Tema 15: Hidráulica

Presión estática y dinámica. La presión estática es la fuerza repartida por igual en todas direcciones que el fluido ejerce sobre cualquier superficie dentro de él; es la que pone rígidas las mangueras al cargarlas. La presión dinámica es la energía cinética del fluido en movimiento. Un símil: un coche presiona el asfalto (presión estática) y, por moverse, tiene energía cinética (presión dinámica).

Los bomberos suelen llamar «presión dinámica» a la que marca el manómetro con el agua circulando, pero técnicamente es una presión estática menor que la de reposo, porque parte de la energía se ha gastado en mover el agua. Es más correcto llamarla presión residual.

En hidráulica la presión se expresa en metros de columna de agua (mca) como altura de presión: Hp = P/γ (P en pascales y γ peso específico del agua en N/m³): es la altura de una columna de agua que ejerce esa presión sobre su base. La presión dinámica se expresa como altura de velocidad: Hv = v²/2g (v en m/s y g = 9,81 m/s²): la altura desde la que tendría que caer el agua para alcanzar esa velocidad. Son conceptos distintos que no deben confundirse.

Absoluta y manométrica. La presión absoluta se mide respecto al vacío; la manométrica o relativa, respecto a la presión atmosférica local (positiva si es superior y negativa si es inferior).

Caudal. El caudal volumétrico es el volumen que atraviesa una sección por unidad de tiempo: Qv = S · v. Con el mismo caudal, el agua va más rápida por una manguera de 25 mm que por una de 45 mm, y la velocidad está ligada a las pérdidas de carga. El caudal másico es la masa por unidad de tiempo: Qm = ρ · S · v. Como el agua apenas cambia de densidad a las presiones de trabajo (se considera incompresible), se usa el caudal volumétrico (por ejemplo, litros por minuto).

Energía de un fluido. El trabajo que la bomba aplica al agua queda almacenado en tres formas: energía de presión (por su presión estática), energía cinética (por su velocidad) y energía potencial (por su altura). Al trabajar sobre el agua puede variar su presión, su velocidad y su altura.

Ecuación de continuidad. Si el agua no se comprime, la masa que entra en un volumen de control es igual a la que sale: S₁ · v₁ = S₂ · v₂. En un estrechamiento el agua acelera y en un ensanchamiento se frena. Este caso particular no vale para una bomba o una lanza, donde solo se puede afirmar que el caudal que entra es igual al que sale.

Ecuación de Bernoulli. Mientras no se pierda ni se añada energía, la suma de las tres energías del agua, expresadas como alturas, es constante a lo largo de la conducción:

P/γ + v²/2g + z = constante, es decir, P₁/γ + v₁²/2g + z₁ = P₂/γ + v₂²/2g + z₂.

P/γ es la altura de presión; v²/2g, la altura de velocidad; z, la altura geométrica (energía potencial). La suma de altura de presión y geométrica se llama altura piezométrica. Si el agua pierde velocidad, gana altura o presión; si gana altura, tiene que variar su presión o su velocidad. En la realidad hay pérdidas, que se incorporan en la ecuación de línea.

Ecuación de descarga. Dentro de la conducción el agua tiene presión estática y velocidad; al salir por la lanza solo conserva velocidad. La relación entre ambas situaciones es la ecuación de descarga: v = kᵥ · √PL, donde PL es la presión en punta de lanza. Así, con la misma PL el agua sale a la misma velocidad sea cual sea el tamaño del orificio. Multiplicando por la sección se obtiene el caudal de la lanza:

Q = S · v = K · S · √PL

Consecuencias:

• Dos lanzas de distinto diámetro con la misma PL lanzan el agua a la misma velocidad, pero la de mayor sección da más caudal.

• Para variar el caudal hay que cambiar la sección (abrir o cerrar la lanza), la presión en punta, o ambas.

Calibrado de la lanza selectora de caudal. Es la más extendida en los servicios de bomberos. Su selector (caudalímetro) tiene cuatro posiciones con cuatro caudales marcados, válidos a una presión de referencia, normalmente 7 bar (también las hay calibradas a 6 bar). El fabricante ajusta en banco 7 bar en punta y modifica la sección hasta obtener el caudal de cada posición, es decir, determina KS = Q/√PL. Ejemplo para una lanza de 45 mm en la posición de 240 lpm: KS = 240/√7 ≈ 91, luego Q = 91 · √PL. Con 5 bar daría unos 203 lpm, y con 10 bar unos 288 lpm. Por tanto, la lanza solo da el caudal marcado si la presión en punta es la de calibrado; si no, hay que calcularlo con el KS, que el fabricante suele facilitar en una tabla.

Potencia de la bomba. Una bomba no crea energía: transforma la potencia mecánica del motor en potencia hidráulica del agua. La potencia mecánica es Pmec = M · ω (par motor por velocidad de giro). Como el motor del vehículo se une a la bomba por una toma de fuerza, el par es constante y la potencia solo se varía acelerando o decelerando el motor. La potencia hidráulica a la salida es PH = γ · Q · H (γ peso específico, Q en m³/s y H presión a la salida en mca). Despreciando pérdidas, Pmec = PH.

Curva característica. Representa la presión a la salida en función del caudal, a régimen de giro constante, y es decreciente. Si una bomba que mueve 100 lpm a 10 bar (equivale a subir 100 litros a 100 m en un minuto) tiene que mover 200 lpm sin acelerar, la misma potencia solo permitirá «subirlos» hasta unos 50 m. A régimen constante se cumple aproximadamente:

Q · H = constante

Es decir, la bomba centrífuga da mucho caudal a poca presión o mucha presión con poco caudal. Para tener más de ambos hay que acelerarla. Al aumentar el régimen de giro, las curvas caudal-altura se desplazan hacia arriba.

Caudal necesario. Cada incendio requiere un caudal capaz de neutralizar su potencia de fuego. Un estudio de incendios no residenciales en Londres (1994-1997) concluyó que en un 25 % de los casos los medios hidráulicos no bastaban para frenar la propagación, de donde surge el caudal táctico. La fórmula empírica de Paul Grimwood, válida para incendios de hasta 600 m², es:

QT = f · S (QT en lpm, S superficie incendiada en m²)

con f = 6 para carga de fuego elevada o fuego extendido más allá del recinto original que afecta a la estructura; f = 4 para riesgo ordinario (vivienda, oficina); y f = 2 para carga de fuego baja. Un local de 90 m² con varios recintos afectados exige 6 · 90 = 540 lpm.

A menudo se necesita mucho caudal lejos y alto (edificios de gran altura, incendios forestales alejados), mientras que la bomba da poco caudal lejos y alto: hay que diseñar bien la instalación hidráulica de extinción.

Ecuación de línea. En la instalación más sencilla (bomba, manguera y lanza) es la lanza quien fija el caudal, con su apertura (KS) y su presión en punta (PL), y la bomba quien debe aportar esa presión. Despreciando pérdidas y presión dinámica, PB = HG + PL (HG, altura geométrica). Pero las pérdidas existen, y la ecuación real es:

PB = HG + PL + PC

Ejemplo: un fuego en una planta 30 (100 m) con PL de 7 bar exigiría 17 bar sin pérdidas; pero 100 m de manguera de 25 mm con 200 lpm pierden unos 30 bar, y la bomba necesitaría 47 bar.

Pérdidas de carga. Dependen del material, la longitud, el diámetro y la velocidad (o caudal). Lo resume la ecuación de Darcy-Weisbach: PC = (8·f / π²·g) · L·Q²/D⁵. Son inversamente proporcionales a la quinta potencia del diámetro: pasar de 25 a 45 mm las reduce muchísimo. Conviene que el agua circule despacio, en torno a 3 m/s. No dependen de la presión en conductos rígidos, pero las mangueras, por encima de unos 16 bar, se dilatan y pierden algo menos. Una aproximación práctica: PC = (k/10) · (Q²/10.000) · (L/100), con PC en bar, Q en lpm, L en m y k = 60 (25 mm), 3,2 (45 mm) y 0,35 (70 mm).

Método de la mano (aproximado, para tendidos de 25 mm): el pulgar es el número de mangueras de 25 (N25); índice, 50 lpm y 0,5 bar de pérdida por manguera; corazón, 100 lpm y 1 bar; anular, 150 lpm y 1,5 bar; meñique, 230 lpm y 4 bar. Se cuentan unos 3 m por planta y 7 bar en punta:

PB = N25 · PC + HG + 7

Ejemplos: 4 mangueras a un 4.º piso a 150 lpm: 4 · 1,5 + 1 + 7 = 14 bar; 6 mangueras a un 7.º piso a 230 lpm: 6 · 4 + 2 + 7 = 33 bar.

Punto de funcionamiento. La presión necesaria en bomba en función del caudal forma la curva resistente de la instalación, creciente con el caudal. El punto de funcionamiento es el corte entre esa curva y la curva característica de la bomba. Si se acelera la bomba, sube la presión en punta y el caudal. Si se abre la lanza (más KS), aumenta el caudal, baja la presión de trabajo y la PL (más pérdidas) y el agua sale más despacio. Si se cierra (menos KS), baja el caudal, sube la presión de trabajo y la PL (menos pérdidas) y el agua sale más rápida.

El hidrante es un dispositivo hidráulico situado en el exterior de los edificios que suministra agua a mangueras o monitores acoplados directamente, o a las cisternas y bombas de los vehículos de extinción.

Tipos (normas UNE):

• Hidrante de columna (UNE-EN 14384). Columna unida a la red general que sobresale del suelo; se designa con las siglas CHE («columna hidrante al exterior»). Puede ser de columna húmeda, con el cuerpo siempre lleno de agua, o de columna seca, que solo se llena al usarlo.

• Hidrante bajo nivel de tierra (UNE-EN 14339). Alojado en una arqueta con tapa y cerco de fundición; diámetro de 80 o 100 mm y posible drenaje. La norma no fija sus salidas, pero en el de 100 mm lo habitual es una boca de 100 mm o dos de 70 mm. El agua se toma mediante codos o tomas de hidrante.

Partes del hidrante de columna:

• Cabeza: parte visible que soporta el resto.

• Bocas de salida: con racor para las mangueras; su eje es horizontal o inclinado hacia abajo entre 60° y 90° respecto a la vertical.

• Mecanismo de accionamiento: permite abrir y cerrar manualmente.

• Conjunto de cierre: válvula de asiento que cierra en el mismo sentido que el flujo. En los secos, la válvula está junto a la conexión con la tubería general; en los húmedos, dentro de cada boca.

• Carrete: une cabeza y cuerpo de válvula ajustando la distancia.

• Válvula de drenaje (solo en los secos): vacía la columna tras el cierre para evitar daños por heladas.

Diámetros y salidas habituales:

• 80 mm: una salida de 70 mm y dos de 45 mm.

• 100 mm: una salida de 100 mm y dos de 70 mm.

• 150 mm: igual que el de 100 (poco frecuente en columna húmeda). Con 150 mm la norma exige al menos dos salidas, y el diámetro del cuerpo nunca puede ser menor que el de las salidas.

Las bocas llevan racores tipo Barcelona (UNE 23400) con tapas sujetas por cadena; en las de 100 mm se usan a menudo otros racores (Storz, roscados). Los hidrantes de columna se designan con las letras A, B, C o D, pero el RIPCI (Real Decreto 513/2017) solo admite los de rango de par «2» y tipos «B» o «C», y solo el «C» donde se prevean heladas; los bajo tierra deben tener una PFA de 1.600 kPa (16 kg/cm²) (anexo I, sección 1.ª, apartado 3.2).

Caudal, presión y emplazamiento (RIPCI, anexo I, sección 1.ª, apartado 3). Cada boca debe dar un caudal ininterrumpido mínimo de 500 l/min. La presión mínima en la boca de salida es de 500 kPa (5 kg/cm²), para contrarrestar las pérdidas de carga de mangueras y lanzas durante la impulsión directa; en zonas urbanas donde el hidrante solo se use para llenar camiones basta con 100 kPa (1 kg/cm²). Para considerar una zona protegida, el recorrido real hasta cualquier hidrante debe quedar por debajo de 100 m si la zona es urbana y de 40 m si no lo es, al menos uno (a ser posible, a la entrada del edificio) debe tener una salida de 100 mm perpendicular a la fachada y de espaldas a ella, y los que no estén en la vía pública se sitúan entre 5 y 15 m de la fachada. Deben estar fácilmente accesibles, fuera de zonas de circulación y estacionamiento, y señalizados. El mecanismo se acciona con llave de cuadradillo de 30 × 30 mm en los de columna y de 25 × 25 mm en los bajo tierra, girando en el sentido de las agujas del reloj para cerrar; las tapas de los bajo tierra, preferentemente rojas o con la inscripción «incendios».

Obligatoriedad. Según el CTE DB SI (sección SI 4), deben instalarse hidrantes exteriores, entre otros casos, cuando la altura de evacuación descendente supera 28 m o la ascendente 6 m, y en establecimientos con densidad de ocupación mayor de una persona cada 5 m² y superficie construida entre 2.000 y 10.000 m². La dotación es de al menos un hidrante hasta 10.000 m² y uno más por cada 10.000 m² adicionales o fracción, pudiendo contarse los de la vía pública situados a menos de 100 m de la fachada accesible. Esa tabla da umbrales propios para otros usos (por ejemplo, residencial vivienda, administrativo y docente, uno entre 5.000 y 10.000 m²; residencial público y hospitalario, entre 2.000 y 10.000 m²; comercial y aparcamiento, entre 1.000 y 10.000 m²).

Columna seca. Instalación fija de uso exclusivo de bomberos para extinguir incendios en edificios de altura. Es una tubería de acero galvanizado de 80 mm, normalmente vacía, que sube por la caja de escalera desde la fachada; los bomberos conectan sus equipos a la toma de fachada y aportan el caudal y la presión necesarios.

Según el RIPCI (Real Decreto 513/2017, anexo I, sección 1.ª, apartado 6):

• Toma de agua en fachada o en zona fácilmente accesible a los servicios de extinción: conexión siamesa con llaves y racores de 70 mm, con tapa, y llave de purga de 25 mm para vaciar la instalación tras usarla. Lleva la indicación «USO EXCLUSIVO SERVICIOS DE EXTINCIÓN DE INCENDIOS», y en las tomas se identifican las plantas o zonas a las que da servicio y la presión máxima de servicio. Junto a ella se reserva un emplazamiento libre y señalizado para el camión de bombeo.

• Columna de tubería de acero galvanizado DN80.

• Salidas en planta: conexión siamesa con llaves y racores de 45 mm con tapa, en recintos de escalera o en sus vestíbulos previos. En las columnas ascendentes hay salida en las plantas pares hasta la 8.ª y, por encima de ella, en cada planta, y una válvula de seccionamiento cada cuatro plantas, por encima de la salida correspondiente; en las descendentes, salida y válvula de seccionamiento en cada planta. Las llaves de seccionamiento (siempre abiertas) permiten cerrar las plantas que no se usan para mejorar el rendimiento de la bomba.

• El centro de las bocas, tanto de la toma exterior como de las salidas, queda a 0,90 m sobre el suelo; las válvulas son de bola con palanca.

• Debe haber columnas suficientes para que el recorrido hasta alguna sea menor de 60 m, cada una con su toma independiente.

• Antes de la puesta en servicio se prueba durante dos horas a la presión máxima de servicio y, como mínimo, a 1.470 kPa en columnas de hasta 30 m y 2.450 kPa en las de más de 30 m.

Según el CTE DB SI (SI 4) se exige columna seca, entre otros casos, en edificios con más de 24 m de altura de evacuación, en uso hospitalario con más de 15 m, y en aparcamientos con más de tres plantas bajo rasante o más de cuatro sobre rasante, con tomas en todas sus plantas. Los municipios pueden sustituir esta exigencia por una instalación de BIE cuando, por el emplazamiento del edificio o por la dotación de los servicios públicos de extinción, no quede garantizada la utilidad de la columna seca (nota 5 de la tabla 1.1). La altura de evacuación es la máxima diferencia de cota entre un origen de evacuación y su salida del edificio, sin contar plantas de ocupación nula.

Bocas de incendio equipadas (BIE). Instalación para la primera intervención, conectada permanentemente a una red de agua siempre en carga. Elementos: boquilla-lanza, manguera, racores, válvula de cierre, manómetro (en la válvula) y soporte. Según la norma EN 671 hay dos tipos:

• BIE con manguera semirrígida (EN 671-1): la manguera conserva la sección circular sin presión, así que funciona sin desenrollarla del todo. El RIPCI solo admite la de 25 mm de diámetro interior, de 30 m como máximo; la manguera es estanca a 1,8 MPa (18 bar). Soporte de devanadera (fija o pivotante) con discos rojos de hasta 800 mm y tambor de al menos 200 mm. La lanza permite cierre, pulverización y/o chorro compacto; la válvula cierra en sentido horario.

• BIE con manguera plana (EN 671-2): la manguera solo es circular a presión, por lo que hay que desplegarla entera antes de abrir. El RIPCI solo admite la de 45 mm, de 20 m como máximo. Puede montarse en hornacina con tapa, armario empotrado o armario de superficie, con soporte de devanadera giratoria o con la manguera plegada.

Instalación de las BIE (RIPCI, anexo I, sección 1.ª, apartado 5). Factor K mínimo 42 (semirrígida) y 85 (plana). La red debe asegurar durante una hora el caudal de las dos BIE hidráulicamente más desfavorables: 85 l/min en la semirrígida (con K=42, presión mínima de 4 bar a la entrada) y 160 l/min en la plana (con K=85, 3,5 bar), sin superar 9 bar. La boquilla, la válvula y la apertura del armario quedan como máximo a 1,50 m del suelo; se coloca una BIE a 5 m como máximo de cada salida de sector; el radio de acción es la longitud de la manguera más 5 m, y la separación máxima entre BIE, 50 m. Antes de la puesta en servicio la red se prueba a la presión máxima de servicio y, como mínimo, a 980 kPa durante dos horas. La semirrígida lleva además una toma de 45 mm para los servicios de extinción.

El CTE DB SI exige BIE, entre otros casos, en zonas de riesgo especial alto por combustibles sólidos, en uso hospitalario en todo caso, en uso administrativo y docente por encima de 2.000 m², en residencial público por encima de 1.000 m² o con alojamiento para más de 50 personas, y en uso comercial, de pública concurrencia y aparcamiento por encima de 500 m² construidos. En esos usos serán de 25 mm; en las zonas de riesgo especial alto serán de 45 mm, salvo en residencial vivienda, donde también serán de 25 mm.

Bomba centrífuga. También llamada rotodinámica, es la máquina más empleada para bombear líquidos. Es siempre rotativa y transforma la energía mecánica que recibe el impulsor en velocidad o presión del agua: el líquido entra por el centro del rodete, los álabes lo guían y la fuerza centrífuga lo lanza hacia la carcasa, que lo conduce a la salida o al rodete siguiente. Cuantas más etapas (rodetes en serie), más presión: las bombas de los vehículos dan su caudal nominal a unos 10 bar en presión normal (FPN, en la designación de la UNE-EN 1028-1) y a unos 40 bar en alta presión (FPH).

Bombas de los vehículos. Los vehículos con bomba de aspiración e impulsión (autobombas) son de ataque (ligeras, pesadas o forestales) o de abastecimiento (nodrizas). Montan bombas centrífugas de eje horizontal, de un cuerpo (baja presión) o de más, normalmente dos (presión combinada); estas últimas dan grandes caudales a baja presión o caudales menores a presión más alta. Reciben la potencia del motor del propio camión mediante una caja de transferencia, se conectan desde la cabina o la parte trasera y se manejan desde el panel de mandos trasero. Deben permitir:

• impulsar agua en baja, en alta o en ambas presiones a la vez, con el vehículo parado o en marcha;

• aspirar agua de una fuente de abastecimiento.

Sus partes: colectores de aspiración (alimentación desde el depósito o por mangote), cuerpo de bomba, colectores de impulsión (a los que se acoplan las líneas de manguera) y elementos auxiliares (manómetros, cebador, válvulas, racores). Las regulan la UNE-EN 1028 y la UNE 23900. Cada fabricante monta colectores con uno, dos, tres o cinco rodetes.

Límite de aspiración. Para llenar la cisterna desde un depósito, pozo o balsa situado más abajo, la bomba crea una presión inferior a la atmosférica y el agua sube por los mangotes. Aunque la presión atmosférica equivale a unos 10,33 m de columna de agua, en la práctica no se puede aspirar con bombas centrífugas a más de 7,5–8 m de profundidad.

Motobomba auxiliar. Bomba centrífuga portátil sobre bastidor o remolque, con motor de gasolina monocilíndrico de cuatro tiempos, bastidor tubular protector y bomba de una etapa autoaspirante; arranque normalmente manual. Las que atacan el fuego directamente priman la presión (muy usadas en incendios forestales); las de achique priman el caudal. No dependen de cables ni conexiones.

Motobomba flotante. Como la anterior pero con flotador de poliuretano; no necesita tubo de aspiración ni cebado, tolera agua salobre o muy dura y aspira a ras de agua, por lo que sirve con muy poca profundidad. Da entre 600 y 1.200 l/min.

Turbobomba. Usa como fuerza motriz el agua impulsada por otra bomba: una cavidad con turbina, conectada en circuito cerrado a la bomba del vehículo, mueve el rodete de una segunda cavidad que impulsa el líquido a trasvasar, con toma inferior protegida por filtro. Racores Barcelona de 70 mm, baja presión. Prohibido usarla con líquidos de temperatura de autoignición inferior a 200 °C, por riesgo de explosión.

Electrobomba sumergible. Bomba eléctrica centrífuga que trabaja dentro del líquido, por lo que no necesita cebado; racor de 70 mm. No apta para líquidos inflamables ni locales con riesgo de explosión.