Sistema de captación de agua para riego de pequeña plantación

Abstract

SISTEMA DE REGADÍO SOSTENIBLE PARA PEQUEÑA PLANTACIÓN EN ZIMBABUE Autor: Beatriz Marín Alcalá Director: Miren Tellería Ajuriaguerra Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

En el presente Proyecto de Fin de Grado (PFG) se busca dar respuesta a la problemática del acceso al agua en la zona rural de Mount Darwin. Buscando realizar un proyecto significativo, más allá de un mero trámite en aras de obtener el título, el autor decidió colaborar con la Fundación de Ingenieros del ICAI para el desarrollo. A raíz de analizar las propuestas de la Fundación de esta Escuela surge el presente PFG. En este se plantea una posible solución a la situación insostenible del orfanato de la ONG Child Future Africa (CFA). El número de niños acogidos en esta “orfarm”, en su mayoría huérfanos del VIH y cólera, se ha visto mermado en los últimos años como resultado de la ineficiente producción de la plantación. El objeto de este Proyecto de Fin de Grado es proveer de agua a la pequeña plantación de cuatro hectáreas del orfanato para aumentar la producción. Se quieren generar excedentes de modo que, una vez satisfechas las necesidades alimenticias de los huéspedes del orfanato, éste tenga una fuente de ingresos que le dé la estabilidad que no le garantiza su actual condición como donor-dependiente. Todas las decisiones tomadas a lo largo del diseño han tenido presente el objetivo de la minimización del coste del proyecto debido a la fuerte limitación de presupuesto. Otros factores decisivos han sido la simplicidad de la instalación para la comprensión del funcionamiento por parte del usuario y la complicada accesibilidad y capacidad de compra de futuros recambios o contratación de mano de obra especializada para la reparación.

A continuación, se expone brevemente el proceso que se ha seguido a lo largo del desarrollo del proyecto En primera instancia se han analizado las circunstancias socioculturales Se considera imprescindible para el correcto desarrollo del proyecto el comprender las circunstancias en que este se va a desarrollar. Sólo comprendiendo la situación actual de los beneficiarios se podrá desarrollar una propuesta eficaz como solución al problema. De manera análoga, se han estudiado las condiciones climáticas. En este caso resultan de especial relevancia por las características del proyecto: se quiere dar una solución energética y económicamente viable para el regadío de la plantación del orfanato. Es por ello imprescindible que las condiciones climatológicas del emplazamiento sean favorables en lo que a la solución planteada respecta. Tras analizar diferentes alternativas aplicadas en casos reales de similar naturaleza al caso planteado en este PFG, se opta por diseñar un sistema de regadío solar. Accionando una bomba con unos módulos fotovoltaicos se elevará el agua hasta unos depósitos elevados desde los que se regará por gravedad.

Para poder clasificar el proyecto como exitoso, se considera imprescindible que los beneficiarios se familiaricen con el funcionamiento básico de los equipos y con las actividades requeridas para el mantenimiento de los mismos. Con este fin se exponen los posibles factores de fallo de la instalación para que resulte más fácil identificarlos previamente a la aparición del fallo. Este PFG se llevará a cabo durante los meses de verano de julio y agosto. Se han planteado posibles ampliaciones a ejecutar en caso de tener el tiempo y los recursos necesarios para ello. Asimismo, se exponen diferentes alternativas contempladas, de modo que se tengan más opciones por si no fuere posible por diferentes circunstancias llevar adelante la opción preferida.

Una vez han quedado definidas las diferentes partes que componen el proyecto y los puntos débiles de la instalación (de los que hay que estar vigilantes para alargar la vida útil de esta), se procede a estudiar las necesidades concretas del proyecto: el caudal de agua requerido. Se estima una necesidad diaria de 10 m3 para las cuatro hectáreas a explotar. Nótese que este caudal es susceptible de ser aumentado, y poder así ampliar el terreno de cultivo. Dicho incremento se efectuará en función de las conclusiones elaboradas a la luz del estudio del pozo, más adelante descrito . Identificado el objetivo de abastecimiento, se desarrollan los cálculos necesarios para el dimensionamiento de los elementos del proyecto: El tanque: El tanque elevado desde el que se regará por acción de la gravedad tiene una dimensión máxima de 5 m3, por limitaciones del mercado local. Se instalarán dos depósitos que se situarán próximos a la fuente de donde se obtendrá el agua para minimizar las pérdidas de carga de la conducción. En el supuesto de que el caudal disponible sea mayor que 10 m3, se construirán tanques de obra. Las estructuras: Se reflejan en este PFG los cálculos realizados para determinar que, tomando perfiles de vigas del acero más común (S235), un perfil HEB100 resulta suficiente. Asimismo, las cargas desfavorables debidas al viento pueden considerarse despreciables. Como elemento de seguridad se introducirán unos tirantes en la estructura. Según los cálculos propuestos, la estructura está algo sobredimensionada a conciencia. Se quiere garantizar que la estructura no colapse por fallo de pandeo La estación de bombeo: La estación de bombeo cuenta con una cámara reguladora (el propio pozo), la bomba, y los elementos de la conducción: tuberías, válvulas, y goteros o emisores. La bomba será una de accionamiento con corriente continua y potencial de 24 V. Así, es posible ponerla en funcionamiento sin necesidad de instalar un inversor, que sería necesario si la bomba fuere trifásica. La red de tuberías se ha dimensionado de manera que se optimicen las pérdidas hidráulicas generadas por el rozamiento del fluido conducido. Se detallan en el documento de cálculos los pasos seguidos para dimensional los diámetros consecuentemente. Se escoge el material de las mismas por sus buenas propiedades físicas y su resistencia a la corrosión y condiciones ambientales adversas: polietileno. Dado que la instalación será superficial (soterrar las tuberías supondría una tremenda dificultad para identificar el punto de fallo en caso de producirse fugas además de encarecer el proyecto innecesariamente, pues no se trata de una zona de tránsito de vehículos por lo que es prescindible el soterrar las tuberías. Se instalarán dos módulos fotovoltaicos conectados en paralelo de manera que suministren una potencia mínima de 411,76W. Así, se podrá accionar la bomba de unos 300 W que se requiere para elevar el caudal requerido los 41 m de altura calculados (de los cuales, 38 corresponden a la profundidad del pozo y 3 a la elevación desde la boca del pozo. La dimensión del pozo es un factor crítico en el dimensionamiento de la bomba, pues se han de respetar las dimensiones relativas de diámetros recomendadas para no generar fuertes turbulencias que incurrirían en graves pérdidas. Se llevan a cabo cálculos de Mecánica de Fluidos para determinar el régimen del agua en el pozo y ajustar los parámetros necesarios para evitar las turbulencias mencionadas. Asimismo, dependerá de la capacidad de regeneración del pozo el caudal disponible a extraer para explotar la plantación: se hará un estudio del pozo en primera instancia, tal y como se detalla en el presente PFG, para poder determinar el caudal máximo disponible. En función de los resultados obtenidos, en función de lo que difieran de los 10 m3, se realizarán los pertinentes ajustes en el resto de la instalación.

En el estudio económico realizado se pone en valor la decisión tomada de emplear una bomba de CC con respecto a CA por el elevado coste que supondría la segunda elección. Además, se analiza la viabilidad del proyecto. Para ello se estudian en detalle dos requisitos indispensables para determinar si el proyecto es efectivamente viable: la rentabilidad económica y la fiabilidad del mismo.

El estudio de sostenibilidad examina el impacto del proyecto sobre los diferentes capitales; además, estudia las relaciones entre el proyecto y los nueve límites planetarios. El estudio resulta favorable. Se proponen además posibles mejoras y ampliaciones para reducir, por ejemplo, el impacto visual que tendrá sobre el paisaje.

En el segundo documento, se refleja el presupuesto calculado del proyecto, ascendiendo este a una suma de 4286,32 €.

SUSTAINABLE SOLAR PUMPING FOR SMALL PLANTATION IN ZIMBABWE Author: Marín Alcalá, Beatriz Director: Tellería Ajuriaguerra, Miren Collaborating Entity: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

In the present final thesis (PFG in Spanish), the author seeks to give an adequate response to the problematic of the access to the water in the rural zone of Mount Darwin, located North of Zimbabwe’s capital: Harare. Seeking to make a significant project, beyond a mere formality in order to obtain the title, the author decided to collaborate with the ICAI Engineers Foundation for development. After analyzing the proposals of the Foundation of this School, the present PFG arises. This thesis gives a possible solution to the unsustainable situation of the orphanage of the NGO Child Future Africa (CFA). The number of children sheltered in this "orfarm", mostly orphans of HIV and cholera, has been reduced in recent years because of the inefficient production of the plantation. The purpose of this project is to provide water to the small plantation of four hectares of the orphanage and by this, increase its production. The objective is to generate surpluses so that, once the food needs of the orphanage's guests have been met, the orphanage has a source of income that gives it the stability that does not guarantee its status as a donor-dependent. All the decisions taken throughout the design have had in mind the objective of minimizing the project’s cost due to its strong budget limitation. Other decisive factors have been maximizing the installation’s simplicity to easy the user’s understanding of the system’s processes. Moreover, due to the complicated accessibility and capacity of future purchases of spare parts or hiring of skilled manpower for the repair, simplicity must outcome other factors such as innovation or performance.

The following is a brief description of the process that has been followed throughout the development of the project In the first instance, the sociocultural circumstances have been analyzed. It is considered essential for the correct development of the project to understand the circumstances in which it is going to develop. Only by understanding the current situation of the beneficiaries can an effective proposal be developed as a solution to the problem. In an analogous way, climatic conditions have been studied. In this case, they are of relevance due to the characteristics of the project: an energy and economically viable solution is to be provided for irrigating the orphanage plantation. It is therefore essential that the climatic conditions of the site are favorable as far as the proposed solution is concerned. After analyzing different alternatives applied in real cases of a similar nature to the case raised in this PFG, we chose to design a solar irrigation system. By actuating a pump with photovoltaic modules, the water will rise to high tanks from which it will be irrigated by gravity.

To classify the project as successful, it is considered essential that the beneficiaries become familiar with the basic operation of the equipment and with the activities required for the maintenance of the same. To this end, the possible failure factors of the installation are exposed so that it is easier to identify them before the failure appears. This PFG will take place during the summer months of July and August. Possible extensions have been raised to execute in case of having the time and the necessary resources for it. Likewise, different contemplated alternatives are exposed, so that there are more options in case it is not possible for different circumstances to carry out the preferred option.

Once the different parts of the project have been defined and the weak points of the installation (of which we must be vigilant to extend the useful life of this), we proceed to study the specific needs of the project: the water flow required. It is estimated a daily need of 10 m3 for the four hectares to be exploited. Note that this flow is likely to be increased, and thus expand the cropland. This increase will be made based on the conclusions drawn in the light of the study of the well, described later. Once the objective of supply has been identified, the necessary calculations for the sizing of the project elements are developed:

The tank: The elevated tank from which it will be irrigated by gravity has a maximum dimension of 5 m3, due to limitations of the local market. Two tanks will be installed that will be located next to the source from where the water will be obtained to minimize the losses of load of the conduction. If the available flow is greater than 10 m3, construction tanks will be built.

The structures: The calculations made to determine that, taking profiles of beams of the most common steel (S235), a profile HEB100 is sufficient is reflected in this PFG. Also, unfavorable loads due to wind can be considered negligible. As a safety element, some straps will be introduced into the structure. According to the proposed calculations, the structure is somewhat overly conscientious. We want to guarantee that the structure does not collapse due to buckling failure.

The pumping station: The pumping station has a regulating chamber (the well itself), the pump, and the driving elements: pipes, valves, and drippers or emitters. The pump will be a drive with direct current and potential of 24 V. Thus, it is possible to put it into operation without the need to install an inverter, which would be necessary if the pump were three-phase. The pipe network has been dimensioned in such a way that the hydraulic losses generated by the friction of the driven fluid are optimized. The steps followed to dimension the diameters are detailed in the calculation document accordingly. The material of the same is chosen for its good physical properties and its resistance to corrosion and adverse environmental conditions: polyethylene. Since the installation will be superficial (burying the pipes would be a tremendous difficulty to identify the point of failure in the event of leakage in addition to expensive the project unnecessarily, it is not a transit area of vehicles, so it is dispensable to burying the pipes.

Two photovoltaic modules connected in parallel will be installed so that they supply a minimum power of 411.76 W. Thus, it will be possible to operate the pump of about 300 W that is required to raise the required flow rate to the calculated 41 m height (of which, 38 correspond to the depth of the well and 3 to the elevation from the mouth of the well.

The dimension of the well is a critical factor in the dimensioning of the pump, since the relative dimensions of recommended diameters must be respected in order not to generate strong turbulences that would incur serious losses. Fluid Mechanics calculations are carried out to determine the water regime in the well and adjust the necessary parameters to avoid the turbulence. Likewise, the flow rate available to be extracted to exploit the plantation will depend on the regeneration capacity of the well: a study of the well will be made in the first instance, as detailed in this PFG, to determine the maximum available flow. Depending on the results obtained, depending on what differs from the 10 m3, the pertinent adjustments will be made in the rest of the installation.

In the economic study carried out, the decision taken to use a DC pump with respect to CA for the high cost of the second election is put in value. In addition, the viability of the project is analyzed. For this purpose, two indispensable requirements are studied in detail to determine if the project is viable: economic profitability and reliability.

The sustainability study examines the impact of the project on the different capitals; In addition, it studies the relations between the project and the nine planetary limits. The study is favorable. It also proposes possible improvements and extensions to reduce, for example, the visual impact it will have on the landscape.

In the second document, the estimated budget of the project is reflected, amounting to € 4286.32.