Manual de incendios — Hidráulica

Una bomba centrífuga transforma la energía mecánica procedente del motor en energía hidráulica. Lo hace en dos fases: primero incrementa la cantidad de movimiento (velocidad) del fluido mediante paletas o álabes giratorios; después, en la zona del difusor, convierte esa velocidad en incremento de presión. El resultado práctico es un aumento de energía entre la boca de aspiración y la boca de impulsión, lo que permite disponer en punta de lanza de un caudal Q a una velocidad de salida V. Este incremento de energía expresado en presión se denomina altura manométrica (Hm); la relación entre la potencia transferida al fluido y la consumida por el motor es el rendimiento energético (η).

Las particularidades de una bomba centrífuga se representan mediante sus curvas características, que muestran el campo de trabajo tomando como variable independiente el caudal (eje de abscisas) y como variables dependientes la altura manométrica, la potencia consumida y el rendimiento. La altura manométrica es máxima con caudal nulo (válvulas cerradas) y disminuye a medida que el caudal aumenta. El punto óptimo de funcionamiento es aquel donde el rendimiento energético es más elevado; en ese punto se definen los valores nominales de la bomba.

A diferencia de muchas bombas convencionales de régimen fijo, las bombas de bomberos incorporan un mando de aceleración que permite regular el número de revoluciones del rodete, lo que posibilita regular ampliamente presión y caudal. El límite superior de revoluciones varía según la bomba, aunque habitualmente no supera las 5.000 r.p.m. Por ello, en vez de tres curvas únicas se obtienen tres familias de curvas que se desplazan arriba o abajo en función de las r.p.m.

Datos clave

• Hm máxima: con caudal nulo (válvulas cerradas).
• Punto óptimo: máximo rendimiento energético → valores nominales de la bomba.
• Límite de r.p.m. en bombas de bomberos: habitualmente ≤ 5.000 r.p.m.
• Altura manométrica (Hm): incremento de energía del fluido expresado en metros de columna de agua.

Al aspirar agua con una bomba, la columna de agua asciende no por la «fuerza de succión» sino por el empuje de la presión atmosférica exterior. La máxima altura teórica de aspiración es 10,33 m (equivalente a 1 atmósfera al nivel del mar), pero en la práctica nunca se alcanza porque varios factores la reducen: la presión atmosférica disminuye con la altitud (p. ej., a 2.000 m s.n.m. es de 8,04 m.c.a.), la presión de vapor del agua aumenta con la temperatura (a 40 °C implica una pérdida de 0,745 m.c.a.), el vacío logrado no es perfecto y existen pérdidas de carga en los manguerotes y la alcachofa. Por todo ello, la altura de aspiración real se sitúa entre 7 y 8 metros.

El cebado es la operación previa a la puesta en marcha consistente en llenar de líquido la bomba y la tubería de aspiración para que la bomba empiece a trabajar. Una bomba centrífuga proporciona presión considerable en la tubería de impulsión pero apenas produce succión, por lo que sin cebado previo no arranca y puede sufrir averías al girar en vacío (sin lubricación ni refrigeración del rodete). Los sistemas de cebado más habituales son: eyector de gases de escape (efecto Venturi), depresor de vacío (bomba de vacío eléctrica), anillo de agua (bomba volumétrica), bombas autocebantes (depósito específico) y bomba de pistones. El cebado se considera realizado cuando el agua entra en contacto con el rodete; en ese momento se debe desconectar el sistema de cebado.

La cavitación consiste en la formación de burbujas de vapor de agua en el interior de la bomba cuando la presión local desciende por debajo de la presión de saturación del líquido a esa temperatura. El agua al vaporizarse aumenta su volumen unas 1.700 veces; al condensarse de nuevo, las burbujas implosionan contra los álabes generando presiones locales de hasta 1.000 kg/cm², lo que produce picaduras y rápida corrosión mecánica. El fenómeno suele ir acompañado de ruidos y vibraciones similares a los de grava golpeando la bomba. La altura geométrica máxima de aspiración para evitarla se sitúa entre 8 y 8,5 m. Para prevenir la cavitación se reducen la altura de aspiración, el caudal o las pérdidas de carga (ampliando la sección de los mangotes de aspiración).

Datos clave

• Altura teórica máxima de aspiración: 10,33 m.c.a. (nivel del mar).
• Altura práctica de aspiración: 7-8 m (por presión de vapor, altitud, pérdidas y vacío imperfecto).
• Pérdida de aspiración a 40 °C: 0,745 m.c.a.
• Cavitación: formación de vapor por P < P_saturación → implosión → picaduras de hasta 1.000 kg/cm².
• Altura geométrica máxima para evitar cavitación: 8-8,5 m.
• Sistemas de cebado: eyector de gases, depresor de vacío, anillo de agua, autocebante, pistones.

Cuando la demanda de agua supera la capacidad de una sola bomba, es posible combinar varias mediante dos configuraciones: en paralelo o en serie.

En el acoplamiento en paralelo las entradas y salidas de dos o más bombas están unidas entre sí. La altura manométrica total es la misma que la de una bomba individual, pero el caudal total aportado se incrementa notablemente (Q_total = Q1 + Q2 + ... + Qn). Esta configuración es adecuada cuando se necesita mayor caudal a la misma presión.

En el acoplamiento en serie la salida de una bomba se conecta a la entrada de la siguiente. El caudal es el mismo que el de una sola bomba (Q = Q1 = Q2 = ... = Qn), pero la altura manométrica total es la suma de las de cada bomba (Hm = Hm1 + Hm2 + ... + Hmn). Esta configuración es la adecuada cuando se necesita elevar la presión, por ejemplo en impulsiones a gran altura.

Datos clave

• Paralelo: misma Hm, caudal sumado (Q_total = ΣQi). Uso: más caudal.
• Serie: mismo Q, presión sumada (Hm_total = ΣHmi). Uso: mayor altura de impulsión.
• En serie: la presión de entrada de cada bomba es la aportada por las anteriores.

La instalación hidráulica de extinción conduce el agente extintor (agua o espumante) desde una fuente de suministro hasta el punto del incendio. La instalación básica consta de bomba, manguera y lanza. La expresión que relaciona los parámetros de la instalación se conoce como ecuación de línea: PB = PL + HG + PC, donde PB es la presión a la salida de la bomba, PL la presión en punta de lanza, HG la altura geométrica (desnivel bomba-lanza, positivo si se sube, negativo si se baja) y PC las pérdidas de carga; cada término se expresa en m.c.a. o en bar (10 m.c.a. ≈ 1 kg/cm²).

Las pérdidas de carga son las pérdidas energéticas que sufre el fluido en movimiento por rozamiento entre sus partículas y contra las paredes. Existen dos tipos: las pérdidas continuas (lineales), debidas a la fricción a lo largo de conductos regulares, y las pérdidas locales (singulares), originadas por estrechamientos, cambios de dirección, válvulas, lanzas o bifurcaciones. Las pérdidas continuas aumentan de forma proporcional a la longitud, con la segunda potencia del caudal (o la velocidad), con la quinta potencia inversa del diámetro y con la rugosidad o viscosidad del fluido. Las pérdidas locales son generalmente mucho menores que las continuas.

Un ejemplo orientativo: para manguera de 45 mm con caudal de 500 l/min, la pérdida es de 2,5 bar; con manguera de 70 mm y el mismo caudal es solo de 0,35 bar. Para la altura geométrica: subir 10 m equivale a una pérdida de 1 kg/cm², y bajar 10 m aporta 1 kg/cm² adicional de presión.

Datos clave

• Ecuación de línea: PB = PL + HG + PC.
• Pérdidas continuas proporcionales a: longitud (lineal), Q² (velocidad²), 1/d⁵.
• Pérdidas locales: mucho menores que las continuas.
• 10 m de desnivel = 1 kg/cm² = 1 bar (aproximado).
• Pérdida de carga a 500 l/min en Ø 45: 2,5 bar; en Ø 70: 0,35 bar.

La curva característica de la instalación representa gráficamente las pérdidas de carga totales (continuas, locales y efecto de altura geométrica) en función del caudal de paso. Esta curva tiene forma parabólica: a mayor caudal, mayores pérdidas de carga.

Cuando una bomba centrífuga se monta en serie con una instalación, se produce una interrelación hidráulica entre ambas. El punto de funcionamiento del sistema es la intersección de la curva P-Q de la bomba y la curva de la instalación: en ese punto la presión aportada por la bomba iguala exactamente las pérdidas totales de la instalación. Para las bombas de bomberos —con acelerador variable— hay distintos puntos de funcionamiento según las r.p.m. del motor, lo que da gran flexibilidad para regular el caudal de salida. Para aumentar el caudal sin cambiar la abertura de la lanza se acelera la bomba; para aumentar el caudal abriendo más la sección de salida de la lanza, la presión disminuye.

Datos clave

• Punto de funcionamiento: intersección curva bomba (P-Q) con curva instalación.
• Mayor caudal sin cambiar lanza → acelerar motor (sube la curva P-Q).
• Mayor apertura de lanza → baja la presión de trabajo, sube el caudal.
• La curva de instalación aumenta con el cuadrado del caudal (forma parabólica).

El caudal de salida por una lanza se calcula mediante el teorema de Torricelli: el caudal real resulta de multiplicar el caudal teórico por el factor del surtidor K (entre 0,90 y 0,98), que corrige la contracción de la vena líquida. Los caudales nominales de las lanzas comerciales más habituales para presión de 70 m.c.a. (7 kg/cm²) son: lanza de 25 mm → 50-230 l/min; lanza de 45 mm → 150-500 l/min; lanza de 70 mm → 300-750 l/min. El alcance máximo depende del diámetro de la lanza y de la presión en punta: a mayor presión mayor velocidad de salida y mayor alcance; para el mismo valor de presión, mayor diámetro implica mayor alcance. El alcance óptimo se obtiene con efecto chorro y apertura máxima de caudal.

Por el principio de acción y reacción, toda instalación que lanza agua experimenta un empuje o retroceso sobre el portador. El empuje (E) es función de la presión (P) y la sección de salida (S): E = P × S. A mayor presión o mayor diámetro, mayor empuje. Si en lugar de chorro sólido el agua sale en forma cónica, el empuje disminuye a medida que el cono se abre, hasta anularse hacia los 180°. Por ello, al dejar una línea en espera se coloca en posición de cortina de protección, lo que minimiza el empuje inicial y ofrece mayor seguridad al portador.

El golpe de ariete (también llamado pulso de Zhukowski) es una sobrepresión y depresión que se produce en una tubería al cerrarse o abrirse bruscamente una válvula. Al cortarse súbitamente el flujo, las partículas detenidas son empujadas por las que llegan y se genera una onda de sobrepresión que viaja a velocidad mayor que la del sonido en el fluido, comprimiendo ligeramente el fluido y dilatando la tubería. La onda se refleja en el extremo opuesto y genera una depresión que puede llevar el agua al estado gaseoso. En casos extremos las sobrepresiones pueden llegar a romper conductos. Para los bomberos el golpe de ariete aumenta bruscamente la reacción en la lanza, lo que supone un riesgo para el portador. La medida preventiva es operar siempre las válvulas de forma lenta y controlada, aumentando el tiempo de apertura y cierre para que la variación de caudal sea gradual.

Datos clave

• Factor del surtidor K: 0,90-0,98 (corrección de vena líquida).
• Lanza 25 mm a 70 m.c.a.: 50-230 l/min; lanza 45 mm: 150-500 l/min; lanza 70 mm: 300-750 l/min.
• Alcances a 7 kg/cm²: lanza 25 mm → 31 m; lanza 45 mm → 38 m; lanza 70 mm → 39 m.
• Empuje E = P × S; mayor a chorro sólido, nulo a ~180° (cortina de protección).
• Golpe de ariete (pulso de Zhukowski): sobrepresión por cierre brusco de válvula; puede romper conductos.
• Prevención del golpe de ariete: abrir y cerrar válvulas siempre de forma lenta y controlada.