Rendimiento respiratorio de los reguladores

El trabajo respiratorio (TR) es la energía que se gasta al inhalar y exhalar un gas respiratorio . Generalmente se expresa como trabajo por unidad de volumen, por ejemplo, julios/litro, o como una tasa de trabajo (potencia), como julios/min o unidades equivalentes, ya que no resulta particularmente útil sin una referencia al volumen o al tiempo. Puede calcularse en función de la presión pulmonar multiplicada por el cambio en el volumen pulmonar, o en función del consumo de oxígeno atribuible a la respiración. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

El trabajo respiratorio total al usar un aparato respiratorio es la suma del trabajo fisiológico de la respiración y el trabajo mecánico del aparato. En estado de reposo normal, el trabajo fisiológico de la respiración constituye aproximadamente el 5 % del consumo total de oxígeno del cuerpo. Puede aumentar considerablemente debido a una enfermedad ^{[ 9 ]} o a limitaciones en el flujo de gas impuestas por el aparato respiratorio, la presión ambiental o la composición del gas respiratorio. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

El rendimiento de un regulador se refiere al trabajo mecánico de respiración del regulador y excluye el trabajo fisiológico de la respiración. El trabajo mecánico de respiración está fuertemente influenciado por la frecuencia respiratoria, que se especifica en las normas.

Para un volumen determinado durante un tiempo dado, el trabajo respiratorio para el ciclo respiratorio completo y para la fase de inhalación se calcula a partir de las presiones instantáneas medidas entre el interior y el exterior de la carcasa del regulador. Los cambios de volumen se conocen a partir de las características del simulador de ciclo respiratorio de desplazamiento positivo. También se miden y registran las presiones máximas y los picos de presión transitorios para su análisis, ya que existen límites especificados en las normas para estos valores. El trabajo respiratorio es la presión instantánea multiplicada por el cambio de volumen, integrada a lo largo del ciclo, y el trabajo respiratorio durante la inhalación es el trabajo respiratorio durante la fase de inhalación del ciclo.

El ciclo respiratorio de la máquina de prueba puede no representar con precisión el flujo de una respiración humana. La máquina de prueba ANSTI utiliza un cambio de volumen sinusoidal, que es fácil de analizar. La respiración humana puede ser muy variable.

Los procedimientos de prueba en aguas frías no tripuladas de la Unidad de Buceo Experimental de la Armada de los EE. UU. (1994) se han utilizado como un estándar no oficial para pruebas en aguas frías por varios usuarios militares y fabricantes de equipos importantes. ^{[ 4 ]}

La norma europea CE EN 250 de 1993 para circuitos abiertos estableció un nivel más alto para las pruebas de buceo en circuito abierto en cuanto a rendimiento respiratorio, pruebas en agua fría, resistencia a la presión, resistencia mecánica, temperaturas de almacenamiento y pruebas de lavado con CO₂. La norma también estableció requisitos para _el análisis de modos y efectos de fallas , y otros aspectos relacionados con la fabricación, el control de calidad y la documentación. Esta norma puso de manifiesto problemas con muchos equipos existentes y propició mejoras significativas en el rendimiento de los reguladores de circuito abierto. ^{[ 4 ]}

Las primeras pruebas realizadas por la Armada de los Estados Unidos dieron origen a las pruebas de simulación de aparatos de respiración subacuática a finales de la década de 1970. Los sistemas de simulación de respiración construidos por Stephen Reimers fueron adquiridos por el Ministerio de Defensa del Reino Unido y por algunos fabricantes de equipos privados, como Kirby Morgan Diving Systems , y contribuyeron al desarrollo de las normas europeas a principios de la década de 1990. Sin embargo, la introducción de un sistema completo de simulación de respiración por parte de ANSTI Test Systems Ltd en el Reino Unido hizo posible las pruebas precisas con simuladores de respiración que se utilizan actualmente. Los sistemas computarizados de simulación de respiración de ANSTI permitieron realizar pruebas más rápidas, sencillas y precisas, y están diseñados para realizar pruebas en todas las temperaturas del agua realistas. ^{[ 4 ]}

El sistema incluye un control preciso de la humedad y la temperatura de exhalación, así como un control de la temperatura del agua ambiental de 0 a 50 °C (32 a 122 °F) , instalaciones para el análisis de CO2 respiración por respiración y _el control del punto de ajuste del rebreather de circuito cerrado y pruebas de resistencia del depurador . ^{[ 4 ]} Ni la norma EN250 ni los procedimientos de prueba no tripulados de la Marina de los EE. UU. utilizan ningún tipo de escenario de buceo humano del mundo real como base para las pruebas, incluidas las pruebas en agua fría. El procedimiento de la Armada de los EE. UU. ha sido probar los reguladores principalmente a una profundidad de 190 pies de agua de mar (58 metros de agua de mar) en agua de 28 a 29 °F (−2 a −2 °C) a una tasa de respiración muy alta de 62,5 l/min durante un mínimo de 30 minutos, con una presión de entrada a la primera etapa de 1500 libras por pulgada cuadrada (100 bar) , lo que resulta en una temperatura promedio de entrada de la segunda etapa de alrededor de 7 °F (−14 °C) , en comparación con un promedio de −13 °F (−25 °C) si se usaran 3000 libras por pulgada cuadrada (210 bar) . ^{[ 4 ]} Los criterios de prueba de agua fría de la Armada de los EE. UU. y los criterios de prueba de la UE EN250 se basan en si el regulador cumple con los requisitos mínimos de rendimiento de respiración y si se inicia o no un flujo libre. Muy pocos reguladores pueden pasar esta prueba porque todos los reguladores formarán hielo en la segunda etapa bajo las condiciones extremas de la prueba, aunque esto puede no causar que el regulador fluya libremente o que se salga de los criterios de rendimiento. ^{[ 4 ]}          

Las pruebas en agua fría especificadas en la norma EN250:2000 someten los reguladores de buceo a pruebas en agua a 4 °C (39 °F) o menos. Los reguladores se prueban tanto en posición frontal como hacia abajo. La prueba comienza a 50 msw (50 msw) y el regulador se utiliza para respirar a 62,5 lpm durante cinco minutos. Para superar la prueba, el regulador debe mantenerse dentro de los límites de trabajo respiratorio y no debe presentar flujo libre. La formación de hielo no se considera siempre que no degrade el rendimiento respiratorio más allá de los requisitos mínimos de rendimiento y no presente flujo libre. ^{[ 4 ]}  

La prueba CE utiliza un suministro de aire que comienza a la presión máxima para la que está clasificado el regulador y se respira durante cinco minutos a 62,5 l/min con una temperatura de exhalación de 28 ±2 °C (82,4 ±3,6 °F) y una humedad relativa de exhalación no inferior al 90 %. ^{[ 4 ]}

El simulador respiratorio ANSTI tiene una presión máxima de trabajo de 100  msw. Utiliza un mecanismo de pistón para proporcionar un desplazamiento de volumen preciso y repetible mediante un mecanismo de accionamiento de onda sinusoidal. Dispone de ajustes de volumen corriente y frecuencia respiratoria que permiten obtener caudales de ventilación de 10 a 180 litros por minuto. ^{[ 10 ]}

En la Unión Europea, la norma EN250:2000 Equipos respiratorios. Aparatos de buceo autónomos de circuito abierto con aire comprimido. Requisitos, ensayos, marcado define los estándares mínimos de rendimiento para los "Aparatos de buceo autónomos de circuito abierto con aire comprimido" ^{[ 17 ]} y la BS 8547:2016 define los requisitos para los reguladores de demanda que se utilizarán a profundidades superiores a 50 m. ^{[ 18 ]} La norma EN 13949: 2003 – Equipos respiratorios – Aparatos de buceo autónomos de circuito abierto para su uso con nitrox y oxígeno comprimidos – Requisitos, ensayos, marcado define los requisitos para los reguladores que se utilizarán con niveles elevados de oxígeno. ^{[ 19 ]}

^{La norma contiene límites en las presiones de inhalación y exhalación y en} el trabajo respiratorio total. Especifica lo siguiente, bajo condiciones de prueba de una frecuencia respiratoria de 62,5 litros (2,2 pies³ ) por minuto y una presión ambiente de 6 bares (600 kPa) : ^{[ 17 ]}  

• Trabajo respiratorio: <3,0  julios por litro
• Presión respiratoria máxima: ±25  mbar (±2,5  kPa) (inhalación o exhalación)
• Trabajo respiratorio por inhalación: <0,3  julios por litro
• Picos de presión sin trabajo respiratorio positivo medible: <10  mbar (1  kPa)
• Picos de presión con trabajo respiratorio positivo medible: <5  mbar (0,5  kPa)

Aunque un regulador que cumpla con los límites anteriores suministrará suficiente aire cuando la primera etapa alimente una sola segunda etapa, no necesariamente será capaz de suministrar suficiente aire en todas las circunstancias cuando una sola primera etapa alimente dos segundas etapas simultáneamente. ^{[ 20 ]}

En el ejército de los Estados Unidos, el estándar para reguladores de buceo de una sola manguera era MIL-R-24169B, ahora retirado. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}