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 …