El regulador y el hielo
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Buceo bajo hielo
Buceo bajo hielo

La comprensión del fenómeno de la congelación de un regulador parte de conceptos que muchas veces no son intuitivos.

En este artículo se mencionarán usos y procedimientos que no corresponden al buceo recreativo propiamente dicho o buceo sin techo. Quede claro que el buceo bajo hielo no pertenece a esta categoría y no debe ser practicado bajo ningún concepto sin formación previa ni equipamiento adecuado.

Sin embargo, la relación entre el regulador y el hielo es un fenómeno que todo buceador de cualquier nivel debe conocer y comprender.

No se entrará aquí en la gran complejidad que representan los cambios de estado del agua. A efectos prácticos, todo aquel que ha recibido educación elemental sabe que a 0 ºC (grados Celsius) el agua se congela y convierte en hielo. Pero no es exactamente así. Es un proceso gradual, no necesariamente instantáneo. El cambio de densidad se empieza a producir a 4ºC y el proceso depende de numerosos factores, como la densidad.

Muchos buceadores dudan sobre si se puede congelar el agua salada. La respuesta es , pero el proceso requiere de mucho más tiempo y menos temperatura en comparación con el agua dulce debido al cloruro de sodio (sal) que contiene.

Tomando como referencia agua del mar de salinidad típica de 35 gramos/litro, el proceso para congelarse comenzaría en -2oC, pudiéndose afirmar que necesita una temperatura igual o inferior a los -6oC para congelarse.

Dicho de otra forma, se puede bucear en agua salada a una temperatura inferior a 0ºC, es decir, inferior al punto de congelación del agua dulce. Como posteriormente se verá, si bien este agua no se congela, esto tiene implicaciones serias para la formación de hielo procedente del vapor de agua de la respiración.

Aunque un regulador congelado es un hecho evidente, la respuesta a esta pregunta debiera ser: NO. Aunque se hable coloquialmente de reguladores congelados, estos están hechos de plásticos, metales y otros materiales sintéticos que no se congelan.

Lo que se congela es el agua que hay a su alrededor.

Y entender esta perogrullada es importante para comprender el fenómeno de la congelación que nos ocupa.

En el caso de las segundas etapas, aunque teóricamente el gas de la botella debiera estar totalmente desecado, el aire que el buceador exhala está saturado de vapor de agua. Al igual que el parabrisas del coche se empaña en invierno, el vapor de agua se condensa en las piezas del regulador ─ más frías ─ produciéndose gotitas que sí son susceptibles de congelarse sucesiva y agregadamente. Este agua puede solidificarse alrededor de algunas piezas impidiendo su funcionamiento, con el consiguiente problema crítico para el buceador.

Segunda etapa congelada
Segunda etapa congelada

Pero, la primera etapa no está afectada por el vapor de agua que exhala el buceador. ¿Por qué se congela?

Primera etapa congelada
Primera etapa congelada

Entonces, si se está buceando en agua con una temperatura superior a la necesaria para congelarse (para eso está en estado líquido), ¿¿cómo es posible que el regulador se congele??

A temperaturas y presiones normales todos los gases se enfrían al expandirse y se calientan al comprimirse ─ con excepción del hidrógeno, del helio y del neón ─.

El efecto Joule-Thompson describe el cambio de temperatura de un gas cuando es forzado a comprimirse o a expandirse por una tubería a través de una estrechamiento o un ensanchamiento.

En otras palabras, allí donde se produzca la compresión súbita de un gas, se producirá su calentamiento, y donde se produzca su expansión, un enfriamiento.

Por ejemplo, quizá el lector haya observado que si se abre totalmente la grifería de una botella llena, sin el regulador conectado, el gas saldrá a raudales por la boca de la grifería hacia el exterior expandiéndose instantáneamente. Esto hace que se enfríe muy drásticamente, sea cual sea la temperatura ambiente.

La caída exacta de la temperatura que se produce depende de una serie de factores, incluyendo el gradiente de presión y la velocidad de la disminución de dicha presión. Pero puede ser muy considerable. De hasta -40ºC.

El refrigerador o nevera que todos tenemos en casa es un ingenioso aparato en realidad muy sencillo que consiste en una caja aislada del ambiente exterior con un circuito de tubos lleno de gas al que se le somete a una compresión, calentándose dicho gas por el exterior del aparato y disipándose dicho calor en el ambiente exterior para luego, ya en el interior, ser sometido a una expansión repentina, lo que le hace enfriarse, disminuyendo a su vez la temperatura del interior del aparato y todo lo que allí se guarde. Ese proceso se repite continuamente, pudiéndose mantener así frías las lechugas. Si en la parte más fría hay humedad, se producirá escarcha y hielo.

Pues, por extraña que parezca la siguiente afirmación y aunque la comparación es meramente ilustrativa, cualquier buceador de circuito abierto (con regulador), lleva implícitamente un refrigerador a la espalda, aunque llevar algo que enfría el gas que se respira no parezca lo mejor para bucear en aguas muy frías o bajo hielo. Veamos por qué.

En el pasado artículo titulado «COMENTARIOS ÚTILES SOBRE REGULADORES» se explicaba que la única función de un regulador de buceo es la de reducir la presión del gas de la botella hasta la presión ambiente (la correspondiente a la profundidad a la que se esté) para que el buceador pueda respirarlo. Así mismo se decía que dicha reducción de presión se realizaba en dos pasos:

  • en la 1ª etapa se reduce la presión del gas de la botella hasta una presión llamada «Presión Intermedia» que es la suma de la presión ambiente más la presión fija que produce el mecanismo del regulador en cuestión (entre 8 y 11 bar, dependiendo del modelo);

  • en la segunda etapa se reduce esta Presión Intermedia del gas que llega a través del latiguillo hasta la presión ambiente para que el buceador pueda respirarlo.(Recordemos que el buceador siempre respira un volumen fijo de gas, por lo que la densidad de éste variará para mantener constante dicho volumen a cada profundidad).

Pues, según lo dicho, éste es exactamente el mismo proceso que se produce en el refrigerador o nevera de nuestra casa: hemos comprimido gas en el centro de buceo (calentándose la botella); éste se ha enfriado en contacto con el ambiente y ahora lo sometemos a un proceso de reducción de presión (expansión) súbito y muy intenso dentro de la primera etapa, por lo que la temperatura disminuirá drásticamente en su interior, para luego volverlo a expandir en la segunda etapa, pero ahora en presencia del vapor de agua condensado de la respiración del buceador. Una nevera en toda regla.

Y, como se ha dicho anteriormente, la caída de temperatura en el interior de la primera etapa puede suponer una reducción de hasta -40 ºC, por lo que, si el gas de la botella no ha sido completamente desecado en el centro de carga antes de introducirlo (nunca se deseca totalmente), ese agua podrá helarse en el interior de la primera etapa, afectando a su funcionamiento, bloquear la válvula dejándola abierta con el consiguiente flujo libre incontrolado e, incluso, bloquearla cerrada pudiendo suponer un corte total de gas para el buceador.

Además de la posible congelación del interior, como consecuencia de este enfriamiento súbito, se puede formar hielo en el exterior de la primera etapa. Sin embargo, éste no debería afectar a su funcionamiento, pero recordemos que en los reguladores de pistón el agua entra en su interior pudiendo causar problemas importantes y que, en algunos de membrana, entra en contacto con el muelle que regula su presión intermedia. El hielo en el resorte no permitiría que funcionase correctamente, pudiéndose producir un flujo libre incontrolado.

Por ello y aunque esto se puede evitar como se verá luego, el Autor prefiere utilizar primeras etapas totalmente selladas (como las Apeks DS4 y DST, entre muchas otras que hay en el mercado), en las que el agua no entra en contacto con su interior.

Esto responde la anterior pregunta de porqué se congela un regulador si se está buceando en agua con una temperatura superior a su punto de congelación. De hecho, nos lleva a unas consideraciones muy contraintuitiva:

Si se está buceando en un agua fría de narices -pongamos a 5ºC-, las disminución de temperatura producida por la caída de presión del gas de la botella y su correspondiente expansión en el interior de la primera etapa pueden producir temperaturas mucho más bajas, como hemos visto.

Por ello y según enuncia el Segundo Principio de la Termodinámica, se producirá una transferencia de calor desde el agua helada hacia el regulador, es decir, desde el fluido frío hacia el cuerpo más frío todavía.

Contraintuitivamente, el agua helada en la que buceamos será lo caliente a estos efectos. Esto será importante para entender varios fenómenos que se producen en las segundas etapas, como luego se dirá.

Mucha gente cree que el problema de la congelación se produce sólo en el agua sin reparar que la temperatura del aire en la superficie puede ser mucho más fría que la del agua. Quizá la distinta sensación de frío que el cuerpo humano experimenta por mor de la diferente conductividad del agua respecto de la del aire (mayor pérdida de calor en el agua que en el aire) hace que el buceador tenga la sensación de tener menos riesgo de congelación en la superficie que dentro del agua, cuando puede ser precisamente lo contrario.

En estas condiciones, es muy probable la formación de escarcha o hielo en el exterior del regulador si se expone al ambiente, incluso en el interior de la segunda etapa, todo ello sin siquiera presurizar la botella.

Pero, como se ha dicho, el problema se agrava enormemente al producirse las caídas de presión que se producen en el interior del aparatejo, por lo que hay que prestar atención desde el mismo momento de conectar a la botella y presurizarlo. Y, todavía más, evitar respirar de él ─ produciendo más caídas de presión en su interior ─ cuando se está en superficie expuesto a las bajas temperaturas del ambiente.

Evitar en la medida de lo posible el respirar del regulador en superficie a bajas temperaturas es una buena práctica.

Visto que nuestro regulador de buceo enfría mucho el gas de la botella que entra en él, ¿a qué temperatura tendría que estar el agua en que buceamos para empezar a preocuparnos por este fenómeno?

La respuesta no es fácil de contestar, pues depende de muchas variables. Pero nos remitiremos a las temperaturas de las pruebas que se realizan a fin de homologar los reguladores que hay en el mercado, exigiendo determinados rendimientos mínimos. Ello nos dará pistas. Fundamentalmente, son tres:

  • la certificación europea EN 250 : 2000 exige al regulador funcionar en agua dulce a 4ºC durante 5 minutos habiendo estado antes de la prueba a temperatura ambiente.

  • La certificación US Navy es más rigurosa que la anterior, exigiendo que el regulador funcione en agua salada a una temperatura igual o inferior a 0ºC durante 60 minutos, habiendo estado 12 horas antes de la prueba a -12ºC.

  • La Unidad de Buceo Experimental de la Marina de EE.UU. (NEDU) en 2013 revisó sus protocolos estableciendo las pruebas de sus reguladores en agua dulce a 1,1 ºC y en agua salada a -1,7ºC.

Así pues, revisando las homologaciones de cada regulador se puede tener una idea de sus prestaciones sobre este problema. Nótese que las pruebas de homologación establecen temperaturas distintas para agua salada que dulce, de tal forma que un regulador pudiera estar homologado para su uso en agua dulce, pero no para agua salada.

En cualquier caso, el Autor recomienda empezar a tener en cuenta todo esto si se va a bucear en aguas a menos de 8 – 10ºC.

 

Dado que el buceador parece que se empeña recalcintrantemente en sumergirse en agua helada con un refrigerador a la espalda, ¿se puede hacer algo para evitar los efectos indeseables de una posible congelación en el regulador que lo mantiene con vida? Se puede.

Si como se ha dicho lo que se congela es el agua que contiene el gas procedente de la botella en forma de vapor de agua, parece razonable considerar en primer lugar la eliminación al máximo dicho vapor de agua desecándolo previamente. Ello además contribuirá a preservar de la corrosión del interior del tanque o botella de buceo.

Pero para ello, se ha de disponer del equipo adecuado, además del compresor, es decir, de un deshumidificador que aspire el aire húmedo ambiental y lo lleva a través de la batería de un evaporador, enfriándolo para que el vapor de agua se condense y pueda ser eliminado. El mismo principio del que tratamos en este artículo.

A pesar de que se empleen equipos muy buenos, no se suele eliminar todo el vapor de agua, pero sí la mayor parte. Para darnos una idea cuantitativa de la reducción, pensemos que un metro cúbico de aire a 25 °C de temperatura puede contener hasta 23 gramos de agua, (lo cual se corresponde con el 100 % de humedad del aire). Si la temperatura de ese aire baja hasta los 10 °C, sólo podrá almacenar unos 9 gramos.

Éste es uno de los inconvenientes de cargar botellas en instalaciones pequeñas.

Otra medida evidente es impedir que el agua externa entre en el regulador corriéndose el riesgo de que se produzca hielo en su interior. Para ello, lo más obvio sería considerar la utilización de primeras etapas estancas, o bien sellar las que no lo sean, por los procedimientos que a continuación se describirán.

Estanqueidad de distintos tipos de primeras etapas
Estanqueidad de distintos tipos de primeras etapas

Muchos reguladores del mercado presentan pliegues a modo de radiador (como los cilindros de una moto) para maximizar el contacto con el agua exterior y, por tanto, el intercambio térmico con el interior. (Recordemos lo anteriormente dicho sobre que, por muy fría que esté el agua, la temperatura en el interior de la primera etapa será todavía más baja, de tal forma que el agua es el cuerpo «caliente»).

Primera etapa con superficies para maximizar el intercambio térmico
Primera etapa con superficies para maximizar el intercambio térmico

En el caso de una moto, las «aletas» radiadoras enfrían el cilindro caliente, mientras que nuestro regulador se calienta con el agua circundante.

Existen en el mercado piezas específicas que añadir a las primeras etapas con el fin de hacerlas estancas, sin perder la funcionalidad de que la presión del agua se trasmita a su mecanismo interior. Estas piezas se suelen denominar kits de aguas frías y pueden ser de dos tipos: secos o húmedos, según lleven en su interior aire o aceite (generalmente, aceite de silicona).

En el caso de reguladores de membrana, lo que se hace es poner un segundo diafragma o membrana flexible hacia el exterior en contacto con el agua, con aire o aceite en su interior, de tal forma que la presión ambiente del agua comprima dicho aire o aceite trasmitiendo su presión hacia el interior de la segunda etapa.

Primeras etapas con kit de aguas frías
Primeras etapas con kits de aguas frías

El aceite de silicona resulta más efectivo al ser menos compresible que el aire y tener un alto punto de congelación.

Como se ha visto, es importante el intercambio de calor entre los componentes del regulador y el agua circundante. Pero puede serlo para bien … o para mal.

Si bien la inmensa mayoría de las primeras etapas están fabricadas de latón cromado o con distintos acabados superficiales (sólo algunas pocas son de acero inoxidable o de titanio), el caso de las segundas etapas es más complicado.

Los cuerpos de las segundas etapas pueden ser: metálicos, de plástico o de carbono. Cada uno presenta ventajas e inconvenientes de cara al asunto de la congelación pues los coeficientes de transmisión térmica de cada material son muy distintos y, por tanto, el intercambio de calor con el exterior también lo será.

Todos sabemos por experiencia propia que el metal transmite muy bien el calor y el frío, por lo que el intercambio de calor con el agua será alto. El coeficiente de conductividad térmica del latón, por ejemplo, tiene un valor de 110 W / m*K.

Las segundas etapas de plástico (generalmente poliamidas con plásticos reforzados con fibra de vidrio de distintas composiciones) son mucho más aislantes que los materiales anteriores. El coeficiente de trasmisión térmica de la poliamida es de 0,25 W / m*K.

Finalmente, mucha gente cree que la fibra de carbono es tan aislante al calor como cualquier plástico. Nada más lejos de la realidad. La fibra de carbono tiene una capacidad de 100 W / m*K, muy parecida a la del metal.

De este modo, se puede concluir que el latón y la fibra de carbono conducen el calor 450 y 400 veces respectivamente mejor que la poliamida.

Y, entonces, llegamos a la pregunta: ¿qué es mejor? ¿que una segunda etapa aisle o que transmita fácilmente el calor? La contestación no es sencilla.

Mucha gente piensa que es mejor para evitar la congelación que una segunda etapa esté hecha de plástico, material de menos conductividad térmica o más aislante. Suele pensarse en la imagen de alguien calentándose boca y nariz con las manos o con una bufanda en un día frío.

Calentándose la boca
Calentándose la boca

Pues no es tan claro ya que hay quien defiende que lo que se requiere es que sea de un material que trasmita lo más posible el calor (metal o carbono) porque el agua en que está sumergido y rodea al buceador está menos fría que el aire en el interior de la segunda etapa.

Por ejemplo, el prestigioso fabricante de reguladores MARES tiene patentados varios sistemas muy interesante como el sistema VAD (Diseño de Vórtice Asistido) por el que el aire que proviene del latiguillo de baja presión, pasa a través de la válvula de la segunda etapa y se dirige directamente a la boquilla mediante un tubo metálico de derivación, sin pasar directamente por el volumen interior del regulador.

Sistema VAD del fabricante MARES
Sistema VAD del fabricante MARES

Este sistema presenta ventajas de cara al esfuerzo inspiratorio, pero lo que nos interesa es que el tubito en cuestión es metálico y muy expuesto al agua circundante. De esta manera, el gas que llega de la primera etapa se calienta algo (muy poco) en el latiguillo y algo más en este tubito, lo cual favorece.

Sin embargo, el fabricante afirma en su publicidad que la construcción metálica de algunos modelos de sus segundas etapas es muy favorable para evitar la formación de hielo:

Sin embargo, quien esto escribe no lo tiene tan claro puesto que el aire caliente y húmedo exhalado por el buceador se encuentra con una pared metálica fría que propende a la condensación del vapor de agua y formación de gotas de agua que se pueden transformar en hielo. De hecho, este mismo fabricante también argumenta este mismo efecto como una ventaja al bucear a temperaturas más normales ya que se humidifica el aire seco que llega de la botella.

Difícil de evaluar cuál es la mejor opción, sirva esto al menos para evidenciar el papel del material en la congelación de la segunda etapa.

El Autor lanza al aire el siguiente razonamiento, del que no ha encontrado referencia alguna anterior y, por tanto, no puede contrastar:

Como se ha dicho, existen tres excepciones en la Ley de Joule-Thomson: el helio, el hidrógeno y el neón. Estos tres gases no disminuyen su temperatura al ser sometidos a una expansión súbita (en realidad sí lo hacen pero a temperaturas extremadamente bajas).

Entonces cabría pensar que si sustituyéramos el nitrógeno del aire que respiramos parcial o totalmente por helio, la mezcla se enfriaría muchísimo menos.

Es decir, que cabría pensar que el problema de la congelación se reduciría enormemente utilizando Trimix (mezcla en la que se sustituye parcialmente el N2 por He), más cuanto mayor sea el contenido de He, o mejor si fuera Heliox (He + O2). (Obviamente esto está fuera del ámbito del buceo recreativo pero se menciona sólo a efectos de comprensión del fenómeno).

Pero no todo es tan fácil, porque esto llevaría un problema aparejado, como es el frío para el buceador. Porque el He tiene un coeficiente de transmisión térmica enorme. Y esto lo sabe cualquier que ha buceado con Trimix, se pasa un frío de narices. Hasta tal punto que hay que llevar una botellita auxiliar para rellenar el traje seco con aire o, mejor, con Argón (que tiene un coeficiente mucho más bajo aún que el aire).

En cualquier caso, ésta es una solución que parece no contemplarse muchas veces por los buceadores que desarrollar su actividad bajo hielo.

Este artículo ha pretendido dar unas pautas para entender de manera general el fenómeno de la congelación en los reguladores cuando se bucea en aguas muy frías.

Esta vez sí llegando a la paranoia si hiciera falta, el buceador que se sumerja en aguas gélidas debe tener muy en cuenta todo ello puesto que la congelación del regulador puede ocasionar un accidente mortal. Aún más si vive en latitudes frías.

Pero, además, aunque no se bucee bajo hielo, la comprensión de este fenómeno acercará más al lector a la del funcionamiento general de los reguladores.

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Lo que hay que saber sobre un regulador:

EL REGULADOR Y EL HIELO

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