💧 Tema 13: Hidráulica básica: presión, pérdida de carga y bombas

Consell Insular de Mallorca · Bombers de Mallorca · Bombero/a conductor/a

Resumen

La hidráulica es la rama de la mecánica que estudia las propiedades mecánicas de los fluidos; se divide en hidrostática (fluidos en reposo, en equilibrio) e hidrodinámica (líquidos en movimiento). El capítulo de hidráulica del Manual de incendios del CEIS Guadalajara arranca con las propiedades de los fluidos: la masa (cantidad de materia, en kg; escalar, mientras que el peso es vectorial), la densidad ρ (masa por volumen, kg/m³), el peso específico γ (peso por volumen, N/m³) y la densidad relativa, que compara con el agua a 4 °C y 1 atmósfera (el mercurio tiene 13,6; el aceite 0,8; la madera 0,5).

Más propiedades: la viscosidad (μ) es la oposición del fluido a las deformaciones tangenciales, se debe a la cohesión molecular y solo se manifiesta con el líquido en movimiento; un fluido ideal es el que carece de viscosidad (y es incompresible). En los líquidos la viscosidad baja al calentarse, pero en los gases sube con la temperatura, y un líquido más viscoso pierde más presión en las conducciones. La presión de vapor es la presión a la que líquido y vapor están en equilibrio a una temperatura dada: el agua hierve cuando su presión de vapor iguala la exterior (1,033 kg/cm² a 100 °C), así que si baja la presión exterior baja el punto de ebullición; hay que tenerla en cuenta al aspirar con bombas para evitar la cavitación. La tensión superficial es la energía necesaria para aumentar la superficie del líquido por unidad de área (alta en el agua por los puentes de hidrógeno) y explica la capilaridad y la forma de las gotas.

Presión es la fuerza por unidad de superficie; su unidad en el Sistema Internacional es el pascal (Pa), un newton sobre un metro cuadrado. La presión atmosférica es el peso del aire: a nivel del mar equivale a una columna de 760 mm de mercurio y varía con la altitud y con el tiempo meteorológico. Equivalencias del manual: 1 atm = 1,033 kg/cm² = 10,33 m.c.a. y 1 bar = 100.000 Pa (≈ 1,019 kg/cm²); en la práctica se toma 1 atm ≈ 1 bar ≈ 1 kg/cm² ≈ 10 m.c.a. La presión absoluta se mide desde el cero absoluto y la relativa desde la atmosférica (absoluta = relativa + atmosférica); los manómetros suelen medir presión relativa. La presión estática no depende de la velocidad (se mide con tubos piezométricos), la dinámica sí, y su suma es la presión total.

Hidrostática: la ecuación fundamental dice que la presión en un fluido en reposo aumenta con la profundidad, que todos los puntos a la misma profundidad tienen la misma presión (vasos comunicantes), que la presión solo depende de la profundidad y no de la forma del recipiente y que actúa perpendicular a las superficies. El principio de Pascal: la presión ejercida sobre un fluido poco compresible y en equilibrio, en un recipiente indeformable, se transmite con la misma intensidad en todas direcciones; es la base de la prensa hidráulica, los frenos y elevadores hidráulicos y los equipos de corte y separación de excarcelación. El principio de Arquímedes: todo cuerpo sumergido recibe un empuje vertical hacia arriba igual al peso del volumen de fluido que desaloja.

Hidrodinámica: se estudia suponiendo líquido incompresible, pérdidas por viscosidad despreciables y régimen estacionario. El flujo es laminar cuando las partículas van en láminas paralelas (baja velocidad) y turbulento cuando hay remolinos (más velocidad, codos, estrechamientos); el número de Reynolds los separa: 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 la cantidad de líquido que atraviesa una sección por unidad de tiempo, y la ecuación de continuidad dice que entre dos puntos sin fuentes ni sumideros el caudal es constante: si la sección se estrecha, la velocidad aumenta.

Bernoulli: en un fluido ideal la suma de energía de presión, cinética y potencial se mantiene constante a lo largo de la conducción. En una canalización horizontal, si se estrecha la sección sube la velocidad y baja la presión; si se gana altura con sección constante, la energía potencial crece a costa de la presión. Torricelli aplica Bernoulli a un orificio: el líquido sale con la velocidad de un cuerpo en caída libre desde la altura de la superficie libre, lo que permite calcular el caudal de una lanza en función de la presión de entrada (con un factor del surtidor K entre 0,9 y 0,98). El efecto Venturi es la bajada de presión al aumentar la velocidad en un estrechamiento, que aspira otro fluido: es la base de pulverizadores y premezcladores de espumógeno.

Pérdida de carga es la energía que pierde el fluido en movimiento por rozamientos y turbulencias. Las continuas o lineales se deben a la fricción a lo largo de la conducción; las locales o singulares, a estrechamientos, cambios de dirección, bifurcaciones, válvulas o lanzas, y suelen ser mucho menores. La pérdida de carga aumenta de forma lineal con la longitud, con el cuadrado de la velocidad o del caudal, con la quinta potencia al reducir el diámetro y con la rugosidad y la viscosidad. Por eso doblar el caudal multiplica por cuatro la pérdida, y pasar de manguera de 45 a 25 mm la dispara (según la tabla del manual, a 200 l/min se pierden 0,37 bar en la de 45 y 9 bar en la de 25).

Bombas: el Manual de equipos operativos del CEIS distingue las centrífugas, que comunican energía al agua con los álabes de un rodete que gira, de las de desplazamiento volumétrico o positivo (rotativas de engranajes, tornillos, lóbulos o levas y alternativas de pistón). La centrífuga es la de los vehículos de bomberos: caudal constante, presión uniforme, construcción sencilla, poco peso y mantenimiento y gran flexibilidad de regulación, con la presión inversa al caudal. Su gran inconveniente es que no es autoaspirante y necesita cebado. Consta de rodete o impulsor, eje, carcasa (circular o en voluta, de sección creciente, donde la velocidad se convierte en presión), bocas de aspiración e impulsión, cámara de sellado y mecanismo de cebado. Cada rodete es una etapa: una etapa para baja carga, dos rodetes en serie para carga media y tres o más para carga alta.

Características de la bomba de bomberos: el caudal nominal es el que da 10 bar en el colector de impulsión aspirando a 6 metros de altura geométrica con un mangote de 8 metros con filtro, y se expresa en m³/h; todas son de aspiración axial; suelen tener una etapa de baja (que no suele pasar de 12-14 atm) y otra de alta (en torno a 40 atm, que da gotas más finas y efecto niebla). La toma de fuerza puede ir detrás de la caja de cambios (necesita una marcha engranada y desgasta la caja) o delante (la bomba funciona con la caja en punto muerto y su giro depende directamente del motor), que es la que se ha impuesto. Para achiques hay además bombas portátiles: la electrobomba sumergible (no necesita cebado), la turbobomba (una pequeña centrífuga movida por el agua de la autobomba, que no se mezcla con la aspirada, útil con aguas sucias y cuando la aspiración supera los 8 metros), la motobomba (motor de explosión, centrífuga de una etapa, de presión o de caudal) y la motobomba rana, que flota y no necesita cebado ni tubo de aspiración.

Claves para el examen

• Hidrostática: fluidos en reposo; hidrodinámica: líquidos en movimiento.
• Fluido ideal: sin viscosidad (e incompresible).
• La viscosidad de los gases aumenta con la temperatura; la de los líquidos disminuye.
• Pascal (Pa) = 1 N/m²; 1 bar = 100.000 Pa.
• 1 atm = 760 mm Hg = 10,33 m.c.a. = 1,033 kg/cm².
• Absoluta = relativa + atmosférica; el manómetro mide relativa.
• La presión hidrostática solo depende de la profundidad.
• Pascal: prensa hidráulica y equipos de corte y separación.
• Reynolds: laminar < 2.000; turbulento > 4.000.
• Continuidad: menos sección, más velocidad; Bernoulli: más velocidad, menos presión.
• Venturi: base de los premezcladores.
• Pérdida de carga: lineal con la longitud, al cuadrado con el caudal, a la quinta con el diámetro.
• La bomba centrífuga no es autoaspirante: necesita cebado.
• Etapa = rodete; dos etapas = dos impulsores en serie.
• Caudal nominal: 10 bar, aspirando a 6 m con mangote de 8 m.

Vídeos recomendados

• HIDRÁULICA 💧 para BOMBEROS 👩🏻‍🚒 - RESUMEN COMPLETO para OPOSITORES 🤓
• Bomberos: Presión estática y dinámica
• Pérdidas de carga en una instalación
• BOMBAS DE AGUA CENTRÍFUGA

← Tema 12 · Tema 14 →

📲 Compártelo con tu grupo de la oposición: WhatsApp · Telegram · Copiar enlace