English version of this article: Written by Jason Rogers.

Download UK version of this article here

Download German article about passive rebreathers written by: URS Anliker here

Passief geregelde rebreathers

(c)Jason Rogers, bewerking Janwillem Bech

http://www.therebreathersite.nl

We hebben allemaal eens gekeken naar formules die de gasstroom door actief geregelde semi-closed rebreathers berekenen. Deze formules worden over het algemeen goed begrepen. Er schijnt echter een grote onduidelijkheid te bestaan over de werking van passief geregelde rebreathers.

We onderscheiden twee hoofdgroepen in de passief geregelde SCR’s en deze hebben grotendeels een identiek principe

Handbediende units
Automatische units

Handbediende units zijn zo geconstrueerd dat de duiker met een zekere frequentie handmatig een deel van zijn ‘loop volume’ dumpt en het weer vervangt door nieuw gas (drive gas of make-up gas).
De hoeveelheid gas die wordt gedumpt kan overeenkomen met het longvolume van de duiker, een deel van het loopvolume of een flush.(toevoeren en dumpen tegelijkertijd). De beschrijving hoe een dergelijke unit wordt gebruikt kan op de A.A.R.G site worden gevonden, zoek naar het duikrapport van DeeWhy en Meggol

Automatische units dumpen een gedeelte van het loopvolume bij elke ademhaling. Over het algemeen een specifiek deel van het vitale longvolume van de duiker. Automatische units kunnen verder worden onderverdeeld in drie algemene categorieën;

1)      Fixed ratio. (vaste verhouding). Deze units dumpen bij elke ademhaling van de duiker een vast volume percentage overboord (over het algemeen tussen 10 – 25%). De zuurstof fractie (percentage) varieert met de diepte. De zuurstof fractie benadert steeds dichter het percentage zuurstof in het drive gas als de duiker afdaalt omdat het effectieve dumpvolume toeneemt met de diepte.
(rekenvoorbeelden volgen later)

2) Diepte gecompenseerd. Deze rebreather dumpt een percentage van de vitale capaciteit van de duiker, zodanig dat dit percentage omgekeerd evenredig is aan de absolute omgevingsdruk. Aan de oppervlakte dumpen dergelijke units tussen 20% en 33% van het volume per ademhaling, maar deze waarde daalt met toenemende diepte om de zuurstoffractie constant te houden en het gasverbruik te reduceren. De hoeveelheid gedumpt gas daalt zodanig dat als bijvoorbeeld aan de oppervlakte 33% van elke ademhaling wordt gedumpt er op 90 meter nog maar 3,3% wordt gedumpt. (omgekeerde evenredigheid). Deze units bieden een vaste fractie zuurstof ongeacht de diepte, mits tijdens de gehele duik hetzelfde gas wordt gebruikt. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat de hoeveelheid dumpgas over de hele duik gelijk blijft qua liters gedumpt gas.

3) Gedeeltelijk diepte gecompenseerd. Deze units werken qua principe tussen fixed ratio en diepte gecompenseerd in. Zij voorzien in een groot dumpvolume aan de oppervlakte, meestal 20%-33%, maar de dump verhouding is niet gekoppeld aan een dumpvolume wat geldt aan de oppervlakte noch aan een ademhaling op diepte. Over het algemeen dumpen zij tussen 75% en 200% van het een oppervlakte equivalente ademhaling bij 10 bar absolute druk, maar dit varieert met het ontwerp, en kan bovendien bij identieke units per productiemodel verschillen.

Hoe dit dump principe functioneert, varieert van unit tot unit, maar de hieronder beschreven principes kunnen worden onderscheiden;

De factoren die de samenstelling van het ingeademde gas bepalen zijn,
-De zuurstoffractie van het drive gas (gas in de cilinder).
- Het zuurstofverbruik van de duiker (metabolisch verbruik).
- De hoeveelheid gas die wordt gedumpt uit de loop.

Over het algemeen wordt aangenomen dat de samenstelling van het ingeademde gas gelijk is aan de samenstelling van het gedumpte gas. Dit is echter niet altijd zo. Dit omdat sommige units het drive gas (gas uit de cilinder) upstream aan de loop injecteren. Dat wil zeggen dat het gas wordt geïnjecteerd aan de inademzijde van de loop. Hierdoor is het gedumpte gas qua samenstelling niet gelijk is aan het gedumpte gas, maar gelijk aan het door de duiker uitgeademde gas. Het is overigens een slecht gebruik om een zuurstofdruk te kiezen op basis van het in het dumpgas aangetroffen zuurstofniveau. Er is namelijk geen garantie dat bij elke ademhaling nieuw drive gas wordt geïnjecteerd.

De samenstelling van het dumpgas is kritisch wanneer het punt wordt bereikt met het laagste zuurstofgehalte. Dit punt kan worden berekend.

Het dumpgas kan worden opgedeeld in twee hoofdcomponenten.
-Het ‘overgebleven’ gas na het zuurstof verbruik van de duiker,
-Een hoeveelheid gas dat door het systeem is gestroomd zonder te worden geconsumeerd.
Deze tweede component kan worden gezien als een niet te voorkomen verliesfactor. Dit verloren gas is het gedeelte van het dumpgas dat de zuurstof bevat om de loop op het minimale zuurstof niveau te houden.

Nu wordt het verschil in werking tussen handbediende en automatische rebreathers duidelijk. Een handbediend rebreather systeem werkt op basis van tijdinterval tussen de dumps. Rekenkundig berust de werking op het zuurstofverbruik (metabolisch) per tijdseenheid (VO2).
Een automatisch werkend systeem rekent met het aantal ademhalings cycli, en hangt af van de grootte van de vitale longcapaciteit en het zuurstofverbruik. Gemakshalve spreken we over respectievelijke liters en vitale volume fracties.

Zo, en dan nu een aantal voorbeelden:

Eerst het handbediende systeem:

Het ‘drivegas’ (gas in de cilinder) bevat 50% O2. Het dumpgas heeft een minimum zuurstof percentage van 20%. Dit maakt het de duiker mogelijk op elk moment op te stijgen met een adembaar mengsel. Het zuurstofverbruik wordt gesteld op 3 liter/min, wat normaal gesproken een maximaal verbruik is(VO2).

Voor het gemak zullen we het dumpgas in twee onderdelen splitsen.
Het ene deel van het dumpgas bestaat uit het verloren gas wat door het systeem stroomt zonder te worden geconsumeerd. Dit is de zuurstof met het gas met een inert karakter. Dit inerte gas mag nooit uit de loop verdwijnen en moet 20% zuurstof bevatten. (let op; natuurlijk wordt het ook wel degelijk gedumpt, maar tegelijkertijd ook weer aangevuld als component van het drivegas).Gesteld is dat 20% van het dumpgas moet bestaan uit zuurstof (veiligheidseis), dan zal met een drivegas met een mix 50/50 O2/N2 bij een zuurstofverbruik van 3 liter per minuut ook 3 liter inert gas worden geademd. Samenvattend: Er dient een flow van 20% zuurstof in het dumpgas te blijven. Als gevolg van een mix 50/50 zal dan ook 20 % inert gas in de loop blijven om een adembaar mengsel te behouden. Samen dus 40% van het volume. Het overige deel is het gas wat de duiker heeft geademd en waaruit hij 3 liter zuurstof haalt. Het overige zuurstof arme gas is dan 60 % van het dumpgas. Deze 60% komt eveneens met 3 liter overeen door de mix van 50/50. Gevolg is dus 60% overeenkomt met 3 liter en het dumpgas volume 5 liter is. (100/x=60%/3 waarbij x= 5 liter).In andere woorden, 5 liter gas moet per minuut uit de loop worden gedumpt om de zuurstof fractie boven 20% te houden.

Nu is mijn RMV toevallig 3 liter. Dat betekent dat ik aan de oppervlakte 1 bar x 3 liter = 3 liter.  5/3 is dus ca. 2 x moet dumpen. Op 7 meter met een druk van 1,7 bar moet is dus 1,7 x 3 = 5,1 liter nog maar 1 keer per minuut. Op 24 meter met 3,4 x 3 = 10,2 liter hoeft slecht elke twee minuten te worden gedumpt. Deze diepte is echter duidelijk dieper dan ik zou mogen gaan met een 50/50 mix. Tenslotte is op 24 meter er met een 50/50 mix al een zuurstof belasting van 3,4 x 0,5 bar= 1,65 bar zuurstof wat een te hoge zuurstof belasting oplevert. In werkelijkheid duik ik dan ook met een 40/60 mix en switch op 18 meter over op een ander drive gas. Ik combineer deze procedure bovendien met een goede duikpraktijk voor het gebruik van SCR namelijk door aan het begin van een opstijging of bij het switchen naar een niet narcotisch gas eerst te flushen. (systeem doorspoelen met het nieuwe drive gas, om het oude narcotische gas te verwijderen).

In een automatisch systeem zijn de berekeningen gebaseerd op de fractie van elke adem cyclus waarbij door de duiker zuurstof wordt gemetaboliseerd. Er is een fabrikant die claimt een systeem te produceren waarbij de verhouding tussen de hoeveelheid lucht die per ademhaling wordt geademd, en het volume dat wordt gemetaboliseerd een waarde van 26:1 haalt.Dit komt overeen met een zuurstof consumptie van 3,85% en is een normaal menselijk verbruik. Duikers zijn echter bekend om hun slechte ventilatie gewoontes, ook bij zware arbeid. Het is aan te bevelen om het zuurstof niveau van het uitgeademde gas eens te vergelijken met het zuurstofniveau van het ingeademde gas. Ik heb dit experiment op mezelf uitgevoerd en kwam in een worst case scenario op een verschil van 10%. Dit was aan het einde van een uitademing, en ik gebruik 8% als mijn gemiddelde hoogste waarde. Mijn gas verbruik aan een OC systeem zijn echter niet erg gunstig, en als je een zuinige duiker bent voor wat betreft gasverbruik zou ik voor een conservatievere waarde kiezen.

Berekeningen aan een manueel systeem worden op dezelfde wijze uitgevoerd, met dit verschil dat we niet rekenen met een liters per minuut model, maar met een fractie van het ademvolume model.

Als we weer rekenen met een 50/50 mix, kunnen we zeggen dat we elke ademhaling 8% zuurstof verbruiken = 0,08. Het volume van het bijbehorende inerte gas is dan ook 0,08 als gevolg van de mixkeuze. Ook nu stellen we weer dat het dumpgas minimaal 20% zuurstof moet bevatten. Dan geldt dat ook het geassocieerde inerte gas 20% volumeaandeel heeft. Samen dus 40%. De overige 60% bestaat uit het gas wat door de duiker is geademd en wat over is na metabolisatie. 100/60 = x/0,08. Door beide zijden met 0,08 te vermenigvuldigen blijft een 8/60 verhouding over. Nemen we hiervan het omgekeerd evenredige getal (de reciproque) spreken we over een verhouding van 7,5:1

Aldus kunnen we zeggen dat voor het duiken met een 50/50 mix met een resterende zuurstof fractie van 20% in de loop een dumpverhouding van 7,5 op 1 moet worden gehanteerd.

Nu zal bij een fixed ratio automatische rebreather de zuurstof fractie stijgen naarmate de duiker afdaalt. Dit omdat het metabolische zuurstof verbruik constant blijft terwijl de hoeveelheid gas die zich door het systeem en de duikers longen verplaatst toeneemt, in directe relatie met de toenemende omgevingsdruk. Hierdoor is het eenvoudig om te berekenen wat de gas consumptie zal zijn. Berekenen het eenvoudig alsof het een OC duik is, en deel het verbruik door de dump ratio. Oplettende lezers zullen echter opmerken dat deze rekenwijze geen rekening houdt met de verbruikte zuurstof. Een ruwe correctie kan worden gemaakt door het zuurstofverbruik op te tellen bij het dumpgas en een herberekening te maken van het effectieve verbruik. In het voorbeeld hierboven was het zuurstof verbruik 0,08. Invullen geeft 0,08 + 8/60 = 0,2133 waarvan de omgekeerd evenredig waarde aan de oppervlakte = 4,6875 is. Als de duiker dieper gaat zal het zuurstof verbruik niet met de diepte veranderen, waardoor het voordeel t.o.v. OC toeneemt. Naarmate de diepte verder toeneemt, zal het voordeel neigen toe te nemen tot de dump ratio, maar het nooit geheel behalen. Dus voor een automatisch werkende passieve rebreather die gebruikt van een 50/50 mix als drive gas, zal het voordeel ten opzichte van open circuit duiker een 4 tot 7 maal gunstiger gasverbruik opleveren.

Een diepte gecompenseerde rebreather zal op diepte en aan de oppervlakte van hetzelfde gas gebruik maken echter toch de fractie constant houden. Om het gasverbruik te berekenen wordt de boven beschreven methode gebruikt, echter hoeft niet op de diepte te worden gelet tijdens de berekening. De set zal een constant voordeel ten opzichte van OC geven ongeacht de diepte. In dit rekenvoorbeeld zal de set zodanig functioneren dat het verbruikt ligt op de duikers RMV gedeeld door 4,6875. Uiteraard wordt hierbij verwaarloosd dat er wordt geflushed, getrimd, en dat er wellicht een droogpak dient te worden opgeblazen.

Een gedeeltelijk diepte gecompenseerde rebreather functioneert in feite tussen fixed ratio, en diepte gecompenseerd in. Het vooraf berekenen van het gas gebruik voor een duik is vrijwel onmogelijk, tenzij van de unit de dumpratio bekend is op alle dieptes waar gaat worden gedoken. Helaas is gebleken dat het produceren van een optimaal functionerende diepte gecompenseerde rebreather een enorme uitdaging is, die in de praktijk slecht haalbaar bleek. De apparaten van fabrikanten die een volledig diepte gecompenseerd systeem claimden, bleken echter op hun best slecht gedeeltelijk diepte gecompenseerde systemen aan te bieden. De beste keuze is uiteraard een systeem waarbij de set een gas samenstelling aan de duiker biedt, die naarmate de diepte toeneemt naar de fractie van het drivegas stijgt. Dit heeft natuurlijk nadelen voor een systeem wat met 1 gas type werkt, maar biedt gelijkertijd ook een veiligheidsvoordeel omdat met een gas kan worden gewerkt wat een lagere zuurstof fractie biedt op een grote diepte.

Artikel van Jason Rogers, gepubliceerd met toestemming van de auteur, Nederlandse bewerking door Janwillem Bech http://www.therebreathersite.nl December 2002
Silent Submersion Website