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💧 Tema 15: Hidráulica, equipos e instalaciones

Comunidad de Madrid · Bombero/a Especialista Conductor/a

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Epígrafe oficial

Hidráulica, equipos e instalaciones asociadas. Introducción. Características físicas del agua. Movimiento de fluidos en conducciones forzadas. Bomba hidráulica. Curva característica de la instalación. Punto de funcionamiento. Evaluación de las necesidades de presión. Ecuación de línea. Bombeo en serie. Lanza de extinción. Espumas.

Resumen

El agua es nuestra herramienta principal, así que conviene conocerla. Su DENSIDAD (ρ, masa entre volumen) es prácticamente constante: 1 g/cm³ = 1.000 kg/m³ = 1 kg/l. Por eso se la trata como fluido INCOMPRESIBLE. El PESO ESPECÍFICO (γ = ρ·g, peso entre volumen) vale 1.000 kgf/m³ = 1 kgf/l. La VISCOSIDAD es la resistencia a una fuerza cortante, es decir, la oposición al deslizamiento de unas capas sobre otras, y se debe a la cohesión entre moléculas. Es lo que hace que una barca cueste más de mover en aceite que en agua, aunque el aceite sea menos denso. En los líquidos disminuye al subir la temperatura. Hay viscosidad dinámica (μ) y cinemática (ν = μ/ρ), y a más viscosidad, más tendencia al régimen laminar. La CURVA DE ESTADO muestra si una sustancia es sólida, líquida o gas según la presión y la temperatura. A 1 atmósfera, el agua funde a 0 °C y hierve a 100 °C, pero también puede pasar a vapor si baja la presión (a 60 °C, bajando de 1 a 0,1 atm). Eso último es lo que ocurre en la CAVITACIÓN.

Las tres magnitudes del fluido. La PRESIÓN es fuerza por superficie y en un fluido empuja en todas direcciones y perpendicular a las paredes. Se mide en bar, kg/cm², m.c.a. o Pa, con la equivalencia 1 bar ≈ 1 kg/cm² ≈ 10 m.c.a. La presión ABSOLUTA toma como cero el cero absoluto y la RELATIVA o manométrica toma como cero la atmosférica: P. relativa = P. absoluta − P. atmosférica. Los manómetros miden la relativa, así que cuando marcan cero la absoluta es la atmosférica, más o menos 1 bar. El CAUDAL es el volumen que pasa por una sección en un tiempo (l/min, m³/h, m³/s). La VELOCIDAD se mide en m/s o km/h (1 m/s = 3,6 km/h) y es clave, porque la pérdida de carga crece con su cuadrado. Depende del caudal (de forma directa) y de la sección (de forma inversa). En mangueras va de 1 a 9 m/s (unos 4-32 km/h), y al salir por la lanza llega a unos 125-135 km/h.

Movimiento en conducciones forzadas. La ECUACIÓN DE CONTINUIDAD dice que Q = S₁·v₁ = S₂·v₂: el caudal es el mismo en toda la conducción, así que el agua corre más en lo estrecho y menos en lo ancho. Con el mismo caudal, va 7,8 veces más rápida en 25 mm que en 70 mm, 3,2 veces más en 25 que en 45 y 2,4 veces más en 45 que en 70. BERNOULLI nos dice que la energía total es la suma de la potencial (altura), la de presión y la cinética (velocidad): H = z + P/γ + v²/2g, y sin pérdidas es constante. Se expresa en m.c.a. o en bar (1 bar = 10 m.c.a.). Salvo que una manguera lleve más caudal del razonable para su sección, la energía cinética se puede despreciar. El RÉGIMEN puede ser LAMINAR, ordenado, con velocidad cero en la pared y máxima en el centro, como la pasta de dientes al salir del tubo. O puede ser TURBULENTO, desordenado, como el agua en nuestras mangueras. El NÚMERO DE REYNOLDS (Re = ρ·v·D/μ = v·D/ν) enfrenta las fuerzas de inercia y las viscosas: por debajo de 2.300 es laminar (para el agua se suele usar 2.000), por encima de 4.000 turbulento, y en medio hay transición. En extinción, Re va de 40.000 a 600.000, así que el régimen es siempre turbulento.

La PÉRDIDA DE CARGA es energía perdida por la fricción del agua consigo misma y con las paredes. Solo existe con el agua en movimiento y se nota como una bajada de presión a lo largo del tendido (el caudal y la velocidad no bajan, porque el agua no «desaparece»). Puede ser LINEAL, en tramos de sección constante como las mangueras, o SINGULAR (localizada), en válvulas, cambios de sección o codos. La lineal crece de forma proporcional a la longitud, de forma inversa a la QUINTA POTENCIA del diámetro y con el CUADRADO de la velocidad, y depende también de la viscosidad y la rugosidad (ecuación de Darcy-Weisbach, Hf = f·(L/D)·(v²/2g)). En régimen laminar el factor f depende solo de Re, y en turbulento de Re y de la rugosidad relativa. En la práctica se usan tablas por tramo de manguera (de 20-30 m y de 25, 38, 45 o 70 mm). Las singulares se suelen despreciar. La pérdida total sube al alargar el tendido, al aumentar el caudal, al añadir elementos singulares y al reducir la sección.

La BOMBA transforma energía, normalmente mecánica, en energía del fluido (presión, velocidad o las dos). Las VOLUMÉTRICAS (de pistón, de membrana o de engranajes) empujan con cámaras que cambian de volumen: dan poco caudal y mucha presión en un rango estrecho, así que no valen para intervención. Las ROTODINÁMICAS aceleran el agua con un rodete y luego convierten esa velocidad en presión. Según cómo sale el agua pueden ser centrífugas (perpendicular al eje), axiales (paralela) o heliocentrífugas (en ángulo intermedio). Las CENTRÍFUGAS son las que se usan en extinción, porque dan caudal suficiente y alta presión. Sus piezas son el RODETE o impulsor (dos discos con canales formados por los álabes) y la CARCASA en forma de voluta o caracol, a veces con difusores. El agua entra paralela al eje, gira 90° contra el disco posterior, se acelera con el rodete y, al frenarse en la voluta, gana presión. La norma UNE-EN 1028 distingue presión normal («baja», hasta 12-16 bar y mucho caudal) y alta presión (40 bar o más y poco caudal, con etapas alimentadas desde la baja). La CURVA CARACTERÍSTICA presión-caudal dice qué presión da la bomba para cada caudal, y hay una curva por cada régimen de giro. En el tema se muestra la GODIVA P2A-3010 del CBCM a 3.600, 3.200, 2.800 y 2.400 rpm.

La CAVITACIÓN ocurre cuando la presión absoluta baja por debajo de la presión de vapor, se forman burbujas y estas colapsan de golpe al llegar a zonas de más presión. En ese colapso se alcanzan localmente hasta unos 1.000 bar, que arrancan «bocados» al metal y pueden acabar rompiendo la pieza. Avisa con ruidos y vibraciones, y entonces hay que bajar revoluciones y reducir caudal (cerrar lanzas) de inmediato. Dentro de la bomba, la burbuja nace a la ENTRADA del rodete y colapsa sobre todo a la SALIDA. Aparece cuando la bomba pide más caudal del que le llega, y es más probable con agua caliente, en aspiración, con la válvula de tanque cerrada u obstruida y en bombeo en serie. La ASPIRACIÓN consiste en tomar agua de una fuente atmosférica (piscina, embalse, arroyo) que sube gracias a la presión atmosférica. Hacen falta MANGOTES semirrígidos (se suelen llevar 4 tramos, unidos con racores iguales que se aprietan con llaves de medio punto), una VÁLVULA DE PIE con antirretorno y dos cuerdas (una para manejar el conjunto y otra para abrir el antirretorno y vaciar). La empeoran el caudal alto, la diferencia de cota, el agua caliente y la longitud, la rugosidad y las singularidades de la línea. La mejoran una presión atmosférica alta y un diámetro grande. Hay que vigilar el MANOVACUÓMETRO: como norma general, no bajar de −0,8 bar (0,2 bar absolutos), y el CBCM recomienda −0,7 bar porque a 1.000 m de altitud la presión ronda los 0,9 bar. El CEBADO llena la bomba vacía para aspirar: la centrífuga no hace vacío con aire, así que se usa un CEBADOR, que es una bomba volumétrica (de pistones, de vacío o de anillo de agua).

La CURVA CARACTERÍSTICA DE LA INSTALACIÓN indica la presión que necesita la instalación en su acometida para cada caudal. En el ejemplo, una lanza con el selector en 230 l/min da ese caudal a su presión de referencia (7 bar en ese modelo), unos 100 l/min a 1 bar y unos 300 l/min a 12 bar. Si se añade tendido la curva sube, porque pide más presión. Si además hay que subir un desnivel, la curva entera se desplaza hacia arriba (hacia abajo si el tendido baja). Una curva muy empinada es una instalación «peor» y una suave, «mejor». El PUNTO DE FUNCIONAMIENTO es el corte entre la curva de la bomba y la de la instalación, y como la instalación empieza donde acaba la bomba, se lee en el manómetro de la bomba. Si no sale el caudal buscado, se acelera la bomba para pasar a una curva de más régimen. Como en intervención no hay tiempo para curvas, se usa la ECUACIÓN DE LÍNEA, PB = PL + AG + PC: presión en bomba = presión en lanza (la de referencia, normalmente 6-7 bar) + altura geométrica (positiva si la lanza está más alta que la bomba) + pérdidas de carga (de la tabla por tramos de 20 m). Si el tendido es muy sinuoso y va cerca del caudal máximo, se añade 1 o 2 bar. En el BOMBEO EN SERIE, la salida de una bomba (o de un hidrante) alimenta la aspiración de la siguiente: el caudal es el mismo y las presiones se SUMAN, así que las curvas se suman en vertical.

La LANZA controla la apertura y el cierre, el caudal y el efecto (el tipo de chorro). Suele ser de aluminio con piezas de plástico y caucho, y el CBCM la divide en 5 bloques. Bloque 1: racor de giro libre, que gira «loco» para evitar torsiones, y filtro. Bloque 2: empuñadura. Bloque 3: apertura y cierre, normalmente con válvula de bola y maneral (hacia delante cierra y hacia atrás abre) o de corredera o pistón, más el cuerpo principal. Bloque 4: la corona selectora de caudal (girando a la izquierda sube el caudal y al final está la posición de limpieza o FLUSH, y a la derecha baja) y el tubo de descarga. Bloque 5: el deflector o seta, el manguito de efectos (al final de su recorrido, girando a la derecha, da chorro sólido aunque hueco, y recogido, girando a la izquierda, da cortina de gotas), el bumper o «paragolpes» de caucho y la corona dentada que hace efecto turbina. La norma UNE-EN 15182 define el chorro recto (máximo alcance y efecto mecánico) y el pulverizado (estrecho, de mínimo 30°, y ancho, de mínimo 100°, para protección), exige una posición de purga y clasifica las lanzas por tipos, siendo las más frecuentes las de tipo 3 y, en mucha menor proporción, las 4.2. La PN es la presión máxima de trabajo y la PR, la de referencia, 6 bar en la norma actual (7 en modelos antiguos). La REACCIÓN EN LANZA (tercera ley de Newton) es Fr = 0,22563 · Q(l/min) · √PL: unos 150 l/min a 7 bar ya dan cerca de 10 kg, suficiente para cargar el brazo en menos de un minuto. ESPUMAS (norma UNE-EN 1568): son un «agregado de burbujas llenas de aire formado a partir de una solución espumante», sobre todo para fuegos de clase B, aunque también mejoran el agua en los de clase A. Apagan por SOFOCACIÓN y REFRIGERACIÓN, y ESPUMA = AGUA + ESPUMÓGENO + AIRE. El espumógeno de clase A es óleo-fílico y poco viscoso, para sólidos con brasas (vertederos, vehículos). El de clase B es óleo-fóbico y más viscoso, para derrames de líquidos: AFFF para los no polares (hidrocarburos), AR para los polares (resistente al alcohol) y polivalentes AFFF-AR, que son posiblemente los más usados. El porcentaje de dosificación lo marca el fabricante. La TASA DE APLICACIÓN es el caudal de solución por m², y si no se llega al mínimo no se apaga. Los PROPORCIONADORES pueden ir integrados en la bomba (bomba inyectora electrónica) o ser portátiles por efecto Venturi desde garrafas, y la lanza de espuma mete el aire también por Venturi. EXPANSIÓN: baja hasta 20:1 (lanzas a 6-7 bar, espuma compacta, más alcance, para derrames), media de 20:1 a 200:1 (a 3-4 bar, más ligera y sensible al viento, se pone encima de la baja para sellar) y alta de 200:1 a 2.000:1.

Claves para el examen

💡 Truco

La bomba necesita «Lanza, Altura y Carga»: PB = PL + AG + PC. Para Reynolds, «2-3-4 y a correr»: por debajo de 2.300 es laminar, por encima de 4.000 turbulento y en nuestras mangueras siempre turbulento. La expansión de la espuma crece multiplicando por diez: 20, 200 y 2.000 (baja, media y alta). Las presiones de sus lanzas van al revés: baja a 6-7 bar y media a 3-4. En la aspiración, recuerda que el CBCM «deja una décima de margen»: la regla general dice −0,8 bar y el CBCM pide −0,7. Y la velocidad «castiga al cuadrado» mientras el diámetro «perdona a la quinta».

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