Il funzionamento dei primi stadi bilanciati

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livello elementare
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ARGOMENTO: DIDATTICA
PERIODO: ODIERNO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: subacquea, erogatore
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Buongiorno,  arriviamo oggi al funzionamento dei primi stadi bilanciati, sia a pistone che a membrana. Luca Cicali, proseguendo l’argomento introdotto nel primo articolo, ci darà una descrizione essenziale del loro funzionamento. Leggete con attenzione e ne scoprirete delle belle.

schema I stadio bilanciato – autore Pbsouthwood – opera propria First stage animation.gif – Wikimedia Commons

Primo stadio bilanciato a pistone
Un primo stadio “bilanciato a pistone” è essenzialmente costituito da due camere interne ricavate nel massiccio corpo metallico. La prima camera è in diretta comunicazione con il gas proveniente dalla bombola, e viene chiamata per questo motivo “camera di alta pressione”; la seconda è  invece  detta “camera intermedia”. Da questa camera viene direttamente prelevato il gas durante l’inspirazione tramite una frusta di bassa pressione,  LP, collegata dall’altro lato al secondo stadio. Le due camere sono messe in comunicazione tramite il gambo cavo di un pistone mobile in acciaio, che è utilizzato come condotto di passaggio del gas dalla camera di alta pressione a quella intermedia, quando il subacqueo aspira.

In situazione di riposo, (nessuna aspirazione) il gambo del pistone poggia su una apposita pasticca nella camera di alta pressione, chiudendo il flusso di gas, (a sinistra in figura).

Ciò avviene perché la pressione intermedia prevale sulla pressione che spinge il pistone in apertura, malgrado la pressione nella “camera alta” sia quella della bombola. Questo è il primo dei segreti del primo stadio bilanciato: il movimento del pistone è pressoché insensibile alla pressione della bombola. Ciò accade per una semplice ragione: la pressione viene esercitata ortogonalmente al gambo, e quindi non ha componenti assiali che possono in qualche modo contribuire al movimento del pistone. 

Chi spinge il pistone in apertura? 
Se osservate il disegno, si nota una molla la cui spinta si somma a quella della pressione ambiente, con la quale è a contatto la parte a monte del pistone. La molla è tarata per fornire una spinta appena inferiore alla pressione della camera intermedia, detta pressione intermedia.

Non appena il subacqueo inspira, nella camera intermedia si verifica un calo di pressione di pochi millibar, quanto basta a far prevalere la spinta della molla ed a distaccare il gambo del pistone dalla pasticca.  A questo punto il gas fluisce attraverso il gambo e viene convogliato verso la camera intermedia, raggiungendo l’uscita di bassa pressione e quindi attraverso la frusta al secondo stadio. Questa condizione è mantenuta per tutta la durata dell’inspirazione, al termine della quale viene immediatamente ripristinato il valore nominale della pressione intermedia, che riporta il pistone in chiusura, interrompendo il flusso di gas. La pressione del gas prelevato dalla bombola passa dal valore che aveva all’interno alla bombola stessa a quello della camera intermedia, un salto di pressione considerevole, mantenuto grazie dalla regolazione fine dell’apertura del gambo, che si mantiene sempre a ridosso della pasticca, mantenuto in apertura grazie ai pochi millibar di depressione determinati dall’aspirazione a livello del boccaglio dell’erogatore. Tutto bene finché si rimane a profondità costante.  

Cosa succede se varia  la profondità, e quindi la pressione ambiente?
Qui entra in gioco il secondo segreto dell’erogatore bilanciato, una caratteristica costruttiva che consente di ottenere prestazioni costanti al variare della pressione ambiente. Si tratta di un particolare accorgimento costruttivo: il pistone viene realizzato in modo che le sue due superfici, quella su cui poggia la molla e quella opposta della camera intermedia, abbiano praticamente la stessa area. In caso diverso il bilanciamento sarebbe imperfetto.  In pratica ciò si ottiene rendendo particolarmente sottili le pareti del gambo del pistone, senza però comprometterne la robustezza. Grazie a questo accorgimento, una variazione di pressione ambiente genera la stessa variazione di forza meccanica sulle due superfici del pistone, quella su cui poggia la molla e quella opposta, mantenendo in equilibrio la valvola a qualunque profondità.  Infatti, da un lato la pressione ambiente si somma alla spinta della molla, dall’altro la stessa pressione ambiente  si aggiunge alla pressione di taratura del secondo stadio. Le componenti di pressione ambiente applicate alle due facce del pistone generano infatti spinte uguali solo se esercitate su superfici uguali, (ricordiamo che la forza è pari a pressione x superficie di applicazione). In questo modo l’equilibrio si mantiene a tutte le profondità, e questo garantisce che lo sforzo di l’erogazione e la quantità di gas erogato non dipendano dalla profondità stessa.  

Primo stadio bilanciato a membrana
Il regolatore bilanciato a membrana mostrato in figura funziona sullo stesso principio del regolatore a pistone, dal quale si differenzia per la presenza di una membrana che isola completamente la camera intermedia dalla molla che fornisce la spinta di taratura

Ciò consente a tutte le parti interne del primo stadio di rimanere isolate dall’acqua circostante.  Anche nel primo stadio a membrana troviamo quindi una camera di alta pressione e una a pressione intermedia, messe in comunicazione tra di loro tramite una cosiddetta valvola di bilanciamento, un sottile condotto all’interno del quale scorre il sottile gambo di un pistoncino, il cui piede poggia sul lato interno della membrana. Il gambo del pistoncino si estende, attraversando la valvola, all’interno della camera di alta pressione, ed è mantenuto in battuta contro la valvola di bilanciamento da una ulteriore piccola molla di bilanciamento, che impedisce l’afflusso di aria verso la camera intermedia, (a sinistra in figura).

Quando si inspira, diminuisce la pressione all’interno della camera intermedia, la membrana si flette verso la camera di alta pressione, visto che adesso la spinta della molla e la pressione ambiente prevalgono, ed il pistoncino viene spostato nella stessa direzione, vincendo la resistenza della piccola molla di bilanciamento, (a destra in figura).   Ciò permette al gas della camera di alta pressione di transitare verso la camera intermedia e da qui verso il secondo stadio, per tutta la durata della inspirazione. Non appena l’inspirazione cessa, la pressione nella camera intermedia torna ad aumentare e la membrana si sposta indietro, trascinando il pistoncino e causando nuovamente la chiusura della valvola di bilanciamento. Anche in questo caso abbiamo a che fare con un erogatore bilanciato, in quanto il gas ad alta pressione, viste le caratteristiche costruttive della camera di alta pressione, non agisce perpendicolarmente al pistoncino, che quindi non ne risulta influenzato. Le prestazioni non dipendono quindi dalla pressione della bombola.   

Inoltre, la pressione intermedia dipende solo della costante elastica della molla e dalla pressione ambiente, e pertanto lo sforzo di erogazione si mantiene pressoché costante al variare della profondità.  Grazie alla membrana, la parte interna del primo stadio resta perfettamente isolata dall’acqua, riducendo l’usura delle parti interne, e scongiurando qualunque rischio di corrosione o contaminazione, o addirittura di blocco in caso di immersioni in acque particolarmente cariche di sospensione o fortemente calcaree. Tale rischio viene comunque limitato, nell’erogatore a pistone, impiegando materiali speciali e di resistenza adeguata nel realizzare le parti a contatto con l’acqua.  

Pistone o membrana?
Esiste dunque un vincitore tra i due tipi di primi stadi? Probabilmente no. Gli stadi a pistone sono da preferire quando l’elemento più importante è l’affidabilità, mentre quelli a membrana quando gli elementi più importanti sono la precisione di funzionamento e l’utilizzo in acque con forte sospensione.  

Di seguito l’elenco delle principali caratteristiche di un primo stadio:

• tipologia: a membrana o a pistone
• materiali utilizzati per il corpo esterno e per i principali accessori interni
• ossigeno-compatibilità
• numero e posizione delle uscite di alta pressione
• numero e posizione delle uscite di bassa pressione
• tipo di attacco; INT oppure DIN
• pressione di esercizio e pressione intermedia, in bar
• quantità di aria erogata, in litri al minuto
• peso

Comparazione delle principali caratteristiche dei primi stadi

Dovremo garantirci la presenza di almeno 4 uscite di bassa pressione (LP)  e due di alta pressione (HP).   Esse dovrebbero essere raggruppate in modo che almeno due LP e una HP siano vicine tra di loro, in modo che le fruste ad esse connesse fuoriescono tutte nella stessa direzione e con un piccolo angolo di divergenza tra di loro. Questo consente di raggrupparle adeguatamente al fine di ridurre l’ingombro e l’intralcio, e di agevolare il raggiungimento della rubinetteria della bombola per chiusure di emergenza. Nella configurazione con bi-bombola questo aspetto è particolarmente importante, così come l’esigenza di mantenere le fruste ordinate e tutte al di sotto della rubinetteria, evitando occhielli e giri strani.   L’attacco è preferibile che sia a 300 bar, il che permette di utilizzare l’erogatore con qualunque tipo di bombole.  

I primi stadi iper-bilanciati
Esistono primi stadi cosiddetti iper-bilanciati, nei quali la pressione intermedia tende ad aumentare quando la pressione della bombola diminuisce, al fine di scongiurare più possibile un aumento dello sforzo inspiratorio a profondità elevate, e con bombola scarica. Anche la quantità di aria erogata è una importante misura di prestazioni di un primo stadio.  Essa indica il volume di aria che il primo stadio riesce a fornire nell’unità di tempo.  Naturalmente più questo valore è grande e meglio è, tuttavia nella stragrande maggioranza dei casi la quantità di aria erogata da un primo stadio supera la possibile richiesta di un sub in immersione, anche in caso di un respiro affannoso. In ogni caso un primo stadio capace di fornire una maggiore quantità di gas è naturalmente da preferire. Generalmente essa è misurata con una pressione di alimentazione di 180 bar, comunque non inferiore a 150 bar. Un buon primo stadio è in grado di fornire 3.000 litri al minuto, oltre i 4.000 litri abbiamo un ottimo primo stadio. La quantità di gas erogato è generalmente superiore per i primi stadi a membrana rispetto al pistone.  

Nella speranza di aver chiarito qualche dubbio su questi strumenti di precisione, vi invito a seguire i miei prossimi articoli sulle più importanti attrezzature subacquee. 

Luca Cicali

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PARTE I PARTE II

Luca Cicali

ingegnere elettronico e manager d’azienda, è un grande appassionato di subacquea ma non è un professionista del settore. E’ autore di Oltre la curva, un testo di subacquea diventato in breve un best seller per tutti gli appassionati.