Cap14 HIDRAULICA BASICA PARA BOMBEROS

Tema Nociones básicas de hidrostática e hidráulica. Caudal, velocidad del agua en tuberías y conductor. Presión. Pérdida de carga. Reacción debida a las lanzas. Golpe de ariete. 

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HIDRAULICA BASICA

Temario de oposiciones a bombero

1. FLUIDOS

Los líquidos y gases reciben la denominación común de FLUIDOS, porque presentan propiedades semejantes derivadas de las propiedades de sus moléculas, cuya movilidad HACE QUE LOS FLUIDOS TOMEN LA FORMA DEL RECIPIENTE QUE LOS CONTIENE Y FLUYEN O SALEN POR LOS ORIFICIOS QUE ESTOS PUEDAN TENER.

LOS LIQUIDOS TIENEN VOLUMEN CONSTANTE MIENTRAS QUE LOS GASES TIENEN VOLUMEN VARIABLE, dependiendo de las acciones o fuerzas exteriores que actúen sobre los mismos.

2. PRESION

El efecto de una fuerza cualquiera sobre una superficie depende del área de esta superficie. Así para evitar que se hunda en el suelo un puntal de apeo lo colocaremos sobre un tablón que repartirá el peso sobre una gran superficie.

También para andar por la nieve se usan esquís o raquetas de nieve que reparten el peso de la persona sobre una superficie mayor.

• "AL COCIENTE DE DIVIDIR LA FUERZA POR LA SUPERFICIE SOBRE LA QUE SE APLICA SE LLAMA PRESION."

En los líquidos y gases esta presión será pues la que efectúan las fuerzas de éstos sobre las paredes de los recipientes que las contienen o de los conductos por los que circulan.

EN LOS FLUIDOS LA PRESION SE TRANSMITE POR IGUAL EN TODAS DIRECCIONES.

Así pues, la cámara de goma de una rueda a cierta presión perderá el aire por donde sea que tenga un agujero.

3. PRESION ATMOSFERICA

LA MASA DE AIRE QUE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE (ATMOSFERA) DETERMINA A CAUSA DE SU PESO UNA PRESION SOBRE TODOS LOS OBJETOS SITUADOS SOBRE LA TIERRA. EL VALOR DE ESTA SE LE LLAMA PRESION ATMOSFERICA.

Cuando en la atmósfera se alcanzan valores cada vez más altos, se observa una disminución de la presión del aire; la densidad de éste disminuye al aumentar la altura y cuando ésta es muy grande tanto la presión como la densidad llegan a ser prácticamente nulas.

La presión atmosférica puede medirse en el barómetro de mercurio; un tubo de vidrio cerrado por un extremo, aproximadamente de un metro de longitud, se llena de mercurio, por completo, evitando que éste se vierta con el dedo, se introduce el extremo abierto con el mercurio contenido en una cubeta y se coloca el tubo vertical, retirando el dedo.

La diferencia de nivel entre el tubo y la cubeta permite calcular la presión atmosférica.

Si pudiéramos repetir el experimento con agua en vez de mercurio pero con un tubo de unos once metros, obtendríamos el mismo resultado.

Ahora bien, el nivel en el tubo de mercurio se estabilizaría a unos 76 cm. sobre la cubeta mientras que con agua sería a unos 10 m. Estos valores se consideran como el promedio efectuado al nivel del mar.

Por tanto, EL VALOR DE LA PRESION ATMOSFERICA AL NIVEL DEL MAR ES EQUIVALENTE A LA PRESION QUE HACE UNA COLUMNA DE MERCURIO DE 76 CENTIMETROS O BIEN UNA COLUMNA DE AGUA A 10 METROS.

4. SUPERFICIE LIBRE DE UN LIQUIDO

Todos los puntos de un líquido en un sistema cualquiera de varios vasos comunicantes situados a un mismo nivel, tienen idéntica presión, así, en la superficie donde existe la misma presión, la atmosférica, estarán al mismo nivel, por tanto,

LA SUPERFICIE LIBRE DE UN LIQUIDO SERA HORIZONTAL Y EL NIVEL ALCANZADO POR VARIOS VASOS COMUNICANTES CON LIQUIDO HOMOGENEO SERA EL MISMO.

5. UNIDADES DE PRESION

Son diversas las unidades de presión empleadas en Física.

EN LA PRACTICA CORRIENTE SE USA EL KILO POR CENTIMETRO CUADRADO (kg/cm2), QUE RECIBE EL NOMBRE DE ATMOSFERA TECNICA.

Otras unidades son:

- El Bar que equivale a 1,02 kg/cm2.

- La atmósfera física que equivale a 1,033 kg/cm2.

- El cm. ó mm. de columna de mercurio. 760 mm. de columna de mercurio equivalen a 10,330 m. de altura de agua y a una atmósfera física. Si despreciamos pequeñas fracciones decimales, que por otra parte tampoco se pueden precisar con los manómetros usados en un Servicio de Extinción de Incendios, se puede establecer la siguiente relación muy aproximada.

UNA ATMOSFERA EQUIVALE A LA PRESION DE 76 CM. DE COLUMNA DE MERCURIO; A 10 METROS DE COLUMNA DE AGUA Y A UN BAR.

Insistimos, por la frecuencia con la que debemos trabajar en ello que; ENTRE DOS PUNTOS DE UNA COLUMNA DE AGUA CUYA DIFERENCIA DE NIVEL SEA DE 10 METROS, EXISTIRA UNA DIFERENCIA DE PRESIONES DE 1 ATM. o sea 1 KG/CM2.

6. MANOMETROS Y VACUNOMETROS

En general SE LLAMAN MANOMETROS:

• LOS APARATOS DESTINADOS A MEDIR PRESIONES CUALESQUIERA. EN EL CASO PARTICULAR DE QUE LAS PRESIONES SEAN INFERIORES A LA ATMOSFERICA SE LLAMAN VACUOMETROS.

Para pequeñas presiones y experimentación se usan manómetros con tubo de vidrio lleno de mercurio.

Para los usos corrientes suelen usarse manómetros metálicos, basados en la deformación de una membrana o de un tubo en espiral; por efecto de la presión esta deformación se transmite a una aguja que señala la presión sobre una escala circular y graduada.

7. CAUDAL O GASTO

EL CAUDAL O GASTO DE UN ORIFICIO O TUBERIA ES LA CANTIDAD DE LIQUIDO QUE MANA O CIRCULA DURANTE LA UNIDAD DE TIEMPO.

El caudal "Q" de un orificio o tubería depende de la velocidad de circulación "V" y de la superficie "S" de la sección del orificio o sección, según la expresión Q = S x V.

8. UNIDADES DE CAUDAL

EL CAUDAL SE EXPRESA EN:

• METROS CUBICOS POR MINUTO U HORAS O
• EN LITROS POR SEGUNDO, MINUTO U HORA.

Así un caudal de 1 m3/minuto equivale a 1.000 litros por minuto, ó 60 m3/hora.

9. CAUDAL NOMINAL DE UNA BOMBA

EL CAUDAL NOMINAL DE UNA BOMBA ES EL CAUDAL EXPRESADO EN METROS CUBICOS POR HORA; NORMALMENTE MULTIPLO DE 30, QUE ES CAPAZ DE REALIZAR A UNA PRESION MINIMA DE 10 ATM., MEDIDA EN EL COLECTOR DE IMPULSION DE LA BOMBA Y A UNA ALTURA GEOMETRICA DE ASPIRACION DE 6 M. DE LONGITUD DE MANGOTE DE ASPIRACION Y UN FILTRO COLADOR.

Este es el criterio que se utiliza para fijar el caudal nominal de las bombas centrífugas normales contra incendios, aunque naturalmente pueden existir bombas especiales y para otros usos que no regirán con estas especificaciones.

10. MOVIMIENTO DE LOS LIQUIDOS POR TUBERIAS

Para una presión dada, EL CAUDAL DEL LIQUIDO QUE CIRCULA POR UNA TUBERIA SIN DERIVACIONES ES EL MISMO EN TODA SU LONGITUD.

De la expresión del caudal Q = S x V, se desprende que EN UNA TUBERIA EN LA EXISTEN ESTRECHAMIENTOS, LA VELOCIDAD DE CIRCULACION DEL LIQUIDO ES MAYOR EN LOS PUNTOS EN QUE ES MAS PEQUEÑA LA SECCION.

Así pues, a la mitad de sección (no de diámetro) corresponde doble de velocidad.

En una tubería horizontal que presente un estrechamiento se conectan tubos abiertos verticalmente en sus paredes que actúan de manómetros, se observará que el tubo colocado en la porción más estrecha de la tubería presenta una altura de agua inferior al de la parte más ancha, por ser allí menor la presión. Esto es debido al EFECTO VENTURI, y se interpreta admitiendo que la presión que ejerce un líquido en los distintos puntos de una conducción de sección variable es menor en los estrechamientos.

11. PRESION ESTATICA Y PRESION DINAMICA

Si tenemos una tubería alimentada por un depósito o bomba y cerramos su salida por medio de una brida con un manómetro, éste nos marcará la presión que haya en la red; por ejemplo 3 kg/cm2.

Tomamos ahora un tubo vertical y lo colocamos donde estaba el manómetro. Veremos que el agua ascenderá a una altura de 30 m., aproximadamente.

Cuando la tubería está cerrada, tenemos la PRESION ESTATICA, que se transmite en todas las direcciones.

Por el contrario, si en vez de manómetro ponemos una manguera con lanza abierta, veremos que un manómetro no llega a indicar 3 kg/cm2., ni el agua sube a 30m., de altura.

Esta es pues, la PRESION DINAMICA, que siempre es inferior a la estática.

12. PERDIDA DE CARGA

En su recorrido por una conducción los líquidos están sometidos a una resistencias o rozamientos en la pared y unas pérdidas de energía en las válvulas, codos, llaves de paso y cambios de sección.

LOS ROZAMIENTOS Y PERDIDAS DE ENERGIAS DEL LIQUIDO EN SU CIRCULACION SE MANIFIESTAN EN UNAS PERDIDAS DE PRESION. ESTAS PERDIDAS DE PRESION, QUE VARIAN EN EL MISMO SENTIDO QUE EL CAUDAL SE LLAMAN PERDIDAS DE CARGA.

ESTAS PERDIDAS DE CARGA DEPENDEN:

a) DE LA RUGOSIDAD DE LAS PAREDES DE LA CONDUCCION.

Así, en igualdad de condiciones una manguera de lona tiene una pérdida de carga de unas tres veces mayor que una manguera lisa del mismo diámetro.

b) SON DIRECTAMENTE PROPORCIONALES A LA LONGITUD.

Es decir, a doble longitud, doble pérdida de carga; si la longitud es cinco veces mayor también será quintuplicada la pérdida de carga.

c) SON INVERSAMENTE PROPORCIONALES AL CUADRADO DE LA VELOCIDAD DEL LIQUIDO O DEL CAUDAL.

Así, si el caudal de una manguera se hace dos veces mayor la pérdida de carga será cuatro veces mayor. Si se triplica el caudal la pérdida de carga se multiplicará por nueve.

Hay que tener en cuenta no solo en las curvas, codos y accidentes de una manguera de incendios, sino especialmente las llaves de paso, la lanza y boquilla donde hay una importante pérdida de carga.

POR TODO ELLO ES ACONSEJABLE EMPLEAR:

• MANGUERAS LISAS.
• LA MENOR LONGITUD POSIBLE DE MANGUERA.
• MANGUERAS GRANDES Y POCAS DE PEQUEÑO DIAMETRO.
• LANZAS DE CAÑA CORTA.
• EVITAR DOBLECES Y CODOS BRUSCOS.

Todo, al objeto de aprovechar al máximo la presión del agua, aunque algunas veces por las características de la actuación, no podrá tenerse en cuenta o se usará el material más práctico para aquel tipo determinado de servicio.

Algunos ejemplos.

R Una manguera de 70 mm. para alimentar una lanza de 70/18 (entrada de 70 mm y salida de boquilla de 18 mm. ) a una presión de 5,7 atm. en lanza que proporciona un caudal aproximado de 30 m3/hora.

R Con la manguera de lona-pérdida de carga por metro2 = 0'0175 kg/cm2, o sea pérdida de carga por 100 m = 1'75 kg/cm2.

R Con manguera lisa igual lanza, presión y caudal.

Pérdida de carga por metro2 = 0'0055 kg/cm2., o sea pérdida de carga por 1000 metros = 0'55 kg/cm2.

R La misma manguera lisa, igual lanza pero con un caudal de 45 m3/hora y por tanto mayor presión.

Pérdida de carga por metro2 = 0'015 kg/cm2., o sea pérdida de carga por 100 metros = 1'5 kg/cm2.

Así pues puede verse la influencia del grado de rugosidad de la manguera y la influencia del caudal.

13. DISTANCIA Y ALTURA DE UN CHORRO

Son valores ambos muy difíciles de calcular dependiendo naturalmente de las condiciones de trabajo, es decir, tipo de material y sobre todo del tipo de lanza admitiéndose en general que los MAYORES VALORES DEL ALCANCE SE LOGRARAN CON LANZAS DE MENOR DIAMETRO DE BOQUILLA. Para un tipo determinado de lanza el máximo alcance se logrará teóricamente con un ángulo de inclinación de 45° pero EN LA PRACTICA EL ALCANCE MAXIMO SE LOGRARA CON UN ANGULO DE 30°.

Estas diferencias entre el teórico y el práctico son debidas a la resistencia del aire y a la dispersión del chorro.

14. REACCION DE LA LANZA

Por efecto del chorro lanzado, la lanza y en consecuencia su portador, están sometidos a una reacción o retroceso cuyo valor depende de la sección del orificio de la boquilla.

LOS VALORES APROXIMADOS DE LA REACCION EN LANZA SON:

R Para una presión en lanza 3'5 atm - Lanza 45/14

Caudal 15 m3./hora R = 10 Kg.

R Para una presión en lanza 5'7 atm - Lanza 70/18

Caudal 30 m3./hora R = 25 Kg.

15. GOLPE DE ARIETE

A LA SOBREPRESION QUE APARECE EN UNA TUBERIA O MANGUERA AL VARIAR BRUSCAMENTE EL CAUDAL SE DENOMINA GOLPE DE ARIETE.

AL CERRAR UNA LLAVE DE PASO SE PRODUCE UN GOLPE DE ARIETE QUE AUMENTA CON LA VELOCIDAD DE CERRADO pudiendo llegar a romper la conducción o manguera o bien soltar las bridas o atado de acoplamientos de racores. En todo caso lo apreciará el portalanzas que está sometido a una mayor reacción instantánea que puede hacerle perder la estabilidad.

Hay que procurar en lo posible maniobrar lentamente las llaves de paso tanto al abrir como al cerrar.

Su efecto aumenta de bomba a lanza y disminuye de lanza a bomba.

No depende de la longitud de la instalación ni de la existencia de derivaciones.

Su efecto es mayor en mangueras de lona que en lisas y es muy grande en conducciones metálicas.

A igual caudal es mayor cuanto menor es el diámetro pero dependiendo de la presión.

Para una misma conducción aumenta con el caudal.

16. CEBADO DE BOMBAS

Las bombas de incendio requieren ser abastecidas de agua y si esta debe obtenerse de una balsa, depósito o cualquier lugar situado a un nivel inferior al cuerpo de la bomba, deberán efectuarse las operaciones de PUESTA EN ASPIRACION, QUE CONSISTE EN CONECTAR LOS MANGOTES DE ASPIRACION QUE CONDUCEN EL AGUA DEL LUGAR APROVISIONAMIENTO DE UN NIVEL INFERIOR A LA BOMBA.

Estos mangotes son semirígidos por tener que soportar una presión interior menor que la atmosférica y por tanto debe evitarse el aplastamiento. Suelen ser de 2 y de 4 m. enchufables para lograr una longitud total que suele ser de 8 a 10 m. con un filtro colador.

En algunos casos lleva incorporado una válvula de retención.

Para funcionar la bomba requiere tener el cuerpo de bomba y el mangote de aspiración lleno de agua y por tanto sin aire.

LA OPERACION QUE CONSISTE EN LLENAR DE AGUA EL CUERPO DE BOMBA Y EL MANGOTE DE ASPIRACION, ELIMINANDO EL AIRE QUE LO OCUPA, SE LLAMA CEBADO.

Sólo será posible que funcione la bomba como tal, una vez efectuado el cebado.

17. ALTURAS DE ASPIRACION

El agua que debe circular por la instalación de aspiración estará sometida a la depresión creada por la bomba y a la presión atmosférica que actúa sobre la superficie del agua en el extremo sumergido, pero esta presión atmosférica es equivalente a una columna de agua de 10 m.

Por tanto, SOLO SERA POSIBLE CEBAR UNA BOMBA ASPIRANTE CUANDO LA ALTURA DE ASPIRACION QUE ES LA DIFERENCIA DE NIVEL ENTRE EL CUERPO DE BOMBA Y LA SUPERFICIE DEL AGUA (NO EL NIVEL DEL FILTRO COLADOR) SEA TEORICAMENTE IGUAL O INFERIOR A 10 METROS.

EN LA PRACTICA ESTA ALTURA DE ASPIRACION NO DEBERA PASAR DE 6 METROS CON UNA INSTALACION DE ASPIRACION DE 8 A 10 METROS.

Esta reducción práctica de la altura de aspiración es debida a la pérdida de carga en mangotes, uniones, filtro colador y válvula si la lleva.

EN ALTURAS DE ASPIRACION MUY INFERIORES A LA ADMISIBLE DE 6 METROS, PODRIA EFECTUARSE EL CEBADO Y ASPIRACION CON LONGITUDES DE INSTALACION DE MANGOTES MAYORES, INCLUSO DE 10 METROS PERO NO ES RECOMENDABLE porque aumentan las pérdidas de carga en la conducción y solo se hará en casos especiales.

18. INSTALACIONES DE MANGUERAS

Aunque en cada caso se adoptará el sistema más adecuado y a veces se dispondrán varios sistemas a la vez y las variantes adecuadas a la actuación, puede decirse que:

LA INSTALACION COMPLETA PARA UN ATAQUE A UN INCENDIO CONSTA DE TRES PARTES:

A) INSTALACION DE APROVISIONAMIENTO.

B) INSTALACION DE ALIMENTACION.

C) INSTALACION DE ATAQUE.

A) INSTALACION DE APROVISIONAMIENTO.

- Depende de la fuente de aprovisionamiento.

- Del agua del tanque del autobombas (no hay instalación).

- Directamente de boca de incendios o hidrante (no hay instalación).

DE BOCA DE INCENDIOS O HIDRANTE CON SUFICIENTE PRESION AL VEHICULO CON MANGUERAS DEL DIAMETRO CORRESPONDIENTE.

DE UNA BALSA O DEPOSITO A BOMBA O AUTOBOMBA, ESTA INSTALACION ES LA DE ASPIRACION CON LOS MANGOTES.

B) INSTALACION DE ALIMENTACION

DESDE EL FINAL DE LA INSTALACION DEL APROVISIONAMIENTO DE BOCA DE INCENDIOS O HIDRANTE SI SE USA DIRECTAMENTE DE LA SALIDA DE BOMBA O AUTOBOMBA; HASTA UNA DIVISION QUE SE HARA EN UN PUNTO PROXIMO AL LUGAR DE ACTUACION.

ESTA INSTALACION DEBE EFECTUARSE CON MANGUERAS DEL MAYOR DIAMETRO POSIBLE, SIGUIENDO EL CAMINO MAS CORTO POSIBLE.

C) INSTALACION DE ATAQUE

A PARTIR DE LA DIVISION DEL FINAL DE LA ALIMENTACION HASTA LAS LANZAS.

Puede haber tantas instalaciones de ataque como permita la división, normalmente dos.

ESTAS INSTALACIONES SE HARAN NORMALMENTE CON MANGUERAS PEQUEÑAS O DE 45 mm. PROCURANDO QUE CADA LANZA DISPONGA DE UN ANCHO BUCLE DE MANGUERA LLAMADO RESERVA DE ATAQUE PARA PERMITIR LA MAXIMA MOVILIDAD AL EQUIPO PORTALANZAS.

Cuando se disponga de la fuente de alimentación muy próxima puede suprimirse la instalación de alimentación porque la de ataque haga ya sus funciones aunque en su origen se mantendrá en lo posible una división con llaves de paso que permitan ampliar o reducir el número de instalaciones.

En todo caso se usará el menor número posible de mangueras.

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