Emmanuel Bernier (rév. 31/3/17)

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1 Emmanuel Bernier (rév. 31/3/17)
Le matériel de plongée Emmanuel Bernier (rév. 31/3/17)

2 Plan du cours Généralités Le compresseur Le stockage La mesure
Rappels de physique : force, pression Étanchéité Le compresseur Le stockage La mesure Les détendeurs 1er et 2ème étages Compensation, surcompensation Venturi et vortex Givrage Normalisation Oxygène Les ordinateurs

3 Généralités

4 Rappels de physique P = F / S  F = P x S 1 kg/cm2 = 0,981 bar  1 bar

5 Étanchéité Siège (fixe) - clapet (mobile)
Matériau dur / matériau tendre Joints : Plats Toriques Lubrification

6 Clapets amont / aval clapet aval :
2ème étage, purge rapide gilet, soupape d’expiration clapet amont : direct-system, inflateur

7 Le compresseur

8 Cylindre de compresseur

9 Contraintes liées à la compression
Compression  échauffement Pour l’air, P : 1b  200b  T : 20°C  1100°C !!!!  Compression étagée + refroidissement inter-étages 4 étages de K = 4 : 1b  256b, T  env. 150°C  Huile : caractéristiques alimentaires, T° de craquage élevée Refroidissement inter-étages  condensation Purge des condensats après chaque réfrigérant Air sec !!!

10 La compression P0 P1 P2 V1 P0 P1 P2 V2
P0 x V1 + P2 x 0 = P1 x 0 + P1 x V2 P0 x V1 = P1 x V2 P1 / P0 = V1 / V2 = taux de compression

11 Schéma général du compresseur

12 Pourquoi éliminer l’eau ?
Dégâts mécaniques sur les pistons Corrosion : tuyauteries, bouteilles Pertes de charges Givrage : détente dans le clapet du 1er étage  T  -50°C à -100°C Perte d’eau :  5cL / m3 respiré, soit 10cL au cours d’une plongée

13 Principe d’un décanteur
Purges manuelles Purges automatiques Programmées À détection de seuil Récupération des condensats (huileux)

14 Autres éléments Soupape de sécurité : clapet aval + ressort taré
Réfrigérants : Ventilateur  circulation d’air sur des tubes à ailettes Radiateur à circulation d’eau Cartouche filtrante : Adsorption : fixation superficielle d’un fluide dans un solide poreux et perméable ( surface de fixation) Tamis moléculaire (silicate d’alumine) : humidité résiduelle Charbon actif : molécules légères (odeurs, goût) L’huile résiduelle inhibe l’adsorption (saturation)

15 Le débit du compresseur
Surface du piston du 1er étage : S (cm2) Course du piston du 1er étage : C (cm) Vitesse de rotation : n (t/min) Rendement :  (<1) Débit =  x x n x S x C (m3/h)

16 Le stockage

17 Pression utile : les gaz réels

18 Les bouteilles Acier (emboutissage ou fluotournage) Aluminium Carbone
Kevlar

19 Robinetterie de conservation
sortie INT (232 b) ou DIN (300 b) vis clapet volant joints toriques écrou tige tournevis joint torique (R19) joint torique (R9 ou R10) tube plongeur filetage M25 x 2

20 DIN ou étrier (INT) DIN : INT : Fiable (plongée Tek) 300 b Lourd
Extrusion du joint 230 b

21 La mesure

22 Le manomètre  sensible à Pint - Pext

23 Les profondimètres membrane tube de Bourdon capillaire

24 Les profondimètres à pression de référence
air à Préf (1013mb) Pamb Pamb Capsule ou tube scellé Air à la pression de référence (1013mb) Déformation selon la différence de pression ext. – int. Mesure Pamb - Préf Affiche (Pamb - Préf) x 10 membrane métallique air à Préf (1013mb) Pamb tube de Bourdon

25 Les profondimètres de type Mariotte
air à Patm Bulle d’air à Patm en surface En profondeur la bulle d’air est comprimée L’eau entre dans le tube Volume de la bulle : Vtube x Pamb / Patm Mesure Pamb / Patm Affiche ((Pamb / Patm) - 1) x 10 interface eau - air capillaire Pamb

26 Indications des profondimètres en altitude
Profondimètre à pression relative Préf 1,0 b 1,0 Patm 0,7 b 0,7 Prof réélle 0 m 3 m 10m 10 m Pamb 1,3 b 2,0 b 1,7 Pamb - Préf 0,0 b 0,3 b -0,3 b Prof affichée -3 m 7 m  retard Profondimètre type Mariotte Patm 1,0 b 0,7 b Prof réélle 0 m 7 m 14 m Pamb 1,7 b 2,4 b 1,4 b 2,1 b Pamb / Patm 2,0 b 3,0 b Prof affichée 10 m 20 m  indique la profondeur fictive

27 Les détendeurs

28 Notion de perte de charge
Pas de débit : P1 = P2 fonctionnement statique P1 P2 Débit de P1 vers P2 : P1 > P2 fonctionnement dynamique Le débit s’établit de la pression la plus élevée vers la pression la plus faible Tout débit engendre une chute de pression due aux frottements des molécules entre elles et contre la paroi (« résistance » du tuyau) La chute de pression est d’autant plus importante que le circuit oppose une résistance au débit   et longueur des tuyaux, encrassement,…

29 Notion de perte de charge (suite)
P  avec Q et R Pour augmenter le débit, il faut : Augmenter la pression amont Ou diminuer la pression aval Ou diminuer la résistance C’est quoi un détendeur ? Une résistance ajustable en fonction du débit demandé pour une P donnée (+/- fixe) ! PA MP = PA + 10b PA MP = PA + 10b petit débit  résistance élevée gros débit  résistance faible

30 Les fonctions d’un détendeur
Fonction statique : donner de l’air à la pression ambiante  Pression Fonction dynamique : donner de l’air à la demande  Débit 20 L/min = débit moyen mais inspiration sur 1/3 et expiration sur 2/3 Débit instantané = 60 L/min (en surface, au calme !!!) 1 L 1 s 2 s

31 Quelques exemples de débit (Scubapro)
HP = 206 bar MK2 (piston simple) : 2600 L/min MK16 (membrane compensée) : 5000 L/min MK18 (membrane compensée) : 5000 L/min MK25 (piston compensé) : L/min (135 plongeurs pendant 10 min)

32 Caractéristiques d’un détendeur
Débit maximum disponible Section du clapet Course du clapet Sensibilité (seuil inspiratoire) Travail ventilatoire  MP à l’inspiration Réactivité (matériau) Stabilité

33 Débit continu immédiat
Principes de base Position au repos des clapets des 1er et 2ème étages ? 1er étage 2ème étage F O Débit continu retardé Débit continu retardé Équilibre Débit continu immédiat Et quand on inspire ?

34 pression intermédiaire
Inspiration perte de charge ouvert pression intermédiaire ouvert 200 b perte de charge pression ambiante

35 La viscosité d’un fluide : mise au point
Intuitivement : force nécessaire pour déplacer un objet dans le fluide  viscosité dynamique () Pour un gaz, la viscosité dynamique est constante jusqu’à env. 15 b Viscosité cinématique () : transmission du mouvement au sein d’un fluide  =  /  ( = masse volumique)   avec la pression !!!  à vitesse constante : écoulement turbulent   pertes de charges (dissipation d’énergie) Ne parlez pas de viscosité, mais de densité !!!

36 1er étage à piston simple
PA MP HP x s PA x s PA x S R MP x s MP x S PA x S PA x s HP

37 1er étage à piston simple : inspiration
PA HP MP HP x s PA x S R MP x s MP x S MP x s MP x S

38 Exemple du détendeur Scubapro MK2

39 CRESSI AC2

40 La compensation Effet de la HP sur la MP (piston / membrane) ?
2 voies pour réduire l’effet de la HP : Réduire s (surface du clapet) Compenser Compensation = neutralisation de la HP dans le bilan des forces HP radiale Permet d’augmenter s donc le débit maxi disponible !

41 1er étage à piston compensé
PA HP

42 Exemple du détendeur Scubapro MK25

43 CRESSI AC10

44 Détendeur à membrane compensée
PA MP HP

45 Exemple du détendeur Scubapro MK18

46 MARES : HUB

47 Évolution de la MP avec la profondeur
Équilibre des forces (détendeur compensé) MP x S = PA x S + R  MP = PA + R/S  MP = PA + Cte (fabrication, réglage) : MP asservie à la PA fermeture ouverture MP x S PA x S R P° abs 0m 10m 20m 30m 40m PA 1b 2b 3b 4b 5b MP 11b 12b 13b 14b 15b

48 La surcompensation Aqualung (Legend)
Pm x S2 = PA x S1  Pm = PA x (S1 / S2) > PA La moyenne pression augmente plus vite que la pression hydrostatique En bleu : un détendeur normal En rouge : Le Legend

49 Un paradoxe ? L’augmentation de la densité diminue la viscosité cinématique, ce qui augmente les pertes de charges L’augmentation de la MP relative (surcompensation), donc de la densité diminue les pertes de charges Le premier point s’applique aux voies aériennes (bronches, bronchioles), à la pression ambiante Débit volumique et vitesses constants  débit massique  avec la densité Le deuxième point s’applique au tuyau MP, avant la détente du 2ème étage A profondeur donnée et débit volumique après détente à PA constant  débit massique avant détente (MP) constant si MP (donc densité MP)   débit volumique et vitesse MP   pertes de charges MP 

50 1er étage surcompensé Legend : animation

51 La surcompensation Scubapro (MK25)
HP PA MP S3 S2 S1 HP x S3 + MP x (S1 + S2) = R + PA x S1 + MP x (S2 + S3) k = S1 / S3 MP = PA x k / (k - 1) + K - HP / (k - 1) Pour k = 200  MP = PA x 1,005 + K - HP x 0,005  1 b pour 200 b  MP en fin de plongée (HP ) En pratique, la queue de piston est évasée !

52 La surcompensation Scubapro (MK17-MK19)
HP S3 S2 MP r R + PA x S1 + MP x (S2 + S3) = r + HP x S3 + MP x S1 + MP x S2 k = S1 / S3 MP = PA x k / (k - 1) + K - HP / (k - 1) Pour k = 200  MP = PA x 1,005 + K - HP x 0,005  1 b pour 200 b

53 2ème étage Au repos A l’inspiration A l’expiration

54 2ème étage : bilan des forces
MP x S PA x S R MP = PA + 10 b Mais au repos : seulement R ( 2 kg) 10 b x S  2 kg R

55 La compensation au 2ème étage
R  0,7 kg (vs 2 kg) S2 MP x S1 MP x S2 S2 > S1 : compensation incomplète  ???  Permet de conserver la fonction de soupape Augmente la sensibilité (clapet équilibré) Limite l’usure siège-clapet (clapet équilibré) Très recommandé sur un 1er étage surcompensé (MP )

56 2ème étage compensé : animation

57 Venturi et vortex … - - Flux principal dans une buse
Dépression à l’éjection Aspiration d’un flux secondaire 2ème étage Éjection du clapet  dépression sur la membrane Volet dive / pré-dive pour limiter l’effet venturi 1er étage Trou de communication entre l’espace sous membrane et la sortie principale Dépression sous la membrane Aspiration de la membrane  effort ventilatoire après ouverture du clapet + + - -

58 Venturi et vortex … Principe de la tornade, de la bouteille d’eau que l’on vide Haute pression à l’extérieur  débit élevé Dépression au centre  débit faible 2ème étage : l’effet venturi fait fuser le détendeur L’effet vortex limite l’effet venturi (MARES)

59 Incidents courants Débit continu immédiat Débit continu différé
Interruption brutale du débit Débit insuffisant Fuites d’air au 1er étage Eau dans le 2ème étage Givrage…

60 Pourquoi ça givre ? À 200 bar, la chute de température peut atteindre entre -50 et -100°C (forte sollicitation : essoufflement,…) Nécessité d’avoir un air très sec (point de rosée -70°C) Perte d’eau :  5cL / m3 respiré, soit 10cL au cours d’une plongée Intérêt de réduire la P P : constante au 2ème étage P :  avec la profondeur au 1er étage P :  avec pression du bloc

61 Où se forme le givre ? Là où se fait la détente : siège – clapet
Sur le ressort MP (par conduction)

62 Vous givrez à quel étage ?
Givrage au 1er étage Généralement brutal Débit élevé Un 15L peut se vider en 2 minutes Givrage au 2ème étage Plus progressif Débit plus faible

63 Les systèmes anti-givrage
Favoriser l’échange thermique entre le clapet et l’extérieur Isoler le ressort MP (membrane, piston composite) Empêcher l’accrochage du givre sur le ressort MP (enrobage polymère, graisse, double membrane)

64 Le givrage : résumé Auto-entretenu : givrage  débit  froid
Privilégier un détendeur EN250 « froid » Éviter de respirer hors de l’eau Limiter la pression du bloc Ne pas calfeutrer les tuyaux MP : l’air très froid en sortie du 1er étage doit être réchauffé par l’eau) Limiter les débits (ventilation, pas d’octopus, DS répartis, parachute) Descendre lentement, équilibrer progressivement Entretenir le matériel

65 La normalisation des détendeurs
Objet normé : 1er étage, tuyau MP, 2ème étage Conditions 50 bar HP 50 m 25 cycles/min 2,5 L/cycle 10°C (4°C pour la mention eau froide) Résultats Travail ventilatoire < 3,0 J/L Travail inspiratoire < 0,3 J/L Pression expi / inspi : +/- 25 mbar Pression inspiratoire positive : + 5 mbar maximum (effet venturi)

66 Test de normalisation Point de décollage Courbe d’inspiration
Effet venturi Courbe d’expiration Travail ventilatoire

67 L’oxygène À l’ouverture du robinet : compression adiabatique dans la chambre HP  forte augmentation de T° Carburant + comburant + énergie  explosion Comburant : oxygène Énergie : compression adiabatique  ouvrir doucement ! Carburant : Graisse : Triolub, Christo-lube Joints : viton, nitrile Poussières : filtration, éviter la contamination

68 Critères de choix Piston ou membrane ? Compensé ou non ? Surcompensé ?
DIN ou étrier ?

69 Les ordinateurs

70 Comment c’est fait ?

71 Le profil de plongée

72 L’algorithme Modèle de décompression
Bühlmann (Haldane) Bühlmann GF (Haldane) RGBM VPM Réglage du conservatisme  calibration du modèle Prise en compte empirique : Du froid Des efforts Des remontées rapides

73 L’utilisation des ordinateurs
LIRE LA NOTICE !!! Initialisation et mesure de la profondeur  risque de sous-évaluer la profondeur en cas de descente immédiate  impact sur le calcul de décompression Mauvaise prise en compte des phénomènes physiologiques dans le cas de plongées yo-yo, de profils inversés, de remontées rapides,… Réglage personnalisé  déco différentes Multi-gaz  gaz fond / gaz déco Planification Palier de sécu !... Interface PC : intérêt pédagogique, « mouchard » en cas d’accident Mode SOS / erreur % batterie = % tension Risque de perturbation par les ondes électromagnétiques produites par un téléphone portable : 1m minimum entre portable et ordinateur En avion : pas de boite étanche, transporter préférentiellement en cabine Risque de panne  esprit critique, tables de secours

74 Références Code Vagnon Niveau 4 – E. Bernier, N. Seksik – Vagnon (2014) – site perso H. Le Bris (IN) Effervescence – Ph. Martinod – Historic’one (1998)