💦 Tema 9: Hidráulica: presión, caudal, Bernoulli y bombas centrífugas

Consorcio para la Prevención y Extinción de Incendios de la Diputación de Badajoz (CPEI) · Conductor/a Bombero/a

Resumen

Las bases no dan bibliografía para este tema, así que sigue el Manual de incendios del CEIS Guadalajara, parte 2 «Hidráulica» (edición r1 2015.10.05), que a su vez se apoya en Suay Belenguer (2008) para la parte de instalaciones. La hidráulica es la rama de la mecánica que estudia las propiedades mecánicas de los fluidos (en reposo y en movimiento). Fluido es toda sustancia que no tiene forma propia y se deforma de manera continua cuando se le aplica una fuerza cortante, por pequeña que sea (el manual lo describe al hablar de la viscosidad: sometido a fuerzas cortantes, el fluido se deforma en capas paralelas). Son fluidos los líquidos, que la hidrodinámica trata como incompresibles (su densidad no varía con la presión), y los gases, que sí son compresibles. Conceptos de partida: la masa es la cantidad de materia (kg); la densidad (ρ) es masa entre volumen, en kg/m³; el peso específico (γ) es peso entre volumen, en N/m³; y la densidad relativa se mide frente a una sustancia patrón, el agua a 4 ºC y 1 atmósfera (tabla del manual: mercurio 13,6; hierro 7,8; aceite 0,8; madera 0,5). La viscosidad es la oposición del fluido a las deformaciones tangenciales; en los líquidos baja con la temperatura y en los gases sube. Se llama fluido ideal al que no tiene viscosidad y es incompresible. El manual también define la presión de vapor (a 100 ºC la del agua es 1,033 kg/cm², por eso hierve a nivel del mar) y la tensión superficial, alta en el agua por los puentes de hidrógeno.

Presión e hidrostática. La presión es la fuerza por unidad de superficie; en el SI se mide en pascales (1 Pa = 1 N/m²). Equivalencias de la tabla 3 del manual: 1 atm = 1,033 kg/cm² = 10,33 m.c.a.; 1 bar = 100.000 Pa ≈ 1,019 kg/cm²; en la práctica se toma 10 m.c.a. ≈ 1 bar ≈ 1 kg/cm². La presión atmosférica equivale a una columna de 760 mm de mercurio y baja con la altitud (10,33 m.c.a. al nivel del mar, 9,11 a 1.000 m). Presión absoluta es la medida desde el cero absoluto; relativa, la medida desde la atmosférica, que es lo que marcan casi todos los manómetros. Presión estática es la que tiene el fluido con independencia de su velocidad (se mide con tubos piezométricos); dinámica, la que depende de la velocidad; y su suma es la presión total. La ecuación fundamental de la hidrostática dice que la presión en un fluido en reposo crece con la profundidad, es igual en todos los puntos de la misma profundidad (vasos comunicantes), no depende de la forma del recipiente y es perpendicular a las superficies. Principio de Pascal: la presión aplicada a un fluido en equilibrio se transmite igual en todas direcciones (prensa, elevadores y frenos hidráulicos, y las herramientas de corte y separación). Principio de Arquímedes: todo cuerpo sumergido recibe un empuje hacia arriba igual al peso del fluido que desaloja.

Hidrodinámica. Estudia los líquidos en movimiento suponiendo un líquido incompresible, pérdidas por viscosidad despreciables y régimen estacionario. El régimen es laminar a baja velocidad (las partículas van en láminas paralelas) y turbulento cuando sube la velocidad o hay codos, estrechamientos o dobleces; lo decide el número de Reynolds, con una zona de transición entre 2.000 y 4.000. Casi todas las instalaciones de bomberos trabajan en régimen turbulento. El caudal (Q) es el volumen de líquido que atraviesa una sección por unidad de tiempo (Q = S · v). Ecuación de continuidad: entre dos puntos de una conducción sin fuentes ni sumideros el caudal es constante, así que si la sección se reduce a la mitad la velocidad se duplica.

Ecuación de Bernoulli: en un fluido ideal que circula por un conducto cerrado la energía total, suma de la de presión, la cinética (½·m·v²) y la potencial (peso · altura), se mantiene constante en todos los puntos. Consecuencias que cita el manual: en una conducción horizontal, al estrecharse la sección sube la velocidad y baja la presión; con sección constante, si la conducción sube, la energía potencial aumenta a costa de la presión. El efecto Venturi es su aplicación directa (un fluido acelerado en un estrechamiento pierde presión y aspira por un conducto lateral): en él se basan los premezcladores de espumógeno y el cebado por eyector de gases de escape. El teorema de Torricelli da la velocidad de salida por un orificio: la misma que la de un cuerpo en caída libre desde la altura de la superficie libre (v = √(2gh)).

Ecuación de descarga. Aplicando Torricelli a una lanza se obtiene el caudal de salida en función de la presión a su entrada, Q = K · S · √(2gh), donde K es el factor del surtidor, entre 0,9 y 0,98, porque la contracción de la vena líquida hace que el caudal real sea menor que el teórico. Con 7 kg/cm² (70 m.c.a.) y K = 0,9, las tablas del manual dan caudales nominales de 50-230 l/min para la lanza de 25 mm, 150-500 l/min para la de 45 y 300-750 l/min para la de 70. El golpe de ariete (pulso de Zhukowski) es la sobrepresión y depresión que aparece al variar bruscamente el caudal, por ejemplo al cerrar de golpe una lanza; puede reventar conducciones y dispara la reacción de la lanza, por eso las aperturas y cierres se hacen lentos y controlados.

Instalaciones hidráulicas de extinción y pérdidas de carga. La instalación básica es bomba, manguera y lanza, y su objeto es llevar el agua o el espumante hasta el fuego con el caudal y la velocidad adecuados. La ecuación de línea es PB = PL + HG + PC: presión a la salida de la bomba igual a presión en punta de lanza más altura geométrica (desnivel, positiva si se sube) más pérdidas de carga, todo en m.c.a. (entre 10 para pasar a bar). Las pérdidas de carga son continuas (rozamiento a lo largo de la manguera) o locales (codos, reducciones, bifurcaciones, válvulas, lanzas), estas últimas normalmente mucho menores. Aumentan linealmente con la longitud, con el cuadrado del caudal o la velocidad, con la quinta potencia al reducir el diámetro y con la rugosidad o la viscosidad. Por desnivel se pierde 1 kg/cm² por cada 10 m de subida y se gana lo mismo por cada 10 m de bajada. El alcance crece con la presión y con el diámetro de la lanza (tabla 9: lanza de 45 a 7 kg/cm², unos 38 m); la reacción en lanza crece con la presión y con el diámetro y se reduce al abrir el cono, hasta anularse aproximadamente a los 180º, por eso una instalación en espera se deja en cortina.

Bombas centrífugas. Transforman la energía mecánica del motor en energía hidráulica: el rodete con álabes acelera el agua y el difusor convierte esa velocidad en presión. El aumento de energía expresado como presión es la altura manométrica (Hm); el rendimiento (η) es la potencia útil transferida al agua entre la potencia consumida. Dan mucha presión en la impulsión pero apenas aspiran, por eso necesitan cebado (eyector de gases, depresor de vacío, anillo de agua, autocebantes o bomba de pistones); girar en vacío puede averiarlas. El agua sube por la aspiración empujada por la presión atmosférica: la altura teórica máxima es 10,33 m y en la práctica queda entre 7 y 8 m por la altitud, la presión de vapor del agua (más caliente, menos aspiración), el vacío imperfecto y las pérdidas en mangotes y alcachofa. La cavitación es la vaporización del agua cuando la presión local baja por debajo de su presión de vapor y la implosión posterior de las burbujas: provoca ruido de grava, vibraciones y picaduras (presiones locales de hasta 1.000 kg/cm²); se evita reduciendo la altura de aspiración o el caudal y aumentando la sección de los mangotes.

Curva característica, punto de funcionamiento y acoplamiento. La curva característica de la bomba, obtenida por el fabricante, representa frente al caudal la altura manométrica, la potencia consumida y el rendimiento: la altura es máxima con caudal nulo (válvulas cerradas) y baja al aumentar el caudal. El punto de máximo rendimiento fija el caudal y la presión nominales. Las bombas de bomberos tienen acelerador, por lo que no hay una curva sino una familia de curvas según las r.p.m. (normalmente sin pasar de 5.000). La curva de la instalación representa las pérdidas de carga, más el desnivel, en función del caudal. El punto de funcionamiento es la intersección de ambas curvas: allí la presión que da la bomba iguala las pérdidas de la instalación. Para más caudal sin tocar la lanza se acelera (sube la presión en punta de lanza); abriendo la lanza aumenta el caudal y baja la presión. Acoplamiento: en paralelo (entradas y salidas unidas) se mantiene la altura manométrica de una bomba y se suman los caudales; en serie (la salida de una a la entrada de la siguiente) el caudal es el mismo y se suman las alturas, lo adecuado para impulsar a gran altura.

Claves para el examen

• Densidad = masa/volumen (kg/m³); peso específico = peso/volumen (N/m³).
• Densidad relativa: patrón, el agua a 4 ºC y 1 atm.
• Fluido ideal: sin viscosidad e incompresible.
• 1 atm = 10,33 m.c.a. = 1,033 kg/cm²; 1 bar = 100.000 Pa; 10 m.c.a. ≈ 1 bar.
• Presión relativa: referida a la atmosférica (la que marcan los manómetros).
• Presión total = estática + dinámica (la dinámica depende de la velocidad).
• Pascal: prensa hidráulica y herramientas de corte y separación. Arquímedes: empuje = peso del fluido desalojado.
• Reynolds: transición entre 2.000 y 4.000; las instalaciones de bomberos van en régimen turbulento.
• Continuidad: Q = S · v constante; media sección, doble velocidad.
• Bernoulli: si baja la sección, sube la velocidad y baja la presión (Venturi).
• Descarga: Q = K · S · √(2gh), con K entre 0,9 y 0,98.
• PB = PL + HG + PC; 1 kg/cm² por cada 10 m de desnivel.
• Pérdidas: con el cuadrado del caudal y con la quinta potencia del diámetro.
• Aspiración: 10,33 m teóricos, 7-8 m reales; cavitación si la presión baja de la de vapor.
• Punto de funcionamiento: corte de la curva de la bomba con la de la instalación. Serie suma alturas; paralelo suma caudales.

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