Tema 25: Hidráulica para bomberos, conceptos elementales de mecánica de fluidos, unidades, bombas contra-incendios

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.