Un equipo de ingenieros del MIT ha descrito una forma novedosa de controlar el flujo de agua en tubos flexibles, un hallazgo con implicaciones para los sistemas agrícolas en todo el mundo. Su investigación, publicada en la revista de diseño mecánico, podría reducir la demanda energética de palpitantes aspersores para riego.
"La alimentación y su relación con el agua es uno de los mayores problemas del mundo," afirma Wang Ruo-Qian, un ex postdoc en el centro de diseño y tecnología MIT Tata que es ahora un postdoc en la Universidad de California en Berkeley. "Existe una clara necesidad de tecnologías de riego eficiente que ahorran dinero y conservan recursos."
Wang co-autor en el papel con tres investigadores del Departamento de ingeniería mecánica en MIT: La estudiante graduado Teresa Lin, hacienda un doctorado y y los compañeros de Tata Pulkit Shamshery y el profesor Amos Winter.
El modelo que proponen podría ser especialmente útil en países en desarrollo, donde muchos agricultores cultivan pequeñas parcelas de tierra sin acceso seguro a la red eléctrica. Estos agricultores confían la energía solar o energía diesel para extraer agua para el riego.
"Si usted logra bajar los requisitos de energía del sistema de riego, significa que un agricultor puede comprar un pequeño panel solar, o usar menos diesel,", dice Wang. "Todo es más barato y más accesible".
Compensación de presión
Los investigadores se centraron en un dispositivo llamado un resistor de Starling, que es un tubo flexible que se derrumba ccuando se aplica la presión. Este dispositivo destaca por sus similitudes con la respiración humana y se ha utilizado para modelar el flujo en los pulmones y vías respiratorias.
"Pero", dice Wang, "nunca se ha aplicado a un sistema de control de flujo de presión compensada para la agricultura."
El equipo creó una arquitectura experimental de resistor de Starling que presenta una válvula de aguja, que permite el control independiente de dos variables claves: tasa de flujo y presión de activación. El objetivo es un fenómeno llamado compensación de presión, en el cual un caudal constante se puede mantener sin importar la presión diferencial.
"La presión de activación es clave para el consumo de energía", dice Wang. "Una resistencia tradicional tiene que alcanzar un alto nivel de presión de activación, sobre 1 bar, para activar el mecanismo de compensación de presión. Tiene mucho poder de bombeo"..
Con el experimento del equipo demostraron que utilizando un tubo de caucho para reemplazar el diafragma del diseño existente de resistor de Starling se puede reducir la presión de activación necesaria en un 90 por ciento.
Como resultado, dice Wang, "los agricultores pueden usar bombas más pequeñas y pequeños paneles solares para suministrar la presión de activación."
Se colocó la válvula de aguja en un momento crítico en el sistema, donde, junto con el tubo de goma, actuaba como parte de una serie de resistencias al flujo de agua. Con tubos de diferentes longitudes y espesores, descubrieron que el ajuste de la válvula de aguja había cambiado el caudal, pero no cambiaron la presión mínima necesaria para "activar" el sistema. Su trabajo describe el primer modelo matemático que predice cuantitativamente esta disociación de las dos variables.
Esto significa que su dispositivo podría facilitar optimizar sistemas de riego para una variedad de ajustes.
"Podemos diseñar la presión de activación con un tubo de determinado material y la geometría, y ajustando la válvula de aguja, el agua puede ser aplicada a diferentes cultivos en diferentes caudales,", dice Wang.
.
Esta nueva resistencia de Starling puede ser optimizada para un alto flujo — aspersores necesarios pulsátil, mientras que el fenómeno de compensación de presión también hace que el tubo de una oscilación, que le da una calidad pulsátil.
Wang explica que "una regadera tradicional utiliza un brazo por resorte para impactar la tasa de flujo. Desperdicia la energía y la energía tiene un costo. Este dispositivo proporciona pulsaciones por sí mismo".
Aprovechar la experiencia global
El proyecto ha surgido de la Alianza del equipo con sistemas de irrigación de Jain, una empresa multinacional con sede en Jalgaon (India), que proporcionó fondos, conocimientos técnicos y experiencia de mercado. Investigadores en el laboratorio Winter's GEAR han colaborado con Jain en una serie de proyectos relacionados con el agua y la agricultura.
"Ahora es una empresa de ingresos de $1 billón con pequeños agricultores que comprende el 80-90 por ciento de sus clientes," afirma Wang. "Pueden comercializar proyectos de agricultura en ese espacio mejor que cualquier otra compañía".
Él observa que la orientación y capacidad de Jain de testar prototipos ayudó a mantener el proyecto de resistor de Starling en el camino correcto.
"Ser capaz de probar esta arquitectura con Jain nos ayudó a determinar que tenían potencial en sistemas de riego. Ahora tenemos una gran oportunidad para nuestro trabajo lograr un impacto".
Ruo-Qian Wang (izquierda) trabajó con ingenieros en sistemas de irrigación de Jain en Jalgaon, India, para comprender los requisitos de diseño para la tecnología de riego de alta eficiencia. Crédito: Instituto Tecnológico de Massachusetts.
"La alimentación y su relación con el agua es uno de los mayores problemas del mundo," afirma Wang Ruo-Qian, un ex postdoc en el centro de diseño y tecnología MIT Tata que es ahora un postdoc en la Universidad de California en Berkeley. "Existe una clara necesidad de tecnologías de riego eficiente que ahorran dinero y conservan recursos."
Wang co-autor en el papel con tres investigadores del Departamento de ingeniería mecánica en MIT: La estudiante graduado Teresa Lin, hacienda un doctorado y y los compañeros de Tata Pulkit Shamshery y el profesor Amos Winter.
El modelo que proponen podría ser especialmente útil en países en desarrollo, donde muchos agricultores cultivan pequeñas parcelas de tierra sin acceso seguro a la red eléctrica. Estos agricultores confían la energía solar o energía diesel para extraer agua para el riego.
"Si usted logra bajar los requisitos de energía del sistema de riego, significa que un agricultor puede comprar un pequeño panel solar, o usar menos diesel,", dice Wang. "Todo es más barato y más accesible".
Compensación de presión
Los investigadores se centraron en un dispositivo llamado un resistor de Starling, que es un tubo flexible que se derrumba ccuando se aplica la presión. Este dispositivo destaca por sus similitudes con la respiración humana y se ha utilizado para modelar el flujo en los pulmones y vías respiratorias.
"Pero", dice Wang, "nunca se ha aplicado a un sistema de control de flujo de presión compensada para la agricultura."
El equipo creó una arquitectura experimental de resistor de Starling que presenta una válvula de aguja, que permite el control independiente de dos variables claves: tasa de flujo y presión de activación. El objetivo es un fenómeno llamado compensación de presión, en el cual un caudal constante se puede mantener sin importar la presión diferencial.
"La presión de activación es clave para el consumo de energía", dice Wang. "Una resistencia tradicional tiene que alcanzar un alto nivel de presión de activación, sobre 1 bar, para activar el mecanismo de compensación de presión. Tiene mucho poder de bombeo"..
Con el experimento del equipo demostraron que utilizando un tubo de caucho para reemplazar el diafragma del diseño existente de resistor de Starling se puede reducir la presión de activación necesaria en un 90 por ciento.
Como resultado, dice Wang, "los agricultores pueden usar bombas más pequeñas y pequeños paneles solares para suministrar la presión de activación."
Se colocó la válvula de aguja en un momento crítico en el sistema, donde, junto con el tubo de goma, actuaba como parte de una serie de resistencias al flujo de agua. Con tubos de diferentes longitudes y espesores, descubrieron que el ajuste de la válvula de aguja había cambiado el caudal, pero no cambiaron la presión mínima necesaria para "activar" el sistema. Su trabajo describe el primer modelo matemático que predice cuantitativamente esta disociación de las dos variables.
Esto significa que su dispositivo podría facilitar optimizar sistemas de riego para una variedad de ajustes.
"Podemos diseñar la presión de activación con un tubo de determinado material y la geometría, y ajustando la válvula de aguja, el agua puede ser aplicada a diferentes cultivos en diferentes caudales,", dice Wang.
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El diseño del nuevo equipo del MIT, un resistor de Starling, que incluye una válvula de aguja para controlar la velocidad de flujo de agua a través del sistema. Crédito: Instituto Tecnológico de Massachusetts
Esta nueva resistencia de Starling puede ser optimizada para un alto flujo — aspersores necesarios pulsátil, mientras que el fenómeno de compensación de presión también hace que el tubo de una oscilación, que le da una calidad pulsátil.
Wang explica que "una regadera tradicional utiliza un brazo por resorte para impactar la tasa de flujo. Desperdicia la energía y la energía tiene un costo. Este dispositivo proporciona pulsaciones por sí mismo".
Aprovechar la experiencia global
El proyecto ha surgido de la Alianza del equipo con sistemas de irrigación de Jain, una empresa multinacional con sede en Jalgaon (India), que proporcionó fondos, conocimientos técnicos y experiencia de mercado. Investigadores en el laboratorio Winter's GEAR han colaborado con Jain en una serie de proyectos relacionados con el agua y la agricultura.
"Ahora es una empresa de ingresos de $1 billón con pequeños agricultores que comprende el 80-90 por ciento de sus clientes," afirma Wang. "Pueden comercializar proyectos de agricultura en ese espacio mejor que cualquier otra compañía".
Él observa que la orientación y capacidad de Jain de testar prototipos ayudó a mantener el proyecto de resistor de Starling en el camino correcto.
"Ser capaz de probar esta arquitectura con Jain nos ayudó a determinar que tenían potencial en sistemas de riego. Ahora tenemos una gran oportunidad para nuestro trabajo lograr un impacto".
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