Aerodinámica de la corriente de aire de un pulverizador agrícola con ventilador centrifugo

Aerodynamics of the air current in an agricultural sprayer with centrifuges fan

Mario Ignacio Herrera Prat¹, Armando Eloy García de la Figal Costales², Héctor de las Cuevas Milán³ y Omar Vazquez Durañona⁴

1 Dr.C., Prof. e Inv. Auxilar, Universidad Agrária de La Habana, Centro de Mecanización Agropecuária (CEMA), La Habana, Cuba, E-mail: herrera@isch.edu.cu

2 Dr.C., Prof. Titular. Universidad Agraria de La Habana-Facultad de Ciencias Técnicas, La Habana, Cuba.

3 MSc., Inv. Auxilar, Universidad Agraria de La Habana, CEMA, La Habana, Cuba.

4 Ing., Inv. Agregado, Instituto de Investigación de Mecanización Agrícola (IIMA), La Habana , Cuba.

RESUMEN

Las contaminaciones medioambientales debido a que las gotas del pesticida no alcanzan el blanco y el creciente aumento en las aplicaciones se han vuelto un problema de salud medioambiental. En la aplicación de defensivos agrícolas a los frutales los pulverizadores más utilizados son los que se auxilian de corriente de aire para el traslado de la gota al árbol. Los ventiladores axiales con salida radial es el esquema más extendido, aunque con éxito también se emplean los ventiladores centrífugos en la construcción de los pulverizadores. La aerodinámica de la corriente de aire es la que decide en la calidad de la aplicación y el régimen de trabajo en este equipo. En el trabajo se estudia la aerodinámica de la corriente de aire del pulverizador “MARTIGNANI”⁵, que utiliza el ventilador centrífugo “MAJOR”⁵ que distribuye el aire en cuatro salidas. En el estudio se determinara la velocidad del aire, su uniformidad, caudal en las salidas y se analiza la corriente de aire aplicando modelos matemáticos. Se caracteriza la aerodinámica del pulverizador para fundamentar regimenes de trabajo racionales.

Palabras clave: pesticida, árbol frutal, aerodinámico.

ABSTRACT

The environmental contaminations due to pesticide drops that do not reach the target and the growing increase in the applications have become a problem of environmental health. In the application of defensive agricultural for fruit-bearing the most used crushers are those that are aided of air current for drop transferring to the tree. The axial fans with radial exit are the most extended outline, although with success the centrifugal fans are also used in the construction of the spraying machines. The aerodynamics of the current of air is the one that decides in the quality of the application and the work regimes in this team. In the work the aerodynamics of the air current of the crusher "MARTIGNANI" was studied, which uses the centrifugal fan "MAJOR" that distributes its air in four exits. In the study the speed of the air was determined, while its uniformity and flow in the exits and the current of air was analyzed applying mathematical models. It is characterized the crusher aerodynamics and the most rational work regimes to be used.

Keywords: pesticide, fruit-bearing tree, aerodynamics.

INTRODUCCIÓN

Las contaminaciones medioambientales debido a que las gotas del pesticida no alcanzan el objetivo y el creciente aumento en las aplicaciones se han vuelto un problema de salud medioambiental. Pérdidas en pulverizadores han sido reportadas por Di Prinzio et al. (1998). Para disminuir este problema es necesario la selección óptima de los parámetros del pulverizador, por lo que éstos deben ser conocidos, por ejemplo la velocidad de movimiento del pulverizador en las operaciones de trabajo influye en las características aerodinámicas de la corriente de aire, según Herrera et al. (2002) y de hecho en la deposición.

En la aplicación de defensivos en árboles frutales se utilizan los pulverizadores con corriente de aire, los cuales utilizan ventiladores axiales y centrífugos para la producción de la corriente de aire. Aunque los mas utilizados son los de esquema de ventilador axial con salida radial, también los centrífugos con salida compartida y en forma de torre han tenido éxito en el control de plagas en frutales.

La corriente de aire en los pulverizadores agrícolas ha sido estudiada a partir de la teoría del chorro plano turbulento de Abramovich, (1963); otros autores como Brazee, R.D. et al, (1981), Xu Z G; (1998), han perfeccionado su teoría con el fin de concebir la corriente de aire más eficiente a partir del diseño de los ventiladores. Los objetivos de esta investigación están enmarcados en la determinación de la velocidad del aire, su uniformidad y caudal en las salidas, así como el análisis de la corriente de aire aplicando modelos matemáticos desarrollados a partir de datos experimentales obtenidos por Herrera (1999). En el estudio se caracterizan la aerodinámica del pulverizador y los regímenes de trabajo más racionales a emplear.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se empleó como maqueta experimental el pulverizador MARTGNANI, el cual posee un ventilador centrífugo modelo “MAJOR” de 500 mm de diámetro con doble aspiración y cuatro salidas de aire: dos inferiores
(50 x 500 mm) y dos superiores (45 x 500 mm) montadas en una torre. La determinación de los parámetros a la salida del ventilador se llevó a cabo según la metodología “Caracterización del ventilador de una asperjadora para cítricos en distintos regímenes de trabajo” (Sotolongo & Herrera., 1986). Se evaluó el pulverizador a dos niveles de rotación del cigüeñal del motor auxiliar del ventilador: régimen I de trabajo a 2 100 min^-1 y régimen de trabajo II a 1 700 min^-1.

Parámetros objeto de medición

Mediciones de los parámetros a la salida del ventilador. Los parámetros a evaluar fueron los siguientes: velocidad del aire w, caudal de aire Q y uniformidad de la velocidad del aire, h₁ a la salida del difusor del ventilador.

FIGURA 1. Puntos de medición de la velocidad del aire a la salida del difusor del pulverizador.

Velocidad del aire en cada punto a lo ancho de la salida del ventilador; w₀₁, m/s, se determina a partir de la presión dinámica medida, utilizando la expresión:

donde:

g-aceleración de la gravedad; 9,80665, m/s²;

h-altura manométrica o presión, Pa;

r_m–densidad del líquido manométrico, kg/dm³;

r_a -densidad del aire, considerando un gas perfecto, kg/dm³, el cual se determina por la expresión:

donde:

P-presión atmosférica, Pa;

M-masa molecular del aire: 0,02897 kg/mol;

R-constante de un gas perfecto: 8 308,65 Pa·dm³/mol·K;

T- temperatura del aire, K.

El caudal de aire: Q, m³/s, se determina por la siguiente expresión:

donde:

a_i-áreas de la secciones donde se realizaron las mediciones, m^2;.

La uniformidad de la velocidad del aire a la salida del ventilador h₁; representa el grado de homogeneidad en la distribución de ésta, principalmente debido a factores como el diseño del difusor y se cuantifica mediante la expresión:

donde:

w_0m -velocidad máxima del aire en la sección, m/s;

B_0m -ancho de la salida del difusor, m.

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Velocidad del aire a la salida del ventilador, w₀.

Los puntos del 1 al 6 se localizan en la salida inferior (Figura 1) y en la superior del 13 al 18, ambos para el lado izquierdo; para la derecha: la inferior, del 7 al 12 y la superior, del 19 al 24, para un total de 48 puntos.

Los valores de la velocidad del aire w₀, m/s, se muestran en los gráficos de las Figuras 2 y 3 para cada punto en las secciones a y b y los dos regimenes de trabajo estudiados. En la Figura 2, correspondiente a los resultados de las salidas inferiores representados por los puntos del 1 al 12, se observa para ambos regimenes de trabajo una tendencia a una mayor velocidad en la salida izquierda que en la derecha. Para el régimen I la velocidad promedio en la izquierda es de 80 m/s y en la derecha es de 70 m/s, mientras que para el régimen II es de 47 y 41 m/s respectivamente. En ambos casos se observa una diferencia aproximada de 10 m/s en la velocidad lo cual provoca una diferencia significativa en el alcance de la corriente de aire. La velocidad del aire en las secciones a y b en todos los casos se mantiene con valores similares, lo que indica una buena distribución de velocidades, siendo favorecido por las dimensiones de la salida con un ancho B_0m =50 mm.

En la distribución de la velocidad del aire para las salidas superiores w₀ (Figura 3) para ambos regímenes de trabajo, no se observan diferencias entre la salida izquierda y la derecha, alcanzando valores de 66 y 65 m/s, respectivamente, en el régimen I y de 36 y 37 m/s en la variante de trabajo II. Ambas salidas mantienen un equilibrio en los valores de velocidad del aire, lo que producirá corrientes de aire con similar alcance.

La distribución de las velocidades de las salidas de aire w₀ en la parte superior del pulverizador en las secciones a y b se mantiene con valores similares, al igual que sucede en las inferiores, mostrándose una buena distribución de la velocidad del aire.

En la Tabla 1 se muestra un resumen de las velocidades promedio para las cuatro salidas del difusor del ventilador en los dos regímenes de trabajos evaluados. Se observa que con la variación de la frecuencia de giro del régimen I al II existe una tendencia al aumento de la velocidad con el aumento de la frecuencia de giro, resultado esperado en este tipo de ventilador.

La velocidad promedio en las cuatro salidas en el régimen de evaluación I es de 70 m/s y para el II de 40 m/s. Los valores por catálogo del fabricante para el caso del régimen I es de 80 m/s, con diferencia de 10 m/s con respecto a la evaluación realizada, teniendo en cuenta que en la salida inferior izquierda se mantiene el nivel de 80 m/s de velocidad del aire.

En el régimen II se observa que los valores de velocidad de salida de aire w₀ bajan aproximadamente en todos los casos a un 50% de la velocidad alcanzada en el régimen I; lo cual limita el alcance de la corriente de aire del pulverizador y, a su vez, afecta el tamaño de la gota ya que la pulverización en este tipo de equipo se produce por la diferencia de velocidad entre la masa de aire que mueve el ventilador y la gota que entrega la boquilla micronizadora de paso ancho de 4 mm de diámetro a 1,5·10⁵ Pa  (22 PSI) de presión.

TABLA 1. Velocidad promedio del aire w₀ en las distintas secciones, m/s

Figura 2. Distribución de la velocidad del aire en las salidas inferiores.

 Figura 3. Distribución de la velocidad del aire en las salidas superiores.

En la Tabla 2 se muestran los valores de Q para cada salida y total en los regímenes de trabajo evaluados. Para el régimen de trabajo I el pulverizador alcanza un caudal de aire de 24 928 m³/s y el fabricante propone 25 000 m³/s, para una diferencia de 0,28% no significativo en este tipo de evaluación. El caudal se distribuye un 61% en las salidas inferiores y 39% en las superiores; por un lado la zona inferior del árbol frutal posee más área a cubrir y mayor follaje, siendo menor en la parte superior, para un menor volumen a cubrir. A las salidas superiores mas alejadas del ventilador le llega el aire por un conducto que forma la estructura que las sostiene; esto hace que exista una caída de velocidad y se obtengan así menores valores de caudal. El menor por ciento de caudal de aire entregado en la parte superior se corresponde con un menor follaje del árbol y mayor acercamiento de la salida del ventilador a aquel, determinado por el diseño constructivo del pulverizador.

Existe una diferencia en la distribución del caudal Q a ambos lados del pulverizador; en las salidas del lado izquierdo se entrega el 52% del caudal y el 48% en la parte derecha.

TABLA 2. Caudal de aire Q en las distintas secciones de salida, m 3 /s

Uniformidad de la velocidad a la salida del difusor h₁.

En la Tabla 3 se relaciona la uniformidad de la velocidad del aire del ventilador en el pulverizador estudiado, para todos los regímenes y en las cuatro salidas de aire. La uniformidad h₁ indica la calidad de la distribución de la velocidad del aire a la salida del difusor. Este parámetro influye en la aerodinámica de la corriente de aire del ventilador. En este caso los valores de uniformidad h₁ para todas las variantes estudiadas se mantienen en un intervalo de 0,89 a 0,9, manteniendo un índice general de 0,89 adecuados para este tipo de equipo comercial. Hay que destacar que en este pulverizador el sistema principal para la fragmentación de la gota se basa en la diferencia de velocidad entre el aire y el líquido entregado por la boquilla, por lo que la uniformidad en la distribución de la velocidad del aire se hace imprescindible.

TABLA 3. Uniformidad de la velocidad del aire h₁ en las distintas secciones, m/s

Aplicación de modelos matemáticos en la determinación de los parámetros de la corriente de aire del pulverizador.

Entre los pulverizadores utilizados en el control de plagas en frutales éste se puede clasificar de bajo caudal (Q=4 332 a 24 928 m³/s), alta velocidad de salida del aire (w₀=66 a 80 m/s) y alta uniformidad de distribución de la velocidad del aire a la salida (h₁=0,89 a 0,9). También se utilizan pulverizadores en frutales que se caracterizan por poseer un alto caudal de aire (Q=41 696 a 48 915 m³/s), baja velocidad de salida (w₀=31 a 39 m/s) y bajos valores de uniformidad de distribución de la velocidad del aire (h₁=0,73 a 0,75), Éstos son los que emplean ventiladores axiales con salida radial, sobre la base de los datos de prueba CEMA-IIMA (2008) del pulverizador MAÑEZ LOZANO, con una configuración diferente de distribución del aire con respecto al árbol y conceptos de diseño diferentes.

Los parámetros mencionados caracterizan estos pulverizadores y son los que deciden en la formación de la corriente de aire y, consecuentemente, en el alcance de ésta y en la calidad del cubrimiento del pulverizador. La velocidad del aire en la corriente a medida que se aleja de la salida del ventilador es de los parámetros que determinan su alcance, por lo que se realiza un análisis de la misma, partiendo de la aplicación de modelos matemáticos determinados por Herrera (1999) a partir de condiciones experimentales. El modelo está basado en los parámetros de salida del aire en el difusor del pulverizador (ancho de salida del difusor B_0m, velocidad de salida del aire w₀ y su uniformidad de distribución h₁), y determina los valores de velocidad a medida que se aleja del pulverizador. En la Tabla 4 se muestran las variantes analizadas y los valores de los parámetros empleados, correspondientes al ventilador centrífugo del pulverizador MARTIGNANI objeto de estudio determinado en este trabajo, siendo para el ventilador axial los datos referidos al pulverizador MAÑEZ LOZANO, CEMA-IIMA (2008).

En la Figura 4 se muestran los valores de velocidad del aire para las variantes estudiadas a medida que se aleja del pulverizador 1, 2, 3 y 4 m. Se observa que a la salida del pulverizador que utiliza ventilador centrífugo la velocidad del aire w₀ es superior en 35 y 40 m/s, correspondientemente, con respecto a las de ventilador axial. A pesar de esta diferencia, a 1 m de distancia ya los valores de la velocidad del aire w₀ para las distintas variantes se acercan en un intervalo de valores de 16 a 22 m/s. La alta velocidad de salida en el ventilador centrífugo en el primer metro se reduce en 73%, debido a la alta velocidad y valores pequeños del ancho de salida (B₀=50 mm) para estos equipos. A la distancia de 2 m de la salida los valores de las velocidades w₀ se comportan alrededor de 10 m/s, quedando por debajo las que iniciaron con mayor velocidad. Este comportamiento del amortiguamiento de la velocidad w₀ es el mismo para el caso del ventilador axial, cuando el caudal entregado es el doble y el valor de la velocidad de salida del difusor w₀ es aproximadamente la mitad.

TABLA 4. Variantes evaluadas mediante el modelo matemático propuesto

FIGURA 4. Amortiguamiento de la velocidad del aire para las variantes estudiadas.

CONCLUSIONES

• La velocidad promedio de salida en el pulverizador w₀ oscila en el intervalo de 66 a 80 m/s, siendo en las salidas inferiores superior en 10 m/s a las superiores, aunque tiene un menor alcance en la zona superior, lo cual está acorde con las dimensiones y posición del árbol con respecto a éstas.

•  El caudal de aire del ventilador determinado Q es de 24 928 m³/s resultando similar al propuesto por el fabricante y se distribuye un 61% en las salidas inferiores y 39% en las superiores.

• La uniformidad de la velocidad a la salida del difusor h₁ para todas las variantes estudiadas se mantiene en un rango de 0,89 a 0,9, siendo el índice general de 0,89, el cual es adecuado para este tipo de equipo comercial que utiliza boquilla micronizadora de paso ancho de 4 mm de diámetro a 1,5·10⁵ Pa (22 PSI) de presión.

• Ventiladores con bajo caudal (Q=24 928 m³/s) y alta velocidad de salida (w₀=80 m/s) comparados con otro de alto caudal (Q=48 915 m³/s) y baja velocidad de aire (w₀=39 m/s), poseen similar comportamiento en el amortiguamiento de la velocidad del aire en la corriente, manteniendo valores similares de velocidad en ésta a 1 y 2 m de distancia del pulverizador.

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Recibido 10/09/08, aprobado 12/10/09, trabajo 00/09, investigación.