BOMBOLE E PRESSIONE
di Stefano Ruia
Volevo sapere se tutte le bombole subacquee hanno una pressione massima di esercizio di 200 bar.
Praticamente sì. O meglio, tutte quelle utilizzate dai subacquei sportivi hanno una pressione massima di 200 bar, salvo qualche eccezione a 220 o 250 bar. Alcune decine di anni fa si iniziò infatti a produrre anche bombole per queste pressioni maggiori ed esse sono ancora sul mercato, anche se la quasi totalità dei centri le ricaricano comunque a 200 bar.
Perché?
Per via del fatto che il compressore è tarato sulla pressione di 200 bar, la più diffusa.
E non si possono produrre tutte bombole a 250 bar?
Dal punto di vista costruttivo non ci sono problemi. Dal punto di vista pratico bisogna vedere se conviene.
In che senso?
Ovviamente avere una bombola con una pressione maggiore permette di disporre, a pari capacità, di una riserva di gas superiore. Per questo motivo, in passato, appena l’industria siderurgica è riuscita a produrre bombole con pressione di esercizio superiore, i subacquei le hanno subito adottate. Dagli iniziali 100 bar si è così giunti a 150 negli anni ‘60 e a 200 negli anni ’70. Ora in qualche caso si arriva a 250 bar. Recenti disposizioni di legge permetteranno, a breve termine, di utilizzare anche bombole a 300 bar. Considera che per l’industria 300-400 bar costituiscono una pressione ancora facilmente gestibile. Tuttavia non sono certo che molti subacquei adotteranno le bombole a 300 bar. Esse presentano infatti alcuni svantaggi rispetto alle usuali 200 bar.
Quali sono questi svantaggi?
Direi sostanzialmente due: il peso superiore della bombola e la riduzione della riserva reale rispetto alla teorica.
Li spieghi in maniera più dettagliata?
Il primo svantaggio, il maggior peso, è ovvio. Se la bombola deve resistere a una pressione maggiore essa avrà pareti più spesse e quindi peserà di più. A parità di dimensioni, se la pressione aumenta del 50% anche lo spessore deve aumentare della stessa percentuale e quindi anche il peso subisce lo stesso aumento. Questo se vuoi mantenere uguali gli sforzi, poiché il materiale costruttivo è sempre lo stesso.
E non possiamo cambiare materiale?
Potremmo. Per esempio ora arriveranno le bombole in materiali compositi. Tuttavia qui entra in gioco la galleggiabilità. Una bombola estremamente leggera è anche estremamente galleggiante in acqua. Poiché già dobbiamo mettere la zavorra per scendere, è inutile avere una bombola estremamente leggera! Sarà comoda da portare a terra, ma scomoda in acqua. Per le bombole in metallo ad alta pressione avviene il contrario. Magari ti permettono di scendere senza zavorra, ma a terra (e sulle spalle) sono molto pesanti. Probabilmente la soluzione ideale sarà costituita da bombole con pareti metalliche di spessore ridotto, foderate e rinforzate con materiali compositi.
Ho sentito qualcuno dire che le bombole grandi e a bassa pressione sono migliori perché la loro galleggiabilità varia di meno fra bombola carica e scarica. É vero?
L’ho sentito anche io … ma non ho mai capito bene cosa intendano. Vedi, la variazione di galleggiabilità in questo caso è data dal peso dell’aria che hai tolto dalla bombola e liberato in mare. Se, per esempio, hai consumato 1.000 Normal-litri di aria, il tuo peso totale è diminuito di 1,3 kg, poiché un Normal-litro di aria pesa circa 1,3 grammi. Ora che tu questi 1.000 Normal-litri li abbia estratti da un bibombola da 20 litri, la cui pressione sarebbe per tanto scesa di 50 bar, o da un monobombola da 10 litri, la cui pressione sarebbe diminuita di 100 bar, è del tutto ininfluente per il calcolo della diminuzione di peso. Per te è la stessa cosa. In realtà la differenza sostanziale fra le due bombole è quella derivante dal loro diverso peso e quindi dalla diversa galleggiabilità in acqua. Se tu usi una bombola di alluminio scopri subito che è più leggera di una in acciaio. Se la differenza fra di esse è, per esempio, due chilogrammi di peso in acqua, essa resta tale e quale anche a fine immersione (a parità di normal-litri consumati). Sono proprio i due chilogrammi di zavorra in più che devi mettere in cintura! La differenza sostanziale è solo che, a pressione bassa, la bombola in acciaio avrà ancora una galleggiabilità negativa, mentre quella in alluminio sarà positiva, cambiando il tuo assetto (come posizione rispetto al piano orizzontale) in acqua.
E quale è il secondo svantaggio?
Qui le cose si complicano. Cerco di rendertele estremamente semplici. Quando abbiamo calcolato i Normal-litri e la variazione di pressione nelle bombole, abbiamo applicato la legge di Boyle (il prodotto della pressione per il volume è costante). In realtà essa è valida solo per “gas ideali”, nei quali le molecole non hanno volume e non esercitano forze di attrazione o repulsione fra loro. In natura non è così. Ogni gas ha un suo comportamento “reale”. Il rapporto fra il valore del prodotto PV nel caso reale e nel caso ideale è detto “fattore di compressibilità” e si indica normalmente con “z”. Se per esempio il fattore di compressibilità è 2, ciò significa che la quantità di gas disponibile non è più quella calcolata, ma la metà (1/z = 1/2). Per i gas ideali “z” vale 1 per qualunque valore di pressione. Per l’aria esso scende sotto uno all’inizio, per poi salire rapidamente con l’aumento della pressione. A 200 bar “z” è circa 1,1. Questo significa che in realtà in un monobombola da 15 litri a 200 bar non ci sono 3.000 Normal-litri di aria, ma circa 2.730 (3.000/1,1). Se la pressione sale a 300 bar, “z” arriva a 1,2. In un monobombola da 10 litri a 300 bar pertanto non ci sono 3.000 Normal-litri, ma 2.500 (3.000/1,2). Anche se teoricamente la riserva di gas è la stessa (3.000 Normal-litri), la bombola da 15 litri a 200 bar ne contiene 200 di più.
Questo proprio non lo sapevo!
Perciò te l’ho spiegato! Considera comunque che la differenza si riduce di circa 50 bar quando valuti il fatto che con 10 bar di pressione nella bombola l’erogatore non dà più aria correttamente. Tuttavia la presenza del fattore di compressibilità è il maggiore ostacolo alla crescita della pressione massima di esercizio delle bombole subacquee.
Ma questa legge vale per tutti i gas?
Si, ma con modalità diverse. Per esempio per l’elio, il neon e l’idrogeno (con il quale si realizzano trimix, heliox, neox e hidrox), il fattore di compressibilità non diminuisce mai sotto uno, ma sale continuamente. Nel campo di pressioni utilizzate per le bombole subacquee, “z” è superiore a quello dell’aria. Di ciò bisogna tenere conto nella preparazione di miscele per pressioni parziali. Ma in questo caso è meglio che frequenti un buon corso!
di Stefano Ruia
Volevo sapere se tutte le bombole subacquee hanno una pressione massima di esercizio di 200 bar.
Praticamente sì. O meglio, tutte quelle utilizzate dai subacquei sportivi hanno una pressione massima di 200 bar, salvo qualche eccezione a 220 o 250 bar. Alcune decine di anni fa si iniziò infatti a produrre anche bombole per queste pressioni maggiori ed esse sono ancora sul mercato, anche se la quasi totalità dei centri le ricaricano comunque a 200 bar.
Perché?
Per via del fatto che il compressore è tarato sulla pressione di 200 bar, la più diffusa.
E non si possono produrre tutte bombole a 250 bar?
Dal punto di vista costruttivo non ci sono problemi. Dal punto di vista pratico bisogna vedere se conviene.
In che senso?
Ovviamente avere una bombola con una pressione maggiore permette di disporre, a pari capacità, di una riserva di gas superiore. Per questo motivo, in passato, appena l’industria siderurgica è riuscita a produrre bombole con pressione di esercizio superiore, i subacquei le hanno subito adottate. Dagli iniziali 100 bar si è così giunti a 150 negli anni ‘60 e a 200 negli anni ’70. Ora in qualche caso si arriva a 250 bar. Recenti disposizioni di legge permetteranno, a breve termine, di utilizzare anche bombole a 300 bar. Considera che per l’industria 300-400 bar costituiscono una pressione ancora facilmente gestibile. Tuttavia non sono certo che molti subacquei adotteranno le bombole a 300 bar. Esse presentano infatti alcuni svantaggi rispetto alle usuali 200 bar.
Quali sono questi svantaggi?
Direi sostanzialmente due: il peso superiore della bombola e la riduzione della riserva reale rispetto alla teorica.
Li spieghi in maniera più dettagliata?
Il primo svantaggio, il maggior peso, è ovvio. Se la bombola deve resistere a una pressione maggiore essa avrà pareti più spesse e quindi peserà di più. A parità di dimensioni, se la pressione aumenta del 50% anche lo spessore deve aumentare della stessa percentuale e quindi anche il peso subisce lo stesso aumento. Questo se vuoi mantenere uguali gli sforzi, poiché il materiale costruttivo è sempre lo stesso.
E non possiamo cambiare materiale?
Potremmo. Per esempio ora arriveranno le bombole in materiali compositi. Tuttavia qui entra in gioco la galleggiabilità. Una bombola estremamente leggera è anche estremamente galleggiante in acqua. Poiché già dobbiamo mettere la zavorra per scendere, è inutile avere una bombola estremamente leggera! Sarà comoda da portare a terra, ma scomoda in acqua. Per le bombole in metallo ad alta pressione avviene il contrario. Magari ti permettono di scendere senza zavorra, ma a terra (e sulle spalle) sono molto pesanti. Probabilmente la soluzione ideale sarà costituita da bombole con pareti metalliche di spessore ridotto, foderate e rinforzate con materiali compositi.
Ho sentito qualcuno dire che le bombole grandi e a bassa pressione sono migliori perché la loro galleggiabilità varia di meno fra bombola carica e scarica. É vero?
L’ho sentito anche io … ma non ho mai capito bene cosa intendano. Vedi, la variazione di galleggiabilità in questo caso è data dal peso dell’aria che hai tolto dalla bombola e liberato in mare. Se, per esempio, hai consumato 1.000 Normal-litri di aria, il tuo peso totale è diminuito di 1,3 kg, poiché un Normal-litro di aria pesa circa 1,3 grammi. Ora che tu questi 1.000 Normal-litri li abbia estratti da un bibombola da 20 litri, la cui pressione sarebbe per tanto scesa di 50 bar, o da un monobombola da 10 litri, la cui pressione sarebbe diminuita di 100 bar, è del tutto ininfluente per il calcolo della diminuzione di peso. Per te è la stessa cosa. In realtà la differenza sostanziale fra le due bombole è quella derivante dal loro diverso peso e quindi dalla diversa galleggiabilità in acqua. Se tu usi una bombola di alluminio scopri subito che è più leggera di una in acciaio. Se la differenza fra di esse è, per esempio, due chilogrammi di peso in acqua, essa resta tale e quale anche a fine immersione (a parità di normal-litri consumati). Sono proprio i due chilogrammi di zavorra in più che devi mettere in cintura! La differenza sostanziale è solo che, a pressione bassa, la bombola in acciaio avrà ancora una galleggiabilità negativa, mentre quella in alluminio sarà positiva, cambiando il tuo assetto (come posizione rispetto al piano orizzontale) in acqua.
E quale è il secondo svantaggio?
Qui le cose si complicano. Cerco di rendertele estremamente semplici. Quando abbiamo calcolato i Normal-litri e la variazione di pressione nelle bombole, abbiamo applicato la legge di Boyle (il prodotto della pressione per il volume è costante). In realtà essa è valida solo per “gas ideali”, nei quali le molecole non hanno volume e non esercitano forze di attrazione o repulsione fra loro. In natura non è così. Ogni gas ha un suo comportamento “reale”. Il rapporto fra il valore del prodotto PV nel caso reale e nel caso ideale è detto “fattore di compressibilità” e si indica normalmente con “z”. Se per esempio il fattore di compressibilità è 2, ciò significa che la quantità di gas disponibile non è più quella calcolata, ma la metà (1/z = 1/2). Per i gas ideali “z” vale 1 per qualunque valore di pressione. Per l’aria esso scende sotto uno all’inizio, per poi salire rapidamente con l’aumento della pressione. A 200 bar “z” è circa 1,1. Questo significa che in realtà in un monobombola da 15 litri a 200 bar non ci sono 3.000 Normal-litri di aria, ma circa 2.730 (3.000/1,1). Se la pressione sale a 300 bar, “z” arriva a 1,2. In un monobombola da 10 litri a 300 bar pertanto non ci sono 3.000 Normal-litri, ma 2.500 (3.000/1,2). Anche se teoricamente la riserva di gas è la stessa (3.000 Normal-litri), la bombola da 15 litri a 200 bar ne contiene 200 di più.
Questo proprio non lo sapevo!
Perciò te l’ho spiegato! Considera comunque che la differenza si riduce di circa 50 bar quando valuti il fatto che con 10 bar di pressione nella bombola l’erogatore non dà più aria correttamente. Tuttavia la presenza del fattore di compressibilità è il maggiore ostacolo alla crescita della pressione massima di esercizio delle bombole subacquee.
Ma questa legge vale per tutti i gas?
Si, ma con modalità diverse. Per esempio per l’elio, il neon e l’idrogeno (con il quale si realizzano trimix, heliox, neox e hidrox), il fattore di compressibilità non diminuisce mai sotto uno, ma sale continuamente. Nel campo di pressioni utilizzate per le bombole subacquee, “z” è superiore a quello dell’aria. Di ciò bisogna tenere conto nella preparazione di miscele per pressioni parziali. Ma in questo caso è meglio che frequenti un buon corso!
2 commenti:
Sono un ingegnere esperto di gas.
Chiunque abbia scritto quest'articolo è un grande.
Ha spiegato perfettamente e nella maniera più semplice possibile, compatibilmente con la difficoltà delle cose di cui parla, un mucchio di concetti importanti e difficili.
MAX-ENG
Grazie per i complimenti, anche da parte dell'autore; Stefano Ruia
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