💧 Tema 11: Hidráulica, lanzas y bombas centrífugas

Diputación Provincial de Burgos · Servicio de Extinción de Incendios · Bombero/a

Resumen

El tema 11 de las bases de Burgos cubre la hidráulica que usa el bombero: propiedades de los fluidos, hidrostática, hidrodinámica, lanzas, pérdidas de carga, bombas centrífugas y su acoplamiento, e instalaciones. Sigue la parte 2, «Hidráulica», del Manual de incendios del CEIS Guadalajara (capítulos 1 Caracterización y 2 Técnicas) y, para las lanzas, el capítulo de equipos de extinción del Manual de equipos operativos del mismo servicio. La hidráulica estudia las propiedades mecánicas de los fluidos; se divide en hidrostática (fluidos en equilibrio) e hidrodinámica (fluidos en movimiento). Propiedades de los fluidos. La masa es la cantidad de materia de un cuerpo y se mide en kilogramos; es una magnitud escalar, mientras que el peso es vectorial. La densidad (ρ) es la masa por unidad de volumen, en kg/m³. El peso específico (γ) es el peso por unidad de volumen, en N/m³. La densidad relativa y el peso específico relativo comparan esos valores con los de una sustancia patrón, que es el agua a 4 °C y 1 atmósfera; en la tabla del manual, el mercurio tiene 13,6, el hierro 7,8, el aceite 0,8 y la madera 0,5.

Hidrostática. La presión es la fuerza perpendicular por unidad de superficie; su unidad SI es el pascal (1 N/m²). La presión atmosférica equivale a una columna de 760 mm de mercurio y varía con la altitud y el tiempo. Equivalencias del manual: 1 atm = 1,033 kg/cm² = 10,33 m.c.a.; 1 bar = 100.000 Pa ≈ 1,019 kg/cm². Presión absoluta es la medida desde el cero absoluto y relativa la medida desde la atmosférica (absoluta = relativa + atmosférica); los manómetros suelen medir presiones relativas. La presión estática no depende de la velocidad y se mide con tubos piezométricos; estática más dinámica es la presión total.

La ecuación fundamental de la hidrostática dice que la presión en un fluido en reposo aumenta con la profundidad, es igual en todos los puntos a la misma profundidad (vasos comunicantes), no depende de la forma del recipiente y actúa perpendicular a las superficies. El principio de Pascal: la presión aplicada a un fluido en equilibrio en un recipiente indeformable se transmite con la misma intensidad en todas direcciones; en la prensa hidráulica, F1/S1 = F2/S2, de modo que una fuerza pequeña en el émbolo pequeño da una grande en el grande, y en él se basan los equipos de corte y separación. El principio de Arquímedes: todo cuerpo sumergido recibe un empuje vertical hacia arriba igual al peso del fluido que desaloja, que depende de la densidad del líquido y del volumen sumergido, no de la presión.

Hidrodinámica. El manual trabaja con tres aproximaciones: líquido incompresible, pérdidas por viscosidad despreciables y régimen estacionario. El régimen es laminar a baja velocidad (láminas paralelas) y turbulento con velocidad alta o cambios bruscos de dirección; lo separa el número de Reynolds: laminar por debajo de 2.000, turbulento por encima de 4.000 y transición entre ambos. Casi todos los sistemas de agua de bomberos trabajan en régimen turbulento. El caudal es el volumen que atraviesa una sección por unidad de tiempo (Q = S · v) y, por la ecuación de continuidad, se mantiene constante entre dos puntos sin fuentes ni sumideros: si la sección baja, la velocidad sube.

El principio de Bernoulli dice que en un fluido ideal la suma de energía de presión, cinética y potencial es constante a lo largo de la conducción: en un tramo horizontal que se estrecha sube la velocidad y baja la presión; si la sección no cambia y se gana altura, la energía potencial crece a costa de la presión. El teorema de Torricelli, aplicación de Bernoulli, da la velocidad de salida por un orificio igual a la de caída libre desde la superficie libre (v = √(2gh)); el caudal real de una lanza es menor por la contracción de la vena líquida (factor K entre 0,9 y 0,98). El efecto Venturi es la bajada de presión al aumentar la velocidad en un estrechamiento y es la base de pulverizadores y premezcladores de espumógeno. El golpe de ariete (pulso de Zhukowski) es la sobrepresión y posterior depresión que aparece en una tubería al variar bruscamente el caudal, por ejemplo al cerrar de golpe una válvula o una lanza: las partículas que se paran son empujadas por las que vienen detrás, la onda de presión recorre la tubería a gran velocidad (del orden de la del sonido en el agua, algo menos por la elasticidad de la tubería), comprime el líquido y dilata la tubería, y luego rebota como depresión. Puede romper los conductos, por eso las lanzas y válvulas se abren y cierran despacio.

Una bomba centrífuga transforma la energía mecánica del motor en energía hidráulica: los álabes del rodete aumentan la velocidad del agua y, como dentro no hay cámaras cerradas, el agua pasa por el difusor, donde parte de esa velocidad se convierte en presión. El aumento de energía entre la aspiración y la impulsión, expresado como presión, es la altura manométrica (Hm); la potencia transferida al agua es la potencia útil, y el rendimiento (η) es la relación entre la potencia útil y la consumida por el motor. La curva característica, que obtiene el fabricante de forma experimental cerrando poco a poco una válvula a la salida, pone el caudal en el eje de abscisas y en ordenadas la altura manométrica, la potencia consumida o el rendimiento. La altura manométrica es máxima con caudal nulo (válvulas cerradas) y baja al aumentar el caudal. El punto óptimo es el de mayor rendimiento, y en él se fijan el caudal y la presión nominales de la bomba. A diferencia de muchas bombas industriales de régimen fijo, las de bomberos tienen acelerador: regulando las revoluciones (no suelen pasar de 5.000 r.p.m.) se obtiene una familia de curvas y se ajustan presión y caudal.

Aspiración. El agua no sube por la «fuerza» de la bomba, sino empujada por la presión atmosférica, así que la altura teórica máxima es 10,33 m. En la práctica queda entre 7 y 8 m porque la presión atmosférica es menor con la altitud y el mal tiempo (a 1.000 m son 9,11 m.c.a. según la tabla del manual), porque la presión de vapor crece con la temperatura del agua (a 20 °C se pierden 0,236 m.c.a.; a 40 °C, 0,745), porque el vacío no es perfecto y por las pérdidas de carga en manguerotes y alcachofa. Cebado. La bomba centrífuga da mucha presión en la impulsión pero apenas succiona, así que hay que llenarla de agua antes de ponerla en marcha, salvo que el agua esté por encima de la bomba; si gira en vacío puede averiarse porque el rodete no se lubrica ni se refrigera. Sistemas de cebado: eyector de gases (efecto Venturi con los gases de escape), depresor de vacío (bomba de vacío, normalmente eléctrica), anillo de agua (bomba volumétrica), bombas autocebantes (depósito propio que llena cuerpo y aspiración) y bomba de pistones. El cebado está hecho cuando el agua toca el rodete, y entonces se desconecta el sistema de cebado. Cavitación: formación de vapor porque la presión local cae por debajo de la presión de vapor del agua, seguida de una condensación brusca; es una ebullición a temperatura ambiente. Las burbujas implosionan en zonas de más presión (el volumen del agua al vaporizarse crece unas 1.700 veces), con presiones locales de hasta 1.000 kg/cm² que pican los álabes; suena como grava golpeando la bomba. Aparece con grandes alturas de aspiración o grandes caudales, y se evita bajando la altura de aspiración o el caudal y reduciendo pérdidas con mangotes de mayor sección; por eso se fija una altura geométrica máxima de aspiración de 8 a 8,5 m.

Acoplamiento de bombas. 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 va a la entrada de la siguiente) el caudal es el de una sola bomba y se suman las alturas manométricas (Hm = Hm1 + Hm2 + ...), lo adecuado para impulsar a gran altura. Instalación hidráulica: lleva el agua o el espumante desde la fuente hasta el fuego; la básica es bomba, manguera y lanza. Ecuación de línea: PB = PL + HG + PC (presión en bomba = presión en punta de lanza + altura geométrica + pérdidas de carga, en m.c.a.; entre 10 para pasar a bar). Las pérdidas de carga son continuas (rozamiento a lo largo del tendido) o locales (reducciones, bifurcaciones, válvulas, lanzas, normalmente mucho menores); las continuas crecen de forma lineal con la longitud, con el cuadrado del caudal, con la quinta potencia al reducir el diámetro y con la rugosidad y la viscosidad. Por desnivel: 1 kg/cm² por cada 10 m (10 m.c.a.), que se pierde al subir y se gana al bajar.

El punto de funcionamiento es la intersección de la curva de la bomba con la curva de la instalación. Para dar más caudal sin tocar la lanza se acelera la bomba (sube la presión en punta de lanza); si se abre más la lanza, aumenta el caudal y baja la presión de trabajo. El alcance depende del diámetro de la lanza y de la presión a su entrada: más presión, más alcance; a igual presión, más alcance con más diámetro; el máximo, en chorro y con máxima apertura. Caudales nominales del manual a 7 kg/cm²: lanza de 25 mm, 50-230 l/min; de 45 mm, 150-500; de 70 mm, 300-750. La reacción en lanza (acción y reacción) crece con la presión y el diámetro y casi se anula con un cono de unos 180°, por eso un tendido en espera se deja en cortina; y para evitar el golpe de ariete, las aperturas y cierres se hacen lentos. Tipos de chorro de la lanza (Manual de equipos operativos del CEIS): el chorro sólido da el máximo alcance; el cono de ataque, con una apertura de entre 30º y 45º, desplaza humos y gases y es más fácil de manejar; la cortina de protección protege al personal de la radiación y sirve para cortar válvulas. Por debajo de 7 bar la lanza pierde mucha efectividad en caudal y alcance.

Claves para el examen

• Sustancia patrón de la densidad relativa: agua a 4 °C y 1 atm. Mercurio 13,6.
• 1 atm = 760 mm Hg = 1,033 kg/cm² = 10,33 m.c.a. 1 bar = 100.000 Pa.
• Absoluta = relativa + atmosférica. Los manómetros miden la relativa.
• La presión depende de la profundidad, no de la forma del recipiente.
• Pascal: la presión se transmite igual en todas direcciones (prensa, cizallas y separadores).
• Reynolds: laminar < 2.000; transición 2.000-4.000; turbulento > 4.000.
• Continuidad: Q = S · v constante; menos sección, más velocidad.
• Bernoulli: más velocidad, menos presión. Venturi: la base del premezclador.
• Golpe de ariete = pulso de Zhukowski: abrir y cerrar lanzas despacio.
• Curva característica: caudal en abscisas; Hm máxima con caudal nulo.
• Aspiración teórica 10,33 m; real 7-8 m. A 1.000 m de altitud, 9,11 m.c.a.
• Cavitación: ebullición a temperatura ambiente; hasta 1.000 kg/cm²; ruido de grava.
• Paralelo: suma caudales, misma Hm. Serie: suma Hm, mismo caudal (gran altura).
• Ecuación de línea: PB = PL + HG + PC.
• Pérdidas continuas: ∝ longitud, caudal², 1/diámetro⁵. Locales, mucho menores.

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