CÁLCULO HIDRÁULICO DE SISTEMAS DE ROCIADORES
Aquí se presenta de manera general y sucinta, el procedimiento básico para
realizar los cálculos hidráulicos de un sistema de rociadores automáticos,
configurado tipo “árbol”.
1) Identificar la clasificación de la ocupación a ser protegida
La norma NFPA 13 presenta cinco (5) posibilidades de selección, a saber: Riesgo
ligero, Riesgo ordinario (grupo I y grupo II), Riesgo Extra (grupo I y grupo II);
también presenta una guía de las ocupaciones que pueden considerarse dentro
de las diferentes clases de riesgo.
2) Seleccionar el tamaño del área de operación de rociadores (área de
diseño)
Esta es el área donde se considera que todos los rociadores se abrirán para
descargar agua. El resto de los rociadores permanecerán cerrados.
Si los requerimientos no son impuestos, el diseñador tiene la opción de usar
cualquier tamaño de área permitido por la norma, de acuerdo a la clasificación
de la ocupación.
3) Determinar la densidad de diseño requerida
La densidad de diseño es la mínima cantidad de agua que debe ser descargada
desde cada rociador y es expresada en gpm/pie2 de área de piso. La densidad
de diseño estará basada en la clase de riesgo y en el área de diseño, de acuerdo
a las gráficas de Área/Densidad de la norma NFPA 13.
4) Determinar el área de cobertura de rociadores
El área de cobertura se calcula conociendo la distancia entre rociadores y la
distancia entre ramales. Se aplica la siguiente fórmula:
Ar = S x L
Ar: Área protegida por cada rociador
S: Distancia entre rociadores
L: Distancia entre ramales
5) Establecer el número de rociadores contenido en el área de diseño
Además de conocer el tamaño del área de diseño, también debe conocerse
cuántos rociadores se incluyen en dicha área. Esto se hace aplicando la siguiente
fórmula:
Nr = Ad/Ar
Nr: Número de rociadores en el área de diseño
Ad: Tamaño del área de diseño
6) Establecer el perfil del área de diseño
Es necesario establecer el perfil y la localización del área de diseño. La norma
NFPA 13 requiere que sea rectangular, con un lado de al menos 1,2 veces la raíz
cuadrada del área de diseño, paralelo a los ramales. Así, el lado más largo del
área de diseño se calcula como sigue:
𝑾 = 𝟏, 𝟐√𝑨𝒅
El ancho obtenido se divide por la distancia entre rociadores para obtener
cuántos rociadores se incluyen en el mismo.
Nrr = W/S
Se requiere que el área de diseño sea la de mayor demanda hidráulica.
Generalmente es el área físicamente más alejada, pero no necesariamente. En
los casos donde no sea obvio, se deben completar varios cálculos para
determinar cuál corresponde.
7) Marcar los puntos de referencia (nodos de cálculo)
En el plano del sistema, identificar los rociadores dentro del área de diseño, las
derivaciones de flujo, los cambios de material y de diámetro, ya sea con números
o con letras.
8) Calcular el caudal mínimo requerido en el primer rociador
El caudal mínimo requerido en el primer rociador (el más alejado) se determina
de la siguiente forma:
q = D d x Ar
Dd: Densidad de diseño
9) Calcular la presión mínima requerida en el primer rociador
La presión mínima requerida para descargar el caudal mínimo por el primer
rociador se calcula como sigue:
P = (q/k)2
k: Coeficiente de descarga del rociador
La norma NFPA 13 prescribe una presión mínima de 7 psi; si el cálculo da menos
se debe usar dicho valor y ajustar el caudal que saldría por el rociador.
10) Calcular la pérdida de presión entre el primer y el segundo rociador
Se puede utilizar la fórmula de Hazen-Williams para computar las pérdidas por
fricción entre rociadores. También se puede obtener el factor de fricción de
tablas o gráficos existentes; el factor obtenido se multiplica por la longitud del
tubo entre rociadores.
11) Obtener la presión en el segundo rociador
La pérdida por fricción entre rociadores se suma a la presión requerida en el
primer rociador, obteniéndose la presión requerida en el segundo rociador.
12) Calcular el caudal del segundo rociador
El caudal del segundo rociador se determina mediante la siguiente ecuación:
𝒒 = 𝒌√𝑷
Este caudal se suma al caudal del primer rociador para obtener el caudal que
pasará por el tubo entre el segundo y tercer rociador.
13) Repetir los pasos 10 al 12 para los rociadores sucesivos
Conocido el caudal que pasará por el tubo entre el segundo y tercer rociador, se
puede determinar la pérdida por fricción en ese tramo. Esta pérdida se añade a
la presión requerida en el segundo rociador para obtener la demanda de presión
en el tercer rociador. Esta presión se usa para calcular el caudal del tercer
rociador, de la forma que se describe en el paso 12. Este proceso es repetitivo
hasta que se calculen todos los rociadores en el primer ramal.
14) Calcular la pérdida de presión entre el último rociador del ramal y tubo
alimentador
La pérdida por fricción entre el último rociador y la intersección con el tubo
alimentador, debe incluir el accesorio de conexión. El diámetro del accesorio lo
determina el diámetro del alimentador. La longitud equivalente se puede obtener
de tablas y nomogramas existentes. Al sumar esta pérdida de presión con la
presión requerida en el último rociador del ramal se obtiene la presión en la
intersección.
15) Si el área de diseño se extiende al lado opuesto del tubo alimentador, se
repiten los pasos 8 al 14 para ese lado
En ese caso se obtienen dos demandas de presión y de caudal en el punto de
conexión de los ramales. Dado que no es posible que existan dos presiones en
un mismo punto al mismo tiempo, se debe usar la presión más alta y balancear
el ramal de presión más baja. El caudal en el ramal de presión más baja debe ser
ajustado a la presión más alta mediante la siguiente ecuación:
𝑸𝒂𝒋 = 𝑸𝒃 𝒙 √(𝐏𝐚/𝐏𝐛)
Qaj: Caudal ajustado
Qb: Caudal calculado en el ramal de presión más baja
Pa: Presión más alta
Pb: Presión más baja
El caudal ajustado se añade al obtenido para el ramal de mayor presión y se
obtiene el caudal que llega por el alimentador a la conexión de los ramales.
16) Calcular un “factor K” para el accesorio en la intersección de los ramales
con el alimentador
Con la presión y el caudal en el punto de intersección se puede determinar un
factor K, tal y como sigue:
𝑲 = 𝒒/√𝑷
Este factor K es igual para las intersecciones siguientes en el área de diseño que
sean similares. Si hay alguna intersección diferente se debe determinar otro
factor K.
17) Repetir pasos 10 al 12 para los accesorios de intersección (como si
fuesen rociadores), hasta que todos dentro del área de diseño estén
incluidos
El caudal de la primera intersección se usa para calcular la pérdida por fricción
entre ésta y la segunda intersección. Esta pérdida se suma a la presión requerida
en la primera intersección para obtener la presión demandada en la segunda.
Con esta presión y el factor K computado en el paso anterior se obtiene el caudal
requerido en la segunda intersección, usando la ecuación del paso 12. Se repite
hasta incluir todas las intersecciones comprendidas en el área de diseño.
18) Computar las pérdidas de presión hasta el punto de suministro, por
cambios de elevación, válvulas, accesorios, cambios de diámetro y
diferencia de material de las tuberías, si las hubiere
No se añade ningún caudal después que todos los ramales dentro del área de
diseño han sido calculados. El resto del cálculo envuelve las pérdidas por fricción
hasta el punto de suministro. Se debe incluir las pérdidas en válvulas y
accesorios. Asimismo, se debe tomar en cuenta algún cambio de diámetro en
las tuberías y en el material de las mismas.
Es necesario considerar la diferencia de altura entre el rociador más alto y el
punto de suministro, para añadir la presión por elevación a la presión
demandada y obtener la presión total.
Pe = 0,433 x h
Pe: Presión por elevación (psi)
h: Diferencia de altura (pies)
19) Añadir los requerimientos para mangueras
Se debe considerar un caudal adicional para requerimientos de mangueras
interiores y exteriores (si existen conexiones para mangueras e hidrantes como
parte del sistema de rociadores); dicho caudal va a depender de la clase de riesgo
protegido, de acuerdo con NFPA 13.
La demanda de las mangueras internas debe ser añadida a los cálculos en el
punto donde la conexión se deriva de la red de tuberías del sistema de
rociadores dentro de la edificación. Si existen hidrantes, la demanda debe ser
añadida en el punto donde se conecta el más cercano al montante del sistema.
Importante destacar que el caudal para mangueras internas y externas se agrega
a la presión que indica el cálculo en el respectivo punto de conexión, es decir,
no hay un requerimiento de presión específico para ese punto.
20) Seleccionar la bomba para el sistema
El paso final del proceso de cálculo es seleccionar la bomba para el sistema de
rociadores. Con la demanda de caudal y presión obtenida en los pasos anteriores
se escoge la bomba requerida, aplicando juicio experto y la buena práctica, y
considerando que el caudal nominal de la misma debe ajustarse a lo establecido
en la norma NFPA 20.
Elaborado por: Ing. Luis Ybirma. Caracas, Venezuela
Publicado en: www.contraincendio.com.ve