Какой компрессор лучше для системы хука

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 около 15 мм. У мембранного компрессора — это мембрана, уплотнение достигается резиновой или силиконовой мембраной, армированной синтетическими нитями. Диаметр её составляет 78÷115 мм и ход 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 части компрессора) по сравнению с поршневым компрессором. По этой причине мембранные компрессоры имеют максимальное нагнетаемое давление как правило 1÷3,5 бар, у поршневых 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 далее повторение процесса. Минимальное необходимое давление сжатого воздуха из компрессора для возможности дыхания на глубине (без учета потерь в шланге) должно быть не меньше чем:

Р = 0,1 * Н + 0,3

Где, Р — давление сжатого воздуха, бар;

Н — глубина погружения, м;

0,3 — потеря давления в шланге, при спокойном характере нагрузке, бар.

Например:

— для погружения на глубину 5 м потребуется избыточное давление компрессора как минимум 0,1*5+0,3 = 0,8 бар.

— для погружения на глубину 10 м потребуется избыточное давление компрессора, как минимум  0,1*10+0,3 = 1,3 бар;

Объём проходящего воздуха через лёгкие дайвера (называется «лёгочная вентиляция») при спокойном характере нагрузке 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 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;

— 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.

Теперь учтём, что естественный вдох занимает примерно половину времени от всего цикла вдох/выдох, поэтому при лёгочной вентиляции дайвера 20 л/мин сумма вдохов за 1 мин будет равняться 30 секундам (0,5 мин), то пиковое потребление воздуха на вдохе на поверхности воды 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 поверхности воды √2*40 = 56 л/мин.

Посчитаем необходимый пиковый воздушный поток, при легочной вентиляции 20 л/мин на глубине 5 м:

Q = 56*(0,1*5+1) = 84 л/мин, при минимальном необходимом избыточном давлении 0,8 бар.

Для этого потребуется также недешёвый компрессор, который непросто будет найти.

Посчитаем необходимый пиковый воздушный поток компрессора, при легочной вентиляции 20 л/мин на глубине 10 м:

Q = 56*(0,1*10+1) = 112 л/мин, при минимальном необходимом избыточном давлении 1,3 бар.

Для такого воздушного потока и давления требуется довольно-таки мощный и дорогой компрессор. Хочу обратить внимание, производители портативных компрессоров, например, для накачки шин, аэрации воды для содержания рыбы, указывают в характеристики, при питании генераторным напряжением автомобиля 13,8 В и без избыточного давления на выходе т. е. когда компрессор со своего выходного отверстия напрямую качает в атмосферу. При питании от свинцово-кислотной батареи и давлении на выходе производительность будет в 1,5-2 раза меньше.

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 120 л/мин и даже 160 л/мин. Нужно понимать, что один лишь поток воздуха ничего не значит, важно еще и давление, при котором этот поток. Например, бытовой вентилятор при мощности 30 Вт создаёт воздушный поток 10÷20 м³/мин или 10 000 ÷20 000 л/мин и очень малом давлении, это соответствует потреблению воздуха почти 100 человек, но это на поверхности и без шланга, даже на глубине 10 см от такого потока ничего не останется. Измеренный воздушный поток мембранного компрессора 120 Вт, при избыточном давлении на выходе 0,5 бара и напряжении 12 В составил 35 л/мин, весьма скромный результат. Мембранный компрессор для аэрации воды обеспечивает средний воздушный поток компрессора за 1 мин для глубины погружения 5÷6 м, но не обеспечивает пиковый воздушный поток для полноценного вдоха. Это приведёт к тому, что вдох будет затянутый, а выдох короткий, что не будет вызывать дискомфорта при  легкой физической нагрузке на глубине до 3 м,  при резком увеличении потребности в воздухе, например, большей глубине, усиленной работе ластами, психическом напряжении, появится естественное желание вдохнуть больше воздуха, но из-за ограниченности в воздушном потоке компрессора вы не сможете этого сделать, появляется неприятное чувство нехватки воздуха, это желание нужно 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 воздух от работающего компрессора, а при вдохе поступает суммарный воздух от компрессора и из ресивера. Наличие ресивера позволяет использовать компрессор 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 1,5 бар, мембранные компрессоры для аэрации до 0,5÷0,6 бар, при превышении этих величин у компрессора резко снижается коэффициент полезного действия.

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.

Ниже приводится упрощенный расчёт объёма ресивера. Примем, что половина вдыхаемого воздуха поступает из ресивера, а вторая половина из компрессора.

Для качественного мембранного компрессора и глубине погружения 10 м потребуется минимальный объём ресивера (на один вдох):

Vр = Qр / (2*(P2 – P1)) = 1,5/ (2*(1,5 – 1,3)) = 3,75 л

Для мембранного компрессора для аэрации воды и глубине погружения 5 м потребуется минимальный объём ресивера (на один вдох):

Vр = 1,5/ (2*(0,9 – 0,8)) = 7,5 л

Для поршневого компрессора и глубине погружения 10 м потребуется минимальный объём ресивера (на один вдох):

Vр = 1,5 / (2* (3,5 – 1,3)) = 0,34 л

Хочу заметить, объём ресивера определяется не только условием обеспечения полноценного вдоха, но и по условиям необходимого запаса воздуха для подъёма на поверхность, при аварийной остановке компрессора, а также по условиям допустимой частоты включений/выключений компрессор от реле давления газов.

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 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, но срок службы мембраны во много раз превосходит срок службы поршневой манжеты. Существенное преимущество мембранного компрессора — это полная изоляция камеры сжатия от полости электродвигателя и соответственно практически полное отсутствие продуктов износа и вредных газов в воздухе и высокая коррозионная стойкость. У поршневого компрессора из-за трения поршневой фторопластовой манжеты с цилиндром появляются продукты износа, при перегреве электродвигателя и цилиндра вдыхаемый воздух может загрязниться вредными газами.

Вывод:

Качественный мембранный компрессор подойдёт для погружений в морской воде на глубину до 10 м, при этом необходим ресивер большего объёма, чем у поршневого компрессора.

Мембранный компрессор для аэрации воды 120 Вт подойдёт для погружений в пресной воде на глубину до 5÷6 м, при этом необходим ресивер большего объёма, чем у качественного мембранного компрессора.

Поршневой компрессор может обеспечить самую большую глубину погружения (до 20 м), при этом ресивер может быть очень компактным. Качество воздуха поршневого компрессора хуже, чем у качественного мембранного компрессора, поэтому необходимо ставить фильтр от продуктов износа, а в некоторых случаях даже угольный фильтр от вредных газов. 

В последней системе хука СпортДайв-2 используется мембранный компрессор по причине высокой коррозионной стойкости, не загрязняемого воздуха для дыхания и большом сроке службы.