Jak wyeliminować zamarzanie automatów?

Zapewne każdy z Was zetknął się ze zjawiskiem zamarzania automatu. Jest to bardzo poważna sytuacja prowadząca z reguły do utraty powietrza w butli. Temperatura powietrza przepływającego przez automat obniża się o prawie 40 oC w wyniku efektu Joule’a-Thomsona. Skutki tego efektu można zniwelować polepszając wymianę ciepła (grzałka Michalaka, ożebrowanie gniazda II stopnia) lub zmniejszając wydatek automatu. Są to sposoby, które tylko opóźniają zamarznięcie automatu, zwłaszcza jeżeli nurkowanie jest prowadzone w bardzo zimnych wodach 1-3 oC. Jeżeli przez automat przepłynie odpowiednia ilość powietrza, to zawór ochłodzi się poniżej temperatury zamarzania wody. I nawet, jeśli I stopień odseparuje się od wody i użyje odpowiednio suchego powietrza, to w II stopniu zawsze będzie obecna woda (choćby para z wydechu). Lód osadzający się w gnieździe i na grzybku zaworu uniemożliwia szczelne zamknięcie, co powoduje niekontrolowany wypływ powietrza z butli. 
Z przeprowadzonych ostatnio przez nas rozważań teoretycznych i eksperymentalnych wynika, że gwałtowny spadek temperatury w wyniku efektu Joule’a-Thomsona można trwale i całkowicie wyeliminować. Otóż w mieszaninie zawierającej co najmniej 20% He nie następuje spadek temperatury gazu podczas przepływu przez automat. Może w pierwszej chwili to stwierdzenie wydaje się szokujące, ale takie są termodynamiczne własności helu. Otóż temperatura czystego helu przepływającego przez automat wzrasta o około 10 oC. Wystarczy zatem dodać do mieszaniny oddechowej hel, aby zmniejszyć lub całkowicie wyeliminować możliwość zamarznięcia automatu, niezależnie od temperatury wody w której się nurkuje.
Przedstawione powyżej stwierdzenia brzmią zachęcająco, ale trzeba jeszcze wytłumaczyć dlaczego tak się dzieje. Niestety wiedza z termodynamiki, jaka jest wykładana na kursach nurkowych, jest niewystarczająca do zrozumienia tego zjawiska. Efekt Joule’a-Thomsona można wyjaśnić tylko na podstawie analizy własności gazu rzeczywistego a nie doskonałego. Dalsze rozważania będą poprzedzone wyjaśnieniem kilku pojęć z termodynamiki.
Większość obliczeń termodynamicznych prowadzi się w oparciu o teorię gazu doskonałego. Gaz doskonały to taki gaz, dla którego przyjmuje się, że cząsteczki są punktami materialnymi, między cząsteczkami nie zachodzą żadne oddziaływania, zderzenia między cząsteczkami są doskonale sprężyste. Zachowanie się gazu doskonałego jest opisane równaniem Clapeyrona.
pV = mRgT
p – ciśnienie, V – objętość, m – masa, Rg – indywidualna stała gazowa zależna od rodzaju gazu, T – temperatura bezwzględna w K (nb. ta postać jest szczególnie przydatna przy sporządzaniu bilansu masy mieszanin gazowych). Szczególnymi przypadkami równania Clapeyrona są prawa Boyla-Mariotte’a i Gay-Lusaca omawiane na kursach nurkowych.
Natomiast w gazie rzeczywistym uwzględnia się objętość cząsteczek, a zwłaszcza oddziaływania międzycząsteczkowe. Zachowanie się takiego gazu opisują równania np. Van der Waalsa, Redlicha-Kwonga czy wirialne.
Kolejnym istotnym pojęciem jest energia wewnętrzna gazu. W gazie doskonałym energia wewnętrzna zależy tylko od temperatury, czyli od energii kinetycznej cząsteczek. Cząsteczki gazu są w bezustannym ruchu, zderzają się między sobą i ściankami naczynia. Średnią energię kinetyczną tych cząsteczek postrzegamy jako temperaturę. W gazie rzeczywistym należy jeszcze uwzględnić energię potencjalną. Między cząsteczkami gazu działają siły odpowiedzialne za istnienie energii potencjalnej. Na rysunku przedstawiono zależność tych sił (potencjał Lennarda-Jonesa) w zależności od odległości między cząsteczkami. Jeżeli cząsteczki są zbyt blisko siebie (bliżej niż r0) to odpychają się, jeżeli są dalej niż r0, to przyciągają się. Do punktu r0’ energia potencjalna maleje wraz z odległością. Zrozumienie tego wykresu jest kluczowe dla późniejszej analizy efektu Joule’a-Thomsona.

Rys. 1. Potencjał Lennarda-Jonesa w zależności od odległości między cząsteczkami.

Oprócz energii wewnętrznej, dla gazów wprowadza się pojęcie entalpii. Rozważmy następującą sytuację: do butli zawierającej gaz o energii wewnętrznej U0 przetaczamy porcję gazu o energii wewnętrznej U1. Okazuje się, że energia wewnętrzna gazu w butli po przetoczeniu będzie większa od sumy U0 + U1. Jest to związane z tym, że gaz wpływający do butli wykonuje tzw. pracę wtłoczenia. Mówiąc obrazowo, gaz w butli musi się sprężyć, aby zrobić miejsce dla dopływającego gazu. Zatem całkowita energia dostarczona do butli jest równa energii wewnętrznej U1 i pracy wtłoczenia. Sumę tych dwu wielkości nazywa się entalpią.
Mówiąc obrazowo fakt, że do butli dostarczamy entalpię a nie tylko samą energię wewnętrzną, oznacza, że temperatura w napełnianej butli zawsze będzie rosła. Nawet jeżeli temperatury gazów, dopływającego i będącego w butli, są takie same, to energia związana z pracą wtłoczenia zwiększy energię kinetyczną cząsteczek gazu po zmieszaniu. Odczuwa się to poprzez wzrost temperatury. Analogicznie przy wypuszczaniu gazu z butli – temperatura gazu w butli zmniejsza się. Z butli wypływa entalpia a nie tylko energia wewnętrzna gazu. Opisane powyżej zjawiska zachodzą niezależnie od rodzaju gazu. Tak samo będzie zachowywała się butla z powietrzem, helem czy tlenem.
Posiadając te podstawowe wiadomości z termodynamiki można pokusić się o analizę efektu Joule’a-Thomsona, który opisuje zmianę temperatury gazu podczas dławienia izentalpowego. Jest to taki proces zachodzący w przewodzie, przez który przepływa gaz (np. automat oddechowy można potraktować jako taki przewód). Przepływający gaz rozpręża się od ciśnienia początkowego p1 do końcowego p0 (dławienie). Zakłada się, że przepływ jest na tyle szybki, że nie zachodzi wymiana ciepła z otoczeniem. Przyjmuje się, że entalpie gazu wpływającego i wypływającego z poszczególnych odcinków przewodu są sobie równe (proces izentalpowy). Na stan termodynamiczny przepływającego gazu ma wpływ zwiększająca się odległość między cząsteczkami w wyniku spadku ciśnienia. Energia potencjalna może się zwiększyć lub zmniejszyć w zależności od tego, czy na początku procesu odległość między cząsteczkami gazu r była większa czy mniejsza od r0’. Jeżeli r<r0’, to energia potencjalna zmniejszyła się. Ponieważ nie nastąpiła wymiana energii z otoczeniem, to ta energia musiała zostać przejęta przez energię kinetyczną cząsteczek, co oznacza wzrost temperatury. W tym przypadku dławieniu izentalpowemu towarzyszy wzrost temperatury. W przeciwnym razie, gdy r > r0’, to energia potencjalna wzrasta kosztem energii kinetycznej i temperatura spada. Tego efektu nie da się opisać korzystając z pojęcia gazu doskonałego, które zaniedbuje energię potencjalną.
To czy w danym gazie odległość między cząsteczkami r jest większa czy mniejsza od odległości krytycznej zależy od ciśnienia i temperatury. Dla różnych gazów są inne parametry ciśnień i temperatur (tzw. krzywa inwersji), w których odległości mają wartość krytyczną. Dla większości gazów sprężonym w butli do 200 bar w temperaturze otoczenia zachodzi r > r0’. Od tej reguły są trzy wyjątki: hel, wodór i neon. Stąd przy odpowiednich proporcjach trimixu temperatura nie powinna spadać podczas dławienia izentalpowego.
Podsumowując procesy termodynamiczne zachodzące podczas wypływu gazu z butli należy stwierdzić, że:
1) temperatura gazu w butli obniża niezależnie od jego rodzaju, ponieważ z butli wypływa entalpia (obniża się początkowa temperatura gazu, który będzie później podlegał dławieniu izentalpowemu)
2) w przestrzeni od zaworu do II stopnia zachodzi dławienie izentalpowe, w wyniku czego temperatura może spaść lub wzrosnąć w zależności od rodzaju gazu.
W rzeczywistości dochodzi jeszcze wymiana ciepła z otaczającą wodą, co niweluje w pewnym stopniu niekorzystny efekt spadku temperatury.

Tyle mówi nam teoria. Jak to się jednak ma do praktyki nurkowej? Otóż nurkowałem wielokrotnie na trimixie w zimnej wodzie na spore głębokości. Nigdy nie miałem problemu z zamarzaniem automatu. Być może dlatego, że używałem dobrych automatów, tzn. takich w których jest dobra wymiana ciepła z wodą. W celu wykonania jednoznacznego eksperymentu, do dodatkowej butli zawierającej trimix założyłem automat Scubapro R190, który jest znany z dużej podatności na zamarzanie. Wykonaliśmy nurkowanie w kamieniołomie w Złotoryi na 42m, gdzie wspomniany automat obróciłem ustnikiem do góry i nacisnąłem od dołu membranę. Pomimo spuszczenia kilkudziesięciu bar automat nie zamarzł. Wypływ ustał natychmiast po puszczeniu membrany. Temperatura wody wynosiła 5 0C. Wykonaliśmy również pomiary temperatury gazu w komorze średniego ciśnienia w I stopniu automatu. Przez wywiercony w zaślepce otwór wprowadziliśmy termoelement. Pomiary przeprowadziliśmy dla powietrza, trimixu i czystego helu. Kierunek zmian temperatury odpowiadał wynikom rozważań teoretycznych. Jednak zmierzone zmiany temperatur były mniejsze niż wynikało to z obliczeń. Najprawdopodobniej było to spowodowane dokładnością zastosowanej procedury pomiarowej.
Podsumowując, przeprowadzone nurkowania i pomiary wykazują, że możliwe jest całkowite wyeliminowanie zamarzania automatów przez zastosowanie mieszanki helowej.

        dr inż. Wiktor Bolek
     konsultacja dr hab. inż. Maciej Chorowski