Manual de Incendios PDF, Capítulo 2, Técnicas - Propiedades de los Fluidos

Manual de incendios 1. propiedades de los fluidos 1.5. visCosidad Dentro de la mecánica, la hidráulica es una rama que estu-...

Manual de incendios 1. propiedades de los fluidos 1.5. visCosidad Dentro de la mecánica, la hidráulica es una rama que estu- Tabla 1. Densidades relativas dia las propiedades mecánicas de los fluidos en función Mercurio 13,6 de sus propiedades específicas y de las fuerzas y las con- diciones a las que pueden estar sometidos. Hierro 7,8 Grava 2,2 1.1. masa Hielo 0,85 La masa es una magnitud física que indica la cantidad de Aceite 0,8 materia que posee un cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el kilogramo (kg). Aunque Madera 0,5 está relacionada con el peso, no es la misma medida ya que la masa es una magnitud escalar (se representa con un número) y el peso es una magnitud vectorial (se representa con un vector). La viscosidad es una propiedad de los fluidos que carac- teriza su oposición a las deformaciones tangenciales. Esta propiedad se debe a las fuerzas de cohesión molecular. To- 1.2. densidad dos los fluidos conocidos poseen esta propiedad. El mode- lo de viscosidad nula es una aproximación aceptada para La densidad es una magnitud vectorial que expresa la ciertas aplicaciones. Se denomina fluido ideal a aquel que cantidad de masa en un determinado volumen de una carece de viscosidad. sustancia. Se representa con el símbolo ρ. La densidad La viscosidad sólo se manifiesta en líquidos en movi- media es la razón entre la masa de un cuerpo y el volumen miento. Por ese motivo se define la viscosidad como la que ocupa. relación existente entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad, y se denomina viscosidad absoluta o visco- sidad dinámica. La viscosidad se representa habitualmente por la letra griega μ. Unidades: [kg / m3] Un fluido sometido a fuerzas cortantes se deforma y forma capas paralelas, a lo largo de cada una de las cuales la 1.3. peso espeCífiCo velocidad es constante. El peso específico, representado por el símbolo γ, es la relación que existe entre el peso de un cuerpo y el volu- men que ocupa. Unidades: [N / m3] 1.4. densidad relativa y peso espeCífiCo relativo La densidad relativa y el peso específico relativo se obtie- nen al comparar los valores absolutos de densidad y peso específico con los valores de una sustancia patrón. Como sustancia patrón se emplea el agua a 4ºC y 1 atmósfera: Imagen 1. Viscosidad 64 Documento bajo licencia Creative Commons CC BY-NC-SA 4.0 elaborado por Grupo Tragsa y CEIS Guadalajara. No se permite un uso comercial de la obra original ni de las posibles obras derivadas, la distribución de las cuales se debe hacer con una licencia igual a la que regula la obra original. Asimismo, no se podrán distribuir o modificar las imágenes contenidas en este manual sin la autorización previa de los autores o propietarios originales aquí indicados.  Parte 2. Hidráulica Caracterización a) Ley de Newton para la viscosidad saturado. Esta propiedad tiene una relación inversamente proporcional con las fuerzas de atracción entre las molé- La resistencia que opone un fluido a su deformación depen- culas. Cuanto mayor es el módulo de dichas fuerzas, ma- de tanto de su viscosidad como de la velocidad a la que se yor debe ser la cantidad de energía entregada (en forma realiza la deformación. Por ejemplo, es posible extraer len- de calor u otra manifestación) para vencerlas y producir el tamente una cuchara de un tarro lleno de miel con facilidad, cambio de estado. pero si se tira bruscamente de ella, la resistencia aumenta hasta el punto de que el tarro puede quedar colgado de la cuchara. Un efecto similar tiene lugar cuando un fluido circu- la por una conducción o un avión se mueve en el aire: a más velocidad, mayor resistencia. b) Capa límite “Un fluido que está en contacto con una frontera sólida tie- ne la misma velocidad que la frontera”. (Goldstein, 1939). Este principio explica la resistencia que oponen los fluidos a los sólidos que quieren atravesarlos. De esta forma cuan- do un barco se mueve, el rozamiento no se realiza entre el barco y el agua, sino entre la capa de agua que se adhiere al barco y la inmediata. Esto ocurre de la misma manera en un avión. Si se supone que un fluido se mueve con relación a un contorno (es igual a todos los efectos que sea el contorno el Imagen 2. Curva de presión del vapor de agua que se mueva), la lámina de fluido en contacto con el sólido queda pegada al mismo, y su velocidad relativa es nula. A Si se plantea una burbuja de cristal en la que se ha realiza- cierta distancia δ del contorno, otra lámina tiene práctica- do el vacío y que se mantiene a una temperatura constante mente la velocidad máxima. Las velocidades de las infinitas y se introduce cierta cantidad de líquido en su interior, este láminas intermedias varían entre ambos valores extremos, se evaporará al principio con rapidez, hasta que se alcance lo que permite el deslizamiento de unas capas sobre otras. el equilibrio entre ambas fases. La viscosidad depende principalmente de la temperatura Al principio sólo se produce la evaporación, ya que no hay y, en menor medida, de la presión. Al contrario de lo que vapor. Sin embargo, a medida que la cantidad de vapor ocurre con los líquidos, la viscosidad en los gases aumenta aumenta –y con ella la presión en el interior de la burbu- con la temperatura. Aunque es muy relevante en el estudio ja de cristal–, se incrementa también la velocidad de con- de los fluidos esta propiedad, se tomará como referencia densación. Transcurrido cierto tiempo ambas velocidades que el agua está a temperatura ambiente y las fórmulas se igualan. En ese instante se alcanza la máxima presión para calcular las pérdidas de carga no tendrán en cuenta posible en la burbuja (presión de vapor o de saturación), los cambios de viscosidad. que no podrá superarse a no ser que se incremente la tem- Un líquido viscoso opone una mayor resistencia al movi- peratura. miento y sufre una pérdida mayor de presión en las conduc- El equilibrio dinámico se alcanza con más rapidez cuan- ciones que uno menos viscoso. to mayor sea la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, pues ello favorece la evaporación del líquido. De la 1.6. presión de vapor misma forma, se seca más rápido un charco extenso de agua de poca profundidad que otro más pequeño pero de La presión de vapor es, para una temperatura concreta, la mayor profundidad, aunque ambos contengan la misma presión en la que la fase líquida y el vapor o fase gaseosa se cantidad de agua. El equilibrio se alcanza para ambos a la encuentran en equilibrio dinámico. Mientras ambas fases misma presión. estén presentes su valor es independiente de las cantidades El valor de la presión de saturación está determinado por de líquido y de vapor que existan. varios factores; el más importante es la propia naturaleza Este fenómeno también está presente en los sólidos. Cuan- del líquido. En general, entre líquidos de naturaleza similar do un sólido pasa al estado gaseoso sin pasar por el estado la presión de vapor a una temperatura dada es tanto menor líquido (proceso que se conoce con el nombre de sublima- cuanto mayor es el peso molecular del líquido. ción –al proceso inverso se le denomina sublimación inver- Por ejemplo, el aire al nivel del mar saturado con vapor de sa–), se habla también de presión de vapor. agua a 20ºC tiene una presión parcial de 23 mbar de agua, Cuando existe una situación de equilibrio, a las fases lí- y cerca de 780 mbar de nitrógeno, 210 mbar de oxígeno y quida y gaseosa se las denomina líquido saturado y vapor 9 mbar de argón. Documento bajo licencia Creative Commons CC BY-NC-SA 4.0 elaborado por Grupo Tragsa y CEIS Guadalajara. No se permite un uso comercial de la obra original ni de las posibles obras derivadas, la distribución de las cuales se debe hacer con una licencia igual a la que regula la obra original. Asimismo, no se podrán distribuir o modificar las imágenes contenidas en este manual sin la autorización previa de los autores o propietarios originales aquí indicados. 65  Manual de incendios La presión de vapor de un líquido a una temperatura deter- La tensión superficial –una manifestación de las fuerzas minada es la presión a la que dicho líquido se halla en equi- intermoleculares en los líquidos–, junto a las fuerzas que librio con su vapor en un determinado espacio. A presiones se producen entre los líquidos y las superficies sólidas en por debajo de esta presión de vapor el líquido comenzará a contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Su efecto es vaporizarse por la reducción de la presión en la superficie. la elevación o la depresión de la superficie del líquido en la zona de contacto con el sólido. A 15 ºC la presión de vapor del agua es de 0,0173 kgf / cm2, a 100 ºC es de 1,033 bares. En el interior del líquido las moléculas experimentan fuer- zas de atracción debidas a sus moléculas vecinas, cuya Un líquido empieza a hervir cuando su presión de vapor es resultante es nula tal y como muestra la ilustración ante- igual a la presión exterior. Por lo tanto el punto de ebullición rior. Si una molécula se encuentra en la superficie libre del normal de un líquido es la temperatura a la cual dicho líqui- líquido, en contacto con el aire, las fuerzas de interacción do posee una presión de vapor igual a la presión atmosfé- aire-líquido son menores que las fuerzas de interacción rica. Si se produce una disminución de la presión externa, líquido-líquido, por lo que existe una fuerza resultante diri- el punto de ebullición disminuye; un aumento de la presión gida hacia el interior del líquido. externa provocará un aumento del punto de ebullición. El efecto de las fuerzas intermoleculares es tirar de las mo- La presión de vapor debe tenerse en cuenta cuando se léculas hacia el interior de la superficie del líquido, lo que efectúan aspiraciones con bombas, para evitar los fenóme- las mantiene unidas y permite que formen una superficie nos de cavitación. lisa. La tensión superficial mide las fuerzas internas que hay que vencer para expandir el área de la superficie de un líquido. La energía necesaria para trasladar las molé- Tabla 2. Presión de vapor de agua culas de la masa líquida a su superficie para expandirla es Tª PVapor Tª PVapor lo que se denomina tensión superficial. Cuanto mayor es la tensión superficial, mayor es la energía necesaria para (ºC) (kg /cm2) (ºC) (kg /cm2) transformar las moléculas interiores del líquido a moléculas 0 0,006 70 0,317 superficiales. 10 0,012 80 0,482 La tendencia de todo sistema a evolucionar hacia un estado de equilibrio estable con una energía potencial mínima obli- 20 0,023 90 0,714 ga al fluido a adquirir una configuración en la que el área de 30 0,043 100 1,033 separación de la interfase líquida con otros medios sea lo más pequeña posible. Podría decirse, como analogía, que la 40 0,075 110 1,46 superficie libre de un líquido se comporta como una lámina 50 0,125 120 2,024 elástica que busca el equilibrio minimizando su área. 60 0,203 130 2,754 La tensión superficial explica también la formación de gotas en los líquidos: la gota (esfera) es la forma que ofrece me- nos superficie libre para un mismo volumen. Debido a los puentes de hidrógeno la tensión superficial del 1.7. tensión superfiCial agua es alta. La tensión superficial de un líquido es la cantidad de ener- gía que necesita para aumentar su superficie por unidad 2. HidrostátiCa de área. Esta definición implica que existe una resistencia para que el líquido aumente su superficie. La hidrostática es una rama de la mecánica de fluidos o de la hidráulica que estudia los fluidos en estado de equi- librio. Para que un fluido esté en estado de equilibrio no La tensión superficial deben existir fuerzas que alteren su movimiento o posición. de un líquido es la El estudio de la hidrostática está respaldado principalmente cantidad de energía por dos teoremas: el principio de Pascal y el principio de que necesita para au- Arquímedes. mentar su superficie por unidad de área. Esta definición im- 2.1. presión plica que existe una resistencia para que La presión es una magnitud física que mide la proyección el líquido aumente su de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de su- superficie. perficie. Por lo tanto se denomina presión a la fuerza ejer- Imagen 3. Tensión superficial cida por unidad de superficie. Se representa por el símbolo p y sirve para caracterizar cómo se aplica una determina- 66 Documento bajo licencia Creative Commons CC BY-NC-SA 4.0 elaborado por Grupo Tragsa y CEIS Guadalajara. No se permite un uso comercial de la obra original ni de las posibles obras derivadas, la distribución de las cuales se debe hacer con una licencia igual a la que regula la obra original. Asimismo, no se podrán distribuir o modificar las imágenes contenidas en este manual sin la autorización previa de los autores o propietarios originales aquí indicados.  Parte 2. Hidráulica Caracterización da fuerza resultante sobre una línea. La unidad de medida Los aparatos de medida suelen medir presiones relativas. para la presión en el Sistema Internacional de Unidades es el pascal (Pa), que equivale a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado. El término presión se usa con mucha frecuencia en el tra- bajo de bombero: se habla de presiones en bomba, pre- siones en punta de lanza, presiones de inflado, presión atmosférica, etc. a) Presión atmosférica Imagen 4. Manómetro para Imagen 5. Manómetro para medir presiones relativas medir presiones absolutas Es la presión que ejerce la atmósfera, consecuencia del peso por unidad de superficie, sobre cualquier punto de la c) Presión estática superficie terrestre. La presión atmosférica varía con la altitud (varía la grave- La presión estática es la presión que posee un fluido de dad y el volumen de aire que existe por encima disminuye) forma independiente a la velocidad del mismo. Se mide me- y con las condiciones meteorológicas (varía la densidad del diante la utilización de tubos piezométricos. La suma de la aire). presión estática y la presión dinámica (aquella que depende de la velocidad del fluido) que ejerce un fluido (líquido o El peso que ejerce una columna de aire a nivel del mar es gaseoso) se define como presión total. igual al peso que ejerce una columna de mercurio de 760 mm. Se define vacío como la extracción total o parcial del aire atmosférico (u otro fluido) de un recipiente. En la práctica no es posible realizar un vacío perfecto; siempre quedarán restos de fluido que ejercerán una determinada presión. 2.2. eCuaCión fundamental de la HidrostátiCa Tabla 3. Equivalencia de unidades Es la ecuación de equili- 1 ATM 1,033 Kg/cm2 brio de una masa líquida. 1 bar 1,019 Kg/cm2 Si se considera una colum- na de líquido de base S en- 1 ATM 1,013 Kg/cm 2 tre los puntos con altura Ya 1 ATM 10,33 m.c.a. e Yb, la diferencia de pre- 1 bar 100000 Pa siones entre las bases vie- ne dada por el propio peso Madera 0,5 de la columna de líquido. Imagen 6. Ecuación de equilibrio de Debido a la inexactitud de los aparatos de medida y a los una masa líquida bajos valores de presión que se manejarán, se puede des- preciar el error al establecer la siguiente equivalencia: b) Presión absoluta y presión relativa Se denomina presión absoluta si al medir se toma como referencia el cero absoluto, y presión relativa si al medir se Si se considera la diferencia de presiones entre la superfi- toma como referencia la presión atmosférica. La relación cie Yb = 0, que está a la presión atmosférica, y un punto a que existe entre ambas es: profundidad Ya = h, la ecuación anterior queda: Documento bajo licencia Creative Commons CC BY-NC-SA 4.0 elaborado por Grupo Tragsa y CEIS Guadalajara. No se permite un uso comercial de la obra original ni de las posibles obras derivadas, la distribución de las cuales se debe hacer con una licencia igual a la que regula la obra original. Asimismo, no se podrán distribuir o modificar las imágenes contenidas en este manual sin la autorización previa de los autores o propietarios originales aquí indicados. 67  Manual de incendios La ecuación fundamental de la El principio de Pascal explica cómo funciona la prensa hi- hidrostática tiene varias implica- dráulica, que constituye la aplicación fundamental de dicho ciones: principio y permite comprender su significado. La presión en el interior de La prensa hidráulica consiste, en esencia, en dos cilindros un fluido en reposo aumenta de diferente sección comunicados entre sí cuyo interior con la profundidad. está lleno por completo de un líquido, que puede ser agua o aceite. Se ajustan dos émbolos de secciones diferentes Todos los puntos situados a en cada uno de los dos cilindros respectivamente, de modo una misma profundidad tie- que estén en contacto con el líquido. Cuando se ejerce una nen la misma presión (igual- fuerza F1 sobre el émbolo de menor sección S1, la presión dad de nivel en vasos comu- p1 que se origina en el líquido en contacto con él se trans- nicantes). mite íntegramente y de forma casi instantánea al resto del líquido. Por el principio de Pascal, esta presión será igual a La presión solo depende de la presión p2 que ejerce el fluido en la sección S2, es decir: la profundidad (no depende de la forma del recipiente). Imagen 7. Hidrostática En un fluido en reposo, la presión es perpendicular a Por lo tanto la relación entre la fuerza resultante en el ém- la superficie sobre la que actúa. En caso contrario la bolo grande cuando se aplica una fuerza menor en el ém- resultante de las fuerzas no se anularía y, por lo tanto, bolo pequeño será tanto mayor cuanto mayor sea la rela- el fluido estaría en movimiento. ción entre las secciones: 2.3. prinCipio de pasCal El principio de Pascal dice que la presión ejercida sobre un fluido poco compresible y en equilibrio dentro de un reci- Esto permite que, partiendo de una fuerza inicial pequeña, piente de paredes indeformables se transmite con la misma se pueda multiplicar la fuerza secundaria, lo que facilita la intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos realización de trabajos que requieran grandes esfuerzos. del fluido. Los equipos de corte y separación se basan en este fun- El principio de Pascal cionamiento. puede comprobarse utili- zando una esfera hueca, 2.4. prinCipio de arquímedes provista de un émbolo y perforada en diferentes El principio de Arquímedes es un principio físico que dice lugares. Cuando se llena que un cuerpo sumergido total o parcialmente en un flui- la esfera con agua y se do en reposo recibe un empuje de abajo hacia arriba igual ejerce presión sobre ella al peso del volumen del fluido que desaloja. Esta fuerza mediante el émbolo, se recibe el nombre observa que el agua sale de empuje hi- por todos los orificios a la drostático o de misma velocidad y, por lo Arquímedes, y se tanto, con la misma pre- mide en el Siste- sión. ma Internacional Imagen 8. Principio de Pascal en newton. La fuerza del empuje no depende de la El principio de Pas- presión existente, cal se aplica en las sino de la densi- prensas hidráulicas, dad del líquido y en los elevadores del volumen del hidráulicos, en los cuerpo sumergi- frenos hidráulicos y do. en los puentes hi- dráulicos. Imagen 9. Prensa hidráulica Imagen 10. Principio de Arquímedes 68 Documento bajo licencia Creative Commons CC BY-NC-SA 4.0 elaborado por Grupo Tragsa y CEIS Guadalajara. No se permite un uso comercial de la obra original ni de las posibles obras derivadas, la distribución de las cuales se debe hacer con una licencia igual a la que regula la obra original. Asimismo, no se podrán distribuir o modificar las imágenes contenidas en este manual sin la autorización previa de los autores o propietarios originales aquí indicados.  Parte 2. Hidráulica Caracterización 3. HidrodinámiCa Se denomina movimiento en régimen laminar cuando el lí- quido circula a baja velocidad y las partículas se deslizan unas sobre otras como si se tratara de verdaderas láminas fluidas. La hidrodinámica es la ciencia que estudia la dinámica de los líquidos. Si aumenta la velocidad del líquido o la instalación presenta cambios bruscos de dirección (por ejemplo a consecuencia de codos, estrechamientos o dobleces), aparecen remoli- nos que provocan que el régimen sea turbulento. Además de la velocidad existen otros parámetros que de- terminan el tipo de movimiento que se producirá: la visco- sidad, la densidad del líquido, el diámetro y la distribución de la instalación. Las fuerzas de viscosidad predominan sobre las fuerzas de inercia (velocidad y densidad) a bajas velocidades, y se obtiene como resultado un flujo laminar. Por el contrario, al Se toman en cuenta tres aproximaciones a la hora de estu- aumentar la velocidad predominan las fuerzas de inercia y diar la hidrodinámica: aparecen las turbulencias y los remolinos que caracterizan el régimen turbulento. El fluido es un líquido incompresible. Es decir, su den- Entre estos dos tipos de movimiento existe una zona de sidad no varía con el cambio de presión, a diferencia transición en la que el fluido se mueve en una mezcla de de lo que ocurre con los gases. ambos. La mayoría de los sistemas de distribución de agua La pérdida de energía debida a la viscosidad es des- aplicados a bomberos funcionan en régimen turbulento. preciable. Se supone que un líquido es óptimo para La diferencia entre el régimen laminar (R< 2000) y turbu- fluir y la pérdida es mucho menor si se compara con la lento (R > 4000) se obtiene por el número de Reynolds. La inercia de su movimiento. zona en la que dicho número está entre 2000 y 4000 se denomina régimen de transición. El flujo de los líquidos es en régimen estable o estacio- nario. Es decir, la velocidad del líquido en un punto es independiente del tiempo. 3.1. régimen de fluido: régimen laminar y 3.2. Caudal turbulento El caudal es la cantidad de líquido que pasa por la sección En el interior de las instalaciones el movimiento de los líqui- trasversal de un conducto en la unidad de tiempo. dos se desarrolla de dos formas distintas, en función de si las partículas siguen trayectorias uniformes y paralelas (flu- jo laminar) o lo hacen de forma irregular y con trayectorias cruzadas (flujo turbulento). También se define el caudal como la velocidad a la que circula el líquido por la sección del conducto. Imagen 11. Flujo turbulento y laminar Imagen 12. Caudal Documento bajo licencia Creative Commons CC BY-NC-SA 4.0 elaborado por Grupo Tragsa y CEIS Guadalajara. No se permite un uso comercial de la obra original ni de las posibles obras derivadas, la distribución de las cuales se debe hacer con una licencia igual a la que regula la obra original. Asimismo, no se podrán distribuir o modificar las imágenes contenidas en este manual sin la autorización previa de los autores o propietarios originales aquí indicados. 69  Manual de incendios 3.3. eCuaCión de Continuidad Para un fluido ideal (viscosidad nula e incompresible), la suma de su energía potencial, de presión y cinética se man- Este principio se fundamenta en la incompresibilidad de los tiene constante en todos los puntos de una canalización. líquidos. Este principio afirma que la energía total debida a la pre- “La cantidad de líquido que pasa por dos puntos cuales- sión, a la velocidad y a la altura permanece constante en quiera de una canalización entre los que no hay ni fuentes dos puntos cualesquiera de una canalización. ni sumideros en la unidad de tiempo es constante.” Energía cinética: ½ × masa · velocidad2 Energía potencial: Peso · altura Energía de presión: Fuerza · espacio = = Fuerza · Superficie · Longitud En una canalización horizontal la energía potencial perma- nece constante. Al disminuir la sección, aumenta la veloci- dad y por tanto la energía cinética, por lo que si la energía del sistema tiene que permanecer constante la presión dis- minuirá. De forma análoga si en una canalización la sección permanece constante (y, por lo tanto, la energía cinética también permanece constante) se produce una elevación; la energía potencial aumenta a costa de la presión. 3.5. teorema de torriCelli Imagen 13. Ecuación de continuidad El Teorema de Torricelli es una aplicación de la Ecuación de Bernoulli que permite determinar la velocidad de salida de A lo largo de la tubería de la siguiente ilustración, las sec- un líquido a través de un orificio practicado en un depósito a ciones de la misma varían y, por tanto, también lo hacen las una profundidad determinada. Este teorema establece que velocidades de circulación a través de las mismas. la velocidad de salida del líquido tiene una expresión igual a la velocidad que adquiere un cuerpo cuando cae libre- mente desde una altura equivalente a la superficie libre del líquido hasta la altura del orificio. 3.4. eCuaCión de bernoulli El principio de Bernoulli –también denominado ecuación de Bernoulli– describe el comportamiento de un fluido que se mueve a lo largo de una corriente de agua. Expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. Imagen 14. Ecuación de Bernoulli Imagen 15. Ley de Torricelli Superficie del líquido: Orificio de salida: p = patmosférica p = patmosférica v≈0 v´ = vsalida z=h z=0 70 Documento bajo licencia Creative Commons CC BY-NC-SA 4.0 elaborado por Grupo Tragsa y CEIS Guadalajara. No se permite un uso comercial de la obra original ni de las posibles obras derivadas, la distribución de las cuales se debe hacer con una licencia igual a la que regula la obra original. Asimismo, no se podrán distribuir o modificar las imágenes contenidas en este manual sin la autorización previa de los autores o propietarios originales aquí indicados.  Parte 2. Hidráulica Caracterización Es posible determinar el caudal de salida a través de una 3.7. golpe de ariete lanza o surtidor mediante una aplicación práctica de este teorema. El caudal será función de la presión existente a la El golpe de ariete, también conocido como pulso de entrada de la lanza o surtidor. Zhukowski, es una sobrepresión y depresión que se forma en una tubería al variar el caudal que circula por ella brus- camente. Es un fenómeno de gran importancia, ya que en determina- Como consecuencia de las pérdidas de energía que se ori- dos casos la sobrepresión generada es de tal magnitud que ginan en el orificio de salida (contracción de la vena líquida, llega incluso a romper los conductos de paso. que equivale a una sección de salida menor), el caudal real se ve reducido respecto del caudal teórico. (K: factor del surtidor, comprendido entre 0,9 y 0,98) Si se considera el diámetro equivalente de varias de las lanzas de tipo comercial, se tiene: Tabla 4. Equivalencia de lanzas Tipo de lanza Ǿboquilla según posición Qnominal (l/min) selector de caudal 25 5,5-12 50-230 45 9,75-17,75 150-500 70 13,75-21,75 300-750 Valores de caudal nominal para h= 70 m.c.a. (= 7 Kg/cm2) (K=0,9) Imagen 17. Golpe de ariete 3.6. efeCto venturi Cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo ins- El efecto Venturi dice que, dentro de un conducto cerrado, talado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las un fluido en movimiento disminuye su presión al aumentar partículas de fluido que se han detenido son empujadas por la velocidad tras pasar por una zona de menor sección. Si las que vienen inmediatamente detrás y que continúan en en este punto del conducto se introduce el extremo de otro, movimiento. se produce una aspiración del fluido del otro conducto, que se mezclará con el que circula por el primero. Este efecto Este empuje crea una sobrepresión, que se desplaza por es la base del funcionamiento de los pulverizadores y dosi- la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad ficadores (premezcladores). del sonido en el fluido, que tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido (lo que reduce su volumen) y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba se detiene, cesa el im- pulso que comprimía la tubería y, por tanto, esta tiende a expandirse. Además la tubería que se había ensanchado tiende a retomar su dimensión normal. Estos efectos pro- vocan conjuntamente otra onda de presión en sentido con- trario. El fluido se desplaza entonces en sentido contrario, pero al estar la válvula cerrada se produce una depresión con Imagen 16. Efecto Venturi respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso y formar El efecto Venturi se explica por el principio de Bernoulli y el una burbuja mientras la tubería se contrae. principio de continuidad de masa. Si el caudal de un fluido Si la onda no se disipa al alcanzar el otro extremo de la es constante pero disminuye la sección, la velocidad debe tubería (por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica) por fuerza aumentar tras pasar a través de esta sección. se reflejará, y será mitigada progresivamente por la propia Por el teorema de la conservación de la energía mecánica, resistencia de la tubería a la compresión del fluido y a la si la energía cinética aumenta, la energía determinada por dilatación. el valor de la presión debe disminuir. Documento bajo licencia Creative Commons CC BY-NC-SA 4.0 elaborado por Grupo Tragsa y CEIS Guadalajara. 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Al principio incrementa la cantidad Como variable independiente básica se toma el caudal de movimiento (o velocidad) del fluido por medio de unas (indicado en el eje de abscisas). paletas o álabes giratorios accionados por el motor, y des- pués, dado que en el interior de la bomba no existen volú- Como variables dependientes o de salida se represen- menes cerrados (cámaras), el fluido discurre por pasajes ta en cada curva la altura manométrica (Hm), la poten- abiertos (zona del difusor) y transforma parte de su alta ve- cia consumida o el rendimiento (η). locidad en incremento de presión. Imagen 19. Curvas características de una bomba En las curvas características se ve, por ejemplo, cómo evo- luciona la altura manométrica con el caudal, y se observa que su valor es máximo para un caudal nulo (válvulas ce- rradas) y disminuye cuando el caudal aumenta (a medida que se abren las válvulas). También es posible determinar cuál es el punto óptimo de funcionamiento de la bomba, Imagen 18. Bomba centrífuga aquel donde su rendimiento energético es más elevado. Es en este punto óptimo donde se definen los valores nomina- les de la bomba (caudal nominal y presión nominal), indica- Para ampliar información sobre este tema, se puede consultar el capítulo Ver dos en la denominación de las características de la bomba. “Bombas centrífugas”, dentro del apartado de vehículos, en el manual de equipos operativos y herramientas de intervención de esta misma colección. Es el fabricante el que obtiene estas curvas mediante un estudio experimental. Para ello se coloca una válvula a la El resultado práctico que se obtiene es el aumento de la energía del fluido entre el punto de entrada (boca de tube- ría de aspiración) y el punto de salida (boca de tubería de impulsión), lo que permite disponer en punta de lanza de un chorro de caudal Q con una velocidad de salida V que fijará el alcance del chorro. Este incremento de energía expresado en forma de pre- siones se denomina altura manométrica de la bomba (Hm). El valor de la potencia transferida al fluido se denomina potencia útil (Wútil). El rendimiento energético de la bomba (η) se calcula mediante la relación entre la potencia trans- ferida al fluido (potencia útil) y la potencia consumida por el motor que acciona la máquina. Imagen 20. Curvas características a distintas revoluciones 74 Documento bajo licencia Creative Commons CC BY-NC-SA 4.0 elaborado por Grupo Tragsa y CEIS Guadalajara. No se permite un uso comercial de la obra original ni de las posibles obras derivadas, la distribución de las cuales se debe hacer con una licencia igual a la que regula la obra original. Asimismo, no se podrán distribuir o modificar las imágenes contenidas en este manual sin la autorización previa de los autores o propietarios originales aquí indicados.  Parte 2. Hidráulica Técnicas salida de la bomba y con ella se regula el caudal de paso. Una presión atmosférica menor de 1 atmósfera, según De esta forma se simula el incremento progresivo de la las condiciones climatológicas (densidad del aire) y la pérdida de carga aguas arriba hasta alcanzar la capacidad altitud. máxima de la bomba (caudal nulo). Para cada posición de la válvula se obtienen los valores de caudal, presión y po- Tabla 6. Pérdida de aspiración tencia consumida y se trazan, punto a punto, las curvas características de la bomba. Temperatura Pérdida de aspiración en ºC en m.c.a. A diferencia de muchas bombas centrífugas convenciona- les, donde el régimen de revoluciones del rodete es fijo, 10 0,125 una de las particularidades importantes de las bombas 15 0,173 centrífugas de bomberos es que disponen de un mando de aceleración que permite regular el número de revoluciones 20 0,236 del motor y, en definitiva, del rodete. Esto permite regular 25 0,32 ampliamente P y Q (punto de funcionamiento). Según la bomba instalada el límite superior de revoluciones es varia- 30 0,43 ble, aunque no suele exceder de las 5000 r.p.m. En estas 35 0,57 bombas en lugar de tres curvas características se obtienen tres familias distintas de curvas. Dentro de cada familia, la 40 0,745 curva se desplaza hacia arriba o hacia abajo en función de las r.p.m. del eje de giro. La presión que aporta la presión de vapor. Cuanto ma- yor es la temperatura del agua, mayor es la presión 1.2. aspiraCión en bombas de vapor y, por tanto, menor es la altura de aspiración. Al aspirar por una conducción, el líquido asciende por ella y la intuición hace pensar que para aumentar la altura basta El vacío logrado no es perfecto, por lo que existe cierta con aspirar más fuerte. Sin embargo dicha altura tiene un presión dentro de los manguerotes. límite. La razón es que la columna no asciende realmente Existen pérdidas de carga en los manguerotes y en la por la aspiración realizada, sino por el empuje de la presión alcachofa. atmosférica exterior. Es por lo tanto dicha presión la que determina la altura alcanzable. Todos estos factores provocan que la altura de aspiración disminuya hasta valores de entre siete y ocho metros. La máxima altura teórica de aspiración es 10,33 metros, pero es imposible alcanzar este valor por varios motivos: 1.3. Cebado de bomba Tabla 5. Presión atmosférica Altitud sobre el nivel Presión atmosférica Una bomba centrífuga proporciona una presión considera- del mar en m.c.a. ble en la tubería de impulsión, pero apenas es capaz de producir succión en la tubería de aspiración. Por ello es ne- 0 10,33 cesario que el líquido a bombear llegue previamente hasta 200 10,08 la entrada y, además, inundar la bomba para que empie- ce a trabajar. Esta operación es lo que se conoce como 400 9,83 cebado. 600 9,58 El cebado es una operación esencial (salvo cuando el nivel del agua a aspirar se encuentra por encima de la propia 800 9,34 bomba, en cuyo caso es el propio peso del fluido el que 1.000 9,11 inunda la bomba) previa a la puesta en marcha, ya que sin ella la bomba, además de no funcionar, puede incluso 1.200 8,89 llegar a sufrir averías al girar en vacío (no existe lubricación ni refrigeración del rodete). Existen distintos dispositivos de 1.400 8,67 cebado, entre los que destacan: 1.600 8,45 Cebado por eyector de gases (hace uso del efecto 1.800 8,24 Venturi de los gases de escape del motor del vehículo que acciona la bomba). 2.000 8,04 Cebado por depresor de vacío (hace uso de una bom- 2.500 7,56 ba de vacío específica accionada normalmente por un motor de tipo eléctrico). Documento bajo licencia Creative Commons CC BY-NC-SA 4.0 elaborado por Grupo Tragsa y CEIS Guadalajara. No se permite un uso comercial de la obra original ni de las posibles obras derivadas, la distribución de las cuales se debe hacer con una licencia igual a la que regula la obra original. Asimismo, no se podrán distribuir o modificar las imágenes contenidas en este manual sin la autorización previa de los autores o propietarios originales aquí indicados. 75  Manual de incendios Cebado de bombas por anillo de agua (hace uso de En la práctica este fenómeno aparece con grandes alturas una bomba volumétrica). de aspiración y/o grandes caudales. Se forman vacíos en lugares puntuales (extremos de los rodetes) en los que el Bombas autocebantes (hace uso de un depósito de agua adquiere gran velocidad y su presión disminuye por agua específico para llenar el cuerpo de bomba y la debajo de unos determinados valores (su presión de vapor tubería de aspiración). a esa temperatura). Cebado por bomba de pistones. Estos efectos aparecen principalmente en las bombas a la El cebado se considera realizado una vez entran en contac- entrada del rodete en fase de aspiración y también en los to el agua y el rodete. Después el propio rodete se encarga puntos más extremos de los rodetes, lo que provoca que el de crear un vacío a su entrada (al desplazar el líquido con- rodete trabaje desequilibrado y transmita estos efectos a tenido) y de atraer más agua. En ese momento el sistema los rodamientos, degradándolos. de cebado debe ser desconectado. Los puntos del rodete donde se han producido corrosiones 1.4. CavitaCión en el material tienen más facilidad para volver a producir otra cavitación. La cavitación consiste en la formación de vapor de agua La cavitación se evita disminuyendo las alturas de aspi- provocado por el descenso local de la presión por debajo ración o los caudales de trabajo de la bomba, así como de la presión de saturación del líquido a la temperatura del las pérdidas de carga con el aumento de la sección de los líquido, y la brusca condensación subsiguiente. Supone la mangotes de aspiración. ebullición del líquido a temperatura ambiente, provocada por presiones muy bajas. Las partículas de agua disminuyen su presión a medida 1.5. aCoplamiento de bombas que se aproximan a la bomba. En el rodete se produce una Las bombas pueden acoplarse de dos formas: en paralelo nueva caída de presión. Si la presión resultante en algún y en serie. punto es inferior a la presión de vapor del líquido, se forma- rán burbujas de vapor. Estas burbujas son arrastradas por el flujo y llegan a zonas donde la presión aumenta. En esos a) En paralelo: puntos se juntan bruscamente y el vapor se vuelve a condensar, lo que provoca una implosión. El agua al vaporizarse incrementa su volumen unas 1700 ve- ces, al condensarse disminuye su volu- men en la misma proporción, de forma que el agua se precipita en los espacios vacíos de las burbujas y golpea contra las superficies presentes (álabes). Este fenómeno, conocido como cavitación o aspiración en vacío, origina presiones locales que pueden alcanzar los 1000 kg/cm2, lo que deteriora la bomba (pi- caduras y una rápida y espectacular corrosión mecánica de las superficies sólidas). El fenómeno suele ir acompa- Imagen 21. Acoplamiento ñado de ruidos y vibraciones, como si de bombas en paralelo grava golpeara las distintas partes de la máquina. Para evitar este fenómeno se determina la altura geométrica máxima de aspiración, que Dos o más bombas están conectadas en paralelo cuando suele ser un valor entre ocho y ocho metros y medio. sus entradas y salidas están unidas entre sí (cf. Suay Belenguer, 2008) y se verifica que: Menos frecuente es que el fenómeno de cavitación sea consecuencia de una demanda excesiva de caudal, in- cluso con alimentación del cuerpo de bomba desde el propio depósito del vehículo. En estos casos el valor de la pérdida de carga en la tubería de aspiración se dis- para y hace que la presión del agua en contacto con el rodete disminuya por debajo de la presión de vapor. Esta Con esta disposición se obtiene la misma altura mano- situación se crea por una gran aceleración del cuerpo métrica que la conseguida con una única bomba, pero de bomba unido a instalaciones con escasa pérdida de se incrementa notablemente el caudal de agua aportado. carga. 76 Documento bajo licencia Creative Commons CC BY-NC-SA 4.0 elaborado por Grupo Tragsa y CEIS Guadalajara. No se permite un uso comercial de la obra original ni de las posibles obras derivadas, la distribución de las cuales se debe hacer con una licencia igual a la que regula la obra original. Asimismo, no se podrán distribuir o modificar las imágenes contenidas en este manual sin la autorización previa de los autores o propietarios originales aquí indicados.  Parte 2. Hidráulica Técnicas b) En serie: Dos o más bombas están en serie cuando la salida de una de ellas está conectada a la entrada de la siguiente, y así sucesivamente (cf. Suay Belenguer, 2008). De esta forma la presión de entrada del agua que entra en una bomba es la que aportan las bombas que la preceden. En este tipo de conexión se verifica que: Hm = Hm1 + Hm2 + Hm3 + Hm4 +…….+ Hmn Q = Q1 = Q2 = Q3 = Q4 =……………= Qn Con esta disposición el caudal de paso es el mismo que el que aporta una única bomba, pero el incremento de presión obtenido es mucho mayor (adecuado para impulsiones a Imagen 22. Acoplamiento de bombas en serie gran altura). 2. instalaCión HidráuliCa El objeto de la instalación hidráulica de extinción es llevar 2.1. pérdidas de Carga en una instalaCión un fluido agente extintor (agua o espumante) desde una fuente de suministro hasta el lugar donde se produce el El término pérdida de carga se refiere a las pérdidas ener- incendio. Una instalación básica de partida está compuesta géticas que se producen en un fluido en movimiento como por una bomba, una manguera y una lanza. Es necesario consecuencia de la presencia de fenómenos diversos que lograr que por la lanza salga un caudal de fluido Q y velo- oponen resistencia a su desplazamiento (rozamientos, tur- cidad V acorde con la carga del fuego para poder alcanzar bulencias, etc.). el incendio desde una distancia prudencial y extinguirlo (cf. En una instalación el fluido pierde presión debido a la fric- Suay Belenguer, 2008). ción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes La siguiente expresión se conoce como ecuación de línea de la tubería que lo conduce. Las pérdidas pueden ser con- (cf. Suay Belenguer, 2008): tinuas (lineales) a lo largo de conductos regulares o locales