💧 Tema 13: Hidráulica y bombas

Generalitat de Catalunya · Cuerpo de Bombers de la Generalitat · Bombero/a de primera de la escala técnica

Resumen

La hidráulica es la mecánica de fluidos aplicada a los líquidos y se divide en hidrostática (líquidos en reposo) e hidrodinámica (en movimiento). Los líquidos se consideran incompresibles: conservan el volumen aunque se les aplique mucha fuerza, y por eso la presión se transmite casi al instante. Propiedades del manual MAN.GRAL.009: densidad (masa por unidad de volumen; agua 1.000 kg/m³ o 1 g/cm³ a 4 ºC y, en la práctica, a temperatura ambiente; agua de mar unos 1.025 kg/m³). La densidad relativa compara con el agua dulce y no tiene unidades: el gasoil (0,85) flota y la miel (1,4) se hunde.

La viscosidad dinámica es la resistencia interna a fluir y se mide en Pa·s: agua 0,001, aceite vegetal 0,065-0,1, miel más de 5. En los líquidos baja al subir la temperatura (en los gases, al revés), y no hay que confundirla con la densidad: el aceite es muy viscoso y poco denso. La presión de vapor es la que ejercen las moléculas que escapan de la superficie y sube con la temperatura; un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala la del ambiente. Por eso el agua hierve a 100 ºC al nivel del mar, a unos 90 ºC a 3.000 m y a más de 100 ºC en una caldera; a temperatura ambiente su presión de vapor es solo 0,0316 bar. La tensión superficial mantiene unidas las moléculas de la superficie (gotas, insectos que caminan sobre el agua) y los humectantes y tensioactivos la reducen para que el agua penetre mejor o forme espuma. La capilaridad es la subida o bajada por un tubo estrecho por la suma de tensión superficial y adhesión a las paredes.

Hidrostática. Presión es fuerza por unidad de superficie (P = F/S; pascal = N/m²). Como el pascal es muy pequeño, se usan otras unidades: 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. En Bombers se simplifica: 1 bar = 1 kg/cm² = 1 atm, y 1 bar = 10 metros de columna de agua (con 8 bar el agua sube, en teoría, unos 80 m). Se trabaja habitualmente entre 7 y 15 bar. La presión atmosférica al nivel del mar es 1 atm = 760 mmHg = 1,033 kg/cm² (experimento de Torricelli) y baja unos 0,129 m.c.a. por cada 100 m de subida.

La presión absoluta se mide desde el vacío absoluto y siempre es positiva; la relativa o manométrica se mide desde la atmosférica, es la que leen los manómetros y puede ser negativa. P absoluta = P relativa + P atmosférica. El manómetro más habitual es el de tubo Bourdon (tubo curvado que se estira con la presión); el vacuómetro mide depresión; en la aspiración de la bomba hay un manovacuómetro, que mide presión y depresión. Principios: Stevin (P = ρ·g·h: la presión crece con la profundidad y no depende del volumen ni de la forma del recipiente, solo de la altura de líquido y su densidad); Pascal (la presión en un líquido cerrado se transmite igual en todas direcciones: en un gato hidráulico, 500 N sobre 1 cm² dan 50.000 N sobre 100 cm²); y Arquímedes (empuje hacia arriba igual al peso del fluido desalojado, E = ρ·g·V: un vehículo sumergido pesa menos y «pesa» cada vez más a medida que sale del agua).

Hidrodinámica. La circulación puede ser libre (por gravedad, poco habitual en emergencias) o forzada (con bomba, lo normal en Bombers); el régimen puede ser laminar (capas ordenadas, poco frecuente) o turbulento (remolinos, lo habitual en las instalaciones de intervención y con más pérdidas). El caudal es Q = V/t = S·v; en Bombers se usa l/min o m³/h. A 2,5 m/s, una manguera de 25 mm da 73,6 l/min, una de 45 mm 238,6 l/min y una de 70 mm 577,3 l/min; en la práctica, en la de 25 el agua va a 6 m/s o más y en la de 70, a unos 4 m/s. Ecuación de continuidad: Q = S1·v1 = S2·v2; si la sección baja, la velocidad sube. Si la conducción se bifurca, la suma de caudales de salida es igual al de entrada.

Bernoulli: un fluido ideal tiene tres energías (presión, cinética y potencial) cuya suma se mantiene: P + ½ρv² + ρgh = constante (presión estática, dinámica y potencial). Con velocidades normales la presión dinámica es pequeña (6 m/s son 0,18 bar; 10 m/s, 0,5 bar; 15 m/s, 1,125 bar); lo que de verdad cambia la presión es el desnivel: 1 bar por cada 10 m. En la realidad hay pérdidas de carga: lineales o primarias (rozamiento con las paredes, Darcy-Weisbach), proporcionales a la longitud y al cuadrado del caudal e inversamente proporcionales a la quinta potencia del diámetro; y singulares o secundarias (codos, bifurcaciones, válvulas, racores), que suelen despreciarse en instalaciones largas, salvo una T, una válvula medio abierta o una manguera estrangulada. A 8 bar y 700 l/min, un tramo de 45 mm pierde casi 1,8 bar y uno de 70 mm, poco más de 0,2. En serie las pérdidas se suman; dos mangueras en paralelo casi duplican el caudal con pérdidas mucho menores.

Aplicaciones de Bernoulli: efecto Venturi (en un estrechamiento sube la velocidad y baja la presión: carburadores, medidores de caudal, eyectores y premezcladores en línea que aspiran el espumógeno); teorema de Torricelli (la velocidad de salida por un orificio depende solo de la altura de líquido, no del tamaño del agujero); y aspiración: no es el vacío el que «tira», sino la presión atmosférica la que empuja. En la práctica no se aspira a más de 7 u 8 m, porque la presión atmosférica varía (a 1.000 m se pierden 1,29 m), no se consigue vacío absoluto, parte de la energía se va en velocidad y hay pérdidas de carga. El golpe de ariete es una sobrepresión por cortes bruscos de caudal que puede romper conducciones, dañar bombas y válvulas y mover las mangueras: las válvulas de bola se cierran despacio (unos 8 segundos en mangueras de 70 mm). La cavitación aparece cuando la presión baja tanto que se forma vapor; las burbujas implosionan al llegar a presión más alta, sobre todo en la entrada axial y el dorso de los álabes del rodete, y dañan material, generan ruido y restan rendimiento.

Bombas: transforman energía mecánica en hidráulica y son centrífugas o volumétricas. La centrífuga (la más usada por Bombers) tiene entrada axial, rodete y voluta con salida tangencial, sin estanqueidad entre rodete y carcasa; con la salida cerrada sigue girando y el agua se calienta; encadenando rodetes se obtienen bombas de dos etapas o multietapa; da grandes caudales a presiones moderadas. La turbobomba es una centrífuga movida por un motor hidráulico de agua, sumergible y sin cebado. Las volumétricas desplazan un volumen fijo por ciclo: rotativas (engranajes, lóbulos, paletas, peristáltica; en el furgón de riesgo químico hay una peristáltica) y alternativas (pistón o membrana; el furgón lleva dos de membrana). Dan presiones muy altas, son autocebantes y, si se cierra la salida, necesitan by-pass o válvula de sobrepresión. Curvas características: la de una centrífuga baja la presión al subir el caudal (una curva por cada régimen de giro); la de un hidrante es parecida pero única, y de él interesa sobre todo el caudal, no la presión estática; la de una volumétrica es casi vertical (caudal casi constante). El punto de funcionamiento es la intersección entre la curva de la bomba y la curva resistente de la instalación (pérdidas más desnivel).

Instalaciones (ap. 6 del manual, añadido en la versión 2): se habla de líneas de alimentación (del punto de agua a la bomba), de ataque (de la bomba al fuego) y de agotamiento (de la bomba al desagüe). Las mangueras van en tramos de 20 m con racor Barcelona de aluminio (simétrico, sin herramientas y que no se suelta bajo presión) y tienen 4 capas. La de 25 mm trabaja a 40 bar y lleva medio litro por metro (10 l por tramo); la de 45 mm tiene una presión de prueba de 20 bar y 1,5 l/m (30 l); la de 70 mm, 18 bar de prueba y casi 4 l/m (77 l), y es la de alimentar cisternas y monitores. Para aspirar se usan manguerotes semirrígidos con racor Storz (110 mm en autobombas, 80 mm en motobombas) y válvula de pie o «piña», que filtra y hace de antirretorno. Lanzas: chorro tenso (máximo alcance), cono de ataque (hasta unos 50º, el que más calor absorbe) y cortina de protección (de 50º hasta 120-130º); la reacción crece con la presión y el caudal y es menor con el cono abierto; el caudal nominal suele referirse a 6 bar. Tipos: de caudal variable, selectora de caudal (posición FLUSH para limpiar) y automática (mantiene la presión en punta). Los monitores portátiles se anclan y no trabajan por debajo de unos 30-35º; las lanzas de espuma son de baja o media expansión.

Claves para el examen

• Agua: 1.000 kg/m³. Agua de mar: unos 1.025 kg/m³. Gasoil 0,85 (flota), miel 1,4 (se hunde).
• Viscosidad del agua: 0,001 Pa·s. En líquidos baja al subir la temperatura; en gases sube.
• Se hierve cuando la presión de vapor iguala la ambiental: a 3.000 m, unos 90 ºC.
• 1 bar = 10 m.c.a.; en Bombers 1 bar = 1 kg/cm² = 1 atm. Presión de trabajo habitual: 7-15 bar.
• 1 atm = 760 mmHg = 1,033 kg/cm². Baja 0,129 m.c.a. cada 100 m de altitud.
• P absoluta = P relativa + P atmosférica. El manómetro Bourdon mide presión relativa.
• Stevin: P = ρ·g·h; no depende de la forma del recipiente. Pascal: gato hidráulico. Arquímedes: E = ρ·g·V.
• Continuidad: Q = S·v constante; si se estrecha, acelera.
• Bernoulli: P + ½ρv² + ρgh = constante. A 6 m/s la presión dinámica es solo 0,18 bar.
• Pérdidas lineales: ∝ longitud, ∝ caudal², ∝ 1/diámetro⁵.
• Aspiración real: no más de 7-8 m. A 1.000 m de altitud se pierden 1,29 m.
• Golpe de ariete: cerrar las válvulas de bola despacio, unos 8 s en 70 mm.
• Cavitación: entrada axial y dorso de los álabes del rodete.
• Volumétricas: autocebantes, alta presión y necesitan by-pass o válvula de sobrepresión.
• Punto de funcionamiento: intersección de la curva de la bomba con la curva resistente de la instalación.

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