15 - Prueba Caudal Hidrantes Manual

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PRUEBA DE CAUDAL EN HIDRANTES


Prueba de Caudal en Hidrantes

Octubre 2009 (C) Morgado1


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1. DEFINICIONES Presión estática Presión de la red medida en cualquier hidrante sin movimiento de agua (hidrantes cerrados). Presión Estática 8.2 Bar

8.2 Bar

Presió Presión residual Presión de la red cuando se abre uno o más hidrantes en las condiciones nominales de caudal (con el hidrante a su máximo caudal).

Presión residual 7 Bar

Presión en el hidrante de prueba 5.5 Bar

Presión del flujo (Presión Pitot) 4.8 Bar

La presión residual mínima en un hidrante no puede ser inferior a 1.4 bar, presión que sirve solo para llenado de cisternas de bomberos con autobombas. Por tanto, las pruebas tiene como objetivo determinar la capacidad del sistema para atender la demanda en condiciones de una presión residual mínima de 1.4 bar.

La prueba de caudal de hidrantes, permite determinar el gasto de uno o más de ellos, bajo las condiciones de presión y caudal existentes en la red contra incendios y la capacidad del sistema de proporcionar el caudal y presión necesarias en caso de fuego. Prueba de Caudal en Hidrantes

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Caudal y factor K de un hidrante El procedimiento para determinar el caudal que fluye por un hidrante es el mismo que el que se usa para calcular el caudal a través de un orificio. Cuando un líquido sale de una tubería, conducto o recipiente a través de un orificio a la atmósfera, la presión normal se convierte en altura de velocidad. Aplicando la ecuación de Bernoulli entre los puntos (1) y (2) de la figura 1, considerando que el nivel del líquido H permanece constante.

h1 + p1, v1

(1)

v12 2g

+

p1

γ

= h2 +

v 22 2g

+

p 2

γ

H (2)

h1

p2, v2

h2

Sustituyendo h por el peso del agua sobre el orificio: p = d ·g ·h = 1000 kg/m3 x 9.8 m/s2 x h = 9,806 x h (en kPa) h = 0,102 P y despreciando la diferencia de presión p1 - p2 = 0:

H = h1 - h2 =

v2 2g

= 0,102·P

Por tanto, la velocidad:

v = √ 2gH = √ 2g·0,102·p = 1,41 √p (m/s) El caudal de agua a través de un orificio puede expresarse en función de la velocidad y de la sección, Q = S·v Q= vx π

d 4

2

2 = 0,066 ·d · √p

Q = l/min d = mm p = kPa (1 kPa = 0,102 mca = 0,01 bar)


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Coeficiente de descarga del hidrante En condiciones reales, la velocidad en lanzas u orificios, es algo inferior a la velocidad calculada a partir de la expresión anterior. Esta reducción se debe al rozamiento del agua contra el orificio y a la turbulencia en el orificio (boca del hidrante), y se expresa mediante un coeficiente de velocidad Cv. Los valores de Cv se obtienen en laboratorio, y cuando están bien diseñados este coeficiente es casi constante y aproximadamente igual a 0,98. Algunas lanzas están diseñadas de modo que la sección real del chorro sea algo menor que la del orificio. Esta diferencia se contempla mediante un coeficiente de contracción Cc. Generalmente, los coeficientes de velocidad y contracción se combinan en un solo coeficiente de descarga Cd:

Cd = Cv x Cc El coeficiente de descarga Cd, se define como la relación entre la velocidad de descarga real y teórica, y representa la variación de la velocidad en la sección de la boca del hidrante (o lanza) y la contracción de la vena de agua. El coeficiente Cd depende de cada hidrante y lo proporciona el fabricante, y varia entre 0.7 y 0.9 dependiendo del tipo de salida que tenga el hidrante:

V

Coeficientes de descarga típicos

Boca de hidrante con salida lisa y bien redondeada (a pleno caudal)

0.90

Boca de hidrante con aristas vivas

0.80

Boca de hidrante con salida cuadrada que se introduce en el cuerpo del hidrante

0.70


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Caudal de descarga de un hidrante

√p Q = 0,0666 · Cd ·d2 · √ Q = Caudal de descarga (l/min) Cd = Coeficiente de descara del hidrante (aprox. 0.90 para la boca de 70mm) d = Diámetro de la boca del hidrante (mm) p = Presión de velocidad (medida con el manómetro Pitot en el chorro) (kPa)

√p Q = 0,666 · Cd ·d2 · √ Q = Caudal de descarga (l/min) Cd = Coeficiente de descara del hidrante (aprox. 0.90 para la boca de 70mm) d = Diámetro de la boca del hidrante (mm) p = Presión de velocidad (medida con el manómetro Pitot en el chorro) (bar)

* Diámetro de una boca de 70 = 2-1/2'' (64 mm) El hidrante deberá poder suministrar un caudal mínimo de 500 lpm por la salida de 70 mm a un presión residual de 7 bar (según Cepreven) y 5 bar (según RD 2267/2004).

Factor K de un hidrante Por tanto, podemos resumir que:

Q = K √p Q = lpm p = bar

Para estar del lado de la seguridad y adoptar un criterio común, se propone considerar 5.6 bar como presión estándar en la entrada, obteniendo así:


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El método típico de medir el caudal de descarga de un hidrante, es medir directamente la presión que produce el caudal del chorro libre que sale por el hidrante. Este proceso se basa en el método Pitot. Cuando el agua sale al aire libre (presión atmosférica), no existe altura manométrica, de modo que la lectura del manómetro Pitot indica la presión de velocidad (o presión Pitot), y conocido el factor K del hidrante, podremos determinar el caudal de descarga Q.


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2. EQUIPO NECESARIO

Tapa de ∅70 con manómetro

Fotos: Cortesía de AKRON BRASS ®

El Kit incorpora: • Adaptador Barcelona 70mm • Manómetro Pitot abatible con cuchilla con orificio para medir la línea de corriente central y manómetro indicador. • Boquillas con orificio calibrado cuya constante de descarga es conocida lo que permite traducir en caudal de descarga, el lpm, entrando en la tabla de datos de la presión indicada por el manómetro Pitot y el orificio de la boquilla con la que se ha hecho la medición. Permite medir caudales entre 600 y 5500 lpm. • Tapa de hidrante de 2-1/2'' con mamómetro. Se usa para medir la presión estática y residual en el hidrante. Incorpora un grifo de purgado para sacar el aire del hidrante cuando esté abierto. • Tabla de caudales

Este instrumento permite obtener lecturas precisas y con suma facilidad, ya que la distancia entre el extremo libre de la boquilla y el orificio de entrada de la cuchilla de medición del Pitot son iguales siempre y para todas las boquillas. Para la sustitución de la boquilla basta con abatir la cuchilla del Pitot con lo que es posible extraerla e insertar otra sin necesidad de cortar el flujo de agua. Prueba de Caudal en Hidrantes

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El montaje fijo a una de las bocas del hidrante hace que la medición se tome en la línea de corriente central y elimina las variaciones propias de los elementos manuales. Tal disposición hace que la medición del caudal se haga en seco y de manera segura para el operador.

Utilización del kit de medición: El cuerpo del instrumento se monta sobre una de las bocas de 70mm del hidrante, mediante el racor Barcelona de 70mm. En su extremo libre se coloca una de las boquillas calibradas, eligiéndola de forma que durante la medición, la aguja del manómetro quede en el tercio central de la escala. Para insertar la boquilla en necesario abatir lateralmente la cuchilla del Pitot. A continuación, se abre la descarga de agua, con suavidad, hasta que el flujo se estabiliza. Una vez que han salido las burbujas de aire que suele haber en la red, se gira la cuchilla del Pitot hasta el centro del chorro, fijándola en esa posición con el tornillo de bloqueo correspondiente. Se purga de aire la cámara de medición aflojando el tornillo posterior hasta que sala un pequeño chorro estable de agua, momento en que se cierra el tornillo de purga. En ese momento se toma la lectura del manómetro. Con el valor de la presión tomada del manómetro Pitot, medida en KPa, y el orificio de la boquilla en mm, grabado en la propia boquilla, se entra en la tabla de caudales y se obtiene con bastante aproximación, el caudal de agua que está descargando el hidrante. Si la medición se hace en el hidrante más desfavorable, cualquier otro hidrante suministrará igual caudal o mayor.


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3. PROCEDIMIENTO DE PRUEBA DE CAUDAL EN UN HIDRANTE 1.- Abrir el hidrante para realizar una limpieza de la tubería de la red, hasta que el flujo de agua sea limpia. Cualquier piedra de la red podría dañar el manómetro Pitot.

2.- Cerrar el hidrante y conectar el manómetro Pitot en la otra boca de 70mm del hidrante, mediante el racor Barcelona de 70mm. En el extremo libre del Pitot se coloca una de las boquillas calibradas, eligiéndola de forma que durante la medición, la aguja del manómetro quede en el tercio central de la escala.

Pitot con boquilla calibrada. Se conecta en la boca de 70mm

Fotos: Cortesía de Fire Auditor

3.- A continuación, se abre el hidrante a su máximo caudal, con suavidad, hasta que el flujo se estabiliza. Una vez que han salido las burbujas de aire que suele haber en la red, se gira la cuchilla del Pitot hasta el centro del chorro, fijándola en esa posición con el tornillo de bloqueo correspondiente. Prueba de Caudal en Hidrantes

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Pitot manual. Mide la presión de velocidad en el chorro de agua que sale por la boca de 70mm. Se coloca a una distancia de 35 mm de la boca

Se purga de aire la cámara de medición aflojando el tornillo posterior hasta que sala un pequeño chorro estable de agua, momento en que se cierra el tornillo de purga. En ese momento se toma la lectura del manómetro. También se toma la lectura del manómetro conectado a la otra boca, el cual nos mide la presión residual de la red. Si la presión residual es muy baja, puede que haya alguna válvula de la red medio cerrada.

4.- Por último se cierra el hidrante y se toma la lectura de la presión estática en el mismo.

5.- Cálculo del caudal de descarga: Método 1: Uso de tablas. Con el valor de la presión tomada del manómetro Pitot, medida en KPa, y el orificio de la boquilla en mm, grabado en la propia boquilla, se entra en la tabla de caudales y se obtiene con bastante aproximación, el caudal de agua que está descargando el hidrante. Si la medición se hace en el hidrante más desfavorable, cualquier otro hidrante suministrará igual caudal o mayor.

Ejemplo: Los datos obtenidos en la prueba de un hidrante son: Ps (Presión estática) = 140 psi (9,65 bar) Pr (Presión residual) = 125 psi (8,61 bar) Pp (Presión Pitot) = 120 psi (8,27 bar) D boquilla = 64mm

El la tabla siguiente:

Pp = 120 psi = 827,34 kPa (84,36 mca)

⇒

7.845 lpm


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Método 2: Uso de la fórmula de caudal por un orificio . Pare ello es necesario conocer el tipo de orificio que tiene el hidrante, del cual obtener el coeficiente Cd.

√p Q = 0,666 · Cd ·d2 · √ Q = Caudal de descarga (l/min) Cd = Coeficiente de descara del hidrante (aprox. 0.90 para la boca de ∅70 - 64 mm) d = Diámetro de la boca del hidrante (mm) p = Presión de velocidad (medida con el manómetro Pitot en el chorro) (bar)

6.- Cálculo de la capacidad de la red de hidrantes. Consiste en calcular el gasto que produce a una presión residual mínima de 1.4 bar. La forma práctica de hacerlo, es abriendo un número determinado de hidrantes hasta conseguir dicha presión en la red, ya que es bastante difícil, se emplea la siguiente fórmula:

Ps - 1.4 Qf = Qr ·

0.54

Ps - Pr

Qf = Caudal del hidrante a la presión residual mínima de 1.4 bar Qr = Caudal residual a la presión de Pitot Ps = Presión estática Pr = Presión residual (esta presión se mide con el manómetro de estática que se conecta en una de las bocas del hidrante) Prueba de Caudal en Hidrantes

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Ejemplo: Los datos obtenidos en la prueba de un hidrante son: Ps (Presión estática) = 95 psi (6,55 bar) Pr (Presión residual) = 65 psi (4,48 bar) Pp (Presión Pitot) = 42 psi (2,9 bar) Cd = 0.9 (La boca con salida lisa y redondeada) D = ∅ 70 (2.5 '' - 64 mm) El Caudal del hidrante a la presión Pitot:

Q = 0,666 · 0,9 · (64)2 · √ √2,9 = 4.118,5 lpm El caudal de fuego del hidrante (a la presión residual mínima requerida):

6,55 - 1.4 Qf = 4118,5 · 6,55 - 4.48

0.54 = 6.861 lpm

El sistema tiene la capacidad de suministrar 6.861 lpm a una presión residual de 1.4 bar (20 psi).

7. Curva de un hidrante. La curva del hidrante se representa en una escala logarítmica.

Hidrante #1

Diámetro (mm)

Coeficiente Cd

Presión Estática (bar)

Presión Residual (bar)

Presión Pitot (bar)

Caudal (lpm)

Caudal a Pr mínima (lpm)

1

64

0,9

6,55

4,48

2,9

4.181

6.861


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Cálculo del caudal de descarga sin man ómetro Pitot Si no se dispone de un manómetro Pitot, podemos utilizar la lectura de la presión residual en el manómetro conectado en una de las bocas del hidrante. La presión medida en el manómetro es prácticamente igual a la que mediría el manómetro Pitot. La razón de esto es que la presión en el interior del hidrante debido a la descarga libre se transforma prácticamente toda en velocidad. Los otros factores como pérdida de carga en la boquilla y presión de velocidad en el interior del hidrante, son despreciables por el diámetro tan grande del cuerpo del mismo.

En este caso:

√P Q = 0,666 · d2 · √


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4. CALCULO DE LA CAPACIDAD DEL SISTEMA El procedimiento normal para realizar las pruebas de caudal consiste en tomar lectura en un número suficiente de hidrantes para poder determinar la capacidad del sistema en toda la zona sometida a prueba. 1.- Para determinar las presiones estática y residual, se escoge un hidrante preferiblemente situado en el centro del grupo o donde se pueda suponer existan mejores condiciones para obtener la presión media. A este hidrante, se le denomina "Hidrante Residual ". En este hidrante se conecta la tapa de ∅70 con manómetro.

F #2 R

F #1 R

F #1

F #3 F #1

R

F #2

F #1

F #3

R

F #2

F #4

2.- A continuación, se abren los hidrantes a probar, se deja estabilizar la presión y caudal, y se toma la lectura Pitot en los hidrantes por los que fluye agua, al mismo tiempo que se anota la presión residual del hidrante R por el que no fluye agua. F1 Anillo

Hidrante residual (elegir uno)

F2

F3 Prueba de Caudal en Hidrantes

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4.- Se cierran lentamente todos los hidrantes, se toma lectura de la presión estática en el "Hidrante Residual ".

Nº Hidrante

Presión Pitot en Hidrantes abiertos

Diámetro boquilla (mm)

Coeficiente Cd

Caudal lpm

1

4.8

64

0.9

5.379

2

3.9

64

0.9

4.848

3

-

-

-

4

-

-

-

7

Presión Residual

10.227

8

Presión estática

Q total

Presión estática 8 bar Presión residual

Hidrante #1 (Presión Pitot)

7 Bar

Hidrante #2 (Presión Pitot)

4.8 Bar

La capacidad de la zona para una presión residual mínima de 1.4 bar es:

Qf = 10.227 ·

8 - 1.4 8-7

0.54 = 28.333 lpm


3.9 Bar

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