Introducción a la Hidráulica y Fluidos

Hidráulica

• Es la rama de la física centrada en el comportamiento de los fluidos, considerando sus propiedades específicas y las fuerzas que actúan sobre ellos.

Fluidos

• Un fluido es cualquier sustancia que puede fluir, incluyendo líquidos y gases.
• Los fluidos no mantienen una forma definida.
• Los gases se expanden para llenar el recipiente, mientras que los líquidos ocupan el recipiente de forma parcial o total.
• Los gases son compresibles, mientras que los líquidos se consideran prácticamente incompresibles.
• Los líquidos son más densos que los gases.

Masa

• La masa (m) es la medida de la cantidad de materia en un cuerpo, medida en kilogramos (kg) en el Sistema Internacional de Unidades (SI).

Densidad

• La densidad (ρ) es la relación entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.

Densidad Relativa

• La densidad relativa (ρrelativa) compara la densidad de una sustancia con la densidad del agua.

Peso Específico

• El peso específico (γ) es el peso de un cuerpo por unidad de volumen.

Peso Específico Relativo

• El peso específico relativo (γrelativo) compara el peso específico de una sustancia con el peso específico del agua.

Viscosidad Dinámica o Absoluta

• La viscosidad dinámica o absoluta (μ) se define como la resistencia de un fluido al movimiento, es decir, su resistencia a fluir.
• Cuanto mayor es la resistencia a la deformación de un fluido, más viscoso es; por ejemplo, el agua es menos viscosa que la miel.
• A mayor temperatura, la viscosidad disminuye en líquidos y aumenta en gases.

Velocidad Cinemática

• La velocidad cinemática (ν) es el cociente entre la viscosidad dinámica (μ) y la densidad (ρ).
• Indica cuán viscoso es un fluido en relación con su densidad; por ejemplo, el aceite es menos denso que el agua pero más viscoso.

Hidrostática

• Es la rama de la hidráulica que estudia los fluidos en reposo.
• Sus principales teoremas son el principio de Pascal y el principio de Arquímedes.

Presión

• La presión es la fuerza por unidad de superficie.
• Su unidad de medida en el Sistema Internacional (SI) es el Pascal (Pa).
• 1 atm = 760 mm de Hg = 1,01325 bar = 101325 Pa = 10,33 m.c.a. = 1,033 kp/cm² = 14,7 psi.
• 1 bar = 10^5 Pa.
• La presión atmosférica es la que ejerce el aire sobre la superficie terrestre, variando con la altitud y las condiciones meteorológicas.
• La presión atmosférica normalizada a nivel del mar es de 1 atm = 760 mm de Hg = 101325 Pa.
• Se mide con un barómetro.
• La presión relativa o manométrica mide el exceso de presión respecto a la presión atmosférica y se mide con un manómetro.
• La presión de vacío es inferior a la presión atmosférica y se mide con un vacuómetro, variando de 0 a -1 atm.
• La presión absoluta se mide respecto a un vacío perfecto.

Presiones

• Las presiones absoluta, manométrica o relativa y de vacío siempre son positivas.
• Si un manovacuómetro marca -0,2 bar, la presión absoluta es de 0,8 bar.
• Si un manómetro marca 0 bar, la presión absoluta es igual a la atmosférica (1 atm); si marca 3 bar, la presión absoluta es de 4 bar.

Ecuación fundamental de la hidrostática

• En un líquido, la presión estática en un punto depende de la profundidad.
• P = ρgh, donde P es la presión, ρ es la densidad, g es la gravedad y h es la altura.
• La presión estática absoluta es la suma de la presión estática del líquido y la presión atmosférica (PT = ρgh + Patm).
• La presión estática de un fluido es independiente de la velocidad.
• La presión estática aumenta con la profundidad.
• A una misma profundidad, todos los puntos de un mismo fluido tienen la misma presión estática.
• A igual profundidad, la presión estática es mayor en el fluido de mayor densidad o peso específico.
• La presión estática no depende de la forma del recipiente.
• La presión estática ejercida por un fluido es perpendicular a la superficie del recipiente.

Principio de Arquímedes

• Un cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical ascendente igual al peso del fluido desalojado.
• Este empuje se conoce como empuje hidrostático o de Arquímedes.

Principio de Pascal

• La presión aplicada a un fluido incompresible en un recipiente se transmite con igual intensidad en todas direcciones.
• La prensa hidráulica es una aplicación fundamental de este principio.
• Al aplicar una fuerza inicial en el punto 1, si S2 es mucho mayor que S1, la fuerza resultante en el punto 2 es mucho mayor que la aplicada en el punto 1.
• Este principio se utiliza en equipos de excarcelación, usando aceite hidráulico.

Hidrodinámica

• Es la parte de la hidráulica que estudia el comportamiento de los fluidos en movimiento, analizando tensiones y esfuerzos.
• Los principios fundamentales que rigen el flujo de un fluido son el principio de conservación de masa, la ley de conservación de la energía (Ecuación de Bernoulli) y el principio de la cantidad de movimiento.

Tipos de Fluidos

• Según la variación de densidad:
• Flujo incompresible: la densidad permanece constante (ej., agua).
• Flujo compresible: la densidad varía (ej., aire).
• Según la variación de velocidad:
• Flujo permanente: las condiciones de velocidad no cambian con el tiempo.
• Flujo no permanente: las condiciones varían con el tiempo.
• Según la viscosidad:
• Viscosos: la viscosidad afecta el comportamiento del fluido.
• No viscosos: la viscosidad es despreciable.
• Según el número de Reynolds:
• Flujo laminar: Número de Reynolds < 2000.
• Flujo turbulento: Número de Reynolds > 4000.
• Régimen de transición: Número de Reynolds entre 2000 y 4000.

Caudal de una Instalación

• Es la cantidad de líquido que pasa por una sección transversal de una conducción por unidad de tiempo.
• Q = V/t, donde Q es el caudal (m³/s) y para los cálculos en bomberos se utilizan L/min.
• La ecuación de continuidad indica que el fluido debe circular a mayor velocidad en secciones de manguera más pequeñas para mantener el caudal constante.
• Q = S·v, donde S es la superficie y v es la velocidad.
• Si se duplica la velocidad del fluido, se duplica el caudal.
• Si se duplica el diámetro de la conducción, el caudal se cuadruplica.

Energía del Fluido y la Ecuación de Bernoulli

• La energía mecánica total de un fluido ideal (incompresible y no viscoso) es constante a lo largo de una línea de corriente (ET1 = ET2).
• ET = Epre + Ec + Ep, donde Epre es la energía de presión, Ec es la energía cinética y Ep es la energía potencial.

Ecuación de la Energía

• La ecuación de Bernoulli asume un fluido incompresible y sin rozamiento, idealizaciones que no se cumplen en instalaciones de bomberos.
• Se deben considerar las pérdidas de carga por rozamiento.
• Pérdidas de carga producidas por el rozamiento, la energía aportada al fluido por una bomba y la energía absorbida por un motor.
• E1 + Hb = E2 + Hf + Hm

Pérdidas de Carga

• Son pérdidas de presión al avanzar el fluido, y pueden ser singulares o secundarias, y continuas o principales.
• Las singulares se deben a turbulencias en codos, bifurcaciones, etc., y pueden despreciarse si son menos del 5% de las pérdidas totales, o si la longitud entre singularidades es mayor a 1000 veces el diámetro interior de la tubería.
• Las continuas se deben al rozamiento del fluido con la manguera y dependen del diámetro, rugosidad, velocidad y viscosidad.
• Para calcular las pérdidas de carga en bomberos, se utiliza la ecuación de Darcy-Weisbach en función del caudal.
• Las pérdidas de carga son directamente proporcionales a la longitud de la instalación (L) y al cuadrado del caudal (Q).
• Las pérdidas de carga son inversamente proporcionales a la quinta potencia del diámetro de la instalación.
• El factor que más influye en la pérdida de carga es el diámetro de la manguera.

Aplicaciones del Teorema de Bernoulli

• Efecto Venturi: Al circular un fluido por una tubería estrecha, aumenta su velocidad y disminuye la presión.

Ecuación de Descarga

• La ecuación de descarga, también conocida como de Torricelli, permite calcular la velocidad de salida de un fluido por un orificio debido a la gravedad o la presión.

Reacción en Punta de Lanza

• Según el principio de acción y reacción, el agua impulsada por la lanza genera una fuerza igual y opuesta (reacción).

Golpe de Ariete

• Una sobrepresión y depresión consecutivas que ocurre en una tubería al variar bruscamente el caudal.

Bombas Hidráulicas

• Hay dos grandes grupos:
• Turbobombas: Aumentan la velocidad del fluido transformando la energía cinética en energía de presión. Pueden ser centrífugas, helicocentrífugas o axiales, según la trayectoria del fluido.
• Bombas de desplazamiento positivo: Aplican una fuerza a una serie de cámaras que se llenan y vacían periódicamente transformando directamente la energía en presión.

Bombas Centrífugas

• Se ajustan bien a los trabajos de bomberos, compuestas por una entrada al rodete y un rodete móvil que gira solidariamente al eje de la bomba en sentido antihorario.
• Un difusor formado por paletas alrededor del rodete. Su función es reducir la velocidad del fluido a la salida del rodete, convirtiendo energía cinética en energía de presión y haciéndola más eficaz. No todas las bombas tienen difusor.
• Una voluta o caracol. El fluido que sale del difusor o del rodete, en caso de no haber difusor, entra y al avanzar por este, como este va aumentando progresivamente su sección desde la entrada a la salida el mismo y el caudal es igual a la entrada y a la salida, va disminuyendo progresivamente la velocidad del fluido que circula por su interior convirtiendo así parte de la energía cinética en energía de presión.

Curvas Características

• Altura (H) en función del caudal (Q): valor máximo para un caudal nulo, disminuyendo a medida que aumenta el caudal.
• Potencia (P) en función del caudal (Q).
• Rendimiento (η) en función del caudal (Q).

Punto Óptimo de Funcionamiento de la Bomba

• Es donde su rendimiento energético es máximo.
• La potencia hidráulica siempre es menor que la potencia absorbida, debido a pérdidas producidas por fricciones de piezas, rozamiento del fluido, etc.,
• Las bombas de los camiones de bomberos se usan en muchos servicios con instalaciones cambiantes, necesitando un punto de funcionamiento diferente.
• Para esto, las bombas centrífugas disponen de un mando de aceleración que permite regular las revoluciones del motor transmitidas al rodete.
• El límite superior de revoluciones es variable, aunque no suele exceder las 5.000 r.p.m.

Leyes de Semejanza en Bombas Centrífugas

• Definen la variación de la velocidad de giro N (r.p.m.) sobre el caudal, la altura y la potencia hidráulica.

Bombas Monocelulares y Multicelulares

• Atendiendo al número de rodetes que tengan las bombas, pueden ser monocelulares o multicelulares, siendo las monocelulares las más convencionales.
• Normalmente los BUP de los servicios de extinción tienen bombas multicelulares (2 rodetes):
• Para baja presión actúan como una bomba monocelular (solo utilizan 1 rodete).
• Para alta presión utilizan los 2 rodetes. La salida del rodete de bajo se añade a la entrada del rodete de alta. de alta recoge el agua que sale del rodete de baja y le añade más momento cinético aumentando así la energía cinética recibida por el agua que posteriormente se convertirá en presión.

Punto de Funcionamiento de una Instalación

• La presión necesaria en bomba (PB) para que los bomberos dispongan del caudal requerido en punta de lanza, es la suma de la presión en lanza (PL), la altura geométrica (H) y las pérdidas de carga (Pc)
• PB = PL + H + Pc.

Cavitación

• En un líquido, la presión de vapor es la presión de la fase gaseosa o vapor sobre la fase líquida a una temperatura determinada, en la que la fase líquida y el vapor se encuentran en equilibrio dinámico.

• La presión de vapor de una sustancia es una medida de su grado de volatilidad y aumenta con la temperatura.

• La temperatura de ebullición, es la temperatura a la que una sustancia pasa de estado líquido a gaseoso

• Es la formación de cavidades llenas de vapor en el seno del líquido en movimiento, en dos fases:

• Descenso local de la presión provocando un cambio de estado líquido a gaseoso.

• Al alcanzar zonas de mayor presión, estas burbujas implosionan.

• En las instalaciones utilizadas por los bomberos, los lugares donde hay mas posibilidades de que aparezca cavitación son:

• Partes fijas:

• Brida de aspiración (entrada al rodete).

• Estrangulamientos bruscos como válvulas a medio abrir donde para mantener el caudal el agua debe aumentar su velocidad, provocando un descenso de presión que si alcanza la presión de vapor del agua a la temperatura que se encuentre, formará burbujas de vapor. Al salir del estrechamiento y reducir su velocidad, se producirá un aumento de presión, pasando estas burbujas de estado gaseoso a líquido (implosionarán).

• Partes móviles: Rodetes de bombas:

• Se alcanza la presión de vapor de agua a la temperatura que se encuentre, se formarán burbujas de vapor.

  • A partir de este punto de mínima presión, el rodete comunica energía al fluido aumentando la presión y hace implosionar las burbujas.

• El agua, al vaporizarse aumenta su volumen 1700 veces y el agua tiende a ocupar los espacios vacíos dejados por las burbujas pudiendo llegar a generar presiones locales que pueden alcanzar los 1000 bares golpeando contra las superficies presentes como los álabes del rodete.

• Los efectos de las cavitaciones en las bombas son:

• Se escuchan los golpes del líquido sobre la pared.

• Aparecen nubes blancas en el interior del líquido.

• Se producen vibraciones, disminuyendo su la potencia y el rendimiento y produciendo su rotura.

• La aparición de la cavitación depende de:

• Las condiciones de aspiración donde Caudales elevados o mangotes de diámetros pequeños favorecen la cavitación. -La energía cinética del fluido a la entrada de la bomba.

• El trabajo necesario para vencer el rozamiento existente desde la entrada del fluido al cuerpo de bomba y hasta la llegada al punto de mínima presión en el interior del rodete.

• La altura resta positiva en la aspiración disponible (NPSHa) y la altura resta positiva en la aspiración requerida (NPSHr).

• Para no producir cavitación en bombas y altura máxima de aspiración:

• Al aspirar un fluido, lo que sucede con la energía de presión que este tiene es:una parte se transforma en energía potencial y cinética, otra parte se usa para vencer el rozamiento y otra parte permanecerá en forma de presión.

• En la entrada de la bomba habrá una presión manométrica negativa donde a mayor altura de aspiración mayor será la presión negativa necesaria en la entrada de la bomba.

Recirculación del Agua y el Sifón de la Bomba

• Las bombas de los camiones de bomberos, tienen un sifón o válvula de llenado de cisterna que va desde la etapa de baja hasta la cisterna. Normalmente se usa para refrigerar el cuerpo de bomba y evitar el sobrecalentamiento del agua en su interior cuando no estamos tirando agua.

Efectos de refrigerar:

• Los deflectores de las cisternas tienen una resistencia al impacto entre 5 y 7 bares donde al abrir el sifón por encima de los 6 o 7 bares terminaremos dañando la cisterna.
• Al abrir parcialmente la válvula, generaremos una carga singular muy elevada dañándola por la cavitación.
• Usar el sifón solo debe usarse para llenar la cisterna a través de la bomba durante la aspiración o refrigerar con la bomba trabajando a presiones inferiores a 5 bares.