6 Manual Hidraulica 2017-1

Cuerpo General de Bomberos Voluntarios del Perú Dirección General del Centro de Instrucción Curso de Hidráulica aplicada a la lucha contra incendios

CUERPO GENERAL DE BOMBEROS VOLUNTARIOS DEL PERU Curso HIDRÁULICA APLICADA A LA LUCHA CONTRA INCENDIOS

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Enero 2017

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Desde los comienzos de la lucha contra el fuego organizada, el éxito de los Bomberos ha dependido de su coraje, dureza y capacitación. La carencia de herramientas y de equipos de protección, exigía a los primeros Bomberos que desarrollasen un gran esfuerzo físico y que asumiesen enormes riesgo. En el Bombero de antaño, era un requisito imprescindible disponer de gran fuerza muscular que le capacitase para los grandes esfuerzos que le exigían algunas intervenciones de rescate. En el siglo XXI, sigue siendo un requisito fundamental para el Bombero tener un gran coraje y determinación, además de una buena preparación física y mental, pero el gran incremento del arsenal de equipos permite intervenciones más seguras y las herramientas mecánicas, eléctricas e hidráulicas, facilitan la realización de trabajos imposibles en otras épocas. El Bombero moderno debe tener unos amplios conocimientos técnicos para aplicar, utilizar y explorar toda la tecnología a su alcance para incrementar las posibilidades de salvar vidas. Desde la antigüedad hasta hoy en día, la lucha contra el fuego ha sido la principal tarea de los Bomberos. De hecho la palabra bombero se deriva de su trabajo con bombas hidráulicas. En la actualidad sus tareas son de una amplia naturaleza añadiéndose a las del combate de incendios otras actividades de rescate diversas, e incluso actuaciones en defensa del medio ambiente.

Para la elaboración de este manual se ha usado como principales referencias diferentes manuales y normas que al final de este material se detallan.

El presente manual ha sido elaborado para el Cuerpo General de Bomberos Voluntarios del Perú el año 2014 por: Brigadier CBP Edward Freire Gatti Cía. Olaya 13 Con la colaboración de: Brigadier CBP Oscar Fernández Sánchez Cía. France 3 A solicitud de la Dirección de la Escuela Técnica del CBP Brigadier CBP Rocio Bayona Aranda Cía. Salvadora Lima 10 Siendo el Director General de Centro de Instrucción del Cuerpo General de Bomberos Voluntarios del Perú Brigadier Mayor CBP Larry Linch Solis Primera versión Octubre 2014 Segunda versión Marzo 2015 Tercera versión Enero 2017

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FICHA DE INSCRIPCIÓN Curso: _________________________________________ Departamental: ____________________________________ Sede: ___________________ Fecha: __________________

1. Grado:_____________________________________________ 2. Apellidos y Nombres: _________________________________ 3. Código CBP: ________________________________________ 4. Número de DNI: _____________________________________ 5. Comandancia Departamental: ___________________________ 6. Compañía de Bomberos: ______________________________ 7. Fecha de Nacimiento: ________________________________ 8. Sexo: __F __M 9. Teléfono: Residencial: ________________ Teléfono Móvil: _______________ RPM __________________ 10. Correo Electrónico ___________________________________ 11. Corre Institucional: __________________________________ 11. Cargo actual bomberil: ______________________________ 12. Profesión u Ocupación: ______________________________ 13. Experiencia en Gestión: ______________________________

___________________________ Firma

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Cuerpo General de Bomberos Voluntarios del Perú Dirección General del Centro de Instrucción Curso de Hidráulica aplicada a la lucha contra incendios EVALUACION DEL CURSO 1 muy malo

Sus evaluaciones son de valor para el mejoramiento del curso. Usar la siguiente escala del 1 al 5

2

3

4

malo

regular

bueno

5 muy bueno

Nombre del curso: Sede:

Departamental: Calificación Lecciones

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1

Fecha:

lección 2 3 4

5

1

/

/

instructor 2 3 4

5

Introducción Matemáticas El Agua Hidráulica Aspirado y Cebado Bombas Mangueras Pitones Bombeo en serie Resolución de ejercicios Practica de campo Calificación del Curso en conjunto Temas

1 2 3

Manual del participante Material de trabajo Secuencia de las materias

4 5 6 7 8 9 10 11

Método usado en el curso Ayudas visuales Trabajo en grupo Instructores como equipo Logro de los objetivos señalados Utilidad de las presentaciones Utilidad del curso en su trabajo Calidad de las instalaciones

1

Participantes 2 3 4 5

QUE OPINA USTED DE: Marque la que considere Nivel del curso Demasiado avanzado Apropiado Demasiado elemental

Duración del curso Demasiado corto Apropiado Demasiado extenso

Tomando todo en cuenta ¿cómo calificaría este curso? Muy Malo

¿Cumplió el curso con sus expectativas personales? Si

Malo Regular Bueno Muy Bueno

No

Comentarios:___________________________________________________________

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INDICE 1.

LECCIÓN 1 EL AGUA ............................................................................................................................................................. 10

1.1

INTRODUCCION

1.2

DEFINICIÓN DEL AGUA

1.3

PROPIEDADES EXTINTORAS DE AGUA

1.3.1

LEY DE CALOR ESPECIFICO

1.3.2

LEY DE CALOR LATENTE DE EVAPORACIÓN

1.3.3

ÁREA DE SUPERFICIE DEL AGUA

1.3.4

GRAVEDAD ESPECIFICA .............................................................................................................................................................

1.3.5

VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL AGUA

1.3.6

LOS EFECTOS DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL SOBRE EL AGUA

........................................................................................................................................................................... 10 ............................................................................................................................................................. 10 ................................................................................................................................. 11

....................................................................................................................................................... 11 ....................................................................................................................... 12

............................................................................................................................................ 12

1.3.6.1 ¿QUÉ ES LA TENSIÓN SUPERFICIAL?

14

......................................................................................................................... 14 ...................................................................................... 14

.................................................................................................................................... 14

1.3.6.2 EFECTOS DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL SOBRE EL AGUA

.............................................................................................. 16

2.

LECCIÓN 2 HIDRÁULICA

2.1

HIDRAULICA

2.2

HIDROSTÁTICA E HIDRODINÁMICA

2.3

CAUDAL

..........................................................................................................................................................................................

18

2.4

PRESIÓN

.........................................................................................................................................................................................

19

2.4.1

UNIDADES DE PRESIÓN

2.4.2

MEDIDORES DE PRESIÓN

2.4.3

BARÓMETROS

.............................................................................................................................................................................. 20

2.4.4

MANÓMETROS

............................................................................................................................................................................ 20

........................................................................................................................................................ 17

...............................................................................................................................................................................

17

.................................................................................................................................... 17

............................................................................................................................................................ 19 ......................................................................................................................................................... 20

2.4.4.1 MANÓMETRO DE COLUMNA DE LÍQUIDO......................................................................................................................... 20 2.4.4.2 MANÓMETROS MECÁNICOS

.................................................................................................................................................. 21

2.4.4.2.1

MANÓMETROS DE TUBO DE BOURDON

2.4.4.2.2

TUBOS DE BOURDÓN ESPIRAL Y HELICOIDAL

2.4.4.2.3

MANÓMETROS DE FUELLE

2.4.4.2.4

MANÓMETROS DE DIAFRAGMA

2.4.5

................................................................................................................. 22 ........................................................................................................ 22

........................................................................................................................................... 23 ................................................................................................................................. 23

TRANSDUCTORES DE PRESIÓN ...............................................................................................................................................

24

2.4.5.1 ELEMENTOS ELECTROMAGNÉTICOS.................................................................................................................................... 24 2.4.5.1.1

TRANSDUCTOR DE PRESIÓN MEDIDOR DE TENSIÓN

2.4.5.1.2

LOS TRANSDUCTORES RESISTIVOS

.......................................................................................... 24

............................................................................................................................ 24

2.5

PRINCIPIOS DE PRESION

2.5.1

PRIMER PRINCIPIO

2.5.2

SEGUNDO PRINCIPIO

2.5.3

TERCER PRINCIPIO

...................................................................................................................................................................... 25

2.5.4

CUARTO PRINCIPIO

.................................................................................................................................................................... 25

........................................................................................................................................................... 24

..................................................................................................................................................................... 24 ................................................................................................................................................................. 25

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2.5.5

QUINTO PRINCIPIO..................................................................................................................................................................... 26

2.5.6

SEXTO PRINCIPIO

2.6

TIPOS DE PRESIÓN EN UN SISTEMA HIDRÁULICO CONTRAINCENDIOS ...................................................................

2.6.1

PRESIÓN ATMOSFÉRICA

2.6.2

PRESIÓN NORMAL

...................................................................................................................................................................... 27

2.6.3

PRESIÓN ESTÁTICA

..................................................................................................................................................................... 27

2.6.4

PRESIÓN DE VELOCIDAD O DINÁMICA

2.6.5

PRESIÓN RESIDUAL

2.6.6

PRESIÓN EJERCIDA POR EL PESO DE LA COLUMNA DE AGUA O ALTURA DE PRESIÓN ...................................... 30

2.6.7

PRESIÓN TOTAL EN UN SISTEMA HIDRÁULICO

2.7

PRINCIPIO DE PASCAL

2.8

PRINCIPIO DE VASOS COMUNICANTES

2.9

FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO

2.9.1

FLUIDO LAMINAR........................................................................................................................................................................ 32

2.9.2

FLUIDO TURBULENTO

2.10

ECUACION DE CONTINUIDAD

2.11

TEOREMA DE BERNOULLI O PRINCIPIO DE BERNOULLI

........................................................................................................................................................................ 26 27

........................................................................................................................................................... 27

................................................................................................................................ 28

.................................................................................................................................................................... 28

................................................................................................................ 31

............................................................................................................................................................... 31 ............................................................................................................................... 32

.......................................................................................................................................... 32

............................................................................................................................................................... 33 ................................................................................................................................................. 33 .............................................................................................. 34

2.11.1 APLICACIONES DEL TEOREMA DE BERNOULLI..................................................................................................................

35

2.12

EFECTO VENTURI

........................................................................................................................................................................

2.13

GOLPE DE ARIETE

........................................................................................................................................................................ 36

2.14

PÉRDIDAS DE PRESIÓN.............................................................................................................................................................. 37

2.14.1 FORMULA DE LA PERDIDA DE PRESIÓN TOTAL DEL SISTEMA..................................................................................... 2.14.2 PÉRDIDA POR FRICCIÓN

35

37

........................................................................................................................................................... 38

2.14.2.1 PÉRDIDA DE PRESIÓN EN MANGUERAS CONTRA INCENDIOS

.................................................................................... 38

2.14.3 PÉRDIDA POR ELEVACIÓN........................................................................................................................................................ 43 2.14.4 PÉRDIDA POR EL SISTEMA Y SUS COMPONENTES

.......................................................................................................... 44

2.14.5 MÉTODO PARA REDUCIR LA PÉRDIDA DE PRESIÓN EN LÍNEAS CONTRA INCENDIOS ........................................ 2.15

44

REACCION EN LA LINEA DE MANGUERA Y EL PITON

...................................................................................................... 45

2.15.1 FUERZA DE RETROCESO CON EL PITÓN NEBLINERO

...................................................................................................... 45

2.15.2 FUERZA DE RETROCESO CON EL PITÓN DE CHORRO DIRECTO 3.

LECCIÓN 3 CEBADO Y ASPIRADO

3.1

CEBADO DE LA BOMBA

3.1.1

CEBADOR MANUAL

3.2

ALTURA DE ASPIRACION

3.3

ALIMENTACION DE LA BOMBA

3.3.1

ALIMENTACIÓN DE LA BOMBA DESDE UNA CISTERNA

3.3.2

ALIMENTACIÓN DESDE UNA RED BAJO PRESIÓN

.................................................................................. 45

........................................................................................................................................ 46

............................................................................................................................................................. 46

.................................................................................................................................................................... 46 .......................................................................................................................................................... 46 .............................................................................................................................................. 47 ................................................................................................. 47

............................................................................................................ 47

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3.3.3

ALIMENTACIÓN DESDE UNA NAPA DE AGUA

3.4

CEBADOR PRIME

3.5

CAVITACION

3.5.1

ASPECTOS TEÓRICOS

................................................................................................................................................................. 51

3.6

ALTURA DE SUCCION

................................................................................................................................................................. 53

3.6.1

ALTURA PRÁCTICA DE SUCCIÓN

3.6.2

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA

3.6.3

INFLUENCIA DE LA ALTITUD

4.

LECCIÓN 4 BOMBAS CONTRA INCENDIOS

4.1

PRINCIPIOS Y FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS

4.2

TIPOS DE BOMBAS......................................................................................................................................................................

4.2.1

LA BOMBA DE PISTÓN............................................................................................................................................................... 58

4.2.2

LA BOMBA CENTRIFUGA

4.3

CURVAS CARACTERISTICAS

..................................................................................................................................................... 63

5.

LECCIÓN 5

..................................................................................................................................................... 65

5.1

LINEAS DE MANGUERAS...........................................................................................................................................................

5.2

TAMAÑOS DE LAS MANGUERAS CONTRAINCENDIOS

5.3

CONEXIONES PARA MANGUERAS CONTRAINCENDIOS

5.3.1

TIPOS DE CONEXIONES PARA MANGUERAS CONTRAINCENDIOS

................................................................................................................... 49

......................................................................................................................................................................... 49

.................................................................................................................................................................................. 50

............................................................................................................................................ 54 ...................................................................................................................................... 56

.................................................................................................................................................... 57 ........................................................................................................................ 58 ....................................................................................................... 58 58

.......................................................................................................................................................... 59

MANGUERAS

65

................................................................................................... 65 ............................................................................................... 66 ............................................................................. 67

5.3.1.1 CONEXIONES ROSCADAS.......................................................................................................................................................... 67 5.3.1.2 CONEXIONES STORZ

.................................................................................................................................................................. 68

6.

LECCIÓN 6

PITONES CONTRAINCENDIOS

6.1

PITONES CONTRAINCENDIOS

6.2

CLASIFICACION DE LOS PITONES

6.5

VALVULA DE CONTROL DE LA BOQUILLA

6.5.1

VÁLVULA ESFÉRICA

6.5.2

VÁLVULA DE CORREDERA

6.5.3

VÁLVULA DE CONTROL ROTATIVO

6.6

ALCANCE HORIZONTAL DEL CHORRO A LA SALIDA DE LA LANZA

7.

LECCIÓN 7 BOMBEO EN SERIE

7.1

ACTUACIONES DE BOMBEO EN SERIE

7.1.1

CONSIDERACIONES SOBRE EL BOMBEO EN SERIE

7.1.2

MÉTODO DE BOMBEO EN SERIE A MÁXIMA DISTANCIA

7.1.3

MÉTODO DE BOMBEO EN SERIE A PRESIÓN CONSTANTE

8.

REFERENCIAS

..................................................................................................................... 69

................................................................................................................................................. 69 ........................................................................................................................................... 70 ........................................................................................................................... 74

.................................................................................................................................................................... 74 ........................................................................................................................................................ 74 ....................................................................................................................................... 75 ............................................................................ 75

............................................................................................................................................ 77 ................................................................................................................................. 77 .......................................................................................................... 77 .............................................................................................. 78 ........................................................................................... 79

...............................................................................................................................................................................

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1. Lección 1 El Agua Competencias 1. Definir que es el agua. 2. Identificar las características del agua 3. Definir las diferentes propiedades extintoras del agua.

1.1 INTRODUCCION Los equipos modernos utilizados en los Cuerpos de Bomberos, tienen su srcen en la era Cristiana, cuando ya en Roma se conocía la Bomba de Pistón y en Grecia la de doble acción operada manualmente. No fue hasta 1908 en que entro en servicio la bomba rotativa con éxito, siendo esta la principal utilizada y luego en 1930 aparecieron las bombas centrifugas que han perdurado hasta nuestros días. Podemos considerar que la parte fundamental de todo equipo rodante contra incendio es la BOMBA, por eso es obligación de todo operador conocer su funcionamiento, sus partes y capacidades. Ya que gracias a ella, se puede atacar el fuego con suficiente fuerza y cantidad de agua como para absorber la parte del calor del incendio que mantiene la combustión. Los Carros de Extinción de Incendio desempeñan una de las funciones más importante en los Cuerpos de Bomberos, ya que además de realizarla función de absorber, recibir y desplazar agua u otro elemento por medio de su sistema de bombeo, también permiten transportar personal y equipo para combatir los incendios. En tal sentido, la función del Operador de la bomba, es fundamental en las operaciones de extinción de incendios y por lo cual debe realizar un trabajo eficiente y efectivo. Para lo anterior, se debe conocer la forma correcta y adecuada a cada situación de operar una bomba de incendios.

1.2 DEFINICIÓN DEL AGUA El Agua es el nombre común que se aplica al estado líquido del compuesto de Hidrógeno y oxígeno H2O. En sus propiedades el agua es un líquido inodoro e insípido. Tiene un matiz azul, que solo puede detectarse en capas de gran profundidad, el punto de congelación del agua es de 0 °C y su punto de ebullición es de 100 °C. El agua es la única sustancia que existe a temperaturas ordinarias en los tres estados de la materia, o sea, sólido, líquido y gaseoso, el agua se considera incompresible. El agua alcanza su densidad máxima a una temperatura de 4 °C y se expande al congelarse, para los propósitos de la protección contra incendios, suele considerarse que el agua normal tiene un peso de 1 kilogramo por Litro. __________________________________________________________________________

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1.3 PROPIEDADES EXTINTORAS DE AGUA El agua tiene la capacidad de extinguir el fuego de varios modos. El primer modo es mediante el enfriamiento o absorción del calor. Otro método es mediante el ahogamiento (exclusión del oxígeno). Este método es especialmente eficaz para las superficies de líquidos inflamables pesados. Asimismo, en cierta manera se produce ahogamiento cuando el agua se convierte en vapor en un lugar cerrado. Como agente extintor, el agua se ve afectado por dos leyes naturales de la física. La ley de calor específico y la Ley de calor latente de evaporación . Estas leyes son de importancia vital a la hora de tener en cuenta la capacidad del agua para absorber calor. La cantidad de calor que absorbe el agua también se ve afectado por la superficie total de agua expuesta a éste. Otro elemento que debe tenerse en cuenta es la gravedad específica. 1.3.1 Ley de calor especifico Es la medida de la capacidad de una sustancia para absorber calor. El agua, además de no ser combustible, es capaz de absorber grandes cantidades de calor. La cantidad de calor transferido se mide en julio (J) o en unidad térmica británica (Btu) (1,055KJ = 1 Btu). 1Btu es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 libra de agua en 1°F; o en el sistema métrico, se necesita 4,19 KJ de calor para elevar en 1°C la temperatura de 1Kg de agua. El julio que también es una unidad de trabajo, ha sustituido a la caloría en el SI (sistema internacional de unidades) para medir el calor (1 caloría = 4,19 julios). El calor específico de cualquier material puede definirse como la proporción entre la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una cantidad específica de un material y la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la misma cantidad de agua en el mismo número de grados. El calor específico varía según la sustancia de que se trate. La tabla muestra algunos agentes extintores de incendios y el calor especifico de estos comparados con el agua (para el mismo peso). __________________________________________________________________________

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Agente

Calor especifico

Agua

1,00

Solución de cloruro cálcico

0,70

Dióxido de carbono (sólido)

0,12

Dióxido de carbono (gas)

0,19

Bicarbonato de sodio

0,22

Utilice la tabla y divida el calor especifico del agua (1,00) por el calor especifico del dióxido de carbono gas (0,19). Observe que se necesita una cantidad de calor cinco veces superior para elevar la temperatura de 1 libra de agua en 1°F que la necesaria para elevar la misma cantidad de dióxido de carbono en gas hasta los mismos grados. En otras palabras, una cantidad determinada de agua absorberá cinco veces más calor que la misma cantidad de dióxido de carbono. Si se comparan los diferentes materiales de la lista, se ve claramente que el agua es el material que mejor absorbe el calor. 1.3.2 Ley de calor latente de evaporación Es la cantidad de calor que absorbe una sustancia cuando pasa de líquido a vapor. La temperatura a la que un líquido absorbe calor suficiente para convertirse en vapor se conoce como punto de ebullición. A nivel del mar, el agua empieza a hervir a 100°C. Sin embargo, evaporación no se Cada produce por completo el instante en el que el agua alcanza el la punto de ebullición. kilogramo de aguaen necesita aproximadamente 2,240 KJ de calor adicional para convertirse por completo en vapor. El calor de evaporación es relevante para la lucha contra incendios, ya que mientras el agua absorbe los 2.240 KJ por kilogramo, la temperatura no aumenta por encima de los 100°C. La cantidad de calor que un objeto combustible puede producir depende de del material del que está compuesto. La velocidad a la que el objeto libera el calor depende de factores como la forma física, la cantidad de superficie expuesta y el abastecimiento de aire u oxígeno. 1.3.3 Área de superficie del agua La velocidad a la que el agua absorbe calor aumenta proporcionalmente a la superficie del agua que se expone al calor; por ejemplo, si echamos un cubito de hielo con una superficie de 25mm en un vaso de agua, tardara bastante tiempo en absorber totalmente su capacidad de calor (derretirse). Esto se debe a que solo 3,870mm2 de hielo están en contacto directo con el agua. Si dividimos este cubito de hielo en cubitos de 3mm y los echamos a l agua la superficie que ahora está en contacto directo con el agua es de 30,970mm2. Aunque el total de los cubitos más pequeños posee la misma masa que el cubito más grande, estos se derriten más rápido. Por ese motivo, el hielo picado se derrite más rápido en una bebida que los cubitos. Este principio también se aplica al agua en estado líquido. Si el agua se divide en muchas gotas, la velocidad de absorción de calor aumenta centenares de veces. __________________________________________________________________________

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La velocidad de expansión del agua hace que sea muy eficaz para extinguir incendios. Otra característica del agua que se utiliza a veces en la lucha contraincendios es la capacidad de expansión que tiene en estado gaseoso. Esta expansión sirve para enfriar el área del fuego expulsando el calor y el humo de la zona. La expansión varía según la temperatura en el área del fuego.

El vapor dispersará los productos de combustión de un área cerrada con la ventilación adecuada. Expansión de un volumen de agua Temperatura °C Volumen de vapor 100 1,700 200 2,060 300 2,520 400 2,980 500 3,440 600 3,900 El volumen de vapor de agua que se genera a una temperatura de 100ºC es, aproximadamente, 1.700 veces mayor que el volumen srcinal en fase líquida. Pero a medida que la temperatura aumenta, esta expansión es aún mayor. __________________________________________________________________________

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1.3.4 Gravedad especifica La densidad de los líquidos en relación con el agua se conoce como gravedad especifica. El agua posee una gravedad específica de 1. Los líquidos con una gravedad específica inferior a 1 son más ligeros que el agua y flotan en ella. Aquellos con una gravedad especificas superiores a 1 son más pesados que el agua y se hunden. 1.3.5 Ventajas e inconvenientes del agua El agua es un excelente agente extintor por una serie de características: Tiene una capacidad de absorción de calor superior a la de otros agentes extintores habituales Para convertir el agua en vapor, hace falta una cantidad de calor relativamente grande, lo que significa que absorbe más calor del fuego Cuando mayor sea la superficie del agua expuesta al fuego, más rápido absorberá el calor. Esta superficie puede expandirse mediante chorros nebulizadores El agua convertida en vapor ocupa 1,700 veces su volumen srcinal El agua es abundante y está disponible en la mayoría de jurisdicciones 



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No obstante, el uso del agua como agente extintor también presenta algunos inconvenientes. Estas son algunas de las propiedades del agua que suponen una desventaja: 

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El agua presenta una tención superficial alta, por lo que no empapa los materiales densos. Sin embargo, si se le añade agentes humectantes, se reduce la tención superficial y aumente la capacidad de penetración El agua puede ser un agente reactivo para ciertos combustibles, como, por ejemplo, los metales combustibles El agua posee niveles bajos de opacidad y de reflexión, por lo que el calor radiante puede atravesarlo con facilidad El agua se congela a 0°C, lo que representa un problema para las jurisdicciones con climas fríos. La congelación del agua es un peligro para los bomberos, ya que el hielo que se forma tanto afuera como adentro de los equipos puede traer averías de los mismos El agua es un buen conductor de la electricidad, por lo que puede representar un peligro para los bomberos que trabajan alrededor de equipos con cargas eléctricas

1.3.6 Los Efectos de la Tensión Superficial sobre el Agua 1.3.6.1 ¿Qué es la Tensión Superficial? En física se denomina tensión superficial al fenómeno por el cual la superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica. Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero, desplazarse por encima del agua, y es el causante de la capilaridad. __________________________________________________________________________

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Esta tensión superficial se debe a que las fuerzas que afecten a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie de éste. En el interior de un líquido (a nivel microscópico) una molécula es atraída por todas las que le rodean (fuerzas de cohesión), de manera que el efecto total es nulo, es decir, cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan, las moléculas están en equilibrio. El nivel de energía en el interior de un líquido es muy bajo. Pero en la superficie fuerzas superiores, que atraen asilas abajo tenemos no pueden neutralizadas por las las moléculas en moléculas el exteriorhacia del líquido unser gas, existirá una mínima fuerza atractiva hacia el exterior, pero en realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia de densidades entre el líquido y el gas.

Las moléculas situadas en la superficie tienen una mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia será a disminuir la energía total, y ello lo logra disminuyendo el número de moléculas situadas en la superficie, por lo que se produce una reducción de área hasta el mínimo posible. El valor de la tensión superficial depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del líquido. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesión del líquido mayor será su tensión superficial. Podemos ilustrar este ejemplo considerando tres líquidos: hexano, agua y mercurio. En el caso del hexano, las fuerzas intermoleculares son de tipo de Van der Waals. El agua, aparte de la de Van der Waals tiene interacciones de puente de hidrógeno, de mayor intensidad, y el mercurio está sometido al enlace metálico, la más intensa de las tres. Así, la tensión superficial de cada líquido crece del hexano al mercurio. Para un líquido dado, el valor de la tensión superficial disminuye con el aumento de la temperatura, debido al aumento de la agitación térmica, lo que redunda en una menor intensidad efectiva de las fuerzas intermoleculares. El valor de tensión superficial tiende acero conforme nos aproximamos a la temperatura crítica Tc del compuesto. En este punto, el líquido es indistinguible del vapor, formándose una fase continua donde no existe una superficie definida entre ambos. __________________________________________________________________________

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Líquido Tensión Superficial Aceite de oliva Agua Alcohol etílico Benceno Glicerina Petróleo Mercurio

(10-3 N/m)12 33.06 72.8 22.8 29.0 59.4 26.0 487

Otro de los efectos de la tensión superficial tiene que ver con su efecto sobre los bordes de un recipiente. Cuando un líquido está en contacto con un sólido se ponen de manifiesto la cohesión que son las fuerzas que actúan dentro de una masa de líquido (fuerza liquido-líquido), y la adherencia que son las fuerzas que aparecen en la superficie de un líquido (fuerza sólidolíquido). - Si la fuerza de cohesión es mayor que a la fuerza de adherencia, el líquido NO MOJA al sólido. - Si por el contrario es mayor la fuerza de adherencia, el líquido MOJA al sólido. Si echamos agua en un tubo de ensayo veremos que se forma un menisco cóncavo, y al vaciar el agua siempre quedan gotas adheridas al tubo. Si por el contrario llenamos un tubo con mercurio se formará un menisco convexo, y al vaciarlo no quedará ninguna gota de mercurio en el tubo. La mayor fuerza de adherencia sobre la de cohesión se puede observar en un vaso cuando se llena hasta el borde superior con agua, ésta no rebalsa inmediatamente, sino que hace una especie de colchón o sobre espesor por encima del borde del vaso, esto se debe a que el agua “se pega” al borde y no permite que el vaso rebalse.

1.3.6.2 Efectos de la Tensión Superficial sobre el Agua Los dos efectos que nos produce la tensión superficial de los líquidos y que limita o disminuye su capacidad extintora lo podemos resumir en los siguientes: -donde La capacidad que tieneuna el agua de adherirse a las del paredes del sólido que alofuegos contiene circula, produce importante limitación agua para penetrar en o por profundidad, el agua es como que se “pega” al sólido, a los bordes o grietas y no penetra todo lo que quisiéramos o simplemente forma canales en el interior de las pilas de combustibles. - El agua se “encorva” para presentarnos la menor superficie posible y con eso lograr el equilibrio mencionado anteriormente, con lo que nos limita la superficie libre por donde el agua puede transferir calor. __________________________________________________________________________

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2. Lección 2

Hidráulica

Competencias 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Definir que es Hidráulica Definir que es caudal Definir que es presión y sus diferentes tipos Definir el golpe de ariete Definir la ecuación de la continuidad Definir la perdida de presión y porque sucede

2.1 HIDRAULICA Es una rama de la mecánica de fluidos y ampliamente presente en la ingeniería que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas de los líquidos.

2.2 HIDROSTÁTICA E HIDRODINÁMICA La hidráulica se divide en dos ramas, la hidrostática, que estudia los fluidos en reposo, y la hidrodinámica, que estudia los fluidos en movimiento. En los líquidos en reposo, la presión a la que están sometidos depende de su propio peso, y de las fuerzas que se le estén aplicando desde el exterior, por ejemplo, la presión atmosférica. La energía mecánica de un líquido en reposo, es decir su capacidad de realizar trabajo, es exclusivamente una energía potencial, o sea la capacidad de realizar un trabajo como consecuencia de las fuerzas a las que está sometido, entre las que se encuentra la fuerza de la gravedad con que es atraído por la tierra, que será mayor cuanto mayor sea la altura a la que se encuentre. En un fluido en reposo la energía cinética es nula. En los líquidos en movimiento, la energía adquirida por la velocidad del líquido (energía cinética) se suma a la energía potencial, con lo que su capacidad de realizar un trabajo es mayor. Todo lo referente a este capítulo puede aplicarse a cualquier fluido. No obstante, se considera que el fluido a que se refiere todo el capítulo es agua. En la naturaleza el agua puede encontrarse dulce o salada. El agua salada también se emplea a veces en la extinción de incendios. A los efectos de este texto, el agua se considera siempre dulce.

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2.3 CAUDAL Se llama caudal a la cantidad de líquido que circula por una tubería o sale por un orificio en la unidad de tiempo. También se le denomina gasto. El caudal se mide en unidades de capacidad por unidad de tiempo, por ejemplo en litros por minuto (l/m), litros por segundo (l/s), metros cúbicos por hora (m3/h), etc. En el sistema internacional se utiliza el metro cúbico por segundo (m3/s), para lo cual la velocidad debe ir en m/s y la sección en m2. Para medir el caudal se utilizan equipos llamados caudalímetros. El caudal (Q) es directamente proporcional a la densidad del fluido (D), a la sección (S) de la tubería o del orificio y a la velocidad (V) del líquido. Esto se expresa por la fórmula: Q = D x S x V En el caso del agua, y dado que la densidad del agua es igual a 1, la fórmula del caudal sería:

Q=SxV Dado que el fluido que se considera en este capítulo es siempre el agua, se desprecia el factor densidad y peso específico en las fórmulas, por ser su valor la unidad. Como las tuberías, mangueras y orificios en la lucha contra el fuego son siempre circulares, esta expresión puedeutilizados también ponerse en función del diámetro del orificio. La sección de un circulo de radio r, se obtienen multiplicándola constante π (pi) cuyo valor es de 3,1416por el cuadrado del radio: S = π x r2; y si la fórmula se pone en función del diámetro se tendría: S = π d2 /4; lo que supone que:

Q = 0,785 d2 V El caudal que circula por una conducción de sección circular es directamente proporcional al cuadrado de su diámetro y a la velocidad que lleva el agua. Si el diámetro de la manguera se duplica, el caudal se cuadriplica, siempre que la velocidad del agua se mantenga. En una instalación de mangueras por la que está pasando un cierto caudal, si aumentamos el diámetro, la velocidad disminuye (Q = S x V), salvo que se increméntela presión y con ello la velocidad del agua. Si el caudal no varía, cualquier disminución del diámetro de la manguera, supone un incremento automático de la velocidad del agua. El caudal de agua en el interior de una manguera se mantiene constante en toda su longitud si la presión de impulsión no se modifica. __________________________________________________________________________

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2.4 PRESIÓN Cuando se aplica una fuerza sobre un objeto, este tiende a desplazarse en la dirección de la fuerza, o a deformarse o a comprimirse en el caso de que no pueda desplazarse. También pueden producirse ambos efectos simultáneamente. El efecto o la tendencia a la deformación o compresión son mayores si la misma fuerza se aplica sobre una superficie más pequeña. Se conoce como presión la fuerza aplicada por unidad de superficie. Es decir la presión (P) es la relación entre la fuerza aplicada (F) y la superficie (S) sobre la cual se aplica: P= F S

El efecto de una fuerza cualquiera sobre una superficie depende del tamaño de dicha superficie, es decir depende de la presión que dicha fuerza ejerce sobre la superficie. Ese principio se utiliza para andar sobre la nieve sin hundirse. Las raquetas para nieve o los esquís reparten el peso del usuario sobre una gran superficie, disminuye el peso aplicado por unidad de superficie, es decir disminuye la presión sobre el terreno. Por idéntico principio, un pico afilado penetra mejoren cualquier superficie que un pico romo. Al estar más afilado, la superficie de contacto es menor, incrementándosela presión.

2.4.1 Unidades de Presión

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2.4.2 Medidores de Presión La mayoría de los dispositivos que permiten medir la presión directamente miden en realidad la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica. El resultado obtenido se conoce como presión manométrica. La presión atmosférica al nivel del mar es 101.3 kPa, o 14.7 lb/in2. Debido a que la presión atmosférica participa en gran número de cálculos, con frecuencia se usa una unidad de presión de una atmósfera (atm), definida como la presión media que la atmósfera ejerce al nivel del mar, o sea, 14.7 lb/in2 . 2.4.3 Barómetros Son dispositivos para medir la presión atmosférica. Consiste en un largo tubo cerrado en uno de sus extremos y se llena al inicio con mercurio. Se sumerge el extremo abierto bajo la superficie del mercurio que se encuentra en un contenedor y se permite que alcance el equilibrio. En el extremo superior del tubo se produce un vacío casi perfecto, que contiene vapor de mercurio a una presión de sólo 0.17 Pa a 20 °C. Si se comienza en este punto y se escribe una ecuación similar a la de los manómetros, se tiene:0 + mh = Patm O bien: Patm=

mh

2.4.4 Manómetros Los manómetros son los instrumentos utilizados para medir la presión de fluidos (líquidos y gases). Lo común es que ellos determinen el valor de la presión relativa, aunque pueden construirse también para medir presiones absolutas. Todos los manómetros tienen un elemento que cambia alguna propiedad cuando son sometidos a la presión, este cambio se manifiesta en una escala o pantalla calibrada directamente en las unidades de presión correspondientes. Cuando el aparato de medición sirve para medir presiones que cambian muy rápidamente con el tiempo como por ejemplo, dentro del cilindro del motor de combustión interna, recibe el nombre de transductor, reservándose el nombre de manómetro para aquellos que miden presiones estáticas o de cambio lento. 2.4.4.1 Manómetro de columna de líquido Doble columna líquida utilizada para medir la diferencia entre las presiones de dos fluidos. El manómetro de columna de líquido es el patrón base para la medición de pequeñas diferencias de presión. Los tipos básicos de manómetro de tubo de vidrio son el de tubo en U y los de tintero, que pueden medir el vacío o la presión manométrica dejando una rama abierta a la atmósfera. __________________________________________________________________________

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Manómetros de tubo en forma de “U”

Manómetro de tintero 2.4.4.2

Manómetros Mecánicos

Se dividen en los que tienen elementos de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocidas, y los que tienen elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen.

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2.4.4.2.1

Manómetros de tubo de Bourdon

Estos manómetros tienen un tubo metálico elástico, aplanado y curvado de forma especial conocido como tubo de Bourdon tal y como se muestra en la figura. Este tubo tiende a enderezarse cuando en su interior actúa una presión, por lo que el extremo libre del tubo de Bourdon se desplaza y este desplazamiento mueve un juego de palancas y engranajes que lo transforman en el movimiento amplificado de una aguja que indica directamente la presión en la escala.

Manómetro y Vacuómetro.

2.4.4.2.2

Tubos de Bourdón espiral y helicoidal

Los tubos de Bourdón espiral y helicoidal se hacen de tubería con sección transversal aplanada. Ambos fueron diseñados para proporcionar mayor recorrido de la extremidad del tubo, sobre todo para mover la pluma de grabación de registradores de presión.

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2.4.4.2.3

Manómetros de fuelle

Los manómetros de fuelle tienen un elemento elástico en forma de fuelle (como el acordeón) al que se le aplica la presión a medir, esta presión estira el fuelle y el movimiento de su extremo libre se transforma en el movimiento de la aguja indicadora como se muestra en la figura de manera esquemática.

2.4.4.2.4

Manómetros de diafragma

Una variante del manómetro de fuelle es el manómetro de diafragma, en este caso la presión actúa sobre un diafragma elástico el que se deforma y la deformación se convierte en el movimiento del puntero indicador. La figura muestra un esquema más terminado de un manómetro donde una cápsula elástica funciona como elemento sensor de la presión.

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2.4.5 Transductores de presión 2.4.5.1

Elementos electromagnéticos.

Los elementos electromecánicos de presión utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente. Entre ellos encontramos: 2.4.5.1.1 Transductor de Presión Medidor de Tensión La figura muestra ilustra un transductor de presión medidor de tensión. La presión que se va a medirse se introduce a través de un puerto y actúa sobre un diafragma al que están unidos medidores de tensión. Conforme los medidores de tensión detectan la deformación del diafragma su resistencia cambia. El paso de una corriente eléctrica por los medidores y su conexión a una red, denominada puente Wheatstone, ocasiona un cambio en el voltaje eléctrico producido. El dispositivo de lectura por lo general es un voltímetro digital, calibrando en unidades de presión. 2.4.5.1.2 Los transductores resistivos Constituyen uno de los transductores eléctricos más sencillos. Consisten en un elemento elástico que varía la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión. Los transductores magnéticos de presión existen dos grupos:  

Transductores de inductancia variable y Transductores de reluctancia variable

2.5 PRINCIPIOS DE PRESION La velocidad a la que circula un fluido por una manguera o tubería depende de la presión que se le aplique. Es importante identificar el tipo de presión del que hablamos, ya que este término posee un significado muy amplio en el campo de los fluidos. Existen seis principios básicos que determinan la acción de la presión sobre los fluidos. Por lo tanto, es muy importante que el conductor/operador conozca bien estos principios antes de estudiar los tipos de presión.

2.5.1 Primer principio La presión de un fluido es perpendicular a la superficie donde actué. Este principio se ilustra mediante un recipiente con paredes lisas y lleno de agua. La presión ejercida por el peso del agua es perpendicular a las paredes del recipiente. __________________________________________________________________________

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2.5.2 Segundo principio La presión de un fluido sobre un punto de un fluido en reposo tiene la misma intensidad en todas las direcciones. En otras palabras, la presión de un fluido en reposo en un punto determinado no tiene dirección.

2.5.3 Tercer principio La presión aplicada en un fluido en un espacio cerrado desde el exterior se trasmite por igual en todas las direcciones. Este principio puede ilustrarse con una esfera hueca unida a una bomba de agua. Se coloca una serie de manómetros alrededor de la circunferencia interior de la esfera. Si la esfera está llena de agua y la bomba aplica una presión, todos los manómetros registran la misma cifra, siempre y cuando se encuentren en el mismo plano y no haya un cambio de elevación.

2.5.4 Cuarto principio La presión de un líquido en un recipiente abierto es proporcional a su profundidad. Este principio se ilustra con tres contenedores verticales, los tres contenedores tienen la misma área de base. Contenedor 1 tiene 3 mt de altura de agua Contenedor 2 tiene 30mt de altura de agua Contenedor 3 tiene 300 mt de altura de agua

La presión en la base del segundo es 10 veces mayor que la del primero mientras que la del tercero es 100 veces, por lo tanto, la presión de un líquido en un contenedor abierto es proporcional a la altura del líquido. __________________________________________________________________________

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2.5.5 Quinto principio La presión de un líquido en un recipiente abierto es proporcional a su densidad. Este principio se ilustra utilizando 2 contenedores. En un contenedor se introduce mercurio hasta alcanzar una altura de 25mm. En el otro se introduce agua hasta formar una columna de 344mm. A pesar de la diferencia de cantidad y altura, la presión de cada contenedor es aproximadamente la misma. Por lo tanto, el mercurio es 13,55 veces más denso que el agua. Esto demuestra que la presión de un líquido en un recipiente abierto es proporcional a su densidad.

2.5.6 Sexto principio La presión de un líquido en el fondo de un recipiente es independiente a la forma de dicho recipiente. Este principio se ilustra mostrando recipientes de diversas formas que contienen agua, cada uno de ellos con la misma superficie en la base y con la misma altura. La presión es la misma en todas las bases de los recipientes.

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2.6 TIPOS DE PRESIÓN EN UN SISTEMA H IDRÁULICO CONTRAINCENDIOS Existen varios términos que se aplican a los diferentes tipos de presión que pueden encontrarse en un sistema de abastecimiento de agua y durante las actuaciones de los bomberos. El conductor/maquinista debe estar familiarizado con todos ellos, de modo que utilice el adecuado contexto. 2.6.1 Presión Atmosférica La atmósfera es la masa de aire que rodea la Tierra y determina, a causa de su peso, una presión sobre los cuerpos situados en la superficie terrestre. Nosotros mismos estamos constantemente bajo el efecto de la presión debida al peso de la columna de aire que tenemos sobre nosotros y que alcanza hasta el límite superior de la atmósfera. Soportamos ese peso sin trastornos gracias a que nuestro organismo está adaptado para ello. Así, se llama presión atmosférica a la fuerza por unidad de superficie ejercida por la atmósfera sobre los cuerpos situados en la superficie de la Tierra. El valor de la presión atmosférica, medido al nivel del mar, es equivalente a la presión que hace una columna de mercurio de 760 mm, o bien una columna de agua de 10 metros. 2.6.2 Presión normal Es la que se encuentra en un sistema de distribución de agua durante las demandas de consumo habituales. Tan pronto como el agua empieza a fluir a través de un sistema de distribución, la presión estática deja de existir. Las demandas de consumo de agua fluctúan continuamente, lo que provoca que el flujo de agua en el sistema aumente o disminuya. La diferencia entre la presión estática y la presión de funcionamiento normal es la fricción provocada por el flujo a través de las diversas tuberías, válvulas y empalmes de canalizaciones en el sistema. 2.6.3 Presión Estática Se refiere a estar en reposo o sin movimiento. La presión sobre el agua puede ser producida, por una fuente levada, por la presión atmosférica o por una bomba de agua. En resumen, cuando el agua dentro de un conducto a presión se encuentra sin movimiento o en reposo, se llama presión estática. Dentro un Sistemaindustriales de Distribución Urbano por existen de necesidades y domésticas, lo que es muy difícil tener presión estática dentro del sistema. En tal sentido, con respecto al flujo de agua dentro de un sistema de distribución, la Presión Estática seria la Energía Potencial almacenada dentro de ella que le daría movimiento cuando se le permite desplazarse. __________________________________________________________________________

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2.6.4 Presión de velocidad o Dinámica En el caso del agua en movimiento, por ejemplo circulando por una manguera, la velocidad del agua genera una presión en la dirección del movimiento. A esta presión generada por la velocidad del agua se la denomina presión dinámica o presión de velocidad. La presión de velocidad puede hacer subir al agua a una determinada altura. Si orientamos una manguera en vertical hacia arriba, el agua que salga por la boquilla seguirá ascendiendo hasta detenerse, es decir hasta que su velocidad sea 0. A la altura que puede alcanzar el agua debida a la velocidad de salida, es decir a la presión de velocidad, se la denomina altura de velocidad. Por otro lado, la velocidad de salida es la misma que tendría la misma masa de agua si cayera libremente desde una distancia equivalente a la altura de velocidad.

En realidad no todas las partes de la vena líquida se mueven con la misma velocidad, así que la que se considera velocidad del líquido es la velocidad media, es decir la media de la velocidad de todas las partículas del líquido en dicho punto.

Un cuerpo que cae libremente desde una altura determinada (h v) está sometido a la aceleración de la gravedad (g), y llegará al suelo con una velocidad (v) proporcional a la raíz cuadrada del doble del producto de dicha altura por la aceleración de la gravedad. Esto se expresa por la fórmula:

V=

que es la ley de Torricelli

En la que g es la aceleración de la gravedad (9,8 m/s2) Esta misma fórmula se utiliza para calcular la altura de velocidad h v que alcanzaría el agua con una velocidad v.

2.6.5 Presión residual Conocemos la palabra residual como a lo que queda de algo, al residuo. La presión residual en un sistema de distribución de agua es la presión que queda del total existente cuando se tiene un flujo dentro del conducto. Si conectamos un hidrante a un carro de extinción y permitimos que fluya el agua hasta la bomba de dicho carro con las válvulas de salida cerradas, el manómetro marcará la presión del sistema de distribución en ese punto. Si abrimos una válvula y permitimos que fluya el agua, la presión inicial que se registró en el manómetro tiende a bajar, la diferencia entre la presión inicial y la nueva registrada se conoce como Presión Residual. __________________________________________________________________________

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En otras palabras, La Presión Residual es una fracción de la presión total registrada inicialmente, que queda sin que sea utilizada para compensar la fricción o diferencias de alturas cuando pasa el agua por un conducto o accesorio.

Un manómetro conectado a una manguera marcará la presión estática con la lanza cerrada, y la presión residual cuando se esté lanzando agua. El agua a presión en una manguera ejerce una presión normal sobre las paredes de la misma. Si el agua dentro de la manguera está en reposo porque la válvula de salida está cerrada, toda la presión se ejercerá sobre las paredes de la manguera. Esta presión normal en un líquido en reposo también se llama presión estática. Cuando el líquido está en movimiento se denomina presión residual.

La presión normal es la ejercida sobre las paredes de una manguera o una tubería que contiene agua a presión. Si se conecta un manómetro en la pared de una tubería, este marcará la presión normal. Por eso también se la denomina a veces como presión manométrica. __________________________________________________________________________

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Si a una tubería que contiene agua a presión se conecta un tubo abierto en posición vertical, el agua subirá por el tubo venciendo la presión atmosférica. Si el agua estuviese en reposo, toda la presión será estática, y el agua subiría el tubo hasta que el pesoen delalatubería columna de agua fuesepor igual a la presión existente

2.6.6 Presión ejercida por el peso de la columna de agua o Altura de presión La presión (p) que ejerce una columna de agua de una altura h es directamente proporcional a su peso específico ( ). Esto se expresa a través de la siguiente fórmula: p = ω x h. La altura h se conoce como altura de presión. Como el peso específico del agua es de 9,81 newton por metro cúbico, (N/m3): p = 9,81 x h Es decir que para p en kPa y h en m:. h=

1 9,81

xp

h= 0,102x p

Si la unidad de presión que utilizamos es el kg/cm2,tenemos que 1 m de columna de agua (m.c.a.) ejerce una presión de 0,1 kg/cm2 y por tanto, para p en kg/cm2 y h en metros: p = 0,1 h

La presión en una tubería puede conseguirse con un depósito elevado o mediante un sistema de bombeo. Un depósito elevado a 10 metros de altura sobre el nivel del suelo proporcionará a ese nivel una presión de 1 kg/cm2.(14.7 psi.) __________________________________________________________________________

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2.6.7 Presión Total en un sistema Hidráulico En un sistema hidráulico existen muchos componentes los cuales puedes afectar el flujo y las presiones en todo el recorrido del agua, afectando el caudal necesario para que un pitón sea eficiente, es por ello que para poder determinar la presión total del sistema se puede usar una fórmula que ayudara a los operadores a brindar el suministro correcto de presiones y caudales de agua.

PB = PP + PF ±PE + PS PB = Presión de bomba PP = Presión en la salida del pit ón PF = Perdida por fricción PE = Presión de elevación (altura) PS = Perdida por el sistema (Conexiones Bifurcaciones, etc.)

2.7 PRINCIPIO DE PASCAL El principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623–1662) que se resume en la frase:

La presión ejercida sobre un fluido poco compresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido. La ley de Pascal es la base para comprender la relación entre fuerza, la presión y el área. La relación a menudo se expresa con el siguiente símbolo: Matemáticamente, esta relación se expresa como: Fuerza es igual a presión multiplicada por área. La presión es igual a la fuerza dividida por el área, y el área se puede calcular dividiendo la fuerza por la presión. __________________________________________________________________________

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La ley de Pascal se expresa de la siguiente manera: la presión que se aplica sobre un fluido confinado en reposo se transmite sin disminución en todas las direcciones y actúa con fuerza igual sobre áreas iguales y en ángulo recto con respecto a ellas. En el ejemplo siguiente, tenemos un recipiente lleno de un líquido no comprimible. Si se aplican 10 libras de fuerza a un tapón de 1pulgada cuadrada, el resultado será 10 libras de fuerza sobre cada pulgada cuadrada de 20 la pared del recipiente. Si el fondo del recipiente es de pulgadas cuadradas en total, la fuerza resultante será de 10 psi multiplicado por 20 pulgadas cuadradas o 200 libras de fuerza total, debido a que la fuerza es igual a la presión multiplicada por el área.

2.8 PRINCIPIO DE VASOS COMUNICANTES Es el nombre que recibe un conjunto de recipientes comunicados por su parte inferior y que contienen un líquido homogéneo; se observa que cuando el líquido está en reposo alcanza el mismo nivel en todos los recipientes, sin influir la forma y volumen de estos.

Cuando sumamos cierta cantidad de líquido adicional, éste se desplaza hasta alcanzar un nuevo nivel de equilibrio, el mismo en todos los recipientes. Sucede lo mismo cuando inclinamos los vasos; aunque cambie la posición de los vasos, el líquido siempre alcanza el mismo nivel. Esto se debe a que lapresión atmosférica y la gravedad son constantes en cada recipiente, por lo tanto la presión hidrostática a una profundidad dada es siempre la misma, sin influir su geometría ni el tipo de líquido.

2.9 FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO 2.9.1 Fluido laminar Se caracteriza por el deslizamiento de capas cilíndricas concéntricas una sobre otra de manera ordenada. La velocidad de fluido es máxima en el eje de la tubería y disminuye rápidamente hasta hacerse cero en la pared de la tubería. Su número de Reynolds es: Re<= 2000 __________________________________________________________________________

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2.9.2 Fluido turbulento Se caracteriza por un movimiento irregular e indeterminado de las partículas del fluido en direcciones transversales a la dirección principal de flujo. La distribución de velocidades es más uniforme a través del diámetro de la tubería Su número de Reynolds es: Re>= 4000

2.10 ECUACION DE CONTINUIDAD La ecuación de continuidad no es más que un caso particular del principio de conservación de la masa. Se basa en que el caudal (Q) del fluido ha de permanecer constante a lo largo de toda la conducción. ,

Dado que el caudal es el producto de la superficie de una sección del conducto por la velocidad con que fluye el fluido, tendremos que en dos puntos de una misma tubería se debe cumplir que:

Que es la ecuación de continuidad y donde:  

S es la superficie de las secciones transversales de los puntos 1 y 2 del conducto. v es la velocidad del flujo en los puntos 1 y 2 de la tubería. __________________________________________________________________________

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Se puede concluir que puesto que el caudal debe mantenerse constante a lo largo de todo el conducto, cuando la sección disminuye, la velocidad del flujo aumenta en la misma proporción y viceversa. En la imagen de la derecha puedes ver como la sección se reduce de A 1 a A 2. Teniendo en cuenta la ecuación anterior:

Es decir la velocidad en el estrechamiento aumenta de forma proporcional a lo que se reduce la sección.

2.11 TEOREMA DE BERNOULLI o PRINCIPIO DE BERNOULLI También denominado ecuación de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli , describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una corriente de agua. Fue expuesto por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica (1738) y 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.

La energía y la presión de un fluido en cualquier momento constan de tres componentes: 1. Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee. 2. Energía Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea. 3. Energía Cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido. __________________________________________________________________________

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2.11.1 Aplicaciones del teorema de Bernoulli En un depósito grande con un orificio en la parte inferior la velocidad de salida del agua por el orificio es igual a la raíz cuadrada del doble del producto entre la diferencia de cotas (h) entre el orificio y la superficie del agua, por la aceleración de la gravedad:

v=

2 gh

Esto es válido para un depósito grande porque: - la velocidad de descenso del nivel de agua se considera despreciable (VA=0) - a presión en la superficie del agua y en el orificio de salida son iguales (pA= pB = presión atmosférica).

La velocidad de salida del agua por un orificio en un depósito grande puede calcularse aplicando el Teorema de Bernoulli.

2.12 EFECTO VENTURI Cuando en una conducción se produce una disminución de la sección se produce un incremento de la velocidad. En aplicación del teorema de Bernoulli, y supuesto que la altura de la conducción no varía, ese incremento de la velocidad genera una disminución de la presión, es decir, se genera una depresión. Si VB es mayor que VA, PB será menor que PA.

Esta depresión, que se produce al incrementarse la velocidad del fluido como consecuencia de una disminución brusca de la sección de la tubería, genera un efecto de succión. Esto es lo que se conoce como efecto Venturi.

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Demostración del efecto Venturi: la disminución de la sección crea un aumento de la velocidad el líquido y por tanto una depresión.

Proporcionador de espuma, basado en el efecto Venturi. El efecto Venturi, es decir la succión que genera un chorro de agua que reduce bruscamente su sección, se utiliza en varios equipos y técnicas de bomberos. Uno de estos equipos son los proporcionadores de espuma, en los que el efecto de succión se utiliza para aspirar el espumógeno de un depósito auxiliar. En el proporcionador, el agua pasa por una zona de menor diámetro, lo que incrementa su velocidad y, por ello produce una depresión. Esta depresión genera una succión en un conducto al que se conecta el depósito de espumógeno, con lo que el espumógeno es aspirado hacia el proporcionador, mezclándose con el agua que circula por la manguera. La sección de salida vuelve a ser la de entrada con objeto de restablecer la presión del sistema con la mínima pérdida de presión por rozamiento.

2.13 GOLPE DE ARIETE Si se interrumpe o varía bruscamente el caudal de agua que circula a cierta velocidad por una manguera, o cualquier otra tubería, se producen en sus paredes presiones tan fuertes que pueden llegar a romperlas, o incluso a arrancar una unión o una válvula. Este fenómeno se produce porque la presión de velocidad se transforma bruscamente en presión estática. Se genera una onda de presión que se desplaza a lo largo de la manguera. Se llama golpe de ariete a este efecto de incremento brusco de presión que se produce por el cambio repentino en la velocidad del agua que circula por la tubería. __________________________________________________________________________

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Al cerrarse la válvula, toda la presión se transforma en presión estática. Si el cierre es brusco se produce un golpe de ariete. La sobrepresión que genera el golpe de ariete puede atenuarse parcialmente con la dilatación de la manguera, de modo que el efecto será menor en las mangueras de caucho que en las de lona, ya que aquellas son más elásticas. Pero el cierre repentino de las lanzasen las mangueras largas puede causar un aumento depresión suficiente para que se rompa la manguera. El golpe de ariete es un efecto pernicioso que puede hacer perder la estabilidad del bombero de punta de lanza, ya que se genera un fuerte efecto de reacción; Esto será especialmente peligroso si se está trabajando en un tejado. La fuerza del golpe de ariete puede llegar a romper tuberías, válvulas o accesorios. Es un fenómeno complejo con graves efectos, que puede evitarse si se cierran las llaves de paso o la lanza de la manguera progresivamente. Algunos camiones tienen dispositivos automáticos de regulación de presión para compensar variaciones bruscas de caudal.

2.14 PÉRDIDAS DE PRESIÓN Las pérdidas de presión más importantes son:   

POR FRICCION POR ELEVACION POR EL SISTEMA Y SUSCOMPONENTES

2.14.1 Formula de la perdida de presión total del sistema

PPT = PF ±PE + PS Dónde: PPT= Perdida total de presión de sistema PF= Perdida por Fricción PE= Perdida o ganancia por Elevación o Caída de nivel PS= Perdida por el Sistema y sus Componentes __________________________________________________________________________

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2.14.2 Pérdida por fricción Al circular un líquido por una manguera la energía que proporciona su presión va disminuyendo a lo largo de la manguera. Esta disminución de presión o pérdida de carga se debe a que la energía se utiliza en parte en compensar la fricción o rozamiento contra las paredes de la manguera y a las turbulencias que se srcinan en el flujo. Además tienen una gran influencia las diferencias de sección y los cambios de dirección, y los accesorios tales como válvulas y similares. 2.14.2.1

Pérdida de presión en mangueras contra incendios

La pérdida de carga a lo largo de una línea de mangueras es por consecuencia de la disipación de energía por efecto del roce entre las láminas de líquido y sobre todo entre éste y las paredes de los paños de mangueras. El forro de goma interno de la manguera genera resistencia al paso del agua, esta fricción es el motivo de la principal perdida de presión durante el flujo del agua en un sistema hidráulico contraincendios. Esta pérdida de presión dependerá de: –Viscosidad de Agua. –Paredes de los paños de manguera. –Homogeneidad del conducto –Velocidad de circulación del agua.

Con esta fórmula se puede calcular la perdida de presión de las mangueras.

PF = C·Q²·L Dónde: C = Constante Q = Caudal en Gal/min (flujo/100) L =Longitud en pies (longitud/100)

Valores de la Constante C:     

1 ½" – 24 1 3/4" --15.5 2½" – 2 3" – 0.8 4" – 0.2 __________________________________________________________________________

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MP 1- 38


Pasos para determinarla perdida de presión por fricción usando la ecuación: Paso 1. Obtenga el coeficiente de fricción utilizando la tabla Paso 2. Determine la cantidad de centenares de galones de agua por minuto que fluyen (Q) a través de la manguera aplicando la ecuación Q=gpm/100 Paso 3. Determine la cantidad de centenares de pies de la manguera (L) aplicando la ecuación L=pies/100 Paso 4. Realice la ecuación con las cifras obtenidas en los pasos 1, 2 y 3 para obtener la pérdida total de presión por fricción

PF = C (gpm/100) 2 (pies/100) Manguera de 11/2” C: 24 FLUJO EN GPM 40 Longitud del tendido en metros

60

80

95

125

150

Perdida de presión por fricción en PSI.

30

4

9

15

22

38

54

60 90 120

8 12 15

17 26 35

31 46 61

43 65 87

75 113 150

108 162 216

150

19

43

77

108

188

Manguera de caucho de 13/4” C: 15.5 FLUJO EN GPM 40 Longitud del tendido en metros

60

80

95

125

150

175

200


30 60

2 4

5 11

9 19

14 28

24 48

35 70

47 95

62 124

90

7

16

29

42

73

105

142

186

120 150

9 12

22 27

39 49

56 70

97 121

140 174

190

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MP 1- 39


Manguera d caucho de 2 1/2” C: 2 FLUJO EN GPM 95

125

Longitud del tendido en metros

150

175

200

225

250

275

300

350


30

2

3

4

6

8

10

13

15

18

25

60

4

6

9

12

16

20

25

30

36

49

90

5

9

13

18

24

30

38

45

54

74

120

7

12

18

25

32

41

50

61

72

98

150

9

15

22

31

40

51

63

76

90

123

180

10

18

27

37

48

61

75

91

108

147

210

12

22

31

43

56

71

88

106

126

172

240

14

25

36

49

64

81

100

121

144

196

270

16

27

40

55

72

91

113

136

162

221

300

18

30

45

61

80

101

125

151

180

245

330

67

88

111

138

166

198

360

74

96

122

150

182

216

390

80

104

132

163

197

234

420

86

112

142

175

212

450

92

120

152

188

227

480

98

128

162

200

242

510

104

136

172

213

540

110

144

182

225

570

116

152

192

238

600

123

160

203

250

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Manguera de caucho de 3 ”

C: 0.8 FLUJO EN GPM

125 Longitud del tendido en metros

200

250

325

500

750

1,000

1,250


30

1

2

5

8

20

45

80

125

60 90

2.5 4

5 8

10 15

17 25

40 60

90 135

160 240

250

120

5

10

20

34

80

180

150

6.5

13

25

42

100

225

180

8

16

30

51

120

210

9

18

35

59

140

240

10

21

40

68

160

270

12

24

45

76

180

300

13

27

50

85

200

330

55

93

220

360

60

101

240

390 420

65 70

110 118

450

75

127

480

80

135

510

85

144

540

90

152

570

95

161

600

100

169

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MP 1- 41


Calcular la perdida de presión por fricción en las mangueras

PF = C (gpm/100) (pies/100)

PF = ___ x (____/100)2 x (____/100) = _________psi.

PF = ___ x (____/100)2 x (____/100) = _________psi.

PF (21/2”) = ___ x (____/100)2 x (____/100) = _________psi.

PF (11/2”) = ___ x (____/100)2 x (____/100) = _________psi. __________________________________________________________________________

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2.14.3 Pérdida por Elevación La pérdida de presión por altura como lo dice su nombre se debe al hecho de tener que mandar agua a un nivel más elevado del que se encuentra el cuerpo bomba. (1.4 por cada metro de altura) En este caso la presión generada por el peso de la columna de agua jugará en contra de la presión de salida del cuerpo bomba. Cálculo de la pérdida por altura Para efectos prácticos de cálculo se puede considerar que por cada metro que tenga que subir el agua esta ejercerá una presión de 1.5 psi en contra del flujo y cuando esta se dirija bajo el nivel del suministro aumentara por cada metro 1.5 psi. Esto es generado por el peso del agua.

Para calculo rápido de caída de presión por altura 1 metro de altura 1.5 psi. 10 metros de altura 15 psi. 1 piso de altura 5 psi. Esta tabla no considera la caída de presión por fricción

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2.14.4 Pérdida por el Si stema y sus Componentes Esta pérdida corresponde a los siguientes componentes: • • • • •

Dobleces pronunciados en las Mangueras, Válvulas, Bifurcos y reducciones pierde 5 psi. Pitón monitor pierde entre 10 a 25 psi. Siamesas pierde aproximadamente 10Psi. Eductor de espuma pierde aproximadamente 40 psi.

Estos generaran resistencia, rozamiento y turbulencia en el flujo del agua, como consecuencia habrá una pérdida de presión al final del sistema hidráulico.

2.14.5 Método para reducir la pérdida de presión en líneas contra incendios Un aspecto que hay que tener en cuenta al aplicar presión en una manguera es que el agua tiene un límite de velocidad. Si éste se sobrepasa, la fricción es tan grande que el agua de la manguera de agita a causa de la resistencia. Algunas características de los tendidos de mangueras como el tamaño de la manguera y la longitud de tendido también afectan a la pérdida por fricción. Para reducir la pérdida de presión por fricción, tenga en cuenta seguir las siguientes recomendaciones: • Compruebe si el forro de la manguera tiene asperezas o está deteriorado. • Utilice líneas de manguera cortas siempre que sea posible. • Utilice una manguera más ancha para distancias largas. •Utilice mangueras de 2.5 pulgadas, o múltiples líneas cuando haya que aumentas el flujo. • Sustituya los acoples dañados de la manguera. • Procure que la manguera no esté doblada en un ángulo demasiado agudo siempre que

pueda. • Utilice adaptadores para conectar mangueras sólo cuando sea necesario. • Mantenga las boquillas y las válvulas totalmente abiertas cuando las mangueras estén

funcionando. • Utilice juntas de manguera del tamaño adecuado para cada manguera. • Deben utilizarse los accesorios imprescindibles, para eliminar en lo posible las pérdidas

de carga que se generan.

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2.15 REACCION EN LA LINEA DE MANGUERA Y EL PITON La Fuerza de retroceso es cuando el pitón arroja agua con un cierto caudal y la presión produce una reacción, es decir una fuerza equivalente pero en sentido contrario. 2.15.1

Fuerza de retroceso con el pitón neblinero

En el caso de un pitón neblinero a 100psi, esa reacción es equivalente en kgs. al 24% de los gpm que se descargan. Como los incendios se apagan en función del caudal que se les arroja, no se puede disminuir la reacción a un nivel que acomode al o los bomberos que operan un pitón, éstos también deben tener el suficiente entrenamiento como para poder manejar sin problemas un pitón con alta reacción por ejemplo: Un pitón neblinero a 250 gpm tiene una reacción de 60 kgs por lo que se debe actuar con las consideraciones del caso. 2.15.2

Fuerza de retroceso con el pitón de chorro directo

En el caso de un pitón de chorro directo se calcula la fu erza de retroceso mediante la fórmula siguiente: NR=1.57 x d2 x NP NR= Reacción de la boquilla en libras 1.57= Constante d= Diámetro de la boquilla NP= Presión de la boquilla en Lb/pulg2

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3.

Lección 3 Cebado y Aspirado

Competencias 1. 2. 3. 4.

Explicar cuál es la altura de aspiración y cebado Explicar cuáles son las alimentaciones de agua de la bomba Reconocer la cavitación y los problemas que ocasionan Reconocer la altura teórica y práctica máxima de aspiración

3.1 CEBADO DE LA BOMBA Esto consiste en llenar todo el sistema de bombeo, es decir el interior de toda la bomba y la tubería de succión, con agua para que de esta manera pueda succionar desde la fuente correspondiente. 3.1.1 Cebador manual Si eventualmente la bomba de cebado presenta problemas, puede realizarse el cebado manual de la bomba. Este consiste en rellenar la bomba y los tubos de succión, con agua del tanque u otra fuente, hasta que salga agua por una de las salidas más altas de la bomba. En ese momento se ha vaciado el aire del sistema y se puede enganchar la bomba, abasteciendo las salidas de manera normal.

3.2 ALTURA DE ASPIRACION Corresponde a la diferencia de nivel entre la superficie del agua y el eje de los impulsores de la bomba. La condición esencial para que el funcionamiento de una bomba sea posible es que se produzca la transmisión de la energía cinética. Para ello es necesario que se realice el contacto entre el agua y el impulsor. Esta fase que asegura el contacto entre el líquido y el impulsor es la fase de cebado. Para poder aspirar agua desde un punto inferior, una bomba necesita crear en su interior un vacío equivalente a la presión atmosférica. Pero conocemos que la altura de aspiración máxima teórica es de 10,33 mts de agua al nivel del mar, eso equivale a la presión del aire que tenemos sobre nosotros. Para lograr que los carros de extinción puedan aspirar y levantar esta columna de agua se adjunta a la bomba principal de incendio una bomba pequeña (comúnmente llamada cebador), especializada en la extracción de aire, estas bombas que normalmente pueden crear un vacío de –0,8 bar, es decir podría elevar agua hasta unos 8 metros, conocida como el Primer. __________________________________________________________________________

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3.3 ALIMENTACION DE LA BOMBA En la práctica corriente encontramos tres casos de succión relacionados con la alimentación de la bomba. 3.3.1 Alimentación de la Bomba desde una Cisterna El nivel de agua de un almacenamiento se encuentra por encima del eje de la bomba por lo que el agua se escurrirá naturalmente hacia la bomba por la abertura de entrada y por el principio de los vasos comunicantes se produce el contacto del agua con las paletas, por consiguiente, la fase de cebado se ha realizado. El funcionamiento de la bomba se realizara sin problema siempre que el caudal de entrada sea igual al de salida. Si el conducto de succión está correctamente dimensionado el Operador tendrá que cuidar solamente que las válvulas en el ramal de succión estén bien abiertas para asegurar una correcta provisión de salida.

3.3.2 Alimentación desde una Red bajo Presión En el caso de una alimentación desde una red (red urbana, red industrial), la presión del hidrante es mayor que la presión de entrada de la bomba, por lo que el agua inundara el cuerpo de la bomba, por consiguiente, el cebado esta realizado. Asimismo llamamos la atención que algunas líneas industriales o urbanas tiene una gran presión en los hidrantes, lo que puede ser perjudicial para la bomba y sus componentes. Es importante cuidar que la presión de entrada a la bomba sea inferior a 70 - 80psi. Tengamos en cuenta que esta presión de alimentación se suma a la presión que generala bomba, obteniéndose de esta forma presiones elevadas.

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En general la fase inicial de cebado (alimentación) se realiza sin problema, pero para que el funcionamiento permanente sea correcto, es necesario que el caudal de salida sea igual al que ingresar a la bomba, para ello recordemos: a.- Un hidrante tiene un caudal límite, el caudal máximo se obtiene con presión de salida "cero" b.- La presión de un hidrante disminuye cuando el caudal demandado aumenta. c.- Cuanto mayor sea la distancia entre el hidrante y la bomba, tanto mayor serán las pérdidas de carga en la línea de alimentación. Estas pérdidas pueden llegar a ser limitantes en el caso de la demanda de grandes caudales. En el caso que la demanda sea mayor que la posibilidad de alimentación, se produce en la bomba un vacío que se transforma en un fenómeno alternativo de cebado y descebado lo que es perjudicial para la bomba y la calidad del bombeo. Este fenómeno se llama “CAVITACION”. Es posible evitar parcialmente este inconveniente con la ampliación de las posibilidades de alimentación, reduciendo la presión de salida o reduciendo el caudal de descarga.

Tabla de descarga de salida de hidrante ELKHART. BRASS MFG. CO., INC.

Presión de salida psi. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Diámetro de salida en pulgadas 2.5 4.5 GPM 170 540 240 770 290 940 340 1090 380 1220 410 1340 440 1440 480 1540 500 1640 530 1730 560 1810 580 1890 610 1960 630 2040 650 2110

Presión de salida psi. 16 17 18 19 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

Diámetro de salida en pulgadas 2.5 4.5 GPM 670 2180 690 2240 710 2310 730 2370 750 2430 790 2550 820 2660 860 2770 890 2880 920 2980 950 3080 980 3170 1010 3260 1040 3350 1060 3440

GPM =29.83 x C x D2 x √p C = Coeficiente (usual es 0.9) D = Diámetro de la salida P = Presión medida con tubo Pitot __________________________________________________________________________

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3.3.3 Alimentación desde una Napa de Agua Una bomba alimentada desde una napa de agua cuyo nivel es inferior al del eje de la bomba, se encuentra: en aspiración.

La presión dentro de la bomba es la atmosférica, lo mismo que en la superficie del nivel de agua. Por lo que no hay un movimiento natural del agua hacia la entrada de la bomba. Para crear un escurrimiento de succión se deberá crear una zona de depresión en la bomba, de esta forma se producirá la succión de cebado, (formación de zona de vacío – depresión -dentro de la bomba) Para obtener la depresión se evacua el aire dentro de la bomba y la línea de alimentación, de esta manera el agua de la fuente ocupara el volumen del aire desalojado y se produce el contacto del agua con la paleta del impulsor. La obtención del vacío para la succión se realiza por medio de un elemento accesorio exterior a la bomba; lo denominamos "cebador" o prime.

3.4 CEBADOR PRIME Un cebador es un accesorio de bomba cuya finalidad es crear un vacío dentro del cuerpo de la bomba y de la línea de aspiración a fin de permitir que el agua de la fuente de alimentación empujada por la presión atmosférica se escurra hasta el impulsor. Una vez que el contacto agua-paleta impulsor se produce, se puede prescindir del cebador pues su función se ha terminado. La calidad de un cebador se evalúa con relación al tiempo que es necesario para obtener el "cebado" de la bomba. Un cebador no debe de trabajar más de 45 segundos.

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3.5 CAVITACION La cavitación se produce cuando se trata de desalojar un caudal mayor que el que está entrando. Esto produce una brusca baja de presión en el agua del interior del rodete por lo que esta hierve a temperatura ambiente y las burbujas producidas chocan como arena contra los impulsores, erosionándolos. Un indicador de cavitación, es cuando al elevar las RPM de la bomba la presión no sube y la aguja del manómetro empieza a moverse erráticamente. Para evitar que eso ocurra, la presión de entrada debe ser siempre superior a 0,5 bar (7 psi), si de todos modos ocurriera, se deben bajar la RPM hasta que se estabilice la presión de salida y el manómetro compuesto vuelva a marcar presión sobre 0, o mejor aún al menos 0,5 bar de entrada. La llave de retorno debe abrirse únicamente para rellenar el estanque cuando sobra agua, y nunca como una forma de control de presiones, cavitación o golpes de ariete. Es técnicamente incorrecto utilizarla así, para esos casos lo correcto es estar atento a los manómetros, saber interpretar lo que nos indican y actuar de acuerdo a ello. La cavitación puede producirse también por la aspiración desde fondos desiguales, con la producción de remolinos (vórtices) que disocian el aire del agua, o cuando el orificio de descarga está cerrado o casi cerrado lo que provoca que la mayoría del flujo recircule por la bomba

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3.5.1 Aspectos teóricos

Teniendo el agua una temperatura de 25 °C, una columna atmosférica de 10.8 mts y un desnivel de 6 mts entre la fuente de agua y la bomba, la presión teórica máxima de entrada a la bomba es de 4.08 mts.

Teniendo el agua una temperatura de 25 oC, una columna atmosférica de 10.8 mts y un desnivel de 3 mts entre la fuente de agua y la bomba, la presión teórica máxima de entrada a la bomba es de 7.08 mts. __________________________________________________________________________

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En régimen estático ideal, la presión de entrada a la bomba es igual a la altura de la columna de agua proveniente de la presión atmosférica corregida por los factores de temperatura y altitud. En régimen dinámico, cuando la bomba entrega caudal, este valor de la presión de entrada es menor debido a: a. la puesta en movimiento del agua necesita una cierta energía cinética que provendrá de una transformación de energía de presión; b. la perdida de carga en la línea de aspiración aumenta con el caudal y con la longitud de línea dede aspiración c. lalaperdida carga a la entrada de la bomba para que el agua llegue a contactar a las palas del impulsor. Esta pérdida de carga aumenta considerablemente con el aumento del caudal. Si se tienen en cuenta estos factores, puede ocurrir que la presión de entrada al impulsor sea muy débil e inferior a la tensión de vapor del agua a la temperatura considerada. Veamos que ocurre entonces. 1. El agua se vaporiza y aparecen burbujas de vapor en la vena liquida. Luego de pasar por el impulsor la presión aumenta y vuelve a ser superior a la de la tensión de vapor - por lo tanto las burbujas se reabsorben produciendo cavidades. 2. Esta producción de cavidades en las descargas generan choques muy violentos (ruidosos) y corrosiones mecánicas que pueden averiar considerablemente los órganos de la bomba. El fenómeno se denomina "cavitación" y en la práctica aparece cuando se trabaja con grandes alturas de aspiración y grandes caudales de salida. O bien si existen obstrucciones en la válvula de alimentación o de succión. Como es poco probable que se pueda accionar sobre la altura de aspiración, se debe reducir el caudal de expulsión a fin de evitar la cavitación. En algunos casos se puede mejorar el caudal de entrada aumentando el diámetro de los conductos de succión. El problema de la cavitación es a veces descuidado por los bomberos, pero sin embargo es muy importante pues la bomba no puede trabajar a plena capacidad si está en zona de cavitación. Además de los daños que pueden producir en la bomba. Es decir, las situaciones de cavitación pueden presentarse Si pretendemos descargar más agua de la que es capaz de succionar la bomba. A las condiciones de succionar le afectan:        

Diseño de la bomba centrífuga Demasiada altura de succión, Mayor caudal de descarga en las boquillas que el caudal de la bomba La temperatura del agua, La presión barométrica y altitud con respecto al nivel del mar. Insuficiente diámetro del conducto de succión Excesiva longitud de mangueras de succión y con rugosidades internas Válvula de retención con filtro de menos sección útil y/o que tenga obstrucciones

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3.6 ALTURA DE SUCCION ¿Podemos tener límites con la altura de succión? Tanto las experiencias prácticas como el análisis teórico nos muestran los límites de la altura de aspiración. La altura que separa la superficie libre de la fuente de agua y el eje de la bomba se denomina "altura de aspiración". Más exactamente, altura geométrica de aspiración H.G.A.

Esta altura tiene valores límites teóricos y la succión depende de factores óptimos que intervienen en el proceso de cebado, a saber: Presión atmosférica normal de 1013 mbar Un cebador capaz de crear un vacío de 0 bar Agua a temperatura de 4º C Ubicación con respecto al nivel del mar Líneas de aspiración y válvulas perfectamente herméticas     

En estas condiciones la altura máxima de aspiración (succión y/o cebado) es de 10,33 m, esto coincide con las experiencias de Torricelli que determinó este valor para la presión atmosférica.

Altura teórica máxima de succión 10,33 metros __________________________________________________________________________

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3.6.1 Altura Práctica de Succión La altura máxima ideal no se consigue en la práctica debido a diversas causas: 1. El cebador no puede crear el vacío ideal de 0 bar 2. El razonamiento teórico considera que el agua esta inmóvil pero en realidad está fluyendo durante el proceso de cebado lo que implica una pérdida de energía por frotamiento, 3. La temperatura de la bomba no está generalmente a 4 °C sino a mayor, frecuentemente a 15 °C. Esto produce una evaporación en la línea de aspiración y crea una presión contraria vacío. 4. La presiónalatmosférica no es siempre 1013 mbar, puede ser menor y varia también con la altitud 5. La línea de succión, el cuerpo de la bomba y los diferentes accesorios pueden no ser perfectamente herméticos, lo que disminuye el vacío generado por el cebador. Las condiciones mencionadas hacen que en la práctica se puede obtener una altura geométrica de aspiración no mayor de 7,5 m. El buen funcionamiento de la bomba no se resume a tener un buen cebado sino que se debe asegurar que la expulsión no sea mayor que la alimentación. De esta forma se evita la cavitación que en general aparece con los grandes caudales y gran altura de aspiración.

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Proporción de elevación, vacío y presión de aire Elevación del agua

Vacío del mercurio

Presión de aire

Pies 33.9' 32.2' 29.9' 27.6' 25.3' 23.0' 20.7' 18.4'

Metros 10.3mt 9.8 9.1 8.4 7.7mt 7.0 6.3 5.6

Pulgadas 30.00" 29.04" 26.96" 24.88" 22.8" 20.72" 18.64" 16.56"

Milímetros 762mm 738.00 685.00 632.00 579.00 526.00 473.00 420.00

PSI. 14.7psi 14 13 12 11 psi. 10 9 8

16.1' 13.8' 11.5' 9.2' 6.9' 4.6' 2.3'

4.9 4.2 3.5 2.8 2.1 1.4 0.7

14.48" 12.4" 10.32" 8.24" 6.12" 4.08" 2.04"

367.00 314.00 262.00 209.00 155.00 104.00 52.00

7 6 5 4 3 2 1

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MP 1- 55


Descarga a varias alturas de aspiración Capacidad especifica de la bomba

750 gpm

1,250gpm

Tamaño de la manguera en pulgada

4.5”

6”

870

1,435

830

1,375

790

1,310

750

1,250

700

1,175

650

1,100

585

1,020

495

900

425

790

340

660

205

495

.t m 6 e d a

1.20 1.80 s o rt e m n e n ó i c a ri p s a e d ra u tl A

2.40

m to e d ra e u g n a M

3.00 3.70 4.30 4.90 5.50 6.10 6.70 7.30

e d ra e u g n a M

)s e n io c c e s s o d (

.t m 9 e d a m o t

)s e n o i c c se s e rt (

3.6.2 Influencia de la Temperatura

Sabemos que a la presión atmosférica, el agua hierve a 100 ºC. ¿Pero qué ocurre cuando la presión decrece? Las experiencias muestran que la temperatura de ebullición decrece con la disminución de la presión. Con el vacío el agua tiene tendencia a evaporarse y esta vaporización será más importante con el aumento de la temperatura.-

Este fenómeno es importante en hidráulica pues influye en la altura de aspiración: es una ventaja para el cebado. Recordemos que en una línea cerrada la vaporización produce una presión que contrarresta la acción de la presión atmosférica. Si observamos los resultados de la experiencia de Torricelli con agua a diferentes temperaturas, vemos que: __________________________________________________________________________

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Influencia de la tensión de vapor en la altura de una columna de agua A 20 ºC la altura geométrica máxima de aspiración es de 10,08 mt. A 50 ºC la altura es de 9.03mt 



Los bomberos en general trabajan con agua entre 0 y 30º C, por lo cual la variación 0,45 m de altura llega a un máximo de

3.6.3 Influencia de la Altitud Contrariamente a la tensión de vapor que afecta a la presión interior de la línea de aspiración, la altitud tiene un efecto sobre la parte exterior: "la presión atmosférica disminuye cuando la altura sobre el nivel de mar aumenta". Por lo tanto la presión atmosférica ya no será de 10,33 m de columna de agua, sino será menor en aprox. 1,25 m cada 1000 m de diferencia de altitud con referencia al mar. Esta influencia puede ser más importante que la de la evaporación por diferencia de temperatura, especialmente en zonas de montaña. Podemos utilizar una fórmula empírica que nos da una aproximación de la diferencia de altitud H altitud = 1,25 Z Donde H altitud en mca (metros de columna de agua) Z km (kilómetros) ¿Cuál es la altura geométrica máxima de aspiración a 1500 metros de altitud? La presión atmosférica a nivel del mar es de 1013 mbares H.G.A. max 1500 m = H.G.A. Max. 0 m – H altitud; Dónde: H.G.A. (altura geométrica de succión) H.G.A. max. a 1500 m = 10, 33 m – (1, 25 x 1, 5) m; H.G.A. max. A 1500 m = 8,43 m Si este análisis lo hacemos a una altura de 4000 mts. aprox. sobre el nivel del mar, vemos que la máxima altura de aspiración teórica es de 5,33 metros. La influencia de la altitud sobre la altura geométrica máxima de aspiración es más significativa que la influencia de la temperatura en las aplicaciones de los bomberos. Esta es una constante que afectará según dicha posición geográfica y es muy importante que los Operadores tengan en cuenta esta corrección.El efecto de la temperatura del agua y la altitud se acumularán y serán factores que afectarán la altura de aspiración. Todos estos factores afectarán al rendimiento de la bomba y puede someterla a condiciones de cavitación, que pueden llegar a dañarla. __________________________________________________________________________

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4. Lección 4 Bombas contra incendios Competencias 1. Explicar el principio de funcionamiento de las bombas de agua 2. Mencionar dos tipos de bombas contraincendios

4.1 PRINCIPIOS Y FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud, para nuestro caso el agua. Estudiaremos principalmente la bomba tipo centrífuga que es la más utilizada por los servicios contra incendios. Sin embargo, analizaremos la bomba tipo pistón que es y fue una de las primeras utilizadas por los Bomberos.

4.2 TIPOS DE BOMBAS 4.2.1 La Bomba de Pistón Este tipo de bomba una de las primeras utilizadas por los bomberos, en la actualidad solo se usa para casos particulares. Al estudiarlas, aparte de hacer historia, me permite comprender algunos principios de los flujos. Recordemos que un líquido fluye siempre de una zona de alta presión hacia una de menor Presión, y recordemos también que en todo punto en contacto con la atmósfera reina la presión atmosférica.

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Las figuras ilustran el funcionamiento de la bomba a pistón. Se observa el pistón que tiene movimiento alternativo y las válvulas A y B que se abren y cierran según la presión del líquido dentro de la bomba.

Posición 1 - EN REPOSO: El pistón esta inmóvil y las válvulas sobre sus sellos, esto es cerradas, el sistema está en equilibrio: no fluye agua. Posición 2 - AL TIRAR DEL PISTON HACIA ARRIBA: Aumenta el volumen dentro del cuerpo de la bomba y la presión se hace menor que la de la tubería, lo que provoca la apertura de la válvula de admisión "A" y el agua fluye hacia el cuerpo de la bomba hasta igualar las presiones. Posición 3 - AL EMPUJAR EL PISTON HACIA ABAJO: Aumenta la presión dentro de la bomba por la disminución de volumen y provoca la apertura de la válvula de expulsión "B" dejando pasar el agua hacia la tubería de circulación. NOTA: Este mismo funcionamiento es válido para gases en lugar de agua. Ejemplo: inflador de bicicleta. El caudal de la bomba a pistón depende del volumen del cuerpo de la bomba y de la velocidad del pistón. Como inconvenientes de la bomba a pistón aparece la fluctuación de la presión con cada movimiento y el peligro de roturas al trabajar con caudal cero por tener cerrado el conducto de expulsión. 4.2.2 La bomba centrifuga La mayoría de las instalaciones contra incendio se equipan con bombas centrifugas. Estas actúan sobre los líquidos por medio de la fuerza centrífuga para aumentar su velocidad, son bombas cinéticas. Donde la energía cinética es una forma de energía debida al movimiento de los cuerpos. Equivale al trabajo que es necesario realizar para que el cuerpo pase del estado de reposo (v = 0) al estado de desplazamiento con una velocidad v. Estas bombas constan básicamente de un impulsor (rueda con alabes o impeler) y de una carcasa (cuerpo de la bomba), así como también de un difusor (rueda fija con alabes) entre la carcasa y el impulsor. __________________________________________________________________________

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Esquema de una bomba centrífuga.

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Bomba centrífuga. En el centro se ve el rodete y Bomba verticalsumergida. Los rodetesse instalan bajo elnivel del agua. Las bombas centrífugas necesitan ser cebadas, aunque normalmente se construyen de modo que dispongan de un dispositivo autocebante incorporado. La altura de aspiración es la diferencia de nivel en metros, entre el eje de la bomba y la superficie del agua en el punto de aspiración. En la práctica para la mayoría de las bombas de incendio autoaspirantes, la altura de aspiración no debe pasar de 6 m, y la longitud de la manguera de aspiración no debe sobrepasar una longitud de 10 m. Para solucionar el problema de la aspiración, algunas bombas centrífugas se diseñan para funcionar sumergidas bajo el nivel del agua y otras para tener sumergidos solo los rodetes, manteniéndose el motor en la superficie. Las bombas centrífugas contra incendio pueden ser de baja presión (hasta unos 210 o 280 psi.), de alta presión (de 210 a 850 psi.) o combinadas, que agrupan una etapa de baja y otra de alta que pueden trabajar independientemente. La mayor presión se consigue aumentando el diámetro del rodete o su velocidad.

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Hay bombas que disponen de varios rodetes unidos por el mismo eje de modo que la salida de uno comunica con la entrada del siguiente, con lo que pueden conseguirse mayores presiones para un mismo caudal. __________________________________________________________________________

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4.3 CURVAS CARACTERISTICAS Una bomba queda definida por su curva característica, que indica los distintos caudales y presiones que puede alcanzar. Esta representación gráfica de las prestaciones de la bomba permite ver el caudal que puede obtenerse a una determinada presión. Las bombas pueden ser de velocidad fija o de velocidad variable. Las de velocidad variable tienen varias curvas características, ya que sus prestaciones varían con la velocidad del motor.

Curvas características. La superior de una bomba de velocidad fija. Las inferiores de una bomba de velocidad variable. En las instalaciones fijas de extinción, se utilizan bombas que siempre giran a la misma velocidad. En la mayoría de los casos el motor es eléctrico, aunque también se utilizan motores diésel. __________________________________________________________________________

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Las bombas que se montan en los camiones de bomberos están accionadas por el propio motor del camión, y pueden trabajar a distinta velocidad en función de la aceleración que se confiera al motor. Las motobombas portátiles accionadas por motores de gasolina también tienen una velocidad variable en función de la velocidad del motor. Una bomba de velocidad variable se representa por varias curvas indicativa de sus prestaciones de caudal y presión a las diferentes velocidades que puede alcanzar. Las curvas correspondientes a mayor velocidad están desplazadas hacia arriba en el gráfico. Incrementándola velocidad de la bomba puede conseguirse más caudal con la misma presión, o más presión con el mismo caudal. Condiciones en la que se obtiene el caudal nominal de una bomba

Se ha establecido una convención según la cual el caudal nominal de una bomba de incendios centrífuga es el que es capaz de ofrecer en el colector de impulsión con una presión de 10 bar, aspirando a una altura geométrica de 6 metros, con una manguera de aspiración de 8 metros de longitud, dotado de filtro en su extremo. Se da en metros cúbicos por hora (m3/h). __________________________________________________________________________

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5. Lección 5

Mangueras

Competencias 1. Definir que es una línea de manguera 2. Definir los diferentes tipos y tamaños de mangueras

5.1 LINEAS DE MANGUERAS El término manguera contraincendios identifica un tipo de tubo flexible que utilizan los bomberos para transportar agua a presión desde el abastecimiento de agua hasta el lugar donde debe descargarse. Para que una manguera contraincendios sea segura, debe haber sido fabricada con los mejores materiales y únicamente debe utilizarse en actuaciones contraincendios. La manguera es el artículo más utilizado en un cuerpo de bomberos. Debe ser flexible, impermeable, tener un forro interior liso y una cubierta exterior duradera (también llamada recubrimiento exterior). En función del uso al que se destine la manguera contraincendios, éstas pueden fabricarse de diferentes modos, por ejemplo, con recubrimiento sencillo, con recubrimiento doble, con recubrimiento de goma sencillo y de goma dura no flexible

5.2 TAMAÑOS DE LAS MANGUERAS CONTRAINCENDIOS Cada uno de los tamaños de las mangueras contraincendios está diseñado con un propósito específico. Las indicaciones sobre el diámetro de la manguera hacen referencia a las dimensiones del diámetro interior de la manguera. Las mangueras contraincendios suelen cortarse y acoplarse en longitudes de 15 y 30 m (50 y 100 pies) para que se puedan manipular y sustituir más fácilmente, pero también existen mangueras de otras longitudes. Estas longitudes también se llaman tramos, y deben conectarse unos a otros para conseguir una línea de mangueras continua. La manguera de toma se utiliza para conectar la autobomba o una bomba portátil del cuerpo a una fuente de abastecimiento de agua cercana. Esta categoría se divide en dos grupos: manguera de manga blanda y manguera rígida de absorción. La manguera de manga blanda se usa para abastecer a la toma de la bomba con agua de una fuente presurizada, un hidrante. Las mangueras blandas están(también disponibles en tamaños que van de 2,5 como a 6 pulgadas. La manguera rígida de absorción llamada absorbentes) se utiliza principalmente para extraer agua de un abastecimiento abierto También se utiliza para trasvasar agua de una cisterna portátil a otra, normalmente, durante una actuación con camión cisterna.

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La manguera rígida de absorción está diseñada para soportar parte del aspirado de la extracción rígida de absorción se fabrica con un material reforzado de goma diseñado para soportar las condiciones parciales de absorción que provoca la extracción. Está disponible en tamaños que van de 2,5 a 6 pulgadas.

5.3 CONEXIONES PARA MANGUERAS CONTRAINCENDIOS Las conexiones para mangueras contraincendios están fabricadas con materiales duraderos y diseñadas de modo que sea posible conectarlas y desconectarlas con poco esfuerzo y en poco tiempo. Los materiales utilizados en las conexiones para mangueras contraincendios suelen ser aleaciones de latón, aluminio y magnesio, en porcentajes diversos. Estas aleaciones hacen que la conexión sea duradera y fácil de unir a la manguera. Gran parte de la eficacia de las actuaciones con mangueras contraincendios depende del estado y mantenimiento de estas conexiones, por lo que los bomberos deben conocer los tipos de conexiones con las que trabajan.

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5.3.1 Tipos de conexiones para mangueras contraincendios El cuerpo de bomberos utiliza diversos tipos de conexiones para mangueras. Las que se utilizan más a menudo son la conexión roscada y la conexión Storz Las conexiones de un cuarto de vuelta, con orejas de media luna para crudo y de broches se utilizan con menos frecuencia. Las fabricadas con materiales como aleaciones de latón y aluminio y aleaciones de aluminio con un recubrimiento duro no se oxidan. Se pueden fabricar mediante forja, extrusión o fundición. Las conexiones forjadasextruidas son mástienden fuertes que extruidas y soportan el usose normal. un que las conexiones a serlas algo más débiles que lasbien forjadas, aceptaA su uso en las actuaciones contraincendios. Las fundidas son las más débiles y apenas se utilizan para las mangueras contraincendios modernas. 5.3.1.1 Conexiones roscadas Las conexiones roscadas pueden tener tres o cinco piezas. Las de cinco piezas son conexiones de reducción que se usan cuando se necesita una conexión de tamaño menor al de la manguera a la que va unido. Se utilizan para poder conectar mangueras de diferentes tamaños sin tener que usar adaptadores de ajuste (dispositivos utilizados para conexiones con roscado diferentes). Las conexiones de tres piezas para mangueras contraincendios también se usan como conexiones para las mangueras de toma de agua. Las conexiones para diferentes tamaños de manguera de toma están equipadas con orejas que proporcionan asideros prácticos para unir la manguera de toma al hidrante o a la bomba La parte de la conexión que sirve de unión a la manguera es la taza (también llamada caña o mango). Una conexión macho conectado se distingue de Una conexión hembra por las orejas. Sólo las conexiones macho tienen orejas en la taza. Las conexiones hembra tienen orejas en la articulación Las conexiones roscadas se fabrican con orejas para facilitar el ajuste y desajuste de las conexiones. También facilitan la sujeción de la conexión cuando se hacen y deshacen conexiones. Las conexiones se pueden hacer con las manos o mediante llaves (herramientas especiales para sujetar las orejas) (véase la sección Herramientas para mangueras). Existen tres tipos de orejas:

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Tetón, de media luna y de orificio. Aunque aún se encuentran conexiones con orejas tetón, no se solicitan tanto con las nuevas mangueras contraincendios porque tienden a engancharse cuando se arrastran sobre objetos. La manguera nodriza suele tener conexiones con orejas de orificio, que no son más que perforaciones superficiales en el acople. Este diseño de oreja evita la abrasión que aparecería si la manguera tuviera orejas protuberantes y estuviera enrollada en un carrete para mangueras. Los orificios están diseñados para aceptar llaves especiales que se pueden usar para unir o desunir la manguera. Las conexiones roscadas actuales tienen orejas de media luna redondeadas. La mayoría de las mangueras que se compran hoy en día van equipadas con orejas de media luna para que la conexión se deslice por las obstrucciones cuando se mueve la manguera sobre el suelo o alrededor de objetos. Existen conexiones para mangueras con dos o tres orejas de media luna. Otra característica que presentan algunas conexiones roscadas son el corte y el indicador Higbee. El corte Higbees un tipo especial de diseño de rosca en que el principio de la rosca está “cortado” para proporcionar una conexión positiva con las primeras roscas de la otra conexión, lo que tiende a eliminar el trasroscado. Una de las orejas de la articulación presenta una muesca superficial, el indicador Higbee, para marcar dónde empieza el corte Higbee. Este indicador ayuda a unir la rosca de la conexión macho con la de la conexión hembra, que no está a la vista. 5.3.1.2 Conexiones Storz Las conexiones Storz también se llaman conexiones asexuales. Este término indica que no tiene componentes macho y hembra diferenciados, ambas conexiones son idénticas y pueden conectarse la una con la otra. Estas conexiones están diseñadas para conectarse y desconectarse con sólo un tercio de vuelta. Los componentes de cierre son orejas rasuradas y anillos empotrados en las articulaciones de cada conexión. Cuando se unen, las orejas de cada conexión entran en los orificios del anillo de la otra conexión y se deslizan hasta la posición de cierre con un tercio de vuelta.

5.4 PROBLEMAS HIDRAULICOS DE UNA MANGUERA El principal problema que presenta un sistema hidráulico de combate de incendios es la perdida de presión que ocurre en el interior de la manguera contraincendios, está perdida es significativa y perjudicial para las bombas contraincendios ya que las hace trabajar a demasiada presión. Una tendida inadecuada ocasionara generar altas presiones en el inicio de esta, las altas presiones podrían hacer reventar las mangueras y causar accidentes a los operadores de las autobombas. Es por ello que se debe de usar para tendidas de gran longitud mangueras de mayor diámetro las cuales presentan menor perdida de presión por fricción.

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6. Lección 6

Pitones contraincendios

Competencias 1. Definir que son los pitones contraincendios 2. Definir los tipos de chorros 3. Definir los patrones de chorro

6.1 PITONES CONTRAINCENDIOS Los pitones contraincendios son equipos que se colocan en el extremo de una mangueras, monitores o equipos especiales, estos equipos restringen la salida y aumentar la velocidad del fluido esto sirve para poder direccionarlo y lanzarlo con precisión y distancia controlada, en algunos modelos también podemos cambiar el patrón de salida, cerrar, disminuir o aumentar el flujo, la tecnología está ayudando a que cada vez sean más versátiles y eficientes.

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6.2 CLASIFICACION DE LOS PITONES Hay una gran variedad de formas de clasificar los pitones que se utilizan en la lucha contra el fuego. Una muy simple es tomando en consideración los modos en que el pitón nos permite aplicar el agua:

6.2.1 Chorro Liso/Smooth Bore: Este tipo de pitón provee un único patrón consistente en

6.2.2

6.2.3

una vena líquida que mantiene coherencia a lo largo de su alcance efectivo (convirtiéndose en gotas extremadamente grandes pasado este punto). Combinados: Este tipo de pitón es capaz de generar una variedad de patrones de chorro, desde uno liso a un cono de niebla. Tanto el chorro liso como el cono de niebla están compuestos por gotas pequeñas de diámetros variables. El diámetro de la gota y su consistencia dependen del diseño del pitón y la presión de operación (a altas presiones se obtienen gotas más pequeñas). Pitones para usos especiales: Además de los de chorro liso y de los combinados, existen una variedad de pitones especiales como pueden ser los de penetración, los utilizados en techos (de varios tipos) y los de ultra alta presión de chorro liso que pueden ser utilizados para cortar materiales varios como así también para producir neblinas compuestas por gotas extremadamente pequeñas.

6.3 CARACTERISTICAS DE LOS PITONES Más allá de la simple clasificación utilizada en el trabajo de bomberos de chorro liso, combinación o propósitos especiales, los pitones pueden ser clasificados en función de otras características, como por ejemplo por su caudal, rango de caudal, y presión de operación.

6.3.1 Caudal fijo: Algunos pitones están diseñados para proveer un único y específico caudal para una presión de trabajo determinada. Esto incluye a aquellos pitones de chorro liso de punta única y a los pitones de combinación de caudal fijo. Si bien estos pitones están diseñados para proveer un caudal único, esto no es precisamente cierto. El orificio de salida del pitón es de un calibre fijo, lo que asegura un caudal determinado para una presión determinada, pero el caudal expulsado depende del área de la expulsión y de la velocidad de la vena líquida. Aumentar o disminuir la presión afecta el caudal. Por ejemplo aumentar la presión de trabajo de un pitón de 50 psi a 80 psi provoca un aumento del caudal del 22 %.

6.3.2 Caudal Variable: Los pitones también pueden ser diseñados para permitir un cambio en el orificio de salida, permitiendo modificar el caudal sin variación de la presión de trabajo. Con los pitones de chorro liso esto se logra cambiando la punta de los mismos. Con algunos pitones de combinación el caudal y el chorro varían conjuntamente (Ej.: un patrón de neblina implica un caudal menor que un patrón de chorro liso). Sin embargo, la mayoría de los pitones combinados utilizados por los bomberos hoy en día permiten un cambio en el patrón de chorro sin alterar el caudal. Los pitones combinados de caudal variable pueden ser ajustados manualmente para ofrecer una variedad de caudales diversos.

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6.3.3 Pitones automáticos: Otro tipo de pitón que permite variaciones en el caudal es el pitón automático. Este pitón ajusta el caudal de manera automática para garantizar una presión relativamente constante. Con este tipo de pitones se especifica el menor y el mayor caudal de trabajo para la presión que fue diseñado el pitón. Algunos pitones de este tipo permiten ajustar la presión de trabajo entre dos distintas, como por ejemplo 100 psi ó 50 psi.

6.3.4 Presión de trabajo: Hubo un tiempo en que la cuestión sobre la presión de trabajo de los pitones era simple: los de combinación eran diseñados generalmente para trabajar a 100 psi. Sin embargo, hoy en día no todo es tan simple. Por varias razones, como puede ser presión de trabajo limitada en las columnas de agua de los edificios de gran altura, como un deseo de disminuir la fuerza de reacción del pitón, los fabricantes están diseñando pitones que pueden operar en un amplio rango de presiones (comúnmente 50 psi, 75 psi y 100 psi)

Como regla general debemos de considerar lo siguiente: Tipo de Pitón pitón de Chorro Liso

Uso Línea de mano

Presión máxima

pitón de Chorro Liso

Chorro maestro

80 psi.

Pitón de combinación

Chorro a seleccionar

100psi.

50 psi.

6.4 PERFORMANCE DE LOS PITONES En 1989 Floyd Nelson sintetizó la esencia de la performance de un pitón con la siguiente frase: “En realidad, luchar contra el fuego es bastante simple. Todo lo que uno necesita hacer es poner la debida cantidad de agua en el lugar indicado y el incendio estará controlado” Los pitones utilizados para enfriar la capa de gases deben producir gotas pequeñas y ser capaces de permitir una variación en el ángulo del cono de niebla para lograr el alcance a una variedad de lugares dependiendo del tamaño del compartimiento. Las gotas con un tamaño de 0.3 mm son lo suficientemente pequeñas para vaporizarse rápidamente en la capa de gases calientes, pero también tiene la suficiente masa para viajar una distancia considerable. Gotas de diámetro mayor a 1 mm son más propensas a viajar a través de la capa de gases calientes y las llamas sin vaporizarse por completo. En la práctica, si bien conocemos bastante sobre tamaños de gotas y el comportamiento de las mismas, sabemos muy poco sobre el tamaño de la gotas que producen los pitones que estamos utilizando. Lo que sí sabemos es que los pitones de baja presión producen gotas mayores a las producidas por los pitones de mayor presión del mismo tipo. Características específicas de diseño, como el ángulo del cono de niebla que el agua adopta al abandonar el orificio de salida, también afectan el tamaño de la gota. Esto puede ser visto utilizando un pitón como el Akron Turbojet: Siendo utilizado a 30 gpm ó 60 gpm y utilizando una presión de 100 psi, se obtiene una gota extremadamente pequeña que produce un excelente enfriamiento de la capa de gases. Pero configurada para arrojar 90 gpm o 125 gpm el tamaño de la gota aumenta drásticamente. Si bien ambos tamaños de gota logran el objetivo de enfriar la capa de gases, las gotas más grandes lo hacen de forma menos eficiente. __________________________________________________________________________

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Un factor que complica un tanto las cosas al momento de considerar el tamaño de la gota y la performance de un pitón es que éste es sólo una parte de la ecuación. El operador del pitón influencia significativamente la performance. Por ejemplo, en pulsos cortos, si el pitón es abierto rápidamente, la mayor parte de las gotas se formaran estando el pitón totalmente abierto, pero si es abierto más lentamente la mayor parte de las gotas se producen mientras sucede la maniobra de apertura (lo que provoca que algunas gotas se formen en el comienzo de la apertura, momento en que la presión es menor). Lo mismo sucede si el cierre del pitón es lento. Este fenómeno es menos significativo si el pulso es prolongado ya que el tiempo insumido en abrir y cerrar el pitón representa un porcentaje menor de tiempo en comparación con la duración total del pulso. En ataque directo e indirecto, el agua debe atravesar la capa de gases calientes y alcanzar las superficies que arden (ataque directo) y/o superficies calientes (ataque indirecto) antes de evaporarse de forma significativa. Si las distancias no son considerables o la temperatura de la capa de gases calientes no es excesiva, un chorro liso o cono de niebla estrecho compuesto por gotas de pequeño calibre puede ser efectivo en lograr el objetivo. Este suele ser el caso cuando el enfriamiento de la capa de gases precede al ataque directo. No obstante ello, si la distancia entre el pitonero y el objetivo es grande y/o la temperatura de la capa de gases calientes es elevada, gotas de mayor calibre (o un chorro liso) pueden ser mucho más efectivas.

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Calcular cuánta agua se necesita para inundar con vapor toda la habitación suponiendo que la temperatura en el interior es de 100 °C Calculo del Volumen de la habitación: 3 Mt.

____ X ____ X ____ = _______ Mt.3 Mt.3____X 1,000 = ________Lts. vapor Calculo de la expansión del agua:

3 Mt.

________ / 1700 = _____ Lts. de agua Convertir de Litros en Galones: 4 Mt.

______ Lt. / 3.7 = _______ gln. Calcular cuánto tiempo se debe de abrir el pitón de 1 ½” a 125 gpm

(________ gln. X 60 seg.)/ 125 gpm = _______seg. Calcular cuan tiempo se debe de abrir el pitón de 1 ½” a 30 gpm

(________ gln. X 60 seg.)/ 30 gpm = _______seg. Calcular el volumen de la habitación: ____ X ____ X ____ = _______ Mt.3

10Mt.

Mt.3____X 1,000 = ________Lts. vapor Calculo de la expansión del agua:

3Mt.

________ / 1700 = _____ Lts. de agua Convertir de Litros en Galones: 6 Mt.

______ Lt. / 3.7 = _______ gln. Calcular cuan tiempo se debe de abrir el pitón de 1 ½” a 125 gpm

(________ gln. X 60 seg.)/ 125 gpm = _______seg. Calcular cuan tiempo se debe de abrir el pitón de 1 ½” a 30 gpm

(________ gln. X 60 seg.)/ 30 gpm = _______seg. __________________________________________________________________________

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6.5 VALVULA DE CONTROL DE LA BOQUILLA Las válvulas de control (de cierre) de la boquilla permiten que el operario inicie, detenga o reduzca el flujo de agua, manteniendo un control eficaz sobre la línea de mano o sobre el dispositivo de chorro maestro. Estas válvulas permiten abrir lentamente las boquillas para que el operario pueda ajustarlas a medida que aumenta la reacción de la boquilla. Asimismo, permiten cerrarlas lentamente para que no se produzca un golpe de ariete. Existen tres tipos principales de válvulas de control: esférica, corredera y de control rotativo. 6.5.1 Válvula Esférica El diseño y la construcción de la válvula esférica para las boquillas de las líneas de mano proporcionan un control eficaz durante la lucha contraincendios con un mínimo de esfuerzo. La bola, perforada por un conducto liso para el agua, está suspendida por los dos lados del cuerpo de la boquilla y se sella contra el asiento. Puede girar hasta 90 grados accionando el mecanismo de la válvula hacia atrás para abrirla y hacia delante para cerrarla. Cuando la válvula está cerrada, el conducto del agua es perpendicular al cuerpo de la boquilla y bloquea eficazmente el flujo de agua a través de ésta. Cuando la válvula está abierta, el conducto del agua está alineado con el eje de la boquilla y deja que el agua fluya a través de ella. Aunque puede utilizarse en cualquier posición intermedia entre totalmente abierta y totalmente cerrada, si se utiliza la boquilla con la válvula totalmente abierta, se ofrece un flujo y una actuación máximos. Cuando se utiliza la válvula de bola con una boquilla de chorro directo, las turbulencias producidas en caso de que la válvula esté parcialmente abierta pueden afectar al chorro o patrón que se pretende conseguir. 6.5.2 Válvula de Corredera El control de la válvula corredera cilíndrica coloca un cilindro móvil apoyado contra un cono perfilado para cerrar el flujo de agua. El flujo aumenta o disminuye cuando se acciona el mecanismo para cambiar la posición del cilindro corredero en relación con el cono. Esta válvula corredera de acero inoxidable controla el flujo de agua a través de la boquilla sin crear turbulencias. Por tanto, el control de la presión compensa el aumento o disminución del flujo moviendo la zapata para desarrollar el tamaño y la presión adecuados en el extremo. __________________________________________________________________________

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6.5.3 Válvula de control rotativo Sólo las boquillas nebulizadoras de control rotativo poseen este tipo de válvula. Consiste en un cilindro externo guiado por un tornillo que se mueve hacia delante y hacia atrás, girando alrededor de un cilindro interno. La principal diferencia entre las válvulas de control rotativo y las otras válvulas de controles que éstas, además, controlan el patrón de descarga del chorro.

6.6 ALCANCE HORIZONTAL DEL CHORRO A LA SALIDA DE LA LANZA Se denomina alcance vertical y horizontal a la distancia y altura respecto al suelo respectivamente, a la que puede llegar el chorro de agua una vez que abandona la lanza. El alcance depende de varios factores como puede ser, el ángulo que forma lalanza con lahorizontal, el rozamiento del fluido con el aire o del viento, por lo que es difícil encontrar un modelo teórico que se aproxime a un valor real. Además de dispersión del chorro hace que durante la trayectoria este deje de comportarse como un cilindro con un diámetro constante, sino que se abre antes de alcanzar la altura máxima, pudiendo algunas gotas de agua llegar más lejos que el grueso del chorro. Los fabricantes de las lanzas dan los datos de los alcances, en función del caudal, por medio de ensayos normalizados en forma de tablas o gráficas. A pesar de esto vamos a realizar una aproximación teórica a este problema. Cuando el agua sale de una lanza lo hace con un caudal Qv) a (una velocidad v) (determinada, por lo tanto en un tiempot está saliendo una masa igual m =ap·Qv·t. Por ejemplo si está saliendo un caudal de 250 lpm, en un segundo estará saliendo una masa de agua de: m =p·Qv·t = 1000 Kg./m3· 4,167x10-3· 1 s = 4,167 Kg. Es como si cada segundo la lanza estuviera expulsando cilindros de agua de esa masa a la velocidad v:

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¿Qué trayectoria seguirán estos hipotéticos cilindrosde aguaunavezquesalen de la lanza? Para este análisis debemos suponer que no existe rozamiento con el aire y no se tiene en cuanta la influencia del viento. Supongam os que tene mos la lanza qu e está proy ectando un cilindr o de agua haci a arriba con cierto ángulo respecto a la horizontal Si no existiera la fuerza de la gravedad el cilindro seguiría una trayectoria recta LABC, así durante el primer segundo, como lleva una velocidad constante v, habrá recorrido la distancia LA, durante el segundo siguiente AB, BC en el tercer segundo y así sucesivamente. La fuerza de gravedad hace que la masa de agua adquieran una velocidad uniformemente acelerada, por lo tanto a la vez que el cilindro de agua ha recorrido la distancia horizontal d este ha descendido la distancia vertical AA’ en el primer segundo, BB’ en el segundo CC’ en el tercero, etc. El resultado es que el cilindro sigue una trayectoria curva LA’B’C’, denomina parabólica. El alcance horizontal será la distancia recorrida

por el agua antesde que lle gue al suelo y el alcance vertical será la má xima altura alcanzada. Hasta ahora no hemos tenido en cuenta la resistencia del aire y la dispersión del chorro cuando esto ocurre elmanuales alcance ya no es el teórico sino quecontra es mucho menor. La norma EN15182:2007 lanzas de manguera destinadas a los servicios incendios define el alcance efectivo y un máximo en función del tipo de lanza, la presión y el caudal. Valores que el fabricante debe garantizar mediante ensayos.

La resistencia del aire hace que el chorro sea frenado durante su trayectoria, esto se traduce en que si tenemos dos lanzas de diámetro distinto, pero que el agua está saliendo con la misma velocidad, el chorro de la lanza de mayor diámetro llegará más lejos. La explicación de este fenómeno es que la lanza de mayor diámetro estará generando un chorro de mayor caudal, por lo tanto de mayor energía cinética. Pero como la resistencia del aire es prácticamente igual, el chorro con mayor caudal llegará más lejos. Es como si tenemos una bicicleta y un coche circulando a 40 Km./h y tenemos que frenarlos con la misma fuerza, el vehículo con mayor masa nos obligará a disponer de una mayor distancia de frenado __________________________________________________________________________

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7. Lección 7 Bombeo en serie Competencias 1. Definir las actuaciones de bombeo en serie 2. Definir las consideraciones de un bombeo en serie 3. Definir como se aumenta el flujo en un bombeo en serie

7.1 ACTUACIONES DE BOMBEO EN SERIE En muchos casos, la fuente de agua está muy lejos del lugar del incendio. Para hacer llegar el agua hasta el incendio, debe utilizarse actuaciones de bombeo en serie. Este tipo de actuaciones consiste en colocar una autobomba de abastecimiento para bombear el agua a presión por una o varias líneas de mangueras hasta la siguiente autobomba de la línea, a su vez, esta autobomba aumentara la presión para que el agua llegue hasta la siguiente autobomba, y así sucesivamente hasta que el agua llegue al vehículo situado en el lugar del incendio. 7.1.1 Consideraciones sobre el bombeo en serie Antes de comenzar a explicar los diferentes tipos de actuaciones de bombeo en serie que pueden emplearse, es necesario realizar algunas consideraciones importantes sobre el funcionamiento que se aplica en todas las actuaciones de bombeo en serie. Una actuación de bombeo en serie se basa en dos aspectos:  

La cantidad de agua necesaria en el lugar de la emergencia La distancia desde el lugar de la emergencia hasta la fuente de agua

En algunos casos, el bombeo en serie debe proporcionar la cantidad total de agua que se necesita para completar la actuación contraincendios. En otros casos, el bombero en serie se utiliza para completar un sistema municipal de abastecimiento de agua que no se encuentra en condiciones apropiadas. En cualquier caso, la cantidad de agua que se necesita bombear repercute de modo decisivo en el diseño de la serie. Asimismo, la distancia que deberá recorrer el agua es muy importante. Cuando mayor sea esta, más manguera se necesitara, lo que equivale a una pérdida superior de presión por fricción. La pérdida de presión por fricción depende directamente de la cantidad de agua que fluye por la manguera, del tamaño de la manguera utilizada y de la distancia entre de las autobombas. En resumen si se desea aumentar la cantidad de flujo a través del bombeo en serie, será necesario realizar una de las tres acciones que se describen a continuación: 





Aumentar el tamaño de la manguera o el número de líneas de mangueras utilizadas en el bombeo en serie. Aumentar la presión de descarga de la bomba de las autobombas que funcionan en el bombeo en serie. Aumentar el número de autobombas en el bombeo en serie __________________________________________________________________________

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La pérdida de presión por altura también es un factor que debe tenerse en cuenta en las actuaciones de bombeo en serie. Si l actuación de bombeo en serie se realiza cuesta arriba, la perdida de presión del sistema es superior a la causada solo por la fricción. Si la actuación se produce cuesta abajo, ocurre lo opuesto.

Longitud máximas en metros para el bombeo en serie Flujo en gpm 250

Diámetro de la manguera en pulgadas Una de 21/2” Una de 21/2” Una de 3 ” Dos de 2 1/2” y otra de 3 ” 440 1,100 1,770 2,980

Dos de 3” 4,670

500 750

110 49

275 122

443 200

740 330

1,160 520

1,000

28

69

110

180

290

1,250

18

44

70

120

190

7.1.2 Método de bombeo en serie a máxima distancia Consiste en hacer que un volumen predeterminado de agua recorra la distancia máxima a la que puede bombearse a través de un tendido de manguera concreto. Mediante la tabla anterior se puede determinar la distancia máxima a la que puede bombear un flujo determinado a través del tipo de manguera transportada en el vehículo. En las cifra de estas tabla puede apreciarse que la siguiente autobomba de la serie dispone de una presión residual de 20 psi. Asimismo, las cifras de esta tabla se basan en una presión de descarga de 200psi para mangueras de 2.5 y 3 pulgadas. Al considera las distancias establecidas en la tabla el operador aún debe de contemplar otro aspecto. Todas las autobombas del cuerpo de bomberos tienen capacidad para descargar el volumen máximo a 150psi, el 70% a 200psi y el 50% a 250psi. Puesto que la tabla está basada en presiones de descarga de 185 y 200psi, las capacidades mínimas de bombeo que deben utilizarse para conseguir los flujos/distancias indicados en la tabla:  

Flujo de 250 y 500gpm usar una autobomba de 750gpm. Flujo de 750gpm usar una autobomba de 1,250gpm.

Mediante las cifras de la tabla y la siguiente formula, puede determinarse, dada una cantidad de agua, el número de autobombas necesarias para bombear en serie: ECUACION U Distancia de bombeo en serie +1= Número total de autobombas Distancia de tabla Observe que al utilizar esta fórmula, deberá redondear siempre hacia el siguiente número entero. Por ejemplo, si el resultado es 3.2; deberá utilizar cuatro autobombas para logra el flujo deseado. __________________________________________________________________________

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7.1.3 Método de bombeo en serie a presión constante Este método de bombeo en serie establece el flujo máximo disponible de un bombeo en serie concreto utilizando una presión constante en el sistema. Esta tipo de bombeo en serie depende de que se proporcione un flujo constante al lugar del incendio. La autobomba de ataque puede mantener este flujo utilizando una descarga abierta o una línea residual para controlar el flujo que sobrepasa el utilizado por las líneas de ataque.

508 gpm

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Otro ejemplo: Este tipo de armadas permite enviar continuamente caudales medianos desde 500 GPM o mayores, dependiendo de la capacidad de la bomba, a grandes distancias. Si se necesita enviar un caudal de 500 gpm a 300 mt. usando una sola línea de 2 1/2”, se necesita un carro cada 60 mt. aproximadamente bombeando a 150 psi (pf 35 psi/15 mt.) En cambio sí se envía ese mismo caudal por línea en paralelo doble, la distancia entre carro y carro puede ser 4 veces la anterior (pf 10 psi/15 mt.), lo que permite aprovechar mejor los recursos.

Todas las mangueras cercanas a la salida de las bombas están sometidas a una alta presión constante.

En este caso, también los carros trabajan a 150 psi, pero debido a la perdida por fricción, la mayoría de las mangueras estarán con baja presión, por lo que habrá un trabajo más seguro, se consumirá menos petróleo, habrá carros disponibles para trabajar desde otras posiciones, etc. Otro caso que se puede utilizar para enviar caudales a grandes distancias, utilizando pocos carros para ello es con una armada en paralelo triple. Si bien estas armadas requieren muchas mangueras, resulta bastante más barato que comprar carros.

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Distribución típica de ataque de incendios

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Distribución ordenada de manejo de incendios

8. Referencias Este manual ha sido elaborado usando como referencias diferentes manuales y normas que a continuación se detallan. 

    

NFPA 1002 Norma sobre calificaciones profesionales del conductor/operario del vehículo contra incendios. Manual IFSTA Fundamentos de la lucha contra incendios Manual TEEX Operaciones de cuerpos de bombas Manual del Bombero profesional de Fernando Bermejo Martín Manual Agentes extintores : El Agua del Ing. Néstor Adolfo Botta Hojas técnicas de ELKHART BRASS MFG. CO., INC. __________________________________________________________________________

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6 Manual Hidraulica 2017-1

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