Con este nuevo post de Adolfo Sahuquillo, vamos a inaugurar una nueva serie temática que se va a centrar en los conceptos básicos que debemos conocer para un correcto diseño de una instalación de protección contra incendios (PCI).
Velocidad del agua en las tuberías
El caudal de agua que circula por una tubería es directamente proporcional a la sección de ésta y velocidad del agua, por tanto tenemos:
Q = S x V
Donde:
Q: Caudal (lts/min).
V: Velocidad del agua (m/s)
La superficie, S, será igual a:
S = (π x di²) / 4 , donde «di» será el diámetro interior de la tubería en mm.
Por tanto:
Q = V x (π x di²) / 4.
Q (dm3/min) =V(m/s) x 10 dm/1 m x 60 s/ min x (π x di²(mm) x 0,0001 dm²/mm² ) / 4
Nota:
Según UNE-EN 12845, la velocidad máxima del agua en una válvula de control es de 6 m/s, en el resto de tuberías puede llegar hasta 10 m/s. En NFPA no hay limites de velocidad, pero recomiendo que se utilice el valor especificado en normas UNE, para no generar demasiadas pérdidas de carga.
Acorde a la experiencia, no se recomienda que las velocidades del agua superen los siguientes valores:
- Velocidad en una estación de control = 5 m/s.
- Velocidad en ramal de sprinkler = 6 m/s.
- Velocidad en red exterior de hidrantes y/o monitores de agua-espuma = 3-4 m/s.
- Velocidad en Circuito de Aspiración de Bombas Contra Incendios = 1,5 – 3 m/s.
- Velocidad en Circuito de Impulsión de Bombas Contra Incendios = 3 – 4 m/s.
Descarga por orificios
Según la expresión matemática empleada en el apartado anterior, podríamos deducir que la descarga por un orificio será Q = Ao x V, siendo Ao el área del orificio. Realmente esto no es así, ya que mediante experimentos se ha observado que la sección transversal del chorro de descarga de un orificio no es la misma que la de éste.
El chorro del agua en su salida se contrae, y esta contracción depende de la forma y tipo de construcción del orificio de salida, y el punto donde se de la máxima contracción se encuentra a una distancia de 0,5 del diámetro del orificio, desde éste.
Según lo comentado anteriormente, debe de tenerse en cuenta un «Coeficiente de Contracción», su expresión es como sigue:
Ac: Área de la Sección transversal del punto de contracció máxima.
Ao: Área de la sección del orificio.
Cc: Coeficiente de Contracción.
Según lo anterior obtenemos:
Q = Cc x Ao x V;
La velocidad de salida se corresponde con la fórmula de la velocidad de caída libre de una masa, por tanto:
Así mismo, se ha verificado que el valor real de esta velocidad (Va) es algo inferior al valor teórico (Vt), por tanto se ve afectada por el siguiente coeficiente:
Cv = Va / Vt, según esta expresión tenemos:
Qo = Cc x Cv x Ao x √ 2gh; Qo = Cd x Ao x √ 2gh
Ao = ( π x Do²) / 4; Qo = Cd x ( π x Do²) x √ 2gh ;
Qo (l/min) = 0,66 x Cd x Do² (mm) x √ P(bar)
El factor de descarga K = 0,66 x Cd x Do² (mm).
Q (l/min) = K x √ P (bar).
El factor de descarga «K», normalmente está establecido por los fabricantes de boquillas, rociadores, lanzas, etc.
Todas las máquinas de movimiento de tierras actuales, en mayor o menor medida, utilizan los sistemas hidráulicos para su funcionamiento; de ahí la importancia que estos tienen en la configuración de los equipos y en su funcionamiento.
Un sistema hidráulico constituye un método relativamente simple de aplicar grandes fuerzas que se pueden regular y dirigir de la forma más conveniente. Otras de las características de los sistemas hidráulicos son su confiabilidad y su simplicidad. Todo sistema hidráulico consta de unos cuantos componentes relativamente simples y su funcionamiento es fácil de entender.
Hay dos conceptos que tenemos que tener claros, el de Fuerza y el de presión.
Fuerza es toda acción capaz de cambiar de posición un objeto, por ejemplo el peso de un cuerpo es la fuerza que ejerce, sobre el suelo, ese objeto.
La presión es el resultado de dividir esa fuerza por la superficie que dicho objeto tiene en contacto con el suelo.
De esto sale la formula de:
Presión = Fuerza/Superficie, P=F/S
De aquí podemos deducir que:
Fuerza= Presión x Superficie; y Superficie=Fuerza/Presión.
La presión se mide generalmente en Kilogramos/Cm2.
La hidráulica consiste en utilizar un líquido para transmitir una fuerza de un punto a otro.
Los líquidos tienen algunas características que los hacen ideales para esta función, como son las siguientes:
- Incompresibilidad. (Los líquidos no se pueden comprimir).
- Movimiento libre de sus moléculas. (Los líquidos se adaptan a la superficie que los contiene).
- Viscosidad. (Resistencia que oponen las moléculas de los líquidos a deslizarse unas sobre otras).
- Densidad. (Relación entre el peso y el volumen de un líquido). D=P/V La densidad patrón es la del agua que es 1, es decir un decímetro cúbico pesa un kilo.
El principio más importante de la hidráulica es el de Pascal que dice que la fuerza ejercida sobre un líquido se transmite en forma de presión sobre todo el volumen del líquido y en todas direcciones.
Hidraúlica básica
Fluidos ideales
El movimiento de un fluido real es muy complejo. Para simplificar su descripción consideraremos el comportamiento de un fluido ideal cuyas características son las siguientes:
1.-Fluido no viscoso. Se desprecia la fricción interna entre las distintas partes del fluido
2.-Flujo estacionario. La velocidad del fluido en un punto es constante con el tiempo
3.-Fluido incompresible. La densidad del fluido permanece constante con el tiempo
4.-Flujo irrotacional. No presenta torbellinos, es decir, no hay momento angular del fluido respecto de cualquier punto.
Ecuación de la continuidad
Consideremos una porción de fluido en color amarillo en la figura, el instante inicial t y en el instante t+Dt.
En un intervalo de tiempo Dt la sección S1 que limita a la porción de fluido en la tubería inferior se mueve hacia la derecha Dx1=v1Dt. La masa de fluido desplazada hacia la derecha es Dm1=r·S1Dx1=rS1v1Dt.
Análogamente, la sección S2 que limita a la porción de fluido considerada en la tubería superior se mueve hacia la derecha Dx2=v2Dt en el intervalo de tiempo Dt. La masa de fluido desplazada es Dm2=r S2v2 Dt.
Debido a que el flujo es estacionario la masa que atraviesa la sección S1 en el tiempo Dt, tiene que ser igual a la masa que atraviesa la sección S2 en el mismo intervalo de tiempo. Luego
Esta relación se denomina ecuación de continuidad.
En la figura, el radio del primer tramo de la tubería es el doble que la del segundo tramo, luego la velocidad del fluido en el segundo tramo es cuatro veces mayor que en el primero. Para clarificar este punto, veámoslo con un ejemplo.
Ejemplo:
Cuando se abre poco a poco un grifo, se forma un pequeño chorro de agua, un hilo cuyo radio va disminuyendo con la distancia al grifo y que al final, se rompe formando gotas.
La ecuación de continuidad nos proporciona la forma de la superficie del chorrito de agua que cae del grifo, tal como apreciamos en la figura.
La sección transversal del chorro de agua cuando sale del grifo es S0, y la velocidad del agua es V0. Debido a la acción de la gravedad la velocidad V del agua se incrementa. A una distancia H del grifo la velocidad es:
Aplicando la ecuación de continuidad
Despejamos el radio r del hilo del agua en función de la distancia H al grifo.
Director Regional ASHES FIRE CONSULTING