Pression et Gestion de l’air N4

1. Pression et Gestion de l’air N4 • Objectifs : • Donner les pré-requis pour les cours sur la flottabilité et sur les accidents barotraumatiques • Donner les éléments pratiques pour un comportement de Guide de Palanquée efficace : • Gestion de l’air de la palanquée • Participation au gonflage des blocs • Donner les méthodes de calcul pour le passage de l’examen N4

2. Plan : • Rappel sur les pressions • Comportement physique des gaz • loi de Mariotte • Condition de transvasement • Loi de Charles • Applications à la plongée • Remplissage des bouteilles à partir de blocs tampons • Evolution de pression après gonflage • Mise à l’eau • Consommation d’air • Synthèse : comportement du guide de palanquée

3. Rappels : • Pression = Force / Surface La pression est le résultat des chocs des molécules sur la surface. • Pabsolue = Patmosphérique + Phydrostatique • Evolutions au niveau 4 • Patmosphérique est variable en fonction de l’altitude • Phydrostatique est variable en fonction de la densité du liquide (poids de la colonne d’eau sur 1 cm²)

4. Loi de Mariotte • Mise en évidence • Pompe à vélo dont l’orifice de sortie est bouché Application d’un effort sur le piston de la pompe => augmentation de la pression => variation du volume (enfoncement du piston) Il existe une relation entre la variation de la pression et la variation du volume : Loi de Mariotte F

5. Loi de Mariotte • Enoncé de la loi • Dans un système fermé le produit Pression * Volume se conserve Pinitial *Vinitial = Pfinal *Vfinal • système fermé : pas de fuite d’air • La loi de Mariotte signifie que la quantité d’air dans le système est constante • P*V représentant la quantité d’air => Qté (l.b) = P(b) * V(l)

6. Loi de Mariotte • Utilisation de la loi • Cas de mise en communication de 2 bouteilles Une bouteille 1 de 12l à 180b Une bouteille 2 de 15l à 150b Quantité dans la bouteille 1 : P1V1 = 12*180 = 2160 b.l Quantité dans la bouteille 2 : P2V2 = 15*150 = 2250 b.l Quantité de gaz totale : P1V1 + P2V2 = 2160+2250 = 4410 b.l Volume final dans lequel se répartit le gaz : V1+V2 = 12+15 = 27 l Pression finale à l’équilibre : (P1V1+P2V2) / (V1+V2) = 4410/27 = 163 b • Pression à l’équilibre : Pfinal = (P1V1+P2V2) / (V1+V2) Extension au cas avec plus de deux récipients Pfinal = (P1V1+P2V2 +...+PnVn) / (V1+V2 +...+Vn)

7. Condition de transvasement • Mise en évidence Dans le calcul précédent de mise en communication des 2 bouteilles, l’air est passé de la bouteille à la plus forte pression vers la bouteille à la plus faible pression. • Enoncé de la loi Un gaz se déplace de la pression la plus forte vers la pression la plus faible. • Conséquence Il n’est pas possible de vider complètement une bouteille pour en remplir une autre. (Il reste toujours de l’air à la pression d’équilibre finale).

8. Loi de Charles • Mise en évidence Une bouteille plastique vide mise au congélateur s’écrase. • La variation de température du gaz contenu dans la bouteille à conduit à une variation de pression à l’intérieur de la bouteille, ce qui l’a déformée. Il existe une relation entre la variation de la température et la variation du pression : Loi de Charles • Enoncé de la loi Dans un volume constant le rapport de la pression sur la température absolue se conserve : Pinitial/Tinitial = Pfinal/Tfinal La température absolue est définie comme suit : T (K) = t (°C) +273

9. Remplissage de bouteille à partir de bloc tampon On dispose de un bloc tampon de 30l à 300b pour remplir 2 bouteilles de 15l à 100b 2 bouteilles de 15l à 0b On remplit les bouteilles à 100b en premier 1er transvasement : (PtVt+2*P2V2) / (Vt+2*V2) = (30*300+2*15*100)/(30+2*15) = 200 b 2ème transvasement : (PtVt+2*P1V1) / (Vt+2*V1) = (30*200+2*15*0)/(30+2*15) = 100 b La pression finale dans le bloc tampon est de 100b On remplit les bouteilles vides en premier 1er transvasement : (PtVt+2*P1V1) / (Vt+2*V1) = (30*300+2*15*0)/(30+2*15) = 150 b 2ème transvasement : (PtVt+2*P2V2) / (Vt+2*V2) = (30*150+2*15*100)/(30+2*15) = 125 b La pression finale dans le bloc tampon est de 125b Il reste plus d’air dans le tampon que dans le premier cas Conclusion => Pour gonfler les bouteilles il faut toujours remplir les bouteilles les plus pleines en premier.

10. Remplissage de bouteille à partir de bloc tampon On dispose de un bloc tampon de 30l à 200b un bloc tampon de 30l à 300b pour remplir 2 bouteilles de 15l à 0b On remplit à partir du tampon à 200b en premier 1er transvasement : (Pt1Vt1+2*P1V1) / (Vt1+2*V1) = (30*200+2*15*0)/(30+2*15) = 100b 2ème transvasement : (Pt2Vt2+2*P1V1) / (Vt2+2*V1) = (30*300+2*15*100)/(30+2*15) = 200b La pression finale dans les bouteille est de 200b On remplit à partir du tampon à 300b en premier 1er transvasement : (Pt2Vt2+2*P1V1) / (Vt2+2*V1) = (30*300+2*15*0)/(30+2*15) = 150b 2ème transvasement : (Pt1Vt1+2*P1V1) / (Vt1+2*V1) = (30*200+2*15*150)/(30+2*15) = 175b La pression finale dans les bouteille est de 175b La pression dans les bouteilles est plus faible que dans le premier cas Conclusion => Pour gonfler les bouteilles il faut toujours utiliser les tampons à la pression la plus basse en premier (si la pression dans le tampon est supérieur à celle de la bouteille : condition de transvasement)

11. Remplissage de bouteille à partir de bloc tampon On dispose d ’une rampe à deux sorties et de : un bloc tampon de 30l à 300b un bloc tampon de 30l à 200b pour remplir 2 bouteilles de 15l à 30b 2 bouteilles de 12l à 60b Questions : Quel est l’ordre des opérations pour gonfler les bouteilles? Quelles seront les pressions dans chacun des récipients après chaque opération?

12. Remplissage de bouteille à partir de bloc tampon On remplit les bouteilles 2 de à 60b à partir du tampon 2 à 200b en premier que l’on complète avec le tampon 1 à 300b puis on gonfle les bouteilles 1 à 30b avec le tampon 2 puis avec le tampon 1. 1er transvasement : (Pt2Vt2+2*P2V2) / (Vt2+2*V2) = (30*200+2*12*60)/(30+2*12) = 138b 2ème transvasement : (Pt1Vt1+2*P2V2) / (Vt1+2*V2) = (30*300+2*12*138)/(30+2*12) = 228b Attention la pression finale dépasse la pression de service à 200b Après le premier transvasement il faut calculer la quantité d’air nécessaire pour compléter les bouteilles 2 jusqu’à 200b et la retirer du bloc tampon 1. Quantité d’air pour compléter les bouteilles 1 = Quantité d’air finale dans les bouteilles -Quantité d’air initiale = 2*12*200 - 2*12*138 = 1493 b.l Quantité restante dans le tampon 1 = Quantité d ’air initiale - Quantité d’air retirée = 30*300 - 1493 = 7507 b.l à remettre dans le volume du tampon 1 Pression finale dans le tampon 1 = Quantité d’air / Volume = 7507 / 30 = 250 b 3eme transvasement : (Pt2Vt2+2*P1V1) / (Vt2+2*V1) = (30*138+2*15*30)/(30+2*15) = 84b 4ème transvasement : (Pt1Vt1+2*P1V1) / (Vt1+2*V1) = (30*250+2*15*84)/(30+2*15) = 167b

13. Evolution de pression après gonflage Après gonflage à 230b la température de la bouteille est de 50°C. Après refroidissement la température de la bouteille est égale à 30°C. Quelle est la pression après refroidissement? Pinitial/Tinitial = 230/(273+50) = 0.7121 b/K = Pfinal/Tfinal Pfinal = 0.7121* Tfinal = 0.7121 * (273+30) = 216b La pression finale dans les bouteille est de 216b Conclusion : Après gonflage il y a généralement une perte de pression après mise en température de la bouteille.

14. Mise à l’eau Sur le bateau à la température de 30°C, le manomètre indique une pression de 220b dans la bouteille. On s’immerge dans une eau à 15°C. Pinitial/Tinitial = 220/(273+30) = 0.7261 b/K = Pfinal/Tfinal Pfinal = 0.7261* Tfinal = 0.7261 * (273+15) = 209b La pression finale dans les bouteille est de 209b Conclusion => il faut vérifier les pressions des blocs après la mise à l’eau lorsque les blocs sont à la température de l’eau.

15. Consommation d’air La consommation d’air est le volume d’air à pression ambiante aspiré par minute. C (l/min) = V(l) / t(min) Cas de la respiration en surface Volume courant = 0.5l 1 respiration toute les 2 secondes => 30 respirations par minute => consommation de 15 l/min (ordre de grandeur de consommation normale : 15 à 25 l/min) Cas de la respiration en plongée Le volume courant et la fréquence de respiration changent peu. => la consommation est la même soit 15 l/min d’air Mais il s’agit d’air sous pression , à la pression absolue de la profondeur de la plongée

16. Consommation d’air L’autonomie est le temps pour consommer la quantité d’air disponible dans la bouteille avec la consommation du plongeur Autonomie (min) = Qté (l.b) / ( C (l/min)*P(b) ) Autonomie d’un plongeur consommant 20 l/min avec une bouteille de 12l à 200b. A 10m => 12*200/(20*2b) = 60 min A 20m => 12*200/(20*3b) = 40 min A 30m => 12*200/(20*4b) = 30 min A 40m => 12*200/(20*5b) = 24 min Autonomie d’un plongeur consommant 20l/min au palier 3m et 6m avec 12l à 50b A 3m => 12*50/(20*1.03b) = 23min A 6m => 12*50/(20*1.06b) = 18min 45s Consommation d’un plongeur ayant utilisé 50b d’air en 10min d’une bouteille de 15l sur une plongée à 20m => volume d’air à la pression ambiante à 20m= (50b*15l)/3b = 250 l à 3b consommation = 250l/10min = 25l/min

17. Consommation d’air • Cas d’un essouflement • une respiration sur le volume inspiratoire de 2l • une respiration par seconde => consommation de 120 l/min Impact sur l’autonomie qui devient 6 fois plus courte => danger • Attention aux gros consommateurs qui ont une faible autonomie en air. Il faut les identifier rapidement au cours de la plongée. Consommation de 60 l/min Autonomie à 30m de 10min avec un 12l à 200b => identifier les consommations de la palanquée en moins de 5minutes.

18. Synthèse : Contrôle du manomètre Pour être sur que les bouteilles sont ouvertes (pas de variation de l’aiguille du manomètre lors d’une inspiration) Pour s’assurer de l’autonomie pour la décompression Pour prendre en compte la variation de température 5 ’ Pour vérification Pour estimer les consommation de la palanquée Pour s’assurer de l’autonomie pour la remontée