Investigación experimental sobre la morfología del rociado en boquillas espirales de doble paso

Por qué importan los grandes rociados de agua

Cuando un almacén o una planta industrial se incendia, se necesita entregar gran cantidad de agua con rapidez y distribuirla donde sea más eficaz. Las boquillas especiales montadas en sistemas de diluvio hacen precisamente eso, transformando agua presurizada en amplios mantos de pulverización. Sin embargo, para un diseño común —la boquilla espiral— los ingenieros disponen de sorprendentemente pocos datos detallados sobre cómo se forman sus rociados y cómo cambian con el aumento de la presión. Este estudio realiza un examen experimental detallado de una boquilla espiral de doble paso para revelar cuánto agua entrega y cómo evoluciona la forma de su pulverización, con relevancia directa para la lucha contra incendios, la refrigeración y otros usos industriales.

Una mirada más cercana a una herramienta metálica retorcida

Las boquillas espirales son accesorios metálicos compactos de una sola pieza cuyo extremo tiene forma de hélice. Al pasar el agua por la espiral, ésta se fragmenta en conos de gotas en lugar de formar un chorro sólido. Estas boquillas pueden manejar caudales muy altos —hasta miles de litros por minuto— y resisten la obstrucción, lo cual es crucial cuando se emplea agua dura o sucia. Ya se utilizan en la limpieza de gases de combustión, el secado por pulverización, columnas de destilación y, especialmente, en sistemas de diluvio para supresión de incendios, donde debe liberarse una gran cantidad de agua en segundos. A pesar de este uso extendido, la mayoría de estudios anteriores midieron sólo el cono exterior visible, dejando las estructuras internas y las relaciones detalladas presión-caudal en gran medida sin explorar.

Sondeando la estructura oculta del rociado

Los investigadores se centraron en una boquilla espiral con dos pasos de espiral, lo que significa que puede formar varias pulverizaciones de forma natural al mismo tiempo. Con una disposición experimental cuidadosamente controlada, hicieron pasar agua por la boquilla con presiones de entrada de 0,2 a 3,4 bar y midieron cuánto agua salía y cuán ancho se volvía cada cono de pulverización. Una luz LED de fondo potente y una cámara digital de alta calidad captaron las formas del rociado sobre un fondo oscuro. Las imágenes se procesaron con técnicas de detección de bordes para localizar los límites del rociado y calcular los ángulos de cono de un rociado exterior (llamado Rociado 1) y un rociado interior (Rociado 2). La tasa de flujo másico se determinó pesando el agua recogida en el tiempo, prestando atención a la incertidumbre de la medida y a la reproducibilidad.

Tres etapas al aumentar la presión

El comportamiento de la boquilla se organizó naturalmente en tres regímenes. A presiones muy bajas (alrededor de 0,2 bar), el agua simplemente goteaba en gotas grandes y burdas —apenas un rociado. Entre 0,2 y 1 bar el caudal aumentó lentamente y se convirtió en un chorro continuo más que en una neblina. Alrededor de 1,3 bar el chorro entró en una etapa de transición justo antes de la atomización verdadera. Cuando la presión de entrada alcanzó aproximadamente 1,6 bar apareció el patrón característico: surgieron dos pulverizaciones distintas, un cono exterior y un cono interior más estrecho. A medida que la presión subió de 1,6 a 3 bar, la tasa de flujo másico total se incrementó en más de un factor de diez. Más allá de 3 bar, sin embargo, el aumento del caudal comenzó a nivelarse, lo que indica que la boquilla se acercaba a un punto de saturación hidráulica fijado por su geometría interna.

Dos pulverizaciones, dos comportamientos muy distintos

La estructura de doble pulverización mostró una personalidad marcada por la división. El cono de pulverización exterior, Rociado 1, reaccionó fuertemente a la presión: su ángulo creció de alrededor de 64 grados a 1,6 bar hasta aproximadamente 121 grados a 3,4 bar, ampliando considerablemente la zona humedecida. En contraste, el rociado interior, Rociado 2, se mantuvo notablemente estable en torno a 30 grados en el mismo rango de presiones, cambiando sólo ligeramente. En las presiones más altas también aparecieron pulverizaciones secundarias tenues cerca de las principales, y los bordes de todas las pulverizaciones se volvieron más “polvorientos”, reflejando una nube de gotas más finas que hacía los límites más difíciles de definir. Ambos rociados mostraron signos de saturación angular por encima de 3 bar, donde aumentos adicionales de presión produjeron pocos cambios, subrayando de nuevo el papel limitante de las dimensiones de la boquilla.

Qué significa esto para sistemas del mundo real

Para no especialistas, la conclusión es directa: la forma en que una boquilla espiral distribuye el agua depende fuertemente de la presión hasta cierto punto, y luego queda limitada por su forma. A presiones modestas, la boquilla apenas pulveriza; a presiones de operación típicas para la supresión de incendios, se abre repentinamente en dos conos distintos, con el cono exterior ensanchándose de forma dramática al aumentar la presión, mientras que el interior permanece estrecho y estable. Finalmente, tanto el caudal como los ángulos de los conos dejan de responder significativamente a más presión. Estas medidas precisas proporcionan a los ingenieros cifras fiables para diseñar sistemas de supresión de incendios y de refrigeración más seguros y sirven como una comprobación esencial para las simulaciones por ordenador que intentan predecir el comportamiento de tales boquillas en condiciones exigentes.

Cita: Khani Aminjan, K., Strasser, W., Marami Milani, S. et al. Experimental investigation on spray morphology in dual pitch spiral nozzle. Sci Rep 16, 8577 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39550-z

Palabras clave: boquilla espiral, morfología del rociado, extinción de incendios, atomización, ángulo del cono de pulverización