Que respire-t-on en plongée recycleur ?

Pendant mes formations de plongée aux mélanges en recycleur j’ai été confronté à un problème qui avait retenu mon attention. Après quelques tournages de méninges, j’avais trouvé la solution et depuis elle dormait dans mon disque dur. J’ai décidé de la partager en l’agrémentant de réflexion complémentaire histoire d’aller un peu plus loin.

Si grâce à un analyseur de gaz on connait facilement le gaz que l’on respire dans une bouteille de plongée, qu’en est-il du gaz qu’on respire dans un recycleur ?

En effet, en bouteille qu’on plonge avec de l’air, du nitrox ou du trimix ce qu’il y a dans la bouteille ne changera pas en cours de plongée quelle que soit la profondeur. Par contre en recycleur ce n’est pas pareil car le principe est de mélanger tout au long de la plongée un gaz dit « diluant » avec de l’oxygène. Un peu comme l’eau et le pastis pendant l’apéro… 🙂

Je vais essayer de répondre à cette question en 3 parties :

  1. Description générale du principe de fonctionnement d’un recycleur à circuit fermé (si jamais tu n’es pas familier avec le système).
  2. Evolution et calcul du mélange de gaz respiré dans un recycleur à circuit fermé
  3. Quelques particularités du recycleur à circuit fermé (c’est plutôt une réflexion personnelle de certains détails).

Pour plus d’informations je cite les références sur lesquelles je m’appuie à la fin de l’article.

1. Principe de fonctionnement d’un recycleur à circuit fermé

Si tu ne connais pas le principe, voici synthétiquement comment fonctionne un recycleur à circuit fermé. Néanmoins le but de cet article n’est pas de rentrer dans le détail de chaque constituant ni de décrire précisément leur utilisation. On se concentrera uniquement sur les gaz respirés et on ne parlera que du recycleur à circuit fermé dans cet article.

En recycleur à circuit fermé on maintient la pression partielle d’oxygène (PO2) constante dans le mélange gazeux respiré par le plongeur, pendant toute la plongée quelle que soit la profondeur. Pour cela on mélangera autant de fois que nécessaire le gaz diluant, de l’air ou du trimix, avec de l’oxygène. A chaque fois la répartition du mélange gazeux respiré par le plongeur en sera modifiée. Au final, on veut avoir un mélange qui :

  • minimise la saturation de l’organisme en gaz inertes (azote et hélium) d’où le maintien de la pression partielle d’oxygène (PO2) constate et la plus haute possible.
  • n’expose pas le plongeur à la toxicité des gaz comme l’hyperoxie, l’hypoxie, l’hypercapnie, la narcose.

Ces deux principes sont similaires à ceux de la plongée aux mélanges en bouteille (nitrox ou au trimix). La différence du recycleur se fait sur le maintien de la pression partielle d’oxygène (PO2) constate,  alors qu’en bouteille elle varie avec la profondeur.

D’autre part un recycleur à circuit fermé n’émet pas de bulles, les gaz circulent en boucle entre la machine et le plongeur au rythme des cycles respiratoires. On dit que le plongeur respire dans une boucle. Cette boucle étant fermée l’oxygène consommé par le métabolisme du plongeur devra être régulièrement remplacé pour rester en quantité constante. En réponse à la consommation d’oxygène il faudra ensuite filtrer le gaz carbonique (CO2) produit par le métabolisme du plongeur afin d’éviter l’intoxication de ce dernier.

Pour cela on utilise de la chaux sodée comme matériau filtrant qui par combinaison avec le CO2 va engendrer une réaction chimique de carbonatation. Cette réaction fixera le CO2 à la chaux, produira de l’eau (en vapeur ou eau condensé en petite quantité) et dégagera une légère chaleur. En plus de retenir le gaz carbonique, la réaction de carbonatation va chauffer et humidifier le mélange respiré par le plongeur contrairement à la plongée bouteille où le gaz est froid et sec. De plus la respiration du plongeur contribue également à chauffer et humidifier les gaz respirés lorsqu’ils pénètrent les voies respiratoires. De la vapeur d’eau vient donc s’ajouter au mélange fait entre le gaz diluant et l’oxygène.

En fait on appelle ça un scaphandre recycleur mais le mécanisme ressemble plutôt à celui d’un scaphandre filtreur, humidificateur, mélangeur ; c’est moins sexy dit comme ça.

Pour finir, en recycleur on n’échappe pas aux variations des pressions ambiantes et des volumes de gaz. Comme on est en circuit fermé, le plongeur devra effectuer des manœuvres pour compenser les variations de volumes et conserver un volume respiratoire confortable dans la boucle (ni trop grand ni trop petit). En effet, le simple fait de respirer (inspiration ou expiration) comme en plongée bouteille (circuit ouvert) ne suffit plus. Soit le plongeur ajoutera du gaz dans la boucle à la descente pour compenser la diminution de volume. Soit il évacuera du gaz en dehors de la boucle à la remontée, par le nez ou la bouche, pour limiter l’augmentation de volume ; à ce moment le plongeur recycleur fait quelques bulles.

2. Evolution et calcul du mélange de gaz

2.1 Comment évolue le mélange gazeux dans un recycleur ?

Si en recycleur on veut savoir quel mélange on est en train de respirer il faudra tenir compte des trois paramètres que l’on connaît :

  • La répartition entre l’oxygène (O2), l’azote (N2) et l’hélium (He) dans le gaz diluant. Pour cela on utilise un analyseur de gaz. Ce gaz ne change pas pendant la plongée.
  • La pression ambiante, en fonction de la profondeur de plongée. Cette valeur change à chaque fois que le plongeur change de profondeur.
  • La valeur de pression partielle d’oxygène que l’on souhaite maintenir constamment dans le mélange. Cette valeur, aussi appelée setpoint (SP), est définie par le plongeur (généralement 1,2 à 1,3 bar). Cette valeur reste constante pendant la plongée.

Par simplification on se place dans cet article dans le cas des pratiques usuelles de la plongée en recycleur, c’est-à-dire que :

  • la pression partielle d’oxygène (PO2) du diluant doit toujours être inférieure à la valeur du setpoint (SP).
  • on ne considère pas les cas on l’on utilise plusieurs valeurs de setpoint (haute ou basse), mais le principe reste le même.
  • on ne change pas diluant pendant la plongée mais le principe reste là aussi le même.

Pour répondre à notre question, il faudra se demander ce que devient notre mélange gazeux à chaque profondeur. Pour illustrer le principe considérons deux cas principaux.

Au fond où la pression ambiante est importante Près de la surface où la pression ambiante est faible

La pression partielle d’oxygène dans le mélange est égale au setpoint, elle ne change pas.

La pression ambiante étant élevée, les pressions partielles du  gaz diluant pour l’oxygène, l’azote et l’hélium le sont également. Donc plus on descend plus la PO2 du diluant augmente et se rapproche de la valeur du setpoint.

Donc plus on descend, plus la quantité d’oxygène à ajouter pour atteindre la valeur du setpoint est faible. On ajoutera donc plus de diluant que d’oxygène à la descente.

Avec une pression ambiante élevée et la PO2 du mélange limitée à la valeur du setpoint, on a dans le mélange gazeux peu d’oxygène par rapport aux autres gaz (azote et hélium).

La pression partielle d’oxygène dans le mélange est égale au setpoint, elle ne change pas.

La pression ambiante étant faible, les pressions partielles du gaz diluant pour l’oxygène, l’azote et l’hélium le sont également. Plus on remonte plus la PO2 du diluant diminue et s’éloigne de la valeur du setpoint.

Donc plus on remonte, plus la quantité d’oxygène à ajouter pour atteindre la valeur du setpoint est importante. On ajoutera donc surtout  de l’oxygène à la remontée.

Quand la pression ambiante est faible même si on limite la PO2 du mélange à la valeur du setpoint, on a dans le mélange gazeux beaucoup d’oxygène par rapport aux autres gaz (azote et hélium).

Une fois que l’on a compris comment évolue le mélange gazeux que l’on respire, on peut se demander comment calculer la réparation O2 – N2 – He de notre mélange en fonction des trois paramètres cités précédemment :

  • La répartition O2 – N2 – He du gaz diluant,
  • La pression ambiante,
  • La valeur du setpoint.

Si le principe n’est pas encore clair tu comprendras mieux dans l’exemple de calcul au paragraphe 2.3. D’autre part dans la suite de l’article je parlerai uniquement de gaz diluant trimix composé d’oxygène, d’azote et d’hélium pour englober tous les cas de figure. Mais si dans un autre cas tu utilises un gaz diluant air il suffit juste de mettre la valeur de l’hélium égale à zéro.

2.2 Application mathématique

Essayons de calculer les pourcentages des gaz constituant le mélange respiré dans la boucle. Pour cela on a :

Dans le diluant Dans le mélange diluant + oxygène

On connaît le pourcentage d’O2, de N2 et d’He lorsqu’on analyse notre gaz diluant avant la plongée.

On a :

O2 + N2 + He = 1 \ ou \ 100\%

Avec :

O2 = \frac{VO2}{V} \ ; \ N2 = \frac{VN2}{V} \ ; \ He = \frac{VHe}{V}

On connaît la PO2 que l’on souhaite atteindre d’après la valeur du setpoint.

On a :

O2' + N2' + He' = 1 \ ou \ 100\%

Avec :

O2' = \frac{VO2'}{V'} \ ; \ N2' = \frac{VN2'}{V'} \ ; \ He' = \frac{VHe'}{V'}

Les volumes de gaz inerte (N2 et He) sont les mêmes que ceux du diluant seul. En effet on ajoute que de l’oxygène. Le schéma ci-dessous illustre ce principe. Néanmoins les volumes ne nous intéressent pas vraiment, car il est plus pratique de parler en pourcentage dans la plongée aux mélanges.

Cependant l’ajout d’oxygène augmente le volume total du mélange. Les pourcentages de gaz inertes sont donc différents du diluant seul. Mais que deviennent-ils alors ?

Connaissant la PO2 que l’on va respirer en plongée (qui est égale au setpoint) il est facile, d’après la profondeur que l’on veut atteindre, de déterminer le pourcentage d’oxygène dans le mélange respiré :

O2' = \frac{SP}{P} \ avec \ P = Pression \ absolue

On a donc :

\frac{SP}{P} + N2' + He' = 1

Et on en déduit que le pourcentage total des gaz inertes du mélange vaut (1) :

N2' + He' = 1 - \frac{SP}{P}

Mais que valent N2′ et He’ indépendamment ? Pour le déterminer on va se focaliser sur les gaz inertes du diluant et du mélange. En effet la quantité de chaque gaz inerte (azote ou hélium) par rapport à la quantité totale de gaz inerte (azote + hélium) est la même entre le diluant et le mélange ; c’est-à-dire :

Pour l’azote :

\frac{N2}{N2 + He} = \frac{N2'}{N2' + He'}

Pour l’helium :

\frac{He}{N2 + He} = \frac{He'}{N2' + He'}

En effet on a vu que les volumes de gaz inertes sont les mêmes entre diluant seul et le mélange donc les rapports entre-deux seront également les mêmes. Ensuite pour déterminer N2′ et He’, on en déduit par un produit en croix :

Pour l’azote (2) :

N2' = \frac{N2}{N2 + He} * (N2' + He')

Pour l’hélium (3) :

He' = \frac{He}{N2 + He} * (N2' + He')

Pour finir on combine les équations (2) et (3) avec l’équation (1) pour trouver les pourcentages N2′ et He’ :

N2' = \frac{N2}{N2 + He} * ( 1 - \frac{SP}{P} ) 

He' = \frac{He}{N2 + He} * ( 1 - \frac{SP}{P} )

On connaît N2 ; He ; SP et P donc on peut maintenant calculer O2′ ; N2′ et He’ du mélange. N’oublie pas que pour appliquer ces formules il faut que la pression partielle d’oxygène (PO2) du diluant soit inférieure à la valeur du setpoint (SP).

Il est également possible d’arriver au même résultat en utilisant la loi des gaz parfaits « P.V = n.R.T » combinée avec la loi de Dalton sur les pressions partielles. Pour cela il suffit de faire le bilan pour le diluant et le mélange diluant + oxygène de chaque gaz O2, N2 et He et de résoudre les inconnues. On considérera également que les échanges se font à température constante (ce qui est plutôt vrai dans la réalité).

2.3 Exemple de calcul

Voyons ce que ça donne en chiffres pour un gaz diluant trimix 10/50. On a donc O2 = 10% ; N2 = 40% et He = 50%. On considèrera une valeur habituellement utilisée en plongée recycleur de SP = 1,3 bar (pression partielle d’oxygène dans le mélange). Le mélange diluant+oxygène devient ensuite :

A 70 mètres de profondeur

A 10 mètres de profondeur

P = 8 bar

PO2 diluant = 8 * 0.1 = 0.8 bar < SP = 1.3 bar : OK

Donc :

O2' = \frac{1.3}{8} = 0.1625 \rightarrow 16.25\%

N2' = \frac{0.4}{0.4 + 0.5} * ( 1 - \frac{1.3}{8} ) = 0.3722 \rightarrow 37.22\%

He' = \frac{0.5}{0.4 + 0.5} * ( 1 - \frac{1.3}{8} ) = 0.4653 \rightarrow 46.53\%

On respire donc un trimix 16/47.

P = 2 bar

Donc :

O2' = \frac{1.3}{2} = 0.65 \rightarrow 65.00\%

N2' = \frac{0.4}{0.4 + 0.5} * ( 1 - \frac{1.3}{2} ) = 0.1556 \rightarrow 15.56\%

He' = \frac{0.5}{0.4 + 0.5} * ( 1 - \frac{1.3}{2} ) = 0.1944 \rightarrow 19.44\%

On respire donc un trimix 65/19.

Les résultats illustrent bien le principe décrit au paragraphe 3. En effet on a beaucoup plus d’oxygène près de la surface et on voit qu’en profondeur le pourcentage de gaz inertes  est important ; même si dans cet exemple il n’est que légèrement modifié par rapport au diluant.

On pourrait s’arrêter là pour répondre à la question de départ « que respire-t-on en plongée recycleur ? ». Mais pour les geeks de la plongée comme moi  j’aimerais discuter d’autres points histoire de faire la synthèse de mes réflexions de paliers. Eh oui, on s’occupe l’esprit comme on peut au palier. 😉

3. Quelques particularités du recycleur à circuit fermé

3.1 Le dégazage du plongeur

Si lors de la descente et au fond le mélange gazeux se fait tranquillement entre le diluant et l’oxygène, lors de la remontée le plongeur vient influencer tout ça. En effet ce dernier va entamer sa désaturation et comme on est en circuit fermé il va relâcher dans la boucle les gaz inertes (N2 et He) qu’il a accumulé au fond. Plus il a saturé plus il doit en évacuer. Est-ce que cela à impact sur le mélange respiré ?

Comme on est en train de remonter on ajoute de plus en plus d’oxygène pour maintenir la PO2 du mélange au niveau du setpoint (cf. §3). Peu à peu cet oxygène vient donc remplacer les gaz inertes dans la boucle, ceux déjà présents dans le mélange et ceux relâcher par le plongeur.

Même si les gaz inertes sont peu à peu évacués on ne pas dire avec un simple calcul ce qu’on respire précisément à ce moment.  A chaque instant de la désaturation du plongeur cela dépendra du mélange dans la boucle et de la quantité de gaz inertes désaturés. Ce n’est pas vraiment une science simple et exacte d’un individu à l’autre même si des équations de calculs de saturation et désaturation peuvent aider à déterminer cela. Donc on ne sait pas trop ce qu’il se passe…

En pratique on s’en contentera cela nous évitera d’en faire une usine à gaz. En effet le dégazage du plongeur est lent, car limité par les paliers et la quantité de gaz relâchés par ce dernier n’est pas assez grande par rapport à la quantité d’oxygène ajouté pour influencer majoritairement le mélange dans la boucle. Le maintien de la PO2 constante permet donc d’avoir un mélange suffisamment proche de valeurs calculées précédemment, de diminuer constamment la proposition de gaz inertes tout au long de la remontée et d’assurer une meilleure désaturation par rapport à la plongée bouteille ou la PO2 est variable.

3.2 La vapeur d’eau

On a vu précédemment que des réactions de carbonatation et des échanges pulmonaires humidifiés et chauffés les gaz respirés. Cette vapeur d’eau vient donc s’ajouter au mélange gazeux de la boucle respiratoire. Encore une fois, est-ce que cela à impact sur le mélange respiré ?

Au départ je me suis posé la question de l’influence de la vapeur d’eau, car je sais que cette dernière est prise en compte dans la composition du gaz alvéolaire intégré dans les équations de calcul de saturation des tissus. Je me demandais donc en quelle quantité la vapeur du mélange respiré allée s’ajouter à celui du gaz alvéolaire.

Concernant les échanges pulmonaires on sait qu’en moyenne la pression partielle de vapeur d’eau du gaz alvéolaire est de 0,0627 bar pour une température de 37°C (cette valeur varie légèrement selon les sources). L’organisme maintient cette valeur constante. Concernant la réaction de carbonatation on n’a pas de valeur définie sur la quantité d’eau qu’elle pourrait dégager. Avec deux sources potentielles de production de vapeur d’eau dans la boucle il n’est pas évident de déterminer une valeur précise. Néanmoins en s’intéressant au comportement physique de la vapeur d’eau et en émettant quelques hypothèses j’ai trouvé un début de raisonnement.

En effet au-delà d’une certaine pression partielle de vapeur, l’eau condensera sous forme liquide et n’entrera plus en compte dans la composition du mélange gazeux. On constate ce phénomène après une plongée, lorsqu’on ouvre le recycleur il est plein de condensation. La valeur limite entre vapeur d’eau et eau condensée s’appelle la pression de vapeur saturante. Elle dépend essentiellement de la température, la pression ambiante influe peu. Plus le gaz est chaud, plus la pression de vapeur saturante est élevée. Donc que l’eau provienne de la réaction de carbonatation ou des échanges pulmonaires au-delà de la pression de vapeur saturante elle n’entrera plus en jeu dans la composition du mélange gazeux, car elle condensera. En quelque sorte on a dans la boucle, comme pour l’oxygène, une pression partielle de vapeur d’eau constante.

Par simplification on considèrera que la réaction de carbonatation et les échanges pulmonaires permettent de maintenir le gaz dans la boucle à la température corporelle de 37°C. Cette approche permet de maximiser les effets de la vapeur d’eau sur le mélange gazeux dans la boucle. En réalité on devrait théoriquement être en dessous de cette valeur. En effet le recycleur est en contact avec l’eau qui refroidit le gaz de la boucle. La pression de vapeur saturante devrait donc être plus faible.

En suivant le même raisonnement qu’au paragraphe 4 on ajoute la vapeur d’eau (H2O) dans le mélange. Grosso modo la pression de vapeur saturante de l’eau à 37°C est égale à celle du gaz alvéolaire soit 0,0627 bar. Certes c’est assez faible mais voyons ce que ça donne en chiffres. On a maintenant dans la boucle :

O2' + N2' + HE' + H2O = 1 \ ou \ 100\%

O2' = \frac{SP}{P} \ et \ H2O = \frac{0.0627}{P} \ donc \ N2' + He' = 1 - \frac{SP}{P} - \frac{0.0627}{P}

N2' = \frac{N2}{N2 + He} * ( 1 - \frac{SP}{P} - \frac{0.0627}{P} )

He' = \frac{He}{N2 + He} * ( 1 - \frac{SP}{P} - \frac{0.0627}{P} )

En reprenant le diluant trimix 10/50 et le setpoint SP = 1,3 bar de l’exemple de calcul du paragraphe 5, voyons ce que devient le mélange dans la boucle avec la vapeur d’eau.

A 70 m A 10 m
P = 8 bar

PVAPEUR D’EAU = 0,0627 bar

Donc :

O2' = \frac{1.3}{8} = 0.1625 \rightarrow 16.25\%

H2O = \frac{0.0627}{8} = 0.0078 \rightarrow 0.78\%

Le pourcentage de vapeur d’eau est tellement faible qu’on comprend bien qu’il n’influera pas significativement les proportions de gaz inertes.

P = 2 bar

PVAPEUR D’EAU = 0,0627 bar

Donc :

O2' = \frac{1.3}{2} = 0.65 \rightarrow 65.00\%

H2O = \frac{0.0627}{2} = 0.03135 \rightarrow 3.14\%

N2' = \frac{0.4}{0.4 + 0.5} * (1 - \frac{1.3}{2} - \frac{0.0627}{2} ) = 0.1416 \rightarrow 14.16\%

He' = \frac{0.5}{0.4 + 0.5} * (1 - \frac{1.3}{2} - \frac{0.0627}{2} ) = 0.1770 \rightarrow 17.70\%

On avait sans considérer la vapeur d’eau :

O2′ = 65% ; N2′ = 16% ; He’ = 19%

Avec la vapeur d’eau on a :

O2′ = 65% ; N2 = 14% ; He = 18%

On remarque que l’influence de la vapeur d’eau est plus importante près de la surface qu’en profondeur. Mais sa quantité reste assez faible pour être négligée dans le calcul des mélanges gazeux. Même si on apprécie sa présence car elle limite la déshydratation du plongeur comparativement au gaz sec respiré en plongée bouteille. Et sur le principe cela est même sécuritaire de la négliger car on considère ainsi des pressions partielles de gaz inertes plus élevées qu’elles ne le sont en réalité. De plus l’exemple ne considère que des pressions et températures fixes à 70 m et à 10m, s’il fallait en tenir compte lors des variations de pressions (descente, remonté) et de températures ça compliquerait beaucoup la réflexion pour pas grand-chose. Le comportement physique de la vapeur d’eau est d’ailleurs très difficile à prévoir par rapport aux autres gaz utilisés (O2, N2, He).

Pour en revenir à mon interrogation de départ sur l’influence de la vapeur d’eau dans le calcul de saturation des tissus, il me semble que sa prise en compte dans le mélange respiré ne soit pas nécessaire. En effet comme la vapeur d’eau du mélange est limitée à sa valeur de pression saturante elle ne pourra pas s’ajouter à celle du gaz alvéolaire qui est déjà saturé.

3.3 Visualiser l’influence de la vapeur d’eau et des gaz inertes dans le mélange

En plongée il est facile de constater l’influence de la vapeur d’eau et des gaz inertes dans la boucle ; ça aide aussi à faire passer le temps au palier. 😉

Arrivé au palier de 6 mètres, il suffit de faire un rinçage complet et parfait à l’oxygène de la boucle. On observe ensuite les afficheurs de PO2 en 3 temps :

  1. Si le rinçage O2 est bien fait, les afficheurs de PO2 indiqueront brièvement une PO2 aux alentours de 1,60 bar. En effet, on est à 6 mètres et on vient de remplir entièrement notre boucle d’oxygène pur ; rien d’exceptionnel jusque-là.
  2. Dans la minute qui suit le rinçage, la PO2 va diminuer pour se stabiliser autour de 1,55 bar. Il me semble est dû au fait que l’oxygène que l’on vient d’ajouter dans la boucle est immédiatement dilué par la vapeur d’eau. Ça marche bien dans une eau pas trop froide, environ 20°C / 25°C ou plus, en dessous le phénomène est moins marqué.
  3. Si on poursuit l’observation, la PO2 va continuer de diminuer mais bien plus lentement. Je pense à deux phénomènes pour expliquer cela :

• Les gaz inertes que nous relâchons dans la boucle lors de la désaturation, continuent de diluer l’oxygène que l’on a ajouté lors du rinçage.

• Notre métabolisme consomme de l’oxygène donc la proportion de vapeur et de gaz inertes désaturés devient plus grande et diminue par conséquent la PO2.

En réalité les phénomènes 2 et 3 se font en même temps. Mais la dilution de l’oxygène par la vapeur d’eau est plus rapide (phénomène immédiat au contact des alvéoles pulmonaires et de la chaux sodée en réaction de carbonatation) que par les gaz inertes car leur vitesse de diffusion est limitée par les paliers. Je pense que c’est pour cela que l’on arrive à constater ces phénomènes séparément. De plus en faisant des rinçages à la fin des paliers j’ai remarqué que la PO2 après être tombée à 1,55 bar ne diminuait presque plus. Ca parait logique car on ne désature quasiment plus de gaz inertes (en tout cas beaucoup moins qu’au début du palier), il ne reste plus que de la vapeur d’eau pour diluer l’oxygène.

La valeur de 1,55 bar que je mentionne, est déduite d’observations que j’ai faite sur quelques dizaines de plongées (je n’ai pas vraiment compté). Cela ne concerne que moi, il faudrait surement un panel plus important confirmer ces valeurs avec certitude et aussi utiliser des appareils de mesure fait pour cela. Néanmoins j’ai pu trouver un rapport avec cette valeur en faisant quelques calculs ; en voici le détail.

Pour information, les calculs sont d’abord menés en unité internationale pour plus de précisions car on manipule de petite valeur.  On en reviendra ensuite à notre bon vieux bar.

Masse volumique eau de mer : 1025 kg/m3 –> 1025 * 9.81 = 10055,25 newtons / m3

Pression atmosphérique : 101325 pascals

Profondeur : 6 mètres

Pression absolue : P = (10055,25 * 6) + 101325 = 161 656,5 pascals –> 1.617 bar à 6 mètres

Pression partielle de vapeur d’eau PH2O = 0.0627 bar à 37°C

Si on considère qu’on injecte de l’oxygène ayant une pureté de 99%, on obtient :

PO2 SANS VAPEUR D’EAU = 1,617 * 0,99 = 1,601 bar

PO2 AVEC VAPEUR D’EAU = (1,617 – 0,0627) * 0,99 = 1,539 bar

En faisant ce petit calcul on retrouve quasiment la valeur que j’observe en plongée. De plus ça confirmerait que l’hypothèse prise sur la pression partielle de vapeur d’eau de 0,0627 bar dans la boucle n’est pas complètement incohérente ; même si elle paraît un peu surestimée. D’autre part les écarts entre observations et calculs pourraient s’expliquer à cause des imprécisions de mesure, des imprécisions de calcul, d’une pression partielle de vapeur d’eau plus faible dans la boucle, etc.

3.4 Le gaz carbonique (CO2)

Encore une fois le métabolisme du plongeur évacue du gaz. Entre 0,2 et 1,6 litre de CO2 selon l’effort qu’il fournit. Ce volume est le même quelle que soit la profondeur. On a vu que normalement le CO2 est retenu par le filtre. Néanmoins rien n’étant parfait il en laisse forcément passer une partie, mais combien ?

Cela variera en fonction du temps, de la profondeur, de l’état du filtre, etc. Mais la norme NF EN 14143, qui donne la certification CE des recycleurs, fixe une valeur limite de pression partielle de CO2 égale à 0,005 bar en fin d’inspiration. Cette valeur est à respecter dans les conditions de « plongée test » fixées par la norme notamment sur le temps, la profondeur plongée et la température de l’eau. Cette valeur se situe dans les seuils de tolérance de l’organisme au CO2 et bien évidement elle n’influence pas les résultats de nos calculs de mélange. Heureusement pour nous sinon ce serait l’intoxication assurée. Néanmoins il est quand même possible de respirer une petite quantité de CO2 dans la boucle. Mais le seuil de détection des effets du CO2 sur l’organisme se situe aux alentours de 0,03 bar soit 6 fois plus que le seuil défini par la norme. On a de la marge, tant mieux.

A titre d’information on respire déjà dans l’air atmosphérique du CO2 à hauteur de 0,04% environ soit 0,0004 bar à la pression atmosphérique.

3.5 Les autres gaz

Pour ce qui est des gaz rares présents naturellement dans l’air (argon, xénon, etc), ils peuvent aussi se retrouver dans la boucle, si tu utilises de l’air dans ton gaz diluant.  Cependant leur quantité est la aussi tellement faible que leur présence est négligeable (comme en plongée bouteille).

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Crédit photo : pixabay.com – Sources : « Eléments de calcul pour l’élaboration d’un logiciel de décompression » par Jean-Marc BELIN ; « Utilisation du filtre à CO2 » par Jean-Marc BELIN ; « Physiologie respiratoire » par Gilles DHONNEUR, Université Paris 13 ; « Caractéristiques physique de l’eau » de thermexcel.com ; GROUPE AFNOR –  NF EN 14143 (août 2013) « Appareil de protection respiratoire – Appareil de plongée autonome à recyclage de gaz  » ; « Carbon Dioxide Absorption Sofnolime for commercial and leisure diving » de molecularproducts.com ; « Chaux sodée » du dictionnaire médical de l’Académie de Médecine ; « Mesure de l’humidité  – Théorie » de electrona.fr ; « Calculs des paramètres de l’air humide » de MetGen ; Wikipédia : « Pression de vapeur saturante » – « Pression de vapeur saturante de l’eau » – « Atmosphère terrestre » – « Pression atmosphérique » – « Eau de mer » – « Hypercapnie » – « Carbonatation » – « Soda lime« .

Conclusion

Pour en revenir aux parties 1 et 2 de l’article, on pourra retenir si besoin les formules de calculs ci-dessous. Personnellement la seule fois on je m’en suis servi c’était en formation. Je ne suis pas fou non plus 🙂 j’ai un logiciel qui bosse à ma place. Mais bon, j’aime bien comprendre ce que je fais avant de cliquer sur les boutons du PC…

Mélange respiré dans un recycleur à circuit fermé

O2' = \frac{SP}{P} N2' = \frac{N2}{N2 + He} * ( 1 - \frac{SP}{P} ) He' = \frac{He}{N2 + He} * ( 1 - \frac{SP}{P} )
O2′ : pourcentage d’oxygène dans le mélange respiré.

N2′ : pourcentage d’azote dans le mélange respiré.

He’ : pourcentage d’hélium dans le mélange respiré.

SP : Setpoint ou valeur de pression partielle désirée dans le mélange respiré.

P : Pression absolue subit par le plongeur en bar.

N2 : pourcentage d’azote du gaz diluant.

He : pourcentage d’hélium du gaz diluant.

Pour appliquer ces formules la PO2 visée par le setpoint doit être supérieure à la PO2 du gaz diluant.

Plus généralement, cet article est un peu ma synthèse personnelle des diverses réflexions et discussions que j’ai eu sur les mélanges gazeux en plongée recycleur. Certes ce ne sont pas des informations qu’on utilise régulièrement, mais bon j’avais envie d’approfondir le sujet histoire de mieux comprendre comment ça marche. J’espère que cela vous intéressera. Rien n’est figé, la conversation continue dans les commentaires, n’hésite pas à lâcher un com.

A bientôt !

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MAITRE
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Bonjour. Tout d’abord merci pour cet article ! C’est celui que je recherche depuis mes premières lectures sur les recycleurs. En effet, je ne trouve pas de théorie sur le sujet, j’entends par là les équations (utilisant les lois régissant les gaz) afin de décrire le fonctionnement de ces machines suivant différents cas de figures. Je n’ai jamais pratiqué et recherche les informations disponibles afin de me documenter dans le but d’essayer un jour sans doute. Deux petites remarques : – au paragraphe 2.1. vous écrivez ‘réparation’ au lieu de répartition. La première fois au premier de vos trois points… Read more »

MAITRE
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Bonsoir Je te remercie d’avoir pris le temps de me répondre. Tu trouveras à l’adresse suivant le rapport d’IN d’Eric Bahuet : http://www.ffessm-in-memoires.fr/Les_memoires_des_IN_de_la_FFESSM/Teck-Melanges/Liste_Tech.html. L’adresse mail que tu as indiquée ne fonctionne pas. Pour la question 3.2. : je comprends bien en effet que le 1b de pression qu’on ajoute à la descente pour compenser l’accroissement de pression ambiante, tous les 10m, est composée de 21% d’O2 et de 79% de N2, mais je ‘bloque’ en me disant que chaque volume d’air est détendu à la pression ambiante c’est pourquoi je ne pige pas qu’il ne faille pas multiplier la %O2… Read more »