💧 Tema 26: Hidráulica básica y bombas

Ayuntamiento de Oviedo · Servicio de Extinción de Incendios y Salvamento (SEIS) · Agente Técnico/a Conductor/a Especialista del SEIS

Resumen

La HIDRÁULICA estudia las propiedades mecánicas de los fluidos. Lo básico: la MASA es la cantidad de materia (kg); la DENSIDAD (ρ) es masa entre volumen (kg/m³) y el PESO ESPECÍFICO (γ) es peso entre volumen (N/m³). Para los valores relativos se compara con el agua a 4 ºC y 1 atmósfera (el mercurio da 13,6). La VISCOSIDAD (μ) es la oposición del fluido a las deformaciones tangenciales y solo se manifiesta en movimiento; fluido IDEAL es el que no tiene viscosidad y es incompresible. La PRESIÓN DE VAPOR es la presión a la que líquido y vapor están en equilibrio a una temperatura: un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala a la exterior, y por eso manda en la aspiración de las bombas (cavitación). La TENSIÓN SUPERFICIAL es la energía necesaria para aumentar la superficie del líquido por unidad de área.

HIDROSTÁTICA: fluidos en equilibrio; se apoya en Pascal y Arquímedes. PRESIÓN es fuerza por unidad de superficie (P = F/S); en el SI, el pascal (1 N/m²). Tabla del manual: 1 atm = 1,033 kg/cm² = 10,33 m.c.a.; 1 bar = 100.000 Pa. Para trabajar se acepta 1 atm ≈ 1 bar ≈ 1 kg/cm² ≈ 10 m.c.a. La presión atmosférica equivale al peso de una columna de 760 mm de mercurio y baja con la altitud. Presión ABSOLUTA = atmosférica + RELATIVA (los aparatos suelen medir la relativa); presión TOTAL = estática + dinámica. ECUACIÓN FUNDAMENTAL: la diferencia de presión entre dos puntos es el peso de la columna de líquido que hay entre ellos (P = Patm + ρ·g·h), así que la presión crece con la profundidad, es igual a la misma profundidad (vasos comunicantes), no depende de la forma del recipiente y es perpendicular a la superficie. Cuenta rápida: cada 10 m de agua, 1 bar.

PASCAL: la presión ejercida sobre un fluido poco compresible y en equilibrio, en un recipiente de paredes indeformables, se transmite con la misma intensidad en todas las direcciones. Aplicación: la prensa hidráulica (F1/S1 = F2/S2: la fuerza se multiplica tantas veces como la sección grande contiene a la pequeña), elevadores y frenos hidráulicos y los equipos de corte y separación. ARQUÍMEDES: un cuerpo sumergido total o parcialmente recibe un empuje hacia arriba igual al peso del fluido que desaloja; se mide en newton y depende de la densidad del líquido y del volumen sumergido, no de la presión.

HIDRODINÁMICA: líquidos en movimiento, con tres aproximaciones (líquido incompresible, pérdida por viscosidad despreciable y régimen estacionario). RÉGIMEN: laminar (R < 2000), turbulento (R > 4000) y de transición entre ambos, según el número de Reynolds; las instalaciones de bomberos trabajan casi siempre en turbulento. CAUDAL: cantidad de líquido que pasa por una sección en la unidad de tiempo; se calcula como sección por velocidad (Q = S·v). Para pasar de m³/s a L/min se multiplica por 60.000; de L/min a m³/h, por 0,06. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD: sin fuentes ni sumideros el caudal es constante (S1·v1 = S2·v2); como la sección va con el cuadrado del diámetro, al pasar de 70 a 45 mm la velocidad se multiplica por (70/45)² = 2,42.

BERNOULLI: en un fluido ideal la suma de la energía de presión, la cinética y la potencial es constante. En horizontal, si la sección se estrecha sube la velocidad y baja la presión; si se gana altura con sección constante, se hace a costa de la presión. TORRICELLI: el agua sale por un orificio a v = √(2·g·h), como si cayera desde la superficie libre. De ahí sale el caudal de una lanza: Q = K·S·√(2·g·h), con K (factor del surtidor) entre 0,9 y 0,98 por la contracción de la vena líquida; con la misma boquilla, el caudal varía con la RAÍZ CUADRADA de la presión en punta (lanzas de 25, 45 y 70: 50-230, 150-500 y 300-750 L/min a 7 kg/cm²). VENTURI: al estrecharse el conducto baja la presión y se aspira el fluido de otro conducto: base de pulverizadores y premezcladores. GOLPE DE ARIETE (pulso de Zhukowski): sobrepresión y depresión al variar bruscamente el caudal; se evita abriendo y cerrando despacio.

BOMBAS HIDRÁULICAS. La de los vehículos de bomberos es la CENTRÍFUGA: transforma la energía mecánica del motor en energía hidráulica. El agua entra axialmente al RODETE (impulsor con álabes, parte giratoria unida al eje), que la acelera, y la VOLUTA (caracol fijo de sección creciente) convierte esa velocidad en presión hacia la impulsión. A diferencia de las de desplazamiento positivo, no son autoaspirantes: necesitan CEBADO (pistón, anillo de agua, eyector de gases por efecto Venturi, depresor de vacío o autocebantes), salvo que el agua esté por encima de la bomba; el cebado acaba cuando el agua toca el rodete. ETAPAS: un impulsor, baja carga; dos en serie, carga media; tres o más, carga alta. Las del servicio suelen tener dos: baja (hasta 12-14 atm) y alta (unos 40 atm, con mucho menos caudal). El caudal NOMINAL se da a 10 bar, aspirando a 6 m con mangote de 8 m con filtro, y se expresa en m³/h. La toma de fuerza que se ha impuesto es la anterior a la caja de cambios.

CURVAS Y ASPIRACIÓN. La altura manométrica (Hm) es el aumento de energía que da la bomba, expresado en presión; el rendimiento (η) es potencia útil entre potencia consumida. En la curva característica el caudal va en abscisas: la Hm es máxima con caudal nulo (válvulas cerradas) y baja al crecer el caudal; los valores nominales se fijan en el punto de máximo rendimiento, y conviene trabajar entre el 60 y el 120 % de ese punto. El PUNTO DE FUNCIONAMIENTO es el corte de la curva de la bomba con la de la instalación. ACOPLAMIENTO: en paralelo, misma altura y se suman caudales; en serie, mismo caudal y se suman alturas. ASPIRACIÓN: el agua sube empujada por la presión atmosférica; el máximo teórico es 10,33 m y en la práctica queda en 7-8 m, porque la atmósfera pesa menos con la altitud (9,11 m.c.a. a 1.000 m), la presión de vapor crece con la temperatura (0,236 m.c.a. a 20 ºC), el vacío no es perfecto y hay pérdidas en mangotes y alcachofa. CAVITACIÓN: si la presión cae por debajo de la de vapor se forman burbujas que implosionan (hasta 1000 kg/cm²); se evita con menos altura de aspiración, menos caudal y mangotes de más sección.

APLICACIONES PRÁCTICAS (lo que cae en el apartado B). ECUACIÓN DE LÍNEA: PB = PL + HG + PC (presión en bomba = presión en punta de lanza + altura geométrica + pérdidas de carga). El desnivel vale 1 kg/cm² por cada 10 m: se suma a lo que debe dar la bomba si la lanza está más alta y se resta si está más baja. Las PÉRDIDAS DE CARGA continuas crecen de forma lineal con la longitud (tantas mangueras, tantas veces la pérdida de una), con el cuadrado del caudal, con la quinta potencia al reducir el diámetro y con la rugosidad; las locales (reducciones, bifurcaciones, válvulas) suelen ser mucho menores. Pasos del problema tipo: 1) pérdidas = n.º de mangueras × pérdida de cada una al caudal elegido; 2) desnivel en metros entre 10; 3) despejar PB o PL; 4) si piden caudal a otra presión, Q2 = Q1 × √(P2/P1). ALCANCE: crece con la presión y con el diámetro de la lanza; el máximo, a chorro y con máxima apertura. REACCIÓN EN LANZA: crece con la presión y con el diámetro; con el cono abierto disminuye y casi se anula a 180º, y por eso un tendido en espera se deja en posición de cortina.

Claves para el examen

• Presión = F/S. 1 atm = 1,033 kg/cm² = 10,33 m.c.a. = 760 mmHg; 1 bar = 100.000 Pa. Para calcular: 10 m.c.a. ≈ 1 bar.
• Presión absoluta = atmosférica + relativa. A 20 m de profundidad: 2 bar relativos, 3 bar absolutos.
• Pascal: F1/S1 = F2/S2 (prensa hidráulica, equipos de corte y separación). Arquímedes: empuje = peso del fluido desalojado.
• Reynolds: laminar < 2000; transición 2000-4000; turbulento > 4000.
• Caudal Q = S·v. De m³/s a L/min: × 60.000. De L/min a m³/h: × 0,06 (2.000 L/min = 120 m³/h).
• Continuidad: S1·v1 = S2·v2; la velocidad cambia con el CUADRADO de la relación de diámetros.
• Bernoulli: menos sección → más velocidad → menos presión. Venturi: premezcladores y cebado por eyector de gases.
• Torricelli: v = √(2·g·h). Lanza: Q = K·S·√(2·g·h), K entre 0,9 y 0,98; el caudal va con la raíz de la presión.
• Ecuación de línea: PB = PL + HG + PC. Desnivel: 1 bar por cada 10 m (suma al subir, resta al bajar).
• Pérdidas de carga: lineales con la longitud, con el cuadrado del caudal y con la quinta potencia del diámetro.
• Bomba centrífuga: rodete (acelera) + voluta (convierte velocidad en presión). No es autoaspirante: hay que cebarla.
• Caudal nominal: a 10 bar, aspirando a 6 m con mangote de 8 m y filtro; en m³/h. Baja ≤ 12-14 atm; alta ≈ 40 atm.
• Hm máxima con caudal nulo (válvulas cerradas). Paralelo: suma caudales. Serie: suma alturas.
• Aspiración: 10,33 m teóricos, 7-8 m reales; a 1.000 m de altitud, 9,11 m.c.a. Cavitación: hasta 1000 kg/cm².
• Golpe de ariete: cambio brusco de caudal; abrir y cerrar despacio. Reacción en lanza: casi nula con el cono a 180º.

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