EL FACTOR K DE ROCIADORES Y LA PRESIÓN DE SUMINISTRO

El Factor K de los rociadores contra incendio es una característica básica de los mismos. En una publicación anterior se explicó en qué consiste. Así que sabemos que existe una relación entre la presión del agua en las tuberías y el caudal que descarga un rociador. Dicha relación se expresa mediante la siguiente la ecuación:

El factor K se determina mediante ensayos normalizados por los laboratorios de prueba al momento de listar los rociadores. Dicho factor depende del diámetro interno del orificio de descarga del rociador; es por eso que los rociadores de mayor tamaño tienen un K mayor.

El rociador spray estandarizado en 1958 por la norma NFPA 13, “Standard for the Installation of Sprinkler Systems”, con orificio nominal de ؽ”, tenía un factor K de 5,6 (en unidades inglesas) y de 80 (en unidades SI). Este factor se tomó como punto de referencia para el desarrollo de nuevos rociadores.

En la siguiente tabla se muestran los factores K establecidos por la norma NFPA 13-2019:

Nótese que existe una relación entre el factor K = 5,6 y los demás, tanto menores como mayores (columna 4). El valor nominal de los demás factores K permite que el caudal descargado a una presión dada sea un porcentaje establecido del caudal que descargaría un rociador con K = 5,6 a esa presión.

Cuando se diseña un sistema de rociadores mediante el método densidad/área, para ocupaciones distinta a Almacenamiento, el rociador spray con factor K = 5,6 es, con diferencia, el tipo más utilizado. Tal vez por costumbre. Pero se pueden utilizar rociadores con factor K mayor o menor (estos últimos bajo ciertas condiciones particulares establecidas en NFPA 13).

La norma NFPA 13-2019, en el parágrafo 9.4.4.1, establece que los rociadores deben tener un factor K mínimo de 5,6, a menos que se permita otro factor menor en la sección 9.4.4. Por ejemplo, rociadores con factor K menor a 5,6 son permitidos en sistemas de tubería mojada calculados hidráulicamente para ocupaciones de riesgo Ligero. Eso es porque ellos no son tan efectivos para controlar un incendio como los rociadores con un factor K igual o mayor a 5,6 y, además, no pasan las mismas pruebas a las que son sometidos éstos. Para sistemas de tubería seca y de pre-acción los rociadores con factor K menor a 5,6 están limitados por la posibilidad de obstrucción por los residuos producto de la corrosión de las tuberías.

¿Tiene alguna ventaja utilizar rociadores con factor K mayor a 5,6?

Los rociadores con factor K mayor a 5,6 tienden a producir gotas de agua de mayor tamaño y con un mayor momentum, por lo que estos rociadores resultan mejores para combatir los incendios, dado que las gotas de agua tienen más posibilidad de superar el empuje de la pluma de fuego y llegar a los combustibles para lograr el control o la supresión del incendio.

Otra ventaja es que los rociadores pueden descargar el caudal de agua requerido a una presión más baja. Un aspecto que puede ser útil cuando se quiere seleccionar una bomba con presión nominal baja o cuando se tiene una presión disponible en la red contra incendio y el sistema debe adaptarse a ella. Esto puede comprobarse de manera sencilla, aplicando la ecuación que relaciona caudal y presión, indicada más arriba.

Vamos a calcular la presión requerida en el rociador más remoto del sistema para los factores K = 5,6, K = 8 y K = 11,2 y analizar qué sucede cuando cambia el factor K. Utilizaremos las curvas de densidad/área y asumiremos el área de operación (o diseño) mínima. Así mismo, asumiremos el área de cobertura máxima establecida para rociadores de acuerdo al riesgo de ocupación.

Para factor K = 5,6 los resultados son los siguientes:

Aquí puede observarse que a partir del riesgo Ordinario 2 la presión en el rociador más remoto es relativamente alta, sobre todo para el riesgo Extra 2. Bien sabemos que el rociador más remoto es el que requerirá la menor presión en el sistema; mientras mayor sea la presión en ese rociador mayor será la presión en el otro extremo del sistema, es decir, en la descarga de la bomba o en el punto de conexión a la red de agua contra incendio.

Para factor K = 8 los resultados son los siguientes:

En esta tabla puede observarse que los valores de presión disminuyen aproximadamente a la mitad en comparación con los valores para K = 5,6. También puede observarse que para riesgo Ordinario 1 la presión cae por debajo de 7 psi, que es la presión mínima permitida por la norma NFPA 13. Esto indica que no es adecuado utilizar rociadores con K = 8 en ocupaciones con esa clase de riesgo (a menos que se aumente la densidad de descarga, que no estaría mal). Si se asigna una presión de 7 psi se ajustaría el caudal a 21,16 gpm, lo que incrementaría la densidad hasta 0,16 gpm/pie2.

De acuerdo con esta tabla, los rociadores con K = 8 pueden utilizarse en ocupaciones de riesgo Ligero. Pero hay que hacer la salvedad que en estos ejemplos se está utilizando el área de cobertura máxima del rociador; si el área de cobertura es menor la presión podría caer por debajo de 7 psi. Por ejemplo, si el área de cobertura es de 210 pie2 (en vez de 225 pie2) la presión ya resultaría por debajo del límite (se dejan las cuentas de tarea).

Para factor K = 11,2 los resultados son los siguientes:

Puede observarse, de manera similar al caso anterior, que los valores de presión disminuyen al 50%, aproximadamente, en comparación con los valores para K = 8, y al 25%, aproximadamente, en comparación con los valores para K = 5,6. También puede observarse que para los riesgos Ligero y Ordinario 2 la presión resulta por debajo de la presión mínima permitida. Como se ha dicho, esto indica que no es adecuado utilizar rociadores con K = 11,2 en ocupaciones con esas clases de riesgo. El cálculo para riesgo Ordinario 1 se omitió por razones obvias.

De acuerdo con los resultados mostrados en la tabla, los rociadores con K = 11,2 sólo pueden utilizarse en ocupaciones con clase de riesgo Extra. Pero, nuevamente, hay que hacer la salvedad que en estos ejemplos se está utilizando el área de cobertura máxima del rociador; si el área de cobertura es menor la presión podría caer por debajo de 7 psi. Por lo tanto, lo anterior no debe tomarse como una verdad absoluta. Por ejemplo, sólo con que el área de cobertura sea de 98 pie2 (en vez de 100 pie2) la presión para el riesgo Extra 1 ya estaría por debajo del límite, por lo que habría que utilizar rociadores K = 8 (se dejan las cuentas de tarea).

¿Qué sucede cuando se trata de Almacenamiento? Pues, sucede lo mismo. La hidráulica no cambia.

En ocupaciones de Almacenamiento, los rociadores spray (CMDA) están limitados en su aplicación por su factor K según la densidad de descarga requerida (Sección 21.1 de NFPA 13-2019). Así, rociadores con un K = 5,6 están permitidos con densidades hasta 0,2 gpm/pie2; rociadores con un K = 8 se pueden utilizar con densidades entre 0,2 y 0,34 gpm/pie2 y para densidades mayores se debe utilizar rociadores con un K = 11,2 o mayor.

El diseño se puede empezar probando con un factor K alto y, después de realizar los cálculos, analizar si es necesario cambiar a un K menor, si la presión resulta por debajo de 7 psi, o probar con otro K mayor si se quiere bajar la presión (como se ha expuesto anteriormente).

Veamos un ejemplo:

Supongamos el caso de almacenaje de mercancías Clase IV en racks, para el cual aplican las siguientes curvas de diseño:

Trabajaremos con la curva A, la cual prescribe una densidad de descarga mínima de 0,45 gpm/pie2 para un área de diseño de 3.000 pie2. Se toma ese punto para destacar que se puede seleccionar cualquier valor sobre la curva. Utilizaremos un área de cobertura por rociador de 90 pie2 y empezaremos con rociadores de factor K = 16,8. Dado esto, el caudal por el rociador más remoto resultaría de 40,5 gpm; así que la presión en dicho rociador sería de 5,81 psi, claramente por debajo de la presión mínima requerida. Por lo tanto, habría que seleccionar rociadores con un factor K menor, ya sea K = 14 o K = 11,2 (menos no se puede, como ya se ha expuesto antes).

Para K = 14, la presión sería de 8,37 psi, mientras que para K = 11,2 la presión sería de 13,08 psi. Dos valores relativamente bajos; la selección final queda a criterio del diseñador, pero como ya se ha dicho, puede depender de la presión disponible.

Por supuesto, hay otras maneras de bajar la presión final, ya sea en la bomba o en el punto de conexión; una sería aumentar el diámetro de las tuberías. Pero esa opción probablemente resulte más costosa, ya que también involucraría accesorios y válvulas más grandes.

Entonces, para concluir; si deseamos bajar la presión requerida en el medio de suministro, una de las maneras es seleccionar rociadores con un factor K mayor al “universalmente” utilizado (K = 5,6). Algunas razones por las cuales convendría bajar la presión pueden ser: 1) Porque la Ingeniería consiste en optimizar el diseño de los sistemas; 2) Adaptarse a la presión disponible en la red de agua; 3) No tener una bomba de presión nominal alta que obligue a instalar válvulas reguladores de presión en algunos sectores del sistema de extinción; 4) Obtener una bomba de potencia baja por cuestiones de consumo eléctrico.

En todo caso, durante el diseño de un sistema de rociadores siempre es conveniente y necesario analizar los resultados obtenidos del programa de cálculo, tanto la demanda final como en los distintos nodos, y no aceptar los valores arrojados sin más, dado que siempre puede haber posibilidad de optimizar el sistema.

 

Ing. Luis Ybirma
Caracas – Venezuela

 

Fuentes:
– NFPA Automatic Sprinkler System Handbook; fourteenth edition, 2019
– NFPA Fire Protection Handbook; Twentieth Edition
– Sprinkler Hydraulics and What It’s All About; Harold S. Wass, Jr. 2nd Edition, SFPE, 2000
– Fire Protection Engineering Magazine; Issue Nro. 9, 2001. SFPE

 

 Notas:
1. El contenido de este artículo no es una Interpretación Formal de NFPA. Lo aquí expresado es la interpretación personal del autor y no necesariamente representa la posición oficial de las normas NFPA y sus Comités Técnicos. Por otra parte, el lector es libre de estar de acuerdo o no con lo aquí expresado.
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