ARTÍCULO ORIGINAL

Balance energético en pulverizadores agrícolas

0000-0002-9404-6039Dr.C Mario Ignacio Herrera-Prat^{I  *}  , MSc. Héctor de las Cuevas-Milán^II  , MSc. Miguel Pelayo García-Fernández^I  , Ing. Raúl Ernesto Torres-Fuentes^I 

^IMinisterio de Educación Superior (MES), Plaza de La Revolución, La Habana, Cuba.

^IIUniversidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

RESUMEN

La mayoría de los pulverizadores utilizados en frutales son del tipo de chorro transportado, los cuales utilizan un flujo de aire producido por un ventilador para trasladar la gota de plaguicida al árbol. En el balance energético de los pulverizadores agrícolas asistidos por corriente de aire, se plantea que entre el 50 y el 65% de la potencia en estos equipos la utiliza el ventilador que produce el flujo de aire. Los pulverizadores con corriente de aire producen gran contaminación por altos niveles de deriva. Utilizando la Modelación de Fluidos en por Computadora (CFD) se analiza la aerodinámica del flujo de aire en función de los parámetros geométricos y cinemáticos del ventilador, lo que permite determinar el flujo de aire con mejores características. En los regímenes seleccionados se evalúan la calidad del cubrimiento de la planta, mediante métodos de tratamiento de imagen. En este caso se logra un régimen de trabajo que disminuye la cantidad de potencia requerida, manteniendo la calidad del tratamiento.

Palabras-clave: pulverizadores; corriente de aire; dinámica de los fluidos computacional

INTRODUCCIÓN

En el balance energético de los pulverizadores agrícolas asistidos por corriente de aire, se plantea que entre el 50 y el 65% de la potencia en estos equipos la utiliza en mover el ventilador que produce el flujo de aire. En el trabajo se realiza un balance de potencia del pulverizador TYME 2091, considerando la potencia en el tiro, la bomba de líquido y la potencia necesaria en el ventilador. Por otro lado, la aerodinámica del flujo de aire de los ventiladores en los pulverizadores agrícolas es fundamental para lograr una cobertura eficiente del árbol. La magnitud del caudal y velocidad del aire del ventilador son parámetros que deciden en el traslado de la gota de plaguicida hacia el árbol, debido a que influye en su velocidad, dirección y tamaño de la misma, así lo corrobora ^{Delele et al. (2005)}, cuando expresa que la velocidad del aire generada por los pulverizadores asistidos por corriente de aire determina el destino de las gotas de pesticida. Por otro lado trabajos de ^{Herrera et al. (2004)}, han relacionado los parámetros del ventilador con la calidad de la aspersión, por lo que el conocimiento de estos permitirán una explotación adecuada del pulverizador. Los parámetros del ventilador están muy ligados al consumo de potencia de este y a su vez deciden en la calidad de la aspersión, por lo que el estudio de la aerodinámica del flujo de aire es importante para lograr un bajo consumo energético y mantener la calidad del tratamiento. Los investigadores en los últimos años han desarrollado modelos en la dinámica de fluidos computacional (CFD), buscando una manera de resolver este problema con más agilidad y menos recursos para la experimentación. El trabajo con CFD se ha complementando con ensayos experimentales de campo de ^{Walklate et al. (1996)}; ^{Xu et al. (1998)}; ^{Herrera et al. (2004)}; ^{Delele et al. (2007)}. Estudios más recientes en CFD con resultados validados de una manera controlada fueron realizados por ^{Tsay et al. (2004)}; ^{Han et al. (2014)}. En este trabajo se analizará mediante el uso de la simulación por computadora (CFD), el efecto de la variación de la velocidad del aire a la de salida del ventilador en la aerodinámica del flujo de aire durante el proceso de trabajo del pulverizador y como variables respuestas se analizará la desviación y alcance del flujo de aire a través de la interpretación de los gráficos de velocidad resultados de la modelación. Se complementan estos resultados con el control de la calidad de la aspersión en las variables estudiadas. Las evaluaciones de la calidad se realizan en el campo utilizando tarjetas hidrosensibles, en estas se mide el área cubierta utilizando el programa Imagej de tratamiento de imagen. Se llega a conclusiones acerca de la relación de los parámetros del ventilador, la aerodinámica del flujo de aire y la calidad de la aspersión, permitiendo seleccionar el régimen de trabajo con menor consumo de potencia.

MATERIALES Y METODOS

El modelo para el estudio está basado en los parámetros del ventilador del pulverizador TEYME 2091, el cual posee un ventilador axial con salida radial modelo “PVS-900” de 900 mm de diámetro. Se evaluarán velocidades de salida del ventilador de 18, 22 y 27 m/s, manteniendo el ancho de salida del difusor del ventilador y considerando el pulverizador con velocidad de traslación de 2,18 km/h. En la Figura 1 se muestra el pulverizador utilizado como referencia para la modelación.

FIGURA 1 Pulverizador utilizado como maqueta experimental. 

En la Tabla 1 se muestran los parámetros del ventilador, velocidad del aire a la salida, caudal del aire y potencia consumida, en las variantes a evaluar con la velocidad de movimiento del pulverizador de 2,18 km/h. Los datos de los parámetros del ventilador, son tomados de los datos aportados por el fabricante.

Parámetros del ventilador	Velocidad del aire m/s	Caudal de aire m^3/h	Potencia en; kW
V-1	18	46 789	9,75
V-2	22	56 959	18,04
V-3	27	69 095	31,05

Balance energético

El balance energético se realiza a partir del consumo de potencia del pulverizador, el consumo de potencia en el tiro, la potencia consumida por la bomba para mover el líquido a las boquillas donde se produce la gota y el consumo de potencia del ventilador el cual produce la corriente de aire para el traslado de las gotas hacia el árbol.

Consumo de potencia en el tiro

Determinación de la fuerza de tiro, N.

$R_m=f\bullet G$

donde:

G	- peso del pulverizador, kN;
f	- coeficiente de resistencia a la rodadura.

Potencia consumida en el tiro, kW.

$N_m=R_m\bullet v_{tr}$

donde:

v tr	-velocidad de traslación, m/s.

Potencia hidráulica consumida por la bomba, kW.

$N_{hid}=Q_R\bullet p_R$

donde:

Q R	-caudal o gasto de la bomba, m^3/s;
p R	- presión que soporta la bomba, N/m^2.

Potencia de la bomba, kW.

$N_{bomba}=\frac{N_{hid}}{{\eta }_{total}}$

donde:

η total

-eficiencia total.

Para el análisis del balance energético se confeccionará un diagrama de Pareto, para comparar los consumos de potencia en el pulverizador agrícola.

Modelación de la corriente de aire

El análisis de modelación computacional se realizó empleando el programa ANSYS 16.0, esta basa su análisis numérico en la solución de las ecuaciones de momento y de continuidad que se aplican en la dinámica del flujo de aire. En la Figura 2 se muestra el dominio computacional donde se mueve el fluido para la modelación en CFD, en este elemento se muestra el enmallado que define 489 nodos y 443 elementos para el desarrollo de las ecuaciones de Navier-Stokes. En la modelación las propiedades del aire como fluido fueron densidad de 1,225 kg/m³ y viscosidad de 1,7894 x 10^-5 kg/m.s. Como variables respuestas se analizará la desviación y alcance del flujo de aire a través de la interpretación de los gráficos de distribución de velocidad.

FIGURA 2 Dominio computacional para el modelado de la corriente de aire del ventilador. 

Medición de la calidad de la aspersión

La forma de cuantificar la calidad de la aspersión es evaluando la cobertura del árbol por las gotas de plaguicida, además de determinar el tamaño y número de gotas. Actualmente existen disponibles diferentes tecnologías en el análisis de imágenes que pueden determinar el porciento de cobertura de forma segura. Se toman muestras del depósito del plaguicida en el árbol con tarjetas hidrosensibles, las mismas son colocadas en la planta por el haz y el envés de las hojas en diferentes posiciones. La evaluación fue hecha en plantaciones de cítricos del Plan Jagüey Grande manteniendo condiciones similares para las tres variantes estudiadas. En el análisis de las tarjetas hidrosensibles para medir el cubrimiento se utilizó el programa de tratamiento de imagen Imagej.

RESULTADOS

Resultados del cálculo del consumo de potencia

En el cálculo teórico de la potencia de tiro (N_tiro), se tomó de las especificaciones técnicas del pulverizador la masa llena del mismo 3 405 kg y se seleccionó un coeficiente de rodadura de f=0,05. En el cálculo teórico de la (N _bomba) se seleccionó como régimen de trabajo de la misma, un caudal de 70 L/min, una presión de 20 bar y una eficiencia de η_total =0,82

En la Tabla 2 se muestran los resultados de la potencia consumida en el pulverizador, en el tiro, en la bomba y el ventilador para los diferentes regímenes de trabajo.

TABLA. 2 Resultados de la potencia consumida por el pulverizador 

Parámetros del ventilador	Ntiro en; kW	Nbomba en; kW	Nventilador en; kW
V-1	1,012	2,84	9,75
V-2	1,012	2,84	18,04
V-3	1,012	2,84	31,05

En la Figura 3, 4 y 5 se muestran los resultados de la tabla en diagramas de Pareto. En la misma se observa que en el balance de potencia del pulverizador agrícola estudiado TYME 2109, la potencia consumida por el ventilador para producir la corriente de aire ocupa el 71.7, 82.4 y 89 % del total, para las variantes V-1, V-2 y V-3 respectivamente. El mayor consumo lo tiene el ventilador, por lo que en el análisis para obtener mejores índices de desempeño energético en el pulverizador hay que centrar el trabajo en los parámetros del ventilador para logra un balance energético racional.

FIGURA 3 Estructura de consumo de potencia en el pulverizador en la variante 1. 

FIGURA 4 Estructura de consumo de potencia en el pulverizador en la variante 2. 

FIGURA 5 Estructura de consumo de potencia en el pulverizador en la variante 3. 

Resultados de la modelación de la corriente de aire

En los resultados se analizan los gráficos de flujo obtenidos en la modelación por CFD para las tres velocidades de salida del aire estudiadas, y velocidad de traslación del pulverizador de 2.18 km/h. En general para todas las variantes simuladas de velocidad de salida y de traslación del pulverizador en los gráficos del flujo, se definen las distintas regiones de la corriente descritas por ^{Abramovich et al. (1984)} para los flujos libre turbulento, formada un núcleo central de máxima velocidad que se desgasta a medida que se aleja del origen de la corriente (color rojo), a este le acompañan zonas de transición con valores de velocidad menores que a medida que aumenta la distancia a la salida disminuyen y de la línea central del flujo hacia los laterales como lo describió (^{Schliting, 1972}).

En la figura 6 se muestran los resultados de la corriente de aire para velocidades del aire a la salida del ventilador de 18, 22 y 27 m/s, en este caso en la simulación se considera que el pulverizador se mueve a una velocidad de 2.18 km/h en su proceso de trabajo, por lo que el flujo de aire se ve sometido a la acción perpendicular de esta velocidad.

FIGURA 6 Simulación del flujo de aire con velocidad de traslación del pulverizador de 2.18 km/h para velocidades de salida del ventilador de 18, 22 y 27 m/s. 

Como se observa en la Figura 6, el núcleo central del flujo representado con color rojo desaparece a los 0,06 m de distancia del origen en todas las variantes estudiadas. En la zona transitoria del flujo de aire para las tres velocidades estudiadas, la línea de máxima velocidad presenta una desviación de 0.15 m con respecto al eje geométrico del dominio computacional y en dirección contraria al movimiento del pulverizador. A la distancia de 3.5 m de la salida del ventilador la diferencia entre las velocidades en el flujo de aire entre la V-1 y la V-2 es de 0.63 m/s, en este caso la diferencia a la salida del ventilador es de 4 m/s; este mismo analisis para las V-2 y V-3, a 3.5 m de distancia de la salida la diferencia es de 0.51 m/s y a la salida es de 5 m/s, lo que demuestra mayores pérdidas en el flujo con mayores velocidades al inicio. Análisis similares se tienen en trabajos de ^{Endalew et al. (2010)}.

Esto indica que para la velocidad de traslación del pulverizador de 2,18 km/h se puede valorar utilizar velocidades de salida menores por la similitud en la estructura de la corriente, esto da la posibilidad de trabajar con un régimen de consumo de potencia menor del ventilador y así obtener índices de desempeño energéticos más racionales.

Resultados de calidad de la aspersión.

En la Tabla 3 se tienen los resultados de cobertura de la planta con plaguicida para las tres variantes estudiadas. Se observa que los mejores resultados se obtienen para la variante V-2, con una cobertura de 90,2 % por el haz de la hoja y 85,2 % por el envés de la hoja, aunque en las otras variantes los valores no son bajos, pero si difieren en el envés de la hoja.

TABLA 3 Resultados del análisis de calidad de la aspersión 

Efectividad del cubrimiento del árbol por las gotas de plaguicida en % en la velocidad del pulverizador a 2,18 km/h
Velocidad a la salida del ventilador	18 m/s	22 m/s	27 m/s
Haz de la hoja	86,4	90,2	80,8
Envés de la hoja	79,3	85,2	68,2

Este resultado de la calidad de la aspersión está estrechamiento relacionado con los parámetros del ventilador. Los resultados más bajos en el cubrimiento del árbol se obtienen en la variante V-3, asociado a la mayor velocidad de salida del aire (27 m/s) y el mayor caudal de aire 69 095 m³/h. En el caso de la mayor velocidad de salida del aire del ventilador, la corriente de aire logra el mayor alcance como se observa en la figura 6, pero los resultados en la calidad de la aspersión son más bajos; resultados similares a estos obtuvo ^{Randall (1971)}, cuando determino mejores resultados en el cubrimiento del árbol para mayor caudal de aire con menor velocidad del aire. Este resultado se debe a que una mayor velocidad en el flujo del pulverizador trae como consecuencia, que se produzca el efecto pantalla en el follaje no dejando penetrar el líquido plaguicida al interior del árbol o que la alta velocidad al transportar la gota alcance valores de energía cinética tal que no le permita depositarse en el follaje y así se tenga un menor cubrimiento del árbol.

Los resultados demuestran que al seleccionar un régimen de trabajo del pulverizador se deben tener en cuenta la velocidad y caudal de salida del ventilador y la velocidad de traslación del pulverizador. El ventilador como mayor consumidor de potencia en el pulverizador agrícola se debe lograr un régimen racional de trabajo y así obtener mejores índices de desempeño energético.

En los resultados de cubrimiento del árbol, los mejores resultados corresponden a la variante V-2 con un régimen de trabajo del ventilador de un caudal de aire de 56 959 m³/h y una velocidad de salida de salida del aire de 22 m/s. Si se analiza el consumo de potencia de la variante V-2 con respecto a la variante V-3, se tiene es posible disminuir la potencia consumida por el ventilador en 13 kW.

CONCLUSIONES

• El ventilador resulta el mayor consumidor de potencia con un rango de 71 al 89 % del total del pulverizador, lo que indica que para lograr mejorar el índice de desempeño energético de estos equipos, se debe trabajar en obtener los parámetros de trabajo más racionales de este.

• En la modelación del flujo por CDF, se demostró mayores pérdidas en el flujo de aire del ventilador con mayores velocidades de salida del aire del ventilador en las variantes estudiadas.

• Los mejores resultados en el cubrimiento del árbol se obtuvieron en la variante V-2, con una velocidad de salida del aire del ventilador de 22 m/s y un caudal de aire de 56 959 m³/h, lo que indica mejores características aerodinámicas en el alcance y geometría en la corriente aire.

• En el régimen de trabajo del pulverizador de la variante V-2 es posible disminuir el consumo de potencia del ventilador en 13 kW y así lograr un mejor índice desempeño energético del pulverizador.

REFERENCES

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Recibido: 01 de Julio de 2020; Aprobado: 01 de Marzo de 2021

^*Author for correspondence: Mario Ignacio Herrera-Prat, e-mail: [e-mail]