Formulas y Calculos Hidraulicos

SERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE – SENA

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Centro de servicios de Salud TECNICO EN INCENDIOS Y EMERGENCIAS

Material de Estudio “Formulas y Calculos Hidraulicos” FORMULAS Y CALCULOS HIDRAULICOS

A través de esta guía, la idea es conocer las fórmulas básicas, explicar y desarrollar los conceptos de hidráulica que se necesitan conocer y que se emplean en la labor de incendios En el desarrollo de los cálculos aplicaremos los siguientes conceptos básicos:

Presión Altura Velocidad Descarga Fuerza de reacción Perdida de presión por fricción o rozamiento

Todos los ejercicios de esta guía están diseñados para adquirir práctica en las respuestas referente a la hidráulica. En orden de tener bien claro y no cometer errores, recomendamos que siempre escriba la fórmula que está usando, lo mas claramente posible y utilizando las unidades correspondientes. Para simplificar los cálculos utilice solo dos decimales, redondeando el tercer decimal. La regla general es cuando el tercer número luego de la coma es 4 o menor redondear hacia abajo y viceversa, si es 5 o mayor, redondear hacia arriba. Las fórmulas hidráulicas son la forma abreviada para describir el comportamiento de los fluidos, en nuestro caso el agua. Se utilizan fórmulas con símbolos para hacerlas cortas y fácil de recordar. Por ejemplo, la fórmula nos dice. :

“El caudal de una lanza en litros por minuto es igual a dos terceras partes del cuadrado del diámetro de la boquilla en milímetros multiplicado por la raíz cuadrada de la presión en bar”


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Material de Estudio “Formulas y Calculos Hidraulicos” Miremos nuevamente la fórmula, Cada símbolo en la formula Q, d, P, representa una cantidad física y las unidades en la cual están expresadas Ej.

Q es el símbolo para “caudal medido en litros por minuto” P es el símbolo para “presión medida en Bar” d es el diámetro de la boquilla medida en mm

PRESION, hablaremos ahora de preguntas dónde esta involucrada la presión Nosotros ya sabemos que la presión se mide en bar y que su símbolo normal es P Cuando el agua está en reposo, nosotros consideramos que la presión es ESTATICA. La presión estática en un punto es causada por la altura del agua sobre dicho punto, más cualquier presión adicional aplicada por una bomba u otra fuente de presión Recordemos: Los metros son usados para medir ALTURA (columna) y equivale al valor de PRESION Los metros de altura son usados para medir la PRESION y que equivale a la altura de agua.

Nosotros tenemos bien definido que la PRESION la definimos como metros de columna de agua, pero la unidad normalmente utilizada es el BAR La relación entre columna de agua y Bar, está dada por la formula

P= H x 0,0981

Esto es aproximadamente a:

P= H / 10


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Material de Estudio “Formulas y Calculos Hidraulicos” Donde P es la presión medida en Bar Donde H es la altura medida en metros

Normalmente en nuestros trabajos consideramos a la presión estática sin considerar la presión atmosférica. El aire es un peso que nos presiona en todo el cuerpo en cualquier parte de la tierra. La presión atmosférica es igual a la presión estática de 10 metros de columna de agua.

De hecho, la presión atmosférica es igual a 1,013 Bar o 1013 Hectopascales

Normalmente se puede ignorar la presión atmosférica porque esta actúa igual sobre todas las cosas. Pero cuando una bomba es utilizada succionando, está afectada por la presión atmosférica.

Velocidad

Cuando el agua circula por una cañería, podemos hablar de que tan rápido se desplaza. La velocidad del agua en un caño es la velocidad a la cual circula. La velocidad se mide generalmente en metros por segundo, el símbolo es V La velocidad del agua en una cañería y el caudal de agua que se mueve es obviamente relativa. Si el agua se mueve despacio el caudal de agua a través del caño es bajo y la descarga en el extremo del mismo será baja. La misma cantidad de agua (caudal) moviéndose en conductos de distinto diámetro será distinta. La fórmula utilizada que relaciona la descarga de agua desde un caño y la velocidad del agua en el caño es:


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Material de Estudio “Formulas y Calculos Hidraulicos” En símbolos

Donde:

V es la velocidad del agua en metros por segundo Q es el caudal o descarga en litros por minuto d es diámetro de la cañería o manguera en mm

Ejemplo: Q 2000 litros por minuto; d 63mm, si aplicamos la fórmula

Veamos cual sería la velocidad si tenemos una manguera de menor diámetro, Ej. 45mm de diámetro.

Observamos que aumenta casi al doble, la velocidad. Recordemos, a mayor velocidad del agua, mayor pérdida por fricción.

Caudal de descarga La fórmula para calcular el caudal de una lanza, teniendo los datos de presión y el diámetro de la boquilla, es:


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Material de Estudio “Formulas y Calculos Hidraulicos” Ejemplo: determinar el caudal de descarga en una lanza con 20 mm de diámetro y a 9 Bar de presión,

También puede encontrar esta fórmula

para determinar el mismo dato.

Solo tener en cuenta que el valor H, es la presión, pero medida en metros de columna de agua Si tomamos el mismo ejemplo:

Las pequeñas diferencias entre las dos fórmulas, obedecen a diferencias en los factores de conversión de unidades.

Fuerzas de reacción Cuando el agua es proyectada desde una lanza, esta tiene una fuerza o reacción que debe soportar el operador. Cada bombero ha constatado que una lanza alimentada debe ser sujetada firmemente para contrarrestar la fuerza del retroceso. Esta reacción, se llama reacción del chorro Esta reacción o fuerza es mayor en las lanzas de grandes caudales que en las lanzas pequeñas. Veamos qué es lo que provoca esta fuerza de retroceso. Hemos visto que una unión, una lanza, es un lugar de discontinuidad hidráulica donde se produce una transformación de energía potencial de presión en energía cinética. La velocidad del agua aumenta considerablemente entre la entrada y la salida de la lanza. Todo aumento de velocidad corresponde a una aceleración y toda aceleración da nacimiento a una fuerza, aquí la fuerza se concentra en el chorro. Esta fuerza del chorro, por un principio de mecánica genera una fuerza de reacción igual a la fuerza del chorro pero en sentido contrario, siendo esta la fuerza de retroceso. Para contrarrestar esta fuerza de retroceso, el bombero debe ejercer la misma fuerza en sentido contrario para mantener inmóvil la lanza.

La reacción en la lanza depende de dos factores:


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Material de Estudio “Formulas y Calculos Hidraulicos” La presión en la lanza: La sección del pico.

La fórmula que no permite conocer esta reacción de chorro, es:

Donde

R reacción del chorro y está medida en Newtons P presión en la línea d diámetro de la boquilla

Ejemplo: determinar la fuerza de la reacción de chorro de una lanza de 20 mm de diámetro y trabajando a 9 Bar

Otra fórmula que nos permite llegar a determinar esta reacción es,

R: reacción de la lanza (kgf) S: sección del boquilla (cm2) P: presión en la lanza (bar) 2: factor


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Material de Estudio “Formulas y Calculos Hidraulicos” Si tomamos el ejemplo anterior (d 20 mm y 9 Bar) y lo calculamos con esta fórmula, vemos, (Considerar el valor del diámetro de la boquilla en cm, para encontrar el valor de la sección)

4 Esta reacción en la lanza es generalmente inferior cuando se trabaja con niebla. Perdida por fricción en una manguera Cuando el agua fluye a través de una manguera o cañería esta es afectada por la fricción. El rozamiento del agua contra las paredes internas de la manguera hace perder parte de la presión suministrada por la bomba. En orden de tener una determinada presión en la lanza, nosotros deberemos considerar las pérdidas de presión por rozamiento. Esto determinará que la presión en la bomba deberá ser mayor en función a la perdida por fricción para que tengamos la que necesitemos en la lanza.

Presión de la bomba presión en la lanza necesaria perdida de carga (por fricción) Una fórmula que nos da la perdida por fricción es:

Donde: Pf es la presión pérdida por fricción l longitud de la manguera v velocidad del agua, medida en m/segundo


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Material de Estudio “Formulas y Calculos Hidraulicos” d diámetro de la manguera, medido en mm f es un factor de fricción y depende del tipo de manguera Ejemplo Calculemos la perdida de presión por efectos de la fricción en 100 metros de manguera de 63 mm de diámetro, si el agua circula a una velocidad de 3 metros por segundo.

El valor f es a 0,01

Simplificando y haciendo las operaciones, es igual a 2 Bar

Pero, en general, es mucho más fácil conocer el caudal de descarga en la manguera o lanza que el valor de la velocidad del agua en la manguera. En este caso, para determinar la pérdida por fricción podemos utilizar la siguiente fórmula.

Donde:

9000 factor fijo f 0,01 (factor de la manguera) l longitud de la manguera Q caudal en litros por minuto d diámetro de la manguera

Bibliografía:


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Material de Estudio “Formulas y Calculos Hidraulicos” - Buenos Aires - Argentina - Departamento de Capacitación de Tessin Rosenbauer S.A

Formulas y Calculos Hidraulicos

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