Pável Vargas R¹., Manuel Peña C²., Jorge Gonzáles A³ y Geisy Hernández C⁴.

RESUMEN. En el presente trabajo se describen los estudios realizados para desarrollar la tecnología de Riego por Succión con la utilización de cápsulas porosas para el beneficio de cultivos hortícolas en casas de cultivo. Se detallan los materiales y métodos utilizados para la fabricación de las cápsulas, así como las evaluaciones que permiten identificar sus propiedades. Finalmente se muestran los primeros resultados de la investigación, los cuales permiten inferir que teniendo en cuenta las condiciones económicas, sociales y ambientales de la región central del país, es posible obtener cápsulas porosas a un costo razonable y con propiedades hidrodinámicas apropiadas para su utilización en condiciones controladas.

Palabras clave: arcilla, agua, porosidad, alimentos.

ABSTRACT. In the present research are decrypted the studies realized to develop Suction Irrigation Technology, using porous capsules for the irrigation of horticultural crops in green houses. The materials and methods used for capsules production, as well as the evaluations that allow identifying their properties, are carefully detailed. As a principal result is suggested the possibility of obtaining porous capsules at a reasonable cost and adequate hydrodynamic properties according with the environmental and socioeconomic conditions of Cuban Central provinces for their use under controlled conditions.

Keywords: clay, water, porosity, crops.

Recibido 14/10/07, aprobado 18/09/08, trabajo 33/08, investigación.

¹MSc., Ing., Prof. Auxiliar, Departamento de Ingeniería Hidráulica, Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, Cuba.
 E-mail: pavel@fco.uo.edu.cu

²Dr. C., Centro de Estudios Hidrotécnicos. Universidad de Ciego de Ávila, Cuba.

³MSc., Ing., CNEA, Universidad de Oriente.

⁴MSc., Ing., Instituto de Investigaciones de Riego y Drenaje.

INTRODUCCION

«Las técnicas tradicionales son de relativamente bajo costo y cuando se combinan con tecnologías modernas, pueden resultar sumamente eficaces». Gischler y Jµuregui (1984), citado por Castro (2002).

La agricultura cubana ha obtenido logros importantes en los últimos años como consecuencia de la introducción de tecnologías avanzadas para el riego de cultivos agrícolas. Sin embargo, los recursos hídricos y energéticos, pueden resultar competitivos con las necesidades de las poblaciones y la industria, sobre todo, en aquellas regiones donde existen limitaciones con el preciado liquido.

Ante esta situación, es necesario emplear alternativas de riego que conduzcan al uso racional del agua y a la disminución del uso de la energía para el bombeo, al tiempo que contribuyan a la estabilidad en el suministro de alimentos, sobre la base de desarrollar investigaciones que se materialicen en proyectos de desarrollo sostenible. Como parte de esta estrategia y debido al elevado costo que suponen los sistemas de riego que demandan las instalaciones actuales de la agricultura urbana, el desarrollo y la adaptación de la tecnología de Riego por Succión con el uso de cápsulas porosas, se perfila como una alternativa promisoria para su adaptación en los planes de la agricultura urbana.

El presente trabajo se realiza con el objetivo de reflejar los avances obtenidos en la primera etapa de los experimentos realizados en el Centro de Estudios Hidrotécnicos (CEH) de la Universidad de Ciego de Ávila, encaminados para desarrollar y adaptar la tecnología de riego por succión con el uso de cápsulas porosas como alternativa de riego para la producción de alimentos en casas de cultivo de la agricultura urbana. Sobre la base de destacar los materiales y métodos utilizados en la elaboración de las cápsulas porosas, así como reflejar los principales resultados obtenidos.

Estudios de los materiales promisorios para la fabricación de cápsulas porosas

La elección de los materiales tuvo en cuenta el factor económico y la compatibilidad ambiental. Se seleccionaron tres muestras de arcillas utilizadas en la fabricación de cerámica artística en la región central de Cuba, se realizó la evaluación estructural de cada muestra utilizando las técnicas convencionales de laboratorio para obtener el porcentaje de arena, limo y arcilla de cada una. Los estudios se realizaron en el Laboratorio Provincial de Suelos y Fertilizantes en la ciudad de Ciego de Ávila. Las muestras se seleccionaron siguiendo el criterio de utilizar arcillas no expansivas. Adicionalmente, se utilizó una mezcla compuesta de materiales de cerámica artística y partiendo del supuesto de que las cápsulas construidas deben presentar valores de porosidad en un rango entre el 25 y 35%.

Los estudios de contracción fueron realizados en el Laboratorio de Salinidad del CEH de la Universidad de Ciego de Ávila, se realizaron ensayos a cada una de las muestras de arcillas seleccionadas, dirigidos a obtener el coeficiente de contracción con el fin de considerar las posibles deformaciones del material al ser horneado, este aspecto es de vital importancia para la fabricación de los moldes. Las cápsulas deben ser sometidas a temperaturas de hasta 800ºC durante el proceso de elaboración, el procedimiento utilizado fue el Método de las Diagonales, documentado por Kaúrichev (1980).

La confección de los modelos se realizó mediante un torno eléctrico de Alfarería; el modelo constituye la forma geométrica de la cápsula pero es macizo y se trabaja en yeso industrial. También se utilizaron trinchas de tornear yeso, pie de rey y regla, así como acetato de polivinilo para pegar algunas piezas del modelo, además se utilizó un molino eléctrico de bolas para la preparación de la barbotina. La forma geométrica seleccionada fue cilíndrica con dos tomas para tubería de 4,5 mm, espesor de pared 0,6 cm, altura 5,3 cm y diámetro exterior de 4,8 cm, Peña y Dobaños (2002). Posteriormente se procedió al diseño de los moldes, en este sentido se tuvieron en cuenta las formas y dimensiones geométricas de cápsulas porosas reportadas en trabajos científicos realizados por otros autores. Se analizaron referencias de Aderaldo (1982) y Valle y Dely (1977) y se ajustaron las dimensiones de los moldes de acuerdo a los coeficientes de contracción obtenidos. El método constructivo del modelo y los moldes para la fabricación de las cápsulas porosas, fue concebido a partir de las experiencias de especialistas de la fábrica de cerámica artística del Fondo de Bienes Culturales de la ciudad de Ciego de Ávila y constituyen un aporte de esta investigación.

Evaluaciones hidrodinámicas y de resistencia mecánica

Para evaluar la conductividad hidráulica se seleccionaron 20 cápsulas al azar, de cada uno de los tipos de arcillas seleccionados. Las cápsulas se colocaron en un recipiente de 10 L de capacidad a nivel constante, conectadas por una de sus tomas con una tubería de 4,5 mm de diámetro a una probeta colectora del caudal. Se llenaron de agua y se cerraron herméticamente por una de sus tomas cuidando sacar totalmente el aire contenido en su interior. Se realizaron mediciones cada una hora del volumen colectado en la probeta hasta observar una estabilización en sus valores. Un procedimiento experimental similar fue utilizado por Silva et al (1997).

Otras evaluaciones realizadas lo constituyeron los ensayos de absorción y capilaridad, los mismos se realizaron en el Laboratorio de Investigaciones y Control de la Calidad de la Empresa de Productos Industriales del Grupo Empresarial del Ministerio de la Construcción (MICONS) en Ciego de Ávila. Estas evaluaciones se realizaron solamente a las cápsulas elaboradas a partir de la mezcla IV, partiendo de reconocer la normativa internacional para determinar la absorción de agua por índices de vacíos, masa especifica y absorción capilar, para ello se ajustan los valores en función de las dimensiones reales de las cápsulas construidas. Se ensayaron doce muestras, de ellas seis, en absorción de agua y seis en capilaridad, para el desarrollo de las pruebas, se utilizaron estufas de laboratorio con temperatura de entre 105 ^oC y 110 ^oC, Balanza electrónica con capacidad de hasta 500 g y una sensibilidad de 0,01 g y recipiente estanque para la inmersión de las muestras.

Para las evaluaciones de la resistencia mecánica se aplicó una fuerza incremental a las muestras obtenidas de forma conveniente hasta que las mismas fallen a compresión. Para realizar esta prueba se utiliza una Prensa Hidráulica, el equipo registra la resistencia a compresión de la muestra. Este ensayo se realizó igualmente en el Laboratorio de Investigaciones y Control de la Calidad de la Empresa de Productos Industriales del Grupo Empresarial del MICONS en Ciego de Ávila.

La uniformidad de riego es un parámetro definitorio de la eficiencia de los sistemas de riego y en ella influye el coeficiente de variación de fabricación, ya que a mayor homogeneidad entre las dimensiones y propiedades hidráulicas de las cápsulas, mayor es la garantía de que los cultivos se desarrollen en un régimen hídrico adecuado. Esto conllevó a considerar la variabilidad de fabricación, para su determinación se realizaron mediciones de la altura, la masa y el diámetro de una muestra de 10 cápsulas escogidas al azar. A partir de estos datos se realizó el cálculo del coeficiente de variación de fabricación a través de la fórmula tradicional, y utilizando el paquete Microsoft Excel.

Métodos estadísticos y costos

Se utilizó el software Microsoft Excel para obtener los estadígrafos correspondientes a la estadística descriptiva de las variables masa, altura y diámetro de una muestra de 10 cápsulas y el cálculo del coeficiente de variación de fabricación de las cápsulas. Se obtuvo la ficha de costo para las cápsulas confeccionadas con la mezcla IV, considerando los costos de materiales, transporte, combustible, electricidad y mano de obra y se comparó con los reportes encontrados en la literatura especializada.

Estudios de los materiales promisorios para la fabricación de cápsulas porosas

Para que las cápsulas funcionen adecuadamente es necesario que se construyan con materiales que finalmente proporcionen valores de porosidad entre el 2025%, lo cual puede conseguirse utilizando composiciones granulométricas en las cuales el porcentaje de arena oscile entre 4 y 22%, el de limo entre 35 y 58% y el de arcilla entre 43 y 65%, Silva et al (1997), Valle y Dely (1997). Otros autores plantean que es posible la construcción de cápsulas con valores de porosidad mas bajos, del orden del 15%, siempre que se precisen bien las alturas de succión en función del tipo de sustrato y del cultivo; Olguin (1975).

En esta investigación, los límites propuestos fueron más exigentes (2535%), con el propósito de aumentar la transmisibilidad de las cápsulas y lograr porcentajes de humedecimiento mayores. Los estudios realizados conllevaron a identificar dos de las tres muestras analizadas como promisorias para su utilización en la fabricación de cápsulas porosas. Los resultados reflejan valores apropiados de los porcentajes de Arena, Limo y Arcilla en las muestras II y III, no siendo así en el caso de la muestra I con un contenido de Arcilla muy alto, a diferencia de los porcentajes de Arena y Limo que están muy por debajo de los que recomienda la literatura especializada en el tema.

Con relación a las evaluaciones de contracción los resultados demostraron que la muestra I es la que reportó mayor coeficiente de contracción (13,91%), mientras que las muestras II y III experimentan menores valores de contracción al ser horneadas y muy similares entre sí.

Estos resultados implican que si a partir de las tres muestras estudiadas se van a construir cápsulas con dimensiones geométricas iguales, los moldes deben ser corregidos utilizando los valores de contracción obtenidos, Peña y col. (2003). Se conoce de antemano que la contracción de la mezcla IV es menor que el 3% y por esta razón se consideró como la más apropiada para ser utilizada en el experimento.

Se elaboraron cuatro moldes a partir de los modelos construidos y se construyeron 20 cápsulas de cada uno de ellos. La diferencia promedio entre las dimensiones estimadas y las obtenidas en todos los casos fue de +1.66 mm en el diámetro y de + 1,32 mm en el caso de la altura. Como resultado de las precisiones realizadas durante el proceso tecnológico de fabricación de las cápsulas porosas, se establecieron los parámetros técnicos más importantes de cada una de las etapas, en ellos se incluyen los diagramas de geometría dimensional de los moldes y matrices y se encuentra en proceso de solicitud de patente. Experiencias publicadas por Silva et al (1997), ofrecen información referida a los datos de temperatura de quema, tiempos de vaciado y dimensiones geométricas de los modelos, los cuales fueron consultados casuísticamente. Pudiendo concluir que el procedimiento tecnológico empleado en esta investigación es apropiado para las con
diciones económicas y sociales del país, por el hecho de haber obtenido cápsulas porosas con un adecuado valor de porosidad.

Evaluaciones hidrodinámicas y de resistencia mecánica

En la Figura 1 se presentan los resultados de las evaluaciones de la conductividad hidráulica realizadas para cada tipo de cápsulas. Los mismos se manifiestan lógicos al analizar la composición granulométrica de las diferentes mezclas, el valor mayor se observa en las cápsulas fabricadas a partir de la mezcla IV (0,0029 cm/h después de estabilizada), esto permite corroborar que a mayor contenido de arena en la mezcla se incrementa la porosidad de las cápsulas.

FIGURA 1. Valores de conductividad hidráulica de las cápsulas porosas evaluadas.

Silva et al. (1988) encontraron valores promedios de Ki = 0.0010 en cápsulas horneadas a 850 ^oC y con valores decrecientes hasta 0,0003 cm/h a temperaturas de quema de 900 ^oC. En este caso, el material tenía una composición granulométrica diferente y utilizaron la técnica de formación para la construcción de las cápsulas a diferencia de esta investigación en la que se utiliza el método de moldeado por vaciado con temperaturas de quema de hasta 800 ^oC. Esto conlleva a plantear otra conclusión importante: el método de elaboración de las cápsulas porosas, así como la temperatura de quema durante el proceso de cocción tienen un efecto que se refleja en las propiedades hidráulicas de las mismas. Al ser comparados los valores de Ki con los reportados por Valle y Dely (1997), se observó que las cápsulas IV son las que presentan mayor similitud con estos trabajos, por tanto son las más aceptables para ser utilizadas en el experimento.

Los valores de absorción capilar reportados por Valle y Dely (1977), oscilan en un rango bastante amplio (80 160 g/cm²), lo cual se debe a la variedad de materiales con propiedades diferentes utilizados en la fabricación de las cápsulas por estos autores. En el caso de esta investigación estos valores oscilan entre 90 105 g/cm², permitiendo concluir que los materiales utilizados así como los procedimientos empleados, permitieron obtener una mezcla o barbotina mas homogénea para la elaboración de las cápsulas porosas y como consecuencia valores de porosidad más uniformes. El valor promedio de la porosidad fue de 32,5% el cual está dentro del rango internacionalmente utilizado por otros investigadores.

Los resultados obtenidos de las evaluaciones de la resistencia mecánica fueron muy satisfactorios, con valores que oscilan entre 30 y 53 kg/cm², correspondiendo el mayor valor a las cápsulas fabricadas a partir de la mezcla IV, las referencias consultadas plantean la necesidad de obtener cápsulas con valores de resistencia superiores a 5 kg/cm². En ningún caso se obtuvieron valores inferiores a los recomendados. La resistencia mecánica depende de las propiedades de los materiales utilizados, la temperatura de quema y del método de fabricación empleado. Los valores obtenidos se justifican a partir de que el método utilizado permite obtener una mayor homogeneidad en la barbotina, la cual constituye una mezcla en suspensión que conlleva a obtener piezas bastante homogéneas sin grietas interiores ni planos de falla mecánicas. A diferencia del método de «moldeado por formación» empleado en anteriores trabajos por Aderaldo (1982) y Olguin (1975). Por tanto es válido plantear que las condiciones tecnológicas de fabricación empleadas en esta investigación fueron más favorables a las utilizadas en investigaciones similares en los que el proceso de fabricación fue mucho más artesanal.

Con relación al coeficiente de variación de fabricación, un consenso generalizado, establece que son adecuados los valores de Cv menores del 5%, Silva et al. (1988). A partir de los valores obtenidos para las tres variables consideradas (masa, diámetro y altura), se obtuvo un coeficiente de variación Cv = 0,12%. Algunos autores han obtenido valores superiores utilizando el método por formación. Con el valor obtenido queda comprobado que utilizando el método de moldeado por vaciado, es posible diseñar y construir cápsulas porosas con un aceptable coeficiente de variación.

Análisis de los costos

Las cápsulas fueron fabricadas a un costo total de 2.70 MN, este valor se reduce al ser utilizados los moldes varias veces. La ficha de costo por cada 1000 cápsulas se presenta en la Tabla 1. Aproximadamente el 37% del costo es en mate
riales que se adquieren en zonas cercanas como el Caolín en la Loma de la Carolina y el Feldespato en Sancti Spiritus, otros componentes se adquieren en La Habana y Villa Clara aunque en menos proporción como la arena sílice y el CaCO₃. El componente en electricidad es cercano al 20% debido a los altos consumos de energía eléctrica de que demandan los hornos de cocción de la cerámica.

TABLA 1. Ficha de costo por cada 1000 cápsulas fabricadas.

CONCLUSIONES

En las condiciones de la región central del país, es posible obtener cápsulas porosas a un costo razonable y con propiedades hidrodinámicas apropiadas.

Se caracterizaron los materiales y sus proporciones adecuadas para la fabricación de cápsulas porosas. Los materiales utilizados se obtuvieron a un relativo bajo costo.

Los métodos constructivos, así como el procedimiento utilizado para la elaboración permitieron obtener cápsulas porosas con propiedades adecuadas para producir alimentos en Casas de Cultivo.

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