🚒 Tema 12: Hidráulica: técnicas (bombas e instalación)

Concello da Coruña · Servizo de Extinción de Incendios e Salvamento · Bombero/a

Resumen

Tema 4 de la parte específica del anexo II de tus bases (el 12 aquí). El epígrafe oficial, en gallego, dice: «Hidráulica: Técnicas». Aquí lo tienes explicado en castellano; el cuestionario lo haces en gallego o en castellano, según marcaste en la solicitud (no se puede cambiar después). Para los temas 1 a 25 de la parte específica las bases dan como bibliografía los manuales «Formación Libre para Bombeiros» del CEIS Guadalajara.

Aplica a la bomba y a los tendidos los principios del tema anterior (presión de vapor, Bernoulli, Torricelli, golpe de ariete).

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.

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.

La bomba centrífuga convierte la energía mecánica del motor en energía hidráulica: los álabes del rodete aceleran el agua y, al no haber cámaras cerradas, el difusor transforma parte de esa velocidad en presión. El aumento de energía entre la boca de aspiración y la de impulsión, expresado como presión, es la altura manométrica (Hm); la potencia que recibe el agua es la potencia útil y el rendimiento (η) es la relación entre la potencia útil y la que consume el motor. Todo esto está en el capítulo «Técnicas» de la parte de hidráulica del Manual de incendios del CEIS Guadalajara, que completa el capítulo de bombas centrífugas del Manual de equipos operativos.

Curvas características de la bomba: con el caudal en el eje de abscisas como variable independiente, se dibujan la altura manométrica, la potencia consumida y el rendimiento. La altura manométrica es máxima con caudal nulo (válvulas cerradas) y va bajando a medida que se abren las válvulas y crece el caudal. El punto óptimo de funcionamiento es el de mayor rendimiento y en él se fijan los valores nominales (caudal y presión nominal). Las obtiene el fabricante de forma experimental, cerrando poco a poco una válvula a la salida. En las bombas de bomberos el acelerador permite variar las revoluciones (no suelen pasar de 5.000 r.p.m.), así que en vez de tres curvas hay tres familias de curvas que suben o bajan con las revoluciones. El manual de equipos recomienda trabajar entre el 60 y el 120 % del caudal del punto de máximo rendimiento.

Aspiración: el agua no sube por la «fuerza» de la bomba, sino empujada por la presión atmosférica. La altura teórica máxima es 10,33 metros, pero en la práctica queda entre 7 y 8 metros porque la presión atmosférica puede ser menor de 1 atmósfera (altitud y tiempo), el agua caliente tiene más presión de vapor, el vacío no es perfecto y hay pérdidas de carga en mangotes y alcachofa. La centrífuga apenas aspira, por lo que hay que cebarla: llenar de agua la aspiración y el cuerpo de bomba hasta que el agua toque el rodete (girar en vacío la averiaría, sin lubricación ni refrigeración). Sistemas de cebado: eyector de gases de escape (efecto Venturi), depresor de vacío con bomba de vacío eléctrica, anillo de agua, bombas autocebantes con depósito propio y bomba de pistones. Una vez cebada, el sistema de cebado se desconecta.

Cavitación: cuando en algún punto (entrada y extremos del rodete) la presión baja de la presión de vapor, el agua hierve a temperatura ambiente, forma burbujas (el agua aumenta unas 1.700 veces su volumen al vaporizarse) y estas implosionan al llegar a zonas de más presión, con presiones locales que pueden llegar a 1.000 kg/cm², picaduras, ruido de «grava» y vibraciones que dañan rodamientos. Aparece con grandes alturas de aspiración y/o grandes caudales; se evita reduciendo la altura de aspiración o el caudal y bajando las pérdidas de carga con mangotes de más sección. Acoplamiento de bombas: en paralelo (entradas y salidas unidas) se mantiene la altura manométrica y se suma el caudal; en serie (la salida de una a la entrada de la siguiente) el caudal es el mismo y se suman las alturas, lo adecuado para impulsar a gran altura.

La instalación hidráulica de extinción lleva el agua o el espumante desde la fuente hasta el fuego; la básica es bomba, manguera y lanza. La ecuación de línea es PB = PL + HG + PC: la presión a la salida de la bomba debe cubrir la presión en punta de lanza, la altura geométrica (positiva si se sube, negativa si se baja) y las pérdidas de carga. Regla práctica del manual: 1 kg/cm² por cada 10 metros de desnivel, que hay que sumar al subir y que se gana al bajar. Las pérdidas de carga continuas crecen con la longitud, con el cuadrado del caudal y a la quinta potencia al reducir el diámetro; las locales (reducciones, bifurcaciones, válvulas) suelen ser menores. La tabla del manual lo deja claro: a 500 l/min se pierden 55 bar en manguera de 25, 2,5 bar en la de 45 y 0,35 bar en la de 70.

La curva característica de la instalación representa las pérdidas de carga continuas y locales en función del caudal, sumando o restando el efecto de la altura geométrica. El punto de funcionamiento es la intersección de la curva de la bomba con la de la instalación: allí la presión que da la bomba coincide con la que consume la instalación, incluida la lanza. Si se acelera la bomba sin tocar la lanza, el punto se desplaza a otra curva de más revoluciones (punto B): sube el caudal y la presión en punta de lanza. Si se abre más la sección de salida de la lanza (menos habitual), la bomba pasa al punto C: más caudal y menos presión de trabajo. Así se regula el caudal a voluntad con el acelerador.

Alcance de una instalación: por Torricelli, el caudal de una lanza depende de la presión a su entrada (con un factor del surtidor K entre 0,9 y 0,98 por la contracción de la vena líquida). El alcance es muy difícil de calcular por el efecto del aire y se usan tablas; depende sobre todo del diámetro de la lanza y de la presión: a más presión, más velocidad y más alcance; a igual presión, más alcance cuanto mayor es el diámetro; y el máximo se logra con chorro y apertura máxima de caudal. Según las tablas del manual, a 7 kg/cm² una lanza de 25 da 50-230 l/min, una de 45 da 150-500 y una de 70 da 300-750, y los alcances a 7 kg/cm² son de 31, 38 y 39 metros respectivamente.

Reacción en lanza: por el principio de acción y reacción, la lanza empuja hacia atrás al portador como un arma que dispara gotas; el empuje crece con la presión y con el diámetro de la boquilla. Si el chorro se abre en cono el empuje disminuye, hasta anularse aproximadamente a los 180°, por eso un tendido que se deja en espera debe quedar en posición de cortina de protección. Golpe de ariete (o pulso de Zhukowski): sobrepresión y depresión que se forman en una conducción al variar bruscamente el caudal, por ejemplo al cerrar de golpe una lanza o una válvula; la onda de sobrepresión recorre la conducción (el manual añade que puede superar la velocidad del sonido en el fluido), comprime el agua y dilata la manguera, y luego rebota en sentido contrario. Para los bomberos es peligroso porque dispara la reacción de la lanza y puede reventar conducciones, así que las aperturas y cierres se hacen siempre de forma lenta y progresiva.

Claves para el examen

• Bomba centrífuga: energía mecánica → hidráulica; rodete da velocidad, difusor la pasa a presión.
• Altura manométrica (Hm): aumento de energía expresado como presión. Rendimiento = útil / consumida.
• Curva característica: caudal en abscisas; Hm máxima con caudal nulo.
• Valores nominales = punto de máximo rendimiento.
• Bombas de bomberos con acelerador: no suelen pasar de 5.000 r.p.m.
• Aspiración teórica 10,33 m; real 7-8 m. A 1.000 m de altitud, 9,11 m.c.a.
• Cebado: eyector de gases, depresor de vacío, anillo de agua, autocebante, pistones.
• Cebado hecho cuando el agua toca el rodete: desconectar el cebador.
• Cavitación: ebullición a temperatura ambiente; hasta 1.000 kg/cm²; ruido de grava.
• Altura geométrica máxima de aspiración contra la cavitación: 8 a 8,5 m.
• Paralelo: suma caudales, misma Hm. Serie: suma Hm, mismo caudal (gran altura).
• Ecuación de línea: PB = PL + HG + PC.

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