Hidráulica

La unidad de presión en el Sistema Internacional es el Pascal, aunque su pequeño valor obliga al bombero a manejar otras unidades. Cuando la presión medida es inferior a la atmosférica, la presión manométrica se expresa con signo menos. La altura piezométrica es la suma de la altura de presión y la altura geométrica en un punto de la instalación.

Según la ecuación fundamental de la hidrostática, la presión estática de un fluido en reposo es independiente de la velocidad del fluido. El principio de Arquímedes afirma que un cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido en reposo experimenta un empuje vertical hacia arriba igual al peso de la masa del volumen de fluido que desaloja.

En una instalación en volado por hueco de escalera, según el principio de Pascal, la presión en la base de la instalación es la misma independientemente del diámetro de manguera utilizado, aunque el peso de la instalación sea mayor cuanto mayor sea el diámetro.

La diferencia fundamental entre líquidos y gases, desde el punto de vista hidráulico, es la compresibilidad, es decir, su capacidad para cambiar de volumen. Un flujo cuya densidad permanece constante al circular por una conducción, como el agua, se clasifica como flujo incompresible.

Datos clave:

• Unidad de presión en el SI: el Pascal.
• Presión manométrica inferior a la atmosférica: signo menos.
• Altura piezométrica = altura de presión + altura geométrica.
• Presión estática: independiente de la velocidad del fluido.
• Arquímedes: empuje hacia arriba = peso del volumen de fluido desalojado.
• Instalación en volado (Pascal): la presión en la base no depende del diámetro de manguera.
• Diferencia líquidos/gases: la compresibilidad. El agua es un flujo incompresible.

Para simplificar la ecuación de Navier-Stokes y alcanzar la ecuación de Bernoulli, se considera que el fluido es incompresible y no viscoso, es decir, con densidad constante y sin rozamiento. Al aplicar un trabajo a un fluido en una instalación hidráulica de extinción, la energía puede almacenarse en tres formas: energía de presión, energía cinética y energía potencial.

Según la ecuación de continuidad, en un tramo de conducción donde la sección de entrada es mayor que la de salida (S1 > S2), la velocidad del agua aumenta al pasar por la salida. Si en una instalación sin derivaciones se duplica el diámetro de la conducción, el caudal se cuadriplica.

Para el agua se prefiere hablar de caudal volumétrico (y no másico) porque es incompresible: su densidad apenas varía. Si dos mangueras, una de 25 mm y otra de 45 mm, son atravesadas por el mismo caudal, en la de 25 mm el agua circula a mayor velocidad.

Datos clave:

• Bernoulli parte de un fluido incompresible y no viscoso (densidad constante, sin rozamiento).
• 3 formas de energía almacenada: presión, cinética y potencial.
• Continuidad: si S1 > S2, la velocidad aumenta en la salida.
• Duplicar el diámetro de una conducción cuadriplica el caudal.
• Agua: caudal volumétrico preferido por ser incompresible.
• Mismo caudal en manguera de 25 mm y 45 mm: mayor velocidad en la de 25 mm.

Según la ecuación de Darcy-Weisbach, las pérdidas de carga de una conducción son directamente proporcionales al cuadrado del caudal e inversamente proporcionales a la quinta potencia del diámetro.

El golpe de ariete es una sobrepresión y depresión consecutivas que se forman en una tubería al variar bruscamente el caudal que circula por ella. Un flujo se considera en régimen laminar cuando su número de Reynolds es inferior a 2000.

Datos clave:

• Darcy-Weisbach: pérdidas de carga ∝ caudal² e inversamente ∝ diámetro⁵.
• Golpe de ariete: sobrepresión y depresión al variar bruscamente el caudal.
• Régimen laminar: número de Reynolds inferior a 2000.

El difusor de una bomba centrífuga tiene la función de reducir la velocidad del fluido a la salida del rodete, transformando esa reducción en un aumento de presión. El cebado es el proceso previo al arranque de una bomba centrífuga instalada en aspiración, tras el cual el tramo de aspiración y el rodete quedan llenos de agua por completo. El vacuómetro es el instrumento con el que el bombero observa el vacío generado en el mangote durante la maniobra de aspiración, indicando cuánto por debajo se está de la presión atmosférica. La altura máxima teórica de aspiración, obtenida a partir del vacío absoluto y la presión atmosférica de 1 atm, es de 10,33 metros.

El sifón de la bomba recibe también el nombre de válvula de llenado de cisterna, y está diseñado para llenar la cuba a través de la bomba durante la aspiración. Los BUP de los servicios de extinción van equipados habitualmente con bombas multicelulares de dos rodetes, con etapas de alta y baja presión.

En el acoplamiento de bombas en serie, el caudal es el mismo en todas las bombas y las alturas creadas se suman.

El efecto Venturi se produce cuando, al estrecharse una conducción, aumenta la velocidad del fluido y desciende la presión estática, generando succión en un orificio conectado en ese punto. La cavitación consiste en la formación de cavidades llenas de vapor en el seno del líquido en movimiento por descenso local de la presión, y su posterior colapso al alcanzar zonas de presión creciente.

Según la norma UNE-EN 1028, la válvula de protección térmica suele dispararse, en zonas de clima templado, con el agua a una temperatura de entre 65 ºC y 75 ºC.

Datos clave:

• Difusor: reduce velocidad a la salida del rodete y la transforma en presión.
• Cebado: llena de agua el tramo de aspiración y el rodete antes del arranque.
• Vacuómetro: mide el vacío en el mangote durante la aspiración.
• Altura máxima teórica de aspiración: 10,33 m.
• Sifón = válvula de llenado de cisterna (llena la cuba durante la aspiración).
• BUP: bombas multicelulares de dos rodetes (alta y baja presión).
• Bombas en serie: mismo caudal, alturas que se suman.
• Efecto Venturi: sección menor → más velocidad, menos presión, succión.
• Cavitación: formación y colapso de cavidades de vapor por descenso local de presión.
• UNE-EN 1028: válvula de protección térmica dispara entre 65 y 75 ºC (clima templado).

Según la curva característica de la bomba centrífuga, a un régimen de giro constante, un caudal alto se obtiene a costa de una presión de salida baja. Si, girando a régimen constante (w = cte), se exige el doble de caudal sin variar la potencia mecánica del motor, la presión de salida de la bomba disminuye.

El punto de funcionamiento de una instalación hidráulica se obtiene en la intersección de la curva característica de la bomba con la curva resistente. La presión en bomba cae al aumentar el caudal seleccionado en la lanza porque, al abrir la lanza, parte de la presión estática se transforma en velocidad, aumentando la energía cinética y disminuyendo la estática.

Datos clave:

• Curva característica: caudal alto ↔ presión de salida baja (a régimen de giro constante).
• Doble de caudal sin variar potencia mecánica: la presión de salida disminuye.
• Punto de funcionamiento: intersección de la curva de la bomba con la curva resistente.
• Al aumentar el caudal en la lanza: presión estática se transforma en cinética → cae la presión en bomba.

La presión necesaria en la bomba (PB) es igual a la suma de la altura geométrica, la presión en punta de lanza y las pérdidas de carga de la instalación.

Lo que en el lenguaje de los bomberos se llama "presión dinámica" (lo que marca el manómetro con el agua en movimiento) es en realidad una presión estática ya disminuida, más adecuadamente llamada presión residual.

La rigidez que adquieren las mangueras al ponerlas en carga se debe a la presión estática, fuerza distribuida sobre la superficie interior.

Datos clave:

• PB = altura geométrica + presión en punta de lanza + pérdidas de carga.
• "Presión dinámica" en el lenguaje de bomberos = presión estática disminuida = presión residual.
• Rigidez de las mangueras en carga: debida a la presión estática.

Si dos lanzas de distinto diámetro trabajan con la misma presión en punta de lanza, el agua sale a igual velocidad, pero la de mayor sección da más caudal. El fabricante ajusta la sección de salida (KS) de cada posición del caudalímetro poniendo la lanza a una presión en punta de lanza de referencia de 7 bares.

Según el método de la mano para instalaciones de 25 mm, al dedo corazón le corresponden 100 lpm, con 1 bar de pérdida de carga por manguera.

En una instalación con línea bifurcada y dos lanzas simétricas trabajando ambas a 7 bares en punta, si uno de los bomberos cierra su lanza, en la lanza que permanece abierta aumentan la presión, el caudal y la reacción en punta de lanza. A 7 bares de presión en lanza, la reacción supone aproximadamente el 6% del valor seleccionado en el selector de caudal.

Respecto al caudal táctico definido por Paul Grimwood (QT = f · S), para un incendio con carga de fuego elevada que ha afectado a elementos estructurales, el factor empírico f a aplicar es 6.

Datos clave:

• Misma presión, distinto diámetro de lanza: misma velocidad, más caudal en la de mayor sección.
• Calibrado de lanzas: presión de referencia de 7 bares.
• Método de la mano (25 mm), dedo corazón: 100 lpm / 1 bar de pérdida de carga por manguera.
• Cerrar una lanza en línea bifurcada: aumentan presión, caudal y reacción en la que queda abierta.
• Reacción a 7 bares: ~6% del valor seleccionado en el selector de caudal.
• Caudal táctico Grimwood, QT = f·S: f = 6 para carga de fuego elevada con daño estructural.