💧 Tema 27: Hidráulica y bombas centrífugas

Consorcio para el Servicio contra Incendios y de Salvamento (SCIS) de la Provincia de Ciudad Real · Bombero/a

Resumen

La hidráulica es la rama de la mecánica que estudia las propiedades mecánicas de los fluidos según sus propiedades y las fuerzas a las que están sometidos; se divide en hidrostática (fluidos en equilibrio) e hidrodinámica (fluidos en movimiento). Las bases no fijan manual para la parte III, así que el tema sigue el Manual de incendios del CEIS Guadalajara (parte 2, «Hidráulica»), el capítulo de bombas centrífugas de su manual de equipos operativos y el texto «Hidráulica» de J. M. Suay Belenguer (Consorcio Provincial de Bomberos de Alicante), que es de donde salen expresiones del epígrafe como la presión dinámica o la ecuación de descarga.

Características de los fluidos. La masa es la cantidad de materia (kg) y es escalar; el peso es vectorial. La densidad (ρ) es la masa por unidad de volumen (kg/m³) y el peso específico (γ = ρ·g) el peso por unidad de volumen (N/m³). La densidad relativa compara con una sustancia patrón, el agua a 4 °C y 1 atmósfera: en la tabla del manual el mercurio da 13,6, el hierro 7,8, el aceite 0,8 y la madera 0,5. La viscosidad (μ) es la oposición a las deformaciones tangenciales, solo se manifiesta con el líquido en movimiento y en los líquidos baja al subir la temperatura (en los gases, al revés); un fluido ideal es el que no tiene viscosidad. La presión de vapor es la presión a la que líquido y vapor están en equilibrio a una temperatura: el agua hierve cuando su presión de vapor iguala la exterior (0,023 kg/cm² a 20 °C y 1,033 a 100 °C), y hay que tenerla en cuenta al aspirar para no cavitar.

Presiones. La presión es la fuerza perpendicular por unidad de superficie; en el SI se mide en pascales (1 Pa = 1 N/m²). La atmosférica equivale a 760 mm de mercurio y el manual da estas equivalencias: 1 atm = 1,033 kg/cm² = 10,33 m.c.a. y 1 bar = 100.000 Pa ≈ 1,019 kg/cm²; en la práctica 1 bar ≈ 1 kg/cm² ≈ 10 m.c.a. La presión absoluta se mide desde el cero absoluto (vacío) y la relativa o manométrica desde la atmosférica: absoluta = manométrica + atmosférica. Los manómetros miden presiones manométricas y el barómetro la atmosférica. La presión estática es la que tiene el fluido con independencia de su velocidad y se mide con tubos piezométricos; la presión dinámica depende de la velocidad y vale ρ·v²/2; la suma de ambas es la presión total. Expresadas como alturas, la altura de presión es P/γ y la altura de velocidad es v²/2g.

Hidrostática. La ecuación fundamental dice que la diferencia de presión entre dos puntos de un líquido en reposo es el peso de la columna que los separa (p = p₀ + ρ·g·h): la presión crece con la profundidad, es la misma en todos los puntos a igual profundidad (vasos comunicantes), no depende de la forma del recipiente y actúa perpendicular a las paredes. Principio de Pascal: la presión ejercida sobre un fluido poco compresible, en equilibrio y en un recipiente indeformable se transmite con la misma intensidad en todas las direcciones. Su aplicación es la prensa hidráulica (F₁/S₁ = F₂/S₂: la fuerza se multiplica en la proporción de las secciones), y en ella se basan los equipos de corte y separación de excarcelación. Principio de Arquímedes: todo cuerpo sumergido total o parcialmente recibe un empuje vertical hacia arriba igual al peso del fluido que desaloja; se mide en newtons y depende de la densidad del líquido y del volumen sumergido, no de la presión.

Hidrodinámica. El manual trabaja con líquido incompresible, pérdidas por viscosidad despreciables y régimen estacionario. El régimen es laminar a baja velocidad y turbulento con más velocidad o cambios bruscos de dirección; lo marca el número de Reynolds: laminar por debajo de 2.000, turbulento por encima de 4.000 y transición entre ambos. Casi todas las instalaciones de bomberos trabajan en régimen turbulento. El caudal es el volumen que atraviesa una sección por unidad de tiempo (Q = S·v). Ecuación de continuidad: entre dos puntos sin fuentes ni sumideros el caudal es constante, S₁·v₁ = S₂·v₂; si la sección baja, la velocidad sube. Ecuación de Bernoulli: en un fluido ideal la energía total es constante, P/γ + z + v²/2g = constante (altura de presión + altura geométrica + altura de velocidad); en un tramo horizontal que se estrecha sube la velocidad y baja la presión, que es el efecto Venturi de los premezcladores y del cebador por gases de escape.

Ecuación de descarga y ecuación general de la energía. 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). Multiplicada por la sección y por un factor K que recoge la contracción de la vena líquida, da la ecuación de descarga, Q = K·S·√(2gh); el CEIS sitúa ese factor del surtidor entre 0,9 y 0,98, y en una lanza se escribe Q = K·S·√P: fijada la presión en punta, el caudal cambia si cambian la sección o el factor K (así funcionan las lanzas selectoras). En las instalaciones reales hay rozamiento, y Bernoulli se completa con las pérdidas de carga (hf) y con la energía que aporta la bomba; en bomberos se resume en la ecuación de línea, PB = PL + HG + PC: presión en bomba = presión en punta de lanza + altura geométrica + pérdidas de carga. Las pérdidas son continuas (a lo largo de la manguera, fórmula de Darcy-Weisbach) o locales (bifurcaciones, reducciones, codos) y crecen linealmente con la longitud, con el cuadrado del caudal o de la velocidad y con la quinta potencia de la reducción del diámetro. Cada 10 m de desnivel suponen 1 kg/cm² (10 m.c.a.) a sumar si se sube y a ganar si se baja.

Instalaciones hidráulicas de extinción. Su objeto es llevar el agente (agua o espumante) desde la fuente de suministro hasta el incendio; la instalación básica es bomba, manguera y lanza. La curva de la instalación representa las pérdidas de carga en función del caudal incluyendo la altura geométrica, y el punto de funcionamiento es el corte entre esa curva y la de la bomba: para dar más caudal sin tocar la lanza se acelera la bomba. El alcance depende sobre todo del diámetro de la lanza y de la presión a su entrada, y es máximo con chorro y apertura máxima. La reacción en lanza (acción y reacción) crece con la presión y con el diámetro; en cortina casi se anula hacia los 180°. El golpe de ariete (pulso de Zhukowski) es la sobrepresión y depresión que aparece al variar bruscamente el caudal; según Suay la sobrepresión máxima es Δh = a·v₀/g y se evita cerrando en un tiempo mayor que 2L/a, por eso lanzas y válvulas se abren y cierran despacio.

Bombas centrífugas. Transforman la energía mecánica del motor en energía hidráulica: el rodete, con sus álabes, acelera el agua que entra axialmente y el difusor o la voluta (carcasa en caracol) convierte esa velocidad en presión. No son autoaspirantes: necesitan cebado (eyector de gases por efecto Venturi, depresor de vacío, anillo de agua, pistones o autocebantes); girar en vacío las daña al faltar lubricación y refrigeración. Sus curvas características llevan el caudal en abscisas y la altura manométrica, la potencia o el rendimiento en ordenadas; la altura es máxima a caudal nulo y el punto óptimo es el de máximo rendimiento. Las de bomberos tienen acelerador (no suelen pasar de 5.000 rpm) y dos etapas: alta (alrededor de 40 atm, poco caudal) y baja (no suele pasar de 12-14 atm). La altura teórica de aspiración es 10,33 m, pero en la práctica queda entre 7 y 8 m. La cavitación es la vaporización del agua cuando la presión local baja de la presión de vapor y la implosión posterior de las burbujas, que pica los álabes; se evita bajando la altura de aspiración o el caudal y aumentando la sección de los mangotes. En serie se suman las alturas con el mismo caudal; en paralelo se suman los caudales con la misma altura.

Claves para el examen

• Densidad = masa/volumen (kg/m³); peso específico = peso/volumen (N/m³).
• Densidad relativa: patrón 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 = manométrica + atmosférica; el manómetro mide la manométrica.
• Presión dinámica = ρv²/2; altura de velocidad = v²/2g; estática + dinámica = total.
• Pascal: la presión se transmite igual en todas direcciones (prensa, excarcelación).
• Arquímedes: empuje hacia arriba = peso del fluido desalojado.
• Reynolds: laminar < 2.000, turbulento > 4.000; en bomberos, turbulento.
• Continuidad: Q = S·v = constante; menos sección, más velocidad.
• Bernoulli: P/γ + z + v²/2g = constante (fluido ideal).
• Descarga: Q = K·S·√(2gh), con K entre 0,9 y 0,98.
• Ecuación de línea: PB = PL + HG + PC; 10 m de desnivel = 1 kg/cm².
• Pérdida de carga: lineal con la longitud, al cuadrado con el caudal, a la quinta con el diámetro.
• Cebado imprescindible; aspiración real 7-8 m; cavitación si P < presión de vapor.
• Serie: suma alturas, mismo caudal. Paralelo: suma caudales, misma altura.

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