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Análisis del sistema de riego “Ballama”Empleado en Veguitas municipio Yara en la provincia de Granma, mediante la modelación en

el software EPANET 2.0.

Por M.Sc. Ing. Edilberto A. Llanes Cedeño (ellanes@udg.co.cu)

1. Resumen 2. Introducción 3. Objetivo General 4. Materiales y Métodos 5. Resultados y Discusión 6. Conclusiones y Recomendaciones 7. Bibliografía 8. Anexos

Resumen: El siguiente trabajo fue realizado en la UBPC” Antonio Maceo “(Palmar 1) perteneciente a la Empresa de Cultivos Varios “Paquito Rosales C”, esta se encuentra ubicada en la localidad de Veguitas, municipio Yara, provincia Granma; su cultivo fundamental es el plátano y el solanum tuberosum (papa), cuenta con una extensión para este último cultivo de 3,78 cab. de tierra. En dicho trabajo fue analizada desde el punto de vista energético la máquina de riego ”Ballama” en el cultivo de la papa, para proponer mejoras en la explotación, aplicando el software EPANET 2.0. También se modeló la instalación real de la máquina, proponiendo mejoras en la construcción de la misma para obtener mejoras energéticas, basándose fundamentalmente en la disminución de las pérdidas, por eliminación o cambios de accesorios, obteniéndose como resultado la disminución en un 67,9% del consumo de la potencia consumida lo que representa $34,74 diario. Introducción: A partir del año 1959 se introducen cambios en todo el sector agropecuario de los cuales no esta exenta la actividad de riego, así como se empieza a sentar las bases para la utilización, preservación de los recursos hidráulicos del país. En estos momentos como fruto de los esfuerzos del gobierno y del pueblo, para aumentar la capacidad de riego, Cuba cuenta con millones de metros cúbicos de agua embalsada, miles de equipos de bombeo y cientos de sistemas de riego.Aparejado al aumento de las áreas de riego se han construido embalses para una capacidad de unos 4 400 000 000 de m3, lo que representa un incremento de más de 100 veces lo que existía antes de 1959. Planteado por el comandante en jefe Fidel Castro en el Informe del Comité Central del Partido al 1er

Congreso. (Ministerio de la Agricultura .1985).El riego es un arte muy antiguo el cual surgió con el objetivo de suministrar a las especies vegetales la humedad necesaria para su desarrollo. La importancia del riego en estos tiempos actuales ha sido definida por el doctor N,D Culhati, un especialista indio como: …”En muchos países el riego es un arte antiguo tanto como la civilización, pero para la humanidad es una ciencia, la de sobrevivir”...(CITMA 1999).Entre los métodos de riego más comunes utilizados tenemos; el riego de superficie o por gravedad, el riego por aspersión y el riego por goteo.El riego a presión es uno de los más usados mediante la utilización de máquina de pivote central, aspersores viajeros y cañones de largo alcance, por ejemplo: La Máquina de riego de pivote central, así como las de desplazamiento frontal, se han utilizado extensivamente en las últimas décadas para una amplia gama de cultivos. Estas máquinas remplazaron a sus antecesoras de principios hidráulicos; dada sus evidentes ventajas en cuanto a fiabilidad, facilidad de operación y de mantenimiento.

En la provincia de Granma se desarrolla el cultivo de la papa en más de 509 hectáreas donde el sistema de riego empleado es a presión a través de máquinas de pivote central, las mismas requieren ser evaluadas, si a ello se une la necesidad de determinar las oportunidades de ahorro de energía, como una vía de incrementar la rentabilidad empresarial y elevar la competitividad. En la situación actual para llevar a cabo acciones en este campo se presenta la problemática siguiente:Problema científico : Carencia de medios de diagnósticos para realizar evaluaciones energéticas de las máquinas de riego ¨Ballama¨ empleadas en el cultivo de la papa. Hipótesis: Si se emplea un software capaz de simular el funcionamiento de la máquina de riego ¨Ballama¨, entonces se podrá proponer mejoras en la instalación con vista a disminuir el consumo energético.

Objetivo General: Proponer mejoras desde el punto de vista energético en la explotación de la máquina de riego ¨Ballama¨ empleada en el cultivo de la papa, en las áreas de Veguita, municipio Yara, en la provincia Granma, aplicando el software EPANET 2.0.

Materiales y Métodos: Determinación del gasto por los aspersores. La máquina Ballama empleada para el riego del cultivo Solanum Tuberosum (papa), cuenta con un total de 73 aspersores, para modelar el sistema de riego en el software EPANET resulta necesario determinar el gasto por cada uno, para lo cual fue necesario el empleo de una probeta de cristal calibrada de 500 ml, un cronómetro y un cubo plástico. El método empleado es el analítico experimental.El procedimiento seguido se basó en un tiempo de 5 segundos mediante el empleo del cubo plástico se almacenó un determinado volumen de agua el cual fue medido en la probeta calibrada, luego aplicando la fórmula siguiente:

se determinó el caudal, se tomaron 3 mediciones por cada aspersor y mediante procesos estadísticos (con el empleo del paquete EXCEL) se determinó la media aritmética y la variabilidad existente entre aspersores. Modelación a través del software EPANET 2.0.Los pasos a seguir normalmente para construir el modelo de un sistema de distribución de agua con EPANET son los siguientes:

1. Dibujar un esquema de la red de distribución. 2. Editar las propiedades de los objetos que configuran el sistema. 3. Describir el modo de operación del sistema. 4. Seleccionar las opciones de cálculo.5. Realizar el análisis hidráulico.6. Observar los resultados del análisis. Dibujar un esquema de la red de distribución .

Para dibujar el esquema es necesario conocer los elementos por los cuales está compuesto el sistema por ejemplo: codos, válvulas, bombas, tuberías, ect.Además es necesario determinar la distancia tanto horizontal como vertical que separa estos elementos en el terreno, lo mismo se determinó con una cinta métrica de 30 m.

Editar las propiedades de los objetos que configuran el sistema.

Para realizar este paso es necesario tener en cuenta inicialmente los datos que solicita el programa en cada uno de los elementos componentes y luego realizar su búsqueda en la instalación real y en cartas técnicas por ejemplo para editar las propiedades de una línea (tubería) se requiere el diámetro interior de la misma, longitud real de la tubería y coeficiente de rugosidad según (Nekrasov 1980) y (Crane 2000) fundamentalmente.

Describir el modo de operación del sistema. Aquí es necesario introducir la curva característica de la bomba a partir de un par de datos que son por el eje de las abscisas el caudal y por las ordenadas la altura (la altura es la energía comunicada al fluido por unidad de peso). Los datos fueron tomados del fabricante.

Seleccionar las opciones de cálculo. Las opciones de cálculo está fundamentalmente dirigidas a las Opciones Hidráulicas y estas son las siguientes:

- Unidades de Caudal- Fórmula de Pérdidas (en este caso por la fórmula de Darcy-Weisbach)- Peso Específico Relativo.

Realizar el análisis hidráulico. Se ejecuta el programa para que se procesen los datos introducidos.

Observar los resultados del análisis. Esta sección describe los distintos modos en que pueden visualizarse los resultados de un análisis, así como los datos básicos que configuran la red. Entre los sistemas de visualización ofrecidos se encuentran los mapas, los gráficos de evolución, las tablas numéricas y los informes especiales.A partir de los datos iniciales de la instalación real, en el programa se realizan algunas variaciones en cuanto a:

- Propiedades de las tuberías (rugosidad, materiales de construcción).- Cambios de accesorios (codos de 900 por 450).- Disminución de longitud de tuberías.- Eliminación de codos.

Criterios de Decisión Económica.La evaluación económica es la parte final de toda la secuencia de análisis de la factibilidad de un proyecto. Además de la existencia del mercado potencial atractivo, del lugar óptimo para la localización del proyecto, del dominio del proceso de producción y de las posibilidades de utilidades durante los primeros 5 años, hay que analizar si la inversión propuesta será económicamente rentable. Los métodos más utilizados para comprobar la rentabilidad económica del proyecto son el VAN y el TIR. (López 2004) Valor Actual Neto (VAN)El método del Valor Actual Neto, también es conocido como Valor Presente Neto (VPN), es uno de los criterios económicos más ampliamente utilizados en la evaluación de proyecto de inversión. Consiste en determinar la equivalencia en el tiempo cero de los flujos de efectivos futuros que genera un proyecto, y comparar esta equivalencia con el desembolso inicial, entonces es recomendable que el proyecto sea aceptado.El inversionista invierte teniendo en cuenta dos factores, primero, debe ser tal su ganancia, que compense los efectos inflacionarios, y en segundo término, debe ser un premio o sobre tasa para arriesgar su dinero en determinada inversión. Entonces antes de invertir, siempre hay que tener en cuenta una tasa mínima de ganancia sobre la inversión propuesta llamada Tasa Mínima Aceptable de Rendimiento (TMAR). (López 2004) (Varela 1996)Se define TMAR como:

Los criterios de aceptación de evaluación son: sí VAN ≥ 0, aceptable el proyecto, sí VAN < 0 rechácese. Tasa Interna de Rendimiento o Retorno (TIR).El TIR es la tasa que iguala la suma de los flujos descontados a la inversión inicial, o sea, el VAN es igual a 0. (López 2004) (Varela 1996)

El criterio es: sí el TIR > TMAR, se acepta la inversión.

Resultados y Discusión:

Gastos por aspersores.

Tomando en cuenta las tres mediciones realizadas, se realizó el cálculo del volumen promedio y luego dividiendo el resultado por 5 segundos se determinó el caudal promedio por aspersores, los resultados se muestran según tabla 1 de los anexos.

Gráfico 1: Variabilidad de los gastos por aspersores

Como se puede apreciar en el gráfico 1 existe una gran variabilidad de los gastos por aspersores iniciales y finales, además entre aspersores contiguos. En el primer caso está determinado por la propia característica de la máquina de riego de pivote central, la misma presenta diferencia de velocidades entre los carros más próximos al pivote y los más alejados donde el movimiento transcurre con mayor velocidad por tanto se debe suministrar un mayor caudal para satisfacer la norma de riego al cultivo.En el segundo caso está motivado por la falta de control.Modelación de la instalación. A partir de las dimensiones reales del sistema de riego se modelo la instalación en el EPANET quedando según la figura 1 de los anexos, luego se analizó la posibilidad de sustituir las tuberías de alimentación (de acero galvanizado por plástico) y reducir algunas longitudes con el cambio y eliminación de algunos accesorios como se muestra en la figura 2 de los anexos.Las pérdidas en una y otra variante se muestran en las tabla 2:

Tabla 2: Pérdidas hidráulicas en las tuberías

Como se puede apreciar las pérdidas hidráulicas disminuyen para la instalación remodelada, motivado por la disminución del factor de fricción y el empleo de accesorios con menores coeficientes de pérdidas locales.Determinación del gasto energético.A partir de la curva característica de la bomba suministrada por el fabricante y la estructura de la instalación se determinó el gasto energético como se muestra en la tabla 3.

Tabla 3: Consumo energético de las instalaciones de bombeo para las variantes

Como se aprecia en el caso de la instalación remodelada el consumo de potencia en kW disminuye en un 67.9 % con respecto a la real y por ende el coste por día disminuye en $ 34.74.Lo anterior es motivado por la disminución de las pérdidas hidráulicas en la instalación remodelada lo cual produce el traslado del punto de trabajo de la bomba hacia una zona donde la altura (energía específica) a entregar por la misma al flujo para vencer las pérdidas hidráulicas es menor y por tanto también la potencia a entregar por el motor eléctrico.Evaluación económica. Determinación del Valor Actual Neto (VAN).Para esto se evaluó el valor de las tuberías plásticas y accesorios tomados de la dirección económica en la Universidad de Granma, asumiéndose para el cálculo las siguientes inversiones en MLC.

Luego como se muestra en la tabla 4 y el gráfico 2 en los anexos, se determina el VAN para un periodo de vida útil de 10 años, dando como resultado la recuperación de la inversión en los primeros 7 meses del primer año con un beneficio al final de su vida útil de $ 13 256.95.El ingreso fundamental está referido a la disminución del consumo eléctrico motivado por la reducción de las pérdidas hidráulicas en la instalación de suministro de agua.

Conclusiones: 1. Con las técnicas de evaluación y mejora de los sistemas de riego, se puede conseguir ahorrar

agua, mano de obra y energía, para lo cual se necesita que el sistema esté bien diseñado, manejado y conservado.

2. El consumo de energía para la instalación remodelada disminuye en un 67,9% (por la disminución de las pérdidas de carga) y por ende el coste por día disminuye en $ 34,74.

3. La inversión es factible, pues la misma se recupera en los primeros 7 meses del primer año con un beneficio al final de su vida útil de $13 256.95.

Recomendaciones:1. Llevar a cabo las propuestas planteadas en la instalación, y así mejorar el diseño, manejo y

conservación de la máquina. 2. Mantener un equilibrio entre los gastos de aspersores contiguos y mejorar en la uniformidad de

la distancia del suelo a los aspersores.

Bibliografía1. CITMA. Agencia de información para el desarrollo 1999.2. CRANE. Flujo de fluidos a través de válvulas, accesorios y tuberías. Edit. CRANE USA. 20003. López Bastida, Eduardo. Texto Básico de metodología investigación I. 2004.4. López, P.G; Fuentes, M. V y Ayza, P. M (1996): ¨Modelización matemática de una red en

funcionamiento. En: Ingeniería Hidráulica Aplicada a los sistemas de Distribución de agua. Cabrera, E. et.al., Ed. UPV y aguas de valencia.

5. Manual del usuario EPANET 2.0.6. Ministerio de la Agricultura. Normas para proyectos de riego por aspersión 1985. 7. Nekrasov, B. Hidráulica. Edit. MIR.19808. Rabinovich, B. Hidráulica. Edit. MIR.19809. Varela V., Rodrigo. Evaluación económica de las Inversiones. Rodrigo Varela. Colombia.

Ed. Norma. 1996. 10. Vennard, S. Mecánica de los fluidos Tomo I y II. Edit. MIR.1969

Anexos: Tabla 1. Cálculo del caudal por aspersores

Figura 1: Instalación real de Máquina de riego Ballama

Figura 2: Instalación modificada de Máquina de riego Ballama

Tabla 4: Determinación del Valor Actual Neto (VAN)

Gráfico 2: Tiempo de recuperación de la inversión.

Tiempo de recuperación de la inversión

0,00

2000,00

4000,00

6000,00

8000,00

10000,00

12000,00

14000,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Años

FC

AA

Flujo de caja act. acum

Autores: M.Sc. Ing. Edilberto Antonio Llanes CedeñoIng. Yudel Milanes GarcíaIng. Junior Saavedra Fajardo MSc., Profesor, Universidad de Granma, Carretera Manzanillo Km 17 ½ Peralejo Bayamo – Granma . ellanes@udg.co.cu