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CÁLCULO HIDRÁULICO DE SISTEMAS DE ROCIADORES

INTRODUCCIÓN

En este escrito se presenta de manera general y sucinta, el procedimiento básico, paso a paso, 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 los rociadores se abrirán para descargar agua en ocasión de un incendio. El resto de los rociadores permanecerán cerrados. El área de diseño es la hidráulicamente más demandante.

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 operación, 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. Determinar 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:

El largo 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 del suministro de agua. En los casos donde no sea obvio, se deben completar varios cálculos para determinar cuál corresponde.

7. Marcar los puntos de referencia.

En el plano del sistema, identificar los rociadores dentro del área de diseño con números, y las intersecciones, cambios de elevación y de diámetro con letras. Estos son los denominados nodos de cálculo.

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 = Dd x Ar

Dd: Densidad de diseño
Ar: Área protegida por cada rociador

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
q: Caudal por rociador

La norma NFPA 13 prescribe una presión mínima de 7 psi; si el cálculo da menos se debe usar 7 psi y ajustar el caudal a esa presión.

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. Pero lo más común es 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:

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 entre el segundo y el tercer rociador. 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 ramal conectado. 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. La intersección de los ramales debe balancearse a la presión más alta.

En estos casos 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: 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 a la conexión.

16. Calcular un “factor K” para el accesorio en la intersección de los ramales con el colector.

Con la presión y el caudal en el punto de intersección se puede determinar un factor K, tal y como sigue:

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.

18. Computar las pérdidas de fricción hasta el punto de suministro, con compensación 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 las conexiones); la cantidad 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 conexiones externas, la demanda debe ser añadida en la más cercana al montante del sistema .

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 debe ajustarse a lo establecido en la norma NFPA 20.

Ing. Luis Ybirma
Caracas – Venezuela

   
 

Esta entrada tiene 33 comentarios

    1. admin-ybirma

      Muchas gracias Maestro por su comentario. En la medida de lo posible continuaré publicando temas…
      Si llegase a observar alguna imprecisión en algún artículo, por favor, notifíquemelo.

  1. Milwar Delgado

    Muchas gracias por por los artículos tan interesantes que publican son de mucha ayuda para nosotros. Me gustaría pedirles que nos pudieran aconsejar sobre algún software especifico para realizar estos cálculos y alguno de bajo costo mucho mejor pero que sirva y sea con garantía.
    Me gustaría saber si tienen algún curso ON LINE sobre instalaciones contra incendio y temas afines. Muchas gracias

    1. admin-ybirma

      Muchas gracias por su comentario.
      Hay un software de cálculo en español que es muy bueno, lo puedo recomendar; se llama HIDCAL, puedes obtener información aquí: https://hidcal.com/.
      En cuanto a curso on-line, estamos trabajando en ello para en un futuro ofrecer ese servicio.

  2. Andrés Pérez

    excelentes artículos!! me ayudaron bastante en mi diseño pero tengo una duda, estoy diseñando un sistema de rociadores para una sala de bombas que transportan hidrocarburo la estoy tomando como riesgo extra tipo 1 pero adicionalmente el sistema por fuera contara con monitores fijos quisiera saber si hay algun apartado de la norma que me impida usar ambos sistemas simultaneamente es decir rociadores + monitores

  3. admin-ybirma

    Hola Andrés. No hay impedimento para utilizar monitores en respaldo del sistema de rociadores. Pero si los sistemas son suministrados desde la misma fuente debes tomar en cuenta la demanda de agua de ambos al realizar los cálculos hidráulicos y determinar la capacidad de la bomba y el volumen de agua.
    Por otra parte, podrías considerar la opción de utilizar rociadores de agua/espuma para la protección de la sala de bombas.

    1. Andrés Pérez

      excelente muchas gracias!

  4. Ricardo R.

    Una consulta.

    Como se determina cuantos rociadores pueden entrar en una tubería de una pulgada?
    -Según el método de tablas, dice maximo 2 rociadores en una pulgada; Podrian entrar 4 rociadores en una pulgada??

    1. admin-ybirma

      Hola Ricardo R. Gracias por tu comentario.
      Diferente al método por tablas, por el método de cálculo hidráulico no se establece un máximo de rociadores para una tubería de 1″, queda a criterio del diseñador. Con los cálculos hidráulicos se busca optimizar los diámetros de las tuberías en base a las pérdidas de presión, de manera de disminuir costos de instalación. Se busca un balance entre las pérdidas y el suministro de agua; mientras más pérdidas haya en las tuberías, mayor presión debe proveer la bomba; también es conveniente considerar la velocidad resultante en las tuberías, la cual no debería ser excesivamente alta (aunque esto no está limitado en la norma).
      4 rociadores podrían entrar en una tubería de 1″ si el sistema es tipo «parrilla», tomando en cuenta lo anterior y la clase de riesgo. Para riesgo extra probablemente eso no aplica.

  5. Ricardo R.

    Muchas gracias por la informacion. Otra consulta, considerando que no se toma en cuenta la velocidad según NFPA, teóricamente yo podría pasar mas de 100 GPM por una tubería de 1 pulgada? pero implicaría una alta velocidad y una altisima presión? o por hidráulica sería imposible pasar 100 GPM Por una pulgada??.

    1. admin-ybirma

      Teórica y prácticamente, por una tubería de 1″ se pueden pasar 100 gpm, pero eso generaría una alta velocidad (lo que acarrearía mucha vibración en las tuberías) y una gran pérdida por fricción, por lo que se requeriría una bomba con una alta presión en la descarga.

      1. Ricardo R.

        muchas gracias por su respuesta.

  6. Omar

    Quisiera saber cuánto porcentaje de stock debo yo tener de rociadores, segun la NFPA

    1. admin-ybirma

      Según NFPA 13 (6.2.9), se debe tener rociadores de repuesto de todos los tipos y clasificaciones instalados, de acuerdo a lo siguiente:
      (1) Por lo menos 6 rociadores si se tienen instalados menos de 300.
      (2) Por lo menos 12 rociadores si se tienen instalados entre 300 y 1000.
      (3) Por lo menos 24 rociadores si se tienen instalados más de 1000.

  7. Miguel

    Buenos días, estimado en los actuales momentos me encuentro realizando una evaluación referente a rociadores automáticos existentes en un almacén. Y la pregunta sería: Cómo determinar la cantidad total de flujo que me aportarían todos los rociadores existentes en dicho almacén?. He consultado la norma NFPA 13 pero me hace referencia a una determinada área de diseño en donde solamente consideran una cierta cantidad de rociadores. Pero mi caso es distinto, ya que requeiro saber la cantidad total de agua de todos los rociadores.También, he realizado los cálculos respectivos de pérdidas por fricción utilizando las ecuaciones de Hazen-Williams pero en un punto del anillo mis resultados de presión empiezan a incrementar considerablemente, obteniendo resultados de hasta 400 psi en rociadores. No sé si es porque el anillo es muy grande por tener tantos ramales (48 ramales de 7 rociadores cada ramal) o porque estaré obviando alguna condición en los cálculos. Agradecería mucho la orientación que me pudiera suministrar. Saludos.

    1. admin-ybirma

      Hola Miguel.
      Lo primero sería, ¿porqué calcular el flujo por la totalidad de los rociaodres? Los sistemas de rociadores se calculan considerando un «área de diseño», que incluye sólo una cierta cantidad de rociadores, que para el caso de almacenamiento va a depender del tipo de rociadores utilizados (CMDA, CMSA, ESFR) y también si hay o no rociadores «entre-racks».
      La norma NFPA 13-2016 establece los parámetros y directrices para el diseño y cálculo de sistemas de rociadores para almacenamiento en los capítulos 12 al 21, y el procedimiento de cálculo está en el capítulo 23.
      En cuanto a los resultados de tu cálculo, lo que puedo decir es que calcular de manera manual sistemas tipo anillo es muy complicado y engorroso, y se debe tener sumo cuidado para evitar resultados erróneos; sobre todo si estás tratando de calcular con flujo por todos los 336 rociadores. Los sistemas tipo anillo y malla preferiblemente deben calcularse mediante software… Y si el caso es que estás utilizando un software y los resultados son ilógicos, debes revisar si estás introduciendo bien los datos.
      Si requieres una asesoría personalizada nos podemos comunicar vía Skype (live:lybirma_2001), Telegram (+584168050211) o LinkedIn (https://www.linkedin.com/in/luis-ybirma-0702299/)

  8. Lo felicito por su pagina, su compromiso con la protección contra incendio demuestra su calidad de persona y profesionalismo

    saludos

    1. admin-ybirma

      Muchas gracias Rodrigo.
      Estoy a la orden.

  9. Julian Cristancho

    Ing Luis muy buen aporte, excelente explicación.
    Me ha resuelto varias dudas que tenia.

    1. admin-ybirma

      Muchas gracias por tus comentarios Julian.

  10. Rolando Martin Rivera

    Rolando dice:
    Hay una práctica extendida de utilizar multi tanques para almacenamiento y no colocar placa anti vortice. Si hay suficiente sumergencia del orificio ¿ Es necesaria aún así? Con los problemas de escasez de agua por qué no utilizar los tanque para agua potable en una emergencia tomando las previsiones contra el incendio?

    1. admin-ybirma

      Hola Rolando. Gracias por escribir.
      Ciertamente, no siempre es necesario colocar la placa anti-vórtice; pero hay que garantizar que el nivel de agua en el reservorio nunca baje hasta donde se empezarían a formar vórtices. Eso se puede calcular, existe bibliografía al respecto.
      También, los tanques de agua potable se pueden utilizar para emergencias de incendio, haciendo los arreglos de instalación necesarios.

  11. julio castro vargas

    si tengo un galpon de 1120 metreos cuadrados con inclinacion de doble caida podria utilizar ramal central o que tipo de circuito debo ulizar

    1. admin-ybirma

      Buenos días Julio.
      En principio, cualquier configuración es válida para el sistema de rociadores: tipo árbol, tipo anillo, tipo malla o tipo mixto… Ahora, la decisión de cual configuración realizar depende del diseñador, que deberá tomar en cuenta algunos parámetros como el tipo de construcción, características de la estructura, viabilidad para el trazado y soporte de las tuberías, facilidades de instalación, capacidad del medio de suministro de agua, entre otros.

  12. julio castro

    Ing reciba un cordial saludos
    tengo una inquietud
    tengo una bodega de fabricacion de plasticos
    tipo de riesgo seria RIESGO ADICIONAL GRUPO 2
    tengo 1600 metros cuadrados al convertir pie cuadrado me da esta cantida 17.22,26 pie cuadrado
    la pregunta en la tabla de densida x area que valor deberia utilizar
    para mi pensar deberia ser 1500 pie x 0.4
    que me daria 600 GPM
    necesito de su ayuda
    le agradeceria enormemente ing Luis
    para despejar esta duda

  13. Alejandro peña

    Solicito informacion de sistemas contra incendio

  14. Simon Flores

    Cual es el mejor sotfware para diseño de sistemas de rociadores vs incendio

    1. admin-ybirma

      Hola Simón. Gracias por escribir.
      Esa información que solicitas no la manejo.
      Existen muchos software para el cálculo de los sistemas de rociadores; de diferentes precios y con diferentes prestaciones. Para seleccionar alguno habría que evaluarlos y corroborar cuál se adapta a las expectativas y al presupuesto. Yo no recomiendo ninguno en particular; tampoco los vendo. Sin embargo, hay disponible uno que está en lenguaje castellano, denominado Hidcal, el cual puedes solicitarlo en esta web: https://hidcal.com/
      En este enlace puede ver una lista de programas de cálculo, cada uno con una breve reseña: https://detectofuego.com/index.php/2018/02/12/programas-de-calculo-hidraulico-de-sistemas-de-rociadores-fire-sprinkler-hydraulic-calculation-software/

  15. raul marquez

    el punto 3 no seria densidad de descarga???

    1. admin-ybirma

      Hola Raul. Gracias por escribir.
      Sí, a eso se refiere el punto 3.

  16. Juan Leon

    Buen dia, la ecuacion de ajuste de Caudal Qaj= Qb * raiz (Pa/Pb), de cual de las normas tecnicas se utilizo, o en su defecto de que libro y autor. De antemano agradezco la respuesta.

    1. admin-ybirma

      Hola Santiago. Gracias por escribir.
      Esa es una ecuación básica de hidráulica, para balancear caudales en un punto. Como se sabe, en un sistema hidráulico no pueden existir 2 valores de presión en el mismo punto. Por lo tanto, al llegar a un punto por dos caminos diferentes, si las presiones son distintas prevalece la mayor, entonces hay que ajustar el caudal a esa presión mayor. Con esa ecuación es una manera, puede haber otra.

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