HIDRÁULICA BÁSICA PARA SISTEMAS CONTRA INCENDIO – MEDICIÓN DE CAUDAL

INTRODUCCIÓN

Esta es la última parte de una serie donde se exponen los Conceptos Básicos de la Hidráulica que son necesarios para la comprensión de temas importantes de los sistemas de extinción de incendios. En esta oportunidad se tratarán algunos aspectos relacionados con la medición de caudal.

Toda instalación de sistemas de extinción de incendios debe disponer de algún medio que permita la realización de pruebas de desempeño y de suministro de agua. Normalmente, en nuestra región los sistemas de extinción son suplidos mediante una bomba contra incendios que toma agua desde un tanque o cisterna. Es requerido que a dicha bomba se le realicen pruebas de desempeño cuando se completa su instalación (pruebas de aceptación) y por lo menos una vez al año, para asegurarse que la misma funciona apropiadamente. Para esto es necesario realizar mediciones de caudal con cuyos resultados se genera la curva de la bomba, que luego es comparada con la curva original entregada por el fabricante o con la generada en la prueba anterior. Estas pruebas también permiten determinar la idoneidad de la reserva de agua contra incendios; es decir, conocer si el suministro de agua pueda aportar la cantidad necesaria a la presión correcta durante el tiempo suficiente.

Realizar mediciones de caudal también es necesario para conocer qué caudal descarga un hidrante, un monitor o una conexión de mangueras.

DISPOSITIVOS DE MEDICIÓN

Los dispositivos más utilizados para realizar mediciones de caudal en sistemas de extinción son el tubo Pitot y el tubo Venturi. Existen otros métodos de medición menos utilizados, como son la Placa orifico y el tubo Annubar.

El tubo Pitot consiste en un tubo de diámetro interno muy pequeño, de aproximadamente 1/16”, con un manómetro acoplado.

El tubo Venturi es esencialmente una constricción cónica en una tubería, con dos puertos para toma de presión, uno en la sección principal de la tubería y el otro en la sección de diámetro reducido. Combinado con un manómetro diferencial se puede utilizar para medir la velocidad del flujo de agua.

La Placa Orifico consiste en una lámina circular con un agujero concéntrico inserta transversalmente dentro de la tubería y que restringe bruscamente el flujo través de ésta. Mediante dos puertos se mide el diferencial de presión antes y después de dicha lámina.

El tubo Annubar consiste en una modificación del tubo Pitot. Se inserta a través de la tubería; tiene varias tomas de presión que apuntan hacia donde viene el flujo, que miden el “promedio” de la presión total (estática + dinámica), y una toma del otro lado, que mide la presión estática.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TUBO PITOT

Supongamos una tubería por donde fluye agua a un caudal Q. Si el tubo Pitot se inserta en el centro de la corriente de agua, apuntando “aguas arriba”, la lectura en el manómetro reflejaría la energía total existente en ese punto.

Si al lado del tubo Pitot se instala un manómetro, éste reflejaría la energía potencial en ese punto. La pérdida de presión entre los dos puntos se puede considerar insignificante, dada su cercanía, por lo que se puede omitir.

Entonces, tenemos que:

Al realizar la resta para obtener la diferencia de lectura en los manómetros entre los dos puntos, nos queda:

Esta diferencia de lecturas de los dos manómetros representa el componente de energía cinética que comúnmente se conoce como “presión de velocidad”.

Despejando la velocidad, se obtiene:

Al realizar la medición con el tubo Pitot en un chorro abierto, toda la energía se convierte en cinética, por lo que la diferencia de presión (ΔP) correspondería a la presión medida por el manómetro acoplado.

Como sabemos, conocida la velocidad del flujo se puede determinar el caudal mediante:

Manipulando esta ecuación y realizando las conversiones de unidades necesarias se obtiene:

Donde:
Q = Caudal [gpm]
Cd = Coeficiente de descarga
Ø = Diámetro interno (pulg.)
P = Presión (psi)

Tanto el coeficiente de descarga como el diámetro dependen de la boca donde se realiza la medición. Seguidamente se muestran algunos valores normalmente aceptados y utilizados.

En las siguientes imágenes se muestran algunos elementos utilizados para realizar mediciones con tubo Pitot.

Cuando se realiza la medición con el tubo Pitot, su orificio debe ubicarse en el centro de la sección transversal del chorro de agua, separado del borde de la boca 1/2 del diámetro.

Las mediciones con el tubo Pitot durante las pruebas a los sistemas de extinción se realizan directamente en las bocas de descarga del cabezal de pruebas o conectando una manguera a las válvulas y colocando en el otro extremo alguno de los dispositivos indicados más arriba.


PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TUBO VENTURI

En la parte estrecha del tubo Venturi la velocidad es mayor que en la parte ancha del tubo y, de acuerdo al teorema de Bernoulli, la presión es menor. En la parte divergente se restaura la presión del sistema con un mínimo de pérdida por fricción.

El principio Venturi para la medición de caudal en tuberías es el siguiente:

Partiendo del teorema de Bernoulli, considerando que la diferencia de altura y la pérdida por fricción entre los dos puntos son insignificantes, se tiene:

Sabiendo que:

Se puede sustituir y reorganizar para obtener:

Para cualquier caudalímetro Venturi las áreas A1 y A2 son valores conocidos. Combinando esos valores con la constante g (aceleración debida a la gravedad) y un coeficiente de pérdida por fricción particular del dispositivo, la ecuación anterior se puede expresar de la siguiente manera:

Mediante pruebas, se puede establecer un valor de K para cualquier medidor de caudal Venturi específico, lo que permite determinar el caudal a partir del diferencial de presión que ocurre cuando circula agua a través de él.

El diferencial de presión en el medidor de caudal Venturi es procesado mediante un integrador y el caudal es mostrado en un indicador acoplado.

En los sistemas de bombeo contra incendios el medidor de caudal Venturi se instala en la tubería de pruebas, entre dos válvulas de control.

Ing. Luis Ybirma
Caracas – Venezuela

Fuentes:
Fire Protection Hydraulics and Water Supply Analysis. Second edition. Pat D. Brock. 2000
NFPA Fire Protection Handbook; Twentieth Edition

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, en todo o en parte, con lo aquí expresado.
2. Todas las imágenes y marcas comerciales que se publican en este Blog son marcas registradas por sus propietarios, y se utilizan sólo con fines didácticos e informativos.

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