Punto de funcionamiento de una instalación hidráulica de

Punto de funcionamiento de una instalación hidráulica
de bomberos
Por
Juan Miguel Suay Belenguer
Ingeniero Superior Industrial
Jefe de Sección de Innovaciones Tecnológicas
Consorcio Provincial de Bomberos de Alicante
Telefono 630 977 841
jmsuai@dip-alicante.es
Introducción.
El análisis cuantitativo de una instalación hidráulica de bomberos es realmente
complejo, ya que dada la inmediatez y rapidez de montaje de la misma tienen difícil la
aplicación las herramientas existentes para el análisis de los sistemas de conducción de
agua. Sin embargo un análisis cualitativo de las mismas si se puede llevar a cabo, y así
explicar como se producen los fenómenos que experimentan las mismas durante las
intervenciones.
Repasado la bibliografía existente sobre el tema, no he encontrado un análisis especifico
de los fenómenos hidráulicos aplicados a las instalaciones de bomberos, por lo que me
ha animado a escribir el presente artículo, que es fruto de las experiencias realizadas en
mi servicio y mi formación teórica en mecánica de fluidos e hidráulica. Parte de estos
resultados fueron expuestos en el taller de hidráulica que realicé en el Parque de
Benidorm (Alicante) durante la celebración del XX Congreso Nacional de Bomberos
celebrado en Alicante en octubre de 2005.
Ecuación de una instalación hidráulica de bomberos.
Primero que nada hay que recordar que el objetivo principal de una instalación
hidráulica, no es otro que disponer en punta de lanza de un chorro de agua de caudal Q
y con una velocidad de salida v que nos fijará un alcance d del chorro. Para conseguir
esto veremos que será necesario que en la lanza exista una presión PL, que nos fijará la
velocidad de salida del agua y una sección de salida S que nos fijará el caudal, esto
último se consigue fácilmente hoy en día por medio de una lanza reguladora de caudal
actualmente de uso generalizado en los Servicios de Bomberos.
Tradicionalmente en todos los textos de hidráulica de bomberos encontramos la
siguiente ecuación, aplicada a una instalación básica, compuesta por una bomba, una
manguera y una lanza.
PB = PL + HG + PC
En donde:
PB: Presión a la salida de la bomba.
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PL: Presión en punta de lanza.
HG: Altura geométrica existente entre la bomba y la lanza.
PC: Pérdidas de carga.
Fig. 1 Instalación hidráulica básica
Pasaremos ahora a analizar el funcionamiento de cada uno de los elementos de la
instalación.
Presión a la salida de la bomba.
La presión que existe a la salida de una bomba que gira con una velocidad de giro
constante disminuye a medida que aumenta el caudal que circula por la bomba. Este
principio se puede justificar teóricamente y también se puede medir. Los fabricantes de
las bombas nos proporcionan este resultado por medio de una gráfica.
Fig. 2 Curvas características de una bomba
La bomba solo podrá proporcionar los valores de presión y caudal contenidos en la
curva. Esto ocurrirá siempre que la velocidad de giro no varié, puesto que si esto ocurre
la curva se desplazará hacia arriba si la velocidad aumenta o hacia abajo en el caso que
disminuya.
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Presión en punta de lanza.
Fig. 3 Lanza reguladora de caudal
La lanza es un dispositivo hidráulico que situamos al final de una instalación con objeto
de transformar la energía de presión, que nos esta proporcionado la bomba, en velocidad
con el fin de "lanzar" el agua tan lejos como sea posible con el fin de atacar el fuego,
característica denominado alcance. El caudal que proporciona una lanza es iguala a:
Q = K S PL
Donde:
S: es la sección del orificio de salida
PL: es la presión manométrica en punta de lanza.
K: es una constante.
Por lo tanto depende de la sección de orificio de salida y de la presión en punta de lanza.
Despejando PL queda:
Q2
PL = 2 2
K S
Esto quiere decir que si queremos un caudal un caudal Q y fijada una sección de salida
S, esta relación da la presión en punta de lanza necesaria.
Pedidas de carga.
En las pérdidas de carga existentes en una instalación, aparte del rozamiento, también se
tiene en cuenta las llamadas pérdidas menores, que son las debidas a los elementos
auxiliares (bifurcaciones, reducciones, etc.) existentes en la manguera. Muchas han sido
las formulas que se han empleado en el cálculo de las pérdidas de carga, la más acertada
es la llamada expresión de Darcy-Weisbach.
PC = f
L v2
D 2g
f: coeficiente de fricción, que depende del material y limpieza de la manguera.
L: longitud de la instalación
D: diámetro de la manguera.
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v: velocidad de circulación del fluido.
g: aceleración de la gravedad (9,81 m/s2).
En función del caudal la fórmula queda:
PC =
8fLQ 2
π 2gD 5
Por otro lado las pérdidas de carga, si no variamos la longitud ni los elementos de la
instalación es igual a:
PC = KQ 2
Curva resistente de la instalación. Punto de funcionamiento
Por lo tanto si queremos que la lanza nos el caudal Q y un alcance determinado por la
presión PL, la bomba debe dar:
PB = PL + HG + PC
Sustituyendo:
PB =
Q2
+ K 1 ⋅ Q 2 + HG = HG +
K 2S 2
FG 1
HK S
2
2
IJ
K
+ K 1 ⋅ Q2
Esta expresión se conoce como curva resistente de una instalación, que puede ser
representado gráficamente. Los puntos pertenecientes a esta curva nos dan la presión y
caudal que debe proporcionar la bomba para trabajar con las condiciones impuestas por
la instalación hidráulica, es decir que exista una presión PL en punta de lanza (un
alcance) y salga por la misma un caudal Q. Por otro lado la curva característica de una
bomba nos da la presión en función del caudal y de su velocidad de giro. La
intersección de ambas curvas nos da el denominado punto de funcionamiento de la
instalación (Fig. 4)
Dada la instalación, trabajando con una lanza de sección de salida S, por tanto
proporcionando el caudal deseado, esto implicara tener que fijar una determinada
presión en punta de lanza, que nos fijará el alcance de la lanza. La intersección de la
curva resistente con la curva característica de la bomba determina el punto de
funcionamiento A, en dicho punto la bomba trabaja a una presión H1 y da un caudal Q1.
Si queremos variar este caudal, lo podemos hacer de dos maneras.
1. Si queremos que aumente el caudal sin aumentar la sección desplazaremos el
punto de funcionamiento de la bomba al punto B acelerándola. En este caso
aumentamos la presión en punta de lanza y por tanto el alcance.
2. Si aumentamos la sección de salida de la lanza la bomba trabajará en el punto C,
aumentando el caudal y disminuyendo la presión de trabajo. En este caso, la
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presión en punta de lanza disminuye también, ya que el caudal extra lo
obtenemos por aumento de sección y por lo tanto necesitamos menos presión en
la instalación, en cuanto a la velocidad de salida del agua disminuye, obteniendo
un menor alcance.
Fig. 4 Curva característica de la bomba para distintas velocidades de giro y la curva resistente en
función de la sección de salida de la lanza.
Conclusión
Este análisis cualitativo del funcionamiento de una instalación hidráulica de bomberos
explica los fenómenos que se producen durante el uso de las instalaciones hidráulicas
durante la intervención de los bomberos. Mi objetivo como explicaba al principio no era
otro que el de clarificar porque se producen dichos comportamientos de la instalación,
sin pretender que puedan ser empleados para el cálculo de una instalación cosa
imposible en la práctica.
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