Новая водолазная и другая подводная техника

1.1. Способ извлечения воздуха из воды

Технология относится к области проведения подводных работ и может быть использована при создании аппаратов для автономного подводного плавания с практически неограниченным временем пребывания под водой, а также для жизнеобеспечения людей под водой и их деятельности (патент РФ 2225321 C2, МПК B 63 С 11/18 (2006.01).

В настоящее время для этих целей используют акваланги или замкнутые, герметичные устройства типа подводных лодок.

В первом случае для дыхания под водой используют баллоны со сжатым или сжиженным газом, в состав которого входит кислород, а во втором случае, как правило, используют регенерационные химические элементы для сорбции углекислого газа и восстановления кислорода (патент РФ 2138421, B 63 С, 11/00, 11/36, опубл. 1999 г.).

Недостатками известных технических решений являются сложность и дороговизна, а время пребывания под водой ограничивается запасом газа в баллоне или объемом регенерационных элементов.

Наиболее близким к предлагаемому способу по своей сущности является способ, основанный на извлечении кислорода из воды и выводе углекислого газа через полую камеру, выполненную из селективных пленочных пластмассовых мембран, который нами принят за прототип («Наука и жизнь», 1965 г., 3, с.139; «Наука и жизнь», 1967 г., 2, с. 86). Однако существенным недостатком способа является то, что скорость газообмена между воздухом и водой, зависящая от величины скорости диффузии кислорода и углекислого газа через мембрану, при небольшой движущей силе (определяемой разницей парциальных давлений кислорода внутри камеры и снаружи над водой) является весьма низкой, вследствие чего для обеспечения человека кислородом требуется мембрана площадью 6 м2, что весьма дорого, требует сложной конструкции камеры и применения дефицитных пластмассовых материалов.

Задачей предлагаемого изобретения является существенное увеличение скорости газообмена между воздухом камеры и водой и снижение количества используемой пленки-мембраны.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе извлечения воздуха из воды путем газообмена между водой и газовой средой полой камеры, пленкой-мембраной, при этом в качестве пленки-мембраны применяют пористый материал со сквозными порами диаметром до 100 мкм, причем газообмен осуществляется при давлении воздуха в полой камере, превышающем суммарное давление атмосферы и гидростатического столба погружения камеры. Кроме того, давление воздуха в камере ниже давления, необходимого для преодоления сил поверхностного натяжения воды на границе раздела газовой и жидкой фаз в порах пленки мембраны.

Кроме того, давление воздуха в камере поддерживают путем принудительной подачи газа. В качестве газа используют воздух или кислород, или азот, или гелий, или их смеси.

В качестве пленки-мембраны применяют тканые или нетканые полимерные, хлопчатобумажные, шерстяные, синтетические материалы.

В настоящем изобретении используются силы поверхностного натяжения на границе раздела фаз (в данном случае воздух-вода); силы поверхностного натяжение воды позволяют поддерживать избыточное давление воздуха. Граница раздела фаз при этом находится в порах используемой мембраны. Таким образом, в порах мембраны устанавливается непосредственный контакт между газовой средой и водой и газообмен осуществляется непосредственно, минуя диффузию через вещество мембраны, что значительно увеличивает его скорость, а это, в свою очередь, позволяет снизить площадь мембраны.

Достаточно всего 10—50 мм водяного столба избыточного давления, чтобы исключить попадание воды внутрь камеры, хотя газообмен в целом и газообмен по отдельным газовым компонентам проходит и при значительно больших значениях избыточного давления. Интенсивность газообмена зависит от разницы парциальных давлений газовых компонентов внутри камеры и над соприкасающейся с мембраной водой.

Выбор материала и размера пор мембран для создания полой камеры проводился на специальном стенде-камере. Сверху камеры устанавливался образец пористой мембраны диаметром 50 мм и укреплялся сверху нижней полой герметичной части стенда. Нижняя часть стенда снабжена манометром для замера давления воздуха. Кроме того, к нижней части стенда подведена подача воздуха. При установлении сухой пористой мембраны воздух практически беспрепятственно проходит через поры мембраны. При погружении стенда в воду ее сопротивление многократно увеличивается, так как на границе раздела фаз воздух-вода в порах мембраны силы поверхностного натяжения воды препятствует свободному прохождению воздуха. Сопротивление полой мембраны обратно пропорционально диаметру отверстий пор и изменяется от 5 мм водяного столба при диаметре пор 100 мкм до нескольких атмосфер избыточного давления при диаметре пор менее 0,01 мкм. При дальнейшем погружении стенда под воду сопротивление мембраны дополнительно возрастает на величину гидростатического давления столба воды и зависит от глубины погружения.

Проверка газообмена между водой и полой камерой осуществлялась на специально созданных аппаратах. Результаты испытаний приведены в нижеследующих примерах, которые иллюстрируют, но не ограничивают возможность использования предлагаемого изобретения.

Пример 1.

Испытатель через загубник с патрубком, соединенным с полой камерой объемом около 100 л, образованной путем обтяжки смоченной водой хлопчатобумажной тканью двух колец диаметром по 800 мм с размером сквозных пор до 100 мкм при расстоянии между кольцами 200 мм, опускался под воду на глубину от 0,3 до 1,5 м (рис. 1). Давление внутри камеры было на 30—50 мм водяного столба больше суммарного давления атмосферы и гидростатического столба, которое изменялось от 1,03 до 1,15 ата. При опускании камеры в воду к ней подвешивался груз для преодоления выталкивающей силы воды. При этом дыхание осуществлялось только воздухом, находящимся внутри камеры. Выдох осуществлялся также внутрь камеры. Время, проведенное испытателем под водой, составляло 50 мин. Вдох и выдох через камеру осуществлялся без заметных усилий.

В отсутствие газообмена между воздухом камеры и водой испытатель мог бы дышать данным объемом воздуха не более 10 мин, после чего из-за исчерпывания кислорода и накопления СО2 дыхание оказалось бы невозможным. Следовательно, газообмен между воздухом камеры и водой осуществлялся нормально.

Пример 2.

Способ осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве пористых мембран применяют «ядерные» фильтры на основе полиэтилентерефталата с диаметром пор 0,01 мкм. Испытатель провел под водой 40 мин.

Пример 3.

Способ осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве пористых мембран применяют комбинированную ткань на основе шерстяных и синтетических волокон. Диаметр пор материала находится в пределах от 15 до 80 мкм. Испытатель провел под водой 2,0 ч, опускаясь на глубину до 2,6 м. Давление внутри камеры было на 90 мм водяного столба больше суммарного давления атмосферы и гидростатического столба, составлявшего 1,26 ата.

Пример 4.

Способ осуществляют аналогично примеру 1, но погружение проводят на глубину 7,0 м при давлении внутри камеры на 70 мм водяного столба выше значения 1,7 ата. При этом за счет гидростатического давления камера сжималась и объем ее уменьшался приблизительно до 58 л. Для восстановления объема камеры из баллона со сжатым воздухом через специальное устройство была проведена подпитка воздуха до восстановления объема камеры 100 л. Дыхание не вызывало затруднений у испытателя. Опыт продолжался 30 мин.

Пример 5.

Способ осуществляют аналогично примеру 4, но подпитку для восстановления объема проводят смесью гелий – кислород с 20 об.% кислорода. В течение 45 мин испытатель дышал этой смесью без заметных затруднений при вдохе и выдохе. При этом часть подаваемого газа выходила из камеры через наиболее крупные поры мембраны. Давление внутри камеры было на 220 мм водяного столба выше значения 1,7 ата.

Пример 6.

Из материала на основе вискозы и стеклоткани с диаметром пор менее 70 мкм был изготовлен купол объемом 50 л. Купол помещают под воду и заполняют его объем азотом. После 5 ч нахождения купола под водой отбирают пробу газа на содержания кислорода. Анализ показал присутствие кислорода под куполом в количестве 18,7.%, что свидетельствует о диффузии кислорода из воды.

Рис. 1. Схема эксперимента.

Мой комментарий.

Как видно из приведённых выше примеров, предложенный способ позволяет работать под водой в течение длительного времени (до двух и более часов) на различных глубинах, при этом за счет извлечения воздуха (кислорода) из воды концентрация кислорода поддерживается постоянной даже при значительно меньшей (около 1,5 м2) поверхности мембраны.

– Всё это хорошо, – скажет мой уважаемый читатель, – но почему тогда эти изобретения до сих пор не нашли практического применения? Ведь они были созданы в 60-х годах прошлого века!

Однозначного ответа на этот вопрос нет. Либо производительность мембран для извлечения воздуха из воды тогда была ещё весьма низкой и это требовало слишком больших размеров газогенератора, либо тогда ещё не возникла необходимость в их практическом применении и потому отсутствовало финансирование этих проектов, либо возникли какие-то непреодолимые трудности технологического характера. Но всё это можно преодолеть, если появится заинтересованность в этих проектах и найдётся солидный заказчик. На одном энтузиазме это дело с мёртвой точки не сдвинуть.

Как видно из приведённой выше статьи, авторам изобретения удалось существенно повысить производительность газогенератора за счёт применения в качестве мембран комбинированной ткани на основе шерстяных и синтетических волокон. Диаметр пор материала находился в пределах от 15 до 80 мкм. Но, думаю, что это не предел возможностей.

Вспомним историю с аккумуляторами. Сперва это были плоские пластины, погружённые в электролит. Ёмкость аккумуляторов была маленькой. Потом стали делать рельефные пластины. Ёмкость увеличилась. Потом стали делать пластины пористыми, ёмкость возросла в десятки раз. Сейчас поры уменьшились до молекулярного уровня (микропоры) и ёмкость увеличилась в сотни раз.

Примерно тоже самое может произойти и с селективными мембранами. Я начал с полиэтиленовой плёнки, но это не значит, что мембраны будут плёночные (хотя и не исключено). Может быть они будут пористые (например, если плёнку облучить альфа-частицами) или ворсистые, как шерсть. Тогда производительность газогенерации возрастёт в сотни раз и приблизится к жабрам рыб. Главное начать («лиха беда начало») и возникнет новое направление в водолазном деле, в судоподъёме и в создании новых энергоустановок ПЛ замкнутого цикла.

1.2. Мой эксперимент

В подтверждение возможности извлечения воздуха из воды методом экстракции газов могу привести результаты эксперимента, проведённого мною в 2010г на экспериментальной научно-исследовательской базе (ЭНИБ) в 40 Государственном НИИ МО РФ.

ПРОТОКОЛ №1

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ

ПОДВОДНОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА

«16» апреля 2010 г. 40 ГНИИ МО РФ, ЭНИБ

Цель эксперимента – проверка возможности экстракции (извлечения) воздуха из воды с помощью полиэтиленовой плёнки.

Подводный газогенератор представляет собой прочную ёмкость (кастрюлю) объёмом 4 литра с крышкой и мелкими отверстиями для прохода воздуха. Эта ёмкость 14 апреля была помещена в полиэтиленовый пакет объём 10л, который был зажгутован резиновым водолазным жгутом. В эксперименте пакет выполнял роль газообменной мембраны, через которую проходит воздух, но не проходит вода.

Перед жгутовкой пакет был обжат вокруг прочной ёмкости так, что свободный объём его не превышал 0,5 л. (рис. 2). К жгуту был подвешен груз, который обеспечивал отрицательную плавучесть емкости в пакете. Затем, ёмкость была погружена в воду 25-ти метрового бассейна ЭНИБ на глубину около 4 м.

При погружении полиэтиленовый пакет сильно обжало вокруг прочной ёмкости, что хорошо наблюдалось визуально. В таком состоянии ёмкость была оставлена в бассейне на двое суток.

16 апреля ёмкость была извлечена из бассейна. При извлечении она стала раздуваться. Объём полиэтиленового пакета составил ориентировочно 5 – 6 л.

Рис. 2.

1 – прочная ёмкость; 2 – полиэтиленовая плёнка; 3 – жгут; 4 – груз.

Примерно в полуметре от поверхности воды из места склейки полиэтиленового пакета (верхняя часть) пошли пузыри. Ёмкость из-за избыточного давления потеряла герметичность.

После извлечения ёмкости было проверено наличие в ней воды. Объём воды составил 0,4 – 0,5 литра. Единственный путь проникновения воды в пакет – это место жгутовки, т.к. перед испытаниями пакет был проверен на герметичность. Вода, зашедшая в пакет, частично вытеснила воздух, но количество попавшей воды не позволяет раздуть пакет до объёма 5 – 6 литров.

ВЫВОДЫ

1. Эффект экстракции воздуха, растворённого в воде, через газообменную мембрану в прочную ёмкость, при перепаде давления между ёмкостью и окружающей средой, присутствует.

2. Тонкая полиэтиленовая плёнка может выполнять функции газообменной мембраны.

3. Герметизация плёнки с помощью резинового жгута не надёжна при наличии разности давлений.

Служащие 24 отдела, члены испытательной группы:

кап. 3 ранга П. Несенюк

кап. 3 ранга А. Саломатов

служащий Ю. Берков

(Подлинник подписан 16.04.2010)

ПРОТОКОЛ №2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ

ПОДВОДНОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА, СОЕДИНЁННОГО С ПОНТОНОМ

«30» апреля 2010 г. 40 ГНИИ МО РФ, ЭНИБ

Эксперимент начался 28 апреля в 16ч. Цель эксперимента – подтвердить наличие экстракции (извлечения) воздуха из воды с помощью газообменной мембраны.

В газогенератор (прочная ёмкость объёмом 4 литра с крышкой и мелкими отверстиями для прохода воздуха, закрытая парниковой полиэтиленовой плёнкой) была зажгутована металлическая трубка (рис. 3). К трубке был присоединён гибкий шланг длиной 5 м. В другой конец шланга также была вмонтирована металлическая трубка, которая входила в мягкую ёмкость (полиэтиленовый пакет объёмом 10 л.) имитирующая мягкий понтон.

Перед жгутовкой парниковая плёнка была обжата вокруг прочной ёмкости так, что свободный объём вокруг прочной ёмкости не превышал 0,5 литра. Полиэтиленовый пакет (понтон) также был обжат (смят в комок) так, что свободный объём его был равен нулю.

После погружения газогенератора под воду на глубину 4 м, за счёт обжатия, воздух, находившейся в полиэтиленовой плёнке поднялся в понтон и заполнил его на объём 0,4 – 0,5л.

Рис. 3.

1 – прочная ёмкость; 2 – полиэтиленовая плёнка; 3 – резиновый жгут; 4 – металлическая трубка; 5 – гибкий шланг; 6 – груз; 7 – мягкая ёмкость; 8 – металлическая трубка; 9 – резиновый жгут.

Была проверена герметичность пакета путём погружения его под воду с помощью ладони. Травления воздуха не было. В таком состоянии система была оставлена на двое суток.

29 апреля в 9ч. была проведена контрольная проверка системы. Полиэтиленовый пакет (имитирующий понтон) заполнился газом примерно на 4 – 5 литров.

Газогенератор (прочная ёмкость) был поднят на поверхность. Количество воды в нём не превышало 0,5 литра. После этого он был снова погружён под воду.

На фото 1 виден пакет, частично заполненный воздухом. На фото 2 ёмкость, обтянутая плёнкой.

30 апреля полиэтиленовый пакет (понтон) оставался заполненным воздухом на объём 4 – 5 литров (фото 1).

После погружения его под воду (нажатие ладонью)

для проверки герметичности, из пакета пошли мелкие

пузыри (из верхней его части, в месте склейки плёнки). Пакет оказался не герметичным. Ёмкость из-за избыточного давления воздуха потеряла герметичность.

Фото 1.

Фото 2.

После поднятия газогенератора на поверхность объём воды в нём составил около 1 литра (фото 2). Единственно возможное место попадания воды – жгут. Поскольку парниковая плёнка толще плёнки полиэтиленового пакета (см. протокол №1), то резиновый жгут хуже обеспечивает герметичность прочной ёмкости.

ВЫВОДЫ

1. Эффект экстракции воздуха, растворённого в воде, через газообменную мембрану в прочную ёмкость, при перепаде давления между ёмкостью и окружающей средой, подтверждён.

2. Парниковая полиэтиленовая плёнка может выполнять функции газообменной мембраны. Скорость наполнения понтона не превышает 4 – 5 литров воздуха в сутки.

3. Герметизация плёнки с помощью резинового жгута не надёжна в случае наличия разности давлений. Место жгутовки необходимо заполнять каким-либо жидким герметиком.

Служащие 24 отдела, члены испытательной группы:

кап. 3 ранга П. Несенюк

кап. 3 ранга А. Саломатов

служащий Ю. Берков

(Подлинник подписан 30.04.2010)

Позже я пришёл к мысли – вполне возможно, что вода, которая появилась в ёмкости, это не плохая герметизация полиэтиленовой плёнки резиновым жгутом, а конденсат. Это значит, что экстракция воздуха из воды может сопровождаться и конденсацией паров воды в ёмкости для сбора газов.

1.3. Вода и воздух из воды

В предыдущей статье «Эксперимент» мною был предложен газогенератор-экстрактор, который извлекает воздух (газы) из морской воды с помощью селективных мембран, изготовленных из плёнки на основе полиэтилена. Показана возможность его применения для наполнения мягких понтонов при судоподъёме, а также для применения в дыхательных аппаратах водолазов.

Однако не только этим ограничивается применение указанного газогенератора. Он может применяться и для обеспечения дыхания подводников, находящихся в малых и сверхмалых ПЛ, (МПЛ, СМПЛ), что существенно увеличит их автономность. Схема размещения оборудования для экстракции воздуха из морской воды представлена на рис. 4.

Газогенераторы 1, ёмкость 2, автомат 7, электроклапаны 3 и 11, баллоны ВВД 9 размещаются в лёгком корпусе МПЛ и окружены морской водой. В прочном корпусе СМПЛ размещены только ручной вентиль 4 и ёмкость для сбора пресной воды 6.

Для эффективной работы предложенного газогенератора необходима разность давлений между водной и воздушной полостями экстрактора. Давление в водной часто экстрактора должно быть выше, нежели в воздушной. Чем выше разность давлений, тем выше производительность экстрактора. Однако эта разность давлений не должна превышать предел прочности газообменной мембраны (плёнки). В эксперименте она составляла 0,3 – 0,4 атм.

Рис. 4. Схема размещения оборудования для извлечения воздуха из морской воды на МПЛ и СМПЛ.

Цифрами обозначены: 1 – газогенератор; 2 – ёмкость для воздуха; 3 – электроклапан; 4 – ручной вентиль; 5 – прочный корпус МПЛ; 6 – ёмкость для сбора пресной воды; 7 – автомат контроля давления; 8 – трубка; 9 – баллон ВВД; 10 – редуктор; 11 – электроклапан; 12 – соленоид привода электроклапана.

В схеме на рис. 4 эта разность давлений обеспечивается тем, что воздушные полости газогенераторов соединены с отсеком МПЛ через специальную ёмкость 2 трубопроводом через электроклапан 3 и вентиль 4.

Однако разность давлений за бортом МПЛ и отсеком с подводниками, может быть очень высокой. Глубина погружения МПЛ может составлять сотни метров, а в отсеке с подводниками давление может быть атмосферным. Если соединить воздушные полости газогенераторов с прочным отсеком МПЛ напрямую, то при погружении МПЛ разность давлений превысит прочность плёнки, она порвётся, и забортная вода станет поступать в отсек. Именно для этого случая на трубопроводе и установлен вентиль 4, закрыв который, подводники обеспечат свою безопасность. Нормальное положение вентиля – открыт, электроклапана 4 – закрыт. Рассмотрим работу газогенератора при погружении, МПЛ, зависании на глубине и всплытии.

При погружении МПЛ давление в водных полостях газогенератора нарастает. Давление в ёмкости 2 и в воздушных полостях экстрактора ниже чем в водных. При достижении необходимой разницы давлений, автомат 7 (по типу дыхательного автомата акваланга) замыкает контакты и срабатывает электроклапан 11. В результате воздух из баллона ВВД поступает в ёмкость 2 и давление в ней увеличивается. Тем самым предотвращается возможность разрыва плёнки селективных мембран газогенераторов.

Далее МПЛ зависает на глубине, выполняя работы по выпуску или приёму подводников. Газогенераторы работают и давление в ёмкости 2 повышается. Как только оно превысит заданный предел, автомат 7 замыкает другие контакты и срабатывает электроклапан 3, выпуская воздух (газы) из ёмкости 2 в отсек МПЛ с подводниками. Если подводники проходят декомпрессию, то автомат 7 снабжает их воздухом сколь угодно долго, периодически открывая электроклапан 3.

При всплытии МПЛ, давление за бортом уменьшается. В результате давление в ёмкости 2 становится выше необходимой разницы давлений в полостях газогенераторов водной и воздушной. Автомат 7 открывает электроклапан 3, выпускает лишний воздух в отсек МПЛ и снижает давление в ёмкости 2.

Если на МПЛ, вместо части аккумуляторной батареи установить двигатель внутреннего сгорания, то можно существенно увеличить дальность плавания на малых глубинах (на больших глубинах возникнут проблемы с выпуском отработанных газов).

Кроме снабжения подводников воздухом, газогенераторы могут снабжать их и пресной водой. Дело в том, что селективные мембраны пропускают вместе с воздухом и пары воды (подтверждено экспериментом). В результате в ёмкости 2 будет образовываться конденсат (дистиллят). Рыбы получают его через жабры вместе с воздухом и не пьют солёную морскую воду. Дистиллят будет стекать вниз из ёмкости 2, и выходить из трубопровода в виде капель вместе с воздухом. Если подставить под трубопровод ёмкость 6, то можно накапливать пресную воду (дистиллят), которую потом можно будет пить (но без удовольствия).