VIII - LES DÉTENDEURS ET LE FROID -

 

 

 

 

 

 

Table des matières

Influence de la température ambiante

Le refroidissement de l'air

Le givrage des détendeurs

Influence sur la conception des détendeurs

Au premier étage
Au deuxième étage

Mesures de protection

Au gonflage
Au premier étage
Au deuxième étage

Comment diminuer le risque de givrage

Conclusions

 

Livre d'or

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En eau froide vous devez toujours utiliser un détendeur approprié.

La norme EN250 de mai 2000 impose qu'un scaphandre autonome à circuit ouvert, conçu pour être utilisé dans une eau de température inférieure à 10°C, soit soumis à essai, dans l'état, prêt à l'emploi, dans une eau douce à la température de 4°C (+ 0 /–2°C) pendant 5 minutes, à une pression absolue  de 6 bars.

 

Influence de la température ambiante

Ce chapitre est largement inspiré d'un article de Christian THOMAS, paru dans "Le SIFON", bulletin de la commission de plongée souterraine de l'Ile de France.

D'une façon générale lorsque l'air se détend, il se refroidit. En plongée, ce phénomène se produit dans chaque étage du détendeur. Si l'eau environnante n'est pas suffisamment chaude pour le réchauffer, elle peut geler et bloquer les mécanismes de contrôle de l'arrivée de l'air.

Le détendeur entre alors en débit continu et se refroidit encore davantage.

 

C'est le cercle vicieux du givrage.

 

On peut ajouter que les joints durcissent et que les lubrifiants perdent de leur fluidité.

Le refroidissement de l'air

La courbe de la figure 44 donne le coefficient de refroidissement en fonction du rapport de détente de l'air. Exemple, dans un détendeur à 27°C, (300K) pour un rapport de détente de 1/20, (0,05) ce coefficient est de 0,55.

La température instantanée peut alors, théoriquement, atteindre :

0,55 x 300 = 165K

ou 165 – 273 = -108°C.

Il faut remarquer qu'un bon compresseur actuel fournit un air dont le point de rosée atteint -70°C. C'est-à-dire qu'il faut que l'air qu'il fournit soit à moins 70°C pour que la vapeur d'eau qui s'y trouve se condense. Du calcul ci-dessus, il résulte qu'un détendeur peut toujours givrer pour peu qu'on le sollicite violemment.

Figure 44- Courbe détente / refroidissement

Le givrage des détendeurs

Depuis longtemps déjà les fabricants se soucient du givrage des détendeurs. Celui-ci a essentiellement 5 causes :

  1. Le débit d'air demandé. En renouvelant l'air froid il empêche le détendeur de se réchauffer. Il ne peut être maîtrisé que par le plongeur lui-même.

  2. La teneur en eau de l'air respiré qui est fixée par la norme EN12021 à 35 mg par m3. (Le point de rosée est fixé à -11° C mais les fabricants réalisent aujourd'hui des compresseurs où il atteint -70° C)

  3. La température de l'eau ambiante. Elle ne peut certes pas descendre bien en dessous de zéro. Mais cela n'empêche pas la température à la sortie du clapet du premier étage de descendre au delà de -100 °C, en pointe d'inspiration. On comprend alors combien il peut être difficile d'empêcher l'eau qui se trouve au voisinage de geler. Pour éviter cela, les fabricants essaient d'isoler autant que possible la chambre Moyenne Pression, où se détend l'air, de l'eau environnante.

  4. La vapeur d'eau expirée par le plongeur et éventuellement les entrées d'eau au 2e étage, s'il n'est pas étanche.

  5. L'amélioration des performances des détendeurs à conduit à des possibilités de débits importants ce qui augmente le refroidissement.

 

L'eau est toujours présente dans la chambre humide d'un 1er et d'un 2e étage mais elle peut l'être accidentellement dans la chambre sèche. En dehors de l'abaissement naturel de la température ambiante, l'étude de la production du froid montre qu'elle est fonction du débit d'air, en normo litres par minute et du logarithme népérien du rapport de détente. (Voir la figure 44)

Plus la plongée est profonde, plus on consomme d'air et plus on risque de provoquer le givrage.

Le premier étage, où le rapport de détente est plus fort, se refroidit théoriquement plus que le deuxième. Pratiquement, étant entièrement métallique, il se réchauffe aussi davantage au contact de l'eau ambiante.

Conception

Différentes considérations sont prises en compte dans la conception des détendeurs.

Une loi, dite de Fourier, nous enseigne que l'évacuation du froid est proportionnelle à l'écart de température entre les cavités émettrices et réceptrices. Le coefficient de proportionnalité est connu sous le nom de "Coefficient d'échange thermique" ou de son inverse la "Résistance thermique".

Pour compenser les frigories produites, le détendeur doit pouvoir se réchauffer au contact de l'eau environnante dont la température ne peut être que de quelques degrés en dessous de zéro. (En eau salée)

Cependant tous les détendeurs n'évacuent pas le froid d'une façon semblable. Les échanges entre la chambre humide et l'eau ambiante doivent être aussi grands que possible. C'est relativement facile dans les systèmes à membrane mais difficile dans les systèmes à piston et les buses mobiles.

En effet, les fabricants cherchent à éviter la pénétration de corps étrangers en diminuant la dimension des orifices de communication avec l'eau ambiante, ce qui nuit aux échanges thermiques.

D'autre part, la glace ou le givre se fixe moins facilement sur les pièces en plastique isolant que sur les pièces métalliques car la capacité thermique du plastique est beaucoup plus faible que celle du métal.

           Au premier étage

(Voir figures 45)

La conception du détendeur, et notamment la disposition spatiale des diverses cavités, influe considérablement sur la sensibilité au givrage.

Le détendeur idéal, du point de vue du givrage, doit évacuer facilement, vers l'extérieur, le froid produit dans la cavité moyenne pression et difficilement, vers la cavité à pression ambiante, qui contient de l'eau.

On notera que certains dispositifs de protection n'améliorent pas les caractéristiques radiatives des détendeurs, bien au contraire. Signalons, à cet égard, l'effet désastreux des bas nylon ou autres protections bricolées autour du premier étage.

Le meilleur détendeur, du point de vue du givrage, sont ceux,  compensés à membrane où la cavité HP est située au centre du détendeur < Figure 24c >. La sortie où l'air se détend se trouve à une extrémité tandis que la chambre moyenne pression située à l'opposé élimine facilement le froid vers l'extérieur.

La chambre moyenne pression est ainsi divisée en deux parties. D'un côté celle où l'air se détend et se refroidit. De l'autre celle, fermée par la membrane ou le piston, où l'air est déjà détendu et se réchauffe au contact de l'eau ambiante. Hélas ! ces détendeurs ne sont pratiquement plus fabriqués.

 

Figure 45- Échanges thermiques dans un premier étage

 

Les systèmes à chambre de compensation, où la membrane isolante sépare la chambre où l'air se détend, de la pression ambiante, sont de qualité moyenne.

Celui à piston non compensé est de qualité médiocre car la chambre où l'air se détend et celle à la pression ambiante ne sont séparées que par une paroi métallique peu isolante.

Par contre, les plus mauvais sont ceux à buse mobile. En effet, l'air se détend dans la buse qui traverse la chambre humide. Ceci constitue un véritable échangeur thermique entre l'air détendu à très basse température et l'eau ambiante.

 Leur givrage est donc très facile. Malheureusement, ce sont des détendeurs communément fabriqués aujourd'hui.

Les dispositifs antigivrants ne sont, dans ce cas, que des palliatifs partiels à ce problème. Cependant, ces dernières années, certains fabricants, comme Scubapro, ont réalisé de gros progrès en utilisant des pièces ou des revêtements isolants.

Les détendeurs à membrane et à clapet compensé ou non, ont une disposition assez satisfaisante, mais peuvent tout à fait givrer, en cas de froid intense.

Quand le détendeur débite, une carapace de glace se forme sur la membrane, la maintenant en position enfoncée. C'est le débit continu. La formation de cette carapace de glace n'est toutefois pas instantanée.

Dans le cas du détendeur à piston, le joint torique qui entoure le piston se colle au métal. Le piston se bloque alors, en général en position ouverte. Les détendeurs à piston peuvent givrer instantanément en une seule inspiration !

Les mêmes phénomènes se produisent, avant ou après la plongée, surtout en surface lorsque l'air est froid. En effet, l'air environnant le premier étage évacue moins bien les frigories que l'eau.

La température du premier étage chute alors rapidement et congèle l'eau ou la vapeur résiduelle qui se trouve dans la chambre humide à pression ambiante. Le givrage intervient ainsi très rapidement. En conséquence, à basse température, il est préférable de tester un détendeur dans l'eau plutôt que dans l'air.

L'endroit le plus froid du détendeur se trouve à la sortie du clapet, dans la cavité moyenne pression du premier étage. C'est en effet là que se produit la détente de l'air la plus importante.

Comme nous l'avons déjà vu, des températures de l'ordre de -100 degrés Celsius peuvent y exister de façon transitoire. La cloison qui protège la membrane empêche l'air glacé d'être projeté sur celle-ci et réduit donc la possibilité de geler l'eau qui se trouve de l'autre coté.

L'air présent dans la bouteille devrait être parfaitement sec. Toutefois, il arrive que certaines bouteilles contiennent un peu d’eau ou de vapeur d'eau.

 Si cette eau est injectée dans le premier étage du détendeur, elle se congèle immédiatement et bloque le clapet en position ouverte. (Voir figure 45)

 

            Au deuxième étage

(Voir figure 46)

Les boîtiers métalliques sont, en théorie, moins sensibles au givrage. Cependant une accumulation rapide de glace peut se produire sur les zones sensibles comme la portée de la soupape d'expiration. Ceci, par la suite, génère des entrées d'eau.

Au test de givrage, dès l'entrée d'eau, le phénomène s'accélère et ces boîtiers accumulent très vite une grande quantité de glace.

La détente étant moins importante, la production de froid est plus faible dans le deuxième étage que dans le premier. D'autre part, l'air expiré par le plongeur le réchauffe.

Toutefois, cet air expiré contient de la vapeur d’eau qui, dans certaines configurations, peut se condenser, puis geler sur les parties métalliques de l'ensemble levier, clapet et siège.

Ceci provoque un défaut d'étanchéité et un débit continu, d'abord léger puis plus violent, entraînant parfois aussi le givrage du premier étage. On peut essayer, tout au début, de noyer le deuxième étage dans l'espoir de le réchauffer tout de suite et de stopper le débit continu.

Ces phénomènes assez complexes ont donné lieu à de nombreuses améliorations ces dernières années.

Fig. 46 - Givrage des clapets

Dans un détendeur à tuyaux annelés, l'expiration étant bien séparée de l'inspiration, ce risque n'existe pratiquement pas. Voir l'ancien Mistral de Spirotechnique et le nouveau Mistral d'Aqualung.

Mesures de protection

En raison des refroidissements évoqués ci-dessus, il suffit que la température ambiante soit de l'ordre de quelques degrés pour que la vapeur d’eau qui vient de la bouteille puisse se condenser et geler.

Il en est de même pour celle expirée par le plongeur, celle qui se trouve dans les chambres humides ou pour l'eau qui a pénétré accidentellement dans les chambres sèches du détendeur.

 

Différentes précautions peuvent être prises :

Au gonflage

Eviter la pénétration d’eau dans les bouteilles en commençant par purger la robinetterie. En vérifier régulièrement l'intérieur. Rendre l'air des bouteilles aussi sec que possible. Ceci est obtenu par différentes purges et filtrations du compresseur mais peut aussi être considérablement amélioré par congélation de la vapeur d'eau, contenue dans l'air de sortie. Cette solution, très chère, n'est guère utilisée que dans le domaine professionnel.

Au premier étage

Isolation par un liquide

(Voir figure 47)

Interposer une chambre remplie de glycol ou d'huile au silicone entre la membrane et l'eau ambiante. Cette huile est séparée du milieu ambiant par une membrane souple. Elle évite la formation de glace sur la membrane principale.

 

                   Fig 47 - Protection du premier étage par de l'huile

Plus la température de l'eau ambiante est basse, plus le risque de givrage est grand. La température limite est généralement de l'ordre de quelques degrés au-dessus de zéro mais elle est d'autant plus basse que la température de solidification du liquide d'isolement est elle-même basse.

De plus les huiles ou graisses utilisées sont incompatibles avec l’oxygène ce qui limite leur utilisation.

Isolation par de l'air

(Voir figure 48)

La chambre du ressort principal peut aussi être maintenue pleine d'air par une micro fuite et une soupape de non-retour, similaire à celle d'expiration. (Exemple le détendeur Sherwood de la figure 48a) Elle peut également être remplie d'air, l'huile étant remplacée par un pointeau poussoir. (figure 48b)

Cette solution est très performante et, comme nous l'avons déjà vu, elle permet en plus de réaliser une surcompensation en fonction de la pression ambiante.

 

Figure 48 - Protection du premier étage par chambres sèches

Ces systèmes ont en outre l'avantage d'isoler le mécanisme du détendeur du milieu ambiant et de lui permettre de fonctionner en eaux très chargées.

Nous devons noter le cas particulier du détendeur "Sherwood SR1" dont la chambre du ressort principal du 1er étage à piston est aussi isolée par une membrane.

On utilise souvent des ailettes de réchauffement sur la chambre où l'air se détend. (Voir figure 48b) Les calories de l'eau ambiante réchauffent le mécanisme.

Les raccords DIN sont supposés être supérieurs aux étriers pour faciliter les échanges thermiques avec l'eau ambiante mais ce n'est pas prouvé.

 

Au deuxième étage

(Voir figure 49)

Le problème est devenu plus crucial depuis que les boîtiers, au lieu d'être métalliques, sont réalisés en résines synthétiques. Les fabricants, conscients de ce problème, réutilisent le métal dans les deuxièmes étages.

Plusieurs moyens sont simultanément utilisés :

-         Réchauffer les pièces par l'eau ambiante, forcément plus chaude, en ajoutant des échangeurs thermiques, sous forme d'ailettes.

-         Disposer les pièces sensibles à l'opposé des sources froides ou humides et de l'air expiré.

                            Fig. 49 -  Ailettes de réchauffage

-        Réduire la détente de l'air en réduisant la MP de près de 10%. (Au dépend d'une légère perte de performance)

-        Limiter le débit maximum que l'on peut provoquer, en limitant la course du bouton de purge ou celui du levier, en position pré dive.

-       Empêcher les cristaux de glace de se fixer sur la plupart des pièces en les réalisant en matières isolantes ou en les recouvrant d'isolant tel que le téflon ou le rilsan.

Froid + eau Þ  glace compacte ; Froid + vapeur d'eau Þ  givre.

Dans les détendeurs Sherwood, la vapeur d’eau venant de la respiration du plongeur est récupérée par un déshumidificateur avant qu'elle ne se dépose sur le mécanisme où elle risquerait de provoquer du givre.

- Au milieu du tuyau MP, on ajoute un échangeur thermique qui réchauffe l'air venant du premier étage. (Voir photo 11ci-dessous)

On remarque à ce sujet que dans le nouveau Mistral, Aqualung propose pour la même raison un tuyau court pour les eaux tempérées et un tuyau long pour les eaux froides ce qui permet un meilleur réchauffement de l'air.

Marès réalise les boîtiers de ses seconds étages dans un matériau non métallique à bonne conductibilité thermique : "Thermoconductive nano technopolymers"

 

Comment diminuer le risque de givrage

Les précautions suivantes sont nécessaires :

·        Vérifier que les bouteilles utilisées sont parfaitement sèches à l'intérieur et renouveler fréquemment le filtre assécheur du compresseur

·        Respecter les consignes de gonflage en purgeant les robinetteries avant de raccorder les bouteilles.

·        Ne pas utiliser de détendeur ordinaire à premier étage à buse mobile, même muni d'accessoires antigivrants.

·        Eviter les détendeurs dans lesquels l'air expiré par le plongeur vient lécher le clapet.

·        Ne pas protéger le premier étage par une protection contre les eaux chargées. Elles empêchent une bonne circulation de l'eau.

·        Ne pas utiliser les détendeurs qui ont déjà une tendance au débit continu.

·        Ne pas actionner le bouton de purge dans l'air, préférer tester cette fonction en immersion.

·        En immersion, lorsqu'il y a risque de givrage, expirer de préférence par le nez pour éviter d'envoyer de la vapeur d'eau sur le mécanisme du 2e étage.

·        Garder bien en tête que le débit est la première cause de givrage. Contrôler sa respiration et éviter les efforts trop violents en eau froide.

·        Ne pas utiliser le même premier étage pour simultanément respirer et gonfler un gilet, un vêtement sec, un parachute ou donner de l'air en assistance.

·        Pour plonger en eau froide, choisir un détendeur conçu pour cela. (Depuis la sortie de la norme EN250-2000, chez Aqualung, ils sont repérés par un logo représentant un cristal de glace)

Conclusions :

Le givrage est un incident qui peut conduire à un accident. Les mêmes causes produisant les mêmes effets, il peut impliquer les deux étages. Par ailleurs, la formation de glace n'étant pas instantanée, le givrage peut survenir lorsque le plongeur, par exemple en plongée souterraine, est profondément engagé.

La règle du matériel en double ne constitue donc pas une réponse suffisante à ce problème.

On peut regretter que la résistance au froid des détendeurs ne soit pas mieux quantifiée. Nous savons certes qu'ils dépassent les exigences de la directive mais de combien, nous n'en savons rien. On ne peut donc comparer différents détendeurs du point de vue de leur résistance aux basses températures.

Il serait intéressant que l'on connaisse les performances des détendeurs en donnant, par exemple, la température minimum qu'ils peuvent supporter sans givrer, toutes choses étant égales par ailleurs.

 

Photo 11 - Le "Glacia" de Aqualung

Ce détendeur est conçu spécialement pour résister au froid.

On distingue très bien les radiateurs : au premier étage, au deuxième étage et au milieu du tuyau MP

 

 

 

 

 

 

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