¿A QUÉ ALTURA MÁXIMA SE PUEDE INSTALAR UN ROCIADOR AUTOMÁTICO?

Es una pregunta muy usual de los diseñadores cuál es la altura máxima de instalación de un rociador automático. La respuesta del autor, también usual, es la de “depende”.

La norma NFPA 13, Norma para la Instalación de Sistemas de Rociadores no tiene un aparte en ningún capítulo donde hable expresamente de las limitaciones de altura de instalación de los rociadores, o los espacios entre lo protegido y el techo, para aplicaciones distintas al almacenaje de altura, sin distingo del tipo de arreglo (en paletas en el piso, cajas, guacales, racks, entre otros). Así que siempre queda la duda respecto a las aplicaciones de altura como en teatros, cines, halls de centro comerciales, hangares, o bodegas altas con almacenaje de poca altura. Es una creencia falsa, pero ampliamente aceptada que, sin bases teóricas sólidas, los rociadores son ineficientes, o no operan, en techos muy altos (con alturas mayores a los 6 metros), cosa que no es cierta.

Aunque la NFPA 13 en sus apéndices menciona que pueden ser efectivos hasta 15 mts. (revisar los apéndices), existen también estudios como el siguiente, FIRE PROTECTION FOR NON-STORAGE OCCUPANCIES WITH HIGH CEILING CLEARANCES , que revelan su efectividad en alturas de hasta 18 mts con clearances muy grandes.

El data sheet de FM, 3-26 FIRE PROTECTION WATER DEMAND FOR NONSTORAGE SPRINKLERED PROPERTIES establece para rociadores de aplicaciones que no incluyen almacenaje, recomendaciones de factor de descarga o tipo de cobertura dependiendo de la altura, como lo muestra la reproducción de la tabla 4 de la mencionada data sheet.

Como podrá observar el lector, primero, en la NFPA 13 no existe una tabla similar, y segundo, si la estudia con detenimiento unos minutos, FM prevé el uso de rociadores por encima de 18 mts, aparte de que dependiendo de la altura y el riesgo (la clasificación de riesgos para riesgos de ocupación de FM es con esos códigos HC-1, HC-2, etc) el K, y el tipo de cobertura cambian.

Esto es debido a que en la medida de que la altura del rociador aumenta, y eventualmente el clearance entre lo protegido (la carga de combustible) y el deflector aumenta, sin aplicar ninguna consideración en particular, los rociadores deben poseer características especiales para evitar el Skipping.

La causa de que los rociadores, instalados conforme a la norma, pero sin ninguna consideración de factor de descarga o cobertura, no operen en condiciones de gran altura es el fenómeno de “skipping” (se lee “esquipin” y la traducción es omitir, obviar) que consiste en que los rociadores en las adyacencias de uno ya activado, no operan, aunque estén en el entorno del efecto de la pluma del incendio. Para efectos de este artículo, se tomará en consideración el efecto de skipping en rociadores estándar tipo spray, con método de diseño de área/densidad, que son los que usualmente se instalan en las aplicaciones mencionadas al comienzo.

De acuerdo a Dyer[i] (2008) citando a Croce[ii] (2005), los rociadores vecinos al rociador que recién operó, no se activan porque se mojan, o se enfrían, por las gotas de agua del que está funcionando. La NFPA 13 establece una distancia mínima entre rociadores (que depende del tipo de rociador) para evitar este fenómeno. Sin embargo, en los rociadores instalados a gran altura, en aplicaciones de no almacenaje, este fenómeno ocurre a pesar de seguir las recomendaciones de instalación. Una razón aparente es la influencia de gotas de agua minúsculas suspendidas en los gases del incendio en los alrededores de los rociadores no activados aún.

De acuerdo a Dyer[iii] (2008) citando a Gavelli[iv] y otros (1999), Gavelli realizó un modelo modificado del RTI bulbo del rociador que incluye el efecto de estas minúsculas gotas de agua, que conformaría una mezcla bifásica de gases y vapor de agua que retrasan la activación del rociador vecino al activado. En otras palabras, parte del agua que libera el rociador recién activado se queda suspendida en el aire por efecto de los gases y el aire caliente desprendidos por el fuego.

Igualmente, Croce condujo 14 pruebas de incendio para evaluar la relación existente entre la liberación de calor del incendio, la densidad liberada por el grupo de rociadores y los rociadores que no se activaron (o aquellos que se retrasaron en activarse) y obtuvo las siguientes conclusiones:

El skipping es producido por la incidencia de gotas de agua del rociador activado hacia el bulbo de los rociadores vecinos, que generan el enfriamiento del mismo retrasando su activación o inhibiéndola totalmente.
Los ensayos revelan igualmente que en la medida de se incrementa la liberación del calor del incendio, el fenómeno de skipping se reduce.
Aparte, los ensayos revelan que en la medida de que la densidad de aplicación aumenta, el el fenómeno de skipping se aumenta.

Si bien parece evidente que existe una relación directa entre densidad y skipping e inversa entre éste y la liberación de calor, no es posible establecerla entre la densidad y el calor liberado por cuanto ambos factores se relacionan de manera distinta en situaciones distintas.

Existen de hecho otros factores que también inciden en el fenómeno de skipping que deben ser tomados en consideración previamente. Estos factores se mencionan a continuación:

Presión de trabajo del rociador. La presión de trabajo del rociador, la presión residual cuando éste opera, incide en la densidad del mismo. Al operar el primer rociador, eventualmente, operará con una presión superior a la mínima de diseño del rociador más remoto. Esto genera dos efectos que modifican la densidad: a mayor presión que la mínima de funcionamiento (típicamente 7 psi por NFPA 13) y a la de diseño, el área de cobertura y el caudal resultante serán distintos. El área se modifica por cuanto, a mayor presión, el patrón de cobertura se aplana siendo más extensa la misma. En otras palabras, al activarse el primer rociador, éste tendrá una densidad ADD distinta a la mínima de diseño. Por el efecto estudiado por Croce, el incremento de densidad al mismo tiempo que de alcance de las gotas de agua, podrá incidir en el efecto de enfriamiento en los rociadores vecinos que no se han activado aún. Croce concluye que, derivado de sus ensayos, y sin que existan suficientes para afirmarlo, que en la medida de que aumenta la presión del rociador (ergo la densidad), la relación de rociadores no activados entre los activados (skipping ratio) aumenta.

Tamaño de las gotas de agua. Es conocido que a mayor tamaño de las gotas de agua que salen del rociador, el factor de penetración de la pluma del incendio es mayor. Igualmente se sabe que el tamaño de las mismas en inversamente proporcional a la raíz cubica de la presión residual del rociador y directamente proporcional al diámetro del orificio del rociador elevado a 2/3. Siendo así, para dos rociadores idénticos cualesquiera de igual K, factor de descarga, al aumentar la presión, el diámetro de las gotas será menor. Esto al parecer se relaciona con el aparte anterior, donde al haber más presión disponible, el diámetro de las gotas es menor, y son más fáciles de ser transportadas por los gases y el aire caliente que proviene de la pluma del incendio. Esto luce tener sentido en la medida de que el fenómeno de skipping no es tan frecuente en los rociadores ESFR y los CSMA, que se caracterizan por tener un tamaño de gota más grande que los estándar y un factor de penetración de pluma mayor. Esto también es consistente con la recomendación de usar rociadores con K grandes, puesto que, al requerirse menos presión para una densidad dada, el tamaño de las gotas será mayor, por ende el factor de penetración, y evitará la aparición de gotas pequeñas que favorezcan el skipping.

Factor de Descarga. Derivado de lo anterior, a mayor diámetro de orificio del rociador, mayor K, el tamaño de las gotas de agua será mayor. Esto incidirá positivamente en la disminución del skipping ratio.

Temperatura del Techo. En la medida de que la temperatura de los gases acumulados es mayor, la probabilidad de que las gotas más pequeñas del rociador activado sean transportadas hacia los rociadores vecinos es menor. De hecho, Croce demuestra que en la medida que esta temperatura aumenta, el skipping ratio disminuye.

Espaciamiento de los rociadores. Típicamente la NFPA 13 recomienda distancias mínimas entre rociadores para evitar el skipping por mojado directo, aparte, los estudios de Croce revelan que las gotas de agua pueden ser transportadas hasta una distancia de unos 6 metros del rociador activado, razón por la cual, esto hace presumir que el uso de rociadores de cobertura extendida podría ser un valor agregado en los sistemas de rociadores usados en grandes alturas.

Otros factores influyentes. Aunque no evaluados por Croce, eventualmente otros factores como la forma e inclinación del techo, la temperatura de activación del rociador y la respuesta en tiempo del mismo podrían afectar, por su relación con los factores antes mencionados, el skipping ratio. Por razones de espacio no se evalúan en este artículo.

Conclusiones

La conclusión directa es que para que los rociadores en aplicaciones de gran altura funcionen es disminuyendo el skipping ratio. Derivado de los estudios de Croce, Gavelli y Dyer, esto se lograría atendiendo las siguientes recomendaciones:

Mientras sea posible, la densidad de aplicación debe ser baja.
La presión de trabajo del rociador debe ser tan baja como sea posible para una densidad dada para garantizar gotas de agua de tamaño considerable y evitar la aparición de gotas pequeñas que sean transportadas a las cercanías de los otros rociadores no activados
El factor de descarga de los rociadores debe ser tan alto como sea posible. Esto redundará en presiones de trabajo más bajas y por ende en gotas de agua más grandes. Como regla práctica, a más altura, mayor K de descarga.
El uso de rociadores de cobertura extendida sería favorable para disminuir el skipping ratio, en la medida de que el espaciamiento entorpecería el transporte de gotas minúsculas de agua a los rociadores vecinos no activados. Esto quiere decir, conforme a la tabla 4 de la FM 3-26, que a muy grande altura, los rociadores deberían ser de cobertura extendida y K grande (25 propone FM).

Dado esta explicación, la respuesta a ¿Cuál es la altura máxima de instalación de un rociador automático? siempre será: depende, por cuanto hay que evaluar la altura real a la cual se instalará el rociador para hacer los análisis correspondientes. De acuerdo a las recomendaciones de la tabla 4 de la FM 3-26, un rociador estándar de K 5.6 tendría un límite de 9 mts sin que sea afectado por el skipping. Más allá de esa altura, recomendamos seguir los criterios discutidos en este artículo.

[i] Dyer, J. W. Effectiveness of Automatic Fire Sprinklers in High Ceiling Areas & the Impact of Sprinkler Skipping. 2008

[ii] Croce, P.A., Hill, J.P., Xin, Y., “An Investigation of the Causative Mechanism of Sprinkler Skipping”, Journal of Fire Protection Engineering, Volume 15, Society of Fire Protection Engineers, May 2005.

[iii]Dyer, J. W. Effectiveness of Automatic Fire Sprinklers in High Ceiling Areas & the Impact of Sprinkler Skipping. 2008

[iv] Gavelli, F., Ruffino, P., Anderson, G., di Marzo, M., “The Effect of Minute Water droplets on a Simulated Sprinkler Link Thermal Response”, National Institute of Standards