Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.

Какой компрессор лучше для системы хука - мембранный или поршневой безмасляный?

Для начала рассмотрим конструктивные особенности компрессоров (непрофессиональных).
Основное отличие этих компрессоров в устройстве частей, вытесняющих газы.
У поршневого компрессора - это поршень, уплотнение которого достигается фторопластовой манжетой, диаметр поршня обычно составляет 40-50 мм и ход поршня 15-20 мм.
У мембранного компрессора - это мембрана, уплотнение достигается резиновой или силиконовой мембраной, армированной синтетическими нитями. Диаметр мембраны обычно составляет 78-115 мм и ход её около 6,5 мм.
Из-за столь малого хода мембраны и ее большего диаметра относительно поршня очень сложно сделать малым «мёртвый объем» (объём камеры сжатия в верхней точке) мембранного компрессора по сравнению с поршневым компрессором. По этой причине мембранные компрессоры имеют максимальное нагнетаемое давление 1-2,5 бар, поршневые до 15 бар.
Есть ли в этом недостаток мембранного компрессора?
Рассмотрим некоторые моменты по порядку.
График потребления воздуха на дыхание близок к синусоиде, т.е. плавно нарастающий вдох до некоторого пикового значения и плавно спадающий выдох до нуля и повторение процесса.
Минимальное необходимое давление сжатого воздуха из компрессора для возможности дыхания на глубине (без учета потерь) должно быть не меньше чем:
Р = 0,1 * Н
Где, Р - давление сжатого воздуха, бар;
Н - глубина погружения, м.
Например:
для погружения на глубину 10 м потребуется избыточное давление компрессора (без учета потерь) как минимум 0,1*10 = 1 бар;
для погружения на глубину 5 м потребуется избыточное давление компрессора (без учета потерь) как минимум 0,1*5 = 0,5 бар.
Объём проходящего воздуха через лёгкие дайвера (называется «лёгочная вентиляция») при спокойном темпе передвижения составляет 15-20 литров в минуту.
Необходимый объём воздуха за 1 мин (при атмосферном давлении) при дыхании на глубине определяется:
Q = g * (0,1*H +1)
Где, Q - необходимый объём воздуха за 1 мин при глубине Н, л/мин;
g - лёгочная вентиляция дайвера.
Например:
для погружения на глубину 10 м и лёгочной вентиляции дайвера 20 л/мин потребуется средний воздушный поток компрессора за 1 мин. 20*(0,1*10 + 1) =40 л/мин;
для погружения на глубину 5 м и лёгочной вентиляции дайвера 20 л/мин потребуется средний воздушный поток компрессора за 1 мин. 20*(0,1*5 + 1) =30 л/мин.
Теперь учтём, что естественный вдох занимает примерно половину времени от всего цикла вдох/выдох, поэтому при лёгочной вентиляции дайвера 20 л/мин суммарное время всех вдохов за 1 мин будет равняться 30 секундам (0,5 мин), то пиковое потребление воздуха на вдохе составит уже 20/0,5= 40 л/мин.
И это ещё не всё, из математики известно, что пиковое значение синусоиды в √2 раз больше её среднего значения, с учетом этого пиковое потребление воздуха на вдохе уже составит √2*40 = 56 л/мин.
Посчитаем необходимый пиковый воздушный поток компрессора на пике вдоха 56 л/мин, при легочной вентиляции 20 л/мин на глубине 10 м:
Q = 56*(0,1*10+1) = 112 л/мин, при минимальном необходимом избыточном давлении 1 бар.
Для такого воздушного потока требуется довольно-таки мощный и дорогой компрессор.
Хочу обратить внимание, производители портативных компрессоров, например, для накачки шин, аэрации воды для содержания рыбы, указывают в характеристиках воздушный поток при питании генераторным напряжением автомобиля 13,8 В и без избыточного давления на выходе т. е. когда компрессор со своего выходного отверстия напрямую качает воздух в атмосферу. При питании от свинцово-кислотной батареи и давлении на выходе производительность будет в 1,5-2 раза меньше.
Посчитаем необходимый пиковый воздушный поток компрессора на пике вдоха 56 л/мин, при легочной вентиляции 20 л/мин на глубине 5 м:
Q = 56*(0,1*5+1) = 84 л/мин, при минимальном необходимом избыточном давлении 0,5 бар.
Для этого потребуется также недешёвый компрессор, который непросто будет найти.
Сейчас в самодельных системах хука очень часто применяются недорогие китайские, мембранные компрессоры для аэрации воды и содержания рыбы. В их характеристиках указываются чудовищные характеристики воздушного потока 125 л/мин и даже 140 л/мин. Нужно понимать, что один лишь поток воздуха ничего не значит при дыхании под водой, важно еще и давление, при котором этот поток. Например, бытовой вентилятор при мощности 30 Вт и при очень малом давлении создаёт воздушный поток 10-20 м3/мин или 10 000 - 20 000 л/мин, что соответствует потреблению воздуха почти 100 человек, но это на поверхности и без шланга, но на глубине даже 10 см (!) от такого потока ничего не останется.
Я из любопытства измерил воздушный поток мембранного компрессора для аэрации воды, у которого по заявленным характеристикам воздушный поток 125 л/мин (мощность компрессора 120 Вт). При питании от 12 В и избыточном давлении на выходе 0,5 бара (глубина погружения до 5 м) поток составил 35 л/мин, весьма скромная уже цифра.
Что же получается? Мембранный компрессор для аэрации воды обеспечивает средний воздушный поток компрессора за 1 мин для глубины погружения 5 м, но не обеспечивает пиковый воздушный поток на вдохе. Это приведёт к тому, что вдох будет затянутый, а выдох короткий, что при легкой физической нагрузке на глубине до 3 м не так будет заметно, но при резком увеличении потребности в воздухе, например, большей глубине, усиленной работе ластами, психическом напряжении, появится естественное желание как можно скорее вдохнуть больше воздуха, из-за ограниченности в воздушном потоке компрессора вы не сможете этого сделать, появляется неприятное чувство нехватки воздуха, которое нужно будет перебороть и продолжать затянутый вдох.
Так как же быть, если мощный компрессор для обеспечения нормального вдоха стоит дорого и имеет уже существенный вес?
Для этого используют ресивер. Ресивер - это обыкновенный баллон с входом и выходом воздуха. Суть его работы следующая: в момент выдоха ресивер запасает в себе избыточный воздух от работающего компрессора, а при вдохе поступает суммарный воздух от компрессора и из ресивера. Наличие ресивера позволяет использовать компрессор почти в 2 раза меньшей мощности для обеспечения пикового воздушного потока для вдоха.
Причём объём отдаваемого воздуха ресивером можно посчитать по формуле:
Qр = (P2 – P1) *Vр
Где, Qр - объём отдаваемого воздуха ресивером, л;
P1 – нижнее (минимальное необходимое при заданной глубины погружения) давление, бар;
Р2 – верхнее давление, бар;
Vр – объём ресивера, л.
Из формулы видно, что чем больше разница давлений, тем больший объём воздуха может выдать ресивер.
Качественные мембранные компрессоры обычно имеют хорошие характеристики воздушного потока при избыточном давлении до 1,2 бар, мембранные компрессоры для аэрации воды до 0,5-0,6 бар, при превышении этих величин компрессор начинает работать неэффективно, то же потребление электроэнергии при малом воздушном потоке.
Поршневые компрессоры имеют хорошие характеристики воздушного потока при избыточном давлении до 3,5 бар и даже больше.
Средний вдох человека под водой составляет 1,5-2 л, соответственно объём ресивера должен обеспечить этот объём воздуха при вдохе.
Для качественного мембранного компрессора и глубине погружения 10 м потребуется минимальный объём ресивера (на один вдох и без учета потока воздуха компрессора):
Vр = Qр / (P2 – P1) = 1,5/ (1,2 – 1) = 7,5 л
Для мембранного компрессора для аэрации воды и глубине погружения 5 м потребуется минимальный объём ресивера (на один вдох и без учета потока воздуха компрессора):
Vр = Qр / (P2 – P1) = 1,5/ (0,6 – 0,5) = 15 л
Для поршневого компрессора и глубине погружения 10 м потребуется минимальный объём ресивера (на один вдох):
Vр = 1,5 / (3,5 – 1) = 0,6 л
Как видим из расчётов, для поршневого компрессора необходим ресивер существенно меньшего объёма.
К тому же, для поршневого компрессора легко сделать автоматическое поддержание заданного диапазона давлений, так как существующие реле давления воздуха прямого действия имеют разницу давления включения и выключения (дифференциал) 1-2 бар, что позволяет автоматически отключать компрессор при малом или отсутствии потребления воздуха. Для мембранного компрессора это сделать очень трудно, понадобится большего объёма ресивер и специальное реле давления воздуха с малым дифференциалом.
Качественный мембранный компрессор существенно дороже поршневого.
Существенное преимущество мембранного компрессора - это полная изоляция камеры сжатия от электродвигателя и практически полное отсутствие продуктов износа в нагнетаемом воздухе, в отличии от поршневого компрессора, в котором существует трение поршневой фторопластовой манжеты с цилиндром и появляются продукты износа поршневой манжеты.

Вывод:

Качественный мембранный компрессор подойдёт для погружений на глубину до 12 м, при этом необходим ресивер большего объёма, чем у поршневого компрессора, при этом сложно реализовать автоматическое отключение/включение мембранного компрессора для экономии электроэнергии.
Мембранный компрессор для аэрации воды 120 Вт подойдёт для погружений на глубину до 5-6 м, при этом необходим ресивер большего объёма, чем у качественного мембранного компрессора, при этом сложно реализовать автоматическое отключение/включение компрессора для экономии электроэнергии.
Хочу обратить внимание, что у мембранного компрессора для аэрации воды воздух засасывается через внутреннюю часть электродвигателя, где могут быть продукты износа графитовых щёток, продукты реакции с воздухом искрящих щёток, испарения лаковой изоляции от нагрева якоря электродвигателя при его неисправности, то есть уже не такой чистый воздух, как кажется на первый взгляд.
Поршневой компрессор может обеспечить глубину погружения до 20 м, при этом ресивер может быть существенно меньшего объёма, чем у мембранного компрессора, при этом легко сделать автоматическое отключение/включение для экономии электроэнергии, наличие фильтра от механических частиц должно быть обязательно.