DISEÑO DE UN SISTEMA DE DETECCIÓN Y MITIGACIÓN DE INCENDIOS PARA EL ALMACÉN GENERAL DE ALÚMINA S.A.

GERMÁN ARTUNDUAGA QUESADA

2090475

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2018

DISEÑO DE UN SISTEMA DE DETECCIÓN Y MITIGACIÓN DE INCENDIOS PARA EL ALMACÉN GENERAL DE ALÚMINA S.A.

GERMAN ARTUNDUAGA QUESADA

Pasantía institucional para optar al título de Ingeniero Mecánico

Director

HUGO CENEN HOYOS Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA SANTIAGO DE CALI

2018

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Nota de aceptación:

Aprobado por el Jurado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecánico. FÉLIX GONZALEZ _____________________________

Jurado HUGO CENEN HOYOS

_____________________________ Director

Santiago de Cali, 01 de mayo de 2018.

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A Jehová quien es el motor de mi vida, el que ruge como un león dentro de mi corazón. A mi adorada esposa Lorena quien con su paciencia y su ternura ha sabido soportar mi ausencia, mis hijas Valentina e Isabela, la motivación en todo lo que hago, mis padres, mis sabios consejeros, mis hermanos y a todos aquellos que contribuyeron con un grano de arena en la construcción del ser.

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CONTENIDO

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GLOSARIO 17 RESUMEN 19 ABSTRACT 20 INTRODUCCIÓN 21 1. OBJETIVOS 22 1.1 OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO 22 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 22 2. CONCEPTUALIZACIÓN DEL ÁREA DE UBICACIÓN 24 2.1 DATOS GENERALES 25 2.2 CLIMATOLOGÍA 25 2.3 ZONIFICACIÓN SÍSMICA 26 3. DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL FUEGO 27 3.1 DEFINICIONES 27 3.1.1 Definición del fuego 27 3.1.1.1 Componentes 27 3.2 CLASIFICACIÓN DEL FUEGO SEGÚN SU AGENTE COMBUSTIBLE 29 3.2.1 Fuego clase A 29

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3.2.2 Fuego clase B 29 3.2.3 Fuego clase C 29 3.2.4 Fuego clase D 30 3.2.5 Fuego clase K 30 4. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR 31 4.1 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN 31 4.2 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN 31 4.3 TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN 32 5. TEORIA DE CONTROL DEL FUEGO 34 5.1 CONSIDERACIONES SOBRE LA EXTINCIÓN DEL FUEGO 34 5.1.1 Tipos de temperatura en un recinto incendiado 34 6. EXTINCIÓN DEL FUEGO 36 6.1 REDUCCIÓN 36 6.2 SOFOCACIÓN O AHOGAMIENTO 36 6.3 ENFRIAMIENTO 37 7. CLASIFICACIÓN DEL NIVEL DE RIESGO DE INCENDIO EN EL ALMACÉN DE ALUMINA 38 7.1 NIVEL DE RIESGO INTRÍNSECO (NRI) 38 7.2 CÁLCULO DE LA CARGA COMBUSTIBLE 44 8. SISTEMAS DE SUPRESIÓN DE INCENDIOS 46 8.1 SELECCIÓN DEL AGENTE EXTINTOR 46

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9. EXTINTORES PORTÁTILES 48 9.1 DISTRIBUCION DE LOS EXTINTORES 48 9.2 ALTURA DE INSTALACIÓN 49 9.3 SEÑALIZACION 49 10. SISTEMAS DE ROCIADORES 51 10.1 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO DESISTEMAS DE ROCIADORES 51 10.1.1 Sistemas de tubería húmeda 51 10.1.2 Sistemas de tubería seca 51 10.1.3 Sistema de acción previa 51 10.1.4 Sistemas de Inundación 51 10.1.5 Sistemas combinados 52 11. ROCIADORES 53 11.1 ¿QUÉ ES UN ROCIADOR? 53 11.2 PARAMETROS DE DISEÑO LOCATIVO 54 11.2.1 Áreamaxima de cobertura de los rociadores (𝑨𝑨𝑨𝑨) 54 11.2.2 Distancia del rociador a la pared (L) 55 11.2.3 Distancia maxima entre rociadores (S) 55 11.2.4 Instalacion en la tubería 56 11.2.5 Obstrucciones a la descarga 57 11.3 CARACTERISTICAS PROPIAS DEL ROCIADOR 59 11.3.1 Sensibilidad térmica 59

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11.3.2 Temperatura de activacion 60 11.3.3 Diametro de orificio 61 11.3.4 Densidad de diseño 61 12. DISEÑO HIDRÁULICO 63 12.1 ÁREA DE DISEÑO O APLICACIÓN 64 12.2 DETERMINACIÓN DEL CAUDAL MÍNIMO EN EL ROCIADOR MÁS ALEJADO 65 12.3 DETERMINACION DEL NÚMERO DE ROCIADORES EN EL ÁREA DE DISEÑO 71 12.4 DETERMINACION DE LA DEMANDA HIDRÁULICA 72 12.5 PÉRDIDAS DE CARGA EN LAS TUBERÍAS 75 12.6 PÉRDIDAS DE CARGA EN ACCESORIOS 77 13. CÁLCULOS HIDRÁULICOS 78 13.1 DEMANDA PARA CHORROS DE MANGUERAS 86 13.1.1 Caudal máximo aceptable en la manguera 86 13.1.2 Fuerza de reaccion en la manguera 88 13.1.3 Alcance del chorro de agua de la manguera 91 13.1.4 Pérdidas de carga en las mangueras 94 13.2 PÉRDIDAS POR CARGA EN LA TUBERÍA DE CONDUCCION PRINCIPAL 99 13.3 CÁLCULO DE LA CARGA HIDRÁULICA Y LA POTENCIA HIDRÁULICA 105 14. SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DE BOMBEO 110 14.1 BOMBA SOSTENEDORA DE PRESIÓN “BOMBA JOCKEY” 112

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14.1.1 Consideraciones de la bomba jockey 112 15. SELECCIÓN DE LOS MOTORES DE LAS BOMBAS PRINCIPALES 114 15.1 SELECCIÓN DEL MOTOR DE LA BOMBA JOCKEY 116 16. CÁLCULO DEL DEPÓSITO DE AGUA 118 17. TUBERÍA Y ACCESORIOS DEL SISTEMA DE CONDUCCIÓN 122 18. ELEMENTOS PRINCIPALES DELSISTEMA CONTROL 124 18.1 VÁLVULA DE ALARMA 124 18.2 VÁLVULA Y PRESÓSTATO DE SEGURIDAD 125 19. DETECTORES DE HUMO 127 19.1 CRITERIOS DE SELECCIÓN 127 19.2 INSTALACIÓN DE LOS DETECTORES DE HUMO 129 19.3 DISPOSITIVOS DE ACCIÓN MANUAL PARA ACTIVACIÓN DE LA ALARMA 131 20. CONCLUSIONES 133 BIBLIOGRAFÍA 135 ANEXOS 138

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LISTA DE CUADROS

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Cuadro 1. Datos históricos del tiempo en la ciudad de Cali 25 Cuadro 2.Clasificación por tipo de ocupación 39 Cuadro 3. Subgrupo de almacenamiento de riesgo moderado (A-1), 39 Cuadro 4. Valores del coeficiente de peligrosidad por combustibilidad, Ci 40 Cuadro 5. Valores determinados para cada ítem 43 Cuadro 6.Nivel de riesgo intrínseco según la densidad de carga de fuego 43 Cuadro 7.Cálculo de la cantidad de calor 44 Cuadro 8. Material y tipo de extintor recomendado 48 Cuadro 9. Área máxima de cobertura según el tipo de riesgo 54 Cuadro 10. Área protegida y espaciamiento máximo (rociadores montantes y pendientes) 55 Cuadro 11.Determinación del color de la ampolla de vidrio según escala de temperatura 61 Cuadro 12. Coeficiente K típicos 70 Cuadro 13. Velocidades recomendadas para fluidos en tuberías 73 Cuadro 14.Factor de rugosidad para el acero galvanizado, diagrama universal de Moody 76 Cuadro 15.Correlaciones para el cálculo de pérdidas de carga a través de accesorios 77 Cuadro 16.Distribución de caudal y presión de todos los rociadores en toda la longitud del ramal más alejado 81 Cuadro 17. Distribución de caudal y presión en el segundo ramal del área de diseño 85 Cuadro 18.Requisitos para demanda de mangueras 86

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Cuadro 19. Fuerza de reaccion soportable en la boquilla de la manguera 87 Cuadro 20. Cálculo de carga en las mangueras 95 Cuadro 21.Resumen de las pérdidas y presiones halladas en cada tramo de tubería 101 Cuadro 22.Factor de decaimiento del rendimiento del motor por efectos de ubicación geográfica 115 Cuadro 23. Tablas de selección para acople bomba motor con instalacion horizontal 116 Cuadro 24.Espesores recomendados para las placas inferiores para tanques de fondo plano 120 Cuadro 25.Espesores recomendados para las placas de los anillos 121 Cuadro 26.Tubería necesaria para la fabricacion del sistema de rociadores 123 Cuadro 27. Lista de chequeo para extintores 140 Cuadro 28.Resumen de inspección, prueba y mantenimiento de sistemas de extinción automáticos 141 Cuadro 29. Lista de chequeo para rociadores 142 Cuadro 30.Lista de chequeo de rociadores y elementos del cuarto de bombas 143 Cuadro 31.Resumen de inspección, prueba y mantenimiento de bombas de incendio 144 Cuadro 32. Lista de chequeo para las pruebas semanales del sistema de rociadores 145 Cuadro 33. Resumen de inspección prueba y mantenimiento de bombas de incendio 146 Cuadro 34.Esquema y dimensiones para selección de válvulas siamesas para conexión externa del cuerpo de bomberos 155

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LISTA DE FIGURAS

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Figura 1. Imagen satelital del complejo Alúmina S.A. 24 Figura 2. Amenaza sísmica del departamento del Valle del Cauca 26 Figura 3. Triángulo de fuego 28 Figura 4. Tetraedro del fuego 28 Figura 5. Movimiento de gases en un incendio 35 Figura 6. Estructura portante común con otros establecimientos 38 Figura 7.Materiales almacenados en el segundo piso del almacén general 40 Figura 8. Materiales almacenados en el primer piso del almacén general 40 Figura 9.Ejemplos de señalización de lugar y tipo de extintor 50 Figura 10.Esquema de un rociador habitual 53 Figura 11. Distancia de los rociadores a la pared y entre rociadores 55 Figura 12. Sistema con rociadores montantes 56 Figura 13. Sistema con rociadores colgantes 57 Figura 14.Patrón de distribución típico de un rociador normal 57 Figura 15.Apilamiento de la materia prima en el almacén general 58 Figura 16.Distancia de un rociador a una obstrucción 59 Figura 17.Rociador de cobertura estándar 62 Figura 18. Sistema actual para el control de incendios en el almacén general de la empresa Alumina 63 Figura 19. Determinación y ubicación del área diseño 64

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Figura 20.Ubicación de la presión inicial y la presión de salida 66 Figura 21. Dimensiones de la sección de descarga de un rociador estándar de ½” 68 Figura 22.Coeficientes de gasto para diferentes tipos de orificios de pared gruesa 68 Figura 23. Esquema del circuito hidráulico 72 Figura 24. Determinación del caudal en la tubería de conducción 73 Figura 25.Diagrama de moody, para la estimación de la fricción 79 Figura 26. Distribución de caudal y presión a la entrada del ramal más alejado 81 Figura 27.Distribución de caudal y presión en el segundo ramal 85 Figura 28.Distribución de caudal y presión en los ramales del área de diseño 85 Figura 29. Determinación de ejes coordenados 88 Figura 30. Esquema de aplicación del chorro de manguera 92 Figura 31.Determinación de los ejes coordenados 93 Figura 32. Perdidas de carga por cada 30 metros de manguera 96 Figura 33.Cálculo de las pérdidas por carga en las tuberías flexibles (mangueras) 97 Figura 34. Tramo D-E para el cálculo de las pérdidas en la manguera 98 Figura 35. Tramo A-B para el cálculo de las pérdidas en la tubería 99 Figura 36. Tramo B-C para el cálculo de las pérdidas en la tubería 100 Figura 37. Tramo E-F para el cálculo de las pérdidas en la tubería 100 Figura 38. Tramo F-G para el cálculo de las pérdidas en la tubería 101 Figura 39.Esquema para el cálculo de la potencia teorica de la bomba 102

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Figura 40.Esquema para determinar la carga total de la bomba 107 Figura 41. Curvas caracteristicas de una bomba centrifuga 110 Figura 42.Curvas caracteristicas de una bomba centrifuga 113 Figura 43. Curvas caracteristicas de una bomba multietapas 117 Figura 44. Área posterior externa del almacen seleccionada para el cuarto de bombas y el tanque de almacenamiento 119 Figura 45.Esquema del tanque reservorio 121 Figura 46.Sistema de acople ranurado flexible 122 Figura 47.Sistema de acople ranurado Tee 123 Figura 48.Funcionamiento de una valvula de alarma 125 Figura 49. Esquema de una válvula de alivio para alta presión 126 Figura 50. Detector de humo fotoeléctrico inteligente 2951J 129 Figura 51. Medidas recomendadas para la instalación de detectores de humo en esquinas 130 Figura 52. Medidas recomendadas para la instalación de detectores de humo puntuales 131 Figura 53. Ejemplo de un tirador de alarma convencional 132 Figura 54. Equipos de extinción manual 151 Figura 55. Equipos sin agente extintor propio 152 Figura 56. Sistemas fijos automáticos 153 Figura 57. Válvulas siamesas para conexión externa del cuerpo de bomberos 154 Figura 58. Esquema de válvulas siamesas para conexión externa del cuerpo de bomberos 155

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Figura 59. Ubicación de los extintores en el primer piso del almacén 156 Figura 60. Ubicación de los extintores en el segundo piso del almacén 157

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LISTA DE ANEXOS

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Anexo A. Recomendaciones para la inspección, pruebas y mantenimiento del sistema de extinción 138 Anexo B. Tipos de agente extintor 148 Anexo C. Aplicación de los agentes extintores 151 Anexo D.Conexión para mangueras de bomberos 154 Anexo E. Planos 156

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GLOSARIO AGENTE EXTINTOR: sustancia que gracias a sus propiedades físicas o químicas provoca la mitigación del fuego. ALARMA:aviso o señal de cualquier tipo que advierte la proximidad de un peligro. BARRERA DE FUEGO: membrana utilizada para contener, limitar la propagación del fuego. CARGA COMBUSTIBLE: materiales depositados en el área que sirvan de carburante en una conflagración. DETECTOR AUTOMÁTICO: dispositivo automático que detecta ambientes peligrosos normalmente generados por una conflagración. INCENDIO: fuego grande que se sale de control y destruye lo que no debería quemarse. RAMALES (BLANCH LINE): líneas de tubería sobre las cuales están conectados los sprinklers. RISER: tubería vertical que alimenta la malla de rociadores automáticos. ROCIADORES: dispositivo que permite la descarga del agente extintor, normalmente cerrado, que se activa por radiación de calor cumpliendo las veces de una “válvula” de disparo automático. SISTEMA: conjunto de reglas o principios sobre una materia racionalmente enlazados entre sí. TUBERÍA DE ALIMENTACIÓN PRINCIPAL: suministra agua directamente a las tuberías de distribución.

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TUBERÍA DE ALIMENTACIÓN TRANSVERSAL: tubería que suministra agua directamente a los ramales, que se subdividen en dos: • Alimentación transversal cercana (near main) se denomina así por estar a menos distancia del riser. • Alimentación transversal lejana (far main) se denomina así por estar a gran distancia del riser.

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RESUMEN En el siguiente texto se realiza la descripción de una serie de situaciones que generan una oportunidad de mejora en el almacén general de una empresa dedicada al sector de la fundición de aluminio. El almacén se encuentra desprotegido en cuanto al riesgo de incendio se refiere, pues solo cuenta con unos extintores manuales de diferentes tipos dispersos en el almacén. Se realiza un análisis de las personas implicadas y las que podrían estar potencialmente inmersas en la situación, bien sea directamente o como un daño colateral. Se propondrá el diseño de un sistema que detecte el inicio de una conflagración incipiente y la controle antes de que esta se torne en un incendio de magnitudes considerables. Palabras claves: sistema contra Incendios, fuego incipiente.

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ABSTRACT In the following text will show a series of situations that create an opportunity for improvement in the general store company dedicated to the aluminum smelting. The warehouse is checked in terms of the risk of fire is concerned, since it only has some manual extinguishers of different types dispersed in the warehouse. An analysis of the people involved is performed and which could potentially be immersed in the situation, either directly or as a collateral damage. It will be proposed a design of a system that detects the beginning of an incipient conflagration and control it before it becomes a fire of considerable magnitude. Keywords: Fighting system, small fire.

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INTRODUCCIÓN Desde hace ya varios siglos el hombre ha convivido con el fuego y sus extraordinarias propiedades energéticas que le han sido de gran utilidad para la transformación de su entorno en todas las facetas de su vida diaria; pero también ha debido convivir con las consecuencias que causa la manipulación del fuego, pues este puede generar caos y destrucción cuando está fuera de control. Inventores como Ctesibius, Heron, Plinio, Marco Licinio Craso, entre otros; trabajaron en diferentes formas de mitigar los estragos que tenían lugar cuando sucedía un incendio, fueron ellos quienes inventaron varios sistemas de rociado de agua. Desde el año 14 d.C aproximadamente cuando se creó el primer cuerpo de bomberos hasta nuestros días, el ser humano ha tenido increíbles adelantos tecnológicos en su búsqueda incansable de mitigar las conflagraciones, movidos por este deseo se han desarrollado mecanismos de detección de calor y humo, se desarrollaron sustancias que permiten el control de un incendio minimizando los daños colaterales tanto a los bienes como a las personas. En el almacén general de la compañía Alumina S.A. se guardan los insumos y repuestos necesarios para la continuidad operativa de las actividades diarias, En este lugar también trabajan empleados quienes son los encargados del recibo y despacho de los elementos del almacén; es por esta razón que una conflagración que no se controle a tiempo generaría una calamidad de grandes magnitudes, pues pone en riesgo la integridad de las personas que allí laboran y la de las personas que asistan a la emergencia, más las pérdidas económicas por el daño a los insumos y la infraestructura y las pérdidas por paro de producción mientras se reestablecen las actividades. En el siguiente trabajo se diseñará un sistema completamente automático que pueda detectar y controlar un fuego incipiente, mucho antes que pase a ser un incendio declarado.

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1. OBJETIVOS 1.1 OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO • Diseñar un sistema automático para detectar y mitigar inmediatamente una conflagración en el almacén general de la empresa Alúmina S.A. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Cuantificar y clasificar la materia prima guardada en el almacén que pueda servir de combustible en una conflagración, para seleccionar el agente extintor de acuerdo a la naturaleza, la clasificación y el tipo de combustión que puedan generar los materiales guardados en el almacén • Diseñar la distribución y seleccionar el tipo de aspersor para la cobertura del sistema extintor que abarque toda el área del almacén.

• Determinar el tiempo de acción del sistema de extinción para mitigar completamente un incendio incipiente en el almacén mediante el análisis del volumen de materia prima almacenada, su inflamabilidad y el tipo de agente extintor seleccionado. • Diseñar la distribución y seleccionar el tipo de detector de humo y el sensor de temperatura que activarían la descarga del sistema hidráulico en caso de presentarse una conflagración dentro del almacén.

• Diseñar y calcular el sistema de bombeo para el transporte del agente extintor seleccionado. • Diseñar el sistema de control automático de los circuitos de detección y extinción del sistema contra incendios del almacén general. • Elaborar los planos de diseño para la construcción del sistema de detección y extinción de incendios para el almacén de Alúmina y la evaluación económica de la implementación del proyecto.

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• Elaborar un manual para el uso y mantenimiento del sistema diseñado para la detección y extinción de una conflagración el almacén general de Alúmina

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2. CONCEPTUALIZACIÓN DEL ÁREA DE UBICACIÓN La Empresa Alúmina S.A. se encuentra ubicada en el continente suramericano, en Colombia, Departamento del Valle del Cauca, en la zona industrial entre Cali y Yumbo. Su dirección es Cra. 32 # 101 en el kilómetro 2 de la vía Cali Yumbo (callejón Carvajal). Figura 1. Imagen satelital del complejo Alúmina S.A.

Fuente: Ubicación del complejo Alumina S.A. [en línea]. Google maps, Colombia (2017). [Consultado diciembre de 2017]. Disponible en Internet: https://www.google.com.co/search?q=Imagen+satelital+del+complejo+Al%C3%BAmina+S.A.&rlz=1C1NHXL_esCO682CO682&tbm=isch&source=iu&ictx=1&fir=ToE4Pz8.

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2.1 DATOS GENERALES • Temperatura Máxima: 32°C • Temperatura promedio: 24ºC • Velocidad promedio Viento NE: 14 Km/h • Humedad relativa: 85% 2.2 CLIMATOLOGÍA El clima en Cali está clasificado como tropical, según la clasificación climática de Koppen Geiger(Af)1; esto significa que pertenece al grupo de lugares que se caracterizan por tener precipitaciones de lluvia entre un rango de 1700 a 4000 mm anuales y poseen una temperatura media elevada. Cuadro 1. Datos históricos del tiempo en la ciudad de Cali

Fuente: Datos climáticos mundiales [en línea]. Climate-dat.Org. Colombia (enero de 2017), párr. 1 [Consultado 10 de diciembre de 2017]. Disponible en Internet: https://es.climate-data.org/location/3426/.

1 Datos climáticos mundiales [en línea]. Climate-dat.Org. Colombia (enero de 2017), párr. 1 [Consultado 10 de diciembre de 2017]. Disponible en Internet: https://es.climate-data.org/location/3426/.

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2.3 ZONIFICACIÓN SÍSMICA Figura 2. Amenaza sísmica del departamento del Valle del Cauca

Fuente: ALCALDÍA DE SANTIAGO DE CALI. Microzonificación sísmica de Cali [en línea]. Cali: Alcaldía de Santiago de Cali. (mayo 11 de 2004), párr. 1, [Consultado: 05 de diciembre de 2017]. Disponible en Internet: http://www.cali.gov.co/dagma/publicaciones/1099/microzonificacion_sismica_cali/.

El departamento del Valle del Cauca hace parte del Suroccidente Colombiano, caracterizado por un sistema complejo de fallas regionales, como los sistemas de fallas de Cauca-Almager en la Cordillera Central, Cali-Patía y Dagua-Calima en la Cordillera Occidental; son de carácter regional y algunos se extienden desde el sur de Ecuador hasta el norte de Colombia. En este contexto, la Ciudad de Santiago de Cali se encuentra ubicada en un ambiente sismotectónico de reconocida actividad histórica, como los sismos ocurridos en 1906, 1962 y 1967, los cuales fueron sentidos con niveles de intensidad importantes. De acuerdo con el 'Estudio General de Amenaza Sísmica de Colombia (AIS et.al., 1996)' la ciudad de Cali se encuentra en zona de amenza sísmica alta con un valor de aceleración máxima en roca de 0.25g, estudio que sirvió como base fundamental para el establecimiento de las actuales Normas Colombianas Sismo Resistentes (NSR98)2.

2 ALCALDÍA DE SANTIAGO DE CALI. Microzonificación sísmica de Cali [en línea]. Cali: Alcaldía de Santiago de Cali. (mayo 11 de 2004), párr. 1, [Consultado: 05 de diciembre de 2017]. Disponible en Internet: http://www.cali.gov.co/dagma/publicaciones/1099/microzonificacion_sismica_cali/.

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3. DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL FUEGO

3.1 DEFINICIONES • Combustible: según la RAE (Real academia de la lengua española) es un elemento que arde con facilidad, cualquier sólido, líquido o gas que puede ser quemado. Para el caso específico del almacén general los elementos se encuentran separados por la matriz de compatibilidad química; Gracias a esta separación no se encuentran dentro de la bodega líquidos o gases que ardan con facilidad. • Comburente: el comburente por excelencia será el oxígeno pues este se encuentra presente en el aire, sin embargo, algunos compuestos como el nitrato de sodio y el cloruro de potasio liberan oxigeno durante la combustión, gracias a esto pueden arder en lugares cerrados privados de oxígeno. • Calor (energía): el calor es una forma de energía que se desprende de los elementos en combustión. Para que se inicie y continúe una combustión debe aumentar la energía en forma de calor, lo que conlleva a un aumento en la energía molecular de la estructura química de una sustancia. • Reacción química en cadena: para entender los principios de una reacción química en cadena, primeramente debemos saber que la parte de la combustión que produce llamas es el resultado de la separación de vapores de la fuente combustible, estos vapores contienen sustancias que combinadas con el oxígeno en proporciones adecuadas van a arder.

3.1.1 Definición del fuego. El fuego es una reacción físico-química que libera energía en forma de luz y calor. 3.1.1.1 Componentes. El fuego tiene tres componentes principales, sin los cuales no es posible que se produzca una conflagración. Estos elementos son el oxígeno el calor y el combustible, que en proporciones adecuadas generan combustión, estos tres elementos son conocidos como el triángulo del fuego.

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Figura 3. Triángulo de fuego

Fuente: TAMAYO, Ricardo. Cursos emergencias naturaleza-del-fuego [en línea]. México: CEIS, Guadalajara. [Consultado diciembre de 2017]. Disponible en Internet: http://ceis.antiun.net/cursos/curso_online-incendios/A21.html. Cuando se combinan estos tres componentes aparece un cuarto integrante conocido “la reacción en cadena”, esta es la encargada de la oxidación y/o combustión inmediata de los elementos. A esta conjunción de los cuatro elementos se le conoce como el tetraedro del fuego. Figura 4. Tetraedro del fuego

Fuente: TAMAYO, Ricardo. Cursos emergencias naturaleza-del-fuego [en línea]. México: CEIS, Guadalajara. [Consultado diciembre de 2017]. Disponible en Internet: http://ceis.antiun.net/cursos/curso_online-incendios/A21.html.

Aun cuando en el almacén no se encuentran elementos que por sus características se consideren altamente combustibles existe un riesgo de incendio intrínseco, pues los materiales ahí almacenados, una vez iniciada la conflagración, son capaces de

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liberar gran cantidad de energía y son de difícil contención para el equipo de emergencias una vez se tiene un incendio declarado. 3.2 CLASIFICACIÓN DEL FUEGO SEGÚN SU AGENTE COMBUSTIBLE 3.2.1 Fuego clase A. Son los que ocurren con materiales solidos como la madera, el papel y los desperdicios. Generalmente de tipo orgánico, cuya combustión suele tener como característica la formación de brasas. Este tipo de fuego se puede generar dentro del primer piso del almacén en la zona de almacenamiento de textiles y/o en el segundo piso, donde todo el piso es de madera y se almacena en su gran mayoría el cartón y el papel que se utiliza en el proceso de empaque. 3.2.2 Fuego clase B. Son los líquidos combustibles e inflamables como la gasolina, aceite, grasa, pintura y los derivados del petróleo. A esta clase también pertenecen los gases combustibles, como el propano, metano, butano, acetileno, gas natural, etc. Como ya se ha mencionado antes, dentro de la bodega del almacén principal no se almacenan grandes cantidades de elementos combustibles, aunque en las estanterías del primer nivel se pueden encontrar elementos como aerosoles, botellas de varsol, grasas y algunos otros elementos que se encuentran en cantidades muy reducidas. 3.2.3 Fuego clase C. Son los que comúnmente se clasifican como fuegos eléctricos o eléctricos vivos, en forma más precisa, son aquellos que se producen en equipos eléctricos o electrónicos que se encuentran energizados. Dentro de la bodega los únicos elementos eléctricos que se encuentran normalmente conectados y que pudieran llegar a ocasionar un incendio de clase c son los que se ubican dentro de las oficinas donde labora el personal del almacén y como primera medida de intervención existen extintores especialmente diseñados para ser usados en este tipo de conflagración.

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3.2.4 Fuego clase D. Llamados también especiales o metálicos, ocurren cuando arde algún tipo de metal, como por ejemplo, magnesio, potasio, aluminio, sodio, etc. Aunque parezca lo contrario cualquier metal en las condiciones necesarias puede entrar en combustión, si se encuentra parte de este material particulado, como en forma de virutas o limallas, puede arder fácilmente desprendiendo grandes cantidades de calor por unidad de medida. Si el material se encuentra en suspensión la combustión es tan violenta que puede originar una explosión. Aunque en el proceso de producción de la empresa si se utilizan algunos metales como aleantes en el proceso de fundición, estos no ingresan a la bodega en una presentación particulada, se reciben en forma de barras o lingotillos y también en presentaciones por rollos, cabe resaltar que no se almacenan dentro de la bodega principal por normatividad y aplicación de matriz de compatibilidad química. 3.2.5 Fuego clase K. En esta clasificación se encuentran las conflagraciones ocurridas con aceites y grasas de origen animal o vegetal, comúnmente encontrados en las cocinas industriales. En el almacén general la probabilidad de encontrar una conflagración de este tipo es muy minima, pues no se tienen elementos de origen vegetal dentro de la bodega, estos elementos se encuentran dentro de la compañía en las instalaciones del casino, una zona bastante retirada de la bodega del almacén.

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4. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Para comprender la mecánica del fuego y los procesos de extinción se hace imprescindible conocer cómo podría éste trasladarse de un lugar a otro, es decir se deben conocer los diferentes tipos de transferencia de calor. 4.1 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN Este tipo de transferencia ocurre mayormente en los materiales sólidos o en los líquidos estacionarios, el calor se transfiere a través de la superficie del cuerpo. La velocidad de la propagación depende de tres factores, la conductividad térmica del cuerpo, la geometría y la diferencia de temperaturas. Ecuación 1. Transferencia de calor y masa

�̇�𝒒 = −𝒌𝒌𝑨𝑨 ∆𝑻𝑻∆𝑨𝑨

(1) Fuente: CENGEL, Yunus A. Transferencia de calor y masa. 3 ed. México: McGraw-Hill, 2007. p. 28. • Donde: • �̇�𝑞 = Flujo de calor • 𝑘𝑘 = Conductividad térmica del solido • 𝐴𝐴 =Área • ∆𝑇𝑇 = Diferencia de temperaturas. La transferencia de calor por conducción sería posible encontrarla en una conflagración del almacén pues muchos elementos se encuentran apilados uno sobre otro, en caso de que el primero se incendie los otros iniciaran una combustión gracias a la transferencia de calor por conducción. 4.2 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN

La transferencia de calor a través de un fluído es por convección cuando se tiene un movimiento masivo de este último y por conducción cuando no existe dicho movimiento.

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Por ejemplo, el calor generado por una conflagración de un arrume textil del primer piso dentro del almacén seria distribuido por toda la edificación y transportado al segundo piso gracias al aire circundante en el recinto, gracias a que el aire caliente adquiere menor densidad, este se eleva transfiriendo el calor a los objetos que se encuentran a una mayor altura sin necesidad de que haya un contacto directo entre ellos, esta ascensión de aire podría producir una ignición del cartón y demás materiales que se encuentran en el segundo piso del almacén. El coeficiente correspondiente a la transferencia convectiva de calor se obtiene por medio de la expresión: Ecuación 2. Transferencia de calor y masa

�̇�𝒒 = 𝒉𝒉𝑨𝑨∆𝑻𝑻(2) Fuente: CENGEL, Yunus A. Transferencia de calor y masa. 3 ed. México: McGraw-Hill, 2007. p. 26. • �̇�𝑞 = Velocidad de transferencia de calor por unidad de área de superficie • ℎ = Coeficiente de transferencia calor por convección • 𝐴𝐴= Área de transferencia • ∆𝑇𝑇= diferencia de temperaturas

4.3 TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN La radiación es una forma de transferencia de energía que viaja a través del espacio sin necesidad de un medio de transporte, como solido o fluído. Dentro de la edificación del almacén cualquier elemento que entre en combustión transmitirá energía en forma de ondas electromagnéticas3. La constante de Stephan Boltzmann establece que la radiación emitida por unidad de área desde una superficie caliente es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. 3 CENGEL, Yunus A. Transferencia de calor y masa. 3 ed. México: McGraw-Hill, 2007. p. 28.

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Ecuación 3. Transferencia de calor y masa

�̇�𝒒 = 𝜺𝜺𝜺𝜺𝑻𝑻𝟒𝟒 (3) Fuente: CENGEL, Yunus A. Transferencia de calor y masa. 3 ed. México: McGraw-Hill, 2007. p. 28. • �̇�𝑞 =Emisión radiante por unidad de área • 𝜀𝜀 =Emisividad de la superficie (1 para un cuerpo superficie negra) • 𝜎𝜎 = Constante de Stephan Boltzmann (56.7𝑥𝑥10−12 𝐾𝐾𝐾𝐾

𝑚𝑚2𝐾𝐾2)

• 𝑇𝑇 = Temperatura absoluta expresada en Kelvin.

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5. TEORIA DE CONTROL DEL FUEGO 5.1 CONSIDERACIONES SOBRE LA EXTINCIÓN DEL FUEGO Se debe tener en cuenta que todas las acciones en el momento del control de una conflagración deben ir encaminadas en dos palabras clave: seguridad y eficacia. Por tal motivo se debe administrar de una manera asertiva los recursos pues el rendimiento y el aprovechamiento de estos determinan el éxito de la operación. Si bien es muy difícil que se repitan exactamente todas las características de un incendio, si hay variables que se repiten y se pueden encasillar para tipificar una conflagración, esto se hace para poder definir técnicas y procedimientos que ayuden a la contención del incendio. 5.1.1 Tipos de temperatura en un recinto incendiado. Cuando ocurre un incendio en un recinto cerrado se pueden evidenciar dos zonas divididas entre sí: La primera tiene lugar en la parte superior del recinto donde se acumulan los vapores y gases calientes producto de la combustión, esta zona se caracteriza por ser de poca visibilidad y alta temperatura. La otra zona tiene lugar en la parte inferior de la habitación, se compone principalmente de aire y su temperatura es más fría que en la parte superior. Gracias a la energía generada por un incendio dentro del almacén se creara un movimiento de gases que se generan por la descomposición de los materiales que ahí se guardan, estos gases se mueven de la zona de mayor presión a la zona de menor presión, es decir que los gases ascenderán gracias al incremento de la temperatura, llenando la parte superior de la edificación desplazando el aire. (Ver Figura 5).

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Figura 5. Movimiento de gases en un incendio

Fuente: ALONSO HERRERÍAS, Manuel. Análisis de diferentes tipos de instalaciones para la extinción, por parte de los servicios de bomberos, de incendios de interior utilizando bombas de alta y baja presión. Trabajo de fin de grado. Ingeniero Químico. España: Escuela Politécnica de Alcoi, 2015.

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6. EXTINCIÓN DEL FUEGO Si se considera el fuego como un tetraedro, al retirar cualquiera de sus cuatro lados (Calor - combustible – Oxigeno – Reacciones en cadena), el fuego se apaga. Con esta premisa se trabaja en la extinción del fuego. Ahora bien, a continuación se expondrán los diferentes métodos de extinción, que se derivan de la separación de cada uno de los componentes del fuego y se analizara cuál de ellos aplicaría en caso de tener un incendio en el almacén de la empresa. 6.1 REDUCCIÓN Se consigue aislando o retirando el material combustible: A menudo, el trasladar el combustible aun lugar lejos del fuego es dificil y peligroso, pero hay excepciones. Por ejemplo, Los tanques de almacenamiento de liquidos combustibles pueden prepararse para que sus contenidos puedan ser bombeados a otros tanques aislandose en caso de fuego. Para la empresa Alúmina no es viable adoptar un sistema que funcione bajo estas condiciones, pues los materiales líquidos altamente combustibles no se encuentran dentro de la bodega objeto de diseño y tan solo pensar en retirar el material solido que está en combustión dentro del almacén sería bastante riesgoso para el personal pues se almacenan grandes cantidades de materia prima dentro del almacén. 6.2 SOFOCACIÓN O AHOGAMIENTO Se obtiene eliminando el oxígeno: se puede eliminar el oxígeno de un fuego de diferentes maneras, como por ejemplo, esparciendo espuma (química o mecánica) sobre la superficie del material. También se pueden utilizar gases más pesados que el aire, como los del bióxido de carbono para formar una capa protectora entre el fuego y el aire, evitándose así que el oxígeno llegue hasta el fuego. Uno de los principales criterios de selección del sistema contraincendios de la empresa ha sido el área de cubrimiento que debe abarcar, aunque se han desarrollado materiales y sustancias con características ideales para el control de incendios, su implementación se hace dispendiosa y poco probable por su alto

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costo, bien sea en la adquisición o en el mantenimiento. También se debe considerar que no todos los materiales que se guardan en el almacén tienen la misma composición química y que no se podría asegurar que la aplicación de un agente extintor químico sea efectivo para todos los materiales que ahí se almacenan. 6.3 ENFRIAMIENTO Se logra al eliminar el calor: para lograr enfriar un fuego se necesita la aplicación de algún agente que absorba el calor. El agua es el agente más común y el de más fácil aplicación. Este es el método en el cual se basa el diseño del sistema contra incendios objeto del presente análisis. Aunque se podría pensar que el agua es la más utilizada por su bajo costo y fácil disponibilidad, el agua es superior a cualquier otro líquido conocido en la extinción de incendios por su alto poder de vaporización y por ser no toxica. (Ver Anexo B).

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7. CLASIFICACIÓN DEL NIVEL DE RIESGO DE INCENDIO EN EL ALMACÉN DE ALUMINA

La norma NFPA 13 de 1996 en su apartado 5-2.1.24 (pag 71) establece que las ocupaciones deben clasificarse de acuerdo a la cantidad y combustibilidad de sus contenidos; a las tasas de liberación de calor esperadas, al potencial total de liberación de energía, la altura de las pilas de almacenamiento, y la presencia de líquidos inflamables y combustibles. Para el caso específico de la empresa Alúmina donde su material almacenado corresponde a un 60% de cartón en la bodega central, el piso del segundo nivel es en madera, en el primer nivel se almacenan productos textiles, plásticos y pintura en polvo; el análisis de combustibilidad de los elementos es el siguiente: 7.1 NIVEL DE RIESGO INTRÍNSECO (NRI) Según el instituto nacional de seguridad e higiene en el trabajo el nivel de riesgo intrínseco “es el peligro potencial que tiene una edificación de generar una conflagración inducida o por auto ignición”. Para calcular el nivel de riesgo intrínseco se debe definir a que sector de la caracterización de los establecimientos industriales en relación con la seguridad contra incendios pertenece el almacén general del grupo Alumina. Figura 6. Estructura portante común con otros establecimientos

Fuente: AGENCIA ESTATAL DE BOLETÍN OFICIAL DE ESTADO BOE-A-2004-21216. España: BOE, 2004. 4 NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION. NFPA 13. Norma para la Instalación de Sistemas de Rociadores. Estados Unidos: IRAM, 1996. p. 71.

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La norma técnica colombiana NSR 98 (Norma colombiana de construcciones sismo resistentes) en su capítulo K.2.1.1 dice: “Toda edificación o espacio que se construya o altere debe clasificarse, para propósitos de este Reglamento, en uno de los Grupos de Ocupación dados en la tabla K.2.1-1”. Para el tipo de material que se almacena en la bodega central del grupo se determina la siguiente clasificación dada en el capítulo K.2.2.2 de la norma. Cuadro 2. Clasificación por tipo de ocupación

Fuente: ASOCIACIÓN COLOMBIANA DE INGENIERÍA SÍSMICA. Norma Técnica Colombiana NSR-98. Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente. Bogotá D.C.: AIS, 1998. Cuadro 3. Subgrupo de almacenamiento de riesgo moderado (A-1),

Fuente: ASOCIACIÓN COLOMBIANA DE INGENIERÍA SÍSMICA. Norma Técnica Colombiana NSR-98. Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente. Bogotá D.C.: AIS, 1998. Estimado ya el tipo de estructura del edificio del almacén se procede a determinar el grado de peligrosidad de los materiales que en el almacén se guardan, utilizando la tabla ITC MIE-APQ1 del Reglamento de almacenamiento de productos químicos, aprobado por elDecreto 379/2001, de 6 de abril de la norma técnica española.

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Almacenamiento del segundo piso. Separadores de cartón, tiras de cartón para empacar perfiles de aluminio, envolturas plásticas y tubos de cartón para el bobinado de papel aluminio, Todo estibado sobre piso de madera.

Cuadro 4. Valores del coeficiente de peligrosidad por combustibilidad, Ci

Fuente: COLOMBIA. Decreto 379 de 2001. ITC MIE-APQ1 del Reglamento de almacenamiento de productos químicos. Bogotá D.C., 2001. Figura 7. Materiales almacenados en el segundo piso del almacén general

Fuente: Elaboración propia.

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Almacenamiento del Primer piso. Dotaciones de uniformes, Pintura en polvo y repuestos de maquinaria

Figura 8. Materiales almacenados en el primer piso del almacén general

Fuente: Elaboración propia. Para los sólidos depositados en el almacén, como lo son en su gran mayoría el Cartón, papel y madera; la temperatura de ignición está por encima de los 200°c, para otros elementos como lo son el plástico, la pintura en polvo y la tela, la temperatura de ignición está por encima de los 400 °c, por esta razón la carga combustible está clasificada como “peligrosidad por combustibilidad baja”. Para calcular el valor de riesgo intrínseco se calcula la densidad de carga de fuego, ponderada y corregida, para ello se utiliza la ecuación: Ecuación 4. Cálculo de la carga térmica ponderada

𝑄𝑄𝑠𝑠 = ∑ 𝑞𝑞𝑣𝑣𝑣𝑣𝑛𝑛𝑣𝑣=1 𝐶𝐶𝑣𝑣ℎ𝑣𝑣𝑠𝑠𝑣𝑣

𝐴𝐴𝑅𝑅𝑎𝑎 (4)

Fuente: NTP 36 (Norma Técnica de Prevención). Bogotá, 2007. p. 1.

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Donde: • 𝑄𝑄𝑠𝑠= densidad de carga de fuego, ponderada y corregida, del sector o área de incendio, en MJ/m2. • 𝑞𝑞𝑣𝑣𝑣𝑣= carga de fuego, aportada por cada m3 de cada zona con diferente tipo de almacenamiento (i) existente en el sector de incendio, en MJ/m3. • 𝐶𝐶𝑣𝑣= coeficiente adimensional que pondera el grado de peligrosidad (por la combustibilidad) de cada uno de los combustibles (i) que existen en el sector de incendio. • ℎ𝑣𝑣= altura del almacenamiento de cada uno de los combustibles, (i), en m. • 𝑠𝑠𝑣𝑣 = superficie de cada zona con proceso diferente y densidad de carga de fuego, qsi diferente, en m2. • 𝑅𝑅𝑎𝑎= coeficiente adimensional que corrige el grado de peligrosidad (por la activación) inherente a la actividad industrial que se desarrolla en el sector de incendio, producción, montaje, transformación, reparación, almacenamiento, etc. 𝐴𝐴= superficie construida del sector de incendio o superficie ocupada del área de incendio, en m2 (∗). (Ver Cuadro 5). ∗ Los valores del Ci indicados en las tablas siguientes se han extraído del Catálogo CEA de CEPREVEN, según los criterios establecidos en la Guía Técnica de aplicación del Reglamento de seguridad contra Incendios en Establecimientos Industriales.

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Cuadro 5. Valores determinados para cada ítem

Fuente: Elaboración propia. Determinado el valor de densidad de carga de fuego ponderada, (cuyo valor es 10348𝑴𝑴𝑴𝑴 𝒎𝒎𝟐𝟐� ) y la cantidad de calor emanada en una combustión teórica del almacén,se interpreta este resultado de acuerdo a el siguiente cuadro. Cuadro 6. Nivel de riesgo intrínseco según la densidad de carga de fuego

Fuente: COLOMBIA. Decreto 379 de 2001. ITC MIE-APQ1 del Reglamento de almacenamiento de productos químicos. Bogotá D.C., 2001.

Carton Madera Papel tela plastico pintura polvo1300 4200 10000 400 800 700

1 1 1 1 1 1

2,2 0,02 2,2 1,5 2 1,5

436,8 864 142,8 9 10 36

2 1,5 2 1,5 1,5 1,5

50 900 80 30 35 1600

43680 15552 22848 405 700 86400

873,6 17,28 285,6 13,5 20 54

16700 16700 16700 25100 29300 45000

864

ℎ𝑣𝑣 (𝑚𝑚)

𝑞𝑞𝑣𝑣𝑣𝑣 ( 𝑀𝑗 𝑚𝑚3� )𝐶𝐶𝑣𝑣

𝑅𝑅𝑎𝑎

𝑆𝑆𝑣𝑣 (𝑚𝑚2)

𝐴𝐴 (𝑚𝑚2)

ƍ (𝐾𝐾𝐾𝐾 𝑚𝑚3� )m(𝐾𝐾𝐾𝐾)

v(𝑚𝑚3)

𝑞𝑞𝑟𝑟 (𝐾𝐾𝑗 𝐾𝐾𝐾𝐾� )

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Aun cuando los elementos que se encuentran almacenados en la bodega, tienen un punto de ignición bajo, y se encuentran bien separados en cuanto a compatibilidad química se refiere; el análisis de riesgo intrínseco nos arroja un resultado de una probabilidad alta de que ocurra un incendio. Esto ocurre debido a que los materiales tienen un poder calorífico inferior alto, es decir, una vez iniciada la reacción de óxido reducción se desprenderá una cantidad de energía en forma de calor bastante considerable y difícil de controlar si no se ataca en su fase incipiente. 7.2 CÁLCULO DE LA CARGA COMBUSTIBLE La carga combustible define la cantidad de calor por metro cuadrado que puede ser liberada en una edificación como resultado de la combustión de los materiales existentes. La carga combustible permite evaluar el nivel de riesgo, la cantidad de calor generado, el tiempo de la combustión, la resistencia estructural necesaria y la demanda de agua. La carga combustible mide el calor máximo que producirán todos los combustibles incendiados en una zona dada. El calor máximo desprendido representa la suma del producto delamasa de cada combustible multiplicado por su calor de combustión. Ecuación 5. Cálculo de la cantidad de calor emanada 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 [𝐽𝐽] = 𝑚𝑚𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑚𝑚𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 [𝐾𝐾𝐾𝐾] ∗ 𝐶𝐶𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑚𝑚𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 [𝐽𝐽 𝐾𝐾𝐾𝐾� ](5) Fuente: NTP 36 (Norma Técnica de Prevención). Bogotá, 2007. p. 1. Cuadro 7. Cálculo de la cantidad de calor

Fuente: Elaboración propia.

Material peso del material (Kg) calor de combustion (Mj/kg) Cantidad de calor (Mj)Carton 43680 16,7 729456

Madera 15552 16,7 259718,4

Papel 2798,88 16,7 46741,296

Tela 405 2,5 1012,5

Plastico 700 2,93 2051

pintura en polvo 86400 4,5 388800

TOTAL 1427779,196

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Utilizando la clasificación dada en la norma NFPA 13 en su apartado 1-4.7.2 donde se clasifican los establecimientos según su combustibilidad, su cantidad de material combustible, la liberación de calor esperada en caso de incendio y la altura de las pilas del material almacenado, se puede establecer que la bodega del almacén general está dentro de la clasificación de RO-2 (riesgo ordinario 2). • Combustibilidad: Baja • Cantidad de combustible: Alta • Liberación de calor: 1427,779196 GJ (Alta) • Altura máxima de almacenamiento: <3 mts.

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8. SISTEMAS DE SUPRESIÓN DE INCENDIOS Una vez determinada la carga combustible y la tasa de liberación de calor que depende delos tipos de materiales en conflagración, se puede determinar el agente extintor y el sistema de aplicación con el que se pretende controlar el fuego. Así como existen diferentes tipos de incendios derivados de los tipos de combustibles, existen también diferentes sustancias y métodos de aplicación, esta selección se realiza dependiendo de factores como: • Tipo de combustible. • Área de cobertura. • Tiempo de control de la conflagración. • Recurso económico. Las sustancias más utilizadas en el control del fuego son: • El agua • La espuma • El polvo químico seco • Gases y líquidos vaporizantes. Los métodos de aplicación más utilizados: • Sistemas de aplicación manual • Sistemas fijos sin agente extintor propio • Sistemas fijos con agente extintor propio • Sistemas fijos automáticos

8.1 SELECCIÓN DEL AGENTE EXTINTOR En el combate contra incendios se han podido desarrollar diferentes sustancias que poseen características idóneas para controlar y suprimir incendios, bien sean autóctonas o por el resultado de alguna alteración o adición de diferentes aleantes. Esta búsqueda de nuevos aditivos para mejorar las propiedades de las sustancias

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hace que los costos de fabricación se eleven, lo que incurre en un alza en el precio de adquisición para el consumidor final. La selección de la sustancia de extinción idónea muchas veces se ve opacada por los altos precios de esta, pues dependiendo del volumen y la inflamabilidad de la materia prima que se almacene en la bodega puede ser necesario utilizar grandes cantidades de agente extintor. El agua, además de su abundancia y fácil adquisición posee propiedades que la hacen el agente extintor por excelencia; la empresa RIPEL S.A realizó un estudio detallado sobre las principales características de esta sustancia que la hacen la mejor y más económica opción al momento de seleccionar el agente extintor. En el Anexo Bse referencian los resultados más importantes del estudio. En el Anexo C se presenta una caracterización más extensa de los tipos de agentes y sistemas de supresión. Para el caso particular del almacén general de la empresa Alumina, dadas las condiciones de almacenamiento, el área de cobertura y el tipo de material almacenado, se selecciona un sistema de supresión a base de agua aplicada por un sistema de rociadores.Citando una frase del manual contra incendios de la NFPA “Prácticamente los sistemas de rociadores son la espina dorsal de una estrategia de protección contra incendios efectiva para las instalaciones de almacenamiento"5.

5 NFPA. Manual de protección contra incendios. 5 ed. España, 1986. Cap. 12 sección 8, p. 8-194.

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9. EXTINTORES PORTÁTILES Una proteccion completa para el almacen general requiere tambien extintores portatiles como ataque inicial en caso de una conflagracion, permitiendo asi controlar el fuego en su fase incipiente salvaguardando la seguridad del personal. Otra ventaja del uso de los extintores es que previenen el accionamiento inmediato del sistema de rociadores, pues estando el almacen en condiciones de operaciones normales, cualquier fuego en fase incipiente sera controlado por los operarios mediante el uso de los extintores portatiles. Habiendo ya definido el tipo de fuego según el combustible, se define el tipo de extintor para cada tipo de material. A continuacion se listan los diferentes tipos de materiales que se encuentran en mayor cantidad en el almacen general y el tipo de extintor que se deberia utilizar para controlar un posible incendio. Cuadro 8. Material y tipo de extintor recomendado

Fuente: Elaboración propia. 9.1 DISTRIBUCION DE LOS EXTINTORES Siendo la distancia maxima entre cada extintor 75 ft.6, la distribucion de los extintores para el primer piso es:

6 NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION. NFPA 10. Norma para extintores portátiles contra incendio. España: NFPA, 2007. p. 10-15.

MATERIAL TIPO DE EXTINTORCARTON APAPEL AMADERA ATEXTILES APINTURA POLVO

BC

PLASTICOS AEQUIPOS ELECTRICOS BC

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Dos extintores tipo BC en el área de almacenamiento de pintura en polvo, 1 extintor tipo A en el área de textiles, 4 extintores tipo ABC Multiproposito,para el área de repuestos y 1 extintor tipo BC para el área de las oficinas. Todos los extintores son de una capacidad de 20 lbs. Para el segundo piso, por las caracteristicas de la materia prima del almacen se dispone de la siguiente dotacion de extintores: 4 extintores tipo A en el área de almacenamiento de carton y 3 extintores tipo BC en el área de empaques y envolturas para papel aluminio, de igual forma que en el segundo piso la capacidad de todos los extintores es de 20 lbs. Los planos de la distribucion de los extintores se encuentran en el Anexo E. 9.2 ALTURA DE INSTALACIÓN Los extintores portatiles con un peso menor a 40 lbs deben estar ubicados a una distancia no mayor a 1.5m del suelo, medidos desde la parte superior del extintor7. 9.3 SEÑALIZACION Los extintores ubicados en cualquier área del almacen deben tener señales de lugar y de tipo, es decir que la señalizacion debe indicar donde esta el equipo y para que tipo de fuego corresponde. Tambien se debe indicar en el piso un área de color amarillo para que esta no sea obstaculizada y se obstruya el acceso al extintor. Las normas técnicas colombianas NTC 1461, NTC 1910, NTC 1931, NTC 1700 establecen las caracteristicas que deben cumplir las señales de lugar y de tipo para cada tipo de extintor. (Ver figura 9).

7Ibíd., p. 10-15,

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Figura 9. Ejemplos de señalización de lugar y tipo de extintor

Fuente: FIRE FLY. Compañía de extintores. Product page. Señalización extintor. Diciembre, 2017.

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10. SISTEMAS DE ROCIADORES Cuando se trate de proteger riesgos en los que el agente extintor más adecuado generalmente es el agua y el área de cobertura es de una dimensión considerable, un sistema de rociadores es el medio más eficaz y seguro. Un sistema de extinción de incendios de rociadores, para los propósitos de protección contra incendios, es un sistema integrado de tuberías concebidopara expulsar agua a presión a través de unos aspersores, diseñadode acuerdo con las normas de ingeniería para la protección contra incendios, estas redes pueden ser diseñadas por tablas o por cálculos hidráulicos que cumplan especificaciones de diseño, cada malla del sistema está alimentada por tallos o tuberías verticales, en las cuales se coloca una válvula de alarma, cuyo objetivo es el de dar aviso de que el sistema fue accionado. 10.1 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO DESISTEMAS DE ROCIADORES 10.1.1 Sistemas de tubería húmeda. Las tuberías permanecen en todo momento llenas de agua, la descarga se vuelve entonces inmediata cuando se abre algún rociador. 10.1.2 Sistemas de tubería seca. En este caso la tubería está llena de aire comprimido el cual escapa cuando se rompe un bulbo de uno de los rociadores, la diferencia de presión es identificada por el sistema y se enciende la bomba para el suministro del agua. 10.1.3 Sistema de acción previa. Básicamente es casi el mismo principio de funcionamiento que el sistema de tubería seca, su diferencia radica en que el sistema solo se activa si ha recibido una confirmación de un sistema de detección de incendios previamente. Es decir que necesita el rompimiento del bulbo y la confirmación del sistema de detección para su posterior activación. 10.1.4 Sistemas de Inundación. Este sistema se caracteriza por tener boquillas pulverizadoras abiertas, el flujo del agua es controlado por electroválvulas. Cuando se detecta la conflagración la electroválvula se abre y el agua pulverizada o nebulizada se dispersa por toda la zona de boquillas controladas por esa única válvula.

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10.1.5 Sistemas combinados. Poseen una mezcla de características del sistema de acción previa y el sistema de tubería seca, el sistema de tubería contiene aire a presión, el sistema detector de incendios da una señal para que se abra la válvula de paso del agua y un venteo ubicado en la parte superior del sistema permite la salida del aire del sistema. Gracias a que Colombia no tiene temperaturas extremas que llegasen a congelar el agua dentro de la tubería y que el tiempo de reacción de los rociadores seleccionados es inmediato, no es necesario utilizar sistemas de tubería seca ni mucho menos combinados. Por tal motivo el sistema escogido para este diseño particular de la empresa Alumina es el sistema de tubería húmeda.

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11. ROCIADORES 11.1 ¿QUÉ ES UN ROCIADOR? Un rociador es una válvula automática que se activa gracias al calor cuando el bulbo (elemento sensible al calor), alcanza su temperatura de trabajo y explota liberando el taponamiento gracias a la presión de agua que hay en el sistema y permitiendo que el agua salga, colisione con el deflector y se esparza en efecto regadera sobre la zona en conflagración. Figura 10. Esquema de un rociador habitual

Fuente: VIKING. Norma de seguridad Sprinklers [en línea]. CFNB, Colombia, (diciembre de 2017), párr. 1. [Consultado: 04 de diciembre de 2017]. Disponible en Internet: http://cfnbcolombia.com/pdf/normaseguridad/SeguridadBb/Sprinklers%20Seminar%20Spanish.pdf. El requisito indispensable en una instalacion de sistema de rociadores automaticos y de alarma es detectar y atacar un incendio antes de que tenga tiempo de propagarse. Para este fin en el edificio del almacen de alumina se utilizaran rociadores que cumplan con los siguientes parámetros y que sean homologados por la normatividad vigente, tanto en sus caracteristicas propias como las de instalación.

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11.2 PARAMETROS DE DISEÑO LOCATIVO Limitación del área de cobertura: La norma NFPA 13 establece que para un sistema de rociadores abastecido con una tubería vertical de alimentación se debe cumplir un área de cobertura máxima tal como sigue: Cuadro 9. Área máxima de cobertura según el tipo de riesgo

Fuente: NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION. NFPA 13. Sistema de protección contra incendios. Estados Unidos: NFPA, 1996. p. 13-29. Las medidas nominales del almacen General de alumina son 36x24 m, dando un área de cobertura de 864 𝑚𝑚2, sumando el área de cobertura de ambos niveles serian 1728 𝑚𝑚2, parámetros que se encuentran dentro del rango de la clasificación establecida por la norma. 11.2.1 Área máxima de cobertura de los rociadores (𝑨𝑨𝑨𝑨). El área de cobertura de cada rociador depende de la clasificación del riesgo, de el tipo de ocupación y de las caracteristicas de la instalación que se esté diseñando. Bajo ninguna circunstancia el área máxima de cobertura debe sobrepasar los 130𝒇𝒇𝒇𝒇𝟐𝟐 (12𝒎𝒎𝟐𝟐)8. Para una ocupación de riesgo ordinario 2, con sistema de rociadores colgantes o pendientes la norma NFPA 13 en su capitulo 4-6.3.1 establece que el área máxima de cobertura de cada rociador se define según el siguiente cuadro.(Ver Cuadro 10). 8 NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION. NFPA 13. Óp., cit., p. 13-34.

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Cuadro 10. Área protegida y espaciamiento máximo (rociadores montantes y pendientes) Fuente: NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION. NFPA 13. Sistema de protección contra incendios. Estados Unidos: NFPA, 1996. p. 13-34. 11.2.2 Distancia del rociador a la pared (L). En el caso específico del almacén general no se tienen apilados elementos junto a las paredes de la edificación, existen pasillos de separación con una distancia igual o mayor a 0.9 m, Esta distribución permite evitar el uso de rociadores de pared. 11.2.3 Distancia máxima entre rociadores (S). Se basa en la distancia entre las líneas centrales de los rociadores ubicados sobre el mismo ramal o ramales adyacentes. Como se ilustra en la siguiente figura el espaciado máximo entre los rociadores del mismo ramal es de 3m y la distancia máxima entre ramales es de 3,7m. Figura 11. Distancia de los rociadores a la pared y entre rociadores

Fuente: Elaboración propia.

L L/2

S

S/2

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Teniendo en cuenta el área total de la bodega, la distribución de las columnas en el primer piso, la altura máxima de las pilas de almacenamiento y la altura entre pisos, se presenta la anterior distribución de los rociadores. Esta distribución se realiza para optimizar el área de cobertura y la capacidad de descarga de cada rociador. Área maxima de cobertura(𝑨𝑨𝑨𝑨): esta distribución espacial de los rociadores nos permite definir un área de cobertura para cada unode ellos: Ecuación 6. Cálculo del área de cobertura de los rociadores

𝐴𝐴𝑠𝑠 = (𝑆𝑆 ∗ 𝐿𝐿) 𝐴𝐴𝑠𝑠 = (9.84 ∗ 12.13)𝑓𝑓𝑐𝑐

𝑨𝑨𝑨𝑨 =119.35 𝒇𝒇𝒇𝒇𝟐𝟐 (11.7𝒎𝒎𝟐𝟐)(6)

Fuente: NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION. NFPA 13. Sistema de protección contra incendios. Estados Unidos: NFPA, 1996. p. 13-32. Esta distribución en la bodega, cuyas dimensiones son 36m x 24m da como resultado un número de 80 rociadorespor piso para cubrir el área total del almacen. 11.2.4 Instalación en la tubería. Se refiere a la ubicación del rociador respecto a la tubería de alimentación, existen dos tipos: rociadores montantes y rociadores colgantes. Los rociadores montantes son aquellos que se instalan por encima dela tubería de alimentación. Figura 12. Sistema con rociadores montantes

Fuente: VIKING Norma de seguridad Sprinklers [en línea]. CFNB, Colombia, (diciembre de 2017), párr. 1. [consultado diciembre de 2017]. Disponible en Internet: http://cfnbcolombia.com/pdf/normaseguridad/SeguridadBb/Sprinklers%20Seminar%20Spanish.pdf.

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El sistema colgante se refiere a los rociadores que se instalan debajo de la tubería de alimentación. Figura 13. Sistema con rociadores colgantes

Fuente: VIKING Norma de seguridad Sprinklers [en línea]. CFNB, Colombia, (diciembre de 2017), párr. 1. [consultado diciembre de 2017]. Disponible en Internet: http://cfnbcolombia.com/pdf/normaseguridad/SeguridadBb/Sprinklers%20Seminar%20Spanish.pdf. Para efectos de simplicidad en el montaje y posterior mantenimiento, en el almacén general se utilizara un sistema de rociadores colgantes expuestos, es decir que no estaran cubiertos por cielo raso. 11.2.5 Obstrucciones a la descarga. Para cumplir con el objetivo de desempeño de los rociadores y evitar que su descarga se vea interrumpida por obstrucciones, la norma NFPA establece los siguientes parámetros: Figura 14. Patrón de distribución típico de un rociador normal Fuente: NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION. NFPA 13. Sistema de protección contra incendios. Estados Unidos: NFPA, 1996. p. 13-33.

58

• El espacio libre entre el deflector y la parte superior del almacenamiento debe ser mayor o igual a 18 pulgadas. En el almacén general la altura máxima de apilamiento es 2,5 mts y la altura de instalación de los rociadores será de 3 m en el primer piso y de 3.5 m en el segundo. Esta diferencia nos da como resultado un espaciamiento entre el deflector y la materia prima de 0.5 m para el primer piso y de 1 m para el segundo piso. Figura 15. Apilamiento de la materia prima en el almacén general

Fuente: Elaboración propia. Al tener en consideración también la posición de los rociadores en la tubería, es decir, que es un sistema colgante, se debe asegurar la distancia mínima de 18 pulgadas entre el deflector y el techo de la edificación. • La norma también establece que cuando se encuentren obstrucciones continuas o discontinuas ubicadas a una distancia menor a 18” por debajo del deflector del rociador, estos se deben ubicar de tal manera que se encuentren a una distancia tres veces mayor a la dimensión máxima de la obstrucción, hasta un máximo de 24”9, es decir: (Ver Figura 16). 9 NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION. NFPA 13. Óp., cit., p. 13-29.

59

Figura 16. Distancia de un rociador a una obstrucción

Fuente: NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION. NFPA 13. Sistema de protección contra incendios. Estados Unidos: NFPA, 1996. p. 13-29.

11.3 CARACTERISTICAS PROPIAS DEL ROCIADOR 11.3.1 Sensibilidad térmica. Medida de la rapidez con que funciona el elemento térmico. Una medida de la sensibilidad térmica es el índice de tiempo de respuesta (RTI). El RTI es la medida de la sensibilidad del rociador expresada como: Ecuación 7. Cálculo de la carga térmica ponderada

𝑅𝑅𝑇𝑇𝑅𝑅 = 𝜏𝜏𝜐𝜐0.5 (7) Fuente: NTP 36 (Norma Técnica de Prevención). Bogotá, 2007. p. 1. Donde: 𝝉𝝉 = es la constante de tiempo del elemento sensible al calor, expresada en segundos. 𝝊𝝊 = Es la velocidad del gas del bulbo, expresada en metros por segundo

60

Según la sensibilidad térmica los rociadores se definen en: Rociadores estandar: El elemento de activación del bulbo posee un índice de respuesta mayor o igual 80(𝑚𝑚/𝑠𝑠)1 2� .

Rociadores de respuesta rápida: poseen un elemento térmico con un tiempo de respuesta mayor o igual a 50(𝑚𝑚/𝑠𝑠)1 2� . Rociador de supresión temprana y repuesta rápida: Su indice de respuesta es igual al anteriormente descrito, mayor o igual a 50(𝑚𝑚/𝑠𝑠)1 2� . Y posee una capacidad especial para brindar protección a tipos de incendios específicos.

Para una edificación de riesgo ordinario 2, como lo es el almacén general de la empresa Alumina se deben instalar rociadores de respuesta rápida, es decir el valor de RTI debe ser mayor a 50(𝒎𝒎/𝑨𝑨)𝟏𝟏 𝟐𝟐� . Esta caracterización no la realiza el personal encargado del diseño del sistema, es decir, el calculo del RTI se realiza en laboratorios especializados, como por ejemplo el de la empresa Factory mutual, quienes desarrollaron el primer horno de inmersión para análisis de RTI el cual aún esta vigente. 11.3.2 Temperatura de activación. Se refiere a la temperatura mínima con la que se activa o se rompe el bulbo gracias a la expansión del gas en su interior. Para el tipo de riesgo que maneja la bodega(RO 2), la temperatura de activacion es de aproximadamente 68°Cy su color de ampolla debe ser rojo o naranja (∗). (Ver Cuadro 11). ∗ NFPA 13. Estándar para el uso de rociadores, sección 2-2.2 tabla 2-2.4.1 rangos de temperatura y código de color.

61

Cuadro 11. Determinación del color de la ampolla de vidrio según escala de temperatura

Fuente: NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION. NFPA 13. Sistema de protección contra incendios. Estados Unidos: NFPA, 1996. p. 13-29. 11.3.3 Diámetro de orificio. Para sistemas de cobertura estándar es comun utilizar un rociador de ½” NPT, el cual tiene un orificio de descarga de 15mm. 11.3.4 Densidad de diseño. Es la mínima descarga de agua con la que se debe diseñar una red de protección de rociadores en unidades de caudal por unidad de superficie (𝒈𝒈𝒈𝒈𝒎𝒎

𝒇𝒇𝒇𝒇𝟐𝟐).

Habiendo tenido en cuenta todos y cada uno de los requerimientos tanto de instalación como los propios del rociador, se determinan las caracteristicas de los rociadores que se instalarán en el sistema de protección contra incendios del almacen general. (Ver Figura 17).

62

Figura 17. Rociador de cobertura estándar

Fuente: VIKING Norma de seguridad Sprinklers [en línea]. CFNB, Colombia, (diciembre de 2017), párr. 1. [consultado diciembre de 2017]. Disponible en Internet: http://cfnbcolombia.com/pdf/normaseguridad/SeguridadBb/Sprinklers%20Seminar%20Spanish.pdf. Con los parametros anteriormente descritos se pueden realizar los cálculos que nos permitan seleccionar las secciones de tuberías y el abastecimiento hidráulico para cumplir con las demandas del sistema, tanto en tiempo de autonomia como en flujo (caudal) y presión.

63

12. DISEÑO HIDRÁULICO

La norma NFPA 13 establece desde el año 1971 una metodologia de diseño donde se instauran los parámetros y requerimientos que debe cumplir un sistema contra incendios diseñado bajo cálculos hidráulicos, también existe el método de tabulado que consiste en determinar el caudal requerido por medio de tablas que determinan el gasto dependiendo del riesgo el cual estan protegiendo, más este método esta restringido solo para realizar modificaciones a los sistemas ya existentes. Para el casoparticular de la empresa, aunque la edificación existe desde hace ya varios años, no se tiene una red automática contra incendios, solo existe una configuración para la conexión de dos gabinetes tipo 1 a la entrada del almacén y su abastecimiento hidráulico tiene una acometida desde un tanque reservorio para actividades propias del proceso de fundición, lo que conlleva a que sea no apto para cumplir la normativa existente. Figura 18. Sistema actual para el control de incendios en el almacén general de la empresa Alumina

Fuente: Elaboración propia.

64

12.1 ÁREA DE DISEÑO O APLICACIÓN Es el área más desfavorecida hidráulicamente, es decir, una zona dentro del área de cobertura de rociadores, mas alejada del puesto de control o suministro de agua; bajo la cual se establecerán los requerimientos de flujo y presión que debe cumplir el sistema, pues cualquier zona antes de esta cumplirá los requerimientos sin problema. También es la zona con una probabilidad de liberación de calor más alta gracias a la materia prima que se almacena en el sitio. Entre la variedad de elementos almaceados en la bodega, los de mayor liberación de calor (ver cuadro 7 carga de calor ponderada) son el cartón y el papel. En el edificio del almacén la zona más desfavorecida hidráulicamente es sin lugar a dudas la zona del segundo piso más alejada del puesto de control, pues en esta zona se almacena la mayor cantidad de cartón, papel y madera que podrian liberar una carga térmica mayor en caso de una conflagración. Para esta zona del almacén se determinaran la presión y el caudal mínimo que debe proporcionar el sistema de supresión, esta será el área de diseño. Figura 19. Determinación y ubicación del área diseño

Fuente: Elaboración propia.

Rociador Más alejado

Área de diseño 1782,5𝑓𝑓𝑐𝑐2

Área del sistema 9300𝑓𝑓𝑐𝑐2

Puesto de control

65

12.2 DETERMINACIÓN DEL CAUDAL MÍNIMO EN EL ROCIADOR MÁS ALEJADO

Para determinar el flujo del área de diseño al momento de la descarga, se deben establecer primero los parámetros de caudal y presión para el rociador más alejado del puesto de control, pues será este quien indique cual es la demanda mínima del sistema en ese punto. Ecuación de la energía en el rociador más alejado: Ecuación 8. Energía total en un punto

𝐸𝐸𝑇𝑇 = 𝑍𝑍0 + 𝑉𝑉02

2𝑔𝑔+ 𝑃𝑃0

𝛾𝛾(8)

Fuente: STREETER, Víctor. Mecánica de los fluidos. 9 ed. México: McGraw-Hill, 1972. p. 37. Donde: • 𝐸𝐸𝑇𝑇 =Energia total. • 𝑍𝑍0 =Altura (plano de referencia). • 𝑉𝑉02

2𝑔𝑔=carga de velocidad de llegada del fluído.

• 𝑃𝑃0𝛾𝛾

= carga de presión en el fluido. Ahora se aplica la ecuación de la energía entre la tubería, (que tiene unas condiciones iniciales gracias a el trabajo de la bomba jockey) y la boquilla de descarga donde se establecen las condiciones deseadas. (suponiendo condición inicial instantánea el momento de accionamiento del rociador).

𝑍𝑍0 +𝑉𝑉02

2𝐾𝐾+𝑃𝑃0𝛾𝛾

= 𝑍𝑍𝑠𝑠 +𝑉𝑉𝑠𝑠2

2𝐾𝐾+𝑃𝑃𝑠𝑠𝛾𝛾

+ �𝐻𝐻𝑟𝑟

66

Figura 20. Ubicación de la presión inicial y la presión de salida

Fuente: Elaboración propia. Condiciones iniciales: el sistema, por sus caratecristicas de “tubería húmeda” se encuentra presurizado con una carga inicial de 50 psi (𝑃𝑃0), La velocidad inicial 𝑉𝑉0 se hace igual a cero por no haber flujo dentro de la tubería, la diferencia entre las alturas𝑍𝑍0y 𝑍𝑍𝑠𝑠tiende a ser cero,al igual que las pérdidas por fricción 𝐻𝐻𝑟𝑟también se hacen despreciables por ser un tramo tan corto. La ecuación se reduce entonces a:

𝑃𝑃0𝛾𝛾

=𝑉𝑉𝑠𝑠2

2𝐾𝐾+𝑃𝑃𝑠𝑠𝛾𝛾

Despejando la velocidad se tiene que:

𝑉𝑉𝑠𝑠 = ��𝑃𝑃0−𝑃𝑃𝑠𝑠𝛾𝛾� ∗ 2𝐾𝐾 (8)

Para el valor de 𝑃𝑃𝑠𝑠 se tiene un valor estimado de 18 psi, valor establecido para que el rociador trabaje en el rango que recomienda el fabricante que es entre 7 y 175 psi, siendo estos los valores mínimo y máximo respectivamente.

Po

Ps

P0

67

Reemplazando los términos en la ecuación (8) se tiene:

𝑉𝑉𝑠𝑠 = ��50 − 18

62.4 � ∗ 2(34.17)

𝑉𝑉𝑠𝑠 = 68.9 𝑓𝑓𝑐𝑐 𝑠𝑠�

Determinación del caudal: Ecuación 9. Estimación del caudal

𝑄𝑄 = 𝑣𝑣. 𝑐𝑐(9)

Fuente: STREETER, Víctor. Mecánica de los fluidos. 9 ed. México: McGraw-Hill, 1972. p. 117. • 𝑄𝑄 = caudal de salida • 𝑣𝑣 = velocidad de salida del fluído • 𝑐𝑐 = área transversal del orificio de salida • Si se reemplazan las ecuaciones de velocidad y área transversal se obtiene: Ecuación 10. Estimación de velocidad y área transversal

𝑄𝑄 = 𝜋𝜋𝐷𝐷2

4∗ 68.9 (10)

𝑄𝑄 = 0.09 𝑓𝑓𝑐𝑐3𝑠𝑠�

𝑄𝑄 = 40 gpm

Fuente: Elaboración propia. • Cuando un fluído pasa a través de una boquilla de cono fijo y/o pared gruesa, como lo son los rociadores automáticos, el cálculo del gasto hidráulico se debe corregir con un factor adimensional de descarga 𝐶𝐶𝑑𝑑 . 10 El coeficiente de descarga se calcula en función de la relación del diámetro interno del rociador (orificio de descarga), con la longitud de la boquilla. 10 SOTELO DÁVILA, Gilberto. Hidráulica general de Sotelo. México: Limusa, 1997. p. 204.

68

Para un rociador estandar de ½” Npt se tiene que: Figura 21. Dimensiones de la sección de descarga de un rociador estándar de ½” Fuente: Elaboración propia. Figura 22. Coeficientes de gasto para diferentes tipos de orificios de pared gruesa

Fuente: SOTELO DÁVILA, Gilberto. Hidráulica general de Sotelo. México: Limusa, 1997. Capítulo 6, p. 221. Siendo así para un rociador estándar de pulverización el valor del coeficiente de descarga, haciendo una aproximación al número más cercano de la tabla es:𝐶𝐶𝑑𝑑 =0.75.

5/8 in ½ in

69

Para determinar el caudal real que sale por el rociador, se tiene que:

𝑄𝑄 = 40 ∗ 0.75

𝑄𝑄 = 30𝐾𝐾𝑔𝑔𝑚𝑚 Para un rociador de un diametro determinado la ecuación se puede reescribir dejando los valores constantes resumidos en una sola variable denominada K, es decir que para un rociador estandar de 1/2”.

𝑄𝑄 = �𝐶𝐶𝑑𝑑 ∗𝜋𝜋𝐷𝐷2

4�2𝐾𝐾 ∗

1𝛾𝛾�

∗ �𝑔𝑔

𝑸𝑸 = 𝑲𝑲√𝑷𝑷

Esta es la formula comercial con la que se determina el caudal en función de un factor K y la presión en la mayoria de normas y textos donde se realizan los cálculos de sistema de rociadores automáticos, es la forma más común presentada en la mayoría de catálogos de los fabricantes de rociadores. Para el caso del análisis del sistema en la empresa alumina se tiene que el valor del factor k se puede establecer como:

𝑄𝑄 = 𝐾𝐾√𝑃𝑃

𝑄𝑄√𝑃𝑃

= 𝐾𝐾

𝐾𝐾 = 30√32

𝑲𝑲 = 𝟓𝟓.𝟑𝟑

Todas las empresas fabricantes de rociadores deben trabajar bajo unos rangos para el valor del factor K, estos valores máximos y mínimos son establecidos en el siguiente cuadro. (Ver Cuadro 12).

K

70

Cuadro 12. Coeficiente K típicos

Fuente: NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION. NFPA 13. Sistema de protección contra incendios. Estados Unidos: NFPA, 1996. p. 13-29. Se establece entonces que los datos utilizados para hallar el caudal y la estimación de la presión del fluído a la salida del rociador, estan dentro de los parámetros necesarios para que el valor delfactor K este en el rango establecido en la norma NFPA 13 para un rociador estandar de ½ pulgada. Los fabricantes de los rociadores establecen también en la ficha técnica la presión mínima y máxima de trabajo, anexando inclusive la presión máxima con la que fue testeado el rociador en el laboratorio como parte de la prueba de calidad. Para el diseño del sistema de la bodega de la empresa Alumina se utilizarán rociadores marca VIKING de ½” y con orificio de descarga estandar cuyo valor de K es 5,6. Como valor inicial de presión se tomará el mismo valor de 18 psi que se propuso anteriormente en la ecuación de la energía, valor que se encuentra dentro del rango de presiónrecomendado por el fabricante. Siendo asi el caudal mínimo en el rociador más alejado del cuarto de control, se calcula como.

𝑄𝑄 = 𝐾𝐾√𝑃𝑃 𝑄𝑄 = 5,6√18

𝑸𝑸 = 𝟐𝟐𝟑𝟑.𝟕𝟕 𝒈𝒈𝒈𝒈𝒎𝒎 ≅ 𝟐𝟐𝟒𝟒𝒈𝒈𝒈𝒈𝒎𝒎

71

12.3 DETERMINACION DEL NÚMERO DE ROCIADORES EN EL ÁREA DE DISEÑO

Para estimar el número de rociadores en el área de diseño ésta se divide por el área de cobertura de cada rociador, es decir: Ecuación 11. Determinación del número de rociadores en el área de aplicación

𝑁𝑁𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑣𝑣𝑎𝑎𝑑𝑑𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑠𝑠 = 1782.5 𝑓𝑓𝑓𝑓2

129.16 𝑓𝑓𝑓𝑓2 (11)

Fuente: NFPA 13 Standard of installation splinkers system.

𝑁𝑁𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑣𝑣𝑎𝑎𝑑𝑑𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑠𝑠 = 𝟏𝟏𝟑𝟑,𝟖𝟖 ≅ 𝟏𝟏𝟒𝟒 Gracias a que el diseño presentado para el almacén general consta de 8 rociadores por ramal, se establecerá un número de 16 rociadores como mínimo. para calcular la demanda de agua en la zona más alejada del sistema, que corresponde a los dos últimos ramales. Ecuación 12. Determinación del caudal mínimo para los rociadores

𝑄𝑄𝑇𝑇𝑟𝑟 = 𝑁𝑁𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑣𝑣𝑎𝑎𝑑𝑑𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑠𝑠 ∗ 𝑄𝑄𝑚𝑚𝑟𝑟 (12) Fuente: NFPA 13 Standard of installation splinkers system. Donde: • 𝑄𝑄𝑇𝑇𝑟𝑟 =Caudal total en el área de diseño • 𝑁𝑁𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑣𝑣𝑎𝑎𝑑𝑑𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑠𝑠 =Número de rociadores en el área de diseño • 𝑄𝑄𝑚𝑚𝑟𝑟 =caudal mínimo en cada rociador.

𝑄𝑄𝑇𝑇𝑟𝑟 = 16𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑣𝑣𝑎𝑎𝑑𝑑𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑠𝑠 ∗ 24𝑔𝑔𝑔𝑔𝑚𝑚

𝑄𝑄𝑇𝑇𝑟𝑟 = 𝟑𝟑𝟖𝟖𝟒𝟒 𝒈𝒈𝒈𝒈𝒎𝒎

72

• Este caudal representa un valor teórico, pues en el sistema se presentan pérdidas por fricción y accesorios en la tubería, esto repercute en que la presión no sea uniforme en toda la longitud del ramal, es decir, que para asegurar una presión mínima de 18 psi en el último rociador del ramal, se debe tener una presión mayor en el primero que compense la pérdida a través de toda la longitud del ramal. 12.4 DETERMINACION DE LA DEMANDA HIDRÁULICA La demanda hidráulicase determinateniendo en cuentalas pérdidas por fricción, por accesorios y por cambios de elevación en la tubería. Existen varias ecuaciónes para determinar este tipo de pérdidas, las más utillizadas para este tipo de sistemas son la de Darcy Weisbach y la de Hazen Williams. Figura 23. Esquema del circuito hidráulico

Fuente: Elaboración propia. • Para iniciar con el cálculo de las tuberías de conducción y de los ramales se debe determinar en primera instancia la velocidad recomendada del fluído dentro de las tuberías que lo conducen, con esta información se establecen los diámetros tentativos de las tuberías.

73

Cuadro 13. Velocidades recomendadas para fluidos en tuberías

Fuente: MCCABE et al. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. 4 ed. México: McGraw-Hill, 1991. • Para determinar el diámetro de los ramales es necesario hallar el caudal que debe circular en la tubería para que al pasar por el orificio de descarga del rociador se obtenga un flujo de descarga de 24 gpm. Es decir antes de ser corregido por el factor 𝐶𝐶𝑑𝑑

𝑄𝑄2 = 𝑄𝑄1 ∗ 𝐶𝐶𝑑𝑑𝑄𝑄1 =𝑄𝑄2𝐶𝐶𝑑𝑑𝑄𝑄1 =

240.75

𝑸𝑸𝟏𝟏 = 𝟑𝟑𝟐𝟐 𝒈𝒈𝒈𝒈𝒎𝒎

Figura 24. Determinación del caudal en la tubería de conducción

Fuente: Elaboración propia.

𝑄𝑄1

𝑄𝑄2

74

Habiendo determinado la cantidad de flujo que debe circular por la tubería de conducción, es decir el ramal, se puede calcular el diámetro de la tubería para que el valor de la velocidad del fluído este dentro del rango especificado. De la ecuación general: Ecuación 13. Tasa de flujo volumétrico o descarga

𝑄𝑄 = 𝑉𝑉 ∗ 𝐴𝐴 (13)

Fuente: STREETER, Víctor. Mecánica de los fluidos. 9 ed. México: McGraw-Hill, 1972. p. 117. Donde: • 𝑄𝑄 = Es el caudal(𝑓𝑓𝑓𝑓

3

𝑠𝑠)

• 𝑉𝑉 = Corresponde a la velocidad del fluído dentro de la tubería(𝑓𝑓𝑓𝑓𝑠𝑠

) • 𝐴𝐴 = Es el área de la sección transversal de la tubería (𝑓𝑓𝑐𝑐) Despejando para el diámetro tenemos:

𝐷𝐷 = �4𝑄𝑄𝜋𝜋𝑉𝑉

Reemplazando los valores:

𝐷𝐷 = �4(0.071)𝜋𝜋(8)

𝐷𝐷 = 0.106 ft

𝑫𝑫 ≅ 𝟏𝟏.𝟓𝟓 𝐢𝐢𝐢𝐢

75

12.5 PÉRDIDAS DE CARGA EN LAS TUBERÍAS Teniendo ya calculado el caudal, la presiónde descarga mínima en los rociadores y el diámetro de las tuberías se procede a realizar el cálculo para determinar la demanda hidráulica del sistema.

Utilizando la ecuación de Darcy Weisbach se pueden calcular las pérdidas generadas por el arrastre, es decir la fricción y la oposición de los accesorios al libre paso del fluído. Ecuación 14. Fórmula de Darcy para determinar la fricción en un tubo

ℎ𝑓𝑓 = 𝑓𝑓 𝐿𝐿𝐷𝐷𝑣𝑣2

2𝑔𝑔 (14)

Fuente: SOTELO DÁVILA, Gilberto. Hidráulica general de Sotelo. México: Limusa, 1997. p. 278. Donde: • ℎ𝑓𝑓= Pérdidas generadas por la fricción. • 𝑓𝑓= factor de fricción adimensional. • 𝐿𝐿= longitud del tramo de tubería en estudio. • 𝐷𝐷= Diámetro de la tubería. • 𝑣𝑣2= Velocidad del fluido • 𝐾𝐾= Aceleración gravitacional. Para poder utilizar la ecuación de Darcy y hallar entonces las pérdidas en la tubería, se hace imprescindible hallar el factor de fricción, que depende directamente de la rugosidad de la superficie interna de la tubería y del número de Reynolds, este a su vez depende de la velocidad del fluído, la viscocidad cinemática y el diámetro de la tubería , es decir:

𝑓𝑓 = 𝑓𝑓(𝜀𝜀 𝐷𝐷� ,𝑅𝑅𝑑𝑑)

76

La ecuación para hallar el número de Reynolds es: Ecuación 15. Ecuación para determinar el número de Reynolds 𝑅𝑅𝑑𝑑 = 𝑉𝑉𝐷𝐷

𝑣𝑣 (15)

Fuente: SOTELO DÁVILA, Gilberto. Hidráulica general de Sotelo. México: Limusa, 1997. p. 277. Donde : • 𝑅𝑅𝑑𝑑= Número de Reynolds • 𝑉𝑉= Velocidad del fluído en las tuberías • 𝐷𝐷= Diámetro de las tuberías • 𝑣𝑣= Viscocidad cinemática del fluído a temperatura ambiente. Habiendo hallado el número de Reynolds se procede a determinar en el diagrama de Moody el valor correspondiente a la fricción por tramo de tubería. Otro valor necesario en el diagrama de Moody (además del número de Reynolds) es el factor de rugosidad interna de la tubería, con este valor se determina una relación con el diámetro y se obtiene asi el valor faltante para cruzar la gráfica de Moody. Para la tubería de acero galvanizado, que ha sido la seleccionada en el proyecto del almacén general el factor de rugosidad 𝜀𝜀 = 0.0005 para las dimensiones en ft. Cuadro 14. Factor de rugosidad para el acero galvanizado, diagrama universal de Moody

Fuente: SOTELO DÁVILA, Gilberto. Hidráulica general de Sotelo. México: Limusa, 1997. p. 282.

77

Una vez obtenida la relacion entre el diametro de la tubería y la rugosidad relativa se cruza este valor con el número de Reynolds para encontrar el valor de la fricción en el diagrama de moody. 12.6 PÉRDIDAS DE CARGA EN ACCESORIOS Para el caso de los accesorios las pérdidas se pueden calcular usando un coeficiente que resume el producto de la fricción con el cociente de la longitud y el diámetro, es decir:

𝐾𝐾 = 𝑓𝑓𝐿𝐿𝐷𝐷

El coeficiente de pérdidas de carga K es un factor adimensional que es inversamente proporcional al diámetro de la tubería, en la siguiente tabla se puede observar los diferentes valores para el factor K. Cuadro 15. Correlaciones para el cálculo de pérdidas de carga a través de accesorios

Fuente: MARTIN, Guillermo. Manual para el diseño de una red hidráulica de climatización. Proyecto Fin de Carrera. Sevilla, España: Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla, 2012. p. 120.

78

13. CÁLCULOS HIDRÁULICOS

Se inician los cálculos hidráulicos determinando los valores de presión y caudal en cada rociador, estimando las pérdidas por arrastre entre cada tramo en el ramal más alejado de el cuarto de bombeo.

• Número de Reynolds:

𝑅𝑅𝑑𝑑 =𝑉𝑉𝐷𝐷𝑣𝑣

𝑅𝑅𝑑𝑑 =8 𝑓𝑓𝑐𝑐 𝑠𝑠2� ∗ 0.125𝑓𝑓𝑐𝑐

9.6121 ∗ 10−6 𝑓𝑓𝑐𝑐2𝑠𝑠�

𝑹𝑹𝑹𝑹 = 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟒𝟒𝟏𝟏𝟑𝟑𝟓𝟓

• Relacion del diametro con la rugosidad relativa:

𝜀𝜀𝐷𝐷

=0.00050.125

𝜀𝜀𝐷𝐷

= 0.004 • Con los dos valores hallados se ingresa al diagrama de moody para hallar la friccion. (Ver Figura 25).

79

Figura 25. Diagrama de moody, para la estimación de la fricción

Fuente: SOTELO DÁVILA, Gilberto. Hidráulica general de Sotelo. México: Limusa, 1997. Capítulo 6, p. 282. • En la gráfica anterior se puede observar que el valor de la fricción es de

𝑓𝑓 = 0.024 • Ahora tenemos todos los datos para hallar las pérdidas en ft en el tramo de tubería entre rociadores.

ℎ𝑓𝑓 = 𝑓𝑓𝐿𝐿𝐷𝐷𝑉𝑉2

2𝐾𝐾

ℎ𝑓𝑓 = 0.02412.13𝑓𝑓𝑐𝑐0.125𝑓𝑓𝑐𝑐 �

82 𝑓𝑓𝑐𝑐 𝑠𝑠�

2(32.17)𝑓𝑓𝑐𝑐 𝑠𝑠2��

ℎ𝑓𝑓 = 2.316𝑓𝑓𝑐𝑐

80

• Habiendo hallado las pérdidas por fricción en la tubería se procede a determinar la presión en el rociador anterior a el ya calculado. Para encontrar el valor de la presión en el rociador, que en este caso se denomina 𝑃𝑃2, seutilizará la ecuación de la energia. Ecuación 16. Ecuación de energía aplicada a fluidos

𝑃𝑃1𝛾𝛾

+ 𝑧𝑧1 + 𝑉𝑉12

2𝑔𝑔− ℎ𝑓𝑓 = 𝑃𝑃2

𝛾𝛾+ 𝑧𝑧2 + 𝑉𝑉22

2𝑔𝑔 (16)

Fuente: STREETER, Víctor. Mecánica de los fluidos. 9 ed. México: McGraw-Hill, 1972. p. 124. • Tomando como 𝑃𝑃1 la presión del rociador que se calculó inicialmente, se despeja la ecuaciónpara hallar 𝑃𝑃2 que corresponde al valor de la presión en el rociador siguiente. Los valores de la altura y la velocidad se cancelan por ser iguales para ambos rociadores

𝑃𝑃2 = (𝑃𝑃1𝛾𝛾

+ ℎ𝑓𝑓)𝛾𝛾

𝑃𝑃2 = �2592 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑓𝑓𝑐𝑐2�

62.4 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑓𝑓𝑐𝑐3�+ 2.3𝑓𝑓𝑐𝑐�62.4 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑓𝑓𝑐𝑐3�

𝑃𝑃2 = 2735.52 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑓𝑓𝑐𝑐2�

𝑷𝑷𝟐𝟐 = 𝟏𝟏𝟏𝟏 𝒍𝒍𝒍𝒍 𝒊𝒊𝒊𝒊𝟐𝟐� Se puede observar que hay un incremento en la presión entre el valor inicial de 18 psi y el segundo valor hallado de 19 psi, esto se debe a las pérdidas por fricción entre un rociador y otro. Para resumir los cálculos realizados en toda la longitud del ramal, se muestra a continuación una tabla con los valores de caudal y presión hallados para cada rociador con la misma metodologia ya presentada.

81

ROCIADORH P2 27 Q2 29,2G P3 26 Q3 28,5F P4 25 Q4 27,8E P5 23 Q5 27,1D P6 22 Q6 26,4C P7 21 Q7 25,6B P8 20 Q8 24,8A P9 18 Q9 24,0

PRESION (PSI) CAUDAL (GPM)

Cuadro 16. Distribución de caudal y presión de todos los rociadores en toda la longitud del ramal más alejado Fuente: Elaboración propia. Figura 26. Distribución de caudal y presión a la entrada del ramal más alejado

Fuente: Elaboración propia. • En ese orden de ideas, el caudal necesario para alimentar todo el ramal será la sumatoria del caudal que saldrá por todos y cada uno de los rociadores, es decir:

�𝑄𝑄𝑣𝑣 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑣𝑣𝑎𝑎𝑑𝑑𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑠𝑠 = 𝑄𝑄𝑇𝑇 𝑟𝑟𝑎𝑎𝑚𝑚𝑎𝑎𝑟𝑟

�𝑄𝑄𝑣𝑣 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑣𝑣𝑎𝑎𝑑𝑑𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑠𝑠 = 213,4 𝐾𝐾𝑔𝑔𝑚𝑚 • Para hallar el diámetro de la tubería de alimentación de los ramales se utiliza la misma ecuación anterior en función de la velocidad y el caudal.

A B C D E F G

H

29,2 gpm 27 psi

24 gpm 18 psi

82

𝐷𝐷 = �4𝑄𝑄𝜋𝜋𝑉𝑉

𝑄𝑄 = Es el caudal (𝑓𝑓𝑓𝑓3

𝑠𝑠)

𝑉𝑉 = Corresponde a la velocidad del fluído dentro de la tubería (𝑓𝑓𝑓𝑓𝑠𝑠

) Reemplazando los valores para el caudal y la velocidad:

𝐷𝐷 = �4 (0.4752)

𝜋𝜋(6)𝑫𝑫 = 𝟏𝟏.𝟑𝟑 𝒇𝒇𝒇𝒇 ≅ 𝟒𝟒 𝒊𝒊𝒊𝒊

• Para calcular el caudal que debe alimentar todo el ramal se debe tener en cuenta la pérdida por fricción de los accesorios en la tubería que permiten la derivación del ramal, para esto se plantea la ecuación de la energía entre el último rociador y la tubería de alimentación justo después del codo.

𝑃𝑃1𝛾𝛾

+ 𝑧𝑧1 +𝑉𝑉12

2𝐾𝐾=𝑃𝑃2𝛾𝛾

+ 𝑧𝑧2 +𝑉𝑉22

2𝐾𝐾+ ℎ𝑇𝑇

Donde ℎ𝑇𝑇 es la sumatoria de las pérdidas generadas por los accesorios y la tubería, para hallarlas pérdidas por la tuberíase realiza el mismo procedimiento anterior. Para las pérdidas por accesorios se tiene que: Ecuación 17. Estimación de las pérdidas

𝑅𝑅𝑑𝑑 = 𝑉𝑉𝐷𝐷

𝑣𝑣(17)

𝑅𝑅𝑑𝑑 =6 𝑓𝑓𝑐𝑐 𝑠𝑠� ∗ 0.3𝑓𝑓𝑐𝑐

9.6121 ∗ 10−6 𝑓𝑓𝑐𝑐2𝑠𝑠�

𝑅𝑅𝑑𝑑 = 187263

𝜀𝜀𝐷𝐷

=0.0005

0.3𝜀𝜀𝐷𝐷

= 0.00166

Fuente: Elaboración propia.

83

Con los dos valores hallados del número de Reynolds y la relación𝜀𝜀𝐷𝐷 hallamos el

valor de la fricción en el diagrama de Moody.

𝑓𝑓 = 0.017 Utilizando la ecuación del cuadro 15 para calcular el factor K de un accesorio, que en este caso es un codo a 90° se procede a determinar por medio de la ecuación de la energía el valor del caudal a la entrada del ramal para surtir a los 8 rociadores. Ecuación 18. Correlaciones para el cálculo de pérdidas en un codo a 90°C

𝐾𝐾 = 30 ∗ 𝑓𝑓(18) Fuente: MARTIN, Guillermo. Manual para el diseño de una red hidráulica de climatización. Proyecto Fin de Carrera. Sevilla, España: Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla, 2012. p. 120.

K = 30 ∗ 0.017 K = 0.51

Con este valor de K se establece la ecuación para determinar las pérdidas por accesorios:

ℎ𝑎𝑎 = 𝐾𝐾 ∗𝑉𝑉12

2𝐾𝐾

ℎ𝑎𝑎 = 0.51 ∗62

2 (37.17)

ℎ𝑎𝑎 = 0.28 ft

Determinado el factor K se procede a establecer nuevamente la ecuación de la energía entre la derivación del ramal (1) y el ultimo aspersor (2).

𝑃𝑃1𝛾𝛾

+ 𝑧𝑧1 +𝑉𝑉12

2𝐾𝐾=𝑃𝑃2𝛾𝛾

+ 𝑧𝑧2 +𝑉𝑉22

2𝐾𝐾+ ℎ𝑇𝑇

Al igual que en la vez anterior se obvian los valores de la altura (Z) por ser de igual magnitud.

84

Quedando entonces: 𝑃𝑃1𝛾𝛾

=𝑃𝑃2𝛾𝛾

+𝑉𝑉22

2𝐾𝐾−𝑉𝑉12

2𝐾𝐾+ ℎ𝑇𝑇

ℎ𝑇𝑇 = ℎ𝑓𝑓 + ℎ𝑎𝑎

ℎ𝑇𝑇 = 2.89 + 0.28

ℎ𝑇𝑇 = 3.17 𝑓𝑓𝑐𝑐 Despejando 𝑃𝑃1 tenemos:

𝑃𝑃1 = 𝑃𝑃2 + �𝑉𝑉22 − 𝑉𝑉12

2𝐾𝐾+ ℎ𝑇𝑇� 𝛾𝛾

Reemplazando los valores tenemos que:

𝑃𝑃1 = 4112 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑓𝑓𝑐𝑐2

𝑷𝑷𝟏𝟏 = 𝟐𝟐𝟖𝟖.𝟔𝟔 𝒍𝒍𝒍𝒍𝒊𝒊𝒊𝒊𝟐𝟐

Se determina entonces que para que el ramal más alejado opere satisfactoriamente se le deben suministrar 213.3 gpm a una presión de 28.6 psi. • Con la misma metodología se calcula el caudal necesario para alimentar el ramal anterior al último y así se dará cobertura a los dos ramales que componen el área de diseño. • De igual forma que en el ramal anterior, el caudal necesario de alimentación es la sumatoria de todos y cada uno de los caudales de los rociadores, en el siguiente cuadro se resume el caudal necesario para cada rociador en el segundo ramal.

85

ROCIADOR PRESION (PSI) CAUDAL (GPM)R 21,6 26,0Q 21,0 25,7P 22,3 26,4O 23,5 27,2N 24,8 27,9M 26,0 28,6L 27,3 29,3K 28,5 29,9

Figura 27. Distribución de caudal y presión en el segundo ramal

Fuente: Elaboración propia. Cuadro 17. Distribución de caudal y presión en el segundo ramal del área de diseño Fuente: Elaboración propia. • Se puede establecer entonces que el caudal y la presión necesaria para alimentar el área de diseño que corresponde a los dos últimos ramales del segundo piso del almacén general son 433 gpm a una presión de 28.85psi. Figura 28. Distribución de caudal y presión en los ramales del área de diseño

Fuente: Elaboración propia.

433 gpm 28.85 psi

RAMAL 2

RAMAL 1

K L M N O P Q R

28.5 psi 29.9 gpm

21.6 psi 26.0 gpm

86

13.1 DEMANDA PARA CHORROS DE MANGUERAS En todo sistema contra incendios se deben adecuar y calcular conexiones para ataque con manguera hidráulica por parte de la brigada de emergencias de la compañía o por parte del cuerpo de bomberos, esta medida se toma como respaldo al sistema de rociadores, pues aunque se calcula un sistema que actúa mucho antes que un incendio declarado tuviera lugar, no se puede desestimar la necesidad de una intervención por parte de personal calificado. La norma NFPA 13 en su capitulo 5 “Métodos de diseño” establece en la tabla 5-2.3 el tiempo mínimo de funcionamiento y el caudal del sistema para cada una de las mangueras; en el caso específico del almacén general (que esta dentro la categoría de riesgo ordinario 2), se establece una duración minima del sistema en acción de 60 minutos, tiempo en el cual el sistema debe inhibir la propagación del fuego y propender a la extinción del mismo. Cuadro 18. Requisitos para demanda de mangueras

Fuente: NFPA 13 Standard of installation splinkers system p. 13-69. 13.1.1 Caudal máximo aceptable en la manguera. La fuerza de reacción que se crea en la boquilla de la manguera, es una fuerza que también debe ser calculada para evitar posibles lesiones en los operarios, pues una fuerza de retroceso excesiva puedehacer que el bombero suelte la manguera o caiga junto con ella.

87

La tercera ley de Newton establece que “ si un cuerpo A ejerce una fuerza externa que actua sobre un cuerpo B (“acción”) este cuerpo B ejerce sobre A una fuerza igual y en sentido contrario (“reacción”)”11. Asi mismo sucede cuando el agua atraviesa y abandona la boquilla, esta genera una fuerza de retroceso y tiende a desplazarse en sentido contrario aun cuando el chorro de agua no está impactando directamente contra un elemento sólido. Varios estudios han desarrollado técnicas para calcular y determinar una fuerza aceptable y fácilmente controlable por los organismos de socorro al momento de un ataque contra incendios. Algunos de los estudios más destacados fueron compilados por el ingeniero Manuel Alonso Herrerias, quien entonces postulaba para el título de ingeniero Químico de la Escuela Politécnica Superior de Alcoi en España. En este trabajo se establecen los parámetros mínimos aceptables de caudal y presión para que se produzca una fuerza de reacción soportable para una pareja de bomberos trabajando juntos en una boquilla. Se ha evaluado cuál es el caudal que puede circular por una manguera de manera que la línea se pueda utilizar con efectividad y seguridad mientras se avanza en el interior de un recinto incendiado a la vez que se realiza la extinción y se ha observado que hay una fuerza de reacción máxima de la lanza que puede ser manejada por uno, dos y tres bomberos12. Cuadro 19. Fuerza de reacción soportable en la boquilla de la manguera

Fuente: ALONSO HERRERÍAS, Manuel. Análisis de diferentes tipos de instalaciones para la extinción, por parte de los servicios de bomberos, de incendios de interior utilizando bombas de alta y baja presión. Trabajo de fin de grado. Ingeniero Químico. España: Escuela Politécnica de Alcoi, 2015.

11 SEARS y ZEMANSKY. Fisica universitaria. 13 ed. México: Pearson, 2010. p. 117. 12 ALONSO HERRERÍAS. Óp., cit., p. 34.

88

Utilizando como referencia base un valor máximo de 333 newtons como fuerza soportable en la boquilla se procede a calcular el valor real de la fuerza de retroceso y se establecerá si esta dentro de los parámetros aceptables para una una dupla de bomberos. 13.1.2 Fuerza de reacción en la manguera Figura 29. Determinación de ejes coordenados Fuente: Elaboración propia. Ecuación 19. Sumatoria de fuerzas en el eje X ∑𝑭𝑭 = 𝝆𝝆𝑸𝑸(∆𝑽𝑽) (19) Fuente: RIVAS NIETO, Alejandro. Ecuaciones fundamentales de la mecánica de fluidos. España: Universidad de Navarra, 2008. • Donde: o ∑𝑭𝑭 =Sumatoria de fuerzas en el eje X o 𝝆𝝆 =Peso específico del agua ( 𝑟𝑟𝑙𝑙

𝑓𝑓𝑓𝑓3)

o 𝑸𝑸=Flujo de agua(𝑓𝑓𝑓𝑓3

𝑠𝑠)

o ∆𝑽𝑽 =Delta de velocidad (𝑓𝑓𝑓𝑓𝑠𝑠

) • Reemplazando los valores:

25-32°

89

Ecuación 20. Sumatoria de fuerzas en el eje x

𝑓𝑓𝑥𝑥 − 𝑅𝑅𝑥𝑥 = 𝜌𝜌𝑄𝑄(∆𝑉𝑉)

𝑅𝑅𝑥𝑥 = 𝑔𝑔1𝐴𝐴1 + 𝜌𝜌𝑄𝑄(∆𝑉𝑉)

𝑅𝑅𝑥𝑥 = 𝑔𝑔1𝐴𝐴1 + 𝜌𝜌𝑄𝑄(𝑉𝑉1 − 𝑉𝑉2) (20) Fuente: Elaboración propia. • Para hallar las velocidades se determinaran las siguientes variables: o El diámetro de la manguera es de 0.16 𝑓𝑓𝑐𝑐 (2 in). o El caudal necesario en la manguera y determinado por la NFPA es 0.22 𝑓𝑓𝑓𝑓

3

𝑠𝑠 (100

gpm). o Se utilizará una boquilla o pitón con un orificio de descarga de 0.072𝑓𝑓𝑐𝑐 (22 mm). o La presión mínima de descarga en la salida de la bomba es de 7200 𝑟𝑟𝑙𝑙

𝑓𝑓𝑓𝑓2 (50 𝑔𝑔𝑠𝑠𝑐𝑐).

o Calculando las velocidades en la manguera:

𝑄𝑄 = 𝑉𝑉 ∗ 𝐴𝐴 𝑉𝑉 =𝑄𝑄𝐴𝐴

𝑉𝑉1 =0.22

𝜋𝜋4

0.162 𝑽𝑽𝟏𝟏 = 𝟏𝟏𝟏𝟏 𝒇𝒇𝒇𝒇 𝑨𝑨�

o Calculando las velocidades en la boquilla: Las lanzas de uso contraincendios representan un estrechamiento brusco en el recorrido del agua hacia la salida, por esta razón el cálculo de las pérdidas por fricción en las mismas se debe realizar utilizando una relación para el factor K de accesorios con estrechamiento brusco.

90

Ecuación 21. Relación para el actor K

𝐾𝐾 =0.5�(𝑠𝑠𝑟𝑟𝑠𝑠 ∅ 2� )

𝜏𝜏4 (21)

Fuente: MARTIN, Guillermo. Manual para el diseño de una red hidráulica de climatización. Proyecto Fin de Carrera. Sevilla, España: Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla, 2012. p. 120. Donde: • 𝐾𝐾 = Coeficiente de fricción • 𝑠𝑠𝑑𝑑𝑐𝑐 ∅ 2� = Ángulo del estrechamiento 𝜏𝜏 = Relación entre diámetros

𝜏𝜏 =𝐷𝐷1𝐷𝐷2

𝜏𝜏 =0.070.16

𝜏𝜏 = 0.4375

𝐾𝐾 =0.5�(𝑠𝑠𝑑𝑑𝑐𝑐 90

2� )

0.43754𝐾𝐾 = 0.081

Utilizando la ecuación para hallar las pérdidas en la boquilla:

ℎ𝑟𝑟 = 𝐾𝐾𝑉𝑉12

2𝐾𝐾

Una vez determinadas las pérdidas en la lanza se puede determinar la velocidad a la salida de la misma estableciendo la ecuación de la energía entre la manguera y la salida de la lanza (𝑃𝑃1 𝑦𝑦 𝑃𝑃0respectivamente).

𝑃𝑃1𝛾𝛾

+𝑉𝑉12

2𝐾𝐾+ 𝑍𝑍1 =

𝑃𝑃0𝛾𝛾

+𝑉𝑉02

2𝐾𝐾+ 𝑍𝑍2 + 𝐾𝐾

𝑉𝑉02

2𝐾𝐾

𝑉𝑉0 = ��

𝑃𝑃1𝛾𝛾

+ 𝑉𝑉12

2𝑔𝑔

[1 + 𝐾𝐾]�2𝐾𝐾

91

Reemplazando los valores en la ecuación de la energía se obtiene el valor de la velocidad en la lanza.

𝑽𝑽𝟏𝟏 = 𝟖𝟖𝟑𝟑 𝒇𝒇𝒇𝒇 𝑨𝑨�

o Ahora reemplazando los valores para determinar la fuerza de reacción:

𝑅𝑅𝑥𝑥 = 7200𝑐𝑐𝑐𝑐𝑓𝑓𝑐𝑐2

(0.015𝑓𝑓𝑐𝑐2) +62.42 𝑟𝑟𝑙𝑙

𝑓𝑓𝑓𝑓3

32.17 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑠𝑠2

�0.22𝑓𝑓𝑐𝑐3

𝑠𝑠� (11 − 83)

𝑓𝑓𝑐𝑐𝑠𝑠

𝑅𝑅𝑥𝑥 = 77.26 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑓𝑓 𝑹𝑹𝒙𝒙 ≅ 𝟑𝟑𝟒𝟒𝟑𝟑 𝑵𝑵 Se puede observar que la fuerza de retroceso generada en la punta de la boquilla es similar a los valores máximos establecidos de 333 N para una dupla de operarios, por lo tanto es factible trabajar con una presión de 50 psi en la punta de la lanza. 13.1.3 Alcance del chorro de agua de la manguera. Existen diferentes tipos de chorros de agua que resultan de la graduación de la boquilla o pitón, estos chorros tienen diferentes aplicaciones que dependen de las caracteristicas intrinsecas de cada conflagración, se pueden utilizar como refrigeración, como protección para el personal de ataque o para ataque directo y extinción, entre otras aplicaciones. Para realizar el cálculo del alcance del chorro de la manguera se tienen en cuenta los siguientes aspectos: • Los ángulos de inclinación normalmente utilizados para los chorros respecto de la horizontal son 25 a 32 grados13. • Suponiendo también que la manguera es nueva y que el pitón es de trayectoria corta. 13 Ibid., p. 45.

92

• Que las condiciones ambientales son estables, es decir se supone la ausencia de vientos fuertes. • La graduación del pitón es tal que regula y crea un chorro no absolutamente cerrado pero si compacto, tal como suele designarse en las maniobras de extinción del cuerpo de bomberos denominado “chorro con capacidad de extinción satisfactoria”14. Figura 30. Esquema de aplicación del chorro de manguera

Fuente: Elaborado a partir de Movimiento parabólico 2, Tu ciencia- matemática∗. • Utilizando las siguientes condiciones iniciales: o La altura del almacenamiento es h= 8.2 ft (2,5 mts) o La altura promedio de sostenimiento del pitón es h/2 (4,1 ft (1,25 mts)) o El ángulo de disparo oscila entre 25 y 32° • Cálculo de la velocidad inicial:

14 SULZER, Freres. Elementos de hidráulica para instalaciones de bombeo. Suiza: Societe Anonyme, 1072. p. 29. ∗ Movimiento parabólico 2, Tu ciencia- matemática, publicado el 12/08/2015 y modificada por el autor.

93

o Utilizando un diámetro de salida de 0.017 ft (22mm)

o El caudal en la manguera es de 0.22𝑓𝑓𝑐𝑐3𝑠𝑠� (100 gpm)

o Utilizando las velocidades en la manguera y la boquilla halladas en el cálculo de la fuerza de reacción en la boquilla

Figura 31. Determinación de los ejes coordenados Fuente: Elaboración propia. • Determinando los valores de la velocidad en los ejes X e Y:

𝑉𝑉𝑥𝑥 = 83.52 cos 𝜃𝜃 𝑉𝑉𝑦𝑦 = 83.52 sen𝜃𝜃

• Condiciones iniciales: o 𝑋𝑋0 = 0 o 𝑌𝑌0 = 0 o 𝑋𝑋𝑓𝑓 = 𝑆𝑆 o 𝑌𝑌𝑓𝑓 = 4,1𝑓𝑓𝑐𝑐 o 𝜃𝜃 = 25° • Ecuación para el eje X:

𝑋𝑋𝑓𝑓 = 𝑋𝑋0 + 𝑉𝑉𝑥𝑥𝑐𝑐 𝑋𝑋𝑓𝑓 = 0 + 75.71𝑐𝑐 𝑋𝑋𝑓𝑓 = 75.71𝑐𝑐

• Ecuación para el eje Y:

𝜃𝜃

94

𝑦𝑦𝑓𝑓 = 𝑦𝑦0 + 𝑉𝑉𝑦𝑦𝑐𝑐 +𝐾𝐾𝑐𝑐2

2

4,1 = 0 + 35.30𝑐𝑐 +32.17𝑐𝑐2

2

−16.85𝑐𝑐2 − 35.30𝑐𝑐 + 4.1 = 0

• Aplicado la ecuación cuadrática para hallar los valores de t:

𝑐𝑐1 = 0.1103𝑠𝑠

𝑐𝑐2 = −2.2052𝑠𝑠 • Reemplazando el mayor valor de t:

𝑋𝑋𝑓𝑓 = 75.71𝑐𝑐

𝑺𝑺 = 𝟏𝟏𝟔𝟔𝟔𝟔.𝟏𝟏𝟓𝟓𝒇𝒇𝒇𝒇 ≅ 𝟓𝟓𝟏𝟏 𝒎𝒎𝑹𝑹𝒇𝒇𝒎𝒎𝒎𝒎𝑨𝑨 Está determinado entonces que con las condiciones de caudal, diámetro de la boquilla y ángulo de inclinación determinado se obtiene un alcance lo suficientemente grande para que el personal de brigada o bomberos estén a una distancia más que prudente en el momento de tener que ingresar a controlar un incendio dentro del almacén general, pues el alcance del chorro permite trabajar aproximadamente a 50 metros de la superficie en llamas y alcanzar la parte más alta de las pilas de almacenamiento. 13.1.4 Pérdidas de carga en las mangueras. Normalmente las pérdidas de carga en las mangueras son más complejas de calcular que las pérdidas en un conductor rígido, es decir un tubo. No solamente difieren en la rugosidad interna de las paredes si no también ocurre que las paredes de las mangueras se dilatan en función de la presión. Esto aumenta las pérdidas de carga por fricción en las paredes. Utilizando un factor K= 3.2 para las pérdidas en la manguera15, se calculará la presión que debe haber en la alimentación del gabinete para que en la boquilla de descarga se tengan los parametros necesarios.

15 FERNÁNDEZ LORENZO, J L., BALBÁS MADRAZO, J. F y BARRIOS LUENGOS, J.C. Curso de hidráulica básica para bomberos. España: Junta de Castilla, 2010. p. 27.

95

Cuadro 20. Cálculo de carga en las mangueras Fuente: FERNÁNDEZ LORENZO, J L., BALBÁS MADRAZO, J. F y BARRIOS LUENGOS, J.C. Curso de hidráulica básica para bomberos. España: Junta de Castilla, 2010. p. 27. Pérdidas de carga en la manguera.

𝑃𝑃𝑐𝑐𝑚𝑚 = 𝑓𝑓𝐿𝐿𝐷𝐷𝑉𝑉2

2𝐾𝐾

Reemplazamos la velocidad en función del caudal:

𝑃𝑃𝑐𝑐𝑚𝑚 = 𝑓𝑓𝐿𝐿𝐷𝐷

𝑄𝑄2

𝐴𝐴2

2𝐾𝐾

𝑃𝑃𝑐𝑐𝑚𝑚 = 𝑓𝑓𝐿𝐿𝐷𝐷

16𝑄𝑄2

𝜋𝜋2𝐷𝐷4

2𝐾𝐾

𝑃𝑃𝑐𝑐𝑚𝑚 =8𝑓𝑓𝜋𝜋2𝐾𝐾

𝐿𝐿𝐷𝐷5 𝑄𝑄

2

Para el cálculo del factor 𝐾𝐾 = 8𝑓𝑓

𝜋𝜋2𝑔𝑔𝐷𝐷5se utilizó un factor de friccion de 8.7 ∗ 10−3 para

mangueras de PTFE. Con recubrimiento de cáñamo. • Reemplazando los valores para una pérdida de carga en psi: o Pc = pérdida de carga en psi o L = Longitud de la manguera en pies o Q= Caudal en pies cúbicos por segundo o K = factor que depende del diámetro de la manguera

𝑃𝑃𝑐𝑐𝑚𝑚 = 𝐾𝐾 ∗ 𝐿𝐿 ∗ 𝑄𝑄2

𝑃𝑃𝑐𝑐𝑚𝑚 = 3.2 ∗ 164.041 ∗ 0.262

𝑷𝑷𝑷𝑷𝒎𝒎 = 𝟑𝟑𝟓𝟓𝒈𝒈𝑨𝑨𝒊𝒊

96

• Es decir que para que en la punta de lanza de la manguera se obtenga una presión de 50 psi, esta se debe alimentar con una presión minima de 85 psi. Al realizar el cálculo de las pérdidas con las tablas de datos suministrados por el fabricante de la manguera se puede encontrar una caida de presión de 24.7 psi para un tramo de 30m, mas los tramos utilizados en el almacen general son de 50 m, en cuyo caso la perdida de presion seria de alrededor de 40 psi. Figura 32. Perdidas de carga por cada 30 metros de manguera Fuente: FERNÁNDEZ LORENZO, J L., BALBÁS MADRAZO, J. F y BARRIOS LUENGOS, J.C. Curso de hidráulica básica para bomberos. España: Junta de Castilla, 2010. p. 27. Para corroborar los datos hallados por pérdida de carga en las mangueras se utilizará también una forma de cálculo suiza que utiliza un nomograma en función del caudal y el diámetro de la manguera. Las pérdidas de carga se pueden determinar por aproximación según el siguiente diagrama, y se hace necesario multiplicar por un coeficiente K los valores en el gráfico16. 16 SULZER. Óp.,cit., p. 28.

97

Para los diámetros y tipos de mangueras más usuales se pueden admitir los valores siguientes del coeficiente : Manguera usual de caucho……………………………………….…....K = 0,7 Manguera de cañamo, muy lisa y con capa interior de caucho…….K = 0,7 Manguera de cañamo muy basta con revest. interior de caucho…..K = 1,0 Manguera de cañamo corriente, sin forrro interior de caucho……...K = 1,3 Para el diseño del sistema de supresión del almacén general se utilizarán mangueras de cañamo liso y capa interior de caucho, esto con el fin de evitar que el rozamiento con el suelo y cualquier otro contacto con materiales en el almacén deterioren la superficie de la manguera, su interior de caucho evita que una vez usada la manguera y cuando se disponga para el secado retenga humedad y se deteriore. (Ver Figura 33). Figura 33. Cálculo de las pérdidas por carga en las tuberías flexibles (mangueras)

Fuente: SULZER, Freres. Elementos de hidráulica para instalaciones de bombeo. Suiza: Societe Anonyme, 1072. p. 29.

98

Siendo el caudal 6.3 L/seg (100 gpm) y el diámetro interno de la manguera 2 in, las pérdidas por friccion para un tramo de 1000 m son 390 m, sin embargo los tramos utilizados en el diseño son de 50 m lo cual nos deja una pérdida de carga por fricción de 74 ft (19.5 m). Habiendo determinado las pérdidas por fricción en la manguera se establece la ecuación de la energía para encontrar el valor de presión necesario con el que se debe alimentar el gabinete y así se provean las condiciones de caudal y presión necesarias en la boquilla de la manguera. • Ecuación de la energía para determinar la caída de presión en las mangueras:

𝑃𝑃𝐸𝐸𝛾𝛾

+ 𝑧𝑧𝐸𝐸 +𝑉𝑉𝐸𝐸2

2𝐾𝐾=𝑃𝑃𝐷𝐷𝛾𝛾

+ 𝑧𝑧𝐷𝐷 +𝑉𝑉𝐷𝐷2

2𝐾𝐾+ 𝐻𝐻𝑓𝑓

𝑃𝑃𝐸𝐸 = 𝑃𝑃𝐷𝐷 + 𝐻𝐻𝑓𝑓𝛾𝛾

𝑃𝑃𝐸𝐸 = 7200 + (74 ∗ 62.4)

𝑃𝑃𝐸𝐸 = 11817.6 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑓𝑓𝑐𝑐2�

𝑷𝑷𝑬𝑬 ≅ 𝟖𝟖𝟐𝟐 𝒍𝒍𝒍𝒍 𝒊𝒊𝒊𝒊𝟐𝟐�

Queda demostrado entonces que siendo la presión en el pitón (D) de 50 psi, se debe alimentar el gabinete de la manguera (E) con una presión de 82 psi para que satisfaga la demanda del sistema. Figura 34. Tramo D-E para el cálculo de las pérdidas en la manguera

Fuente: Elaboración propia.

D

E

99

13.2 PÉRDIDAS POR CARGA EN LA TUBERÍA DE CONDUCCION PRINCIPAL Habiendo determinado las condiciones mínimas que se deben suministrar en la zona más desfavorecida hidráulicamente y las pérdidas en las mangueras, se debe ahora calcular las pérdidas por arrastre y accesorios que tendrán lugar en la tubería de conducción, pues es muy importante determinar la caída de presión en el sistema para realizar una buena selección en el equipo de bombeo. Para calcular la caída de presión en las tuberías se utilizará la misma metodología que se usó para determinar las pérdidas entre los rociadores. A continuación se ilustra por medio de esquemas los puntos donde se calcularon las presiones y los valores hallados se presentan en un cuadro resumen. Figura 35. Tramo A-B para el cálculo de las pérdidas en la tubería Fuente: Elaboración propia.

A B

100

Figura 36. Tramo B-C para el cálculo de las pérdidas en la tubería Fuente: Elaboración propia. Figura 37. Tramo E-F para el cálculo de las pérdidas en la tubería

Fuente: Elaboración propia.

B

C

E

F

101

TRAMOØ TUBERIA

(PULGADAS)ACCESORIOS

PERDIDAS ACCESORIOS

PERDIDAS TUBERIA

(PIES)

PRESION FINAL (PSI)

1 CODO 0,356 TEE 2,44

1 VALV ALARMA

19,68

2 VALV COMPUERTA

3,92

2 TEE 0,461 CODO 0,63

D-E 2 NA NA 74 821 VALV

COMPUERTA1,96

4 CODOS 14,12 TEE 0,82

1 VALV ALIVIO

1,7

1 TEE 5,9

1 REDUCCION0,066

1 VALV COMPUERTA 1,96

E-F

0,04 102F-G 6

B-C 4 1,38 55,4

A-B 4 3,25 31,5

9810,94

Figura 38. Tramo F-G para el cálculo de las pérdidas en la tubería

Fuente: Elaboración propia.

Cuadro 21. Resumen de las pérdidas y presiones halladas en cada tramo de tubería

Fuente: Elaboración propia.

G F

Suministro de agua Bomba

hidráulica

Hac

ia lo

s G

abin

etes

Hac

ia lo

s R

ocia

dore

s

H

102

• Después de haber establecido las pérdidas de presión en las mangueras y latubería de conducción se puede establecer que la bomba de suministro del sistema debe trabajar con una presión no menor a 102 psi y debe suministrar un caudal mínimo de 585 gpm, cubriendo asi el requerimiento combinado de las mangueras y dos de los ramales del sistema con sus 16 rociadores abiertos simultáneamente. • Luego de establecer la presión y el caudal mínimo que debe proveer la bomba,también se debe determinar la carga o energía que esta debe suministrar al fluído.

Estableciendo la ecuación de la energía entre el punto G y el punto H se puede despejar el valor correspondiente a la carga de la bomba. Figura 39. Esquema para el cálculo de la potencia teórica de la bomba

Fuente: Elaboración propia. Ecuación 22. Cálculo de la carga hidráulica de la bomba

𝑃𝑃𝐻𝐻𝛾𝛾

+ 𝑧𝑧𝐻𝐻 +𝑉𝑉𝐻𝐻2

2𝐾𝐾+ ℎ𝑙𝑙 =

𝑃𝑃𝐺𝐺𝛾𝛾

+ 𝑧𝑧𝐺𝐺 +𝑉𝑉𝐺𝐺2

2𝐾𝐾+ 𝐻𝐻𝑓𝑓

Fuente: STREETER, Víctor. Mecánica de los fluidos. 9 ed. México: McGraw-Hill, 1972. p. 126.

G

H

103

La presión y la velocidad en el punto G tienden a cero por ser un fluído confinado a presión atmosférica y en reposo, la altura el punto G es cero por estar a la misma altura de la bomba (punto de referencia). Despejando ℎ𝑙𝑙y reemplazando los valores tenemos:

ℎ𝑙𝑙 =𝑃𝑃𝐺𝐺𝛾𝛾

+𝑉𝑉𝐺𝐺2

2𝐾𝐾+ 𝐻𝐻𝑓𝑓 − 𝑧𝑧𝐺𝐺

• Determinación del diámetro de la tubería a la salida de la bomba:

𝑄𝑄 = 1,29 𝑓𝑓𝑐𝑐3𝑠𝑠� (583 𝐾𝐾𝑔𝑔𝑚𝑚)𝑉𝑉𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑚𝑚𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = 7 𝑓𝑓𝑐𝑐 𝑠𝑠�

Despejando para el diámetro:

∅ = �4(1.29)𝜋𝜋(7)

∅ = 0.48 𝑓𝑓𝑐𝑐 (5.76 𝑐𝑐𝑐𝑐)∅ ≅ 𝟔𝟔 𝒊𝒊𝒊𝒊

Recalculando la velocidad:

𝑉𝑉 =𝑄𝑄𝐴𝐴𝑉𝑉 =

1.29𝜋𝜋4

(0.5)2𝑉𝑉 = 𝟔𝟔.𝟓𝟓𝟔𝟔𝒇𝒇𝒇𝒇 𝑨𝑨�

• Pérdidas en la tubería:

𝑅𝑅𝑑𝑑 =𝑉𝑉∅𝜈𝜈𝑅𝑅𝑑𝑑 =

6.56 ∗ 0.5(9.6121 ∗ 10−6)

𝑅𝑅𝑑𝑑 = 341236

𝜖𝜖∅

= 0.00050.5

= 0.001 con el diagrama de Moody 𝒇𝒇 = 𝟏𝟏.𝟏𝟏𝟐𝟐

ℎ𝑓𝑓 = 𝑓𝑓𝐿𝐿𝐷𝐷𝑉𝑉2

2𝐾𝐾ℎ𝑓𝑓 = 0.02 ∗

23.170.5

∗6.562

64.34𝒉𝒉𝒇𝒇 = 𝟏𝟏.𝟔𝟔𝟏𝟏

• Pérdidas en accesorios: o Codos:

𝐾𝐾 = 30𝑓𝑓 𝐾𝐾 = 30 ∗ 0.02𝐾𝐾 = 0.6

104

ℎ𝑟𝑟 = 0.6(6.562

64.34)ℎ𝑟𝑟 = 0.4 𝑓𝑓𝑐𝑐

o Reducción:

𝐾𝐾 = 0.1ℎ𝑟𝑟 = 0.1�6.562

64.34�ℎ𝑟𝑟 = 0.06 𝑓𝑓𝑐𝑐

o Pérdidas en las válvulas de compuerta: ℎ𝑣𝑣 = 1.96 𝑓𝑓𝑐𝑐 • Pérdidas totales en la tubería de salida:

ℎ𝑇𝑇 = ℎ𝑓𝑓 + ℎ𝑟𝑟 + ℎ𝑟𝑟 + ℎ𝑣𝑣𝒉𝒉𝑻𝑻 = 𝟑𝟑.𝟏𝟏𝟑𝟑 𝒇𝒇𝒇𝒇

Diámetro de la tubería a la entrada de la bomba

𝑉𝑉𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑚𝑚𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = 3 𝑓𝑓𝑐𝑐 𝑠𝑠� 𝑄𝑄 = 1.29 𝑓𝑓𝑐𝑐3𝑠𝑠� (583 gpm)

∅ = �4(1.29)𝜋𝜋(3)

∅ = 0.73 𝑓𝑓𝑐𝑐 (8.7 𝑐𝑐𝑐𝑐)∅ ≅ 𝟏𝟏𝟏𝟏 𝒊𝒊𝒊𝒊

• Recalculando la velocidad:

𝑉𝑉 =𝑄𝑄𝐴𝐴𝑉𝑉 =

1.29𝜋𝜋4

(0.83)2𝑉𝑉 = 𝟏𝟏.𝟏𝟏𝒇𝒇𝒇𝒇 𝑨𝑨�

𝑅𝑅𝑑𝑑 =𝑉𝑉∅𝜈𝜈𝑅𝑅𝑑𝑑 =

1.9 ∗ 0.73(9.6121 ∗ 10−6)

𝑅𝑅𝑑𝑑 = 150288

𝜖𝜖∅

= 0.00050.73

= 6.84 ∗ 10−4 con el diagrama de Moody 𝒇𝒇 = 𝟏𝟏.𝟏𝟏𝟐𝟐1

105

• Pérdidas en la tubería:

ℎ𝑓𝑓 = 𝑓𝑓𝐿𝐿𝐷𝐷𝑉𝑉2

2𝐾𝐾ℎ𝑓𝑓 = 0.021 ∗

100.83

∗6.562

64.34𝒉𝒉𝒇𝒇 = 𝟏𝟏.𝟏𝟏𝟔𝟔𝒇𝒇𝒇𝒇

o Codos: 𝐾𝐾 = 30𝑓𝑓 𝐾𝐾 = 30 ∗ 0.021𝐾𝐾 = 0.63

ℎ𝑟𝑟 = 0.63(6.562

64.34)ℎ𝑟𝑟 = 0.42 𝑓𝑓𝑐𝑐

Reducción:

𝐾𝐾 = 0.1ℎ𝑟𝑟 = 0.1�6.562

64.34�ℎ𝑟𝑟 = 0.066 𝑓𝑓𝑐𝑐

o Junta de expansión: ℎ𝑟𝑟 = 1.3 𝑓𝑓𝑐𝑐 o Pérdidas en las válvulas de compuerta: ℎ𝑣𝑣 = 1.96 𝑓𝑓𝑐𝑐 • Pérdidas totales en la succión de la bomba:

ℎ𝑇𝑇 = ℎ𝑓𝑓 + ℎ𝑟𝑟 + ℎ𝑟𝑟 + ℎ𝑣𝑣𝒉𝒉𝑻𝑻 = 𝟏𝟏.𝟏𝟏𝟒𝟒𝟔𝟔 𝒇𝒇𝒇𝒇

• Pérdidas totales entre el punto H y el punto G:

𝐻𝐻𝑇𝑇 = 𝑔𝑔é𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠 𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 + 𝑔𝑔é𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠 𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑠𝑠𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = 4.576 13.3 CÁLCULO DE LA CARGA HIDRÁULICA Y LA POTENCIA HIDRÁULICA Para el cálculo de la carga hidráulica se tiene que:

ℎ𝑙𝑙 =13963

62.4+

6.562

64.34+ 4.576 − 1.96

ℎ𝑙𝑙 = 223.7 + 0.66 + 4.576 − 1.96

106

𝒉𝒉𝒍𝒍 = 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟕𝟕.𝟏𝟏𝟒𝟒 𝒇𝒇𝒇𝒇

Se determina entonces que la bomba ejerce en el fluído una carga de 227.04 pies, con esta información se procede a calcular la potencia hidráulica que debe tener la bomba para proporcionar la carga a el fluído. • Utilizando la ecuación para la potencia total del sistema hidráulico: Ecuación 23. Ecuación para la potencia total del sistema hidraulico

�̇�𝐸ℎ = 𝑄𝑄 ∗ ℎ𝑙𝑙 ∗ 𝛾𝛾

Fuente: STREETER, Víctor. Mecánica de los fluidos. 9 ed. México: McGraw-Hill, 1972. p. 126. Donde:

�̇�𝐸ℎ = 𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 ℎ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐á𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑄𝑄 = 𝐶𝐶𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑑𝑑𝑞𝑞𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑠𝑠𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐𝑑𝑑𝑚𝑚𝑐𝑐

ℎ𝑙𝑙 = 𝐶𝐶𝑐𝑐𝑐𝑐𝐾𝐾𝑐𝑐 ℎ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝛾𝛾 = 𝑃𝑃𝑑𝑑𝑠𝑠𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑠𝑠𝑔𝑔𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑓𝑓𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑐𝑐𝐾𝐾𝑐𝑐𝑐𝑐

Reemplazando los valores:

�̇�𝐸ℎ = 1.3 𝑓𝑓𝑐𝑐3𝑠𝑠� ∗ 227.04𝑓𝑓𝑐𝑐 ∗ 62.4 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑓𝑓 𝑓𝑓𝑐𝑐3�

�̇�𝐸ℎ = 18417.7 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑓𝑓 𝑓𝑓𝑐𝑐𝑠𝑠�

�̇�𝑬𝒉𝒉 ≅ 𝟑𝟑𝟒𝟒 𝒉𝒉𝒈𝒈 Se puede determinar que la potencia hidráulica que debe generar la bomba para llevar el flujo de agua desde el deposito (H) hasta la zona más alejada del sistema de rociadores (A), es de 34 HP. Dado que la potencia hidráulica hallada es la suministrada por la bomba sin tener en cuenta la eficiencia de la misma, se debe determinar cual esla potencia real que se le debe suministrar a la bomba mediante el motor. Para encontrar el valor de la

107

potencia real se utilizaran lascurvas de eficiencia proporcionadas por el fabricante dela bomba para realizar una adecuada selección de los equipos de bombeo. Para establecer en las curvas de la bomba en que valores de caudal y presión está trabajando la bomba se deben trazar curvas con valores de caudales escogidos aleatoriamente y así trazar una gráfica de comportamiento. Figura 40. Esquema para determinar la carga total de la bomba

Fuente: Elaboración propia.

𝐻𝐻𝑙𝑙583 = 𝑧𝑧2 − 𝑧𝑧1 +𝑉𝑉22

2𝐾𝐾+ �𝐻𝐻𝑟𝑟583

2

1

Donde: • 𝐻𝐻𝑙𝑙583 = Carga hidráulica de la bomba en función del caudal (583 gpm) • (𝑧𝑧2 − 𝑧𝑧1)= Diferencia de altura entre el nivel del agua y la salida en la manguera

• 𝑉𝑉22

2𝑔𝑔= Velocidad del fluido a la salida de la manguera

• ∑ 𝐻𝐻𝑟𝑟583

21 = Pérdidas por arrastre y accesorios desde la acometida del tanque hasta

la salida de la manguera

𝐻𝐻𝑙𝑙583 = �(4.264 − 19.68) + �83.42

2 ∗ 32.17� + 52.46 + 70 + 10.2�

𝑯𝑯𝒍𝒍𝟓𝟓𝟖𝟖𝟑𝟑 = 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟓𝟓.𝟑𝟑𝒇𝒇𝒇𝒇

Z1

Z2

108

• Para un caudal de 400 gpm se determinan las pérdidas y la velocidad del fluido en el sistema.

�𝐻𝐻𝑟𝑟400 = �𝐻𝐻𝑙𝑙583

2

1

2

1

�400583�

2

�𝐻𝐻𝑟𝑟400 =2

1

132.66 �400583�

2

�𝐻𝐻𝑟𝑟400 = 62.44 𝑓𝑓𝑐𝑐2

1

𝑉𝑉0 = ��720062.4

+ 8.952

2∗32.17[1 + 0.081] �2 ∗ 32.17

𝑉𝑉0 = 83.1 𝑓𝑓𝑐𝑐 𝑠𝑠�

𝐻𝐻𝑙𝑙583 = �(4.264 − 19.68) + �83.12

2 ∗ 32.17� + 62.44�

𝑯𝑯𝒍𝒍𝟒𝟒𝟏𝟏𝟏𝟏 = 𝟏𝟏𝟓𝟓𝟒𝟒.𝟓𝟓 𝒇𝒇𝒇𝒇

• De igual manera para un caudal de 300 gpm se determinan las pérdidas y la velocidad del fluido en el sistema.

�𝐻𝐻𝑟𝑟300 = �𝐻𝐻𝑟𝑟400

2

1

2

1

�300400�

2

�𝐻𝐻𝑟𝑟300 =2

1

62.44 �300400�

2

�𝐻𝐻𝑟𝑟300 = 35.122

1

𝑉𝑉0 = ��720062.4

+ 6.52

2∗32.17[1 + 0.081] �2 ∗ 32.17

𝑉𝑉0 = 82.9 𝑓𝑓𝑐𝑐 𝑠𝑠�

109

𝐻𝐻𝑙𝑙583 = �(4.264 − 19.68) + �82.92

2 ∗ 32.17� + 35.12�

𝑯𝑯𝒍𝒍𝟑𝟑𝟏𝟏𝟏𝟏 = 𝟏𝟏𝟐𝟐𝟔𝟔.𝟓𝟓 𝒇𝒇𝒇𝒇

Habiendo encontrado el valor de la carga hidráulica para cada caudal establecido se cruzan esto valores en la gráfica de las curvas de eficiencia de la bomba. (Ver Figura 40).

110

14. SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DE BOMBEO Del catálogo de bombas aurora, en la sección de bombas de carcaza partida para sistemas contra incendios, se encuentra la gráfica de una bomba que cumple con el caudal y la presión necesaria del sistema trabajando a 3550 RPM, mostrando que la eficiencia de la bomba estaría aproximadamente en un 80%.

𝜂𝜂𝑙𝑙 = 80% Con la eficiencia de la bomba se procede a calcular la potencia que se debe suministrar en el eje de la bomba, en otras palabras la potencia del motor. Figura 41. Curvas características de una bomba centrifuga

Fuente: AURORA FIRE PUMPS. Catalogo de bombas hidraulicas. Section 340/360. Estados Unidos, 2004. p. 425.

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Observando en la gráfica el comportamiento de la curva se observa que la bomba con una eficiencia del 80% proporciona un caudal de aproximadamente 650 gpm con una cabeza hidráulica de 240 ft. • Cálculo de la potencia del motor eléctrico:

Para hallar la potencia que se le debe suministrar a la bomba es necesario utilizar la ecuación de la eficiencia, esta ecuación establece una relación entre la potencia que recibe la bomba con la potencia que se suministra al líquido.

𝜂𝜂𝑙𝑙 =𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 ℎ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐á𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑒𝑒𝑑𝑑

Donde: • 𝜂𝜂𝑙𝑙 = Eficiencia de la bomba • 𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 ℎ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐á𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = Potencia que la bomba suministra al fluido • 𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑒𝑒𝑑𝑑 = Potecia que suministra el motor a la bomba

Despejando para hallar la potencia del motor:

𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑒𝑒𝑑𝑑 =𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 ℎ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

𝜂𝜂𝑙𝑙

Reemplazando los valores:

𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑒𝑒𝑑𝑑 =340.8

𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑒𝑒𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑚𝑚𝑐𝑐𝑐𝑐 (𝐵𝐵𝐻𝐻𝑃𝑃) ≅ 𝟒𝟒𝟑𝟑 𝑯𝑯𝑷𝑷 De esta forma se puede establecer que la potencia mínima que debe suministrar el motor girando a una velocidad de 3550 RPM son 43 HP. Sin embargo, en la gráfica de la bomba se puede observar que el fabricante recomienda que para un optimo desempeño en ese valor de caudal y presión la bomba debe trabajar con un motor de 50 HP a 3550 RPM aproximadamente.

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14.1 BOMBA SOSTENEDORA DE PRESIÓN “BOMBA JOCKEY” La bomba jockey o bomba sostenedora de presión es la encargada de mantener una presión mínima en los sistemas de extinción contra incendios de tubería humeda, esto con el fin de evitar que las bombas principales se pongan en marcha cuando la caida de presión se deba a pequeñas fugas o filtraciones. 14.1.1 Consideraciones de la bomba jockey. La bomba debe funcionar cuando la presión del sistema haya disminuido al 90%, y debe detenerse cuando la presión del sistema alcance un valor de 10 a 20 psi por encima de la presión de arranque. Es decir si la presióndel set point del sistema de rociadores del almacén es igual a 50 psi, la bomba se activará si la presión del sistema cae a 45 psi y elevará nuevamente la presión hasta llegar a un valor de 60 psi. Algunas normas internacionales como la norma española UNE EN 12845:2005 establecen que el caudal y la presión de la bomba jockey deben ser inferiores al necesario para el funcionamiento de cada rociador (24 gpm y 18 psi para elcaso del almacén general), ya que de la contrario impedira la puesta en marcha de la bomba principal. Este argumento puede ser discutido, pues se podría condicionar el encendido de las bombas principales con la señal de un sensor de flujo, es decir; que se encenderían solo cuando el sensor detecte un flujo determinado en la tubería, que logicamente estaria tarado con un set point por encima del flujo provocado por una fuga y por debajo del flujo generado por la apertura de un rociador. Por otra parte otros organismos internacionales como la NFPA establecen que el caudal de la bomba debe oscilar entre el 2 al 10 % del caudal nominal de la bomba principal. En ese orden de ideas el caudal y la presión necesarias en el sistema a diseñar en el almacén general de la empresa Alumina, para la bomba jockey son (Q= 15 gpm y P= 50 psi). Del catálogo de bombas Aurora se selecciona entonces un equipo que cumpla con el requerimiento de presión y caudal.

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Figura 42. Curvas caracteristicas de una bomba centrifuga Fuente: AURORA PENTAIR WATER, vertical multi stage pumps, section 1, p. 1. Para los datos de presión y caudal de la bomba jockey se podria seleccionar la bomba PVM2 del catálogo Aurora, pero su rango de trabajo se encuentra en el punto máximo, lo que quiere decir que la bomba estaría trabajando siempre a su máxima potencia y no se dejaria un factor de seguridad que salvaguarde la vida util de la bomba. Por tal razón se seleccióna la bomba PVM4.

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15. SELECCIÓN DE LOS MOTORES DE LAS BOMBAS PRINCIPALES Para el diseño del sistema contra incendios del almacén se considera el uso de motobombas diésel como fuente de potencia, dado que el sistema debe quedar habilitado y trabajar aun cuando un corte de fluído eléctrico diera lugar. Por esta razón la bomba principal y la bomba de respaldo son accionadas por medio de motores de combustión interna, mientras que el motor de la bomba jockey sera alimentada con corriente eléctrica, esto con el fin de que puede suplir la pérdida de presión por alguna fuga sin necesidad de encender alguno de los motores diésel. La normaNFPA 20 establece que para los motores de combustión interna se debe tener en consideración un factor de disminución del rendimiento que depende de la ubicación geográfica del sistema. La norma establece que las calificaciones de caballos de fuerza deben de reducirse en un 3% por cada 1000 pies de elevación por encima de 300 ft y 1% por cada 10 °F por encima de 77°F de temperatura ambiente. Para el caso particular del almacen general que se encuentra a un aproximado de 3339.9 ft (1018 m) sobre el nivel del mar y a una temperatura ambiente máxima de 92 °F (33°C) se tiene que el decaimiento total de la eficiencia del motor por factores de ubicación geográfica y temperatura ambiente es del 11%. Para comprobar el decaimiento del rendimiento del motor la empresa de fabricación de bombas Aurora (Aurora pumps), proporciona una tabla donde se establece un factor que resulta de cruzar la altura geográfica de la instalación con la temperatura ambiente. (Ver Cuadro 22).

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Cuadro 22. Factor de decaimiento del rendimiento del motor por efectos de ubicación geográfica

Fuente: AURORA FIRE PUMPS. Selection tables Diesel driven horizontal split case, section 913, p. 356. Haciendo una comparación de la disminución de la eficiencia hallada por la ubicación geográfica del sistema y la hallada en las tablas, se puede observar que sus valores son aproximadamente iguales y que el rendimiento del motor va a ser de un 89% de su capacidad real. En ese orden de ideas se realiza la selección de todo el conjunto bomba- motor seleccionando un motor de combustión interna diésel. (Ver Cuadro 23).

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Cuadro 23. Tablas de selección para acople bomba motor con instalacion horizontal

Fuente: AURORA FIRE PUMPS. Selection tables Diesel driven horizontal split case, section 913, p. 356. Dado que la altura y la temperatura disminuyen la eficiencia del motor y por consecuencia la eficiencia de la bomba, se selecciona un conjunto con una capacidad mayor a la necesaria para asimilar esta pérdida. 15.1 SELECCIÓN DEL MOTOR DE LA BOMBA JOCKEY Para realizar la selección del motor se utilliza la curva carácteristica de la bomba donde se utillizan los datos de caudal y presión. Con esta curva se establecen la potencia necesaria del motor y el número de etapas de la bomba.

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Figura 43. Curvas caracteristicas de una bomba multietapas

Fuente: AURORA PENTAIR WATER, vertical multi stage pumps, section 2, p. 9 De la gráfica anterior se determina entonces que la potencia mínima del motor necesaria para la bomba jockey es de 1.5 HP.

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16. CÁLCULO DEL DEPÓSITO DE AGUA

En la norma NFPA 13 se establece que el tiempo mínimo de suministro del sistema en servicio debe ser de 60 minutos por el tipo de riesgo que maneja la compañía17 y el caudal de agua mínimo que debe abastecer el sistema es de 585 gpm. Bajo estas dos condiciones se establece que el tanque debe tener una capacidad mínima de almacenamiento de 35100 galones (4692𝑓𝑓𝑐𝑐3). La norma NFPA 22 (Standard for water tanks for private fire proteccion), establece y regula los requerimientos mínimos de diseño de un tanque para alimentación para un sistema contra incendios, en cualquiera de sus presentaciones. La norma establece en su capitulo 3 página 22.7 tanques con capacidad neta y medidas estandar, según este listado la capacidad idónea para el anque es de 40000 galones (5347 𝑓𝑓𝑐𝑐3). Sin embargo, por costos de mantenimiento y fabricación se diseñará un tanque que no tenga un almacenamiento de respaldo o un factor de seguridad tan grande. Las dimensiones del tanque se han establecido de acuerdo a la zona donde se establece su instalación, pues esta zona además del espacio poseela calidad de suelo necesaria para soportar el peso del tanque lleno y su posición se diseña relativamente cerca de la tuberíahidráulicade alimentación. (Ver Figura 44).

17NFPA 13 Standard of installation splinkers system pag 13-69, edición 1996.

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Figura 44. Área posterior externa del almacén seleccionada para el cuarto de bombas y el tanque de almacenamiento

Fuente: Elaboración propia. • Determinación de las medidas: El área del lugar destinada para el tanque es aproximadamente 325 𝑓𝑓𝑐𝑐2 con esta condición se estima una altura de 19.6ft, resultando que:

𝑉𝑉 = 𝐴𝐴 ∗ ℎ Donde: • 𝑉𝑉 = Volumen de almacenamiento del tanque. • 𝐴𝐴 =Área de la base del tanque. • ℎ =Altura del tanque. Despejando el área se tiene que

𝐴𝐴 =𝑉𝑉ℎ

𝐴𝐴 =4661.5

19.6

𝐴𝐴 = 237.8 𝑓𝑓𝑐𝑐2

120

Habiendo determinado el área de la base del tanque se despeja para hallar el diámetro.

𝐴𝐴 =𝜋𝜋4∅2

∅ = �𝐴𝐴4𝜋𝜋

∅ = �(237.8)4𝜋𝜋

∅ = 𝟏𝟏𝟕𝟕 𝒇𝒇𝒇𝒇 En la norma NFPA 22 en el cuadro 24 se establecen los espesores recomendados de las placas inferiores para tanques de fondo plano, este espesor es proporcional a la altura del tanque. Cuadro 24. Espesores recomendados para las placas inferiores para tanques de fondo plano

Fuente: NFPA 22 capítulo 3, tabla 3-5.4(a). Una vez definido el diámetro y el espesor de la placa base se selecciona el material de los anillos con los que se construirá el tanque. La norma NFPA 22 establece los espesores mínimos de las placas de acero inferiores y superiores, este espesor depende directamente del diámetro del tanque.

121

Cuadro 25. Espesores recomendados para las placas de los anillos

Fuente: NFPA 22 capítulo 3, tabla 3-5.1.2(a). Considerando que el ancho comercial de una placa de acero al carbon HR es de 7.2 ft, se estima que el primer anillo sera fabricado con placas de espesor de 1 4� 𝑐𝑐𝑐𝑐 Los dos anillos superiores seran fabricados con placas de acero de espesor 3 16� 𝑐𝑐𝑐𝑐. Para la parte superior del tanque la norma establece en su capítulo 2 paragrafo 5 que todo tanque debe tener un techo, y que este debe estar acorde con la norma OSHA code of federal regulations, titulo 29 parte 1926, la cual establece que todo tanque circular debe poseer una guarda en todo su perimetro o en los manhole a los que se requiera el acceso. Figura 45. Esquema del tanque reservorio

Fuente: Elaboración propia.

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17. TUBERÍA Y ACCESORIOS DEL SISTEMA DE CONDUCCIÓN En la actualidad existen diferentes tipos de tuberías de conducción así como también existen diferentes formas de realizar las respectivas uniones de todo el sistema, como por ejemplo los accesorios roscados, las uniones por medio de bridas, por medio de férulas, uniones soldadas o unidas con acoples ranurados. Para el caso específico del almacén general se realizará el diseño utilizando tubería ranurada bajo la normativa internacional ASTM A795 y la norma nacional NTC-5562. A continuación se muestra a groso modo la forma en que trabajan los acoples de las tuberías ranuradas. • Acoples flexibles: este tipo de junta ranurada permite que la tubería tenga una desviación o desalineamiento de máximo 2º entre las partes, también permite girar y acomodar la tubería 360º antes de dar el último ajuste y es la mejor para acceder de manera rápida al desarme de una sección del sistema bien sea para limpieza o para realizar modificaciones. Figura 46. Sistema de acople ranurado flexible

Fuente: JINAN MEIDE CASTING CO.Catálogo de productos, 2011.

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(pulg) Longitud (pies) Longitud (m)1,5 1100 2904 360 956 23,17 6,0910 10 2,63

∅

• Acoples rígidos: los acoples rígidos poseen un sistema de enclavamiento mecánico de dientes que se acomodan en la ranura para evitar movimientos angulares indeseados, para el aseguramiento de las Tee mecánicas no es necesaria la soldadura o algún otro accesorio, simplemente se realiza una perforación del diámetro indicado y se asegura la Tee por medio de los pernos, el empaque se deforma de acuerdo a la presión de la junta formando un sello hermético. Figura 47. Sistema de acople ranurado Tee

Fuente: JINAN MEIDE CASTING CO. Catálogo de productos, 2011. Para el sistema de rociadores del almacén general se utilizaran ambos tipos de acoples pues la inserción de los rociadores y su ubicación se facilita mucho al no tener que utilizar accesorios roscados o uniones soldadas que hacen más dispendioso el montaje o el mantenimiento. La tubería necesaria para la instalación del sistema consta de: Cuadro 26. Tubería necesaria para la fabricación del sistema de rociadores Fuente: Elaboración propia.

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18. ELEMENTOS PRINCIPALES DEL SISTEMA CONTROL 18.1 VÁLVULA DE ALARMA Independiente al sistema de alarma que se instale con los detectores de humo, se hace necesario instalar una alarma que se active cuando el sistema de los rociadores entre en funcionamiento. La norma NFPA 72 determina que el tiempo máximo de activación es de 90segundos18, tiempo transcurrido entre la activación del flujo de uno o más rociadores y la activación de la señal sonora de la alarma. Las válvulas de alarma para el sistema hidráulico emiten una alarma sonora cuando hay flujo dentro de la tubería de alimentación del sistema. Estas válvulas poseen una configuración de montaje preferiblemente vertical y pueden trabajar a un máximo de 17 bares de presión, lo que las hace idóneas para el montaje en el almacén general de la empresa, pues se encuentra dentro del rango de trabajo. • Funcionamiento Cuando se está presurizando por primera vez el sistema la válvula permite el paso del agua hasta equilibrar las presiones a ambos lados (entrada y salida), una vez estabilizada la presión se pone en funcionamiento la válvula de alarma, es decir una vez armada la válvula de retención de alarma no hay flujo dentro del sistema de la válvula. Cuando hay flujo en el sistema gracias a la apertura de alguno de los rociadores o a la apertura de una de las mangueras de los gabinetes se abre la compuerta interna de la válvula y el agua puede entrar a la recamara y salir por la toma de alarma hacia la cámara de desagüe automática. Cuando el caudal procedente de la cámara de alarma es mayor que la descarga en la válvula de drenaje esta cámara se llena y se presuriza hasta el valor predeterminado por el usuario activando el motor hidráulico y/o el presóstato de alarma. Las alarmas continuarán encendidas hasta que la compuerta interna de la válvula se cierre.

18 NFPA 72 capítulo 1 apartado 1.5-4.1.2, 1996. p. 72-27.

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Esta configuración permite la no activación del sistema gracias a las pérdidas pequeñas del sistema en caso de una fuga hidráulica, en cuyo caso se activaría la bomba jockey para mantener la presión constante en el sistema. Figura 48. Funcionamiento de una válvula de alarma

Fuente: Tyco. Fire & building products. 18.2 VÁLVULA Y PRESÓSTATO DE SEGURIDAD Una de las principales características en un sistema contra incendios es que una vez haya entrado en funcionamiento el sistema la acción de la bomba principal solo se podrá detener manualmente, esto con el fin de que el personal de emergencias pueda dar fe de que el riesgo está controlado. Esta situación para sistemas con bombas que manejan grandes caudales a altas presiones puede generar daños en los equipos o peor aún en el personal que se encuentre en los alrededores cuando el caudal es cero y la presión es máxima.La instalación de válvulas reguladoras de presión y de presóstatos de activación se hace indispensable por las características anteriormente descritas. Una buena opción es usar una válvula de alivio de presión que integre en su carcaza el presóstato esto disminuye el tiempo de reacción de la válvula.

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Una vez el sistema de tuberías experimente una sobrepresión la válvula de alivio autónomamente permite la salida del fluido, decreciendo así la presión interna y protegiendo al sistema y los usuarios. Cuando la presión decae hasta el valor predeterminado la válvula se cierra automáticamente de una manera controlada para evitar una onda dentro de las tuberías de conducción. Figura 49. Esquema de una válvula de alivio para alta presión Fuente: SOTERMIC, ingeniería en vapor Automatización y control de fluidos. Agosto de 2017.

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19. DETECTORES DE HUMO Los detectores de humo son dispositivos electrónicos diseñados para censar el aire circundante en el ambiente. Cuando las partes por millón de algún gas sobrepasan un valor predeterminado en el set point del sensor, se activa una alarma sonora indicando que se está en presencia de un ambiente peligroso. Existen varios tipos de sensores de humo, los más usados son: - Fotoeléctricos • De haz de rayos proyectados • De haz de rayos reflejados - Iónicos • De partículas Alfa • De partículas Beta - De puente de resistencia - De análisis de muestra - Combinados - Taguchi con semiconductor. 19.1 CRITERIOS DE SELECCIÓN Para seleccionar correctamente un detector de humo se debe saber qué tipo de reacción generará la combustión del material que se está protegiendo y seleccionar el detector apropiado dependiendo de la clase de gas que censan. Para evitar falsas alarmas es conveniente utilizar sensores de gradiente y temperatura máxima, pues si existe la posibilidad de una activación porque en el lugar o lugares aledaños se realizan actividades con combustiones permanentes (por ejemplo hornos de fundición en el caso de Alumina), el sistema se activaría constantemente.

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Los detectores de humo iónicos son especialmente sensibles a los humos que contienen pequeñas partículas (de .01 a 0.4 micrones), son más sensitivos a la presencia de fuego de crecimiento rápido y humo no visible, tal como el que se genera en fuegos de combustión rápida provocados por: gasolina, alcohol, aceites, plásticos, líquidos químicos, etc. Por su parte los detectores fotoeléctricos son utilizados para detectar incendios de menor velocidad de propagación, que generan humo negro visible (con partículas de humo que van de los 0.4 a los 10 micrones), como los que se generan en incendio donde tenemos combustibles como: maderas, cuero, lana, y la mayoría de los polímeros19.

En este orden de ideas los detectores de humo fotoeléctricos son la mejor opción para utilizar en el almacén general de alúmina, puesto que el cartón, la madera y el papel generan partículas de detección rápida en el momento de la conflagración. Una muy buena alternativa son los detectores de humo inteligentes que combinan cuatro principios tecnológicos para una detección precisa y absoluta en caso de incendio. Las cuatro tecnologías que utiliza son: • Posee cámara fotoeléctrica para censar las partículas de humo presentes en el aire. • Monitorea partículas de CO2 en el ambiente presentes en un incendio, es decir que se activa en caso de que la conflagración no genere humo pero comienza a consumir y desplazar el oxígeno de la habitación. • Posee sensores infrarrojos que miden los niveles de luz ambiental determinando si hay o no llama. • Protección térmica por medio de sensores de temperatura.

19 Magazine digital Tecno Seguro. Edición digital viernes, 01 Julio de 2011.

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Figura 50. Detector de humo fotoeléctrico inteligente 2951J

Fuente: Grupo 123, soluciones electromecánicas, © 2015 Tienda online creada con PrestaShop™implementada por Galpa Services. 19.2 INSTALACIÓN DE LOS DETECTORES DE HUMO Aunque la disposición y cantidad de los detectores depende directamente del tipo que se haya seleccionado, existen algunas premisas que se deben cumplir para que la misión del sistema de detección sea un éxito. • Detectar un incendio en su fase incipiente • Minimizar al máximo las falsas alarmas Existen normativas donde se establece una distancia entre centros de los detectores de aproximadamente 9 metros, esta distancia es utópica pues se basa en la instalación del sistema en una zona libre de divisiones, obstáculos y con un cielo raso de altura homogénea en toda su área. Cuando se realiza el cálculo del área de cobertura de un detector con las anteriores descripciones se podría establecer un área de acción de cada detector hasta de 13 metros. En la práctica no es tan usual encontrar superficies con tan buenos rasgos que permitan la instalación sin modificaciones del sistema de detección, el caso de Alúmina no es la excepción. En este caso particular se tiene una uniformidad en la altura del cielo raso, sin embargo las paredes tienen vigas salientes que exigen una configuración diferente en la instalación de los detectores.

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La norma NFPA 72 establece la siguiente normativa para la instalación de los detectores de humo en su título 3-5.1.1, página 72.41.

Ningún detector podrá instalarse a menos de 0,30 Mts (1 pie) de distancia desde la intersección de cualquier pared lateral y el cielorraso y de instalarse sobre la pared lateral, será por debajo de los 0,30 mts por debajo del cielorraso. La distancia máxima medida desde cualquier pared hasta la primera línea de detectores no podrá exceder los 4,50 mts. Excepto si se trata de detectores de humo lineales en cuyo caso será de 7,50 mts. La distancia máxima entre dos detectores de humo , para una altura mínima de 3 mts., medidos entre el piso y el cielorraso, será siempre de 9,14 mts (30 pies), siempre que el cielorraso no tenga vigas descendentes que sobresalgan del cielorraso hacia abajo, de un tamaño mayor a 0,46 mts (1½ pie); para áreas de corte irregular, el espaciado entre detectores será mayor que el espaciado de lista, teniendo en cuenta que el espaciado máximo desde el detector hasta el punto más lejano de la pared lateral o esquina o dentro de su zona de protección no sea mayor que 0,7 veces el espaciado de lista20.

Figura 51. Medidas recomendadas para la instalación de detectores de humo en esquinas

Fuente: NFPA 72 A.17.6.3.1.3.1.

20NFPA 72 título 3-5.1.1 "Áreas irregulares”.

131

Figura 52. Medidas recomendadas para la instalación de detectores de humo puntuales

Fuente: NFPA 72 A.17.6.3.1.1. (a). Con las anteriores recomendaciones se puede establecer un número mínimo de detectores para cubrir el área total de la bodega y asegurar una detección adecuada. Siendo S= 9 mts. Y las medidas del área total de cobertura de 36 x 24 mts. Se determina que el número de detectores requerido es de12unidades por piso. 19.3 DISPOSITIVOS DE ACCIÓN MANUAL PARA ACTIVACIÓN DE LA ALARMA Cabe resaltar y no está por demás indicar que las estaciones manuales solo son instaladas para una activación manual en caso de la certeza de una conflagración, más la norma permite que se instalen estaciones de control del personal de seguridad física junto con las estaciones manuales para facilitar su monitoreo. En cuanto a su montaje se debe conservar una distancia mínima de 1,1 metros y máximo de 1,3 metros con respecto del suelo. Se deben instalar en un lugar donde sean fácilmente identificables y accesibles, por lo general en los pasillos o zonas de evacuación y la distancia máxima entre dos señales no debe superar los 61 metros lineales medidos en el mismo piso.

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Figura 53. Ejemplo de un tirador de alarma convencional Fuente: PRADA (preservación de vidas y patrimonio) pre ingeniería de sistemas contra incendios. Consultado en agosto de 2017. Dentro de la disposición de los elementos del almacén general es conveniente ubicar un punto de activación manual en cada piso contiguo a las escaleras para el ascenso al segundo piso, pues desde las escaleras se tiene una vista panorámica de cada piso y está cerca de la ruta de evacuación del almacén.

133

20. CONCLUSIONES o El tipo de riesgo del almacén se determinó por tres factores importantes: • La combustibilidad de los materiales, que para el caso del almacén comienzan ignición después delos 200°C. • La cantidad de la materia prima almacenada, en este lugar se guardan aproximadamente 150 toneladas de material combustible. • La liberación de calor del material combustible. En caso de una conflagración general del almacén se esperaría una liberación de calor de 10024,76 GJ Con esta información se determina bajo los parámetros de la norma NFPA 13 que el tipo de riesgo del almacén general es riesgo ordinario 2 (RO-2)

o La selección del agente extintor se realizó basado en la cantidad y el tipo de materia prima que se almacena en la bodega principal. Para solidos comunes como el papel, el cartón y la madera, que por ser sólidos comunes generan una conflagración tipo Aque se caracteriza por ser una conflagración que genera brazas. Para extinguir este tipo de fuego se utiliza generalmente agua pues esta no reacciona violentamente al ser aplicada. o El sistema de bombeo se calculó para proporcionar el caudal y la presión necesarias que alimenten el sistema de rociadores y las mangueras en los gabinetes cumpliendo con la normatividad existente. Esta capacidad nominal fue de 583 gpm a 100 psi, con esta información se seleccionó una bomba que cumpliera con estos requerimientos. Luego se tomaron caudales inferiores aleatorios y se calculó la cabeza hidráulica para cada uno y así poder trazar la curva del sistema de bombeo. Después se estableció mediante la gráfica trazada en qué punto se encuentra trabajando la bomba con el caudal y la carga establecidos y se encontró que la bomba sin ningún tipo de regulación estaría trabajando a 650 gpm y una cabeza hidráulica de 240 ft

134

o La distribución de los aspersores se llevó a cabo siguiendo dos aspectos importantes: • Los parámetros de diseño locativo (las recomendaciones de la norma NFPA 13). • la distribución y condiciones de apilamiento de los elementos del almacén. Esta distribución está encaminada a cubrir toda la superficie del almacén y evitar que hayan obstrucciones a la descarga de los rociadores o El sistema de rociadores cumple con el tiempo de funcionamiento requerido por la norma NFPA 13, donde establece que para un edificio que por su materia prima sea catalogado como riesgo ordinario 2, debe tener un tiempo de acción mínimo de 60 minutos. Para el almacén general se necesita un sistema que suministre 650 gpm durante 60 minutos, es decir un tanque de suministro de 147.3 metros cúbicos. o Los detectores de humo seleccionados para el almacén son de tipo fotoeléctrico, pues estos son especiales para detectar humos negros característicos de conflagraciones en maderas, papeles y polímeros. Tienen una capacidad sensitiva de partículas de 0.4 a 10 micrones, rango en el cual se encuentran las partículas emitidas en conflagraciones que generan brasa. o Las pérdidas de carga en las mangueras contra incendios son altas debido a que es un conducto flexible y se expande hasta un 7%, además el material en el que está fabricado presenta una fricción considerable comparada con mangueras no expandibles. Por cada 50 metros de manguera se tiene una pérdida de alrededor de 30 psi.

135

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138

ANEXOS Anexo A. Recomendaciones para la inspección, pruebas y mantenimiento del sistema de extinción Extintores portátiles. Los extintores portátiles requieren como mínimo una inspección mensual, pues para la mayoría, a excepción de los extintores de CO2 su contenido tiene una caducidad anual y requiere ser recargado. En la empresa Alumina se realiza una inspección los primeros 5 días de cada mes, en esta se reporta el estado de cada extintor y de sus alrededores incluyendo su fecha de recarga y de caducidad. A continuación se anexa una de las listas de chequeo utilizadas en la compañía. En el caso en el que el extintor sea descargado por algún motivo se debe llevar al cuartel de la brigada de emergencia y ser reemplazado por alguno de los equipos que existen como back up en ese lugar, en caso de no existir el equipo de reemplazo se debe ubicar en el sitio del extintor un letrero que indique que dicho equipo se encuentra en recarga. El procedimiento de inspección, despacho a recarga y recepción se encuentra contemplado en el plan de emergencias versión 2016-2018 de la compañía y se ilustra a continuación.

139

El brigadista dispone nuevamente el extintor en su lugar dependiendo de

su nomenclatura

El brigadista del área debe pesar los extintores para corroborar que han

sido cargados, ademas debe verificar los datos que se plaman en las

etiquetas cada vez que sale para recarga

El auxiliar genera la orden donde especifica el tipo de extintor, su

nomenclatura y su capacidad y se despachan al proveedor.

En el reporte se debe especificar el motivo por el cual el extintor se lleva

a recarga, bien sea por descarga o por vencimiento.

En las inspecciones de la brigada se detectan los extintores vencidos y

esporadicamente se encuentran los extintores que se han descargado en

el control de un conato.

Se pueden presentar dos situaciones, que el extintor este descargado o que su cumplio la fecha de vencimiento.

Extintor descargado o vencido

traslado al cuarto de la brigada

Reporte del motivo de la descarga

Auxiliar de SISO

Genera orden de salida y despacha al proveedor

Brigadista

Reemplaza extintor descargado con

extintores de la brigada de emergencias

Al ingresar los extintores a la compañia

nuevamente se realiza su taraje para verificar

contenido

Se disponen nuevamente en su respectivo lugar en

la compañia

Anexo B. Esquema de inspección, recarga y recepción de un extintor

Fuente: Manual de emergencias Alumina versión 01 año 2016-2018.

PROCEDIMIENTO RECARGA DE EXTINTORES

PROCESO SALUD OCUPACIONAL

VERSIÓN 01 FECHA 2017-03-02

140

Cuadro 27. Lista de chequeo para extintores

Fuente: Elaboración propia.

INSPECCIÓN DE EXTINTORES

PROCESO SALUD OCUPACIONAL VERSIÓN 01 FECHA 2017-03-02

Peso cilindro

# ExtintorAbolladuras o desgaste

Roscas dañadas

Soporte para

colgarFisuras

Corneta partida

Roscas ajustadas

Obstruida Rango Conexión CaratulaFecha de

cargaFecha de descarga

Estado de la

etiqueta

Peso de cilindro al

llegar123456789

101112131415

Cilindro Manguera Manometro Etiqueta

SHECK LIST EXTINTORES RECARGADOS

141

Sistemas de rociadores automáticos a base de agua

Los sistemas para rociadores automáticos basan su inspección en las recomendaciones de la norma NFPA 25 “inspección, prueba y mantenimiento de sistemas de protección contra incendios a base de agua”. Esta norma tiene como propósito establecer los requisitos mínimos requeridos en cada inspección y mantenimiento. A continuación se anexa la tabla donde se establecen las frecuencias con las que se recomienda realizar las inspecciones de los diferentes componentes del sistema. Cuadro 28. Resumen de inspección, prueba y mantenimiento de sistemas de extinción automáticos

Fuente: NFPA 25 inspección, prueba y mantenimiento de sistemas de protección contra incendios a base de agua tabla 5.1, página 25-15.

142

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Listas de chequeo

A continuación se muestran las listas de chequeo basadas en las recomendaciones dadas en la norma NFPA 25 para los rociadores y las bombas del sistema de extinción. Cuadro 29. Lista de chequeo para rociadores Fuente: Elaboración propia.

143

VERSIÓN

FECHA

1- CONDICION DEL SISTEMA DE BOMBAS: CUMPLE NO CUMPLE

*ESTADO DEL ACOPLE DE LA BOMBA *ESTADO DE LOS INDICADORES DE PRESION*ESTADO DE LA VALVULA PARA LIBERACION DE AIRE*VALVULAS DE SUCCION Y DESCARGA TOTALMENTE ABIERTAS*TUBERIA Y ACCESORIOS LIBRES DE FILTRACIONES

2- SISTEMA ELECTRICO

*INDICADOR PILOTO DE ENCENDIDO ILUMINADA*INDICADOR PILOTO DE ALARMA APAGADO*ESTADO DE CABLES Y TERMINALES

3- CONDICION DEL SISTEMA DE LAS MAQUINAS DIESEL:

*NIVEL DE COMBUSTIBLE CON MINIMO 2/3 DE LA CAPACIDAD TOTAL*SELECTOR DE FUNCION EN AUTOMATICO*LECTURA DE CORRIENTE Y VOLTAJE DE LAS BATERIAS NORMALES*BORNERAS DE LAS BATERIAS LIBRES DE CORROSION*NIVEL DE ACEITE DEL CARTER NORMAL*NIVEL DE AGUA DE ENFRIAMIENTO NORMAL

OBSERVACIONES:

INSPECCION DE LAS BOMBAS DEL SISTEMA DE EXTINCION DEL ALMACEN GENERAL

SALUD OCUPACIONAL 1

01/02/2018

REALIZO:FECHA DE INSPECCION:

PROCESO

Cuadro 30. Lista de chequeo de rociadores y elementos del cuarto de bombas

Fuente: Elaboración propia.

144

Cuadro 31. Resumen de inspección, prueba y mantenimiento de bombas de incendio

Fuente: NFPA 25 inspección, prueba y mantenimiento de sistemas de protección contra incendios a base de agua tabla 8.1, página 25-25.

Pruebas del sistema:

Una vez determinada la periodicidad y los puntos de inspección del sistema se deben establecer las pruebas con las que se le dará seguimiento al correcto funcionamiento de todo el sistema de rociadores, incluyendo las bombas, los rociadores y las mangueas.

La norma NFPA 25 establece pruebas semanales y anuales del sistema, donde la gran diferencia es que en las anuales las pruebas incluyen descarga de agua utilizando las mangueras contra incendios como válvulas de apertura y al mismo tiempo se evalúa la presión y el flujo de descarga.

Para las pruebas anuales se debe realizar la misma lista de chequeo adicionándole el registro de las presiones y flujo en cada una de las mangueras.

145

VERSIÓN

FECHA

1- PROCEDIMIENTO DEL SISTEMA DE LAS BOMBAS: CUMPLE NO CUMPLE

*REGISTRO DE LA LECTURA DE LOS MANOMETROS DE PRESION Y DESCARGA DE CADA BOMBA*ESTADO DE LOS EMPAQUES Y SELLOS DEL SISTEMA*RUIDO Y VIBRACION EN EL SISTEMA*PRESION INICIAL DE LA BOMBA*TEMPERATURA DE LA BOMBA

2- SISTEMA ELECTRICO

*RAMPA DE VELOCIDAD DEL MOTOR (REGISTRE EL TIEMPO MAXIMO)

*REGISTRO DEL TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA

3- CONDICION DEL SISTEMA DE LAS MAQUINAS DIESEL:

*REGISTRO DEL TIEMPO DE ARRANQUE DEL MOTOR*REGISTRO DEL TIEMPO DE VELOCIDAD TOTAL DEL MOTOR*REGISTRO DE PRESION DE ACEITE DEL MOTOR*REGISTRE LA VELOCIDAD DEL MOTOR*RUIDO VIBRACION Y TEMPERATURA*NIVEL DE AGUA DE ENFRIAMIENTO NORMAL

OBSERVACIONES:

PRUEBA SEMANALES DEL SISTEMA DE EXTINCION DEL ALMACEN GENERAL

SALUD OCUPACIONAL 1

01/02/2018

*REGISTRAR EL TIEMPO EN EL QUE EL REGULADOR ESTA EN EL PRIMER PASO (PARA ARRANQUE DE VOLTAJE O CORRIENTE REDUCIDA)

REALIZO:FECHA DE INSPECCION:

PROCESO

Cuadro 32. Lista de chequeo para las pruebas semanales del sistema de rociadores

Fuente: Elaboración propia.

146

Mantenimiento del sistema

Para generar el mantenimiento del sistema la norma NFPA 25 establece los puntos y las frecuencias de intervención, especificando las actividades y las tareas a realizar. Por parte de la empresa, directamente de la división de mantenimiento, está la responsabilidad de incluir todo el sistema con sus actividades, tareas y frecuencias al sistema de mantenimiento preventivo que maneja la compañía. A continuación se anexa el cuadro resumen para el mantenimiento del sistema contra incendios. Cuadro 33. Resumen de inspección prueba y mantenimiento de bombas de incendio

147

Cuadro 33. (Continuación).

Fuente: NFPA 25 inspección, prueba y mantenimiento de sistemas de protección contra incendios a base de agua tabla 8.5.3, página 25-28.

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Anexo C. Tipos de agente extintor

Espuma: los agentes de espuma son utilizados comúnmente para combatir conflagraciones de líquidos inflamables, pues su aplicación separa el combustible del oxígeno presente en la atmósfera y el fuego se extingue por sofocación. Al compararla con el agua la espuma es más eficiente si el líquido en combustión es de una densidad inferior a la del agua pues este flotaría sobre ella cuando se realice la aplicación y en el caso de sustancias reactivas como por ejemplo el aceite causaría una aceleración de la combustión haciendo más rápida la propagación del incendio. Otra aplicación importante de agentes de espuma es para líquidos o sólidos ardiendo en espacios de difícil acceso, como un cuarto en un sótano y la cisterna de un barco. La espuma se usa para inundar completamente el compartimiento.

Polvo químico seco: el polvo químico seco es ideal para combatir conflagraciones de materiales eléctricos que aun tengan carga, mas su aplicación tiene una desventaja muy fuerte y es la corrosión de los equipos. Las partículas del polvo químico utilizado tienen un tamaño aproximado de 10 a 75 micrones y son lanzados al exterior por un gas inerte.

Gases inertes: los gases inertes trabajan para extinguir el fuego por dilución, es decir que al proyectarse el gas en una cantidad suficiente la concentración del oxígeno presente disminuye por debajo de la concentración mínima necesaria para que haya una reacción en cadena y se genere la óxido reducción. El dióxido de carbono es el gas más comúnmente utilizado, pero se podrían usar gases como el argón, el helio, el neón, pero su aplicación es excesivamente costosa. Estos gases también actúan desplazando el oxígeno de la atmosfera presente para detener la reacción en cadena de la combustión.

Agentes halogenados: aunque estas sustancias son relativamente nuevas en el mercado de los agentes de supresión ya se encuentran en discontinuidad por el uso de agentes clorofluorocarbonos y por ende su relación con la destrucción de la capa de ozono ha hecho que se consideren nuevas propuestas para el control de incendios. Los agentes halogenados tienen la misma aplicación que los agentes con gases inertes.

149

Extinción con agua

El agua es el agente extintor por excelencia, más que por su fácil disposición y bajo costo, por sus características que hacen que su uso en el combate de incendios sea eficaz y seguro para las personas. A continuación se ilustran las características físicas y químicas que hacen que el agua sea el agente extintor por excelencia [fragmento extraído de RIPEL SAS Vehículos de extinción de incendios y rescate, Ripel 2012. Todos los derechos reservados. Última actualización Enero 2012 http://www.ripel.com/preguntas.html]

A la presión atmosférica normal el agua hierve a 100° C. A esta temperatura un litro de agua se convierte en 1,7 metros cúbicos de vapor. El agua tiene una gran capacidad calorífica o volumen de calor. A 100° C un litro de agua tiene la capacidad de absorción de 2170 kJ de calor. Es una habilidad única del agua que grandes cantidades de energía son necesarias para el proceso de evaporación. De esta manera el agua es especialmente adecuada como agente extintor / enfriador de fuegos. Con el equipo correcto y la utilización adecuada el agua puede absorber más calor del fuego que cualquier otro agente extintor. El calentamiento de un litro de agua desde +20° C hasta el punto de ebullición a 100° C toma 250 kJ de energía por un periodo de tiempo. Si se continúa calentando toda el agua, después de determinado tiempo, se va a evaporar. El proceso requiere 2170 kJ por litro. El método más eficiente para extinción de fuego utilizando agua es descargarla de tal manera que el proceso de evaporación sea tan rápido como sea posible. Entre más grande sea la superficie enfriada más rápido será el proceso de evaporación, la absorción del calor y la extinción del fuego. Si una gota de agua con el radio de un milímetro es dividida en gotas de 0.01 mm de radio, la superficie total de enfriado crecerá de 6 m² a 600 m² y el número de gotas será de 1,9 trillón de gotas. Con esta información podemos concluir o asumir que el método más eficiente para la extinción de fuego es usar gotas lo más pequeñas posible. De todas maneras entre más pequeñas sean las gotas es más difícil llevarlas hasta el fuego. La resistencia al aire, viento y ventilación convierten el transporte en una tarea difícil. Cuando el agua se dispersa en pequeñas gotas con una gran superficie de enfriado y transportada al núcleo del fuego en un corto periodo de tiempo con alta energía cinética, el proceso de extinción de fuego será más eficiente. El problema es entonces, el método de transporte y la capacidad para penetrar la barrera de presión alrededor del fuego.

150

Los sistemas tradicionales producen relativamente grandes gotas de agua con pequeñas superficies de enfriado. En la práctica sólo un pequeño porcentaje del agua es evaporada y usada para la extinción. Por esta razón se necesitan grandes cantidades de agua para exceder el valor crítico. Si incrementamos la presión del agente extintor de forma tal que las gotas de agua tengan únicamente la mitad del diámetro anterior, el consumo del agente extintor y los tiempos de extinción serán reducidos así mismo a la mitad o incluso a tasas menores. Para conseguir esto se deben considerar las siguientes características: Las gotitas de agua deben abandonar la boquilla a alta velocidad y deben tener largo alcance, al mismo tiempo asegurar que las gotitas penetren profundamente en las llamas. Una vez que las gotitas están en las llamas su velocidad debe reducirse para evitar que pasen sobre el fuego hacia el otro lado. De ser posible deben evaporarse completamente. Solamente de esta forma podrán refrigerar el fuego o sofocarlo21.

21RIPEL SAS Vehículos de extinción de incendios y rescate, Ripel 2012. Todos los derechos reservados. Última actualización Enero 2012 http://www.ripel.com/preguntas.html

151

Anexo D. Aplicación de los agentes extintores Existen diferentes formas de aplicar el agente extintor seleccionado, estas difieren entre sí en el tiempo de reacción, su efectividad de extinción y el costo de la instalación. Entre las más comunes se encuentran: Equipos de extinción manual:

Se refiere directamente al uso de los equipos extintores portatiles, estos equipos estan dispuestos en el área para que sean utllizados por cualquier persona que posea una capacitacion minima sobre extinción con equipos manuales. Este método de extinción esta sujeto a varias limitantes, como por ejemplo: el tiempo de respuesta radica en la prontitud del personal en la detección del fuego, el número de personas y de equipos presentes sea suficiente para la supresión del fuego, la accesibilidad a la zona en conflagración debe ser adecuada y segura para el personal respondiente. Figura 54. Equipos de extinción manual

Fuente: BRICEÑO, Alexander [en línea]. En: blogalexbric/prevencion-de-incendios-12010582

152

Sistemas fijos sin agente extintor propio: Este tipo de sistemas poseen una red de distribución ya instalada en el área y está dispuesta para una cobertura total. La instalación y la aplicación del agente extintor se hace de una manera manual cuando se ha recibido un aviso de que en el área de cobertura se esta presentando una conflagración. Este tipo de sistema posee una efectividad mayor que el anteriormente nombrado, pues las boquillas de aplicación estan uniformemente distribuidas proporcionando una mejor accesibilidad a la zona del incendio y disminuyendo el riesgo del personal operativo, pero su efectividad depende aun del tiempo de detección y respuesta del personal a cargo hasta que sea instalado y descragado el agente extintor.

Figura 55. Equipos sin agente extintor propio

Fuente: LEIVA AGUILERA, Pablo, Escuela técnica superior. Estudio técnico de instalaciones de protección contra incendios. Proyecto fin de carrera ingeniería técnica industrial. España, 2010. Sistemas fijos automáticos: Consiste en una configuración más avanzada para la supresión de incendios, en primer lugar la detección esta a cargo de un sistema de alarma, bien sea por detección de humos o por incremento en la temperatura. La aplicación del agente extintor es automática después de recibirse la señal de los detectores y el ataque al incendio se puede lograr de manera inmediata gracias a la distribucion de las boquillas de descarga en el área de interés. Comparado con los demás sistemas de aplicación de agente extintor este sistema es el más efectivo en cuanto a velocidad de respuesta, efectividad en la aplicación y seguridad para el personal respondiente a la emergencia, pero por otra parte también es el que más gastos requiere en su instalación.

153

Figura 56. Sistemas fijos automáticos

Fuente: Interfuego seguridad, Blog 2013. Consultado en agosto de 2017

154

Anexo E.Conexión para mangueras de bomberos La norma NFPA 13 en su apartado 4-13.21 establece que cualquier edificación que este protegida con un sistema de rociadores automáticos de tipo tubería mojada, deben tener en su tubería vertical de alimentación válvulas para la conexión al sistema por parte del cuerpo de bomberos. Estas conexiones deben cumplir con las siguientes características para ser aprobadas en la norma:

• Las conexiones deben ser de un diámetro mayor o igual a 2 12� pulgadas (64

mm) • El sistema de rociadores debe tener válvulas separadoras del sistema de conexión de bomberos • La altura de la conexion no debe superar la altura máxima de 1,2 mts medidos desde el piso.

Figura 57. Válvulas siamesas para conexión externa del cuerpo de bomberos

Fuente: forsahidrantes, blog diciembre de 2012, página 1. Consultado en agosto de 2017

155

Figura 58. Esquema de válvulas siamesas para conexión externa del cuerpo de bomberos

Fuente: forsahidrantes, blog diciembre de 2012, página 2. Cuadro 34.Esquema y dimensiones para selección de válvulas siamesas para conexión externa del cuerpo de bomberos

Fuente: forsahidrantes, blog diciembre de 2012, página 2. Consultado en agosto de 2017

156

Anexo F. Planos Figura 59. Ubicación de los extintores en el primer piso del almacén Fuente: Elaboración propia.

157

Figura 60. Ubicación de los extintores en el segundo piso del almacén Fuente: Elaboración propia.