Tarea 3 Maquinas lista

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
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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.
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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.
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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
  GvH
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.
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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]
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max
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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)
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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
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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:
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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:
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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.
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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
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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
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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).
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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.
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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.
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6. Esquema
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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.
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