MIRCEA DEGERATU ARON PETRU TEFAN GEORGESCU

APARATE DE RESPIRAT SUB AP

MATRIX ROM Bucureti 2003

Referent tiinific Viceamiral (r) ing. Ilie TEFAN fost Comandant al Centrului de Scafandri Constana

Tehnoredactare computerizat Gheorghe OLTEAN

Coperta

Coperta I: Scafandru militar echipat cu aparat de respirat sub ap SMT - Drger

i

CUPRINS

1. INTRODUCERE. SCURT ISTORIC AL APARATELOR DE RESPIRAT SUB AP ............................................................................................... 1

1.1. Necesitatea utilizrii aparatelor de respirat sub ap ..... 1 1.2. Scurt istoric al evoluiei aparatelor de respirat sub ap 22. CLASIFICAREA ECHIPAMENTELOR DE SCUFUNDARE I

A APARATELOR DE RESPIRAT SUB AP ..................... 8 2.1. Clasificarea echipamentelor de scufundare ... 8 2.2. Clasificarea aparatelor de respirat sub ap 10 2.2.1. Clasificarea aparatelor de respirat sub ap din punct de vedere

al modului de asigurare cu amestec respirator ......... 11 2.2.2. Clasificarea aparatelor de respirat sub ap din punct de vedere

al circuitului realizat de amestecul respirator n cadrul aparatului . 13

3. RESPIRAIA. PROCESELE RESPIRAIEI. RESPIRAIA N HIPERBARISM .............................................................. 18

3.1. Etapele respiraiei ... 18 3.2. Funcia sngelui n procesul respiraiei .............................................. 19 3.3. Respiraia extern .............................................................................. 20 3.4. Rezistena la respiraie ....................................................................... 25 3.5. Lucrul mecanic al respiraiei .................................. 26 3.6. Recapitulaie privind mrimile caracteristice ale respiraiei ..... 26 3.7. Modificri ale mecanicii respiratorii n hiperbarism .... 284. GAZE I AMESTECURI DE GAZE UTILIZATE N SCUFUNDARE ......... 30 4.1. Generaliti privind gazele utilizate n scufundare ..... 30 4.2. Oxigenul ............................................................................................. 32 4.3. Azotul .................................................................................................. 40 4.4. Heliul ................................................................................................... 42 4.5. Hidrogenul .......................................................................................... 44 4.6. Amestecuri respiratorii ........................................................................ 46 4.7. Fabricarea amestecurilor respiratorii .................................................. 47 4.7.1. Fabricarea amestecurilor respiratorii binare ... 47 4.7.1.1. Fabricarea unui amestec binar NITROX pornind

de la gaze pure: oxigen i azot ... 49 4.7.1.2. Fabricarea unui amestec NITROX din oxigen i aer ... 49 4.7.1.3. Fabricarea unui amestec respirator HELIOX din heliu

i oxigen . 51 4.7.2. Fabricarea amestecurilor respiratorii ternare . 51 4.7.3. Corectarea i omogenizarea amestecurilor de gaze ............... 515. EXPUNEREA LA PRESIUNE I DECOMPRESIA SCAFANDRULUI ...... 53 5.1. Expunerea scafandrului la presiune ................................................... 53 5.2. Revenirea la presiunea atmosferic. Decompresia ............................ 55 5.2.1. Tabele pentru decompresia n trepte ....................................... 57 5.2.1.1. Tabelele de decompresie dup scufundri cu aer

utilizate n Romnia .................................................... 57

ii

5.2.1.2. Tabele de decompresie dup scufundri succesive ... 58 5.2.1.3. Tabele de decompresie dup scufundri

cu amestecuri binare NITROX supraoxigenate .......... 58 5.2.1.4. Tabele pentru decompresia la suprafa .................... 59 5.2.2. Decompresia continu ............................................................. 60 5.2.3. Importana tabelelor de decompresie ......... 606. PREZENTAREA UNOR APARATE DE RESPIRAT SUB AP . 62 6.1. Generaliti privind aparatele de respirat sub ap . 62 6.2. Aparate de respirat sub ap cu circuit deschis .. 63 6.2.1. Aparate de respirat sub ap cu circuit deschis, cu debit

continuu. Elemente constructive i funcionale ............ 63 6.2.2. Aparatele cu circuit deschis, cu debit continuu,

DM 200 i DM 220 .................................................... 67 6.2.3. Aparate de respirat sub ap cu circuit deschis,

cu debit la cerere .... 69 6.2.3.1. Aparate de respirat sub ap cu circuit deschis,

cu debit la cerere, autonome. Elemente constructive i funcionale ................ 69

6.2.3.2. Aparatele cu circuit deschis, cu debit la cerere, autonome, MISTRAL, AQUILON, AVM3, AVM8, SHARK, MODULAR 600, PA 38, SUPER PHYSALIE, ARMEHI, CYKLON 500 i HYDRO-PAK ..... 79

6.2.3.3. Aparate de respirat sub ap cu circuit deschis, cu debit la cerere, cu alimentare de la suprafa. Elemente generale 89

6.2.3.4. Aparatele cu circuit deschis, cu debit la cerere, cu alimentare de la suprafa PL 68, PL 70, MK 21 MOD 1, ISAS . 89

6.3. Aparate de respirat sub ap cu circuit nchis .. 94 6.3.1. Aparate de respirat sub ap cu circuit nchis, cu oxigen ...... 95 6.3.1.1. Aparatele cu circuit nchis, cu oxigen, LEUTNANT

LUND II, NORGE i MODEL 600 ... 97 6.3.1.2. Aparatele cu circuit nchis, cu oxigen,

LAR III i CCR-25 ..... 98 6.3.1.3. Aparatul cu circuit nchis, cu oxigen, IDA 64 99 6.3.1.4. Aparatul cu circuit nchis, cu oxigen, LAR VI 99 6.3.1.5. Aparatul cu circuit nchis, cu oxigen, cu splare

automat a sacului respirator, ASOSA . 102 6.3.1.6. Aparatul cu circuit nchis, cu oxigen, FROGS .. 105 6.3.1.7. Aparatul cu circuit nchis, cu oxigen, CODE . 106 6.3.1.8. Aparatul LAR VII Standard funcionnd n varianta

cu oxigen n circuit nchis ................................. 107 6.3.1.9. Aparatele cu circuit nchis, cu oxigen, EMERSON RIG

i SIVA 10 .. 108 6.3.2. Aparate de respirat sub ap cu circuit nchis, cu amestec

respirator ... 109 6.3.2.1. Aparatul cu circuit nchis, cu amestec, DOXGERS . 111 6.3.2.2. Aparatul cu circuit nchis, cu amestec, MK10 MOD 4 ... 112

iii

6.3.2.3. Aparatul cu circuit nchis, cu amestec, MK 15 ..... 113 6.3.2.4. Aparatul cu circuit nchis, cu amestec, PRISM-TOPAZ 113 6.4. Aparate de respirat sub ap cu circuit seminchis . 114 6.4.1. Aparate de respirat sub ap cu circuit seminchis, cu amestec

respirator prefabricat ... 116

6.4.1.1. Aparatul cu circuit seminchis, cu amestec prefabricat, ASMA-1 ..

117

6.4.1.2. Aparatul cu circuit seminchis, cu amestec prefabricat pentru scufundri de sistem, ASS .....

120

6.4.1.3. Aparatul cu circuit seminchis, cu amestec prefabricat, DC 55 ..

122

6.4.1.4. Aparatul LAR VII Standard funcionnd n varianta cu amestec n circuit seminchis ..

123

6.4.1.5. Aparatul cu circuit seminchis, cu amestec prefabricat, FGT I ..

124

6.4.1.6. Aparatul cu circuit seminchis, cu amestec prefabricat, DOLPHIN I .

125

6.4.1.7. Aparatul cu circuit seminchis, cu amestec prefabricat, ATLANTIS I .................................................................

126

6.4.1.8. Aparatul cu circuit seminchis, cu amestec prefabricat, MK 6

127

6.4.1.9. Aparatul cu circuit seminchis, cu amestec prefabricat, HALCYON ....

127

6.4.2. Aparate de respirat sub ap cu circuit seminchis, cu amestec respirator preparat local ....

128

6.4.2.1. Aparatul cu circuit seminchis, cu amestec preparat local, SMT ............................................................

128

6.4.2.2. Aparatul cu circuit seminchis, cu amestec preparat local, M100M .

131

6.5. Aparate de respirat sub ap cu circuit mixt ........ 132 6.5.1. Aparatul cu circuit mixt, ASCM ..... 132 6.5.2. Aparatul cu circuit mixt, OXYMIX 97 137 6.5.3. Aparatul cu circuit mixt, LAR VII Combi ................. 138 6.5.4. Aparatul cu circuit mixt, IDA-71U .. 141 6.5.5. Aparatele cu circuit mixt, SIVA 24, SIVA 55 i SIVA + ..... 144 6.6. Cartuul epurator aferent aparatelor de respirat sub ap

cu recircularea gazelor ................................................................... 145

6.6.1. Sorbeni . 145 6.6.1.1. Condiiile care trebuie ndeplinite de sorbeni ............. 145 6.6.1.2. Caracteristicile sorbenilor ...... 146 6.6.2. Sorbeni chimici (absorbeni) .... 146 6.6.3. Calcea sodat utilizat la aparatele de respirat sub ap ......... 147Bibliografie .. 149

1

1. INTRODUCERE.

SCURT ISTORIC AL APARATELOR DE RESPIRAT SUB AP

Explorarea, studierea i exploatarea oceanelor, mrilor, lacurilor i cursurilor

continentale de ap ocup un loc important n ansamblul activitilor umane, att din punct de vedere economic, cu privire la navigaie i la valorificarea resurselor energetice, alimentare, chimice i miniere, ct i din punct de vedere ecologic. De asemenea, aceste ape prezint i un deosebit interes militar datorit faptului c, n cadrul unor confruntri armate, ele pot deveni teatre de operaiuni militare n desfurarea crora un rol important l reprezint i utilizarea armamentului subacvatic.

Toate aceste domenii de activitate civil i militar menionate mai sus, presupun i activiti subacvatice specifice cu scop de observaie sau intervenie nemijlocit. Pentru desfurarea acestor activiti subacvatice omul trebuie s ptrund sub ap, ntr-un mediu ostil, ce exercit asupra lui presiuni importante i care nu poate s-i ofere oxigenul necesar vieii.

1.1. NECESITATEA UTILIZRII APARATELOR DE RESPIRAT SUB AP

n vederea anulrii agresiunii mediului acvatic, omul care ptrunde sub ap este pus n echipresiune cu mediul exterior prin livrarea, pentru respiraie, de gaz respirator la o presiune egal cu presiunea apei la adncimea de imersie. Gazul respirator este furnizat scafandrului, prin intermediul unor dispozitive speciale, fie din recipieni de stocaj portabili, conferindu-se astfel o anumit autonomie de scufundare, fie prin narghilea*, direct de la suprafa, fie prin narghilea din mijloace imersate (turel, submersibil purttor de scafandri etc.). Deci, furnizarea gazului respirator la echipresiune, ctre scafandru, se realizeaz cu ajutorul aparatelor de respirat sub ap.

Prin urmare, problema principal pus n faa specialitilor, legat de ptrunderea omului sub ap, este asigurarea funciei respiratorii care implic furnizarea de amestecuri respiratorii astfel realizate nct s asigure necesarul de oxigen metabolic i de gaz neutru diluant. Gazul neutru, necesar dilurii oxigenului n vederea anulrii efectelor hiperoxiei, poate fi azotul sau heliul n cazul amestecurilor respiratorii binare (azot-oxigen, heliu-oxigen), sau amestecul heliu-azot n cazul amestecurilor respiratorii ternare (heliu-azot-oxigen).

*Narghileaua (ombilicalul) reprezint un ansamblu alctuit dintr-un furtun de alimentare cu amestec de la suprafa, un cablu de comunicaii i eventual un furtun de ap cald pentru nclzirea costumului, la care se adaug uneori o saul sau un cablu de rezisten.

2

Evident, primul amestec respirator utilizat n scufundare a fost aerul care poate fi considerat, cu o bun aproximaie, ca un amestec gazos binar natural coninnd 21% oxigen i 79% azot. Datorit efectului narcotic al azotului, cunoscut sub numele de beia adncurilor, scufundrile cu aer sunt limitate la adncimi maxime de 4060 m.

Pentru efectuarea de scufundri la adncimi mai mari, cu durate de imersie crescute i cu realizarea unor randamente ale scufundrii** ridicate, aerul ca amestec respirator natural va trebui nlocuit cu amestecuri respiratorii sintetice de tipul amestecurilor binare azot-oxigen (NITROX) supraoxigenate sau heliu-oxigen (HELIOX), sau de tipul amestecurilor gazoase ternare heliu-azot-oxigen (TRIMIX), la care gazele neutre sunt azotul, heliul i respectiv amestecul heliu-azot. Alegerea amestecului respirator este dictat de adncimea de scufundare, de tipul de aparat de scufundare utilizat, precum i de tehnologia de scufundare adoptat.

1.2. SCURT ISTORIC AL EVOLUIEI APARATELOR DE RESPIRAT SUB AP

De-a lungul istoriei, cucerirea mediului acvatic a reprezentat o preocupare permanent a omului, acest deziderat fiind nsoit de conceperea de aparate care s-i permit ptrunderea sub ap.

Deoarece prezenta lucrare se refer la aparatele de respirat sub ap utilizate de ctre scafandri n vederea efecturii de scufundri cu scop industrial, tiinific sau militar, se impune ca necesar cunoaterea evoluiei n timp a acestor aparate. De aceea, n continuare, se prezint un scurt istoric, n date, privind cuceririle n domeniul aparatelor de respirat sub ap.

375 Flavius Vegetius Renatus elaboreaz lucrarea De Re Militari n care prezint i unele aparate pentru lupt subacvatic. n figura 1.1 este prezentat cagula cu tub respirator conceput de Vegetius.

1679 G. A. Borelli, fizician italian, concepe un echipament autonom pentru scufundare, avnd ca element principal o incint elastic care nconjoar capul scafandrului i permite respiraia n echipresiune (fig. 1.2).

1772 Frminet a construit i a testat un aparat de respirat sub ap numit maina hidrostatergatic; alimentarea cu aer a scafandrului se realiza prin intermediul unor foale a cror funcionare era asigurat de un motor cu arc.

1797 K. H. Klingert imagineaz un costum de scafandru cu casc la care alimentarea cu aer proaspt i evacuarea aerului viciat se realiza prin intermediul a dou furtune (fig. 1.3).

1808 Briz Fradin inventeaz un aparat de respirat sub ap care poate fi considerat strmoul aparatelor autonome.

1809 Friedrich von Drieberg inventeaz aparatul de respirat sub ap numit Triton la care aerul venit de la suprafa printr-un tub este comprimat ntr-un rezervor dorsal prin intermediul unui mecanism acionat de micrile capului.

**Randamentul scufundrii s este definit prin relaia )/( dcs tttt ++= ll , unde lt este timpul util de lucru la adncimea antierului subacvatic, ct este timpul de coborre a scafandrului la adncimea de lucru, iar dt este timpul de decompresie corespunztor revenirii la presiunea atmosferic (la suprafa).

3

Fig. 1.1. Cagula cu tub respirator

al lui Vegetius (375). Fig. 1.2. Echipamentul autonom

de scufundare al lui Borelli (1679). 1825 W. H. James breveteaz un aparat autonom cu circuit deschis prevzut

cu un recipient cu aer comprimat care este livrat la debit constant (fig. 1.4).

1828 Lemair d'Augerville concepe aparatul pneumato-nautic prevzut cu un rezervor intermediar flexibil, experimentat de Marina Naional Francez n anul 1829.

1832 Charles Condert concepe un aparat autonom cu aer comprimat pentru scufundri la adncimea de 6 m.

Fig. 1.3. Costumul de scafandru al lui Klingert (1797).

Fig. 1.4. Aparatul autonom cu circuit deschis al lui James (1825).

4

1837 Augustus Siebe inventeaz costumul de scafandru cu casc modern care va servi ca model pentru toate costumele de acest tip realizate ulterior.

1860 Benot Rouquayrol i Auguste Denayrouze depun brevetul unui regulator constnd dintr-un etaj de detent care va echipa un aparat de respirat sub ap scos pe pia n anul 1864.

1870 Benot Rouquayrol i Auguste Denayrouze pun la punct un aparat de respirat sub ap numit aeroforul, att n variant cu alimentare prin pomp de la suprafa ct i n variant autonom (fig. 1.5).

1876 Henry Fleuss introduce noiunea de Oxigen Lung (plmn de oxigen), iar n 1878 inventeaz aparatul de respirat sub ap cu oxigen n circuit nchis la care dioxidul de carbon este fixat cu o soluie de potas caustic (fig. 1.6).

Fig. 1.5. Aparatul de respirat sub ap conceput de Rouquayrol i Denayrouze

(1870).

Fig. 1.6. Aparatul de respirat sub ap cu oxigen n circuit nchis inventat de Fleuss

(1876).

1878 Paul Bert, n lucrarea sa La Pression baromtrique pune bazele fiziologiei hiperbare, datele coninute n aceast lucrare stnd la baza conceperii aparatelor moderne de respirat sub ap.

1897 Georges Jaubert inventeaz substana numit oxilit utilizat pentru reinerea dioxidului de carbon.

1899 Desgrez i Balthasard au inventat un aparat de respirat sub ap cu eliberarea de oxigen pentru inspir i reinerea dioxidului de carbon din expir prin procese chimice.

1902 Drger proiecteaz primul aparat de respirat pentru securitate minier urmat n anii urmtori de aparate de respirat sub ap pentru scafandri (fig. 1.7).

5

1906 J. S. Haldane public primele tabele de decompresie pentru scafandri. 1911 Robert Davis concepe i realizeaz aparatul de respirat sub ap cu

oxigen n circuit nchis, aparat care i poart numele, destinat scafandrilor de lupt (fig. 1.8). Separat, Drger n Germania i Pirelli n Italia realizeaz aparate de respirat similare.

Fig. 1.7. Aparatul de respirat sub ap conceput de firma Drger (1902). Fig. 1.8. Aparatul de scufundare cu oxigen pentru scafandri de lupt conceput de Davis

(1911).

1912 Apare primul raport Westfalia Maschinenfabrik asupra utilizrii amestecurilor azot-oxigen (NITROX) n aparate autonome de scufundare.

1912 Siebe i Gormann pun la punct aparatul autonom de scufundare cu butelie i recirculator (fig. 1.9).

Fig. 1.9. Aparatul autonom de scufundare conceput de Siebe i Gormann (1912). 1913 Drger produce un aparat de respirat sub ap care amestec n mod

automat azot i oxigen furniznd scafandrului un amestec respirator NITROX cu 60% oxigen.

6

1925 U. S. Navy ncepe punerea la punct a tehnologiei de scufundare cu heliu, activitate continuat pn n 1935.

1926 Yves le Prieur realizeaz un aparat autonom de respirat sub ap cu manodetentor, la debit constant, cu circuit deschis, inspirat de aparatul lui Fernez, dar alimentat din butelii Michelin (fig. 1.10).

1940 Chris Lambertsen concepe un aparat cu oxigen n circuit nchis LARU, utilizat n aplicaii militare (fig. 1.11). n anul 1943 ncepe studierea aplicrii practice a utilizrii aerului mbogit n oxigen la aparatele de respirat sub ap.

Fig. 1.10. Aparatul autonom cu circuit

deschis al lui Yves le Prieur (1926). Fig. 1.11. Aparatul cu oxigen n circuit nchis,

LARU, conceput de Lambertsen (1940).

1943 J. Y. Cousteau i E. Gagnan inventeaz aparatul autonom de respirat sub ap cu circuit deschis i detentorul cu livrarea debitului de amestec respirator prin sistemul "la cerere" (fig. 1.12).

1952 U. S. Navy pune la punct aparatul de respirat sub ap n circuit nchis cu presiune parial constant a oxigenului.

1960 U. S. Navy realizeaz aparatul autonom de respirat sub ap cu amestec respirator n circuit nchis, echipat cu analizor de gaz portabil.

1965 U. S. Navy adopt amestecurile respiratorii binare heliu-oxigen (HELIOX) pentru aparatele autonome de scufundare, decompresia fiind efectuat dup tabelele lui Workman.

Aceste importante realizri din domeniul aparatelor de respirat sub ap i al tehnologiilor hiperbare au fost posibile datorit cuceririlor epocale din diferite domenii de activitate cum ar fi: fizica, chimia, biologia i medicina. Astfel, pot fi

7

menionate o serie de realizri importante aa cum sunt descoperirea principiului barometric de ctre Torricelli, stabilirea relaiei presiune-volum de ctre Boyle i Mariotte, descoperirea azotului i oxigenului ca elemente chimice de ctre Rutherford i respectiv Scheele, studierea mecanismului respiraiei la animale de ctre Lavoisier, elaborarea teoriei embolusurilor gazoase ca baz a bolilor de decompresie de ctre Hoppe-Seyler, descoperirea heliului ca element chimic de ctre Ramsey, studierea efectelor toxice ale oxigenului de ctre Lorrain-Smith, descrierea efectelor dioxidului de carbon i a ventilaiei pulmonare de ctre Haldane i Priestley etc.

Fig. 1.12. Aparatul autonom cu circuit deschis inventat de Cousteau i Gagnan (1943).

Dezvoltarea tehnologiilor din domeniul aparatelor de respirat sub ap a fost

impulsionat de cuceririle din domeniul medicinei hiperbare, a crei iniiator a fost fiziologul Paul Bert ce a descris toxicitatea oxigenului la presiuni pariale ridicate i a demonstrat c accidentele de decompresie se datoreaz dezvoltrii n snge i esuturi a bulelor de azot pentru evitarea crora a propus decompresia lent i oxigenoterapia.

Dup anul 1965, n rile care dispun de o industrie specializat n domeniul ptrunderii omului sub ap cum ar fi Statele Unite ale Americii, Frana, Germania, Anglia i Japonia, precum i n rile cu tradiie n domeniul cercetrilor hiperbare printre care se afl i Romnia, au fost perfecionate aparatele clasice de respirat sub ap i au fost concepute noi aparate de respirat cu performane ridicate.

Activitile de cercetare fundamental, proiectare i testare aferente conceperii i optimizrii aparatelor de respirat sub ap realizate n Romnia, au fost concentrate n cadrul Laboratorului de Cercetare-Proiectare pentru Ptrunderea Omului sub Ap i Laboratorului Hiperbar de pe lng Centrul de Scafandri Constana aflate n colaborare cu Catedra de Hidraulic i Protecia Mediului din Universitatea Tehnic de Construcii Bucureti.

8

2. CLASIFICAREA ECHIPAMENTELOR

DE SCUFUNDARE I A APARATELOR DE RESPIRAT SUB AP

Necesitatea efecturii de observaii i intervenii sub ap n vederea stabilirii

existenei resurselor i posibilitilor de valorificare a acestora, efecturii de lucrri de foraj i extracie off-shore, realizrii i exploatrii instalaiilor i construciilor subacvatice, precum i n vederea realizrii unor misiuni cu caracter militar, a condus la conceperea, proiectarea i realizarea de echipamente specializate pentru ptrunderea omului sub ap i de aparate de respirat sub ap.

2.1. CLASIFICAREA ECHIPAMENTELOR DE SCUFUNDARE Echipamentele pentru ptrunderea omului sub ap* se pot mprii n dou mari

categorii: a) Echipamente care protejeaz omul de presiunea exterioar a mediului acvatic

i care permit omului s respire aer la presiunea atmosferic, acesta nefiind n contact cu mediul acvatic exterior. Din aceast categorie de echipamente, cunoscute i sub denumirea de echipamente de scufundare n presiune atmosferic, fac parte turelele de observaie, submarinele, batiscafele i scafandrul rigid;

b) Echipamente cu care omul ptrunde sub ap, n echipresiune cu mediul acvatic exterior. Aceste echipamente n echipresiune pot fi mprite, la rndul lor, n dou grupe:

echipamente n echipresiune n care omul este ferit de agresiunea mediului exterior. Din aceast grup de echipamente, denumite echipamente hiperbare, fac parte turelele presurizabile, camerele hiperbare ale submarinelor purttoare de scafandri i casele (laboratoarele) subacvatice. Aceste echipamente constituie mijloace imersate din care scafandrul poate iei n mediul acvatic exterior, fr ecluzare.

echipamente n echipresiune cu ajutorul crora omul ptrunde nemijlocit n mediul acvatic, presiunea exterioar fiind transmis direct corpului scafandrului. Aceste echipamente pot, la rndul lor, s fie umede (echipamente izotermice din neopren), sau uscate (echipamente cu volum constant), iar scafandrii echipai cu astfel de echipamente pot ptrunde n mediul acvatic fie direct de la suprafa, fie prin intermediul echipamentelor hiperbare n echipresiune care constituie mijloace imersate purttoare de scafandri.

*n lucrare, prin echipamente de ptrundere a omului sub ap se nelege ansamblul sistemelor hiperbare i instalaiilor aferente, care echipeaz navele specializate n scufundri, precum i costumele care servesc la echiparea individual a scafandrilor.

9

n tabelul 2.1 sunt prezentate diferite tipuri de echipamente de scufundare proprii diferitelor tipuri de scufundri, corespunztoare diferitelor adncimi de intervenie.

Tabelul 2.1

Tabel privind tipul scufundrii, amestecul respirator folosit,

aplicaiile i echipamentul utilizat, funcie de adncimea de scufundare

Adncimea [m]

Presiunea [ata]

Tipul scufundrii i amestecul respirator folosit (aplicaie)

Echipamentul de scufundare utilizat

0 1 Scafandru greu

10 2

Scufundare cu oxigen (militar)

20 3

Scafandru autonom Narghilea alimentat de la suprafa

30 4 40 5 50 6 60 7

Scufundare cu aer sau cu amestecuri

binare i ternare (sportiv,

industrial, militar)

70 8 80 9

Scufundare de adncime

cu aer (sportiv) Turel de scufundare

90 10 presurizat, cas submarin, submersibil purttor de 100 11 scafandri 110 12 120 13 130 14 140 15 150 16 160 17

Turel de scufundare plecnd din barocamere de punte (pe barje, platforme, nave specializate)

170 18 180 19 190 20 200 21

Scufundare de adncime cu amestecuri HELIOX. Scufundare profesional unitar* sau de saturaie**

210 22

500 51

Scufundare de mare adncime cu amestecuri HELIOX sau cu amestecuri TRIMIX Scufundare exclusiv n saturaie (industrial, militar)

Sistem hiperbar de saturaie alctuit dintr-un ansamblu de barocamere de punte i turele presurizabile plasate pe nave suport cu poziionare dinamic

*Scufundarea unitar (fig. 2.1) n sistem turelbarocamer este folosit pentru scufundri de adncime. Peste o anumit adncime, durata util a scufundrii devine ns foarte mic n raport cu durata palierelor de decompresie. De aceea, n cazul antierelor subacvatice cu durat mare, la adncime important, se prefer scufundarea n saturaie. **Scufundarea n saturaie (fig. 2.2), este tot o scufundare de sistem i const n presurizarea scafandrilor n barocamere la suprafa, n vecintatea adncimii corespunztoare antierului subacvatic, transportul acestora cu ajutorul unei turele de scufundare presurizat, lucrul n imersiune i readucerea scafandrilor, sub presiune, n barocamera de la suprafa. Se execut o singur decompresie dup terminarea lucrrilor, decompresie ce depinde numai de adncimea la care s-a efectuat scufundarea.

10

Fig. 2.1. Profilul unei scufundri unitare:

ct este durata compresiei (coborrii la adncimea de lucru); lt este durata lucrului n imersiune;

dt este durata decompresiei (revenirii la presiunea atmosferic).

Fig. 2.2. Profilul unei scufundri n saturaie: ct este durata compresiei pn la presiunea corespunztoare nivelului de via; lt este durata total a lucrului n imersiune i a staionrii la nivelul de via; dt este durata decompresiei

(revenirii la presiunea atmosferic).

2.2. CLASIFICAREA APARATELOR DE RESPIRAT SUB AP Indiferent de echipamentul utilizat pentru ptrunderea sub ap, scafandrii

trebuie s dispun i de aparate de respirat sub ap, utilizate fie pentru salvare, fie pentru evoluia lor n mediul acvatic n scop de explorare sau de intervenie. Cartea de fa se va ocupa numai de aparatele de respirat sub ap i, legat de acestea, va aborda

11

i probleme privind mecanica respiratorie, fabricarea amestecurilor respiratorii, expunerea la presiune i decompresia etc.

Clasificarea aparatelor de respirat sub ap se poate face dup mai multe criterii. n tabelul 2.2 se prezint clasificarea aparatelor de respirat sub ap funcie de o serie de criterii determinante.

Tabelul 2.2

Clasificarea aparatelor de respirat sub ap

Nr. crt. Criteriul de clasificare Tipul de aparat de respirat sub ap

1 Modul de asigurare cu amestec respirator

aparat autonom aparat cu alimentare de la suprafa prin narghilea aparat cu alimentare din mijloace

imersate prin narghilea 2 Tipul circuitului realizat de amestecul

gazos n aparat (fig. 2.4) aparat cu circuit deschis (fig. 2.4,a) aparat cu circuit nchis (fig. 2.4,c1, c2) aparat cu circuit seminchis (fig. 2.4,b) aparat cu circuit mixt

3 Modul de livrare a debitului de amestec la consumator (fig. 2.3)

aparat cu debit continuu (fig. 2.3,b) aparat cu debit la cerere (fig. 2.3,a)

4 Tipul gazului utilizat aparat cu oxigen aparat cu amestec respirator*

5 Tipul amestecului respirator utilizat aparat cu amestecuri binare (NITROX, HELIOX)

aparat cu amestecuri ternare (TRIMIX) 6 Modul de fabricare al amestecului

respirator aparat cu amestecare local aparat cu amestec prefabricat

*Amestecurile respiratorii utilizate pentru aparatele de respirat sub ap pot fi amestecuri binare azot-oxigen (N2-O2 = NITROX), heliu-oxigen (He-O2 = HELIOX) i amestecuri ternare heliu-azot-oxigen (He-N2-O2 = TRIMIX).

n figura 2.3 se prezint, pe scurt, caracteristicile aparatelor de respirat sub ap clasificate dup primele dou criterii i anume din punct de vedere al modului de asigurare cu amestec respirator i din punct de vedere al tipului circuitului realizat de amestecul gazos n aparat.

2.2.1. CLASIFICAREA APARATELOR DE RESPIRAT SUB AP DIN PUNCT DE VEDERE AL MODULUI DE ASIGURARE CU AMESTEC RESPIRATOR

Din punct de vedere al modului de asigurare cu amestec respirator se deosebesc: aparatele de respirat sub ap autonome i cele cu alimentare prin narghilea, direct de la suprafa sau din mijloace imersate.

12

Fig. 2.3. Clasificarea aparatelor de respirat sub ap dup modul de livrare

a debitului de gaz (amestec gazos) respirator ctre scafandru:

a - aparat cu debit la cerere; b - aparat cu debit continuu;

1- butelie de stocaj pentru gazul respirator; 2- robinet de izolare; 3- regulator de presiune treapta I; 4- regulator de presiune treapta a II-a

(4a- camer cu ap, 4b - membran, 4c - ventil acionat de membran, 4d- camer cu gaz);

5- ajutaj de injecie la debit masic constant; 6- sac respirator; 7- supap de evacuare; 8- casc; 9- costum de scafandru.

Aparatele de respirat sub ap autonome, sunt aparatele care au n compunere

butelii pentru stocarea sub presiune a gazului sau a amestecului gazos respirator necesar unei scufundri. Buteliile de stocaj sunt prevzute cu instalaia specific de distribuie i control. Cu astfel de aparate se asigur scafandrului autonomia fa de suprafa pentru o anumit perioad de timp care se dorete a fi ct mai mare posibil. Optimizarea funcionrii unui aparat de respirat sub ap autonom presupune realizarea urmtoarelor deziderate:

- adncime de scufundare ct mai mare; - timp de lucru n imersie, lt , ndelungat; - timp de revenire la presiunea atmosferic (timp de decompresie), dt , ct

mai mic. Dezideratele enumerate mai sus nu sunt compatibile, astfel nct dac se

reuete rezolvarea a dou dintre ele, cel de al treilea se opune. n consecin, aparatele de respirat sub ap autonome trebuie s admit un compromis ntre aceste deziderate. Dup cum se cunoate, pentru o anumit adncime de scufundare, timpul de lucru sub ap lt i timpul de decompresie dt , mpreun cu timpul de coborre a scafandrului la adncimea de lucru ct , definesc randamentul scufundrii s care are expresia )/( dcs tttt ++= ll i care se dorete a fi ct mai ridicat.

Aparatele de respirat sub ap cu alimentare prin narghilea, se caracterizeaz prin aceea c amestecul respirator este livrat ctre scafandru prin intermediul unui furtun de alimentare. Aceste aparate se folosesc fie cu alimentare direct de la suprafaa apei, fie cu alimentare din diferite mijloace imersate, echipamente hiperbare aflate n echipresiune cu mediul acvatic exterior, cum ar fi turele de scufundare presurizabile, barocamere aferente submersibilelor purttoare de scafandri, case subacvatice i laboratoare submerse.

13

2.2.2. CLASIFICAREA APARATELOR DE RESPIRAT SUB AP DIN PUNCT DE VEDERE AL CIRCUITULUI REALIZAT DE AMESTECUL RESPIRATOR IN CADRUL APARATULUI

Din punct de vedere al circuitului realizat de amestecul respirator n cadrul aparatului, n procesul respiraiei, aparatele de respirat sub ap pot fi mprite n patru categorii principale i anume: cu circuit deschis, nchis, seminchis (fig. 2.4) i mixt.

Aparatele de respirat sub ap cu circuit deschis (fig. 2.4,a), sunt aparatele la care ntregul amestec gazos, rezultat din expiraie, este evacuat n mediul acvatic exterior. Aceste aparate sunt alctuite din buteliile de stocaj pentru rezerva de gaz sau de amestec gazos respirator nmagazinate sub presiune, atunci cnd aparatele sunt autonome, i dintr-un regulator de presiune care asigur respiraia la o presiune egal cu presiunea corespunztoare adncimii de imersie. Autonomia acestor aparate este relativ redus. Atunci cnd se dorete ca timpul de imersie s fie mai mare, se utilizeaz aparate de respirat sub ap cu circuit deschis alimentate cu aer sau cu amestec gazos sintetic de la suprafa sau dintr-un mijloc imersat. Adncimea de scufundare cu aparatele n circuit deschis este relativ mare, pn la 5075 m. Aparatele de respirat sub ap cu circuit deschis sunt la rndul lor de dou feluri:

- aparate cu circuit deschis, cu debit continuu; - aparate cu circuit deschis, cu debit la cerere.

Fig. 2.4. Clasificarea aparatelor de respirat sub ap dup tipul circuitului realizat de gazul

(amestecul de gaze) respirator n aparat: a aparat cu circuit deschis; b aparat cu circuit seminchis; c1 aparat cu circuit nchis cu

oxigen; c2 aparat cu circuit nchis cu amestec de gaze; 1- butelie de stocaj pentru gazul (amestecul de gaze) respirator; 2- robinet de izolare; 3- regulator de presiune treapta I; 4- regulator de presiune treapta a II-a; 5- ajutaj de injecie la debit masic constant;

6- sac respirator; 7- supap de evacuare; 8- cartu epurator (absorber CO2); 9- traductor de presiune parial a oxigenului; 10- dispozitiv de injecie pentru oxigen.

14

n figura 2.5 se prezint schematic caracteristicile i performanele aparatelor de respirat sub ap cu circuit deschis.

Aparatele de respirat sub ap cu circuit nchis, (fig. 2.4, c1, c2), sunt aparatele, la care ntregul amestec gazos rezultat prin expiraie este recirculat, o parte din amestec (dioxidul de carbon) fiind reinut n cartuul epurator (absorberul de CO2) aferent aparatului, cealalt parte fiind reciclat. Aceste aparate sunt autonome i sunt alctuite din butelia de stocaj cu oxigen sau cu amestec gazos respirator, dintr-un reductor de presiune treapta I, care reduce presiunea oxigenului sau amestecului respirator de la presiunea nalt din butelie la o presiune medie i dintr-un sac respirator funcionnd ca un reductor treapta a II-a ce permite reducerea presiunii de la valoarea medie la o valoare corespunztoare adncimii de imersie. Aparatele de respirat sub ap cu circuit nchis pot livra oxigenul sau amestecul respirator fie continuu, fie la cerere. Atunci cnd aceste aparate utilizeaz amestec respirator, acesta poate fi realizat prin amestecare local sau poate fi prefabricat. Autonomia acestor aparate este foarte ridicat. Adncimea maxim teoretic de lucru la aparatele cu circuit nchis este de 6,5 m pentru aparatele cu oxigen (pentru scufundri cu oxigen cu durat relativ scurt, adncimea de scufundare poate crete pn la 10 m i chiar mai mult pentru incursiuni cu durat foarte mic) i mai mare pentru aparatele cu amestec. Prin urmare, aparatele de respirat sub ap cu circuit nchis pot fi de dou feluri:

- aparate cu circuit nchis, cu oxigen; - aparate cu circuit nchis, cu amestec.

Fig. 2.5. Schema general cu caracteristicile, performanele i domeniile de aplicare pentru aparatele de respirat sub ap cu circuit deschis.

n figura 2.6 se prezint o schem general cu caracteristicile i performanele

aparatelor de respirat sub ap cu circuit nchis. Aparatele de respirat sub ap cu circuit seminchis, (fig. 2.4,b) sunt aparatele la

care o parte din amestecul gazos expirat este evacuat n mediul acvatic exterior,

15

cealalt parte fiind reciclat i reintrodus n circuitul de respiraie dup ce a fost trecut printr-un cartu epurator unde a fost reinut dioxidul de carbon. Aceste aparate sunt alctuite din butelii de stocaj cu amestecuri binare azotoxigen (NITROX) sau heliuoxigen (HELIOX), sau cu amestecuri ternare TRIMIX, (He-N2-O2 sau NeN2O2), regulator de presiune treapta I, sac respirator i sistem de livrare automat a debitului de amestec respirator ctre consumator. Aceste aparate, atunci cnd sunt autonome, sunt caracterizate printr-o autonomie ridicat i printr-un randament al scufundrii crescut. Atunci cnd se dorete un timp de scufundare mai ridicat, se procedeaz la alimentarea cu amestec respirator sintetic de la suprafa sau dintr-un mijloc imersat, realizndu-se prin aparatul cu circuit seminchis o economie de amestec respirator. Adncimea maxim de scufundare cu astfel de aparate este de 54 m n cazul utilizrii amestecurilor NITROX i peste 54 m n cazul utilizrii amestecurilor HELIOX sau TRIMIX. De asemenea i aceste aparate de respirat sub ap cu circuit seminchis pot fi de dou feluri funcie de debitul de amestec livrat consumatorului:

- aparate cu circuit seminchis, cu debit masic constant; - aparate cu circuit seminchis, cu debit volumic constant.

Fig. 2.6. Schema general cu caracteristicile, performanele i domeniile de aplicaie

pentru aparatele de respirat sub ap cu circuit nchis. n figura 2.7 este prezentat o schem coninnd caracteristicile generale i

performanele aparatelor de respirat sub ap cu circuit seminchis. Aparatele de respirat sub ap cu circuit mixt, sunt aparatele care funcioneaz,

de regul, n circuit nchis cu oxigen pn la adncimea de 6,5 m (i chiar pn la adncimi de 1520 m pentru incursiuni de scurt durat) i n circuit deschis sau seminchis, cu amestec respirator gazos, peste aceste adncimi, fr a depi adncimea de 54 m pentru NITROX. Aceste aparate au n componen elementele caracteristice ale aparatelor cu circuit nchis, deschis sau seminchis, combinnd totodat avantajele acestor aparate. Scopul principal al realizrii unor astfel de aparate

16

l reprezint obinerea unui randament al scufundrii s foarte ridicat prin reducerea la maxim a timpului de decompresie, dt .

NITROX = amestec binar azotoxigen (N2O2); HELIOX = amestec binar heliuoxigen (HeO2); TRIMIX = amestec ternar heliuazotoxigen (HeN2O2).

Fig. 2.7. Schema general cu caractersiticile, performanele i domeniile de aplicaie pentru aparatele de respirat sub ap cu circuit seminchis.

Aparatele de respirat sub ap a cror clasificare a fost prezentat mai sus sunt

astfel concepute nct s poat fi utilizate cu precdere pentru anumite domenii. Astfel, alegerea unui tip sau altul de aparat de respirat sub ap se va face funcie de caracteristicile scufundrii (adncime, timp de expunere la presiune, temperatura apei), de nivelul de efort al scafandrului n timpul activitii subacvatice, de autonomia necesar, de randamentul scufundrii, precum i de sensibilitatea i gradul de antrenament ale scafandrului.

innd cont de tipul de calificare al scafandrului, se poate arta faptul c, n timp ce aparatele de respirat sub ap cu circuit deschis, autonome i cu debit de aer la cerere pot fi utilizate de ctre toate categoriile de scafandri, celelalte categorii de aparate sunt interzise amatorilor, ele fiind destinate numai scafandrilor profesioniti. Dar, chiar i din rndul profesionitilor, cei care desfoar activiti cu caracter civil nu pot utiliza aparate de respirat sub ap cu oxigen sau cu amestecuri supraoxigenate, acestea fiind destinate numai scafandrilor militari, adic scafandrilor de lupt i respectiv, scafandrilor deminori, selecionai n urma unor teste speciale aa cum este testul oxigenului i beneficiind de antrenamente riguroase.

n raport cu aparatele de respirat sub ap n circuit deschis, a cror utilizare comport un nivel ridicat de securitate, celelalte aparate comport diferite niveluri de risc n raport cu diferitele tipuri de accidente (hipoxie, hiperoxie, intoxicaie cu CO2). Astfel, n tabelul 2.3 sunt prezentate nivelurile de risc pentru diferite tipuri de aparate de respirat sub ap, la diferitele tipuri de accidente de scufundare; punctajul avnd urmtopatea semnificaie:

1 - risc minim, datorat unor erori grosolane; 2 - risc moderat;

17

3 - risc considerabil, dar previzibil; 4 - risc maximal (acceptabil ca risc calculat); 5 - risc inacceptabil. Apare evident riscul mai mare la utilizarea aparatelor de respirat sub ap n

circuit nchis cu oxigen. Toate aceste riscuri sunt riscuri calculate care pot fi diminuate considerabil prin elaborarea unor instruciuni de utilizare adecvate i printr-un antrenament foarte serios al scafandrilor.

Nivelurile de risc considerabile sunt motivele pentru care aparatele de respirat sub ap n circuit seminchis i nchis sunt aparate speciale, ce pot fi utilizate numai de scafandrii profesioniti i mai ales de scafandrii militari.

Pentru o mai bun nelegere a funcionrii aparatelor de respirat sub ap, a performanelor acestora, precum i a necesitii utilizrii lor, este necesar s se ndrepte atenia asupra sistemului pe care l formeaz omul mpreun cu aparatul. La domeniul ptrunderii omului sub ap intereseaz, mai mult dect n orice alt domeniu, interaciunile dintre mediul acvatic i sistemul om-aparat, dintre mediul acvatic i fiecare subsistem (om i aparat) precum i interaciunea ntre elementele subsistemului (ntre om i aparat), precum i corelarea acestora n condiiile regimului hiperbar.

De aceea, nainte de prezentarea propriuzis, n detaliu, a aparatelor de respirat sub ap, se va face o scurt trecere n revist a subsistemului pe care l reprezint omul, cu funciile sale implicate n mod direct i a cror mecanisme fiziologice nu trebuie, n nici un caz, alterate de aparatele de respirat.

Tabelul 2.3

Nivelurile de risc pentru aparatele de respirat sub ap

n raport cu diferite tipuri de accidente

Nivelurile de risc pentru accidente Aparate de respirat sub ap Hipoxie Hiperoxie Intoxicaie cu CO2

- cu debit continuu 1 1 1 n circuit deschis - cu debit la cerere 1 1 1 - cu debit masic contant de amestec 3 2 2 n circuit seminchis,

autonome - cu debit masic constant de oxigen 5 3 2

- cu debit masic constant de amestec 4 2 2 n circuit seminchis, cu alimentare de la

suprafa - cu debit masic constant de oxigen 4 3 2

- cu debit la cerere 2 4-5 2 - cu injecie constant 3 4-5 2 n circuit nchis,

cu oxigen - cu injecie manual intermitent 4 4-5 2

- cu senzori electrochimici de O2

3 2 2 n circuit nchis, cu amestec - cu debit volumic constant 5 3 2

18

3. RESPIRAIA. PROCESELE RESPIRAIEI.

RESPIRAIA N HIPERBARISM Respiraia const din totalitatea proceselor care privesc transportul oxigenului

din ambian la esuturi i transportul dioxidului de carbon, rezultat din oxidrile tisulare, napoi n ambian.

Ambiana se refer la mediul gazos din care respir omul i care poate fi: - aerul la presiunea atmosferic, atunci cnd omul respir aer direct din

atmosfer sau din incinte normobare (incinte etane, cu aer la presiunea atmosferic, aa cum sunt camerele normobare ale submarinelor);

- aerul la presiune mai mare ca presiunea atmosferic, atunci cnd scafandrul respir din aerul sub presiune aflat n interiorul incintelor hiperbare (barocamere, turele presurizabile, camere hiperbare de submarin) sau din aerul livrat direct la respiraie, de ctre aparatele de respirat sub ap, la presiuni corespunztoare adncimii de imersie;

- amestecurile respiratorii sintetice (NITROX, HELIOX, TRIMIX), atunci cnd scafandrul respir din amestecurile gazoase binare sau ternare sub presiune aflate n interiorul incintelor hiperbare sau din amestecurile gazoase sintetice livrate direct la respiraie de ctre aparatele de respirat, la presiuni corespunztoare adncimilor de imersie;

- oxigenul pur, atunci cnd scafandrul respir oxigen livrat de aparatele de respirat, la presiune atmosferic sau la presiuni egale cu presiunile corespunztoare adncimilor de imersie.

3.1. ETAPELE RESPIRAIEI Procesele de transport ale oxigenului i dioxidului de carbon pot fi sistematizate

astfel: - respiraia extern, ce reprezint schimbul gazos ntre plmni i mediul

ambiant; - respiraia intern, ce reprezint schimbul gazos ntre snge i esuturi. Procesele respiraiei constau n ase stadii diferite: - ventilaia plmnilor sau ventilaia alveolar; - schimbul gazos ntre alveole i snge; - transportul gazului cu ajutorul sngelui; - schimbul gazos ntre snge i esuturi; - difuzia gazoas prin esuturi i celule; - metabolismul propriu-zis.

19

n figura 3.1 se prezint schema general a respiraiei cu ilustrarea schimburilor de gaze i a proceselor care intervin n aceste schimburi.

Fig. 3.1. Schema general a respiraiei cu ilustrarea schimburilor de gaze i a proceselor

care intervin n aceste schimburi (Bell, 1965).

3.2. FUNCIA SNGELUI N PROCESUL RESPIRAIEI Sngele transport oxigenul spre esuturi n dou moduri: - n combinaie chimic cu hemoglobina; - n soluie fizic, dizolvat n plasm. Pentru a determina cantitatea de oxigen transportat n combinaie chimic, se

pleac de la faptul c 100 ml de snge conine 15 g hemoglobin. Se cunoate c 1 mol de oxigen se combin cu 16,7 g hemoglobin, iar n condiii de temperatur i presiune normale, 1 mol de oxigen ocup 22,4 Nl . Indicele N se refer la faptul c volumele de gaz i debitele de gaz sunt exprimate la condiii normale (presiunea atmosferic i temperatura de 293,16 K).

Se poate scrie:

hemoglobin/Om34,1.hemog7,16Om104,22

22

3g

g NN ll = (3-1)

deci, cu alte cuvinte, fiecare gram de hemoglobin fixeaz 1,34 m Nl de oxigen, deci 100 lm snge, la o saturare complet, transport circa 20,1 Nlm oxigen ( 22 Om1,20/Om34,115 NN gg ll = ).

Cantitatea de oxigen dizolvat n plasm depinde, direct proporional, de presiunea parial a oxigenului din amestecul respirator precum i de solubilitatea acestuia. Coeficientul de solubilitate al oxigenului n plasm este de 0,023 la

20

presiunea de 760 mmHg, ceea ce nseamn c 1 ml de plasm conine 0,023 m Nl oxigen. Cum presiunea parial a oxigenului n sngele arterial este de 100 mmHg, cantitatea de oxigen coninut de 1 ml de plasm la 100 mmHg este:

2Om003,0760100023,0

Nl= . (3-2) Cantitatea de oxigen consumat ntr-un minut de un organism n repaus este de

aproximativ 250...300 Nml , oxigen ce trebuie transportat n sngele pompat de inim la debitul de 4...5 l /min. Dac aceast cantitate de oxigen ar trebui transportat exclusiv sub form dizolvat, ar fi necesar un debit sanguin de 83...120 l /min, ceea ce este practic imposibil de realizat n condiii normale. La un efort maximal, debitul cardiac atinge valoarea de 38 l /min de snge, iar consumul de oxigen ajunge pn la 3 Nl /min. i n acest caz, dac ntreaga cantitate de oxigen necesar metabolismului ar trebui transportat numai sub form dizolvat, aceasta ar necesita un debit de snge cu mult mai mare dect debitul cardiac normal la acest regim de efort.

Ceea ce nu poate fi realizat n condiii normale poate fi realizat n scufundare, adic n condiii de respiraie la presiuni mai mari dect presiunea atmosferic (condiii hiperbare). Scufundarea influeneaz mai puin transportul pe cale chimic a oxigenului, deoarece saturarea hemoglobinei nu depete n general 96% dar, influeneaz foarte mult transportul n soluie fizic, sub form dizolvat. Creterea presiunii pariale a oxigenului la 2,6 bar (sc.abs.) nseamn o cantitate de oxigen dizolvat n plasm i transportat la esuturi de:

sngem100/Om63,26,2 2 NN ll= . (3-3) n condiii de repaus, inima pompnd un debit de snge de 4...5 l /min, asigur

transportul sub form dizolvat, spre esuturi, a unui debit de oxigen de 240...300 Nlm /min, ceea ce este suficient pentru satisfacerea nevoilor metabolice ale tuturor esuturilor, n condiii de repaus.

3.3. RESPIRAIA EXTERN Respiraia extern este parte din ansamblul proceselor respiraiei, cu aciune

nemijlocit la interfaa omaparat de respirat sub ap. Pe timpul micrilor respiratorii apare un debit de gaz (gaz pur sau amestec de gaze) n cile respiratorii i n circuitele aparatului de respirat, iar forele dezvoltate ca urmare a contraciilor muchilor respiratori se opun, att forelor de retracie elastic a plmnilor i forelor de frecare ce apar la curgerea gazului prin cile respiratorii anatomice, ct i forelor de frecare ce apar la curgerea gazului respirator prin circuitele aparatului de respirat. Principala cauz a pierderilor de sarcin n aparatele de respirat o constituie forele de frecare datorate eforturilor tangeniale de vscozitate ce apar n masa gazului aflat n micare prin circuitele anatomice i artificiale. Energia cinetic a moleculelor de gaz n micare se transform n energie termic, ulterior pierdut.

Rezistena respiratorie se msoar n unitii de presiune pe debit de ventilaie: cm H2O/l /s.

21

Pentru ca respiraia s se poat menine n limitele normale se procedeaz, de obicei, la accelerarea gazelor ce trec prin cile respiratorii anatomice i ale aparatului de respirat. Spre exemplu, debitul detentorului treapta a II-a a aparatului de respirat sub ap n circuit deschis atinge valori de 300...400 Nl /min, la o depresiune creat de 3...5 cm H2O.

Ventilaia este una dintre funciile fundamentale ale plmnilor i depinde de frecvena respiraiei, de mrimea volumului curent i a spaiului mort. Spaiul mort anatomic este de aproximativ 150 m l , ceea ce reprezint volumul de gaz care nu particip la schimburile respiratorii. n tabelul 3.1 sunt prezentate caracteristicile funciei pulmonare pentru un scafandru tnr i sntos, n poziia "repaus culcat", iar n tabelul 3.2 sunt prezentate valorile mrimilor caracteristice principale ale mecanicii respiratorii. n figura 3.2 sunt prezentate grafic capacitile pulmonare normale.

Tabelul 3.1

Caracteristicile funciei pulmonare pentru un scafandru tnr i sntos,

n poziia "repaus culcat" (dup Comroe i col.)

Volumele plmnului [ml ] Ventilaia Capacitatea vital 4800 Minut volumul 6000 m min/l - volumul inspirator de rezerv 3100 Debitul curent 500 m min/l - volumul curent 500 Frecvena respiratorie 12 resp/min - volumul expirator de rezerv 1200 Spaiul mort respirator 150 mlCapacitatea total 6000 Ventilaia alveolar 4200 m min/l - capacitatea vital 4800 Gazul alveolar i sngele arterial - volumul rezidual 1200

2Op alveolar 104 mmHg

Capacitatea rezidual funcional 2400 2COp alveolar 40 mmHg

- volumul expirator de rezerv 1200 Saturarea cu oxigen 98% - volumul rezidual 1200Capacitatea inspiratorie 3600

'O2p arterial

95 mmHg

- volumul inspirator de rezerv 3100 - volumul curent 500

'CO2p arterial

40 mmHg

Capacitatea total 6000 Schimbul gazos n condiii normale - capacitatea inspiratorie 3600 Consum de oxigen 250 m min/l

Producia de CO2 200 m min/l - capacitatea rezidual funcional 2400 Ctul respirator 0,8

Obs: 2Op i 2COp reprezint presiunile pariale ale oxigenului i respectiv dioxidului de

carbon, iar 'O2p i 'CO2p reprezint tensiunile acelorai gaze dizolvate n sngele arterial.

22

Tabelul 3.2

Mrimi caracteristice privind mecanica respiratorie (dup Comroe i col.)

Mrimi caracteristice Valori

Ventilaia voluntar maxim 170 min/l Debitul expirator maxim >400 min/l Debitul respirator maxim >300 min/l Rezistena cilor aeriene 1,6 cmH2O/ s/l Rezistena pulmonar 1,9 cmH2O/ s/l Energia respiraiei linitite (ntr-un minut) 0,5 kgfm/min Lucrul mecanic maxim al respiraiei 10 kgfm/resp Presiunea maxim inspiratorie i expiratorie 60100 mmHg Estimarea volumului spaiului mort este foarte important. Se cunoate c

dioxidul de carbon coninut de gazul expirat este n proporie de 3,74%. Deci, participaia volumic a dioxidului de carbon n amestecul gazos expirat este

2COr =0,0370,04. Printr-o simpl nsumare rapid a gazelor produse, neglijndu-se inegalitatea dintre volumul gazului inspirat i volumul gazului expirat, se pot determina efectele ipotetice ale spaiului mort de adaus asupra respiraiei.

Fig. 3.2. Capacitile pulmonare normale:

VC volumul curent; VRI volumul de rezerv inspirator; VRE volumul de rezerv expirator; CV capacitatea vital; CI capacitatea inspiratorie; CRF capacitatea rezidual funcional;

VR volumul rezidual; CPT capacitatea pulmonar total. Se numete spaiu mort volumul cilor aeriene conductoare unde nu exist

schimburi importante de O2 i CO2 ntre gaz i snge. Datorit faptului c gazul imobilizat n spaiul mort nu sufer nici o modificare, se deduce faptul c volumul curent trebuie s fie mai mare ca spaiul mort astfel nct respiraia s fie eficace. Aceast noiune este important s fie considerat atunci cnd se utilizeaz o tehnic de respiraie artificial; dac metoda utilizat nu aduce un volum curent important, ventilaia pulmonar este ineficace. Spaiul mort se mrete atunci cnd ventilaia

23

pulmonar se produce prin intermediul unui tub unic att pentru inspir ct i pentru expir. Utilizarea unui tub de respirat de ctre scufundtorul n apnee, l oblig pe acesta la mrirea volumului curent. Dac tubul este prea lung, ventilaia pulmonar eficace devine imposibil. n schimb, utilizarea de supape care s permit gazelor inspirat i expirat de a urma ci diferite nu conduce la mrirea spaiului mort i nu oblig limitarea lungimii tuburilor utilizate (vezi supapele piesei bucale de la aparatele de respirat sub ap n circuit deschis, seminchis i nchis).

n tabelul 3.3 se prezint efectele spaiului mort asupra concentraiei de dioxid de carbon din amestecul respirator inhalat.

Tabelul 3.3

Efectele spaiului mort asupra concentraiei de dioxid de carbon

din amestecul respirator inhalat

Volumul curent [ lm ]

Spaiul mort al aparatului

[ lm ]

Dioxidul de carbon n spaiul mort

[ lm ]

Procentele de CO2 inhalat

[%] 500 50 2 0,4 500 500 20 4,0 1000 50 2 0,2 1000 500 20 2,0 La presiunea atmosferic, inspirarea unui amestec de gaze ce conine dioxid de

carbon n proporie de 2%, deci a unui amestec la care participaia volumic a dioxidului de carbon este =

2COr 0,02, iar presiunea parial a acestuia este bar02,0102,0

22 COCO === atprp (sc.abs.) = 20 mbar (sc.abs.), este tolerat de organism dei apare o oarecare cretere a ritmului i amplitudinii respiraiei. Acelai amestec, dac s-ar respira la adncimea de 15 m, adic la o presiune total de p = 2,5 bar (sc.abs.), ceea ce nseamn o presiune parial a dioxidului de carbon

05,05,202,022 COCO === prp bar (sc.abs.) = 50 mbar (sc.abs.), nu poate fi

tolerat dect accidental i pe o durat de maximum 30 min. n tabelul 3.4 sunt artate efectele intoxicrii cu dioxid de carbon la presiunea atmosferic, iar n tabelul 3.5 sunt prezentai timpii limit de expunere a scafandrului la presiuni pariale ale dioxidului de carbon, 2COp ridicate.

Tabelul 3.4

Etapele ce definesc intoxicaia cu CO2 la presiunea atmosferic

% CO2 Efectele intoxicaiei 2 Creterea ritmului i amplitudinii respiraiei 5 Hiperventilaie 7 Intoxicaie cu CO2, dispnee, tulburri mentale

peste 10 Dispnee progresiv, durere respiratorie violent, incontien, spasm neuromuscular i convulsii

24

Dac sunt cunoscute concentraiile dioxidului de carbon n gazul alveolar i n gazul expirat, precum i volumul gazului expirat, pot fi folosite relaiile lui Bohr pentru determinarea volumului spaiului mort, deduse n continuare.

Tabelul 3.5

Timpi limit de expunere a scafandrului la presiuni pariale ale CO2 ( 2COp ) ridicate

(presiunile pariale sunt exprimate n scar absolut)

2COp [mbar] Timp de expunere

[ore] Observaii privind expunerea scafandrului

50 0,5 Poate fi tolerat n caz de necesitate n turele 40 2,0 Tolerabil la expuneri excepionale 30 28 Tolerabil la expuneri excepionale 20 824 Maxim autorizat n operaiuni de scufundare 10 nelimitat Expunere maximal normal n incinte hiperbare

6 nelimitat Expunere maximal, optim, pentru ambiane hiperbare la scufundri n saturaie Volumul gazului expirat, EV , egal cu volumul curent, este suma volumului

gazului alveolar, AV , i a volumului gazului din spaiul mort, MV :

MAE VVV += . (3-4) Volumul dioxidului de carbon din gazul expirat este:

222 CO,CO,CO, MMAAEE rVrVrV += (3-5) unde:

2CO,Er este participaia volumic a dioxidului de carbon n gazul expirat;

2CO,Ar - participaia volumic a dioxidului de carbon n gazul alveolar;

2CO,Mr - participaia volumic a dioxidului de carbon n gazul rezidual.

La nceputul expirului, gazul din spaiul rezidual are aceeai compoziie ca i gazul inspirat:

222 CO,CO,CO, IMAAEE rVrVrV += , (3-6) unde

2CO,Ir este participaia volumic a dioxidului de carbon n gazul inspirat, sau: ( )

222 CO,CO,CO, IMAMEEE rVrVVrV += . (3-6) Volumul spaiului mort va fi:

EAI

AEM Vrr

rrV

=22

22

CO,CO,

CO,CO, . (3-7)

25

Neglijnd valoarea concentraiei dioxidului de carbon din amestecul inspirat, 2CO,Ir = 0, se obine urmtoarea expresie pentru volumul spaiului mort, cunoscut

sub numele de relaia lui Bohr:

EA

EAM Vr

rrV =

2

22

CO,

CO,CO, . (3-7)

Spre exemplu, dac volumul expirat (volumul curent) este lm450=EV , participaiile volumice ale dioxidului de carbon din gazul alveolar i din gazul expirat sunt =

2CO,Ar 0,06 i respectiv =2CO,Er 0,04, volumul spaiului mort MV rezult:

lm15045006,0

04,006,0 ==MV . Se poate face o analogie ntre ventilaia alveolar i ventilaia mtii faciale sau

a ctii scafandrului greu. Exist o strns legtur ntre volumul de dioxid de carbon din spaiul nchis, volumul gazului de ventilaie al spaiului i concentraia dioxidului de carbon din acest spaiu.

3.4. REZISTENA LA RESPIRAIE Frecarea moleculelor gazului aflat n micare prin cile respiratorii anatomice i

ale aparatului de respirat, conduc la disipri ale energiei gazului, alternd respiraia normal. De aceea, pentru a menine un debit respirator adecvat este necesar creterea presiunii amestecului gazos la inspiraie. Acest lucru nu nseamn, obligatoriu, micorarea rezistenei la respiraie. n aceste condiii, de obicei, expiraia se prelungete iar stimulul pentru inspiraie apare nainte de terminarea fazei de expiraie, ceea ce conduce la o stare de hiperventilaie relativ. Astfel, ventilaia alveolar se compromite progresiv i, cum producerea dioxidului de carbon crete cu intensitatea muncii subacvatice, este necesar compensarea aparatului respirator. Nu trebuie omis nici aciunea specific a dioxidului de carbon n exces n mecanismul de producere a narcozei, n potenarea efectului hiperbar i chiar n formarea bulelor la decompresie.

Rezistena de frecare, ca for dinamic a respiraiei, mpreun cu rezistenele ineriale, formeaz rezistena neelastic a respiraiei. Raportul dintre cderea de presiune datorat frecrilor i debitul de gaz care, circulnd prin sistem, conduce la respectiva cdere de presiune, este rezistena specific. Cderea de presiune este funcie de dimensiunile caracteristice circuitelor aferente aparatului respirator, de debitul de amestec gazos i de proprietile fizice ale amestecului de gaze respiratorii. Totui, trebuie menionat faptul c relaia dintre debitul de gaz i cderea de presiune, n cazul sistemului de fa, corespunde ntr-o mic msur, deoarece cile aeriene anatomice sunt elastice, schimbndu-i dimensiunile pe timpul respiraiei. La un adult normal, rezistena medie specific este de aproximativ 2 cmH2O/l /s.

n vederea cuantificrii elasticitii esuturilor se folosete noiunea de complian pulmonar, care este inversul elastanei. Compliana pulmonar reprezint variaia volumului pulmonar, n litri, raportat la variaia presiunii intrapulmonare exprimat n cmH2O:

26

ip

p

pV

C= , (3-8)

unde: pV este variaia volumului pulmonar, (l ); ipp - variaia presiunii intrapulmonare, (cmH2O).

La un individ normal, compliana variaz ntre 0,130 i 0,200 l /cmH2O. Valoarea complianei variaz individual, direct proporional cu volumul

pulmonar. Volumul pulmonar este funcie de surfactant, o substan tensioactiv care "tapeteaz" alveolele. Surfactantul este afectat de oxigenul hiperbar, ceea ce duce la o scdere a capacitii vitale i implicit a complianei.

3.5. LUCRUL MECANIC AL RESPIRAIEI Lucrul mecanic al muchilor respiratori nvinge rezistenele elastice, neelastice

i de frecare rezultate la micarea aerului sau a amestecului respirator gazos prin cile respiratorii i ale esutului pulmonar. n respiraia linitit, 60% din energia muchilor respiratori se consum pentru nvingerea rezistenei elastice, 40% pentru nvingerea rezistenei neelastice (vscoase) i o cantitate neglijabil pentru nvingerea rezistenei viscerelor. O dat cu creterea frecvenei respiraiei crete i rezistena elastic, iar rezistena neelastic scade, deoarece aerul penduleaz n spaiul mort, unde rezistena este mai mic.

Pentru a asigura deplasarea aerului n cile respiratorii, la un individ aflat n repaus, se cheltuiete o energie de 0,5 kgfm ntr-un minut, ceea ce revine la o energie de 720 kgfm cheltuit ntr-o zi, echivalent cu 1,7 kcal. Randamentul cel mai ridicat al muchilor respiratori fiind de 10%, nseamn c n 24 ore se cheltuiesc 150...200 kcal, adic 1% din consumul energetic bazal (I. Baciu, 1977) sau dup ali autori 0,6% din consumul energetic bazal (W. Penzias, M. W. Goodman, 1973).

Din specificaiile Biroului Minelor din S.U.A. se noteaz urmtoarele caracteristici maximale pentru filtrul respirator: 5 cmH2O la inspiraie i 2,5 cmH2O la expiraie, sau un total de 7,5 cmH2O la un debit de 85 l /min. n tabelul 3.6 sunt prezentate msurtorile efectuate asupra debitului respirator pentru diferite activiti, dup Silverman i col.

3.6. RECAPITULAIE PRIVIND MRIMILE CARACTERISTICE ALE RESPIRAIEI

Compliana:

ip

ppV

C= ( OcmH/ 2l ), (3-9)

unde cp VV = (volumul curent).

27

Presiunea intrapulmonar:

CVp cip = (cmH2O). (3-10)

Energia elastic ntr-un minut:

CVVpW ccipe 22

2== (kgf/m). (3-11)

Energia de rezisten: fVkW cr

22= , (3-12) unde k este ctul respirator definit prin expresia:

2

2OdeConsumul

COdeProductia=k , (3-13)

iar f este ritmul respirator (resp/min). Energia total:

fWWW ret )( += , (3-14) sau

fVkC

VW cct

+= 2

22

2. (3-15)

Consumul de oxigen pe timpul respiraiei, n condiii de repaus este de 0,32,0 ll /m de ventilaie, sau aproximativ 2% din consumul total de oxigen.

Eficiena respiratorie la un subiect normal variaz ntre 3% i 10%. Eficiena respiratorie reprezint raportul dintre lucrul mecanic i consumul de oxigen.

Energia consumat ntr-un minut la o respiraie linitit este de 0,5 kgfm/s, ceea ce corespunde unei puteri de 0,5 kgfm/s sau de 8,3310-3 kgfm/s, sau de 0,0817 W, la o rezisten de 1,2...2,0 cmH2O/l /s i un debit de 0,5 l /s.

Lucrul mecanic al ventilaiei maxime este de 15...20 ori mai mare dect n cazul respiraiei n repaus, ceea ce necesit o cretere de 300...500 ori a lucrului mecanic respirator ( 10 kgfm/respiraie; 300...350 kgfm ntr-un minut, la o frecven respiratorie de 30 respiraii pe minut ceea ce corespunde unei puteri de 300...350 kgfm/min).

Rezistena standard: 830 kgfm (munc grea) pot fi consumai ntr-un minut la o rezisten a cilor respiratorii de 10,6 cmH2O (inspiraie) i 4,7 cmH2O (expiraie), msurai la debitul de 85 l /min; pentru 1107 kgfm/min (munc foarte grea) nivelele corespunztoare sunt 6,4 cmH2O i respectiv 4,1 cmH2O; exist un disconfort dac rezistena la expiraie depete rezistena la inspiraie i dac totalul este mai mare de 5 cmH2O la un debit de 85 l /min.

Observaie. i n acest paragraf, ca i n celelalte paragrafe ale capitolului 3, toate volumele de gaz sau debitele de gaz sunt exprimate n condiii normale (la presiune atmosferic, atpp = i la temperatur KT 16,293= ).

28

Tabelul 3.6

Msurtori asupra debitului aerului respirator pentru diferite activiti (dup Silverman i col., 1951)

Debitul maxim

[ min/l ] Consumul energetic

Numrul subiecilor

Volumul respirator

minim ntr-un minut

[ l ] inspir expir

Debitul de oxigen consumat

min]/[ml

Producia de CO2

min]/[ml Ctul

respirator k [-]

1 29 10,3 40 32 306 261 0,853 Sedentar

2 13 9,1 37 29 304 259 0,852 1 12 14,2 49 43 496 425 0,857

Repaus 2 12 13,2 44 37 496 416 0,856 1 12 20,8 63 58 800 695 0,869 [kgfm/min]

208 2 12 19,8 60 56 812 709 0,873 1 14 29,9 84 85 1172 1068 0,911

415 2 12 27,0 78 77 1159 1039 0,896 1 12 37,3 100 107 1545 1432 0,927

622 2 12 36,2 101 105 1606 1482 0,923 1 59 54,7 149 154 2075 2017 0,972

830 2 48 48,9 128 144 2052 1976 0,962 1 46 75,3 194 211 2723 2723 1,000

1107 2 22 64,4 160 195 2591 2621 1,012 1 8 104,0 254 314 3114 3399 1,091

1384 2 6 81,3 192 252 3033 3231 1,065 1 6 113,8 286 322 3413 3598 1,054

1660 2 3 90,3 240 240 3245 3450 1,063

3.7. MODIFICRI ALE MECANICII RESPIRATORII N HIPERBARISM

Prin ptrunderea omului n mediul subacvatic, impropriu modului su obinuit de via, utiliznd aparate de respirat sub ap, apar modificri n mecanica respiratorie. Cauzele acestor modificri sunt legate de creterea presiunii hidrostatice ambiante, de creterea presiunii gazului (amestecului de gaze) respirat, egal cu presiunea corespunztoare adncimii de imersie, de creterea densitii gazului (amestecului de gaze) respirat, de scderea temperaturii, de variaiile locale de presiune i de suplimentarea rezistenei respiratorii totale prin adugarea unei rezistene gazodinamice exterioare datorate aparatului de respirat sub ap. Funcia respiratorie este deci primordial i imediat implicat n reacia organismului scafandrului i n adaptarea acestuia la mediul hiperbar.

29

O condiie necesar pentru asigurarea unei respiraii confortabile n hiperbarism const n faptul c, indiferent de tipul aparatului de respirat sub ap, acesta trebuie astfel conceput nct s furnizeze scafandrului gaz (amestec de gaze) respirator la o presiune egal cu presiunea mediului ambiant. Este evident c, o dat cu creterea adncimii de scufundare, crete i densitatea gazului (amestecului de gaze) respirator. Aceasta conduce la creterea rezistenei cilor respiratorii, proporional cu densitatea gazului respirat. n consecin, respiraia scafandrului devine tot mai ampl, volumul curent crete, iar frecvena respiratorie scade la valori de 10...12 respiraii pe minut.

La utilizarea aparatului de respirat sub ap frecvena respiratorie scade cu 22,5...24,8%, fiind asociat cu o cretere a amplitudinii respiraiei (106...109%).

Reducerea frecvenei respiratorii este explicat ca o adaptare la lucrul mecanic respirator crescut i se datoreaz att rezistenei interne sporite*, ct i rezistenei introduse de aparatul de respirat.

Spre deosebire de condiiile normobare unde expiraia este un proces pasiv, creterea presiunii ambiante determin intrarea n aciune a muchilor expiratori. Astfel, expiraia n hiperbarism devine activ, iar efortul respirator depus de scafandru crete.

Cunoaterea volumului mort anatomic este important n vederea proiectrii aparatelor de respirat. La alegerea debitului nominal de gaz respirator ce trebuie livrat de ctre aparat, este necesar s se in cont de cei 150 ml din volumul curent pe care organismul nu-i utilizeaz, la care se adaug spaiul mort tehnic introdus de aparatul de respirat. Dac debitul de gaz respirator livrat de aparat este prea mic i dac acoper numai suma spaiilor anatomic i tehnic, ventilaia alveolar nu poate avea loc. Creterea volumului mort prin utilizarea aparatului de respirat sub ap conduce la amplificarea micrilor respiratorii ale scafandrului.

Prin urmare, fa de creterea lucrului mecanic respirator, organismul se adapteaz prin mrirea amplitudinii i reducerea frecvenei respiratorii. Economisirea efortului ventilator este mult facilitat prin inhalarea gazelor mai puin dense i prin utilizarea de aparate de respirat cu rezisten redus.

Trebuie menionat i faptul c cercetrile efectuate la Laboratorul Hiperbar de pe lng Centrul de Scafandri Constana, au pus n eviden existena unei influene a echipamentului (costum, centur de lestare, aparat de respirat) asupra parametrilor ventilatori ai scafandrului. Influena este cu att mai mare cu ct costumul este mai strns pe torace (mai mare la costumul de neopren dect la cel etan cu volum constant). De asemenea, centura de lestare limiteaz distensia abdomenului n timpul coborrii diafragmului, iar aparatul autonom de respirat limiteaz n plus, prin greutatea lui i prin sistemul de fixare, expansiunea toracelui n timpul inspiraiei, scafandrul fiind mai aproape de limita disfunciei repiratorii.

*Rezistena cilor respiratorii crete cu adncimea dublndu-se la 4 bar (sc.abs.); creterea se realizeaz n special pe seama rezistenei respiratorii i se accentueaz n apa rece.

30

4. GAZE I AMESTECURI DE GAZE

UTILIZATE N SCUFUNDARE

Un rol important n conceperea, proiectarea, realizarea i exploatarea aparatelor de respirat sub ap l au gazele i amestecurile de gaze respiratorii utilizate n cadrul acestor aparate. Tipul gazului sau amestecului respirator utilizat este impus de tipul aparatului de scufundare folosit i de tehnologia de scufundare adoptat.

Pentru alegerea corect a gazului sau amestecului respirator n cadrul diferitelor aparate de respirat sub ap i pentru stabilirea cu precizie a tehnologiei de scufundare, este necesar cunoaterea n detaliu a caracteristicilor fizice ale gazelor utilizate. De asemenea, pentru obinerea unor amestecuri de gaze cu participaii volumice (concentraii) ale componentelor dorite, este necesar cunoaterea metodelor de fabricare a acestor amestecuri respiratorii.

4.1. GENERALITI PRIVIND GAZELE UTILIZATE N SCUFUNDARE

Primul gaz utilizat n scufundare a fost aerul care este un amestec respirator natural. Folosit la adncimi mari aerul pune probleme importante cu implicaii n revenirea scafandrului la presiunea atmosferic, impunnd precauii severe pentru evitarea unor accidente datorate fie apariiei unor stri anormale, fie unei decompresii necorespunztoare.

Pentru evitarea acestor probleme, cunoscut fiind faptul c oxigenul este gazul indispensabil vieii i considerndu-se c este "inofensiv", s-a ncercat executarea de scufundri numai cu oxigen pur. Din pcate, utilizarea oxigenului pur dei a eliminat accidentele de decompresie, a condus, n cazul scufundrilor la adncimi mai mari de 7...10 m, la alte accidente specifice oxigenului. Aceste accidente au fost foarte grave i uneori mortale, prin acestea infirmndu-se "inofensivitatea" oxigenului respirat la presiuni mai mari dect presiunea atmosferic. Astfel, a reaprut necesitatea dilurii oxigenului i realizrii unor amestecuri respiratorii sintetice. De asemenea a aprut i necesitatea gsirii unor noi gaze zise "inerte" pentru eliminarea neajunsurilor provocate de azotul din aerul atmosferic. Considerate ca inerte, pentru c nu sunt nici metabolizate, nici produse de organism, ele sunt totui generatoare de efecte biochimice cu att mai evidente cu ct presiunea parial a gazului inert, din amestecul gazos respirator, crete o dat cu creterea adncimii de scufundare.

Indiferent de gazul inert utilizat ca diluant al oxigenului, unul din marile neajunsuri ale gazului inert este efectul narcotic pe care l induce. n prezent, se admite c aciunea fiziologic a unui amestec gazos respirator depinde de compoziia

31

sa, de concentraiile (participaiile volumice) ale gazelor care alctuiesc amestecul, precum i de presiunea la care este respirat. Ultimii doi factori, corelai cu aciunea fiziologic a amestecului respirator, determin valoarea maxim admis a presiunii pariale a gazului inert astfel nct efectul narcotic s nu-i fac apariia.

Este deci important s se cunoasc faptul c toate gazele zise "inerte" au o putere narcotic apropiat de aceea a gazelor anestezice (cum ar fi protoxidul de azot), c aceast putere narcotic este funcie de solubilitatea lor n grsimi raportat la solubilitatea lor n ap (coeficientul Mayer-Overton) i funcie, de asemenea, de masa lor specific (densitatea), ceea ce este evident pentru gazele grele. Astfel, narcoza ncepe de la adncimea de 60 m cu azot, de la 40 m cu argon i chiar la presiunea atmosferic cu xenon, pentru amestecuri cu 80% gaz inert. Din contr, dei este cel mai uor gaz dintre gazele utilizate ca diluant pentru oxigen, hidrogenul este mai narcotic ca heliul care este de dou ori mai greu, motiv pentru care hidrogenul se distinge de celelalte gaze prin proprietile sale originale. Heliul poate fi considerat deci ca cel mai inert dintre gaze, dar puterea sa narcotic, cunoscut ca foarte slab, este perfect perceptibil la adncimi foarte mari.

n tabelul 4.1 sunt prezentate cteva proprieti ale gazelor zise "inerte", legate de puterea lor narcotic.

Tabelul 4.1

Cteva proprieti ale gazelor zise "inerte"

Solubilitatea [ ll/m ]

Gaz Masa

molar [kg/kmol]

Densitatea [ 3kg/m ]*

Numrul Van der Waals**

a n ap

(la 370C) n grsimi (la 370C) M.O.***

Heliu 4 0,18 0,034 9,2 17 1,85 Neon 20 0,90 0,21 10,6 22 2,07 Hidrogen 2 0,09 0,24 18,0 57 3,17 Azot 28 1,25 1,39 14,5 76 5,24 Argon 40 1,78 1,34 33,0 150 4,54 Kripton 83,8 3,75 2,32 70,0 490 7,00 Xenon 131 5,90 4,19 130,0 1700 13,07

*Valorile densitilor sunt la 00C i la presiunea atmosferic normal; **Numrul lui Van der Waals a exprim fora de atracie intermolecular;

***Coeficientul Mayer-Overton = apnteaSolubilita

grasiminteaSolubilita , n relaie cu puterea narcotic.

Un alt neajuns, la fel de important, l constituie faptul c la decompresie, gazul

inert se poate degaja cu formarea de bule, care pot provoca accidente serioase n cazul nerespectrii unei proceduri speciale de revenire la presiunea atmosferic. n plus, absena prelungit a azotului din amestecurile respiratorii poate sta la baza unor importante modificri de ordin fiziologic, iar n perioada schimbrii amestecurilor respiratorii apare, la nivelul membranelor, o contradifuzie izobaric a gazelor inerte dizolvate n esuturi.

32

4.2. OXIGENUL Oxigenul este cel mai important dintre toate gazele utilizate n scufundare

deoarece este indispensabil vieii i este elementul chimic cel mai rspndit din natur. Aerul atmosferic conine aproximativ 21% oxigen liber, n stare molecular. Acest gaz, inodor, incolor i insipid este foarte activ combinndu-se uor cu alte elemente. n tabelul 4.2 sunt prezentate cele mai importante caracteristici fizice ale oxigenului.

n scufundare, pentru prima dat a fost utilizat oxigenul pur, n cel de-al doilea rzboi mondial, de ctre scafandrii de lupt italieni. Acetia, echipai cu combinezoane grele, etane i cu aparate de respirat sub ap n circuit nchis, au efectuat intervenii sub ap cu scop militar. Nu cunoteau nimic despre toxicitatea oxigenului, motiv pentru care au avut pierderi chiar pe timpul antrenamentelor.

Tabelul 4.2

Proprietile fizice ale oxigenului

Mrimea Valoarea Mrimea Valoarea Volumul molar

[ kmol/m3 ]

22,403

vck / 1,93

Masa molar [ kmolkg/ ]

31,999

/D 3104,1 Temperatura critic

][KTcr

154,4 Constante Van der Waals:

a - 2/mol)at/(l b - /moll

1,36

0,0318 Temperatura de fierbere la

1,013 bar (sc.abs.) ][KT f

90,2

Presiunea critic ]ata[crp **

49,7

Conductibilitatea termic ]/[ Kscmcalk

58,5

crf TT / 0,58

Coeficientul de autodifuzie ]/scm[ 2D

0,189

Diametrul moleculei []***

3,62

Densitatea ]/[ lg

1,429

Solubilitatea n ap [ ll / ]

0,0314

Coeficientul dinamic de viscozitate

]micropoise[ *

192,6

Solubilitatea n alcool etilic

[ ll / ]

0,1431

Cldura specific masic la volum constant

]Kcal/g[vc

0,157

Solubilitatea n benzen [ ll / ]

0,163

*1 micropoise = 10-3 poise = 10-3 g/(cm s) = dyn s/cm2; **ata atmosfer n scara absolut; *** angstrm (1 = 10-8 cm).

33

n prezent, cnd fenomenele de toxicitate ale oxigenului sunt cunoscute i controlate, oxigenul este utilizat, la aparatele de respirat sub ap, att pur ct i amestecat cu gaze inerte sub form de amestecuri respiratorii. Pentru dozarea corespunztoare a oxigenului pur sau a amestecului respirator ctre scafandru, este necesar cunoaterea consumului individual de oxigen funcie de activitatea subacvatic desfurat de scafandru (tab. 4.3).

Tabelul 4.3

Consumul individual de oxigen funcie de activitatea subacvatic

desfurat de scafandru (NOAA Diving Manual)

Activitatea desfurat de scafandru Consum O2 [ /minNl ]

Ventilaie pulmonar [ /minNl ]

Repaus 0,4 8 Lucrri uoare, not cu viteza

m/s257,0*Nd5,0 ==v 0,8 18 Lucrri moderate, not cu viteza

m/s411,0Nd8,0 ==v 1,3 30 Lucrri intense, not cu viteza

m/s514,0Nd0,1 ==v 1,7 40 Lucrri foarte grele, not cu viteza

m/s617,0Nd2,1 ==v 2,5 60 *Nd nod, unitate de msur a vitezei egal cu 1 mil marin pe or: 1 Nd = 1,852 km/h = 0,514

m/s.

n cazul scufundrilor cu alimentare la narghilea i a scufundrilor autonome cu plecare de la suprafa, n cadrul aparatelor de respirat sub ap, se utilizeaz de obicei amestecuri gazoase binare supraoxigenate. Utilizarea amestecurilor respiratorii cu concentraii mari de oxigen (cu participaii volumice ale oxigenului,

2Or , mari) se justific prin aceea c viteza de revenire la presiunea atmosferic, deci viteza de decompresie, este dictat de timpul necesar eliminrii gazului inert dizolvat la un moment dat n organismul uman. Cantitatea de gaz inert dizolvat este funcie de presiunea parial a acestuia din amestecul respirator, cu alte cuvinte, pentru o adncime dat, cu ct participaia volumic a oxigenului n amestecul respirator,

2Or , este mai mare, cu att cantitatea de gaz inert ce se va dizolva n esuturi va fi mai mic i implicit viteza de revenire la presiunea atmosferic va fi mai mare.

Astfel, pentru o anumit adncime de scufundare, care corespunde unei presiuni totale a amestecului gazos respirator, amp , i pentru un amestec de gaz azot-oxigen (NITROX) caracterizat prin participaiile volumice ale componentelor

2Or i 2Nr , ( =+

22 NO rr 1), presiunile pariale ale celor dou componente ale amestecului sunt

amprp 22 OO = i respectiv amprp 22 NN = , ( amppp =+ 22 NO ). Este evident faptul c, pentru reducerea timpului de decompresie, este necesar reducerea presiunii

34

pariale a gazului inert (azotului) din amestec, 2Np i deci creterea corespunztoare

a presiunii pariale a oxigenului din amestec, 2Op . Pentru un amp dat, creterea

presiunii pariale 2Op conduce la necesitatea utilizrii unui amestec gazos azot-

oxigen cu o participaie volumic a oxigenului din amestec, 2Or , ridicat, deci a unui

amestec NITROX supraoxigenat (cu o valoare a participaiei volumice a oxigenului, 2Or , mai mare ca 0,21, valoare corespunztoare aerului). Aceleai consideraii sunt

valabile i pentru amestecurile gazoase binare heliu-oxigen (HELIOX). Creterea participaiei volumice a oxigenului,

2Or , n amestecul respirator, pentru o anumit adncime de scufundare i deci pentru o anumit valoare a presiunii totale a amestecului gazos amp , este limitat de creterea peste o anumit valoare a presiunii pariale a oxigenului din amestec,

2Op , dincolo de care pot aprea fenomenele de hiperoxie.

Spre exemplu, pentru o scufundare de o or la 90 m adncime de lucru ( bar10=amp (sc.abs.)), dac amestecul HELIOX respirat pe timpul lucrului conine 2% oxigen ( =2Or 0,02 i deci == amprp 22 OO 0,0210 = 0,2 bar (sc.abs.)), decompresia efectuat cu amestec cu 24% O2 ( =2Or 0,24) va dura 15 ore i 30 minute; dac amestecul HELIOX respirat n timpul lucrului conine 20% O2 ( 2,0

2O =r i deci == amprp 22 OO 0,210 =2 bar (sc.abs.)), decompresia efectuat cu amestec cu 24% O2 ( =2Or 0,24) va dura numai 10 ore i 40 minute.

La fel de concludente sunt i tabelele 4.4 i 4.5, care prezint comparativ duratele de decompresie pentru scufundri efectuate cu utilizarea amestecurilor respiratorii caracterizate prin diferite concentraii de oxigen.

Astfel, din tabelul 4.5 se observ c pentru o scufundare cu amestec azot-oxigen de 100 minute la o adncime de 30 m ( bar4=amp (sc.abs.)), durata decompresiei cu aer ( =2Or 0,21) este de 88,4 minute, cu amestec NITROX cu 30% O2 ( =2Or 0,3) este de 45,6 minute, cu amestec NITROX cu 40% O2 ( =2Or 0,4) este de 20,8 minute, iar cu amestec NITROX cu 50% O2 ( =2Or 0,5) este de numai 2,8 minute.

Tabelul 4.4

Comparaie ntre duratele decompresiei la scufundri folosind amestecuri respiratorii

heliu-oxigen (HELIOX) cu diferite concentraii de oxigen (decompresii calculate dup metoda COMEX Frana)

Scufundare de 1 or la 90 m adncime Amestec respirator de lucru 2/98* 20/80 Amestec respirator la decompresie 12/88 24/76 36/64 24/76 Durata total a decompresiei [ore.minute] 20.30 15.50 12.30 10.40

*Rapoartele din acest tabel se citesc: 2% O2 i 98% He

35

Tabelul 4.5

Comparaie ntre duratele decompresiei la scufundri folosind amestecuri respiratorii azot-oxigen (NITROX) cu diferite concentraii de oxigen

(decompresii calculate dup metoda Laboratorului Hiperbar din Constana)

Scufundare de 100 minute la 30 m adncime NITROX Amestec respirator Aer

21% O2 30% O2 40% O2 50% O2 Durata total a decompresiei [minute] 88,4 45,6 20,8 2,8

Limitele impuse de oxigen n scufundare, au fost determinate experimental i

sunt prezentate grafic n figura 4.1.

Fig. 4.1. Reprezentarea grafic a limitelor impuse pentru oxigen

n amestecurile respiratorii. Pe abscis este reprezentat adncimea de scufundare, n metri i presiunea

corespunztoare adncimii, n bar (sc.abs.), iar pe ordonat, concentraia oxigenului (% O2) i concentraia gazului inert (% gaz inert) n amestec. Curba I reunete punctele a cror presiune parial a oxigenului este =2Op 0,17 bar (sc.abs.), curba II punctele a cror presiune parial a oxigenului este =2Op 2 bar (sc.abs.), iar curba reprezentat cu linie ntrerupt punctele a cror presiune parial a oxigenului este

=2Op 0,21 bar (sc.abs.). Curba I reprezint curba limit inferioar a zonei de

36

securitate, sub aceast curb existnd zona de hipoxie i anoxie, curba II reprezint curba limit superioar a zonei de securitate, peste aceast curb existnd zona de hiperoxie, iar curba desenat cu linie ntrerupt este curba de normoxie corespunztoare unei presiuni pariale a oxigenului =2Op 0,21 bar (sc.abs.) egal cu cea a oxigenului din aerul la presiunea atmosferic. nainte de a face comentarii asupra graficului din figura 4.1 este necesar s se precizeze importana factorului timp n apariia accidentelor datorate deficitului de oxigen (hipoxie) i lipsei de oxigen (anoxie) sau presiunii n exces a acestuia (hiperoxie).

Respirnd un amestec cu presiunea parial a oxigenului sub valoarea corespunztoare curbei I (

2Op < 0,17 bar (sc.abs.)) se risc o sincop hipoxic sau anoxic, ce apare fr nici un semnal de avertizare. Timpul de laten este 12 minute, funcie de activitatea desfurat sub ap. Pot aprea ns semnale de alarm n zona presiunilor pariale ale oxigenului cuprinse ntre 0,17 bar (sc.abs.) i 0,1 bar (sc.abs.), dar aceste semnale nu sunt ntotdeauna percepute de scafandri i deci, nu se poate pune baz pe acestea ca elemente de stabilire a nceputului unei crize de hipoxie.

n continuare, se prezint efectele presiunii pariale a oxigenului, 2Op , n cazul

hipoxiei: -

2Op < 0,17 bar (sc.abs.): pulsul i frecvena respiraiei cresc, atenia scade, micrile delicate diminueaz;

- 2Op 0,1 bar (sc.abs.): judecat eronat, insensibilitate, oboseal, apariia

cianozei; -

2Op = 0,060,07 bar (sc.abs.): grea, vom, imposibilitate de efort, cianoz intens;

- 2Op < 0,06 bar (sc.abs.): respiraie neregulat, convulsii, sincop, moarte.

Respirnd un amestec cu presiunea parial a oxigenului peste valoarea corespunztoare curbei II (

2Op > 2 bar (sc.abs.)) se risc o criz convulsiv de tip hiperoxic. Aceast criz nu apare imediat ce s-a depit pragul critic, ea producndu-se dac expunerea se prelungete peste anumite limite de timp, care definesc latena fenomenului. Latena variaz de la individ la individ sau chiar la acelai individ funcie de efortul depus, frig, oboseal etc. Dup U.S. Navy Diving Manual, timpii de laten la respirarea oxigenului pur, sunt:

- 7 ore la 7 metri adncime; - 3 ore la 8 metri; - 50 minute la 10 metri; - 30 minute la 20 metri; - 10 minute la 25 metri. Activitatea n mediul marin scurteaz timpul de laten. Astfel, pentru

adncimea de 18 m, n incinte hiperbare uscate (barocamere), timpul de laten poate ajunge pn la 2 ore, iar n mediul marin el este de numai 40 minute. Pentru exemplificare, n figura 4.2 se prezint curbele aproximative ale timpilor de laten ce preced criza convulsiv neurotoxic, funcie de adncime, pentru cazul n care se respir oxigen pur.

37

Fig. 4.2. Curbele aproximative ale timpilor de laten ce preced criza convulsiv

neurotoxic, funcie de adncimea scufundrii (sau presiunea echivalent). Variaiile individuale ale timpului de laten sunt, de asemenea, foarte ntinse i

imprevizibile. La acelai individ, timpul de laten poate fi cuprins ntre 7 minute i 2,5 ore. Semnele de alarm iau aspectul unor mici crize foarte localizate, cu durat scurt, greuri, indispoziii, tremur al buzelor sau muchilor feei, crampe musculare, jen respiratorie, accelerarea pulsului i palpitaii. Apoi, totul reintr n normal pn la o nou criz respiratorie. Astfel, pot aprea mai multe crize mici pn la marea criz convulsiv. Acest efect neurotoxic al oxigenului a fost descris pentru prima dat de Paul Bert n anul 1878. Civa ani mai trziu, n 1899, Lorrain Smith a artat c oxigenul inhalat n mod continuu i timp ndelungat, provoac leziuni pulmonare chiar i la presiunea atmosferic. Primul efect, efectul Paul Bert, intereseaz scafandrii autonomi ce folosesc aparate cu oxigen pur sau cu amestecuri supraoxigenate, iar cel de-al doilea efect, efectul Lorrain Smith, intereseaz scafandrii ce staioneaz timp ndelungat n incinte hiperbare supraoxigenate, cum este cazul scafandrilor aflai n saturaie, sau al tratamentelor prin oxigenoterapie hiperbar.

Limitele de securitate pentru utilizarea oxigenului pur, recomandate n urma experimentrilor sunt:

- n scufundri reale: 7 m adncime; - la paliere de decompresie n ap: 6 m; - la paliere de decompresie n turele de sufundare sau n barocamere: 12 m; - n tratamentul accidentelor de scufundare: 9 m; n acest caz, cea mai bun

combinaie este 25 min. oxigen i 5 min. aer sau alt amestec oxigen-gaz inert;

- la testele de aptitudine n stabilirea toleranei la oxigenul hiperbar: 18 m.

38

n cazul scufundrilor cu amestecuri respiratorii sintetice sau cu aer, presiunea parial a oxigenului se va menine n limitele maxime admisibile de 1,2...1,6 bar (sc.abs.). Cu alte cuvinte, aerul atmosferic poate fi folosit, din punct de vedere al toxicitii oxigenului, n condiii de securitate deplin pn la adncimea de 75 m. n realitate, la scufundarea cu aer, aceast adncime nu poate fi atins dect de profesioniti antrenai, datorit limitei impuse de narcoza cu azot (50...60 m). Dup unii autori, pentru durat limitat, presiunea parial a oxigenului de 2 bar (sc.abs.) ntr-un amestec respirator este foarte bine suportat de scafandri.

n cazul scufundrilor care necesit staionarea ndelungat a scafandrilor ntr-o ambian cu presiunea parial a oxigenului ridicat, problema se pune diferit, innd cont de efectul Lorrain Smith.