Universidad Técnica Federico Santa María Asignatura: Máquinas y Sistemas Hidráulicos Departamento de Obras Civiles TAREA Nº3 Integrantes: MatthiasBreytmann (2504082-1) Osvaldo Carrasco (2511049-8) Valentina Vásquez (2504023-6) Profesor: Ludwig StowhasB. Ayudantes: Juan Pablo Andrade Raúl Flores Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM Contenido 1. Introducción ................................................................................................................................ 3 2. Objetivos ..................................................................................................................................... 4 3. Descripción del problema ........................................................................................................... 5 4. Desarrollo .................................................................................................................................. 10 5. 4.1. Diámetro tuberías laterales .............................................................................................. 13 4.2. Programación del riego ..................................................................................................... 16 Cubicación de materiales .......................................................................................................... 16 5.1. Tuberías Laterales ............................................................................................................. 16 5.2. Tubería Sub Matriz ............................................................................................................ 16 5.3. Aspersores ......................................................................................................................... 16 5.4. Codos ................................................................................................................................. 16 5.5. Tees ................................................................................................................................... 17 6. Esquema .................................................................................................................................... 18 7. Conclusiones.............................................................................................................................. 19 2 Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM 1. Introducción Uno de los principales objetivos de la industria agrícola en la actualidad, es mejorar la tecnología que se aplica para el cultivo y el riego, con el propósito de poder utilizar los recursos que se presentan en forma más eficiente y con menos costos. Como respuesta a este avance en la industria es que se han creado diversos métodos para aumentar la eficiencia del riego, dependiendo de tolos los parámetros que afectan principalmente el regado de los cultivos. Además permite suministrar con exactitud el agua necesaria según las especies que se deban regar y fertilizar, y aplicar todo tipo de productos fitosanitarios sin necesidad de modificar el procedimiento ni forma de este sistema. En la presente tarea se diseñará un sistema de riego tecnificado llamado nido de abejas, el cual presentará múltiples beneficios en comparación con las técnicas tradicionales. Para ello se analizará de acuerdo al tipo de clima, suelo y cultivo, el diseño óptimo, considerando un sistema de aspersores y señalando su disposición dentro del terreno a regar. Para ello, se utiliza el riego por aspersión que es considerado el método más perfecto en cuanto a la simulación de las precipitaciones. Además presenta una gran ventaja ante el resto: se puede controlar el tiempo y la intensidad con que se quiere aplicar el riego. Actualmente se cuenta con una gran variedad de aspersores los cuales han sido diseñados para funcionar a distintas distancias, presiones y tamaños, proporcionando variadas características de flujo y distribución del agua. De esta manera el sistema puede ser adaptable a escenarios con distintas condiciones de requerimiento de riego. Para esta tarea se evaluará el diseño de un sistema de riego que cuenta con una matriz (tubería principal que traslada el agua desde la captación hasta el fundo que se quiere regar), con una sub-matriz y un sistema de suministro de agua bajo presión a través de tuberías, las cuales normalmente son de plástico. El sistema de riego utilizado será de aspersión utilizando la configuración “nido de abeja” para asi poder regar una plantación de frutales de hoja caduca. 3 Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM 2. Objetivos Determinar los parámetros que condicionan el funcionamiento del sistema, como la eficiencia, los volúmenes aplicados, caudales y presiones. Diseñar una red de riego utilizando aspersores usando configuración tipo “Nido de abeja” Determinar la programación del riego para un mes del año Especificar número de aspersores y su disposición en la red a diseñar. Diseñar los caudales por líneas de riego y en la bocatoma. Señalar los tipos de cañerías a utilizar, su geometría y material. 4 Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM 3. Descripción del problema Considerando los datos entregados a continuación, se pide: Diseñar una red de riego utilizando aspersores, mediante configuración tipo “Nido de abeja” Determinar la programación del riego para el mes de enero Cubicar los elementos de la red de riego, como tuberías, aspersores, codos, etc Entregar esquema de la configuración (planta red de riego, parcela tipo) Características del terreno y del suelo: Area: 8 [Ha] (largo = 800 [m], ancho = 100 [m]) Tipo de suelo: franco arenoso Peso aparente seco: 1200 [kg/m3] C.C = 16 % P.M.P = 7 % Pendientes = 2 % (ambos sentidos) Características del cultivo: Frutales de hoja caduca Profundidad de raíces = 1,2 [m] Poder evaporante de la atmosfera: Características de los Aspersores: Importante: Utilizar diámetros comerciales para las tuberías Las tareas deben incluir: portada, introducción, objetivos, desarrollo y conclusiones Se evaluará la claridad de los procedimientos, por lo que se debe explicar claramente todos los cálculos realizados. Además justificar todos los supuestos utilizados. 5 Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM El radio de acción se puede determinar mediando la presión de trabajo “h”: R 0, 08h3/2 Caudal útil del aspersor: qu H apl TRL H apl d a dl m3 TRL 2 Donde: H apl : Altura de agua aplicada H apl Hu : Eficiencia del sistema GvH G : Eficiencia geométrica: G 0, 637 v : Eficiencia del viento H : Eficiencia hidráulica Hu : altura útil de agua aprovechada Hu 2 sec o CC PMP Zr m 3 agua 100 TRL : Tiempo para regar una línea [hr] TRL H apl if i f : Infiltración producida de acuerdo al tipo de suelo y a la pendiente del terreno CC: Capacidad de campo. Es el grado de humedad de una muestra que ha perdido toda su agua gravitacional. Se determina de acuerdo al tipo de suelo y se mide en porcentaje. 6 Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM PMP: Punto de marchitez permanente. Nivel mínimo de humedad que puede existir en el suelo para que la planta sobreviva. Se determina de acuerdo al tipo de sueño y se mide en porcentaje. Zr: Profundidad de raíces [m] Número de líneas Nl L dl Nc TRT TRL Donde: L: Largo del predio [m] Numero de cambios de línea TRT : Tiempo de riego total [hr] ( 𝑇𝑅𝑇 < 24[ℎ𝑟]) TRL Tiempo para regar una línea [hr] Número de líneas que se riegan simultáneamente ns Nl nc f c Donde: f c : Frecuencia de riego crítica [días] fc Hu ETpi Pef ETpi : Evapotranspiración potencia del mes 𝑖 [mm/mes] Pef : Precipitación efectiva [mm/mes] 7 max Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM Numero de aspersores por línea N al A da Donde: A: Ancho del predio [m] Caudal por línea Qlinea qu Nal Caudal de la matriz Qmatriz qlinea ns Determinación del diámetro de tuberías del sistema Para determinar el diámetro de las tuberías laterales a utilizar en el sistema de riego, se realiza lo siguiente: Se considera una eficiencia 0, 95 2 1/0,5 hmax hd hmax hd h h iL JL s 8 (1) Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM Las pérdidas se pueden determinar mediante: Hazen Williams 1,85 10, 66 Q J 4,86 D c Luego: JL Nal J i n1,85da 0,001qu1,85 13 1,85 da n D4,86 1 (2) De la expresión (1) se despeja JL, valor que se reemplaza en (2) para así obtener el valor del diámetro D de las tuberías laterales. Para determinar el diámetro de las tuberías de la sub-matriz a utilizar en el sistema de riego, se realiza lo siguiente: hi h f JL Las pérdidas se pueden determinar mediante la fórmula de Hazen-Williams: j l N aspersores ji n1,85 da N º asp 0, 001 qu1,85 da ni1,85 (4), 4,867 D 1 Donde: qsm : Caudal de la sub-matriz. qsm qs min N al qu hi : Altura asociada a qsm . Se determina mediante la curva de descarga. h f : Altura asociada a qs max . Se determina mediante la curva de descarga. qs max : Caudal máximo de la sub-matriz qs max 2 q 9 sm Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM De la expresión (3) se despeja JL, valor que se reemplaza en (4) para así obtener el valor del diámetro D de la tubería de la sub-matriz. 4. Desarrollo Para obtener los coeficientes de cultivo relativos a cada mes, se utilizo un coeficiente de cultivo estacional , k , de 0,65 , valor usado para árboles caducos. Con este factor y utilizando los factores cr para un periodo vegetativo desde septiembre a abril, se obtiene la evapotranspiración mensual. Mes S O N D E F M A Cr Poder Evap [mm] cr*Eai 0,18 75 13,5 0,49 102 49,98 0,77 120 92,4 0,96 174 167,04 0,99 195 193,05 0,85 160 136 0,58 105 60,9 0,22 82 18,04 kicorr.=Kmax*cr ETpi [mm] 0,162 12,16 0,44 45,03 0,69 83,24 0,86 150,48 0,89 173,91 0,77 122,52 0,52 54,86 0,20 16,25 Tabla N°1 K max k Ei c ri Ei Donde la evapotranspiración anual es ETp 0, 65 1013 0,90086 730,91 ET pi 658, 45 [mm] . Altura útil H u FC * sec o _ ap *(C.C P.M .P) * zraíces agua Donde Fc=20/3, por tanto: m3 H u 864 Ha Ahora se procede a obtener la frecuencia de riego crítica, la cual se calcula en este caso como cuociente entre la altura útil y evapotranspiración mensual máxima, ya que no se cuentan con datos de precipitaciones, por lo que no se consideran: 10 Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM Hu Hu 864 f c mín 0, 4968[mes] ETpi Pef i ETp _ max 173,91 En este caso la evapotranspiración mensual máxima se produjo para el mes de Enero (31 días),por lo que la frecuencia de riego: f c 16[días] El tiempo de riego por línea, está dado por: Trl H aplicar if Para suelo franco arenoso, la tasa de infiltración es: if 20[ mm ] hr Reemplazando: Trl H aplicar if 101,64 6[horas] 20 El radio de influencia del aspersor está dado por la siguiente formulación: R 0, 08 h3/2 Ya que se está utilizando una configuración de nido de abeja, se sabe: 2 R dl 0, 08 h3/2 3 Despejando dl se tiene : 3 dl 0, 08 h3/2 2 Luego: 11 Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos qu UTFSM H aplicar da dl Trl 2 dl ) dl 3 Trl H aplicar ( Reemplazando la relación para dl se tiene qu H aplicar ( 2 3 dl ) ( 0, 08 h3/2 ) 2 3 Trl (1) Además la curva de descarga del aspersor es: qu 0,345 h1/2 (2) Igualando ambas ecuaciones ( (1) y (2)), se tiene: h 17,18[m] qu 1, 43[m3 / hr ] Debido a que la altura determinada es la que necesita el aspersor que se encuentra al final de la línea, se pude determinar al comparar los rangos de trabajo de los distintos aspersores el que se necesita para nuestro caso: h 20 Micro aspersor Con estos valores podemos despejar: 3 dl 0, 08 h3/2 8,55 9[m] 2 2 da dl 10,39 10[m] 3 Luego el número de líneas Nl l 800 89 lineas dl 9 Pero se deben descontar 2 líneas, debido a que estas estarían en el deslinde del terreno, por lo tanto son 87 líneas. 12 Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM El número de aspersores por línea N al a 100 10 Aspersores da 10 Se consideran que las líneas de riego son móviles, por lo que se debe determinar: Número de cambios de línea, para esto se considero un tiempo de riego total de 18 horas (valor límite recomendado): nc Trt 18 3 Trl 6 Número de líneas de riego simultaneo: ns Nl 87 1,81 2 nc fc 3 16 Por lo que se pueden regar simultáneamente 2 líneas. El número de parcelas de riego es, considerando dos días festivos: N parcelas fc Nnr 16 2 14 parcelas El área de cada parcela es de: Ai At N parcelas 800 100 0,5714 Ha 14 4.1. Diámetro tuberías laterales Considerando el caudal útil como el caudal mínimo para el aspersor más desfavorable, se debe determinar el caudal máximo, con lo cual se pueden determinar las perdidas a lo largo de la línea. q qmax qmin 2 Además la eficiencia es q min _ q 13 Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM Combinando las ecuaciones: qmax 2 qmin Para el caso de los aspersores se consideró una eficiencia del 95%, eficiencia para aspersores pequeños: qmax 2 0,95 qmin 0,95 Con lo cual se obtiene qmax 2 0,95 m3 1, 43 1,58[ ] 0,95 hr Luego la altura es: 1,58 0,345 h1/2 h 20.99[m] Luego se evalúan las perdidas a lo largo de una línea, mediante: hi i l j l h f Luego h 20.99 17,18 3.81[ m] j l i l h 0.02 100 3.81 5,81[m] Conocida la pérdida total de carga, se puede determinar el diámetro de la tubería, para lo cual se utiliza la fórmula de Hazen Williams para cada tramo de la línea: j 0, 001 qu1,85 d 4,687 14 Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM Evaluando para cada tramo se tiene: j l N aspersores ji n1,85 da 10 0, 001 qu1,85 da 1 ni1,85 5,81[m] D 4,867 D 0, 04402[m] 44, 02[mm] Por lo tanto se utilizará un diámetro comercial de 50 mm (1 ½ pulg) para dicho tramo. Diámetro sub – matriz Análogamente se determina el caudal de la sub matriz, éste equivale al caudal de cada aspersor por la cantidad de aspersores en cada línea de riego. qsubmatriz qsubmatriz min imo 10 1, 43 14,3[m3 / hr ] Con la curva de descarga podemos determinar la altura correspondiente: 14,3 0,345 h1/2 h 1718, 04[m] Luego en forma análoga se determina el caudal máximo: qsubmatriz max 2 0,95 14,3 15,81[m3 / hr ] 0,95 Calculando las pérdidas en el tramo de 800m: H j l 0, 02*800 16[m] Utilizando nuevamente Hazen Williams 1.85 10.67 Q JL 4.867 800 16 D C D 0.0894[m] 89[mm] Por lo tanto el diámetro comercial de la sub matriz será de 90 mm (3 pulg). 15 Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM 4.2. Programación del riego Se debe regar 6 días a la semana, el día domingo no se riega, cada día se debe regar durante 6 horas, estas 6 horas de riego diario se separan en la mañana y en la tarde: Riego en la mañana: 8:00 – 13:00 Riego en la Tarde: 20:00 – 23:00 5. Cubicación de materiales 5.1. Tuberías Laterales La distancia entre aspersores es de 10 [m], el número total de líneas es 87 y la cantidad de aspersores por línea es de 10, se tiene la distancia total total de tuberías laterales: Total 10 87 10 8700[ m] Se utilizará tubería de PVC con diámetro comercial de 50 [mm] de largo 6 [m] según el catálogo de Vinilit, por lo tanto la cantidad necesaria es 1450 unidades de este tipo de tuberías. 5.2. Tubería Sub Matriz De acuerdo a los cálculos se utilizará tubería de PVC de diámetro comercial de 90 [mm] de largo 6 [m]. El largo de la sub matriz es de 800 [m], por lo tanto se necesitarán 134 tubos de este tipo. 5.3. Aspersores Se consideran 87 líneas y 10 aspersores por cada una, por lo que se necesitarán 870 aspersores en total. Además en base a los datos entregados como el radio de influencia, presión de trabajo y caudal se puede determinar que el tipo de aspersores requeridos son microaspersores. 5.4. Codos Se necesitarán dos codos de 90° para la unión entre la sub matriz y las dos tuberías laterales del extremo del predio. Se requieren 87 codos para conectar los extremos de la tubería con el aspersor. 16 Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM 5.5. Tees Como se tienen 87 líneas de riego se utilizarán 85 tees de 90°, donde se excluyen las líneas extremas. El número de tees necesarias para la conexión aspersor – submatriz es de 783, descontando los aspersores del extremo que se conectan mediante codos. 17 Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM 6. Esquema 18 Tarea Nº3 Máquinas y Sistemas Hidráulicos UTFSM 7. Conclusiones De acuerdo al diseño del sistema de riego realizando en la presente tarea, se destaca lo siguiente: El riego por aspersión presenta muchas ventajas si se compara con los métodos tradicionales de riego, especialmente la configuración de tipo nido de abejas ya que su eficiencia oscila generalmente entre el 75% y el 85%, muy por encima de lo métodos no mecánicos de riego y también superior al método por aspersión traicional de tipo reticular. Si se habla en términos económicos, un sistema de riego de tipo nido de abejas permite lograr ahorros importantes en el gasto de agua ya que su eficiencia de riego es bastante alta respecto de otros sistemas. El riego tecnificado permite aplicar el agua en forma localizada, continua eficiente y oportuna además de adaptarse a cualquier tipo de suelo y condición topográfica. Es importante mencionar que el sistema posee la ventaja de poder aplicar simultáneamente con el riego fertilizantes lo que permitirá controlar plagas, ahorrar tiempo, mano de obra y favorecerá significativamente el desarrollo de los frutales y su producción, que en términos económicos es sumamente relevante. En este informe no se consideraron las pérdidas singulares del sistema. Este tipo de pérdida puede generar en algunos casos desfavorables cambios considerables en el diseño. En caso de realizar un estudio más detallado deberían ser consideradas lo que permitiría disminuir los costos asociados al proyecto. Cabe destacar que en este estudio no se tomó en cuenta el efecto del viento en el problema. En caso que el diseño sea en un predio ubicado en zonas de grandes vientos, éste debería ser considerado ya que afecta en forma significativa la eficiencia de riego del sistema. 19