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A PROPOS DE GAZ COMPRIMES. Pascal Bauer MF2 n° 979 IR n° 38. NOUS SOMMES DES PLONGEURS. Nous utilisons des gaz comprimés. O 2 + N 2 N 2 /O 2 =3.76(AIR) N 2 /O 2
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A PROPOS DE GAZ COMPRIMES
Pascal Bauer
MF2 n° 979
IR n° 38
NOUS SOMMES DES PLONGEURS
• O2 + N2
N2/O2=3.76 (AIR)
N2/O2 <3.76 (NITROX)
• O2/N2/He (TRIMIX)
Nous utilisons des gaz comprimés
Lesquels ?
COMMENT LES PRÉPARONS-NOUS ?
TELS SONT LES OBJECTIFS DE CETTE PRÉSENTATION
1. Un peu de physique des gaz2. Des éléments sur la thermodynamique du
compresseur3. Des compléments sur la préparation des mélanges
hyperbares (autres que l’air)
HISTOIRES D’INTERACTIONS
LA MOLÉCULE LIBRE
Vit comme si elle était seule
Ce qui signifie une pression très basse
Ou un volume infini, afin qu’elle n’ait jamais
AUCUNE INTERACTION AVEC SA VOISINE …
QU’EST-CE QUE LA PRESSION ?
C’est le résultat d’une agitation moléculaire
Qui donne naissance à des interactions qui peuvent être d’ordre attractif ou répulsif
UN CERTAIN MARIOTTE ÉNONCE:
A température donnée, etc…
On a ainsi pris l’habitude d’écrire: pV=constante
En fait, en l’absence d’interactions moléculaires: pV= f(T)
Cette relation est appelée:
ÉQUATION D’ÉTAT THERMIQUE
SOYONS PLUS PRÉCIS …
pV NRT
ou
mpV RT
M
R=8.316 J/mol/K est une constante universelle
L’équation que nous venons de voir régit des états thermodynamiques qui ne dépendent que de la température
L’agitation thermique si la température
MAIS IL N’Y A TOUJOURS PAS D’INTERACTION !
Ceci suppose que la pression est basse (< qq bar)
MAIS QUE SE PASSE-T-IL SI ON COMPRIME ?
LES INTERACTIONS CESSENT D’ÊTRE NÉGLIGEABLES…
Les force répulsives
L’équation d'état devient pV=g(T,p)
LE GAZ EST UN GAZ RÉEL !
NOUVELLE ÉQUATION D’ÉTAT
mpV NRTZ RZ T
M
Z=1
Cas général: Gaz réel (Z<1 ou Z>1)Z est donné par un abaque
Gaz Parfait
LES GRANDEURS CRITIQUES :CARTE D’IDENTITÉ DES GAZ
EXEMPLE
Calcul de la masse d’air contenue dans un tampon de 50 litres à 130 bar (température ambiante)
HYPOTHÈSE 1 : l’air est un gaz parfait
5 3
GP
pV 130 10 50 10m 28.96 7.6 kg
RT 8.316 298
M =
HYPOTHÈSE 2 : l’air est un gaz réel
5 3
GP
1 pV 1 130 10 50 10m 28.96 7.9 kg
Z RT 0.96 8.316 298
M =
4% en plus : l’air est PLUS COMPRESSIBLE que le gaz parfait
HISTOIRES DE COMPRESSEURS
RUBRIQUE MATÉRIEL …
Cours sur le compresseur …
On enseigne: le compresseur peut avoir plusieurs étages
Chaque étage est caractérisé par 3 fonctions
1. Filtration 2. Compression 3. Refroidissement
Que nous dit la thermodynamique sur les fonctions 2 et 3 ?
QUESTION PRÉALABLE A 500 €
ON DÉFINIT UN ÉTAGE PAR SON
TAUX DE COMPRESSION
VRAI OU FAUX ?
FAUX
LE COMPRESSEUR N’EST PAS UN MOTEUR ALTERNATIF A
COMBUSTION INTERNE
LE COMPRESSEUR EST UN « TRANSVASEUR »
Il déplace des molécules de gaz d’un grand volume vers un plus petit volume, ce qui a pour effet
d’augmenter la pression
COMMENT CA MARCHE
A d m issio n
A s 'o u vre d ès q u e p c yl= p 1
R efo u lem en t
R s 'o u vre d ès q u e p c yl= p 2
p 1p 2
p cy l p cy l
Une compression infinitésimale s’opère dans le cylindre entre p1 et p2 à chaque tour
Au delà, le piston refoule à pression constante
P re ssio n
V o lu m e
p 2
p 1
La compression se déroule selon un processus (évolution)que l’on qualifie de POLYTROPIQUE :
n pV Constante
avec 1<n<1.4 (gaz diatomique)
CE QUI SE TRADUIT AINSI
P re ssio n
V o lu m e
p 2
p 1
QUE SE PASSERAIT-IL SI ON COMPRIMAIT EN UN SEUL ÉTAGE ?
1 n
nTP Constante
EXEMPLE : Comprimons de l’air initialement à 300 Kde 1 à 200 bar et supposons n=1.3
n 1 0.3n 1.3
22 1
1
p 200T T 300 1012 K
p 1
CE QUI DONNE …
P re ssio n
V o lu m e
p 2= 2 0 0
p 1= 1
(b a r)
T 1= 3 0 0 K
T 1= 1 0 1 2 K
ON COMPREND LA NÉCESSITE DE REFROIDIR …
P re ssio n
V o lu m e
p 2= 6
p 1= 1
(b a r)
T 1= 3 0 0 K
T 1= 4 5 4 K
HISTOIRES DE MÉLANGES
Résolution de problème• ON A un bi 2x12 litres contenant un Trimix
(O2/He/N2=15/50/35) à la pression de 80 bar• ON VEUT O2/He/N2= 18/40/42
à la pression de 230 bar• On dispose d’une bouteille
• O2 : 50 litres à 200 bar• He: 50 litres à 200 bar
COMMENT PROCÉDER ?
PARLONS DE TOXICITÉ
• On veut que le mélange réponde aux impératifs suivants:
• ppO2 acceptable (<1.6 bar)
• Narcose équivalente à 40 m
O2 ou N2
LEQUEL VA LIMITER LA PROFONDEUR D’ÉVOLUTION ?
RÉPONSE
2
' '2
18ppO p 1.6 p 8.9 bar 79 mètres
10042 80
ppN p 5 p 9.5 bar 85 mètres100 100
L’oxygène sera le composant limitant la profondeur …
PRÉPARONS CE MÉLANGE
2
2
O 0.15 24 80 288 Nl
He 0.50 24 80 960 Nl
N
ON
0.35 24 80 672
A
l
:
N
2
2
O 0.18 24 230 994 Nl
He 0.40 24 230 2208 Nl
N 0.42 24 230 2318 N
ON VEUT :
l
COMMENT PROCÉDER ?
• Injection d’Hélium
• Injection d’air (20% O2 + 80% N2)
• Complément Oxygène pur
Mais dans quel ordre ?
1. He pour des raisons de coût2. O2 pour des raisons de sécurité3. Air après surfiltration
On procède ainsiD’ABORD L’HÉLIUM : on ajoute 2208 – 960 = 1248 Nl soit : 52 barIl restera dans la bouteille d’Hélium : 175 barPour des raisons de coût, on a parfois intérêt à vider le bloc de plongée avant d’injecter l’Hélium
ENSUITE L’OXYGÈNE : On calculera ultérieurement la quantité car on en injecte en injectant l’air
Mais pourquoi ne pas attendre d’avoir injecté l’air ?
PARCE QUE L’OXYGÈNE SOUS PRESSION PRÉSENTE DES RISQUES D’INFLAMMATION
Un bloc O2 à 200 bar se détend jusqu’à 80 bar. Quelle est l’élévation de température ?
n 1 0.4n 1.4
22 1
1
p 200T T 300 390 K
p 80
Échauffement important qui nécessite une injection très lenteMax : 10 bar / mn
C’est d’autant plus important si le bloc est vide
n 1 0.4n 1.4
22 1
1
p 200T T 300 1363 K
p 1
Ce qui explique pourquoi un bloc Nitrox DOIT ÊTRE EXCLUSIVEMENT UTILISÉ POUR CET USAGE
Car l’Oxygène y est toujours injecté en premier, c’est-à-dire quand le bloc est pratiquement vide
Mais revenons à notre mélange …
On injectera l’air en fin d’opérationPour obtenir la quantité voulue de N2, on injectera:
2
2318 672N 2057 Nl 86 bar d'AIR
0.80
Ce faisant, on injectera en même temps :
2O 2057 0. 41 0 Nl2 1
La quantité d’O2 PUR qui restera à injecter sera donc :
994 – 288 – 411 = 295 Nl Soit: 12 bar
Il restera dans la bouteille d’Oxygène : 194 bar
TOUT CECI SERAIT VRAI SI …
LES GAZ ÉTAIENT PARFAITS
COMMENT PROCÉDER AVEC DES GAZ RÉELS ?
LE PROTOCOLE SERA LE MÊME,MAIS ON TRAVAILLERA EN MASSES DE GAZ INJECTÉ
Voici la procédure de calcul pour : O2 + He + N2
HÉLIUM : on injecte la quantité (ppHe) calculée précédemment
En fait, la masse réellement injectée est :
HeHe He
He
pp V1m
Z RT
M
OXYGÈNE : on calcule la masse(par méthode proportionnelle)
IL S’AGIT DE LA MASSE TOTALE NECESSAIRE
2 2
HeO OTot
He
mm
M
M
N2: même chose
2
2
N He
N He
m m
M M
2 22
2
N He
N He
N Nm mppN2 RT
ZRT
V V
Z
M M
Mais c’est de l’air que nous injectons …
2
2
2
2
N HeAir
N Air He
Air
Air
Air
Air AiN He
N He
r
m mm0.8
mppAir RT
V
m mppAir RT RT
0.8V 0.8
Z
V
Z Z
M M M
M
M M
On calculera ainsi la masse d’O2 introduite avec l’air
On aura ainsi :
2
2
2O O Inj2 Inj
O
mppO RT
V
Z
M
2 2 2O O OInj Tot Air
m m m
FIN
Merci de votre attention …
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