei etwa 25mm Wassersäule. Der Einsatz eines solchen Regenerators mäßigt wesentlich die Auswirkungen der Temperaturwechsel zwischen Ein- und Ausatmung, und die konstante Feuchtigkeit wirkt sich positiv auf das Wohlbefinden des Tauchers aus. In einem Gerät mit geschlossenem Kreislauf wird ein großer Teil der Feuchtigkeit absorbiert. Somit verringert sich die Belastung des Systems mit Wasser, was sich wieder positiv auf die nominale Arbeitszeit auswirkt. |
Die Versuche zur Verwendung flüssiger Luft in Atemgeräten als Atemgasvorrat zeigen, daß sich die Masse und die Abmessungen der Apparatur vermindern und die Tauchzeiten verlängern lassen. Doch aufgrund dessen, daß das relative Gewicht des kompletten Gerätes im Wasser maximal ein Kilopond ohne Rücksicht auf das verwendete Material betragen soll und daß flüssige Luft 4,5mal dünner ist als Druckluft, sind die Vorteile der Anwendung eines offenen Gerätes mit flüssiger Luft nicht so offensichtlich. Berücksichtigt man noch die Verluste, die daraus entstehen, die Luft flüssig zu erhalten, so bleibt offensichtlich, daß der voluminöse Gewinn sich wahrscheinlich 1 zu 0,5 oder 3 zu 1 im Verhältnis zum normalen DTG verringert. Weiterhin muß man berücksichtigen, daß die aus dem Flüssigkeitsbehälter kommende Luft erwärmt werden muß. Zudem ergibt sich aus der Fraktionierung zwischen Sauerstoff und Stickstoff eine Gefahr: Im Laufe der Verdampfung kann es dazu kommen, daß zum Schluß im Behälter nur noch Sauerstoff verbleibt; unter bestimmten Bedingungen (Tiefe usw.) kann das zu einer ernsten Gefahr werden. |
Die Konstruktion eines Atemgerätes mit flüssiger Luft sollte eine syphonartige Ableitung der Flüssigkeit aus dem Behälter vorsehen. Bei einem solchen System entweicht nur die Flüssigkeit aus dem Behälter. Wenn sie außerhalb des Behälters verdampft, behält sie ihre Molekularzusammensetzung. Die Anwendung flüssiger Gase in autonomen Atemgeräten für Taucher garantiert hohe Betriebssicherheit. Man muß unterstreichen, daß, wenn auch das Kontrollsystem aus irgendwelchen Gründen aussetzen sollte, die Apparatur weiter funktioniert, da die wichtigen Funktionen, einschließlich der Absorption von Verunreinigungen und der Regulierung des Sauerstoff-Teildrucks, von der Temperatur abhängig sind. Sollte der Regenerator für den Zufluß des Kühlelements versagen (seine Aufgabe ist die Erhaltung einer stabilen Temperatur), so wird sich ein Temperaturwechsel im System nicht plötzlich vollziehen. Der grundlegende Wärmeinhalt des Systems, einschließlich aller Bauteile, wird einen plötzlichen Abfall oder Anstieg der Temperatur nicht zulassen. Fällt die Temperatur, so kann der N2-Fühler die Alarmsysteme betätigen und die entstandene Situation zu erkennen geben. Der Taucher hat dann noch etwa eine Stunde Zeit zur sicheren Rückkehr an die Oberfläche, da gefährliche Veränderungen in der Atemmischung erst nach dieser Zeit auftreten. Im Falle einer Havarie des Alarmsystems wird der Taucher stufenweise den Anstieg des Atemwiderstandes spüren. Dieser Widerstand hindert den Taucher nicht, aus dieser gefährlichen Situation sicher in der zulässigen Zeit aufzusteigen. |
Die optimale Zuführung richtiger Atemgase durch autonome Tauchergeräte löst nicht alle Probleme eines langen Unterwasseraufenthaltes. Der Aufenthalt des Tauchers bei einer Temperatur von 16°C über eine Stunde erfordert einen Kälteschutzanzug. Bei längeren Tauchzeiten besteht also das Problem des Wärmeverlustes. Das freie Tauchen erfordert deshalb die Lösung zweier Probleme gleichzeitig: Der Taucher muß mit Sicherheitssystemen ausgerüstet werden, die ihm einen langfristigen sicheren Aufenthalt unter Wasser auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen ermöglichen. Eine solche Kombination zeigt Bild 7. Die Funktion des Tauchergerätes ist mit einer Wärmeversorgung des Taucheranzuges verbunden. Diese Verbindung könnte ohne Speicherung von Kühlelementen arbeiten, da es selbst Wärme mit Hilfe eines Zusatzgerätes erzeugt und speichert. Im Beispiel wird ein Teil des flüssigen Sauerstoffs zur Verbrennung von Brennstoffen wie z. B. Magnesium oder Phosphor und damit zur Wärmeerzeugung genutzt. Die im Heizelement erzeugte Wärme wird für die Heizung des Taucheranzuges verwendet. Die hier vorgestellten Systeme und Varianten wurden nicht voll erprobt. Vergleiche der Arbeitsweise dieser Systeme wurden nicht durchgeführt. Man kann aber feststellen, daß auf diesem Wege der langfristige Aufenthalt des Menschen unter Wasser möglich ist. |
poseidon 4/1978
A. Pedorenho, übersetzt und bearbeitet von
Jörg Zimmermann Flüssiggas-Tauchergerät AK-3 Hauptseite -> Altes --> Tauchen mit Flüssiggas |
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Drucklufttauchergeräte sowjetischer
Bauart (Ukraina, AWM) sind autonome Tauchergeräte mit offenem Atemzyklus. Sie sind
einfach im Aufbau, sicher in der Funktion, schließen Sauerstoffmangel oder -vergiftung
und im allgemeinen auch Dekompressionskrankheit sowie Stickstoffnarkose aus. Ihre
wesentlichen Nachteile sind: kurze Einsatzdauer und hohe Ein- und Ausatemwiderstände bei
hohen Belastungen. Der Luftbedarf bei UW-Arbeiten in 40 m Tiefe ist so groß, daß die
Einsatzzeit nur wenige Minuten betragen kann. Eine Vergrößerung des Luftvorrats durch größere oder mehr Druckluftbehälter machen das Gerät unhandlich. Die Zufuhr von Luft durch einen mit der Oberfläche verbundenen Schlauch bedingt den Verlust der Autonomie des Tauchers. Außerdem wird bei Luftatmung in größeren Tiefen durch die notwendigen DK-Zeiten der Arbeitszeitgewinn nur minimal. |
Günstiger ist hier der Einsatz von
Mischgasgeräten mit geschlossenem oder halboffenem Atemsystem. Allerdings sind diese
Geräte noch sehr kompliziert und in ihrer Herstellung kostenaufwendig. Aussichtsreich
scheint deshalb der Einsatz von Flüssigluft-Tauchergeräten. Ein solches Gerät,
Typenbezeichnung AK-3, wurde im Charkower Physikalisch-technischen Institut für niedrige
Temperaturen entwickelt. Das Gerät und einzelne Teile wurden patentiert, auf der
Allunionsausstellung erhielt es zwei Silber- und fünf Bronzemedaillen. Das Gerät ist bei den verschiedensten UW-Arbeiten bis in 45 m Tiefe einsetzbar, hat ein offenes Atemsystem und arbeitet mit flüssiger Luft oder flüssigen Luft-Sauerstoff-Gemischen. Der Vorrat befindet sich mit einer Temperatur von -190 °C in zwei Behältern. Die Einsatzdauer des AK-3 beträgt etwa das Vierfache der bisher gebräuchlichen DTG. Der einstufige Lungenautomat weist in 45 m Tiefe einen Atemwiderstand von etwa 500 Pa (50 mm WS) bei einem Luftverbrauch von 155 l/min auf. Die Verwendung von zwei Gaskomponenten ermöglicht bei vorgegebener Tiefe und Tauchzeit minimale DK-Zeiten durch entsprechende Gaszusammensetzung. |
Arbeits- und DK-Zeit bei AMV 30l/min (40 % 02, 60 % N2) | ||
Tiefe | Arbeitszeit | DK-Zeit |
5 | 145 | - |
12 | 98 | - |
21 | 70 | 2 |
30 | 51 | 7 |
39 | 35 | 8 |
TECHNISCHE DATEN | |
Tauchtiefe | bis 45 m |
Masse gefüllt | 24 kg |
Masse leer | 16 kg |
Abmessungen | 680 X 350 X 140 mm |
Gasvorrat | 6900 l |
Reservegasvolumen | 500 l |
Arbeitsdruck | 0,58 MPa (5,8 kp/cm²) |
Vorratsbehälter | 2,5 MPa (25 kp/cm²) |
Sicherheitsventil | 1 MPa (10 kp/cm²) |
Auftrieb | +10N bis -20N (+1 kp bis -2 kp) |
Füllzeit | 3 bis 5 min |
Einsatzbereitschaft nach Füllung | 8 bis 10 min |
Einsatzbereitschaft nach Vorbereitung | 1 bis 2 min |
Lagerzeit ohne Luftverbrauch | 12h |
Material | antimagnetisch/ nichtrostend |
AUFBAU und FUNKTION Das Gerät besteht aus 2 5-l-Behältern mit dem dazwischen liegenden Auftriebskompensator. An diesem sind der Lungenautomat mit Atemanschluß, das Absperrventil zum Schließen des gefüllten Gerätes bei Lagerung, der Wärmetauscher des Atemgases, der Verdampfer, das Schwerkraftventil, Sicherheitsventil, der Knopf zum Füllen des Auftriebskompensators mit Wasser und das Gurtzeug befestigt. Im unteren Teil (unter der Verkleidung) liegen der Füllstutzen, das Zweiwegeventil, mit dem zum Einsatzbeginn eine Drucksteigerung in den Vorratsbehältern erreicht wird und das gleichzeitig als Reserveschaltung dient. Das AK-3 wird mit flüssiger Luft oder flüssigem Gasgemisch über den Füllstutzen gefüllt. Dazu werden von den Überlaufstutzen die Blindmuttern abgenommen. Das flüssige Gasgemisch fließt mit 0,1 bis 0,2 MPa (1 bis 2 kp/cm²) aus dem Transportbehälter in das Gerät. Nach 3 bis 5 min zeigen sich an den Überlaufstutzen Tropfen; der Füllvorgang ist beendet. |
Die Stärke der inneren Behälterwandung beträgt
0,8 mm, die der äußeren 1,2 mm. Um den äußeren Überdruck aufnehmen zu können, ist
sie mit Sicken und eingelegten Ringen versteift. Zum Tragen dient der Handgriff. In den Innenbehältern befinden sich an den Böden beweglich befestigte Sammelrohre, deren Begrenzungen einen völligen Verbrauch des Atemgasgemisches verhindern. Ihre Masse läßt die Sammelrohre immer in die Flüssigphase eintauchen. Beim Füllen verbleibt in den Behältern eine Gasblase. Einer der Behälter ist an das Inbetriebnahme/Reserve-System angeschlossen und ist innen mit einem Wärmetauscher, der zur Druckerhöhung innerhalb des Behälters bei der Vorbereitung des Gerätes zum Tauchen dient, und mit einem Entnahmestutzen für die Gasreserve versehen. |
Die Wärmedämmung wird durch Vakuum und Reflexion erreicht: Der Raum zwischen den inneren und äußeren Behältern ist mit Alu-beschichteten Folien ausgefüllt und dann bis zu einem Unterdruck von 0,133 Pa (0,001 mm Hg) evakuiert; weitere Druckreduzierung bewirken die Kälte und ein Absorber.Der Lungenautomat (Bild 2) weist keine prinzipiellen Besonderheiten auf, der geringe Atemwiderstand wird durch große Ventil- und Leitungsquerschnitte (über 38 mm²) erreicht. |
Das Schwerkraftventil (Bild 3)
schaltet die Gasentnahme in Abhängigkeit von der Lage des Tauchers so, daß von den
Sammelleitungen nur Flüssiggas aufgenommen wird. Dadurch werden gleichbleibender Druck
der Gasphase in den Behältern, gleichmäßige Entnahme und konstante Gaszusammensetzung
erreicht. INBETRIEBNAHME |
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