CO₂ Absorptie bij Rebreather Duiken

-Een Theoretische Benadering-

door Jörg Heß -Technik@FST-eV.com

Vertaald door Jan Willem Bech - jw.bech@quicknet.nl

Bron: http://www.iart.de

Inhoud

Introductie
Het CO2 Absorptie Proces
Simulatie resultaten
Conclusies

Het verlies van de Russische onderzeeër Kursk met zijn bemanning in Augustus 2000, roept bij onderzeebootbemanningen, duikers en bergingsexperts vele onopgeloste vragen op. De historie van reddingsapparatuur voor het redden van onderzeeboot bemanningen gaat terug tot de tijd van Henry Fleuss. Hij heeft de Underwater Breathing Apparatus (UBA) uitgevonden. Het Fleuss masker werd veelal voor mijn reddingen gebruikt maar nooit voor reddingen bij onderzeeboten. Tot op de dag van vandaag hebben reddingssystemen gemeen dat een beperkte hoeveelheid ademgas wordt gerecycled, waarbij de kooldioxide chemisch wordt gebonden, en wordt vervangen door zuurstof (fig. 1)

Hetzelfde principe wordt toegepast in rebreathers. De techniek vindt brede toepassing voor militaire applicaties, commerciële-  en reddingstoestellen, maar ook voor apparatuur gebruikt voor recreatieve doeleinden.

Figuur 1: Schema van een Rebreather

Het CO2 Absorptie Proces  

Het adempatroon in een rebreather bestaat uit twee terugkerende fasen, de uitademing en de inademing Kleppen in het mondstuk garanderen dat de gasstroom de juiste richting volgt. Het gas doorloopt de verschillende onderdelen van het systeem, afhankelijk van de flow-fase.

Figuur 2: Flow patroon door de Scrubber

Gedurende de uitademingsfase, stroomt het uitgeademde gas door de scrubber naar de contralong. Gedurende de inademfase blijft nog daarvoor uitgeademd gas in de scrubber achter. De flow tijdens de inademing is maar klein. Om het proces te vereenvoudigen kan de flow van de CO2 worden voorgesteld als een sinusvorm. De flow door de scrubber is dus voor te stellen als een halve sinusvorm. De Balans van variabelen wordt weergegeven in Figuur 3.

Figuur 3: Absorptie proces variabelen.

De warmte balans weergegeven in temperatuur is afhankelijk van convectie, geleiding en een chemische reactie. Een verhoogde temperatuur in de scrubber leidt tot een effectievere chemische reactie, maar ook tot een vergroot warmte verlies veroorzaakt wordt door convectie en geleiding. De massa balans beschrijft de concentratie CO2 en de concentratie van nog werkzame stof in het absorptiemateriaal welke wordt bepaald door de flow, diffusie en de chemische reactie. Verhoogde concentraties leiden tot versterkte chemische reacties. Sterkere flow en diffusie verminderen de werking van de actieve stof.Het mag duidelijk zijn dat de absorptie van kooldioxide afhankelijk is van meer dan een proces of waarde. De verschillende mechanismen zijn in werking over het algemeen strijdig. Het is hierdoor zeer complex de werking van de scrubber te voorspellen. Een verandering in de fysieke condities van de samenstelling van het ademgas beïnvloeden het proces op  convectie, geleiding en diffusie met als gevolg een verandering in de werking van de scrubber. Door deze fysieke condities zal de karakteristiek van de scrubber samenhangen met diepte. Ondermeer zal door een verhoogde flowrate de chemische efficiëntie met de diepte ­afnemen! Deze stelling wordt door meting bevestigd en in figuur 4 weergegeven. Een vergelijkbaar effect wordt bereikt als het type ademgas wordt veranderd. Aanbevelingen van fabrikanten m.b.t. scrubbertijd voor een specifiek gas kunnen niet worden ‘vertaald’ naar een ander gas.

Figuur 4: Diepte afhankelijke  absorptie

Simulatie Resultaten:

Het resultaat van de analyse leidde tot een mathematisch model voor de axiaal scrubber. Dit werd bereikt door gebruik te maken van wiskundige software gebaseerd op de methode der eindige elementen. (zie voor nadere informatie: http://mathworld.wolfram.com/FiniteElementMethod.html ). Door de complexiteit van het proces te reduceren tot 50 eenvoudige, en 7 partieel differentiaal vergelijkingen, kost het een 1,1 Ghz PC 3 maanden om een absorptieproces van 4 uur te simuleren! Onder ideale omstandigheden, en door processen in de directe omgeving van de scrubber wand te negeren, kunnen het aantal partiele differentiaal vergelijkingen worden gereduceerd tot 4. Hierdoor wordt de rekentijd teruggebracht tot 75 uur. Figuur 5 geeft 1 uitademing weer van de totale 4 uur durende simulatie. In de bovenste afbeelding wordt de concentratie kooldioxide  weergegeven in relatie tot de ademfase. Het ademgas stroomt door de scrubber van links naar rechts. De x-as is representatief voor de lengte van de scrubber, terwijl de Y-as de partiele CO2 druk weergeeft.

Figuur 5: Absorptie patroon van een axiale CO2 scrubber

In het begin van de uitademfase  komt de kooldioxide de scrubber binnen en wordt maar gedeeltelijk geabsorbeerd. Hierna verplaatst de reactiezone zich naar het einde van de scrubber. Er wordt nog geen CO2 aan de uitgaande zijde van de scrubber gemeten. De reactiezone verplaatst zich golf vormig door de scrubber. Halverwege de uitademing wordt aan de uitgaande zijde van de scrubber nog steeds geen CO2 gemeten. Aan het einde van de uitademing bereikt de reactiezonde de uitgang van de scrubber. Dit resulteert in een gedeeltelijke ‘break through’, met een kortstondig verhoogt CO2 niveau uit de scrubber. Omdat de uitademfase bijna voorbij is zal de flow worden gereduceerd tot nul. De hoeveelheid CO2 is hierdoor gering. Het zal zich mixen met het gas in de contralong, met als resultaat dat de concentratie binnen de acceptabele grenzen zal liggen. Gedurende de volgende inademing, zal de resterende CO2 in de scrubber chemisch reageren met het absorptiemateriaal. Aan het begin van de volgende inademing zal vrijwel geen CO2 resteren in de scrubber!

Figuur 6:Dynamisch absorptie proces van een axiaal werkende CO2 scrubber.

In het geval de flowrate toeneemt, zal dientengevolge een grote fractie CO2 worden ingeademd! Het mag duidelijk zijn dat de gehele scrubber meewerkt aan het absorptieproces, en niet slecht een gedeelte. Als een ‘Break Through’ wordt bereikt, is de totale hoeveelheid absorptiemateriaal te klein om verzekerd te zijn van een acceptabele limiet m.b.t  CO2 In dat geval kan een oscillerende Co2 concentratie uit de scrubber worden verwacht. Hoewel de piekwaarden CO2 hoog kunnen liggen, zal de gemiddelde waarde onder de norm liggen. Zodra het einde van de gebruiksduur van een scrubber wordt bereikt zal de gemiddelde CO2 waarde exponentieel stijgen. Figuur 7 toont een karakteristiek patroon van een break through. Het weergegeven diagram is empirisch bepaald. Een  hoge concentratie CO2 in het begin blijkt binnen 3 tot 5 minuten door de scrubber te worden verlaagd  tot ruim binnen de gestelde norm. Dit is overeenkomstig de door de fabrikanten voorgeschreven ‘in-adem- of ‘pre-breathe’ periode van 3 tot 5 minuten. In dit voorbeeld zal de acceptabele gebruiksduur van de scrubber 4 uur, of 14400 seconden overschrijden. U dient er echter vanuit te gaan dat 10 minuten later de acceptabele limiet wordt bereikt. Na 4 uur en 15 minuten dienen de waarden CO2 als bedreigend te worden beschouwd! In werkelijkheid kunnen door diverse factoren deze waarden ongunstiger uitpakken. Dit kan worden veroorzaakt door variabelen in het productieproces, en door het niet optimaal vullen van de scrubber.

Figuur 7; Karakteristiek ‘doorbraak’ patroon CO2

In het geval dat het volume van de scrubber wordt gehalveerd qua absorptiemateriaal, wordt niet alleen de standtijd verminderd, maar zal gedurende de gehele gebruikstijd de gemiddelde geaccepteerde waarde worden overschreden!

Conclusies:

De resultaten zijn even verrassend als onverwacht.In ieder geval heeft de simulatie ertoe geleid dat er nu een wetenschappelijke basis is gecreëerd en voor een aantal proeven uit de 80-er jaren nu een verklaring is gevonden. Een zogenaamde diepte afhankelijke karakteristiek van de scrubber wordt onder de holistische aanpak geplaatst. Zelfs vandaag is er nog geen methode om CO2 te meten!

Daarom; de enige manier om hypercapnia te bestrijden is het te voorkomen! 

Dit houd onder meer in dat de adviezen van de fabrikant, zoals diepte limieten en tijdsbeperkingen moeten worden opgevolgd, maar ook een maximale gebruiksduur van 24 uur moet worden nageleefd. Hierna dient de scrubber te worden gereinigd en gedesinfecteerd. Mede door het CO2 absorptie proces mag een rebreather nooit worden gebruikt onder fysieke belasting, tenzij de rebreather specifiek voor dit doel is ontworpen.

Experimenten die grenswaarden gesteld door de fabrikant overschrijden, zoals door gebruik te maken van andere gassen (onder andere Helium), of door slechts een gedeelte van de absorptiekorrels te vervangen, dienen te worden vermeden.     De consequenties inschatten is niet mogelijk. Een definitief advies kan slechts worden samengesteld uit een groot aantal aan realiteit grenzende simulaties. Met deze verworven kennis als basis zouden technische oplossingen in rebreatherduiken kritisch onder de loep moeten worden genomen.

Gebruikers neigen vaak de  grenswaarden van de fabrikanten te overschrijden, omdat de risico’s door hen worden onderschat.

Figuur 8: Theorie ontmoet praktijk – kennis overdracht met Paul Heinerth over de legendarische CIS Lunar MK5 scrubber.