La mezcla de gases para el buceo (o mezcla de gases) consiste en llenar los cilindros de buceo con gases que no permiten respirar aire, como nitrox , trimix y heliox . El uso de estos gases generalmente tiene como objetivo mejorar la seguridad general de la inmersión planificada, al reducir el riesgo de enfermedad por descompresión o narcosis por nitrógeno , y puede mejorar la facilidad para respirar .
El llenado de cilindros con una mezcla de gases presenta peligros tanto para el que lo realiza como para el buceador. Durante el llenado existe riesgo de incendio debido al uso de oxígeno y riesgo de explosión debido al uso de gases a alta presión. La composición de la mezcla debe ser segura para la profundidad y la duración de la inmersión planificada. Si la concentración de oxígeno es demasiado pobre, el buceador puede perder el conocimiento debido a la hipoxia y si es demasiado rica, puede sufrir toxicidad por oxígeno . La concentración de gases inertes, como el nitrógeno y el helio, se planifica y se controla para evitar la narcosis por nitrógeno y la enfermedad por descompresión.
Los métodos utilizados incluyen la mezcla por lotes mediante presión parcial o por fracción de masa, y procesos de mezcla continua. Las mezclas completadas se analizan para determinar su composición, con el fin de garantizar la seguridad del usuario. La legislación puede exigir a los mezcladores de gases que demuestren su competencia si realizan el llenado para otras personas.
Para algunas inmersiones, se pueden utilizar mezclas de gases distintas del aire atmosférico normal (21 % de oxígeno , 78 % de nitrógeno , 1 % de gases traza) de forma ventajosa, [1] [2] siempre que el buceador sea competente en su uso. La mezcla más utilizada es el nitrox , también conocido como aire enriquecido con nitrox (EAN), que es aire con oxígeno adicional, a menudo con un 32 % o 36 % de oxígeno, y por lo tanto menos nitrógeno, lo que reduce el riesgo de enfermedad por descompresión o permite una exposición más prolongada a la misma presión con el mismo riesgo. El nitrógeno reducido también puede permitir no hacer paradas o tiempos de parada de descompresión más cortos o un intervalo de superficie más corto entre inmersiones. Un error común es que el nitrox puede reducir la narcosis , pero las investigaciones han demostrado que el oxígeno también es narcótico. [3] [4]
La mayor presión parcial de oxígeno debido al mayor contenido de oxígeno del nitrox aumenta el riesgo de toxicidad por oxígeno, que se vuelve inaceptable por debajo de la profundidad máxima de operación de la mezcla. Para desplazar el nitrógeno sin aumentar la concentración de oxígeno, se pueden utilizar otros gases diluyentes, generalmente helio , cuando la mezcla de tres gases resultante se denomina trimix , y cuando el nitrógeno está completamente sustituido por helio, heliox .
Para las inmersiones que requieren paradas de descompresión prolongadas, los buceadores pueden llevar cilindros que contienen diferentes mezclas de gases para las distintas fases de la inmersión, generalmente denominados gases de viaje, de fondo y de descompresión. Estas diferentes mezclas de gases se pueden utilizar para extender el tiempo de fondo, reducir los efectos narcóticos de los gases inertes y reducir los tiempos de descompresión .
Existen varios peligros asociados con la mezcla de gases:
Los mezcladores de gases pueden crear mezclas de gases tóxicas y peligrosas para los buceadores. [5] [6] Un exceso o una falta de oxígeno en la mezcla puede ser fatal para el buceador. Los analizadores de oxígeno se utilizan para medir el contenido de oxígeno de la mezcla después de mezclarla. Una mezcla inadecuada puede provocar un análisis inexacto. Para garantizar que el usuario final conozca la composición del gas, el contenido se analiza en presencia del buceador, quien confirma el contenido firmando un registro.
Es posible que contaminantes tóxicos, como monóxido de carbono o lubricantes de hidrocarburos , ingresen a los cilindros desde el compresor de aire de buceo . [5] [6] Esto generalmente es un problema con el mantenimiento del compresor o la ubicación de la entrada de aire al compresor, aunque puede provenir de otras fuentes. [5]
Los contaminantes tóxicos también pueden ingresar a la mezcla respirable si se quema algún material dentro de las válvulas o tuberías de mezcla, por ejemplo, cuando se produce un calentamiento adiabático al decantar o aumentar el oxígeno. [5] [6]
En presencia de grandes volúmenes de oxígeno a alta presión, uno de los vértices del triángulo del fuego existe en buena medida. Es vital que no se permita que existan los otros dos vértices.
En el interior, los equipos de mezcla y los cilindros de buceo deben estar limpios de oxígeno; se deben eliminar todos los combustibles y partículas que puedan ser fuentes de ignición . [6] [7] [8] Los materiales elegidos para su uso en las válvulas, juntas y compresores deben ser compatibles con el oxígeno: no deben quemarse ni degradarse fácilmente en entornos con alto contenido de oxígeno. [8]
En la mezcla de gases, se pueden producir fácilmente altas temperaturas mediante calentamiento adiabático, simplemente decantando gas a alta presión en tuberías o cilindros de menor presión. [6] La presión cae cuando el gas sale de la válvula abierta, pero luego aumenta cuando el gas encuentra obstrucciones como un cilindro o una curva, constricción o partícula en la tubería.
Una forma sencilla de reducir el calor de la decantación es abrir las válvulas lentamente. [6] Con válvulas sensibles, como las válvulas de aguja , se puede permitir que el gas pase lentamente a través de la válvula para que el aumento de presión sea lento en el lado de baja presión. Las tuberías, las juntas y las válvulas del sistema de mezcla deben diseñarse para minimizar las curvas cerradas y las constricciones repentinas. A veces, las tuberías tienen bucles de 360 grados para reducir la vibración .
Los espacios donde se mezcla gas o se almacena oxígeno deben estar bien ventilados para evitar altas concentraciones de oxígeno y el riesgo de incendio.
Con nitrox existen varios métodos de mezcla de gases: [5] [6] [9]
Las mezclas de helio se pueden realizar mediante mezcla a presión parcial, mezcla de fracción de masa o compresión de una premezcla mezclada a presión atmosférica (mezcla continua).
El gas se mezcla decantando o comprimiendo los gases componentes en un cilindro de alta presión, se mide por presión parcial, se agrega en secuencia y se corrige según la temperatura. [6]
Con trimix , las presiones medidas de oxígeno y helio se decantan en un cilindro, que se "recarga" con aire del compresor de gas de buceo, lo que da como resultado una mezcla de tres gases de oxígeno, helio y nitrógeno. [6] Una alternativa es decantar primero el helio en un cilindro y luego rellenarlo hasta la presión de trabajo con una mezcla de nitrox conocida. Tanto NAUI como TDI ofrecen cursos que utilizan un trimix que llaman "helitrox", mezclado por el último método, que limita la fracción de helio a aproximadamente el 17-20%. Las mezclas hechas mezclando helio con nitrox que contienen alrededor de un tercio de oxígeno, como EAN32 (un nitrox premezclado común), tienen la propiedad deseable de que a su profundidad operativa máxima para una presión parcial de oxígeno de 1,4 bar, su profundidad narcótica equivalente es siempre aproximadamente 32 metros (105 pies), un límite seguro.
Con heliox , las presiones medidas de oxígeno y helio se decantan o bombean a un cilindro, lo que da como resultado una mezcla de dos gases de oxígeno y helio. [6]
Con heliair , se decanta una presión medida de helio en un cilindro, que se "recarga" con aire del compresor de gas de buceo, lo que da como resultado una mezcla de tres gases de oxígeno, helio y nitrógeno, con una relación nitrógeno:oxígeno fijada en 4:1. [6]
Para mezclar fracciones de masa se necesita una balanza precisa que, preferiblemente, debe poder ponerse a cero con el cilindro vacío conectado al látigo de llenado colocado sobre la balanza.
Las masas de los gases que se van a mezclar deben calcularse en función de la relación de presiones parciales finales y la presión total, y el cilindro se llena hasta el peso adecuado correspondiente al peso añadido de cada componente. La ventaja de este sistema es que la temperatura no afecta a la precisión, ya que no se mide la presión durante el proceso. La desventaja es que el helio tiene una densidad mucho menor que los demás componentes, y un pequeño error en la masa medida del helio dará como resultado un error relativamente grande en la composición.
La mezcla continua es el proceso de agregar los gases componentes de la mezcla como un proceso continuo y luego comprimir la mezcla en un cilindro de almacenamiento. La intención es suministrar los gases componentes a la entrada del compresor en un flujo continuo a una presión adecuada al diseño del compresor, ya mezclados según la especificación correcta. Esto generalmente requiere equipo para monitorear y controlar el flujo de los gases de entrada, que generalmente se suministran desde cilindros de almacenamiento de alta presión, [6] a excepción del aire que normalmente se toma del entorno ambiental.
La mayoría de los compresores de gases respirables de alta presión están diseñados para aceptar gases de admisión a presión atmosférica normal y uno de los componentes habituales para las mezclas de gases respirables para el buceo es el aire atmosférico, por lo que es conveniente mezclar los gases a presión atmosférica en un accesorio del compresor llamado tubo mezclador o varilla mezcladora . El tubo mezclador es un tipo de mezclador estático y puede construirse de diversas formas, siempre que no restrinja indebidamente el flujo y mezcle adecuadamente los gases antes del análisis y antes de la admisión en el compresor. Se ha utilizado con éxito una amplia gama de tubos mezcladores fabricados comercialmente y en casa. [6]
Una configuración popular para el tubo de mezcla es un tubo de gran diámetro con una serie de deflectores internos que crean turbulencia en la mezcla después del punto de inyección, lo que provoca una mezcla bastante rápida hasta obtener una mezcla homogénea, que luego puede analizarse continuamente mediante un instrumento de control antes de continuar con el procesamiento, o puede procesarse y analizarse directamente más tarde desde el cilindro de almacenamiento. El análisis continuo permite ajustar el caudal de los gases añadidos para corregir la mezcla si se desvía de la especificación. El análisis posterior dificulta la corrección. La adición de componentes puede realizarse en secuencia o juntos. Agregarlos juntos significa que la mezcla se realiza una vez, y esto reduce la pérdida de presión en el sistema de admisión. Es importante que los gases se mezclen completamente antes del análisis, ya que así el análisis será más confiable. También es muy conveniente garantizar que el contenido de oxígeno de los gases de admisión no varíe significativamente con el tiempo por razones de seguridad, ya que el compresor probablemente solo será seguro para una fracción de oxígeno limitada.
La mezcla continua mediante la adición de oxígeno y helio en serie permite utilizar el cambio en la presión parcial de oxígeno como indicador para la medición del contenido de helio. Primero se añade el oxígeno y se mide el PO2 después de la mezcla; luego, se añade helio en un segundo tubo de mezcla y se mide el PO2 en la salida después de la mezcla. La diferencia en el PO2 se puede utilizar para calcular el PHe o, a la inversa, se pueden utilizar las presiones parciales deseadas del producto trimix para calcular el PO2 para las etapas de nitrox y trimix de la mezcla.
Los caudales de gas suelen controlarse mediante un regulador de gas industrial en el cilindro y pueden medirse con un caudalímetro industrial . La medición del caudal puede sustituir al análisis del gas mezclado, pero suele ser menos precisa para predecir la mezcla suministrada debido a las variaciones de temperatura y la eficiencia de suministro de gas del compresor, que pueden variar a medida que cambia la presión de suministro.
Los gases mezclados en la entrada del compresor estarán a una presión ligeramente inferior a la ambiente, debido a pérdidas en el tubo de mezcla. Esto puede hacer que sea impracticable utilizar algunos tipos de instrumentos de análisis, que dependen de un flujo de gas a través del instrumento impulsado por la presión del gas medido. Las celdas de oxígeno también son sensibles a una caída de presión, ya que miden directamente la presión parcial, y esto puede dar lugar a una mezcla más rica de lo previsto, ya que el flujo de oxígeno puede ajustarse a la presión parcial adecuada para la presión atmosférica, mientras que la mezcla medida está a una presión más baja. Esto se puede compensar utilizando una pequeña bomba de muestreo que extraiga gas del tubo de mezcla y lo entregue a los instrumentos, o permitiendo la presión de entrada reducida para el análisis de oxígeno con una celda de sensor en línea. Esto requeriría un manómetro de vacío que mida la caída de presión o la presión absoluta en el sensor. La presión parcial de oxígeno debe ser correcta como una fracción de la presión absoluta en el punto de medición.
Muchos compresores de alta presión utilizados para gases respirables son adecuados para comprimir mezclas de gases respirables que contienen fracciones moderadas de oxígeno y helio, pero se debe consultar al fabricante sobre los límites para ambos gases. La compresión de mezclas con una alta fracción de oxígeno supone un mayor riesgo de incendio, y el lubricante del compresor debe ser compatible para minimizar este riesgo. El helio plantea un problema muy diferente, ya que es totalmente inerte y no crea ningún riesgo de incendio directamente, pero su temperatura aumenta más que el oxígeno y el nitrógeno cuando se comprime, lo que puede hacer que un compresor diseñado para aire se sobrecaliente. Esto puede acabar provocando problemas con el lubricante y los cojinetes del compresor, y si la fracción de oxígeno también es alta, aumentará el riesgo de incendio. Afortunadamente, la mayoría de las mezclas Trimix tienen una fracción de oxígeno inversamente relacionada con la fracción de helio, lo que reduce la probabilidad de este problema. [6]
El gas mezclado debe analizarse antes de su uso, ya que una suposición incorrecta de la composición puede provocar problemas de hipoxia o toxicidad del oxígeno en el caso del análisis de oxígeno, y enfermedad por descompresión si los componentes del gas inerte difieren de la composición planificada. El análisis de la fracción de oxígeno se realiza normalmente utilizando un sensor de oxígeno electrogalvánico , mientras que la fracción de helio se realiza normalmente mediante una comparación de transferencia de calor entre el gas analizado y una muestra estándar. [6]
Una recarga de aire, o air top, consiste en llenar un cilindro que contiene una mezcla de gases con aire comprimido, ya sea hasta la presión de trabajo del cilindro o hasta cualquier presión menor arbitraria o calculada. En principio, esto es exactamente lo mismo que la etapa final de una mezcla a presión parcial, y la composición de la mezcla resultante se puede calcular de antemano utilizando un método similar, o simplemente analizar después de la recarga, dependiendo de si el análisis exacto es importante para el plan de inmersión o no.
Para evitar la toxicidad del oxígeno y la narcosis , el buceador debe planificar la mezcla requerida que se va a mezclar y verificar las proporciones de oxígeno y gases inertes en la mezcla mezclada antes de bucear. [6] [9] Generalmente, la tolerancia de cada fracción de gas del componente final debe estar dentro de +/-1% de la fracción requerida. Los instrumentos de análisis que suelen utilizar los mezcladores de gases para buceo recreativo/técnico suelen tener una resolución del 0,1% tanto para el oxígeno como para el helio.
Al mezclar mezclas con presiones de hasta aproximadamente 230 bar (3300 psi), la ley de los gases ideales proporciona una aproximación razonable y se pueden utilizar ecuaciones simples para calcular las presiones de cada gas componente necesarias para crear la mezcla. A esta presión y temperaturas normales, el aire se desvía de la linealidad en aproximadamente un 5%, por ejemplo, un cilindro de 10 litros lleno a 230 bar con aire solo contiene aproximadamente el 95% de los 2300 litros esperados de aire libre. Por encima de esta presión, la composición de la mezcla final es difícil de predecir utilizando ecuaciones simples, sino que necesita la ecuación de Van der Waals más compleja .
La mezcla a presión parcial mediante cálculos de gases ideales es bastante sencilla. Se elige la mezcla requerida, ya sea como la mejor mezcla que optimice las ventajas de la descompresión para una exposición aceptable al oxígeno en función del perfil de inmersión planificado, o se selecciona de una gama de mezclas estandarizadas adecuadas para una variedad de profundidades y tiempos, u optimizada para adaptarse a las existencias de gas disponibles u otras limitaciones. La mezcla se especifica en términos de fracciones de gas de los gases componentes, y la convención es especificar el tipo (nitrox, trimix o heliox) y la composición como porcentaje en volumen de oxígeno, helio si está presente y nitrógeno. El resto del nitrógeno no siempre se indica específicamente y se supone que es el resto.
El nitrógeno de la mezcla se obtiene casi siempre rellenando el cilindro con aire hasta la presión de llenado. Todo el helio y parte del oxígeno se obtienen decantando o aumentando el volumen desde cilindros a granel.
La cantidad de helio que se debe decantar es muy sencilla de calcular: se multiplica la fracción de gas de helio deseada (F He ) por la presión total de llenado (P tot ) para obtener la presión parcial de helio (P He ). En el caso del Tx 20/40, en un cilindro de 230 bar, esto sería 230 bar x 40% = 92 bar (o para un llenado de 3.000 psi, se requerirían 3.000 x 40% = 1.200 psi de helio).
La cantidad de oxígeno es más difícil de calcular, ya que se deriva de dos fuentes, el oxígeno añadido y el aire de reposición. Sin embargo, todo el nitrógeno es proporcionado por el aire de reposición, por lo que la presión parcial del nitrógeno se calcula de forma similar a la del helio, lo que permite calcular la presión del aire, suponiendo que el nitrógeno es el 79% del aire. En el ejemplo Tx 20/40, la fracción de nitrógeno es 100% - (20% + 40%) = 40%. La presión parcial requerida de nitrógeno es, por tanto, 230 bar x 40% = 92 bar, por lo que la presión de aire de reposición es 92 bar/79% = 116 bar (para un llenado de 3000 psi, esto sería 3000 x 40% / 79% = 1500 psi de aire). La presión restante de 230 bar - 92 bar - 116 bar = 22 bar es la presión de oxígeno adicional requerida para la mezcla (para un llenado de 3000 psi, esto sería 3000 - 1200 - 1500 = 300 psi de oxígeno).
.png/1280px-Real_gas_compression_graph_(breathing_gases_for_diving).png)
A presiones superiores a 200 bar, la compresión de los gases comienza a desviarse de las leyes de los gases ideales y, en consecuencia, la mezcla a presión parcial debe tener en cuenta que los gases añadidos a mayor presión proporcionarán una proporción volumétrica menor que los gases añadidos a menor presión, y estas desviaciones de la linealidad variarán según el gas. Los cálculos para mezclas a presión parcial a alta presión pueden requerir el uso de la ecuación de Van der Waals . Esto no afecta a los gases premezclados, que mantendrán su relación de mezcla a cualquier presión, por lo que la mezcla continua no se ve afectada por este problema.
Tanto el nitrógeno como el oxígeno se comprimen de forma relativamente lineal y se aproximarán al gas ideal a presiones mucho más altas que el helio, que se desvía significativamente incluso por debajo de los 200 bares. Las mezclas de aire y nitrox pueden aproximarse a la ideal sin un error significativo hasta aproximadamente 230 bares a temperaturas normales.
Los aumentos de temperatura durante el llenado dificultan la decantación o el bombeo preciso de una cantidad medida de gas en función de la medición de la presión. [5] [6] Cuando los cilindros se llenan con gas rápidamente, normalmente en 10 a 60 minutos en una estación de llenado de buceo, el gas en el interior se calienta, lo que aumenta la presión del gas en relación con su masa. Cuando el cilindro se enfría, la presión del gas disminuye, lo que da como resultado un volumen reducido de gas respirable disponible para el buceador.
Hay varias soluciones a este problema:
Antes de que una mezcla de gases salga de la estación de mezcla y antes de que el buceador respire de ella, se debe verificar la proporción de oxígeno en la mezcla. Por lo general, se utilizan sensores de oxígeno electrogalvánicos para medir la fracción de oxígeno. [6] [9] También existen analizadores de helio , aunque actualmente son caros, que permiten al buceador Trimix averiguar la proporción de helio en la mezcla. [6] [11]
Es importante que la mezcla de gases en un cilindro esté completamente mezclada antes de analizarla o los resultados serán inexactos. Cuando la mezcla de presión parcial o de masa se realiza a velocidades de flujo bajas, los gases que entran en el cilindro no se mueven lo suficientemente rápido para garantizar una buena mezcla y, en particular, cuando las mezclas contienen helio, pueden tender a permanecer en capas debido a las diferencias de densidad. Esto se denomina estratificación y, si se deja el tiempo suficiente, la difusión garantizará una mezcla completa. Sin embargo, si el gas se va a analizar poco después de la mezcla, se recomienda la agitación mecánica. Esto puede hacerse colocando un solo cilindro sobre una superficie plana y haciéndolo rodar durante un período corto, pero los cilindros gemelos se invierten más comúnmente unas cuantas veces. La estratificación es más pronunciada con mezclas que contienen helio, pero también puede conducir a un análisis inexacto de las mezclas de Nitrox. [6]
No existen especificaciones fiables sobre la cantidad de agitación necesaria para lograr una mezcla completa, pero si el análisis sigue siendo el mismo antes y después de la agitación, es probable que el gas esté completamente mezclado. Una vez mezclado, el gas no se estratificará con el tiempo.
La ley puede exigir una etiqueta que identifique el contenido del cilindro por tipo de gas y fracción constituyente, y es útil para el usuario como registro de qué mezcla se analizó por última vez en el cilindro. [10] Los detalles del formato de la etiqueta y la codificación por colores del cilindro varían según la jurisdicción. [10] [6]
En el Reino Unido y Sudáfrica , el oxígeno y el helio se compran a proveedores comerciales de gases industriales y médicos y normalmente se entregan en cilindros "J" de 50 litros a un máximo de 200 bares. Además del costo del gas, se pueden cobrar cargos por el alquiler y la entrega de los cilindros.
El "sistema en cascada" se utiliza para decantar de forma económica los bancos de cilindros de almacenamiento de modo que se extraiga del banco la máxima cantidad posible de gas. [6] Esto implica llenar un cilindro de buceo decantando desde el cilindro del banco con la presión más baja que sea superior a la presión del cilindro de buceo y luego desde el siguiente cilindro del banco con mayor presión en sucesión hasta que el cilindro de buceo esté lleno. El sistema maximiza el uso del gas del banco a baja presión y minimiza el uso del gas del banco a alta presión.
Las bombas de refuerzo , como la bomba Haskel, se pueden utilizar para recolectar los restos de gases costosos en cilindros casi vacíos, lo que permite bombear gases de baja presión de manera segura a cilindros que ya contienen gas a mayor presión. [6]
Algunas agencias de formación de buceadores ofrecen formación y certificación para la mezcla de gases de buceo [12], y pueden ser obligatorias en función de la legislación o las normas nacionales [10] . La norma ISO 13293 establece normas mínimas de formación para mezcladores de gases para servicios de buceo recreativo en dos niveles. El mezclador de gases de nivel 1 es competente para mezclar nitrox y manipular oxígeno, aire y nitrox, es decir, un mezclador de gas nitrox, y un mezclador de gases de nivel 2 también es competente para mezclar gases que contienen helio y argón, es decir, un mezclador de gas trimix [13] .
Un mezclador de gases, según el nivel 1 de la norma ISO 13293, debe ser competente para mezclar el gas respirable Nitrox y, según el nivel 2, competente para mezclar cualquier gas contemplado en la norma, que incluye principalmente el gas respirable Trimix. Debe ser competente para mezclar, medir la composición, marcar el cilindro y registrar mezclas específicas según las especificaciones de composición y presión en un cilindro de alta presión compatible. La limpieza y el mantenimiento del equipo con oxígeno, el asesoramiento a un buzo sobre el uso del gas y el establecimiento de parámetros operativos para el gas quedan fuera del alcance de esta competencia específica. [13]
Medios relacionados con Mezcla de gases para buceo en Wikimedia Commons