Passief
geregelde rebreathers
(c)Jason
Rogers, bewerking Janwillem Bech
http://www.therebreathersite.nl
We hebben allemaal eens gekeken naar
formules die de gasstroom door actief geregelde semi-closed rebreathers
berekenen. Deze formules worden over het algemeen goed begrepen. Er schijnt
echter een grote onduidelijkheid te bestaan over de werking van passief
geregelde rebreathers.
We onderscheiden twee hoofdgroepen in
de passief geregelde SCR’s en deze hebben grotendeels een identiek principe
Handbediende units
Automatische units
Handbediende units zijn zo
geconstrueerd dat de duiker met een zekere frequentie handmatig een deel van
zijn ‘loop volume’ dumpt en het weer vervangt door nieuw gas (drive gas of
make-up gas).
De hoeveelheid gas die wordt gedumpt kan overeenkomen met het longvolume van
de duiker, een deel van het loopvolume of een flush.(toevoeren en dumpen
tegelijkertijd). De beschrijving hoe een dergelijke unit wordt gebruikt kan
op de A.A.R.G site worden gevonden, zoek naar het duikrapport van DeeWhy en
Meggol
Automatische units dumpen een gedeelte
van het loopvolume bij elke ademhaling. Over het algemeen een specifiek deel
van het vitale longvolume van de duiker. Automatische units kunnen verder
worden onderverdeeld in drie algemene categorieën;
1)
Fixed ratio.
(vaste verhouding). Deze units dumpen bij elke ademhaling van de duiker een
vast volume percentage overboord (over het algemeen tussen 10 – 25%). De
zuurstof fractie (percentage) varieert met de diepte. De zuurstof fractie
benadert steeds dichter het percentage zuurstof in het drive gas als de
duiker afdaalt omdat het effectieve dumpvolume toeneemt met de diepte.
(rekenvoorbeelden volgen later)
2) Diepte gecompenseerd.
Deze rebreather dumpt een percentage van de vitale capaciteit van de
duiker, zodanig dat dit percentage omgekeerd evenredig is aan de absolute
omgevingsdruk. Aan de oppervlakte dumpen dergelijke units tussen 20% en 33%
van het volume per ademhaling, maar deze waarde daalt met toenemende diepte
om de zuurstoffractie constant te houden en het gasverbruik te reduceren. De
hoeveelheid gedumpt gas daalt zodanig dat als bijvoorbeeld aan de
oppervlakte 33% van elke ademhaling wordt gedumpt er op 90 meter nog maar
3,3% wordt gedumpt. (omgekeerde evenredigheid). Deze units bieden een vaste
fractie zuurstof ongeacht de diepte, mits tijdens de gehele duik hetzelfde
gas wordt gebruikt. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat de hoeveelheid
dumpgas over de hele duik gelijk blijft qua liters gedumpt gas.
3) Gedeeltelijk diepte
gecompenseerd. Deze units werken qua principe tussen fixed ratio en
diepte gecompenseerd in. Zij voorzien in een groot dumpvolume aan de
oppervlakte, meestal 20%-33%, maar de dump verhouding is niet gekoppeld aan
een dumpvolume wat geldt aan de oppervlakte noch aan een ademhaling op
diepte. Over het algemeen dumpen zij tussen 75% en 200% van het een
oppervlakte equivalente ademhaling bij 10 bar absolute druk, maar dit
varieert met het ontwerp, en kan bovendien bij identieke units per
productiemodel verschillen.
Hoe dit dump principe functioneert,
varieert van unit tot unit, maar de hieronder beschreven principes kunnen
worden onderscheiden;
De factoren die de samenstelling van
het ingeademde gas bepalen zijn,
-De zuurstoffractie van het drive gas (gas in de cilinder).
- Het zuurstofverbruik van de duiker (metabolisch verbruik).
- De hoeveelheid gas die wordt gedumpt uit de loop.
Over het algemeen wordt aangenomen dat
de samenstelling van het ingeademde gas gelijk is aan de samenstelling van
het gedumpte gas. Dit is echter niet altijd zo. Dit omdat sommige units het
drive gas (gas uit de cilinder) upstream aan de loop injecteren. Dat wil
zeggen dat het gas wordt geïnjecteerd aan de inademzijde van de loop.
Hierdoor is het gedumpte gas qua samenstelling niet gelijk is aan het
gedumpte gas, maar gelijk aan het door de duiker uitgeademde gas. Het is
overigens een slecht gebruik om een zuurstofdruk te kiezen op basis van het
in het dumpgas aangetroffen zuurstofniveau. Er is namelijk geen garantie dat
bij elke ademhaling nieuw drive gas wordt geïnjecteerd.
De samenstelling van het dumpgas is
kritisch wanneer het punt wordt bereikt met het laagste zuurstofgehalte. Dit
punt kan worden berekend.
Het dumpgas kan worden opgedeeld in
twee hoofdcomponenten.
-Het ‘overgebleven’ gas na het zuurstof verbruik van de duiker,
-Een hoeveelheid gas dat door het systeem is gestroomd zonder te worden
geconsumeerd.
Deze tweede component kan worden gezien als een niet te voorkomen
verliesfactor. Dit verloren gas is het gedeelte van het dumpgas dat de
zuurstof bevat om de loop op het minimale zuurstof niveau te houden.
Nu wordt het verschil in werking
tussen handbediende en automatische rebreathers duidelijk. Een handbediend
rebreather systeem werkt op basis van tijdinterval tussen de dumps.
Rekenkundig berust de werking op het zuurstofverbruik (metabolisch) per
tijdseenheid (VO2).
Een automatisch werkend systeem rekent met het aantal ademhalings cycli, en
hangt af van de grootte van de vitale longcapaciteit en het
zuurstofverbruik. Gemakshalve spreken we over respectievelijke liters en
vitale volume fracties.
Zo, en dan nu een aantal voorbeelden:
Eerst het handbediende systeem:
Het ‘drivegas’ (gas in de cilinder)
bevat 50% O2. Het dumpgas heeft een minimum zuurstof percentage van 20%. Dit
maakt het de duiker mogelijk op elk moment op te stijgen met een adembaar
mengsel. Het zuurstofverbruik wordt gesteld op 3 liter/min, wat normaal
gesproken een maximaal verbruik is(VO2).
Voor het gemak zullen we het dumpgas
in twee onderdelen splitsen.
Het ene deel van het dumpgas bestaat uit het verloren gas wat door het
systeem stroomt zonder te worden geconsumeerd. Dit is de zuurstof met het
gas met een inert karakter. Dit inerte gas mag nooit uit de loop verdwijnen
en moet 20% zuurstof bevatten. (let op; natuurlijk wordt het ook wel
degelijk gedumpt, maar tegelijkertijd ook weer aangevuld als component van
het drivegas).Gesteld is dat 20% van het dumpgas moet bestaan uit zuurstof
(veiligheidseis), dan zal met een drivegas met een mix 50/50 O2/N2 bij een
zuurstofverbruik van 3 liter per minuut ook 3 liter inert gas worden
geademd. Samenvattend: Er dient een flow van 20% zuurstof in het dumpgas te
blijven. Als gevolg van een mix 50/50 zal dan ook 20 % inert gas in de loop
blijven om een adembaar mengsel te behouden. Samen dus 40% van het volume.
Het overige deel is het gas wat de duiker heeft geademd en waaruit hij 3
liter zuurstof haalt. Het overige zuurstof arme gas is dan 60 % van het
dumpgas. Deze 60% komt eveneens met 3 liter overeen door de mix van 50/50.
Gevolg is dus 60% overeenkomt met 3 liter en het dumpgas volume 5 liter is.
(100/x=60%/3 waarbij x= 5 liter).In andere woorden, 5 liter gas moet per
minuut uit de loop worden gedumpt om de zuurstof fractie boven 20% te
houden.
Nu is mijn RMV toevallig 3 liter. Dat
betekent dat ik aan de oppervlakte 1 bar x 3 liter = 3 liter. 5/3 is dus
ca. 2 x moet dumpen. Op 7 meter met een druk van 1,7 bar moet is dus 1,7 x 3
= 5,1 liter nog maar 1 keer per minuut. Op 24 meter met 3,4 x 3 = 10,2 liter
hoeft slecht elke twee minuten te worden gedumpt. Deze diepte is echter
duidelijk dieper dan ik zou mogen gaan met een 50/50 mix. Tenslotte is op 24
meter er met een 50/50 mix al een zuurstof belasting van 3,4 x 0,5 bar= 1,65
bar zuurstof wat een te hoge zuurstof belasting oplevert. In werkelijkheid
duik ik dan ook met een 40/60 mix en switch op 18 meter over op een ander
drive gas. Ik combineer deze procedure bovendien met een goede duikpraktijk
voor het gebruik van SCR namelijk door aan het begin van een opstijging of
bij het switchen naar een niet narcotisch gas eerst te flushen. (systeem
doorspoelen met het nieuwe drive gas, om het oude narcotische gas te
verwijderen).
In een automatisch systeem zijn de
berekeningen gebaseerd op de fractie van elke adem cyclus waarbij door de
duiker zuurstof wordt gemetaboliseerd. Er is een fabrikant die claimt een
systeem te produceren waarbij de verhouding tussen de hoeveelheid lucht die
per ademhaling wordt geademd, en het volume dat wordt gemetaboliseerd een
waarde van 26:1 haalt.Dit komt overeen met een zuurstof consumptie van 3,85%
en is een normaal menselijk verbruik. Duikers zijn echter bekend om hun
slechte ventilatie gewoontes, ook bij zware arbeid. Het is aan te bevelen om
het zuurstof niveau van het uitgeademde gas eens te vergelijken met het
zuurstofniveau van het ingeademde gas. Ik heb dit experiment op mezelf
uitgevoerd en kwam in een worst case scenario op een verschil van 10%. Dit
was aan het einde van een uitademing, en ik gebruik 8% als mijn gemiddelde
hoogste waarde. Mijn gas verbruik aan een OC systeem zijn echter niet erg
gunstig, en als je een zuinige duiker bent voor wat betreft gasverbruik zou
ik voor een conservatievere waarde kiezen.
Berekeningen aan een manueel systeem
worden op dezelfde wijze uitgevoerd, met dit verschil dat we niet rekenen
met een liters per minuut model, maar met een fractie van het ademvolume
model.
Als we weer rekenen met een 50/50 mix,
kunnen we zeggen dat we elke ademhaling 8% zuurstof verbruiken = 0,08. Het
volume van het bijbehorende inerte gas is dan ook 0,08 als gevolg van de
mixkeuze. Ook nu stellen we weer dat het dumpgas minimaal 20% zuurstof moet
bevatten. Dan geldt dat ook het geassocieerde inerte gas 20% volumeaandeel
heeft. Samen dus 40%. De overige 60% bestaat uit het gas wat door de duiker
is geademd en wat over is na metabolisatie. 100/60 = x/0,08. Door beide
zijden met 0,08 te vermenigvuldigen blijft een 8/60 verhouding over. Nemen
we hiervan het omgekeerd evenredige getal (de reciproque) spreken we over
een verhouding van 7,5:1
Aldus kunnen we zeggen dat voor het
duiken met een 50/50 mix met een resterende zuurstof fractie van 20% in de
loop een dumpverhouding van 7,5 op 1 moet worden gehanteerd.
Nu zal bij een fixed ratio
automatische rebreather de zuurstof fractie stijgen naarmate de duiker
afdaalt. Dit omdat het metabolische zuurstof verbruik constant blijft
terwijl de hoeveelheid gas die zich door het systeem en de duikers longen
verplaatst toeneemt, in directe relatie met de toenemende omgevingsdruk.
Hierdoor is het eenvoudig om te berekenen wat de gas consumptie zal zijn.
Berekenen het eenvoudig alsof het een OC duik is, en deel het verbruik door
de dump ratio. Oplettende lezers zullen echter opmerken dat deze rekenwijze
geen rekening houdt met de verbruikte zuurstof. Een ruwe correctie kan
worden gemaakt door het zuurstofverbruik op te tellen bij het dumpgas en een
herberekening te maken van het effectieve verbruik. In het voorbeeld
hierboven was het zuurstof verbruik 0,08. Invullen geeft 0,08 + 8/60 =
0,2133 waarvan de omgekeerd evenredig waarde aan de oppervlakte = 4,6875 is.
Als de duiker dieper gaat zal het zuurstof verbruik niet met de diepte
veranderen, waardoor het voordeel t.o.v. OC toeneemt. Naarmate de diepte
verder toeneemt, zal het voordeel neigen toe te nemen tot de dump ratio,
maar het nooit geheel behalen. Dus voor een automatisch werkende passieve
rebreather die gebruikt van een 50/50 mix als drive gas, zal het voordeel
ten opzichte van open circuit duiker een 4 tot 7 maal gunstiger gasverbruik
opleveren.
Een diepte gecompenseerde rebreather
zal op diepte en aan de oppervlakte van hetzelfde gas gebruik maken echter
toch de fractie constant houden. Om het gasverbruik te berekenen wordt de
boven beschreven methode gebruikt, echter hoeft niet op de diepte te worden
gelet tijdens de berekening. De set zal een constant voordeel ten opzichte
van OC geven ongeacht de diepte. In dit rekenvoorbeeld zal de set zodanig
functioneren dat het verbruikt ligt op de duikers RMV gedeeld door 4,6875.
Uiteraard wordt hierbij verwaarloosd dat er wordt geflushed, getrimd, en dat
er wellicht een droogpak dient te worden opgeblazen.
Een gedeeltelijk diepte gecompenseerde
rebreather functioneert in feite tussen fixed ratio, en diepte gecompenseerd
in. Het vooraf berekenen van het gas gebruik voor een duik is vrijwel
onmogelijk, tenzij van de unit de dumpratio bekend is op alle dieptes waar
gaat worden gedoken. Helaas is gebleken dat het produceren van een optimaal
functionerende diepte gecompenseerde rebreather een enorme uitdaging is, die
in de praktijk slecht haalbaar bleek. De apparaten van fabrikanten die een
volledig diepte gecompenseerd systeem claimden, bleken echter op hun best
slecht gedeeltelijk diepte gecompenseerde systemen aan te bieden. De beste
keuze is uiteraard een systeem waarbij de set een gas samenstelling aan de
duiker biedt, die naarmate de diepte toeneemt naar de fractie van het
drivegas stijgt. Dit heeft natuurlijk nadelen voor een systeem wat met 1 gas
type werkt, maar biedt gelijkertijd ook een veiligheidsvoordeel omdat met
een gas kan worden gewerkt wat een lagere zuurstof fractie biedt op een
grote diepte.
Artikel van
Jason Rogers,
gepubliceerd met toestemming van de auteur, Nederlandse bewerking door
Janwillem Bech
http://www.therebreathersite.nl
December 2002
Silent Submersion Website
|