Повышенное давление воздуха или газа

Организм человека сталкивается с факторами повышенного давления газовой и водной среды в процессе

водолазных спусков и кессонных работ, в подводных домах, при плавании с аквалангом, при лечении сжатым воздухом в камерах повышенного давления и барооперационных.

В России ежегодно работают под водой или пребывают в условиях повышенного давления газовой среды несколько десятков тысяч человек. Число аквалангистов (дайверов) систематически пребывающих под водой с каждым годом увеличивается.

Характеризуя изменения жизнедеятельности человека в условиях повышенного давления газовой и водной среды, необходимо учитывать следующие факторы:

1. Величина повышенного давления (Р). Напомним, что воздух имеет массу и оказывает определенное давление, называемое атмосферным, на поверхность земли. На широте 45° на уровне моря при температуре О°С атмосферное давление составляет 760 мм рт.ст. или 1 атм. Техническая атмосфера (кгс/см2) соответствует давлению 10 метров водного столба или 735,6 мм рт.ст. Давление сверх атмосферного называют избыточным и измеряют с помощью манометров. Сумма избыточного и атмосферного давления называют абсолютным давлением. Так, при плавании на глубине 20 метров на человека будет действовать избыточное давление 2 атм. или абсолютное давление 3 атм. На каждый квадратный сантиметр нашего тела давит атмосферное давление с силой 1 кг. Так как поверхность тела взрослого человека составляет в среднем 1,5-1,8 м2, то в обычных условиях на человека воздух давит с силой, равной 15-18 тонн. Это давление не только не ощущается нами, но является нормальным фактором окружающей среды. Чем глубже погружается человек, тем большее давление действует на его тело. На глубине20 м избыточное давление на поверхности тела составит примерно 30-36 тонн. Такое огромное давление раньше представлялось угрожающим жизни. С началом водолазных погружений (активное освоение глубин началось середины девятнадцатого века) была доказана сравнительная легкость, с которой переносилось такое давление. Это объясняется тем, что тело человека состоит на 62-65% из воды, которая практически не сжимается (на каждую атмосферу объем воды уменьшается приблизительно на 0,0004%). Однако при вертикальном положении давление воды более плотно обжимает ноги. У человека ростом 175 см величина добавочного давления на стопы по сравнению с верхней частью головы составит 0,175 кгс/см2. В ногах нарушается кровообращение из-за сдавления поверхностных кровеносных сосудов. Поэтому с физиологической точки зрения горизонтальное положение подводного пловца считается наилучшим, так как имеется практически одинаковое обжатие всех частей тела;
2. Парциальное (частичное) давление газов (рО2, рСО2, рN2). Под ним понимают долю (часть) общего давления, приходящегося на конкретный газ, входящий в газовую смесь. Парциальное давление зависит от процентного содержания газа в газовой смеси (напомним, что воздух – это естественная газовая смесь, состоящая из 78,1% азота, 20,9% кислорода, 0,9% аргона, 0,03% углекислого газа, а также водорода, гелия, неона и других индифферентных газов в очень малых количествах) и абсолютного давления, под которым находится эта смесь: р=Р•n/100, где n-процентное содержание газа в смеси по объему. Знание парциального давления того или иного газа важно потому, что физиологическое действие газа определяется не относительным процентным содержанием его в смеси, а величиной парциального давления. Например, мы уже знаем, что в атмосферном воздухе содержится около 21% кислорода. Парциальное давление его составляет 0,21 атм. Если человек будет дышать на поверхности смесью, в которой всего 5% кислорода, то он мгновенно потеряет сознание и погибнет от недостатка кислорода (это специфическое заболевание называют «кислородным голоданием»), так как рО2 будет в данном случае равно 0,05 атм. Если же человек будет вдыхать 5%-ную смесь на глубине 30 метров, где абсолютное давление равно 4 атм., он будет чувствовать себя хорошо. Ведь рО2 на глубине 30 м увеличилось в 4 раза и стало равно 0,20 атм.;
3. Быстрота повышения и понижения давления. При быстром погружении давление в воздухосодержащих полостях не успевает сравниваться с наружным давлением, что приводит к болезненным состояниям, получившим название «баротравмы уха и придаточных пазух». Реже встречается «баротравма кишечника» или «баротравма зуба». При быстром всплытии возможно развитие очень грозного заболевания «баротравмы легких».
4. Насыщение (сатурация) и рассыщение (десатурация) организма индифферентными газами.Игнорирование закономерностей процессов сатурации и десатурации приводит к развитию самой распространенной и опасной специфической патологии — «декомпрессионной болезни», которая возникает при всплытии с нарушением режима декомпрессии (встречаются случаи заболевания, возникающие при всплытии без нарушений режима декомпрессии, обусловленные низкой устойчивостью конкретного аквалангиста к декомпрессионной болезни) и характеризуется образованием газовых пузырьков в организме из-за возникающего пересыщения тканей индифферентным газом, прежде всего азотом;
5. Температура воды и дыхательной смеси. Недооценка этого фактора способствует развитию «переохлаждения». Ведь теплоемкость воды в 4 раза, а теплопроводность в 25 раз больше, чем у воздуха. Поэтому при подводном плавании (даже летом на юге!) происходит усиленная отдача тепла организмом. Значительно реже в водолазной практике наступает «перегревание» организма, связанное в основном с длительным нахождением в гидрокомбинезоне в жаркую погоду под прямыми лучами солнца;
6. Высокая влажность и плотность дыхательной смеси.(В случае применения снаряжения регенеративного типа);
7. Пониженная освещенность под водой;
8. Высокая плотность воды по сравнению с атмосферным воздухом;
9. Увеличенная, по сравнению с воздухом, скорость звука в воде;
10. Вид подводного снаряжения и качество дыхательной смеси;
11. Значительная физическая нагрузка;
12. Выраженное психо-эмоциональное напряжение. Оно вызывается необычностью окружающей водной среды, некоторым риском для здоровья и жизни при каждом спуске под воду, невозможностью обычного речевого общения с людьми, находящимися на поверхности. Временная изоляция от привычной природной и социальной среды также вызывает у водолазов и аквалангистов определенные переживания. Степень психо-эмоциональной напряженности зависит и от типа высшей нервной деятельности конкретного пловца, его опыта, особенностей данного погружения и т.д.

В физиологии подводного плавания принято выделять три периода воздействия на человека повышенного давления газовой и водной среды (спуска под воду):

— период повышения давления, компрессия, сжатие воздуха, спуск водолаза или аквалангиста на максимальную глубину погружения;

— период пребывания под максимальным давлением, «на грунте» (это не обязательно дно, а наибольшая глубина спуска), изопрессия;

— период снижения давления, декомпрессия, подъем с глубины, выход на поверхность.

Воздействие повышенного давления воздуха и искусственных газовых смесей на организм человека по-разному проявляются в каждом из этих периодов. Так, мы уже отмечали, что баротравма уха преимущественно возникает при компрессии, но может быть и при декомпрессии. А декомпрессионная болезнь возникает только при декомпрессии (отсюда и название заболевания) или уже после выхода из-под повышенного давления газовой и водной среды.

При медицинском обеспечении водолазов и аквалангистов следует учитывать не только их предстартовое состояние, но и характер работы, отдыха, питания и сна в предшествующие спускам сутки. Необходимо обращать особое внимание на динамику функций организма человека в периоде последействия повышенного давления, на сроки возвращения к исходному уровню деятельности различных органов и систем организма, другими словами, как происходит восстановление после погружения.

Современная физиология подводного плавания определяет следующие возможные специфические заболевания у людей под действием повышенного давления (гипербарии): декомпрессионная болезнь, отравление кислородом, отравление диоксидом углерода (углекислым газом, СО2) отравление оксидом углерода (СО), токсическое действие азота («азотный наркоз») и гелия («гелиевая дрожь»), острое кислородное голодание, баротравма легких, баротравма уха и придаточных пазух, барогипертензионный синдром, обжим водолаза местный и общий, переохлаждение, перегревание, утопление. Именно под таким расширенным углом зрения будет рассматриваться на страницах журнала проблема медицинского обеспечения подводных работ.

Каждое из этих заболеваний имеет свои особенности, встречается на той или иной глубине, приводит к незначительному недомоганию или к развитию хронического процесса, на длительный период ухудшающего здоровье аквалангиста. Знание каждым водолазом и аквалангистом основ физиологии и патологии подводных погружений обеспечит профилактику возможных заболеваний и сделает плавание с аквалангом не только приятным, но и безопасным.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Мясников Анатолий Петрович, кандидат медицинских наук, врач-спецфизиолог, автор ставшей сейчас библиографической редкостью монографии «Медицинское обеспечение водолазов, аквалангистов и кессонных рабочих», издательство «Медицина», Ленинград, 1977. – 208 с.  В течение 50 лет занимается проблемами гипербарической физиологии и медицины. Преподавал на кафедрах «Физиологии подводного плавания и аварийно-спасательного дела» Военно-медицинской академии и  «Морской и подводной медицины» Медицинской академии последипломного образования.

Мясников Алексей Анатольевич, доктор медицинских наук. Доцент  кафедры «Физиологии подводного плавания» Военно-медицинской академии.

Про атмосферное давление упоминают даже в прогнозах погоды, но какова его природа? От чего зависит низкое и высокое атмосферное давление? Как его изменение отражается на здоровье человека?

Что это такое?

Ещё в 1638 году люди плохо представляли, что такое явление, вообще, существует, пока Герцог Тосканский не решил украсить Флоренцию фонтанами на большой высоте. Его попытка с треском провались, так как выше десяти метров вода не поднималась. Тогда и наступило время первых опытов в этой области.

С развитием науки стало ясно, что давление является физической величиной, которая сообщает о количестве силы, перпендикулярно примененной к единице площади какой-либо поверхности. Атмосфера — не исключение. На нашу планету она давит при помощи воздуха, который присутствует повсеместно.

Масса окружающего нас воздуха в миллионы раз меньше земной, но этого вполне достаточно, чтобы все предметы и существа испытывали на себе его влияние. Ежедневно на нас давит около пятнадцати тонн воздуха, однако мы не можем этого почувствовать, ведь внутреннее давление человеческого тела такое же, как и атмосферное.

Низкое и высокое атмосферное давление

Как и любую физическую величину, давление можно измерить. В Международной системе единиц для этого используют паскаль (Па), в России также применяют бары и миллиметры ртутного столба.

В качестве среднего значения принят показатель при температуре ноль градусов на уровне моря на широте 45 градусов. Он обозначается как нормальное атмосферное давление и составляет 760 миллиметров ртутного столба или 101325 паскалей.

От чего зависит атмосферное давление? В первую очередь от количества воздуха на единицу площади: чем его меньше, тем ниже давление и наоборот. Оно напрямую зависит от высоты. На больших высотах воздух более разряженный, поэтому его показатель с поднятием уменьшается. На высоте 5 км его сила меньше всего в два раза, на высоте 20 км – примерно в 18 раз.

Давление склонно изменяться в разное время суток и сезоны. Важным фактором является температура. Ночью, когда температура падает, давление чуть более низкое, чем днем. На континентах высокое атмосферное давление отмечается в зимний период, низкое – в летний.

Зональность давления

Области Земного шара прогреваются неодинаково, в результате распределение давления происходит зонально. В одних местах воздух нагревается и уменьшает свое давление. Поднимаясь вверх и постепенно охлаждаясь, он перемещается на соседние участки, увеличивая давление там.

Подобное перераспределение воздушных масс хорошо заметно в экваториальном поясе, где из-за высоких температур давление всегда пониженное, а в соседних тропических поясах оно обычно повышенное. В Антарктиде и Северном полюсе постоянное высокое давление является следствием притока воздуха с умеренных широт.

Как уже говорилось выше, давлению свойственны сезонные колебания, однако эти изменения не слишком значительны. В целом показатели давления являются устойчивыми: на планете постоянно существуют зоны повышенного и пониженного давления.

Влияние высокого атмосферного давления

Ощутить силу этого явления на себе человек может, поднимаясь в горы. Многим знакомо закладывание ушей, когда преодолеваешь порой незначительные подъемы. Почувствовать его можно, нырнув глубоко под воду, кстати, максимальная глубина такого погружения без специального снаряжения составляет не больше 170 метров (хотя и это довольно рискованно).

В повседневной жизни человек также ощущает изменения давления, особенно если происходят резкие перепады. Высокое атмосферное давление сопровождается ясной погодой и сухостью, вредные вещества в воздухе чувствуются резче. В результате обостряются аллергии и проблемы с органами дыхания.

Повышение давления ярко отражается на самочувствии гипертоников. Способствуя уменьшению лейкоцитов в крови, оно может ослабить иммунитет. Поэтому в периоды повышенного давления человеку сложнее бороться с инфекциями и другими заболеваниями.

Изобретение относится к области компрессоростроения и может быть использовано для получения высоких давлений воздуха или газа в компрессорных установках.

В зависимости от характера потребляющих аппаратов расход сжатого газа может изменяться в широких пределах, поэтому при получении высокого давления газа (или воздуха) в компрессорных установках используются различные методы регулирования производительности компрессора для приведения в соответствие производительности и расхода газа.

Например, используется регулирование перепуском с нагнетания на всасывание. Известен способ регулирования производительности компрессора путем дросселирования потока всасываемого воздуха (авторское свидетельство СССР N 1782293, кл. F 04 C 28/08). Дроссельный перепуск обеспечивает плавное снижение производительности, но без уменьшения потребляемой компрессором мощности и, следовательно, является неэкономичным способом регулирования.

Указанный способ не позволяет осуществить повышение производительности компрессора.

Известен способ подачи газа во всасывающий коллектор компрессорной установки, позволяющий повысить производительность компрессорной установки путем использования повышенного давления газопитателя для подпитки газгольдера, подключенного к всасывающему коллектору (авторское свидетельство N 642508, кл. F 04 B 41/02, 1979). Однако повышение производительности в данном способе возможно лишь в незначительных пределах, ограниченных величиной давления газопитателя, кроме того, отсутствует возможность регулирования производительности компрессора. Данный способ предполагает наличие газопитателя с повышенным давлением, что при использовании в качестве газа атмосферного воздуха требует дополнительных энергозатрат на предварительное повышение давления во всасывающем коллекторе.

Технической задачей изобретения является повышение производительности компрессора, снижение энергозатрат и обеспечение возможности регулирования производительности компрессора и автономности его работы.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения высокого давления газа в компрессорной установке, включающем предварительное повышение давления газа и его подачу в компрессор через всасывающий коллектор при одновременном всасывании в рабочую камеру компрессора, циклическое сжатие газа в рабочей камере и выпуск газа, предварительное повышение давления газа осуществляют в турбокомпрессоре, причем привод компрессора осуществляют от выходного вала двигателя внутреннего сгорания, а привод турбокомпрессора осуществляют выхлопными газами того же двигателя внутреннего сгорания.

Для того чтобы не допустить значительных непроизводительных энергозатрат, давление выхлопных газов на входе турбокомпрессора выбирают из условия обеспечения пропуска всего количества газа в рабочую полость компрессора при всасывании; либо давление выхлопных газов на входе турбокомпрессора выбирают из условия обеспечения требуемых производительности и рабочего давления компрессора при одновременном использовании части газа, выходящего из турбокомпрессора, для турбонаддува приводного двигателя внутреннего сгорания.

Кроме того, турбокомпрессор и компрессор выполнены с возможностью одновременного регулирования производительности при согласовании характеристик турбокомпрессора и компрессора.

Для этого регулирование производительности и согласование мощностей турбокомпрессора и компрессора осуществляют изменением выходной мощности двигателя внутреннего сгорания и/или регулированием подачи отработанных газов двигателя внутреннего сгорания на привод турбокомпрессора.

Для дополнительного снижения энергозатрат путем увеличения номинальной производительности компрессора при подаче газа из турбокомпрессора в компрессор осуществляют понижение температуры газа при помощи теплообменника.

Для сглаживания колебаний давления, вызываемых пульсирующей подачей и/или прерывистым расходом, подачу газа из турбокомпрессора в компрессор осуществляют через ресивер.

В частных случаях компрессор выполнен винтовым или поршневым.

В частном случае в качестве газа используют атмосферный воздух.

На чертеже показана схема компрессорной установки для осуществления способа получения повышенного давления газа или воздуха.

Повышение давления газа или воздуха осуществляется двухступенчато. В турбокомпрессор 1 поступает воздух или газ, как правило, при атмосферном давлении. Турбокомпрессор сообщает воздуху или газу большую скорость, что обеспечивает подачу газа через всасывающий коллектор 2 компрессора 3, например поршневого, под заданным и обеспечиваемым режимом работы турбокомпрессора давлением, при котором осуществляется пропуск всего количества газа в рабочую полость компрессора при всасывании. Подача газа осуществляется циклически, что обеспечивается работой системы клапанов, управляемых автоматически, причем цикл подачи газа в рабочую полость компрессора совпадает с периодом всасывания цикла компрессора.

Турбокомпрессор приводится в действие отработанными газами двигателя внутреннего сгорания 4 через линию выхлопных газов 5, при этом привод 6 компрессора осуществляется от выходного вала того же двигателя внутреннего сгорания. Такое использование двигателя для привода турбокомпрессора и компрессора значительно экономит энергозатраты и позволяет согласованно регулировать производительности турбокомпрессора и компрессора. Для обеспечения еще более экономичного режима работы часть газа с выхода турбокомпрессора через систему управляемых клапанов и линию 7 подается для турбонаддува двигателя внутреннего сгорания.

Регулирование производительности компрессорной установки может производиться регулированием частоты двигателя. При этом одновременно пропорционально изменяются номинальные производительности турбокомпрессора и компрессора, что обеспечивает согласованность их работы при любой требуемой производительности компрессорной установки.

Кроме того, регулирование производительности турбокомпрессора и компрессора может производиться раздельно: изменением выходной мощности двигателя внутреннего сгорания и регулированием подачи отработанных газов двигателя внутреннего сгорания на привод турбокомпрессора, например, с помощью заслонки 8.

Для того чтобы компрессор мог обработать большую массу газа, производится охлаждение газа, выходящего из турбокомпрессора, в теплообменнике 9.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения высокого давления газа в компрессорной установке, включающий предварительное повышение давления газа и его подачу в компрессор через всасывающий коллектор при одновременном всасывании в рабочую камеру компрессора, циклическое сжатие газа в рабочей камере и выпуск газа, отличающийся тем, что предварительное повышение давления газа осуществляют в турбокомпрессоре, причем привод компрессора осуществляют от выходного вала двигателя внутреннего сгорания, а привод турбокомпрессора осуществляют выхлопными газами того же двигателя внутреннего сгорания.

2. Способ получения высокого давления газа в компрессорной установке по п. 1, отличающийся тем, что давление выхлопных газов на входе турбокомпрессора выбирают из условия обеспечения пропуска всего количества газа в рабочую полость компрессора при всасывании.

3. Способ получения высокого давления газа в компрессорной установке по п. 1, отличающийся тем, что давление выхлопных газов на входе турбокомпрессора выбирают из условия обеспечения требуемых производительности и рабочего давления компрессора при одновременном использовании части газа, выходящего из турбокомпрессора, для турбонаддува приводного двигателя внутреннего сгорания.

4. Способ получения высокого давления газа в компрессорной установке по любому из пп.1 — 3, отличающийся тем, что турбокомпрессор и компрессор выполнены с возможностью одновременного регулирования производительности при согласовании характеристик турбокомпрессора и компрессора.

5. Способ получения высокого давления газа в компрессорной установке по п. 4, отличающийся тем, что регулирование производительности и согласование мощностей турбокомпрессора и компрессора осуществляют изменением выходной мощности двигателя внутреннего сгорания и/или регулированием подачи отработанных газов двигателя внутреннего сгорания на привод турбокомпрессора.

6. Способ получения высокого давления газа в компрессорной установке по любому из пп.1 — 5, отличающийся тем, что при подаче газа из турбокомпрессора в компрессор осуществляют понижение температуры газа при помощи теплообменника.

7. Способ получения высокого давления газа в компрессорной установке по любому из пп.1 — 6, отличающийся тем, что подачу газа из турбокомпрессора в компрессор осуществляют через ресивер.

8. Способ получения высокого давления газа в компрессорной установке по любому из пп.1 — 7, отличающийся тем, что компрессор выполнен винтовым или поршневым.

9. Способ получения высокого давления газа в компрессорной установке по любому из пп.1 — 8, отличающийся тем, что в качестве газа используют атмосферный воздух.