Mezcla de gases para buceo

La mezcla de gases para buceo consiste en llenar las botellas de buceo con gases respiratorios distintos del 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 facilitar la respiración .

El llenado de cilindros con una mezcla de gases conlleva peligros tanto para quien los llena 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 prevista. Si la concentración de oxígeno es demasiado baja, el buceador puede perder el conocimiento por hipoxia , y si es demasiado alta, puede sufrir toxicidad por oxígeno . La concentración de gases inertes, como el nitrógeno y el helio, se planifica y verifica para evitar la narcosis por nitrógeno y la enfermedad por descompresión.

Los métodos empleados incluyen la mezcla por lotes mediante presión parcial o fracción másica, y procesos de mezcla continua. Las mezclas finales se analizan para determinar su composición y garantizar la seguridad del usuario. En algunos casos, la legislación puede exigir a los operadores de mezclas de gas que demuestren su competencia si realizan el llenado para otras personas.

Para algunos tipos de buceo, se pueden utilizar con ventaja mezclas de gases distintas del aire atmosférico normal (21 % de oxígeno , 78 % de nitrógeno , 1 % de gases traza), ^{[ 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 un 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 igual riesgo. La reducción de nitrógeno también puede permitir no realizar paradas o reducir los tiempos de parada de descompresión o un intervalo de superficie más corto entre inmersiones. La hipótesis de que el nitrox puede reducir la narcosis puede tener cierta validez, ya que las investigaciones han demostrado que si el oxígeno también es narcótico, actúa de forma diferente al nitrógeno y, aparentemente, con un efecto menor. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

La mayor presión parcial de oxígeno debida 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 resultante de tres gases se denomina trimix , y cuando el nitrógeno se sustituye completamente por helio, heliox .

Para inmersiones que requieren paradas de descompresión prolongadas, los buceadores pueden llevar botellas con diferentes mezclas de gases para las distintas fases de la inmersión, denominadas normalmente gases de desplazamiento, de fondo y de descompresión. Estas mezclas de gases pueden utilizarse para prolongar el tiempo de fondo, reducir los efectos narcóticos de los gases inertes y disminuir los tiempos de descompresión .

La mezcla de gases conlleva varios riesgos:

• Los cilindros se llenan con gas a alta presión . Si existe algún daño o corrosión en el recipiente a presión o en las válvulas del cilindro, es entonces cuando es más probable que fallen estructuralmente. ^{[ 8 ] [ 9 ]}
• El oxígeno favorece la combustión ; al entrar en contacto con el combustible y el calor, se dan las tres condiciones necesarias para un incendio . Los incendios en presencia de altas concentraciones de oxígeno arden con mayor intensidad que los que se producen en el aire. Un incendio en presencia de gas a alta presión puede provocar la rotura de los cilindros.
• Se utilizan otros equipos de alta presión, como látigos, compresores, bancos de gas y válvulas, que pueden causar lesiones si se libera la presión o si se produce una falla mecánica mientras se trabaja bajo presión.
• Existe riesgo de incendio debido al combustible y al suministro eléctrico del compresor.
• Existe riesgo de lesiones por las partes móviles del compresor.
• Existe la posibilidad de asfixia debido a la presencia, en un espacio confinado, de grandes concentraciones de gases que no contienen oxígeno, como el helio.

Es posible que los mezcladores de gases creen mezclas tóxicas y peligrosas para los buceadores. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Un exceso o una deficiencia de oxígeno en la mezcla puede ser fatal para el buceador. Se utilizan analizadores de oxígeno para medir el contenido de oxígeno de la mezcla después de su preparación. Una mezcla inadecuada puede provocar análisis inexactos. Para garantizar que el usuario final conozca la composición del gas, el análisis se realiza en presencia del buceador, quien confirma la información firmando un registro.

Es posible que contaminantes tóxicos, como monóxido de carbono o lubricantes de hidrocarburos , entren en los cilindros desde el compresor de aire de buceo . ^{[ 8 ] [ 9 ]} Generalmente, esto se debe al mantenimiento del compresor o a la ubicación de la entrada de aire al compresor, aunque puede provenir de otras fuentes. ^{[ 8 ]}

Los contaminantes tóxicos también pueden entrar en la mezcla respiratoria si se quema algún material dentro de las válvulas de mezcla o las tuberías, por ejemplo, cuando se produce un calentamiento adiabático al decantar o aumentar el oxígeno. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

En presencia de grandes volúmenes de oxígeno a alta presión, uno de los vértices del triángulo del fuego se cumple en gran medida. Es fundamental que los otros dos vértices no se den.

Internamente, el equipo de mezcla y las botellas de buceo deben estar libres de oxígeno; se deben eliminar todos los combustibles y partículas que podrían ser fuentes de ignición . ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} 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 ambientes con alto contenido de oxígeno. ^{[ 11 ]}

En la mezcla de gases, se generan fácilmente altas temperaturas mediante calentamiento adiabático, simplemente decantando gas a alta presión en tuberías o cilindros de menor presión. ^{[ 9 ]} La presión disminuye a medida que el gas sale de la válvula abierta, pero luego aumenta cuando encuentra obstrucciones como un cilindro, una curva, una constricción o una partícula en la tubería.

Una forma sencilla de reducir el calor de la decantación es abrir las válvulas lentamente. ^{[ 9 ]} Con válvulas sensibles, como las de aguja , el gas puede pasar lentamente a través de la válvula para que el aumento de presión sea lento en el lado de baja presión. Las tuberías, juntas y válvulas en el sistema de mezcla deben diseñarse para minimizar las curvas pronunciadas y las constricciones repentinas. A veces se incluyen bucles de 360 ​​grados en las tuberías para reducir la vibración .

Los espacios donde se mezclan gases o se almacena oxígeno deben estar bien ventilados para evitar altas concentraciones de oxígeno y el riesgo de incendio.

Con el nitrox existen varios métodos de mezcla de gases: ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 12 ]}

• Mezcla por presión parcial: se decanta una presión medida de oxígeno en el cilindro y este se "rellena" con aire del compresor de aire de buceo . Para mezclas con una fracción de oxígeno del 40 % o superior, la calidad del aire suministrado debe ser adecuada para el servicio de oxígeno. Esto se suele conseguir utilizando un aceite de grado apropiado y un filtro en línea adicional (hiperfiltro) para reducir la contaminación residual de aceite en el aire comprimido y cumplir con los requisitos más estrictos para la mezcla con gases de alta presión parcial de oxígeno. En algunos países, la ley exige que los cilindros utilizados para la mezcla por presión parcial y para mezclas con una fracción de oxígeno superior al 40 % se limpien para el servicio de oxígeno. En Sudáfrica, un cilindro que se vaya a utilizar para mezclas con una alta presión parcial de oxígeno debe limpiarse antes de su uso. ^{[ 13 ]}
• Decantación de la mezcla prefabricada: el proveedor de gas suministra grandes cilindros con mezclas populares como el 32 % y el 36 %.
• Mezcla continua: un flujo regulado de oxígeno se introduce en un mezclador estático con aire, se analiza y se suministra a la entrada del compresor. El compresor, y en particular el aceite del compresor, debe ser apto para este servicio. Si la fracción de oxígeno es inferior al 40 %, algunos países no exigen la limpieza del cilindro ni de la válvula para el uso con oxígeno.
• Mezcla por fracción de masa: se añade oxígeno a un cilindro parcialmente lleno que se pesa con precisión hasta lograr la mezcla requerida.
• Mezcla por separación de gases : se utiliza una membrana permeable al nitrógeno para eliminar algunas de las moléculas de nitrógeno más pequeñas del aire a baja presión hasta lograr la mezcla deseada. El nitrox resultante a baja presión se bombea a cilindros mediante un compresor.

Las mezclas de helio pueden elaborarse mediante mezcla a presión parcial, mezcla por fracción de masa o comprimiendo una premezcla preparada a presión atmosférica (mezcla continua).

Mezcla y compresión continuas

Principio

La mezcla continua consiste en añadir los gases componentes de la mezcla de forma continua y, a continuación, comprimirla en un cilindro de almacenamiento. El objetivo 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 las especificaciones correctas. Esto generalmente requiere equipos para monitorizar y controlar el flujo de los gases de entrada, que suelen provenir de cilindros de almacenamiento de alta presión, ^{[ 9 ]} a excepción del aire, que normalmente se toma del ambiente.

Mezclando los gases

La mayoría de los compresores de gases respiratorios de alta presión están diseñados para aceptar el gas de entrada a presión atmosférica normal. Uno de los componentes habituales de las mezclas de gases respiratorios para buceo es el aire atmosférico, por lo que resulta 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 maneras, siempre que no restrinja excesivamente el flujo y mezcle adecuadamente los gases antes del análisis y antes de su entrada al compresor. Se ha utilizado con éxito una amplia gama de tubos mezcladores, tanto comerciales como de fabricación casera. ^{[ 9 ]}

Una configuración común para el tubo de mezcla consiste en un tubo de gran diámetro con una serie de deflectores internos que generan turbulencias en la mezcla después del punto de inyección, lo que provoca una mezcla bastante rápida hasta obtener una mezcla homogénea, que luego puede ser analizada continuamente por un instrumento de monitorización antes de su posterior procesamiento, o bien puede ser procesada y analizada 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 las especificaciones. El análisis posterior dificulta la corrección. La adición de componentes puede realizarse de forma secuencial o simultánea. Añadirlos simultáneamente implica que la mezcla se realiza una sola vez, lo que reduce la pérdida de presión en el sistema de admisión.

Es importante que los gases se mezclen completamente antes del análisis, ya que así este será más fiable. Asimismo, es fundamental asegurarse de que el contenido de oxígeno de los gases de admisión no varíe significativamente con el tiempo por motivos de seguridad, dado que el compresor probablemente solo funcionará de forma segura con una fracción de oxígeno limitada.

La mezcla continua mediante la adición en serie de oxígeno y helio permite utilizar la variación de la presión parcial de oxígeno como indicador del contenido de helio. Primero se añade el oxígeno y se mide la PO₂ _tras la mezcla; luego se añade helio en un segundo tubo de mezcla y se mide la PO₂ _a la salida tras la mezcla. La diferencia de PO₂ _puede utilizarse para calcular el PHe o, a la inversa, las presiones parciales del producto trimix deseado pueden utilizarse para calcular la PO₂ _en las etapas de nitrox y trimix de la mezcla.

Ejemplo:

El producto deseado es 50 % helio, 16 % oxígeno y el resto nitrógeno (34 %). La presión parcial de oxígeno (PO₂ ₎ tras la adición de helio debe ser de 0,16 bar si la pérdida de presión es insignificante.

La proporción de oxígeno a nitrógeno debe ser 16:34, lo que da 16/(16+34) = 32% de oxígeno, o 0,32 bar de PO ₂ para el nitrox.

Estos valores se verán afectados por las pérdidas de presión en los tubos de mezcla, por lo que puede ser necesaria cierta calibración empírica.

El caudal de gas suele controlarse mediante un regulador de gas industrial en la bombona y puede medirse con un caudalímetro industrial . La medición del caudal puede sustituir al análisis de la mezcla de gas, pero generalmente es menos precisa para predecir la mezcla suministrada debido a las variaciones de temperatura y a la eficiencia de suministro de gas del compresor, que pueden variar a medida que cambia la presión de suministro.

Los gases mezclados a la entrada del compresor estarán a una presión ligeramente inferior a la ambiente, debido a las pérdidas en el tubo de mezcla. Esto puede dificultar el uso de algunos 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, lo que puede dar lugar a una mezcla más rica de lo previsto, puesto que el flujo de oxígeno puede ajustarse a la presión parcial adecuada para la presión atmosférica, mientras que la mezcla medida se encuentra a una presión inferior.

Esto se puede compensar utilizando una pequeña bomba de muestreo que extraiga el gas del tubo de mezcla y lo suministre a los instrumentos, o bien, permitiendo la reducción de la presión de entrada 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 fracción de la presión absoluta en el punto de medición.

Compresión

Muchos compresores de alta presión utilizados para gases respiratorios son adecuados para comprimir mezclas de gases respiratorios 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 aumenta el 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 genera riesgo de incendio directamente, pero su temperatura aumenta más que la del oxígeno y el nitrógeno al comprimirse, lo que puede provocar el sobrecalentamiento de un compresor diseñado para aire. ^{[ 9 ]}

Esto puede provocar problemas con el lubricante y los cojinetes del compresor. 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 proporcional a la fracción de helio, lo que reduce la probabilidad de este problema. ^{[ 9 ]}

Análisis de la mezcla

La mezcla de gases debe analizarse antes de su uso, ya que una suposición inexacta sobre su composición puede provocar problemas de hipoxia o toxicidad por oxígeno en el caso del análisis de oxígeno, y enfermedad por descompresión si los componentes del gas inerte difieren de la composición prevista. El análisis de la fracción de oxígeno se suele realizar mediante un sensor electrogalvánico de oxígeno , mientras que la fracción de helio se suele determinar comparando la transferencia de calor entre el gas analizado y una muestra estándar. ^{[ 9 ]}

El llenado de aire consiste en rellenar una botella que contiene una mezcla de gases con aire comprimido, ya sea hasta la presión de trabajo de la botella o hasta una presión inferior arbitraria o calculada. En principio, es lo mismo que la etapa final de una mezcla a presión parcial, y la composición de la mezcla resultante puede calcularse previamente mediante un método similar o analizarse después del llenado, según si el análisis exacto es importante para el plan de inmersión.

Para evitar la toxicidad por oxígeno y la narcosis , el buceador debe planificar la mezcla necesaria y verificar las proporciones de oxígeno y gases inertes en la mezcla antes de bucear. ^{[ 9 ] [ 12 ]} Generalmente, la tolerancia de cada fracción de gas componente final debe estar dentro de +/-1% de la fracción requerida. Los instrumentos de análisis comúnmente utilizados por los mezcladores de gases para buceo recreativo/técnico suelen tener una resolución de 0,1% tanto para el oxígeno como para el helio.

Efectos reales del gas

A presiones superiores a unos 200 bar, la compresión de los gases comienza a desviarse de las leyes de los gases ideales. Por consiguiente, la mezcla a presión parcial debe tener en cuenta que los gases añadidos a mayor presión aportarán una proporción volumétrica menor que los añadidos a menor presión, y estas desviaciones de la linealidad variarán según el gas. Los cálculos para mezclas a alta presión con presión parcial pueden requerir el uso de la ecuación de Van der Waals . Esto no afecta a los gases premezclados, que mantendrán su proporción 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 aproximan al gas ideal a presiones mucho mayores que el helio, que se desvía significativamente incluso por debajo de los 200 bares. Las mezclas de aire y nitrox pueden aproximarse al gas ideal sin un error significativo hasta aproximadamente 230 bares a temperaturas normales.

Análisis de gases

Antes de que una mezcla de gases salga de la estación de mezcla y antes de que el buceador respire a través de ella, se debe comprobar la fracción de oxígeno en la mezcla. Generalmente se utilizan sensores electrogalvánicos de oxígeno para medir la fracción de oxígeno. ^{[ 9 ] [ 12 ]} También existen analizadores de helio , aunque actualmente son costosos, que permiten al buceador que utiliza Trimix determinar la proporción de helio en la mezcla. ^{[ 9 ] [ 14 ]}

Es importante que la mezcla de gases en un cilindro se mezcle completamente antes de analizarla, de lo contrario, los resultados serán inexactos. Cuando la mezcla a presión parcial o en masa se realiza a caudales bajos, los gases que entran en el cilindro no se mueven lo suficientemente rápido como para asegurar una buena mezcla, y particularmente 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 asegurará 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 corto período, pero los cilindros gemelos generalmente se invierten varias veces. La estratificación es más pronunciada con mezclas que contienen helio, pero también puede conducir a un análisis inexacto de mezclas de Nitrox. ^{[ 9 ]} Según Mark Gresham de PSI/PCI , golpear el cilindro con un martillo causará una mezcla inducida por energía sónica que es más efectiva que el rodado. No se presentaron datos experimentales sobre los efectos cuantitativos, pero cuando no hay más cambios en el análisis, es probable que la mezcla sea completa. ^{[ 15 ]}

No se dispone de especificaciones fiables sobre la cantidad de agitación necesaria para una mezcla completa, pero si el análisis permanece igual 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.

Una etiqueta que identifique el contenido del cilindro por tipo de gas y fracción constituyente puede ser requerida por ley y resulta útil para el usuario como registro de la última mezcla analizada en el cilindro. ^{[ 13 ]} Los detalles del formato de la etiqueta y la codificación por colores del cilindro varían según la jurisdicción. ^{[ 13 ] [ 9 ]}

En el Reino Unido y Sudáfrica , el oxígeno y el helio se compran a proveedores comerciales de gases industriales y medicinales, y generalmente se entregan en cilindros tipo "J" de 50 litros a una presión máxima de 200 bares. Además del costo del gas, pueden aplicarse cargos por el alquiler y la entrega de los cilindros.

El sistema de llenado en cascada se utiliza para decantar de forma económica desde bancos de cilindros de almacenamiento, de modo que se extraiga la máxima cantidad de gas posible del banco. ^{[ 9 ]} Esto implica llenar una botella de buceo decantando desde el cilindro del banco con la presión más baja que sea superior a la presión de la botella de buceo y, posteriormente, desde el siguiente cilindro del banco con mayor presión, sucesivamente, hasta que la botella de buceo esté llena. El sistema maximiza el uso del gas del banco de baja presión y minimiza el uso del gas del banco de alta presión.

Las bombas de refuerzo , como la bomba Haskel, pueden utilizarse para recuperar los restos de gases costosos en cilindros casi vacíos, lo que permite bombear gases a baja presión de forma segura a cilindros que ya contienen gas a mayor presión. ^{[ 9 ]}

La formación y certificación para la mezcla de gases de buceo la proporcionan algunas agencias de formación de buceadores, ^{[ 16 ]} y puede ser un requisito en virtud de la legislación o las normas nacionales. ^{[ 13 ]} La norma ISO 13293 establece estándares mínimos de formación para los mezcladores de gases para servicios de buceo recreativo en dos niveles. Un mezclador de gases de nivel 1 es competente para mezclar nitrox y manipular oxígeno, aire y nitrox, es decir, un mezclador de gases 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 gases trimix. ^{[ 17 ]}

Un mezclador de gases, según la norma ISO 13293 de nivel 1, debe ser competente para mezclar gas respiratorio Nitrox, y según la norma de nivel 2, competente para mezclar cualquier gas contemplado en la norma, que incluye principalmente el gas respiratorio trimix. Debe ser competente para mezclar, medir la composición, marcar la botella y registrar mezclas específicas según las especificaciones de composición y presión en una botella de alta presión compatible. La limpieza y el mantenimiento del equipo de oxígeno, el asesoramiento a un buceador sobre el uso del gas y el establecimiento de parámetros operativos para el mismo quedan fuera del alcance de esta competencia específica. ^{[ 17 ]}

• Bomba de refuerzo : máquina para aumentar la presión de un fluido. 
• Gas respiratorio : gas utilizado para la respiración humana. 
• Sistema de llenado en cascada : llenado de gas a presión desde una serie de cilindros de almacenamiento. 
• Heliox : gas respiratorio compuesto de helio y oxígeno. 
• Nitrox – Gas respiratorio, mezcla de nitrógeno y oxígeno 
• Mezclador estático : dispositivo para mezclar dos materiales fluidos en un tubo que contiene una serie de deflectores. 
• Trimix (gas respiratorio) : gas respiratorio compuesto de oxígeno, helio y nitrógeno. 

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