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L’erogatore bi-stadio: parliamo del primo stadio di Luca Cicali

Eccoci con un nuovo articolo di tecnica subacquea. Parliamo oggi degli erogatori utilizzati dai subacquei. In altri articoli abbiamo letto la loro storia: dai primi esperimenti, ai monostadio fino agli odierni bi-stadio che molti di noi utilizziamo nelle nostre immersioni ricreative. Lascio la penna a Luca Cicali per questo nuovo articolo che sono sicuro vi interesserà moltissimo sul primo stadio. Ricordo che tutti gli articoli sono stampabili ed utilizzabili per i vostri usi, ovviamente con la cortesia di citare sempre la fonte e l’autore. Nel dubbio contattateci.

Il primo studio questo sconosciuto
Per respirare in immersione disponiamo di erogatori cosiddetti bi-stadio, realizzati con le più moderne tecnologie e capaci di fornire prestazioni di ottimo livello anche ad un costo contenuto, di gran lunga migliori di quelle offerta anche sino a pochi anni fa. Oggi parliamo in generale del funzionamento della coppia primo-secondo stadio, ma ci soffermiamo con maggior dettaglio sulle caratteristiche del fratello minore della coppia, ovvero il primo stadio bilanciato, a pistone o a membrana. La nostra attenzione, infatti, è spesso concentrata prevalentemente sul secondo stadio, forse perché lo serriamo tra i denti durante l’immersione e ci sembra essere il solo meritevole di attenzione. A volte siamo influenzati nell’acquisto di un secondo stadio persino dall’aspetto estetico. Di esso abbiamo recentemente descritto le caratteristiche prestazionali fondamentali e i parametri che le misurano, unitamente ai test a cui sono sottoposti per la valutazione, e ora possiamo dire di avere le idee più chiare. Le caratteristiche costruttive e le soluzioni tecniche adottate in un moderno primo stadio offrono importanti spunti di riflessione, in particolare è interessante descrivere sommariamente some si sia riusciti a rendere lo sforzo inspiratorio e il flusso di gas disponibile indipendenti dalla profondità e dal livello di pressione della bombola.

Un erogatore bi-stadio svolge una funzione semplice e fondamentale: offrire al subacqueo la quantità di gas respiratorio richiesto a qualunque profondità, in modo che egli possa respirare con il minimo sforzo, indipendentemente dal volume di gas ventilato per ogni minuto. Un primo stadio ideale attua le necessarie riduzioni di pressione in modo indipendente dalla pressione della bombola e dalla pressione ambiente finale, senza oscillazioni di pressione durante le fasi di inspirazione-espirazione, garantisce che entrambe queste fasi avvengano senza sforzo, che il flusso di erogazione si attivi esclusivamente quando il subacqueo inizia ad inspirare e si blocchi al termine dell’inspirazione, e che non si determinino auto-erogazioni o blocchi. Proprio per questo l’erogatore si chiama “a domanda”. Naturalmente erogatori bi-stadio come questi non esistono; queste sono però le condizioni idali alle quali le case costruttrici cercano di avvicinarsi più possibile nella progettazione e realizzazione di un moderno erogatore. Per svolgere la sua funzione, l’erogatore bi-stadio deve operare una riduzione della pressione dall’uscita della bombola alla pressione ambiente alla quale il subacqueo si trova. Tuttavia, sia la pressione della bombola con la quale il gas entra nel primo stadio, che quella con la quale fuoriesce dal boccaglio del secondo stadio, sono variabili. La prima diminuisce gradualmente per il consumo di gas durante l’immersione, la seconda varia perché la profondità alla quale si respira varia durante l’immersione. La riduzione di pressione avviene in due passi successivi. Nella prima fase il gas prelevato dalla bombola viene portato ad un valore di pressione inferiore, detta pressione intermedia. Questo compito viene svolto dal primo stadio, solido e massiccio, realizzato generalmente tramite un pezzo unico in ottone cromato e parti interne in acciaio inox, che viene direttamente e saldamente collegato ad un rubinetto della bombola. Nella seconda fase avviene un ulteriore abbassamento della pressione del flusso di gas compresso, dalla pressione intermedia alla pressione ambiente, alla quale il sommozzatore sta respirando. Questa funzione viene svolta dal secondo stadio, l’erogatore vero e proprio, connesso al primo stadio tramite una frusta di bassa pressione. La pressione intermedia, come dice il suo nome, è un valore che sta tra la pressione della bombola e la pressione ambiente.

Essa è pari esattamente alla pressione ambiente più una valore costante, che dipende dalle caratteristiche del primo stadio, e che si chiama pressione di taratura, proprio perché dipende dalla taratura di una apposita molla interna al primo stadio, e dalla conformazione delle sua camere interne. La pressione di taratura è tipicamente di 10 bar, ma può variare a seconda del modello, mediamente tra 9 e 11 bar. Perciò l’uscita di bassa pressione di un primo stadio, collegata tramite apposita frusta all’ingresso del secondo stadio, è sempre pari alla pressione ambiente, variabile, più la pressione di taratura, costante. Poiché l’uscita del secondo stadio deve essere a pressione ambiente, la riduzione di pressione che esso deve operare è costante, e pari proprio alla pressione di taratura del primo stadio, sulla quale anch’esso deve essere calibrato. Mentre quindi il primo stadio opera una riduzione di pressione variabile, e la cui entità cambia durante l’immersione per il calo di pressione della bombola e per il variare della profondità, il secondo stadio opera una riduzione di pressione sempre costante, di entità pari alla pressione di taratura del primo stadio. Qualunque sia la profondità alla quale stiamo respirando, troveremo sempre all’interno della frusta di bassa pressione una pressione pari al valore di taratura. Questo ci permette collegare primo e secondo stadio con fruste omologate per bassa pressione.

Supponiamo ad esempio di trovarci ad un profondità di 35 metri, con la pressione di bombola pari a 170 Bar, e un primo stadio con pressione di taratura PT = 10 bar. Avremo:

  Pressione ambiente a 35 mt = 4,5 bar; (è la profondità divisa per 10 +1…)
  Pressione intermedia = PA + PT ; 4,5 + 10 = 14,5 bar
  Riduzione di pressione primo stadio = 170-14,5 = 155,5 bar,
 Riduzione di pressione secondo stadio = 14,5 – 4,5 = 10 bar, costante, uguale alla pressione di taratura

Come funziona
Il funzionamento di un primo stadio è abbastanza semplice nel principio ma può diventare piuttosto complesso nelle fasi di progettazione e realizzazione, soprattutto nei casi in cui si vogliano assicurare alte prestazioni. Esso è direttamente connesso all’uscita della bombola, comandata dal rubinetto. L’attacco può essere di tipo DIN, a vite, oppure di tipo INT, a staffa. Il primo tipo è senz’altro preferibile per affidabilità: è praticamente impossibile che l’accoppiamento con la rubinetteria della bombola possa accidentalmente essere compromesso. Esistono attacchi DIN da 200 e da 300 bar:

 DIN 477/13, a 5 filetti, da 200 bar di pressione massima di bombola,
 DIN 477/50, a 8 filetti, da 300 bar di pressione massima di bombola.

Primo stadio. Attacchi DIN 200 bar (sinistra) ….. e 300 bar (destra)

Il passo dei due tipi di filettatura è identico, ma il cilindro filettato dell’attacco DIN a 300 bar è più lungo dell’altro, ovvero contiene circa tre filetti in più. Esso presenta inoltre un condotto interno per il passaggio dell’aria più sottile e più lungo. Anche la rubinetteria della bombola, nel caso delle bombole che possono essere caricate a 300 bar, ha una sede filettata più lunga. Quindi se per errore avvitiamo un DIN 200 bar su una bombola da 300 bar, l’o-ring non riesce a giungere a battuta sul fondo della sede perché il maschio è troppo corto, e quindi il primo stadio non può assicurare la tenuta. In questo caso, appena aperto il rubinetto della bombola l’aria sfiata rumorosamente da tutte le parti, evidenziando immediatamente l’errore di accoppiamento.

Nel caso invece che un attacco DIN 300 bar sia avvitato su una rubinetteria di bombola a 200 bar, resterà semplicemente un poco al di fuori (due o tre filetti), ma la tenuta da parte dell’o-ring è assicurata. Pertanto un attacco a 300 bar di un primo stadio è di fatto da considerare universale. I primi stadi hanno diverse uscite di bassa e alta pressione, il cui numero e disposizione sono un importante elemento di valutazione della rispondenza alle proprie specifiche esigenze. Anche in questo caso, per garantire la sicurezza, le due filettature sono totalmente incompatibili, per passo e diametro, quest’ultimo maggiore nelle uscite di alta pressione; quindi non è possibile scambiare le fruste e collegare ad esempio il secondo stadio all’uscita di alta pressione.

frusta ad HP (alta pressione)

Le fruste HP sono realizzate con un foro micrometrico centrale, che premette un passaggio dell’aria sufficiente per la lettura della pressione, ma impedisce che in caso di rottura della frusta si abbia un rapido svuotamento della bombola.

I primi stadi di erogazione appartengono a 2 grandi famiglie: erogatori a pistone o a membrana. Nell’erogatore a pistone l’apertura e chiusura della valvola di alta pressione è assicurata da un pistone direttamente a contatto con l’acqua dell’ambiente esterno, mentre l’erogatore a membrana mantiene l’isolamento, grazie proprio all’interposizione di una membrana elastica tra l’ambiente esterno e le parti interne. Per entrambe le famiglie possiamo poi avere primi stadi bilanciati o non bilanciati; questi ultimi tuttavia, oltre a non essere assolutamente consigliabili, sono ormai anche difficili da reperire sul mercato essendo quasi non più prodotti. Il loro unico pregio, rispetto ai più moderni modelli bilanciati, è una affidabilità ineguagliabile. La caratteristica fondamentale del primo stadio bilanciato è di avere una pressione di taratura praticamente indipendente dalla pressione della bombola e dalla pressione ambiente, cioè dalla profondità, caratteristica di fondamentale importanza specialmente in immersioni impegnative.

Il suo principio di funzionamento è piuttosto semplice, ma ci riserviamo di descriverlo nel prossimo articolo.

Luca Cicali

 

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