Mrz 132012
 

Nitrox:

Die für die Berechnung von Nitrox-Gasmischungen nach Partialdruck-Füllmethode gültige Formel lautet:

Manche Zeitgenossen stehen mit Formeln ein wenig auf Kriegsfuß und sind dann nur selten in der Lage sich die passende Formel bei Bedarf herzuleiten. Sollte dann mal keine passende App für das Smartphone verfügbar sein, wird die Gasmischung zum Glücksspiel.

Mit ein wenig Überlegung und einem einfachen Dreisatz  lassen sich die gesuchten Werte auch ohne Formel ermitteln. Den Weg möchte ich nachfolgend darstellen.

Eine leere Nitrox-Flasche soll mit einem EANx 32 Gemisch auf einen Druck von 200 bar befüllt werden.

Das Wunschgemisch enthält also 32% Sauerstoff (O2 ) und demzufolge 68% Stickstoff(N2). Kohlendioxyd und Edelgase bleiben wegen ihrer geringen Konzentration unberücksichtigt. Nachdem die Flasche auf einen Druck von 200 bar gebracht werden soll, ergibt sich folgende Überlegung:

  • Anteil O2 im Endgemisch: 200 bar x 0,32 bar O2 = 64 bar O2
  • Anteil N2 im Endgemisch: 200 bar x 0,68 Bar N2 = 136 bar =N2

Nun betrachten wir einmal die Herkunftsquellen der einzelnen Gase im Rahmen der Partialdruck-Mischung. Die 64 bar O2 in der später auf den Enddruck gefüllten Tauchflasche stammen aus zwei Quellen – einerseits aus der Sauerstoff-Überströmflasche, andererseits aber auch aus der zugeführten Luft aus dem Kompressor.

Die 136 bar N2  stammen ausschließlich aus der durch den Kompressor zugeführten Luft. Wir wissen nun, dass der Anteil des N2  in der Atemluft 79% beträgt und wir wissen weiterhin, dass in der später gefüllten Nitroxflasche 136 bar N2 beinhaltet sein werden. Daraus ergibt sich folgende Betrachtung:

Wenn 136 bar N2 einem Volumenanteil von 79% entsprechen, dann entspricht der verbleibende Sauerstoffanteil von 21% einem Druck von:

  • (136 bar / 79%) x 21% = 36,15 bar

Mit dem Kompressor wird also neben dem N2 Anteil von 136 bar auch ein O2 Anteil von 36,15 bar in die Nitrox-Flasche eingefüllt.

Nachdem wir vorhin festgestellt haben, dass es notwendig ist die Flasche mit insgesamt 64 bar O2 zu befüllen, können wir nun ausrechnen wie viel O2 wir aus der O2-Überströmflasche in die Tauchflasche einfüllen müssen, nämlich:

  • 64 bar O2 – 36,15 bar O2 = 27,85 bar O2

Die leere Nitrox-Tauchflasche wird also zunächst aus der O2-Überströmflasche bis zu einem Druck von 27,85 bar mit reinem O2 gefüllt. Dann wird die Nitrox-Flasche an den Atemluftkompressor angeschlossen und bis zum gewünschten Enddruck von 200 bar mit Pressluft befüllt.

Achtung: Nachdem die Tauchflasche mit dem Atemluftkompressor verbunden wurde ist immer darauf zu achten, dass der Kompressor vor dem Öffnen des Flaschenventils bereits einen Druck aufgebaut hat, der über dem Druck liegt, welcher in der angeschlossenen Flasche herrscht. So wird verhindert, dass Gas aus der Flasche in den Kompressor zurückschlägt (ein Rückschlagventil am Kompressor ist dennoch aus Sicherheitsgründen unverzichtbar).

Trimix:

Für die Herstellung von Trimix Mischungen wird zusätzlich zur Sauerstoff-Speicherflasche noch eine Helium-Speicherflasche benötigt. Die Trimix-Tauchflasche wird dann zunächst mit 100% O2, gefolgt von 100% Helium (He) befüllt und dann mit dem Atemluftkompressor auf den gewünschten Zieldruck aufgefüllt.

Wie auch schon bei den Überlegungen zur Nitrox-Füllung (s. o.) ist es notwendig, sich zunächst über die Herkunftsquellen der verschiedenen an der Füllung beteiligten Gase klar zu werden. O2 wird der Trimix-Tauchflasche wieder aus zwei Quellen zugeführt, aus der O2-Speicherflasche und – anteilig – aus der vom Kompressor zugeführten Luft.

Stickstoff und Helium stammen nur aus einer Quelle. Helium kommt aus der Speicherflasche und Stickstoff  – ebenfalls anteilig – aus der durch den Kompressor zugeführten Luft.

Versuchen wir mit diesen Vorüberlegungen eine Berechnung vorzunehmen. Es soll eine leere Trimix-Flasche mit einem Gemisch 21/35 auf einen Zieldruck von 300 bar gefüllt werden. Das Gasgemisch setzt sich also zusammen aus 21% O2, 35% He und 44% N2. Die Teildrücke der einzelnen Gase in der Flasche lassen sich wie folgt berechnen:

  • 300 bar x 0,21 bar O2 = 63 bar O2
  • 300 bar x 0,35 bar He = 105 bar He
  • 300 bar x 0,44 bar N2 = 132 bar N2

Wie wir vorab festgestellt haben, werden die 63 bar O2 der Trimix-Flasche aus zwei Quellen zugeführt, nämlich aus der O2-Speicherflasche und über den Kompressor. Wie wir weiterhin wissen stammt der Stickstoff ausschließlich aus der über den Kompressor zugeführten Luft. Sein Anteil in der Atemluft beträgt bekanntlich 79%.

Somit können wir unter Anwendung des Dreisatzes wieder sagen: Wenn die 132 bar N2 einem Anteil von 79% entsprechen, so entsprechen die 21% O2 einem Druck von:

  • (132 bar / 79 %) x 21% = 35,09 bar

35,09 bar Sauerstoff gelangen also zusammen mit den 132 bar Stickstoff über den Kompressor in die Trimix-Flasche. Daraus folgt, dass die Differenz zwischen den benötigten 63 bar O2 und den 35.09 bar O2 die über den Kompressor in die Trimix-Flasche gefüllt werden über die O2-Speicherflasche zugeführt werden müssen:

  • 63 bar O2 – 35,09 Bar O2 = 27,91 bar O2

Der Füllvorgang der leeren Trimix-Flasche gestaltet sich also wie folgt: Die Flasche wird zunächst aus der O2-Speicherflasche bis zu einem Druck von 27,91 bar mit O2 befüllt. Es wird dann die He-Speicherflasche angeschlossen und bis zu einem Gesamtdruck von

  • 27,91 bar O2 + 105 bar He = 132,91 bar O2+He

mit Helium aufgefüllt. Danach wird die Trimix-Flasche mit dem Atemluftkompressor auf den gewünschten Zieldruck von 300 bar gebracht.

Helium hat ein anderes Kompressionsverhalten wie Sauerstoff oder Atemluft. Seine Moleküle lassen sich unter Druck „stärker zusammenpressen“.  Die Erfahrung  hat gezeigt, dass man 3-6 bar mehr Helium als errechnet in die Tauchflasche einfüllen muss, um das gewünschte Zielgemisch exakt zu erreichen (im Beispiel würde man also bis zu einem Gesamtdruck von ca. 138 bar Helium in die Flasche füllen – nicht nur wie errechnet bis zu einem Druck von 132,91 bar).

Remix – Füllen von nicht völlig entleerten Tauchflaschen mit Mischgasen

Wegen der hohen Helium Preise ist der Gedanke naheliegend, Restvolumina in Trimix-Tauchflaschen zu nutzen und die Flaschen vor  dem Befüllen mit einem neuen Trimix-Gemisch nicht zu entleeren. Ein solcher Remix sollte jedoch in der Regel nicht häufiger als ein- bis zweimal erfolgen, da selbst bei sorgfältigster Handhabung das Mischergebnis von Mal zu Mal ungenauer wird.

Ich will die Berechnung von Remixes wieder anhand eines Beispiels erläutern. Eine Trimix-Tauchflasche enthält ein Gemisch 18/45 mit einem Restdruck von 65 bar. Die Flasche soll neu gefüllt werden und dann ein Gemisch 21/35 bei einem Druck von 220 bar beinhalten. Die Restgase in der Tauchflasche lassen sich wie folgt ermitteln:

  • 65 bar x 0,18 bar O2 = 11,7 bar O2
  • 65 bar x 0,45 bar He = 29,25 bar He
  • 65 bar x 0,37 bar N2 = 24,05 bar N2

Nun die Teildrücke der Teilgase im gewünschten Zielgemisch:

  • 220 bar x 0,21 bar O2 = 46,2 bar O2
  • 220 bar x 0,35 bar He = 77 bar He
  • 220 bar x 0,44 bar N2 = 96,8 bar N2

Es sind nun die Druckdifferenzen der Teilgase zwischen Zielgemisch und Restgemisch zu ermitteln:

  • O2:         46,2 bar O2 – 11,7 bar O2 = 34,5 bar O2
  • He:        77 bar He – 29,25 bar He = 47,75 bar He
  • N2:         96,8 bar N2 – 24,05 bar N2 = 72,75 bar N2

Nachdem wir wissen, dass N2 ausschließlich aus der Atemluft über den Kompressor in die Flasche gefüllt wird, gilt wieder:

Die benötigten 72,75 bar N2 entsprechen einem Anteil von 79%, daher entsprechen die über den Kompressor kommenden anteiligen 21% O2 einem Druck von:

  • (72,75 bar / 79%) x 21% = 19,34 bar

Somit müssen aus der O2-Speicherflasche

  • 34,5 bar O2 – 19,34 bar O2 = 15,16 bar

eingefüllt werden.

Die Restflasche wird also zunächst an die O2-Speicherflasche angeschlossen und bis zu einem Gesamtdruck von 80,16 bar (65 bar Restdruck + 15,16 bar O2) aufgefüllt. Danach werden 47,75 bar He bis zu einem Gesamtdruck von 127,91 bar (tatsächlich würde man ca. 51 bar He hinzufügen – s. oben) in die Trimix-Flasche gefüllt. Im Anschluß wird mit dem Atemluftkompressor bis zum Zieldruck von 220 bar gefüllt.

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