💧 Tema 13: Hidràulica i bombes

Generalitat de Catalunya · Cos de Bombers de la Generalitat · Bomber/a de primera de l'escala tècnica

🌐 Lee este tema en castellano

Resum

La hidràulica és la mecànica de fluids aplicada als líquids i es divideix en hidrostàtica (líquids en repòs) i hidrodinàmica (en moviment). Els líquids es consideren incompressibles: conserven el volum encara que s'hi apliqui molta força, i per això la pressió es transmet gairebé a l'instant. Propietats del manual MAN.GRAL.009: densitat (massa per unitat de volum; aigua 1.000 kg/m³ o 1 g/cm³ a 4 ºC i, a la pràctica, a temperatura ambient; aigua de mar uns 1.025 kg/m³). La densitat relativa compara amb l'aigua dolça i no té unitats: el gasoil (0,85) sura i la mel (1,4) s'enfonsa.

La viscositat dinàmica és la resistència interna a fluir i es mesura en Pa·s: aigua 0,001, oli vegetal 0,065-0,1, mel més de 5. En els líquids baixa quan puja la temperatura (en els gasos, al revés), i no s'ha de confondre amb la densitat: l'oli és molt viscós i poc dens. La pressió de vapor és la que exerceixen les molècules que s'escapen de la superfície i puja amb la temperatura; un líquid bull quan la seva pressió de vapor iguala la de l'ambient. Per això l'aigua bull a 100 ºC al nivell del mar, a uns 90 ºC a 3.000 m i a més de 100 ºC en una caldera; a temperatura ambient la seva pressió de vapor és només de 0,0316 bar. La tensió superficial manté unides les molècules de la superfície (gotes, insectes que caminen sobre l'aigua) i els humectants i tensioactius la redueixen perquè l'aigua penetri millor o faci escuma. La capil·laritat és la pujada o baixada per un tub estret per la suma de la tensió superficial i l'adhesió a les parets.

Hidrostàtica. La pressió és força per unitat de superfície (P = F/S; pascal = N/m²). Com que el pascal és molt petit, es fan servir altres unitats: 1 bar = 100.000 Pa; 1 atm = 101.325 Pa = 1,013 bar; 1 kg/cm² = 0,98 bar; 1 m.c.a. = 9,80665 kPa; 1 mmHg = 133,3 Pa; 1 psi = 6.895 Pa. A Bombers se simplifica: 1 bar = 1 kg/cm² = 1 atm, i 1 bar = 10 metres de columna d'aigua (amb 8 bar l'aigua puja, en teoria, uns 80 m). Es treballa habitualment entre 7 i 15 bar. La pressió atmosfèrica al nivell del mar és 1 atm = 760 mmHg = 1,033 kg/cm² (experiment de Torricelli) i baixa uns 0,129 m.c.a. per cada 100 m de pujada.

La pressió absoluta es mesura des del buit absolut i sempre és positiva; la relativa o manomètrica es mesura des de l'atmosfèrica, és la que llegeixen els manòmetres i pot ser negativa. P absoluta = P relativa + P atmosfèrica. El manòmetre més habitual és el de tub Bourdon (tub corbat que s'estira amb la pressió); el vacuòmetre mesura depressió; a l'aspiració de la bomba hi ha un manovacuòmetre, que mesura pressió i depressió. Principis: Stevin (P = ρ·g·h: la pressió creix amb la profunditat i no depèn del volum ni de la forma del recipient, només de l'alçada de líquid i de la seva densitat); Pascal (la pressió en un líquid tancat es transmet igual en totes direccions: en un gat hidràulic, 500 N sobre 1 cm² donen 50.000 N sobre 100 cm²); i Arquimedes (empenta cap amunt igual al pes del fluid desallotjat, E = ρ·g·V: un vehicle submergit pesa menys i «pesa» cada vegada més a mesura que surt de l'aigua).

Hidrodinàmica. La circulació pot ser lliure (per gravetat, poc habitual en emergències) o forçada (amb bomba, el normal a Bombers); el règim pot ser laminar (capes ordenades, poc freqüent) o turbulent (remolins, l'habitual en les instal·lacions d'intervenció i amb més pèrdues). El cabal és Q = V/t = S·v; a Bombers es fa servir l/min o m³/h. A 2,5 m/s, una mànega de 25 mm dona 73,6 l/min, una de 45 mm 238,6 l/min i una de 70 mm 577,3 l/min; a la pràctica, en la de 25 l'aigua va a 6 m/s o més i en la de 70, a uns 4 m/s. Equació de continuïtat: Q = S1·v1 = S2·v2; si la secció baixa, la velocitat puja. Si la conducció es bifurca, la suma dels cabals de sortida és igual al d'entrada.

Bernoulli: un fluid ideal té tres energies (pressió, cinètica i potencial) la suma de les quals es manté: P + ½ρv² + ρgh = constant (pressió estàtica, dinàmica i potencial). Amb velocitats normals la pressió dinàmica és petita (6 m/s són 0,18 bar; 10 m/s, 0,5 bar; 15 m/s, 1,125 bar); el que de debò canvia la pressió és el desnivell: 1 bar per cada 10 m. En la realitat hi ha pèrdues de càrrega: lineals o primàries (fregament amb les parets, Darcy-Weisbach), proporcionals a la longitud i al quadrat del cabal i inversament proporcionals a la cinquena potència del diàmetre; i singulars o secundàries (colzes, bifurcacions, vàlvules, ràcords), que se solen menystenir en instal·lacions llargues, tret d'una T, una vàlvula mig oberta o una mànega estrangulada. A 8 bar i 700 l/min, un tram de 45 mm perd gairebé 1,8 bar i un de 70 mm, poc més de 0,2. En sèrie les pèrdues se sumen; dues mànegues en paral·lel gairebé dupliquen el cabal amb pèrdues molt menors.

Aplicacions de Bernoulli: efecte Venturi (en un estrenyiment puja la velocitat i baixa la pressió: carburadors, mesuradors de cabal, ejectors i premescladors en línia que aspiren l'escumogen); teorema de Torricelli (la velocitat de sortida per un orifici depèn només de l'alçada de líquid, no de la mida del forat); i aspiració: no és el buit el que «estira», sinó la pressió atmosfèrica la que empeny. A la pràctica no s'aspira a més de 7 o 8 m, perquè la pressió atmosfèrica varia (a 1.000 m es perden 1,29 m), no s'aconsegueix el buit absolut, part de l'energia se'n va en velocitat i hi ha pèrdues de càrrega. El cop d'ariet és una sobrepressió per talls bruscos de cabal que pot trencar conduccions, malmetre bombes i vàlvules i moure les mànegues: les vàlvules de bola es tanquen a poc a poc (uns 8 segons en mànegues de 70 mm). La cavitació apareix quan la pressió baixa tant que es forma vapor; les bombolles implosionen quan arriben a una pressió més alta, sobretot a l'entrada axial i al dors dels àleps del rodet, i malmeten el material, generen soroll i resten rendiment.

Bombes: transformen energia mecànica en hidràulica i són centrífugues o volumètriques. La centrífuga (la més utilitzada per Bombers) té entrada axial, rodet i voluta amb sortida tangencial, sense estanquitat entre el rodet i la carcassa; amb la sortida tancada continua girant i l'aigua s'escalfa; encadenant rodets s'obtenen bombes de dues etapes o multietapa; dona grans cabals a pressions moderades. La turbobomba és una centrífuga moguda per un motor hidràulic d'aigua, submergible i sense encebament. Les volumètriques desplacen un volum fix per cicle: rotatives (engranatges, lòbuls, paletes, peristàltica; al furgó de risc químic n'hi ha una de peristàltica) i alternatives (pistó o membrana; el furgó en porta dues de membrana). Donen pressions molt altes, són autoencebants i, si es tanca la sortida, necessiten by-pass o vàlvula de sobrepressió. Corbes característiques: la d'una centrífuga baixa la pressió quan puja el cabal (una corba per cada règim de gir); la d'un hidrant és semblant però única, i d'aquest interessa sobretot el cabal, no la pressió estàtica; la d'una volumètrica és gairebé vertical (cabal gairebé constant). El punt de funcionament és la intersecció entre la corba de la bomba i la corba resistent de la instal·lació (pèrdues més desnivell).

Instal·lacions (ap. 6 del manual, afegit a la versió 2): es parla de línies d'alimentació (del punt d'aigua a la bomba), d'atac (de la bomba al foc) i d'esgotament (de la bomba al desguàs). Les mànegues van en trams de 20 m amb ràcord Barcelona d'alumini (simètric, sense eines i que no es deixa anar sota pressió) i tenen 4 capes. La de 25 mm treballa a 40 bar i porta mig litre per metre (10 l per tram); la de 45 mm té una pressió de prova de 20 bar i 1,5 l/m (30 l); la de 70 mm, 18 bar de prova i gairebé 4 l/m (77 l), i és la d'alimentar cisternes i monitors. Per aspirar es fan servir mànegues semirígides amb ràcord Storz (110 mm en autobombes, 80 mm en motobombes) i vàlvula de peu o «pinya», que filtra i fa d'antiretorn. Llances: raig tens (màxim abast), con d'atac (fins a uns 50º, el que absorbeix més calor) i cortina de protecció (de 50º fins a 120-130º); la reacció creix amb la pressió i el cabal i és menor amb el con obert; el cabal nominal se sol referir a 6 bar. Tipus: de cabal variable, selectora de cabal (posició FLUSH per netejar) i automàtica (manté la pressió en punta). Els monitors portàtils s'ancoren i no treballen per sota d'uns 30-35º; les llances d'escuma són de baixa o mitjana expansió.

Claus per a l'examen

• Aigua: 1.000 kg/m³. Aigua de mar: uns 1.025 kg/m³. Gasoil 0,85 (sura), mel 1,4 (s'enfonsa).
• Viscositat de l'aigua: 0,001 Pa·s. En líquids baixa quan puja la temperatura; en gasos puja.
• Es bull quan la pressió de vapor iguala l'ambiental: a 3.000 m, uns 90 ºC.
• 1 bar = 10 m.c.a.; a Bombers 1 bar = 1 kg/cm² = 1 atm. Pressió de treball habitual: 7-15 bar.
• 1 atm = 760 mmHg = 1,033 kg/cm². Baixa 0,129 m.c.a. cada 100 m d'altitud.
• P absoluta = P relativa + P atmosfèrica. El manòmetre Bourdon mesura pressió relativa.
• Stevin: P = ρ·g·h; no depèn de la forma del recipient. Pascal: gat hidràulic. Arquimedes: E = ρ·g·V.
• Continuïtat: Q = S·v constant; si s'estreny, accelera.
• Bernoulli: P + ½ρv² + ρgh = constant. A 6 m/s la pressió dinàmica és només de 0,18 bar.
• Pèrdues lineals: ∝ longitud, ∝ cabal², ∝ 1/diàmetre⁵.
• Aspiració real: no més de 7-8 m. A 1.000 m d'altitud es perden 1,29 m.
• Cop d'ariet: tancar les vàlvules de bola a poc a poc, uns 8 s en 70 mm.
• Cavitació: entrada axial i dors dels àleps del rodet.
• Volumètriques: autoencebants, alta pressió i necessiten by-pass o vàlvula de sobrepressió.
• Punt de funcionament: intersecció de la corba de la bomba amb la corba resistent de la instal·lació.

Vídeos recomanats

• El principio de Bernoulli o ¿Por qué vuelan los aviones?
• El golpe de ariete en conducciones de agua a presión. | 3/10 | UPV
• Cavitación en bombas centrifugas
• Punto de funcionamiento de una bomba

← Tema 12 · Tema 14 →

📲 Comparteix-ho amb el teu grup de l'oposició: WhatsApp · Telegram · Copia l'enllaç