INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL -...
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN SISTEMA INNOVADOR: CORTINA DE AGUA PARA INVERNADEROS FAMILIARES COMPETITIVOS T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO P R E S E N T A: JUAN CARLOS FRANCO SUASTE A S E S O R E S: M. en C. FERNANDO ELÍ ORTIZ HERNÁNDEZ M. en C. BETSABÉ SULAMITA ORTIZ ALFARO MÉXICO 2011
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD CULHUACAN
SISTEMA INNOVADOR: CORTINA DE AGUA PARA INVERNADEROS
FAMILIARES COMPETITIVOS
T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO
P R E S E N T A:
JUAN CARLOS FRANCO SUASTE
A S E S O R E S: M. en C. FERNANDO ELÍ ORTIZ HERNÁNDEZ M. en C. BETSABÉ SULAMITA ORTIZ ALFARO
MÉXICO 2011
Este trabajo de tesis es dedicado:
Principalmente a Dios por darme la oportunidad de tener una vida plena, salud
y el valor para continuar con mi preparación profesional y personal. A mis
padres Juana María Suaste T. y José Luis Franco M. por haberme brindado la
oportunidad y todas las facilidades para estudiar una carrera, por darme su
apoyo y hacer de mi una buena persona. A mis hermanos Gabriela Enoé y
José Luis por apoyarme durante los momentos difíciles y compartir tantas
alegrías en familia.
AGRADECIMIENTOS
Al Instituto Politécnico Nacional por facilitarme un lugar dentro de la institución
y proporcionarme los recursos para terminar esta etapa de mi educación
profesional.
Al M. en C. Fernando Elí Ortiz Hernández por compartir sus conocimientos y
experiencias, orientándome a tomar el camino indicado hacia una mejor
preparación e inculcar en mí la visión de ser una persona de éxito y el deseo de
siempre seguir adelante, como hasta el día de hoy él lo ha conseguido.
A mi tía María de los Ángeles Suaste T. por ser mi segunda madre, ver por mí
todo este tiempo y ser parte de esta nueva vida que se me ha brindado.
A mi tío Miguel Ángel Suaste T. que siempre ha sido y será mi mayor ejemplo a
seguir, tanto profesional como personalmente. Por compartir tantos momentos
juntos y brindarme la oportunidad y confianza de participar en todo proyecto
que esté por iniciar.
A todos aquellos seres queridos que me rodean o han estado cerca de mi, por
ayudarme a sacar ese coraje para superarme día con día y mostrarme que con
valor todo lo puedo alcanzar.
CONTENIDO
ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................... VI
ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS ............................................................................. VII
RESUMEN ...................................................................................................... VIII
ABSTRACT ....................................................................................................... IX
INTRODUCCIÓN ............................................................................................... X
OBJETIVO........................................................................................................ XII
JUSTIFICACIÓN .............................................................................................. XII
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES ..................................................................... 14
1.1 Zona de estudio del proyecto ................................................................... 15
1.2 Problemática en el cultivo hortícola .......................................................... 16
1.3 Cultivos hidropónicos ............................................................................... 18
1.3.1 Sistemas de hidroponía .................................................................... 19
1.3.2 Sustratos .......................................................................................... 20
1.3.3 Riego en hidroponía ......................................................................... 21
1.3.4 Solución nutritiva .............................................................................. 22
1.3.5 Germinación de semillas .................................................................. 23
1.3.6. Factores que intervienen en el proceso de producción ................... 25
1.4 Productividad .......................................................................................... 28
1.4.1 Invernadero experimental en casa-habitación .................................. 31
CAPÍTULO 2. MARCO CONCEPTUAL ............................................................ 36
2.1 Importancia del conocimiento y de la tecnología .................................... 37
2.1.1 Propiedad intelectual. Marca y patente ............................................ 42
2.2 Modelo de innovación Kline-1985 ........................................................... 44
2.3 Innovación incremental ........................................................................... 45
2.4 Climatización en invernaderos ................................................................ 48
2.4.1 Control de temperatura .................................................................... 49
2.4.2 Ventilación ........................................................................................ 50
2.4.3 Pared húmeda .................................................................................. 52
2.5 Conceptos generales de hidráulica ......................................................... 53
2.6 Conceptos generales de termodinámica ................................................. 56
CAPÍTULO 3. DISEÑO DEL SISTEMA INNOVADOR:
CORTINA DE AGUA AUTOMATIZADA ........................................................... 60
3.1 El proceso de diseño............................................................................... 61
3.2 Cortina de agua en mini invernadero para aprendizaje .......................... 66
3.3 Sistema Aula – invernadero para capacitación rural ............................... 67
3.4 Controlador automático de temperatura y riego ...................................... 74
3.4.1 Elementos básicos de electrónica .................................................... 74
3.4.2 Control electrónico ........................................................................... 77
CAPÍTULO 4. CONSTRUCCIÓN Y PRUEBA DEL SISTEMA .......................... 82
4.1 Trabajo de campo ................................................................................... 82
4.2 Construcción del sistema ........................................................................ 84
4.3 Prueba del sistema ................................................................................. 94
Resultados .................................................................................................... 96
Discusión de Resultados .............................................................................. 98
Conclusiones ................................................................................................ 99
Bibliografía .................................................................................................. 101
Anexo 1....................................................................................................... 102
Anexo 2....................................................................................................... 104
VI
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Ubicación de la zona de estudio. Tomado del IDM ........................... 15
Figura 2. Cultivo en agua o raíz flotante. .......................................................... 19
Figura 3. Cultivo en sustrato............................................................................. 20
Figura 4. Proceso de germinación de las semillas ........................................... 24
Figura 5. Estudio del trabajo............................................................................ 30
Figura 6. Fuente: Activos intelectuales. Fernando Méndez, ............................. 40
Figura 7. Modelo Kline de innovación .............................................................. 45
Figura 8. Innovación incremental en invernadero hidropónico ......................... 47
Figura 9. Ventilación natural ............................................................................. 52
Figura 10. Ecuaciones de caudal. .................................................................... 54
Figura 11. Cortina de agua en invernadero automático ................................... 60
Figura 12. Proceso de diseño. .......................................................................... 61
Figura 13. Análisis del problema ...................................................................... 62
Figura 14. Funcionamiento de la cortina de agua
instalada en mini invernadero ........................................................................... 67
Figura 15. Sistema Aula – invernadero. ........................................................... 68
Figura 16. Partes y funcionamiento del sistema de enfriamiento ..................... 70
Figura 17. Sistema de raíz flotante ................................................................... 72
Figura 18. Circuito electrónico .......................................................................... 74
Figura 19. Corriente eléctrica ........................................................................... 74
Figura 20. Simulación de la corriente eléctrica con el agua ............................. 75
Figura 21. Corriente continua o Directa. ........................................................... 75
Figura 22. Corriente alterna.............................................................................. 75
Figura 23. Multímetro y componentes principales. ........................................... 76
Figura 24. Símbolos de fase y tierra ................................................................. 77
Figura 25. Diagrama eléctrico del prototipo. ..................................................... 78
Figura 26. Dimensiones del invernadero. ......................................................... 88
Figura 27. Formula para el cálculo del área de una elipse. .............................. 88
Figura 28. Parte superior del invernadero ........................................................ 89
Figura 29. Cortina de agua con malla agribón y malla mosquitero. .................. 91
Figura 30. Tabla de cotización, lista de materiales, precios y costo estimado de
la cortina de agua. ............................................................................................ 94
VII
ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS
Fotografía 1. Invernadero experimental para cultivo hidropónico en azotea .... 14
Fotografía 2. Invernadero experimental instalado
en una azotea al norte de la Ciudad de México. .............................................. 35
Fotografía 3. Compartiendo y transfiriendo el conocimiento ............................ 36
Fotografía 4. Mini invernadero. ......................................................................... 66
Fotografía 5. Cortina de agua o sistema de enfriamiento ................................. 69
Fotografía 6. Controlador automático de temperatura y riego. ......................... 77
Fotografía 7. Vistas laterales y frontales del prototipo ...................................... 81
Fotografía 8. Mostrando cortina de agua en funcionamiento ........................... 82
Fotografía 9. Bomba sumergible ...................................................................... 84
Fotografía 10. Caída del agua dirigida por malla agribón ................................. 85
Fotografía 11. Caída del agua dirigida por malla mosquitero ........................... 86
Fotografía 12. Tubos y accesorios de PVC ...................................................... 87
Fotografía 13. Extractor de aire ....................................................................... 90
VIII
RESUMEN
Esta Tesis se deriva del proyecto SIP 20111139 “Diseño del modelo de un
centro de desarrollo e innovación tecnológica regional” y responde a la
solicitud de grupos sociales de la montaña que cultivan hortalizas en
invernaderos familiares y que tienen el problema de controlar las temperaturas
altas que se presentan durante el día y que afectan a sus cultivos protegidos.
Se analizaron los invernaderos familiares en la región de estudio y el proceso
de cultivo de sus hortalizas, se investigó como controlan las temperaturas altas
en invernaderos industriales de diferentes países, se conocieron sistemas
hidropónicos, se experimentó en un invernadero en azotea y se plantearon
soluciones aplicando conocimientos adquiridos en la escuela.
Con criterios de la innovación tecnológica incremental, se diseñó, construyó e
instaló una pared húmeda en mini invernadero móvil de capacitación y en dos
comunidades rurales cortinas de agua con sistema automatizado en un aula
invernadero y en un invernadero innovador.
Las cortinas de agua funcionaron correctamente manteniendo la temperatura
inferior a 29° C dentro de los invernaderos de prueba. El trabajo tiene un
impacto educativo, social, tecnológico y ecológico.
IX
ABSTRACT
This Thesis comes from the project SIP 20111139 “Design of the model of a
center for technological innovation and development regional” and responds to
the request of social groups of the mountain that seed vegetables in familiar
greenhouses, and that they trouble to control the high temperatures they have
throughout the day and that affect their protected crops.
Familiar greenhouses were analyzed in the studied branch and the process of
growing of their vegetables; it was searched how to control the high
temperatures at industrial greenhouses in different countries, we knew about
hydroponic systems, we experimented in a greenhouse on a roof and we set
solutions applying knowledge acquired at school.
Using the criteria of the incremental technologic innovation, it was designed,
constructed and installed a wetted wall in a mini mobile greenhouse of training,
and, in two communities, water curtains were placed with an automatized
system in a green house hall and in an innovator greenhouse.
These water curtains worked correctly maintaining an inferior temperature to
29ºC inside the proof greenhouses. This work is traduced in an educative,
social, and technological impact.
X
INTRODUCCIÓN
El trabajo se desarrolla dentro del proyecto SIP 20111139 “Diseño del modelo
de un centro de desarrollo e innovación tecnológica regional” y tiene como
antecedente el proyecto realizado por convenio IPN ESIME UC-Fundación
Produce Oaxaca, AC. "Innovación tecnológica en sistemas de producción
hortícola en invernaderos familiares rurales” Clave 20-2007-0781.
Uno de los problemas que se presentan en el cultivo de hortalizas dentro de
invernaderos familiares rurales, es la alta temperatura durante el día que
marchita, deshidrata y en ocasiones mata a las plantas y la producción se
anula con la consecuente pérdida económica. La pregunta de investigación es
¿Cómo controlar de manera eficiente y económica las altas temperaturas
durante el día dentro de invernaderos familiares rurales?
Por lo anterior, se planteó la hipótesis: en la medida que se incorporen
tecnologías apropiadas con conocimientos de ingeniería en el marco de la
innovación tecnológica, es posible diseñar un sistema innovador económico y
eficiente que permita controlar automáticamente las temperaturas altas en
invernaderos familiares de manera fácil y segura.
El objetivo de esta tesis es diseñar un sistema innovador que controle de
manera automática la temperatura alta dentro de invernaderos rurales, y que
sirva para el aprendizaje de familias campesinas y de alumnos de ingeniería.
En el capítulo 1 se localiza la zona de estudio, donde se realiza una descripción
de las principales características del suelo que afectan el cultivo hortícola,
como es el caso del relieve y el clima
La importancia del conocimiento y el marco conceptual se presentan en el
capítulo 2 donde se expone el modelo de Kline, que nos sugiere una
metodología para llegar a la concepción de la innovación, viéndola como un
proceso no tan estructurado y determinado entre normatividades. También se
mencionan conceptos generales de hidráulica y térmica, con la finalidad de
comprender el modo en que trabajan los sistemas diseñados.
XI
En el capítulo 3 se expone el diseño del sistema innovador: Cortina de agua
automatizada apoyándose en el modelo de Krick, que nos explica como
encontrar la solución más factible a un problema especifico teniendo en cuenta
que podemos encontrar diversas soluciones aprendiendo a no limitarnos o
restringirnos. Se representa el aula-invernadero y los sistemas con los que
cuenta, así como la descripción de cada uno de ellos.
La instalación y la prueba en campo se presentan en el capítulo 4, donde se
realiza una descripción de cada uno de los componentes del sistema, así como
su funcionamiento, también se mencionan algunos de los problemas que se
presentaron al realizar el trabajo de campo, sin dejar a un lado los beneficios
que se alcanzaron gracias a este trabajo de investigación.
Los resultados que se obtuvieron con este trabajo de tesis, fue el diseño e
instalación de tres sistemas de enfriamiento que permiten el control de la
temperatura alta en invernaderos familiares en el estado de Oaxaca, que
cumplen con el objetivo de apoyar al desarrollo rural.
Se puede concluir que introduciendo tecnología apropiada en los procesos de
producción rural es posible aumentar la productividad en el cultivo de hortalizas
en zonas rurales.
Cuando las personas que cultivan de manera tradicional permiten la
introducción de tecnología, se dan cuenta que es posible mejorar el modo en
que cultivan, obteniendo resultados positivos y abriendo su mente a nuevos
cambios tecnológicos.
El trabajo tuvo un impacto: social, ya que introduciendo mejoras tecnológicas
en el cultivo hortícola en invernaderos familiares, da pie a una evolución tanto
cultural como social. Educativo porque nos permitió como egresados del
Instituto Politécnico Nacional poner a prueba los conocimientos adquiridos
durante la carrera y enfrentarnos a situaciones con las que no convivimos día a
día. Tiene un impacto tecnológico porque al vernos en la necesidad de innovar,
se muestra que somos capaces de crear tecnología que se puede aplicar a
nivel mundial. El impacto ecológico se presenta principalmente en el ahorro de
agua, los sistemas instalados están diseñados con las finalidad de reutilizar el
XII
agua en su totalidad, perdiendo solamente el líquido que se evapora por
causas naturales y finalmente este trabajo de tesis tiene un impacto económico
porque al inicio la inversión puede ser elevada con respecto a los métodos
tradicionales de cultivo, pero al observar los beneficios que se obtienen al
incrementar la productividad al término de un ciclo de cultivo, la inversión inicial
es amortizada, y es ahí donde la tecnología muestra sus beneficios.
OBJETIVO
Diseñar un sistema innovador que controle la temperatura alta dentro de
invernaderos rurales de manera automática, y que sirva para el aprendizaje de
familias campesinas y de alumnos de ingeniería.
JUSTIFICACIÓN
Cuando la temperatura dentro de los invernaderos es superior a los 40°C las
hortalizas se marchitan o pueden morir, lo que origina la pérdida del cultivo, la
pérdida económica y la desmotivación de los productores. En los invernaderos
rurales a partir de las 12 horas del día se registran temperaturas mayores a los
34°C; por consiguiente es necesario bajar la temperatura a menos de 30°C,
para que las plantas no se estresen.
Con este trabajo de tesis, se benefician las familias rurales y productores que
utilizan sistemas protegidos y requieren la implementación de sistemas
técnicos para mejorar las condiciones de crecimiento de sus hortalizas y así
garantizar su cosecha en el tiempo estimado, también se beneficia el grupo que
realiza el trabajo de campo y la investigación.
Este trabajo se realizó hasta diseñar, construir y probar un sistema fácil de
instalar y operar, que permita de manera automática controlar la temperatura
alta dentro del invernadero familiar rural. Se instalará y probará en la región de
estudio para optimizar el sistema, además, se capacitará a los usuarios y se les
hará entrega de un manual.
XIII
Esta tesis se desarrolló principalmente con cuatro fines, académicos, técnicos
porque es una innovación incremental, sociales porque beneficia a personas
frecuentemente olvidadas y económicas ya que incrementa el ingreso familiar.
Es necesario que estudiemos este tema, para aprender más de diferentes
sistemas empleados en otros países, en otras condiciones, pero que se adaptó
a las posibilidades y circunstancias rurales. Se analizó porque nuestra
Institución tiene una orientación social y cuando se propone una solución a un
problema real se da crédito a quienes lo realizan, a nuestras familias y al
Politécnico.
14
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES
El cultivo hortícola, ha sido una de
las principales fuentes de
alimentación para el ser humano
desde épocas prehispánicas, éste
se ha visto en la necesidad de
evolucionar debido al cambio
climático, pobreza del suelo y
escasez de agua.
Fotografía 1. Invernadero experimental para cultivo hidropónico en azotea
“La innovación es el elemento clave que explica la competitividad, es sinónimo de cambio, es atreverse a diseñar nuevos productos y procesos de fabricación que sean aceptados por el mercado” {…}
(Escorsa y Valls, 2003)
15
Este trabajo es derivado del proyecto de investigación “…” que se realizó en la
Mixteca del Estado de Oaxaca, con el propósito de contribuir al mejoramiento
de la calidad de vida de familias campesinas que cultivan hortalizas en
condiciones desfavorables por el clima y la falta de agua.
¿Cómo se puede asegurar la producción de calidad de hortalizas y hacer más
fácil y productivo el trabajo de familias campesinas? Se puede responder que
es con la introducción de tecnologías, nuevos métodos de cultivo e
innovaciones que permitan aumentar la productividad y la producción de
calidad durante todo el año.
1.1 Zona de estudio del proyecto
El paraje Mixteco es una zona económica, cultural y política compartida por los
Estados de Oaxaca, Guerrero y Puebla, se trata de una zona en la que
converge el Eje Neovolcánico y la Sierra Madre del Sur. La Mixteca, como se
conoce en México, cuenta con una superficie aproximada de 40,000 km2.
Según la Fundación Ayú A.C. y el IDM1, la Mixteca Oaxaqueña se divide en
Mixteca alta y baja, ocupando 155 municipios y una división política de 7
Distritos: Nochixtlán, Teposcolula, Coixtlahuaca, Tlaxiaco, Huajuapan de León,
Silacayoapan y Juxtlahuaca, abarcando una extensión de 16,333 km2. Figura 1
1 Instituto para el Desarrollo de la Mixteca A.C.
Figura 1. Ubicación de la zona de estudio. Tomado del IDM
16
Los suelos de la Mixteca presentan un alto índice de erosión, debido al relieve
burdo, escasa vegetación y al mal manejo del suelo por parte del hombre. De
acuerdo a un estudio realizado por la Universidad Autónoma Chapingo en el
año de 1986, se reporta un 13.3% de la superficie total con muy alto grado de
erosión, un 46% de la superficie total se encuentra con alto grado de erosión, el
38.7% de la superficie con erosión moderada y solo el 2% de la superficie
presenta erosión leve.
1.2 Problemática en el cultivo hortícola
La agricultura como sector primario encargado de producir los recursos
necesarios para la alimentación mundial, enfrenta grandes retos ligados a los
problemas ambientales de nuestro tiempo, tales como la alteración de los
ecosistemas naturales, el cambio climático, la deforestación, la extinción de
especies animales y vegetales, la contaminación del agua, aire y suelo, la
desertificación2 de grandes regiones, la mala distribución del agua dulce y
sistemas deficientes de riego, el crecimiento y la emigración de la población
humana.
Limitaciones del suelo y relieve
En cuanto al tipo de relieve, el 64% del territorio nacional (aproximadamente
130 millones de hectáreas) no es apto para el uso agrícola rentable, por ser
demasiado montañoso (pendientes de 25º o más) o muy delgado, como
producto de la erosión. Aproximadamente el 64% de la superficie dedicada a la
agricultura está sometida a procesos de erosión hídrica, el 94% a la erosión
eólica y varias regiones agrícolas tienen problemas de baja fertilidad,
salinización, contaminación e inundaciones de terrenos.
El problema creado por el aumento de la población, el deseo de dar seguridad
y un mayor nivel de la vida a la población en todo el mundo, han venido a
enfocar la atención en los últimos años, en lo que se refiere a la economía del
agua.
2 Transformar en desierto amplias extensiones de tierras fértiles.
17
El efecto de esa atención ha sido y será, comprobar la urgencia de la
construcción de obras para regular el aprovechamiento del agua en todo el
mundo, lo que dará al ingeniero, al agricultor y al hidrólogo, oportunidades sin
paralelo para poner sus conocimientos y capacidad al servicio de la
humanidad. (Henry O. 1961).
El agua es factor esencial para la vida. Las necesidades del hombre para su
consumo directo personal, a fin de asegurar su simple existencia, constituyen,
sin embargo, solamente un pequeño porcentaje de las necesidades totales. El
agua ejerce su principal control sobre los destinos del hombre en combinación
con el suelo.
La región de estudio presenta tierras erosionadas, dificultad para retener el
agua de lluvia, ya que son comunidades en la parte alta de la montaña y tienen
climas extremosos.
En México aproximadamente el 14 % de la superficie nacional tiene capacidad
y vocación agrícola, del cual los sistemas y cultivos agrícolas ocupan casi la
totalidad de esa superficie, por lo que ya no se dispone de áreas para la
apertura de nuevos terrenos al cultivo bajo técnicas tradicional y convencional
(SAGARPA, 2006).
El trabajo de campo fue en comunidades de la montaña de la Mixteca, donde
precisamente se presentan los problemas de relieve y falta de agua, el cultivo
en invernadero se dificulta porque en las noches baja la temperatura y durante
el día sube a más de 34ºC, porque los suelos son arenosos, y el nivel de
insolación es alto; por lo tanto, es necesario diseñar elementos que permitan
controlar la temperatura en los limites requeridos por el cultivo.
Para las familias campesinas de la zona de estudio, un nuevo método para
cultivo de hortalizas lo representa el cultivo hidropónico dentro de invernadero
con las siguientes ventajas: ahorra agua, se puede cultivar durante todo el año
y tiene posibilidad de controlar la temperatura; sin embargo por mi carrera de
ingeniero mecánico con especialidad en manufactura debo obtener los
conocimientos relacionados con los cultivos hidropónicos junto con la
geminación y crecimiento de las plantas y sobretodo aplicarlos.
18
1.3 Cultivos hidropónicos
El cultivo de las plantas sin tierra, se ha desarrollado a partir de los
descubrimientos hechos en las experiencias llevadas a cabo para determinar
qué substancias hacen a las plantas y la composición de ellas.
¿Qué es la hidroponía?
“Es la ciencia del cultivo de plantas sin el uso de tierra, en un medio inerte
(arena gruesa, turba, vermiculita, aserrín, etc.) al que se le agrega una solución
nutriente que contiene todos los elementos esenciales requeridos por la planta
para su crecimiento normal” (Barbado, 2005, p.10)
Los cultivos hidropónicos han llegado a ser una realidad para los cultivadores
en invernaderos virtualmente en todas las áreas climáticas, existiendo
instalaciones de esta índole en todo el mundo tanto para el cultivo de hortalizas
como el de plantas ornamentales.
La hidroponía es una ciencia joven, habiendo sido usada bajo una base
comercial desde hace sólo cuarenta años, sin embargo se ha podido adaptar a
diversas situaciones, desde los cultivos al aire o invernaderos altamente
especializados en submarinos atómicos para obtener verduras frescas. En la
actualidad se considera a la hidroponía como una rama establecida de la
agronomía en expansión. El término hidroponía viene de los vocablos griegos
hydros, que significa agua y ponos equivalente a trabajo o actividad.
Al utilizar alguna técnica hidropónica obtenemos diversas ventajas como son:
cultivos libres de parásitos, reducción de costos de producción, ahorro de
fertilizantes e insecticidas, se evita la maquinaria agrícola (tractores, rastras,
etc.), limpieza e higiene en el manejo del cultivo, alto porcentaje de
automatización, balance ideal de aire, agua y nutrientes, excelente drenaje,
más altos rendimientos por unidad de superficie, posibilidad de varias cosechas
al año, uniformidad en los cultivos y reducción en gran medida de la
contaminación del medio ambiente y los riesgos de la erosión.
19
1.3.1 Sistemas de hidroponía. El cultivo en agua o raíz flotante: como se muestra en la figura 2 las plantas
viven directamente en el agua, en la que se han disuelto los nutrientes, que
están en contacto con las raíces de la planta. El agua es oxigenada
constantemente para evitar que las plantas sufran por falta de oxigeno y
mueran.
A. Tanque de cemento reforzado y otros materiales
B. Raíz tipo agua
C. Plancha de poliestireno (unicel)
D. Solución nutritiva
Figura 2. Cultivo en agua o raíz flotante.
20
Cultivo en sustrato: las plantas crecen en un material sólido, inerte y libre de
nutrientes que es el sustrato. Este sustrato ayuda a fijar a la raíz de la planta
sirviéndole de sostén. Los nutrientes son disueltos en el agua, que al circular
por el sustrato, está en contacto con la raíces de las plantas. Figura 3.
A. Planta
B. Contenedor
C. Solución nutritiva
D. Sustrato
1.3.2 Sustratos
De a cuerdo con Miguel Urrestarazu (2003), el éxito de los cultivos sin suelo
depende de la disponibilidad de sustratos de bajo costo, los cuales, bien se
desechan después del cultivo, o se reutilizan luego de una esterilización con
vapor.
Dentro de los sustratos orgánicos podemos encontrar tales como: cascarilla de
arroz, aserrín de maderas que no sean rojas ni de pino y turbas. Y como
sustratos inorgánicos: lana de roca, perlita y arena.
Algunas de las propiedades físicas de los sustratos que debemos tener en
cuanta son: porosidad, densidad, estructura y granulometría. Y como
propiedades químicas: reacciones químicas, reacciones físico-químicas y
reacciones bioquímicas.
Figura 3. Cultivo en sustrato Elaboración propia.
21
1.3.3 Riego en hidroponía
En los cultivos hidropónicos, es imprescindible el uso de un sistema de riego
para suplir las necesidades de agua de las plantas y suministrarle los nutrientes
necesarios.
Los sistemas de riego que pueden utilizarse van desde uno manual con
regadera, hasta el más sofisticado con controladores automáticos de
dosificación de nutrientes, pH y programador automático de riego.
Un sistema de riego consta de un tanque para el agua y nutrientes, tuberías
que conducen el agua y goteros o aspersores.
El tanque debe ser inerte con respecto a la solución nutritiva y de fácil
mantenimiento, limpieza y desinfección. El criterio para seleccionar el tamaño
puede variar por el cultivo, localidad, método de control de la solución nutritiva,
etc. Cuanto más pequeño sea, más frecuente será la necesidad de controlar su
volumen y composición.
La ubicación del tanque dependerá de la situación del cultivo. En caso de regar
por gravedad, deberá tener suficiente altura para lograr buena presión en los
goteros, si se riega utilizando una bomba, el tanque puede estar enterrado en
el piso.
Uno de los sistemas más ventajosos es el riego por goteo en el cual el agua es
conducida hasta el pie de la planta por medio de mangueras y con goteros que
la dejan salir con un determinado caudal. Con este sistema se aumenta la
producción de los cultivos, menos daños por salinidad, acortamiento del
período de crecimiento y cosechas más tempranas, mejores condiciones
fitosanitarias.
En el riego por aspersión, el agua es llevada a presión por medio de tuberías y
dosificada mediante aspersores que simulan la lluvia.
En el riego NFT, es la técnica de la capa de nutriente (Nutrien Film Technique)
el principio de operación consiste en hacer pasar una capa de solución de
nutrientes a través de un canal o tubo. La solución moja las raíces de las
plantas constantemente para alimentarlas.
22
Este sistema consiste en el tubo de PVC con orificios a lo largo para introducir
las plantas. Las plantas pueden estar suspendidas por una cuerda, o con un
pequeño recipiente como medio de crecimiento para contener la planta. Se
hace pasar una pequeña película de solución constantemente sobre las raíces
para mantenerlas hidratadas.
Aspectos a cuidar mediante el cultivo con hidroponía
Las plantas requieren de mucho cuidado, por lo tanto debemos de controlar: la
temperatura, el tiempo de trasplante, la cantidad de luz, la circulación del aire,
la humedad y la proporción de nutrientes que debe recibir la planta.
1.3.4 Solución nutritiva
Así como los humanos requerimos alimentarnos para poder vivir, las plantas
también, ellas necesitan de una solución nutritiva que se define como un
conjunto de elementos nutritivos requeridos por las plantas, esa solución
nutritiva consta de sales minerales que son disueltos en el agua.
En los cultivos hidropónicos, las plantas crecen en el agua o en diferentes tipos
de sustratos inertes que no aporten ningún tipo de alimento. Los nutrientes se
les proporciona mediante una solución nutritiva la cual se disuelve en agua,
esta solución nutritiva en hidroponía las hará crecer sanas, vigorosas y con
excelentes cosechas.
Los nutrientes para las plantas cultivadas en hidroponía son suministrados en
forma de soluciones concentradas. Estas soluciones de nutrientes pueden ser
preparadas por los propios horticultores, cuando se ha adquirido suficiente
experiencia en el manejo de los cultivos o cuando tienen áreas lo
suficientemente grandes como para justificar una inversión en materias primas
para su preparación.
23
1.3.5 Germinación de semillas
A continuación se muestra, una manera fácil de germinar semillas para su
cultivo tradicional o hidropónico. Figura 4.
Materiales:
Caja o cama de madera
Tablita de madera o de platico
Semillas
Sustrato
Hojas de papel periódico
Piedras
Proceso para germinación de semillas
Acción Descripción
Colocar el sustrato húmedo en la caja o cama de madera.
Nivelar con una tablita de modo que el sustrato quede repartido sobre toda la
superficie del contenedor
Ayudándose de un palito de madera, realizar por toda la superficie surcos, con una separación aproximada de
5cm entre uno y otro.
24
Por cada surco, arrojar una semilla, asegurándose que se encuentren a
una profundidad de por lo menos 2cm.
Verter nuevamente una capa delgada de sustrato, para así cubrir todos los surcos con sus respectivas semillas.
Con ayuda de una regadera,
apelmazar el sustrato manualmente, cuidando de no sacar las semillas de
sus surcos.
Tapar el semillero con una o varias hojas de papel periódico, para que no entre la luz y permita la germinación.
Sin remover el periódico, regar todo el semillero con agua dos veces al día. De 5 a 10 días se observará que los
primeros brotes empiezan a nacer. Es conveniente retirar el periódico para permitir su pleno desarrollo de las
plántulas.
Figura 4. Proceso de germinación de las semillas
25
1.3.6. Factores que intervienen en el proceso de producción
Las plantas requieren de mucho cuidado, por lo tanto debemos de controlar: la
temperatura, trasplante, la cantidad de luz, la circulación del aire, la humedad y
la proporción de nutrientes que debe recibir la planta.
Temperatura.
La temperatura influye en los procesos fisiológicos dentro de la planta,
actuando de manera positiva cuando estas no exceden del máximo y del
mínimo agrícola, y de manera negativa cuando se exceden de los rangos
óptimos repercutiendo directamente en la producción de los cultivos.
Entre los procesos fisiológicos que se efectúan por la temperatura son los
siguientes: germinación, respiración, fotosíntesis, crecimiento, desarrollo,
absorción, etc. Las necesidades de temperatura durante todo el ciclo de cultivo,
difieren de acuerdo a su estado de crecimiento.
Para que la germinación sea rápida, es necesario que se realice rápidamente la
absorción de agua, que se activen los procesos enzimáticos para movilizar las
reservas y que se verifique cuanto antes la división y crecimiento de las células,
para esto, se requiere de una temperatura entre 25 y 30 ºC.
Durante el periodo vegetativo se requiere de altas temperaturas que aceleran el
crecimiento y desarrollo de las distintas partes de la planta, pero debe de existir
una diferencia significativa entre las temperaturas diurna y nocturna para una
distribución correcta de la nutrición orgánica.
En el periodo de florecimiento y fructificación la temperatura óptima deberá ser
igual o ligeramente mayor a la del periodo vegetativo, sin llegar a los extremos,
de manejar temperaturas mayores, peligra la fertilización de la flor, así como la
misma flor y en consecuencia la producción.
La temperatura de la solución nutritiva es uno de los factores más importantes
y que rara vez es tenido en cuenta por las personas en el cultivo. Dado que la
solución nutritiva proporciona todos los nutrientes necesarios a las plantas, es
26
de vital importancia que la solución este en las condiciones adecuadas para
que estos nutrientes puedan ser absorbidos.
La importancia de la temperatura de la solución nutritiva es muchas veces
desestimada como una variable poco importante, aunque cambios en la
temperatura del medio de cultivo y la solución pueden ocasionar graves
deficiencias nutritivas. Por ejemplo, las plantas son incapaces de captar fósforo
cuando la temperatura de las soluciones nutritivas está por debajo de los 10°C
y les cuesta mucho trabajo por debajo de los 15°C.
Trasplante
Es pasar la planta del almácigo al lugar definitivo en el cual crecerá. En este
momento la planta sufrirá una descompensación momentánea, conocida como
estrés, en su relación funcional, absorción, transpiración, por lo cual el manejo
deberá ser cuidadoso, tratando de no dañar las raíces.
Todas las plantas que sufren un trasplante, necesitan de humedad para su
restablecimiento y que este sea más rápido, y así aminore el desbalance de
absorción o transpiración.
Cantidad de luz
La importancia de la luz para las plantas se resume en que sin luz no hay
fotosíntesis, por consiguiente no hay crecimiento, ni desarrollo. Si la luz el
limitada, disminuye la cantidad y calidad de la producción.
La calidad de luz se refiere básicamente a sus diferentes rayos que la
componen, así como sus diferentes manifestaciones a lo largo del día y que
inciden o repercuten directamente en la fotosíntesis.
Se supone que las plantas responden positivamente a una mayor cantidad de
luz, pero se ha observado que existen diferentes respuestas de las plantas a
este estímulo por lo que podemos clasificarlas en exigentes, medianamente
exigentes y poco exigentes.
27
Humedad
El agua forma parte importante en la formación de los órganos de la planta
hortícola. Es el mayor componente de las plantas, entre 65 y 95%. Por medio
del agua se realizan procesos fisiológicos complejos como el crecimiento y
desarrollo. Sin esta, no puede existir la vida de las plantas.
El agua es de gran importancia en el sustrato, porque es el disolvente más
eficiente de todas las sales y de esta manera pone a disposición de las plantas
los iones necesarios para su alimentación orgánica, pero también es de vital
importancia el agua en el medio ambiente, porque influye en el proceso de
fertilización y transpiración.
También debe considerarse el tamaño del área foliar, debido a que por regla
general, mientras más follaje tenga la planta, mayor será su transpiración, por
lo tanto, aumentarán sus necesidades de agua.
Las necesidades del agua a lo largo del desarrollo de las plantas no son
iguales, por lo que es necesario tomar en cuenta la importancia del agua en
cada uno de los estados de crecimiento.
Circulación del aire
La ventilación de los cultivos hidropónicos es muy importante, especialmente
los instalados en lugares cerrados, donde debe haber una buena circulación de
aire fresco. Sin embargo las corrientes de aire, el humo, los gases y el polvo
son muy perjudiciales.
Si el ambiente es muy seco deberá humedecerse, colocando recipientes con
agua o rociando las hojas. El exceso de humedad provocará el desarrollo de
enfermedades.
En lugares abiertos, debe protegerse a los cultivos de vientos fuertes pues
afecta la polinización de las flores secándolas e impide el vuelo de los insectos.
Sin embargo, los vientos moderados suelen favorecer la circulación de la savia,
facilitan la fecundación transportando el polen y renuevan el aire en el medio
ambiente de la planta.
28
Para el caso del cultivo de tomate hidropónico, si están en un sistema
totalmente cerrado, requieren medios de ventilación y circulación del aire que
pueda además tener generadores de CO2 para aumentar la cantidad de
carbono utilizable para la fotosíntesis y generación de azúcares por parte de las
frutas del cultivo hidropónico. Hay quienes usan quemadores de butano o
propano o etileno para generar CO2 en los invernaderos.
Proporción de nutrientes
La adición de los elementos nutritivos es un procedimiento de control y
balance. Los elementos considerados esenciales para el crecimiento de la
mayoría de las plantas son: Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Fósforo,
Potasio, Calcio, Azufre, Magnesio (macronutrientes) y Hierro, Manganeso,
Boro, Zinc, Cobre, Molibdeno, Cobalto y Cloro (micronutrientes).
Cada elemento es vital en la nutrición de la planta, la falta de uno solo limitará
su desarrollo, porque la acción de cada uno es específica y ningún elemento
puede ser reemplazado por otro. Todos estos elementos le sirven para la
construcción de la masa de tejido vegetal.
Es necesario aclarar que no existe una única fórmula para nutrir los cultivos
hidropónicos, la mejor fórmula es la que cada uno experimente con óptimos
resultados.
1.4 Productividad
Una de las actividades importantes del ingeniero es aumentar la productividad
y proponer métodos más eficientes, en el caso de los cultivos hidropónicos se
aumenta la productividad porque se producen más plantas por m2, también
porque germinan prácticamente todas las semillas y cuando la hidroponía es
cerrada se optimiza el uso de agua y de nutrientes.
El aumento de la productividad contribuye a elevar el nivel de vida; es decir,
producir más al mismo costo, o bien se consigue la misma cantidad de
producción a un costo inferior.
29
La productividad puede definirse como la relación entre producción e insumo.
La productividad es el cociente entre la cantidad producida y la cuantía de los
recursos que se hayan empleado en la producción. (OIT, 1981)
El uso que se hace de todos los recursos como terrenos, invernaderos,
instalaciones, materiales, máquinas y la mano de obra, son combinados y estos
determinan la productividad de la empresa.
Al ingeniero norteamericano Frederick Winslow Taylor (1856-1915), se le
considera como el padre del estudio del trabajo. Antes de las propuestas de
Taylor, los obreros eran responsables de planear y ejecutar sus labores. A ellos
se les encomendaba la producción y se les daba la “libertad” de realizar sus
tareas de la forma que ellos creían era la correcta.
El autor lo describe de esta manera: “encargados y jefes de taller saben mejor
que nadie que sus propios conocimientos y destreza personal están muy por
debajo de los conocimientos y destreza combinados de todos los hombres que
están bajo su mando.
Por consiguiente, incluso los gerentes con más experiencia dejan a cargo de
sus obreros el problema de seleccionar la mejor forma y la más económica de
realizar el trabajo”.
De ahí que sus principios “vistos en su perspectiva histórica, representaron un
gran adelanto y un enfoque nuevo, una tremenda innovación frente al
sistema”.3
Se debe reconocer aquí que Taylor representa el sueño de una época, como lo
es Estados Unidos de los primeros años del siglo XX donde era imperativo
alcanzar la mayor eficiencia posible, cuidando el medio ambiente aunado a una
explosión demográfica acelerada en las ciudades, una demanda creciente de
productos.
La teoría de Taylor se enfocaba más en el método y herramientas del trabajo
para una mejor eficacia.
3 Antonio Serra Moneda. En el Prólogo al libro de Taylor, pág. 11 – 12.
30
La productividad es entonces un fenómeno social y cultural que está presente
tanto en los aspectos materiales e intelectuales como en los económicos. La
productividad significa eficiencia, eficacia y efectividad, es decir, optimización y
buen desempeño.
Si se considera al departamento de producción como el corazón de una
empresa manufacturera, los métodos, el estudio de tiempos y salarios son, a su
vez, el corazón de la actividad de fabricación como un todo.
Es fundamental conocer el estudio del trabajo para simplificar métodos y
reducir tiempos, consecuentemente se obtiene un incremento en la
productividad. Véase figura 5.
Figura 5. Estudio del trabajo. Adaptado de OIT, 1981: 34
31
1.4.1 Invernadero experimental en casa-habitación
La función principal de un invernadero consiste en proteger y mejorar el
proceso de crecimiento de los cultivos, proporcionando las condiciones
ambientales óptimas y obteniendo una mayor productividad.
En las grandes urbes, como la Ciudad de México, productores de hortalizas y
flores encuentran limitados los espacios en que puedan cultivar. Es por esto,
que la población depende en gran parte de la producción que se obtiene en
provincia y en el extranjero.
La implementación de un invernadero, como por ejemplo, en la azotea de una
casa, es una opción que brinda muchos de los beneficios de la horticultura,
como el autoconsumo de hortalizas, productos libres de químicos, obtención de
productos durante todo el año, puede llegar a ser una fuente de autoempleo y
por lo tanto, se obtienen beneficios económicos.
La implementación de invernaderos en casa habitación, son una importante
alternativa para el desarrollo urbano sustentable que proporciona beneficios
recreativos, ambientales, sociales y económicos.
Como ejercicio demostrativo, se realizó un invernadero hidropónico
experimental en una azotea de una casa habitación al norte de la Ciudad de
México, en el cuál se aplicó el cultivo de tres variedades de jitomate: saladet,
bola y cherry, así como de lechuga italiana. Véase anexo 1.
La construcción del invernadero experimental requirió del siguiente
procedimiento:
1) Se consiguió una estructura metálica de un puesto comercial en un mercado
sobre ruedas con dimensiones aproximadas de 2 metros de ancho, 3 metros de
largo y 2.5 metros de altura, una vez limpia y repintada cada parte del la
estructura se procedió al armado y orientación.
Para evitar problemas con el viento, se fijó la estructura mediante alambre
recocido, desde cada una de sus esquinas hasta las varillas propias de la casa
habitación.
32
2) Se colocó una hilera de tabique alrededor de toda la estructura, para evitar la
entrada de agua de lluvias y, se impermeabilizó la hilera de tabique, para evitar
humedad y no afectar la estructura de la azotea.
3) Se compró plástico blanco sombra al 30% para cubrir la estructura metálica.
Con el apoyo de un adhesivo especial para plásticos se forraron cinco de las
seis caras del invernadero.
4) Una vez aislado el interior del invernadero del ambiente exterior, se realizó
una instalación eléctrica, que contó con un apagador sencillo, un contacto y
una lámpara, esta instalación se tomó de la línea principal de alimentación de
la casa habitación.
Con la estructura y los componentes del invernadero terminados, se inició la
germinación de las semillas, en una charola rígida de 95 cavidades, construida
mediante cubos de esponja de 3x3 cm, en los que se realizó un corte de un
centímetro de profundidad para insertar en cada uno una semilla, esperando de
5 a 7 días para su trasplante una vez que germinaron.
Mientras tanto se procedió a acondicionar la zona de cultivo de acuerdo al
producto objetivo:
1) Para el cultivo de jitomate. Se colocaron dos líneas de canaleta hidropónica,
que es ideal para recuperar el exceso de solución nutritiva, permitiendo
economizar agua y evitando la contaminación del suelo por exceso de sales.
Una línea fue colocada para el cultivo hidropónico en 15 bolsas de cultivo de
35x35 cm, que son contenedores en los que se puede aplicar el sustrato para
poder germinar, vender plántulas o para el cultivo en sustrato.
Como sustrato para el anclaje del sistema radicular de la planta, se optó por
utilizar piedra tezontle, éste sustrato se desinfectó con agua caliente y la
aplicación de una pequeña dosis de cloro. Posteriormente en cada bolsa se
depositó una cantidad de sustrato.
En la segunda línea se experimentó con el cultivo en cinco bolis de fibra de
coco o también llamados placas de fibra de coco o láminas de fibra de coco, los
bolis de fibra de coco están elaborados a base de 50% fibra corta y 50%
33
polvillo de coco, tamizado, lavado y esterilizado, logrando así una textura
adecuada y un nivel de sales aceptable para los cultivos hidropónicos de hoy
en día; además de que, al ya encontrarse listos para usarse, generan un gran
ahorro en tiempo, materiales y mano de obra sobre todas las demás clases de
cultivo sobre sustrato.
2) Para el cultivo de lechuga se optó por experimentar con el método de raíz
flotante, que mediante una placa de unicel con orificios y como soporte de la
plántula cubos de esponja, permite que las raíces estén siempre sumergidas en
la solución nutritiva.
Para llevar a cabo este medio de cultivo, se armó un cajón con desperdicios de
madera con medidas aproximadas de 1m de largo, por 1m de ancho y 20cm de
altura. Una vez armado el cajón, se forró completamente con plástico negro,
con la finalidad de llenar totalmente el cajón con la solución nutritiva y evitar
cualquier tipo de fuga.
A una placa de unicel de 1m x 1m y 2cm de espesor, se hicieron perforaciones
con un tubo caliente, con separación aproximada de 20 cm entre estas. Para
cada perforación se cortó un cubo de esponja de 2cm x 2cm x 2cm y se hizo un
corte de 1 cm de profundidad en una de las caras de cada cubo, que sirvieron
como soporte para cada planta de lechuga.
Una característica del cultivo en raíz flotante, es que se requiere de la
oxigenación de la solución nutritiva. Para esto de 5 a 8 veces al día, fue
necesario agitar la solución de modo manual, con el simple hecho de sumergir
la mano y rebotar la solución, cuidando de no dañar las raíces.
Para la elaboración de la solución nutritiva, se adquirió una mezcla propia de la
asociación civil Amar A.C. que promueve el bienestar social dentro de las
comunidades rurales, esta mezcla se recomendó preparar de la siguiente
manera: 10 gramos de mezcla, disolverlos en 10 litros de agua y aplicar de 3 a
5 riegos al día.
Una vez alcanzados de 5 a 7 centímetros las semillas germinadas de jitomate y
lechuga, se procedió al trasplante en las bolsas de cultivo, los bolis de coco y
los cubos de unicel. Para llevar a cabo este procedimiento se aseguró que el
34
interior del invernadero se encontrara completamente libre de polvo y la
cantidad de luz fuese la menor posible para evitar un daño en el sistema
radicular de las plantas.
Concluido el trasplante, se requirió del primer riego con solución nutritiva, para
reanimar las plántulas en caso de resentir el trasplante.
Cada bolsa de cultivo se ocupó con dos plántulas de la misma variedad y cada
boli de coco se aprovecho con tres plantas de la misma variedad.
Como sistema de riego para el jitomate, se experimentó con bolsas y goteros
quirúrgicos, ya que tienen la opción de regular la solución nutritiva hasta por 12
y 24 horas.
Concluido el primer mes de crecimiento o alcanzados de 20 a 30 cm de los
cultivos, se tendieron tutores en cada planta, los tutores sirven para
proporcionar al cultivo un medio de soporte para sus ramificaciones, y así,
aprovechar la mayor parte de la energía de la planta en su producción de frutos
y no en mantenerse erguida.
Se observó que al paso de un mes de trasplante, apareció en dos de las
plantas de tomate una pequeña plaga de mosquita blanca, que es muy común
en este tipo de cultivo. Para evitar su propagación y eliminación de dicha plaga,
se realizó una solución natural que repele la mosquita blanca entre otras
plagas,
Tal solución se realizó del siguiente modo: se molió la cantidad de 10 dientes
de ajo, una ramita de manzanilla y ruda, todo esto se vertió en un litro de agua
y se dejo hervir por espacio de 10 minutos para lograr su concentración.
Una vez enfriada la solución, con un atomizador se realizó diariamente y por 5
días la aplicación de dicha mezcla sobre cada una de las plantas, incluso sobre
las que no presentaban contaminación de plaga.
Como paso final, simplemente se esperó a que iniciara la floración y
autopolinización de cada planta, posteriormente por cada flor inició el
crecimiento de un fruto y se aumentó la cantidad de solución nutritiva para el
mejor desarrollo de los mismos.
35
Para las lechugas, al alcanzar una altura de 25 cm, se retiraron de cada orificio
del unicel, con la seguridad de estar libres de químicos dañinos y listas para su
consumo personal.
Durante el proceso de crecimiento de los frutos, se hizo un procedimiento el
cual consiste en cortar las hojas viejas y mas grandes, para ayudar a la planta
a concentrar toda la energía y nutrientes en el desarrollo de los jitomates.
Una vez que los frutos se encontraron en condiciones de ser cosechados, se
promovió entre vecinos y familiares el consumo de productos orgánicos.
La fotografía 2 muestra el invernadero experimental que se instaló en la azotea
de una casa habitación.
Fotografía 2. Invernadero experimental instalado en una azotea al norte de la Ciudad de México.
36
"El estudio y, en general, la búsqueda de la verdad y la belleza conforman un área donde podemos seguir siendo niños toda la vida"
(Albert Einstein-The Human Side. 1979)
CAPÍTULO 2.
MARCO CONCEPTUAL
El conocimiento es toda aquella información que almacenamos, mediante
experiencias y aprendizaje. Para aprender a ser creativos debemos aprender a
analizar, salir de los caminos usualmente tomados, buscar relaciones con ideas
no usuales, tomar perspectivas distintas, y, en general, saber apartarse de las
metodologías normales y aceptadas.
Fotografía 3. Compartiendo y transfiriendo el conocimiento.
37
2.1 Importancia del conocimiento y de la tecnología
La producción de conocimiento científico está estrechamente relacionada con
las organizaciones formales que se crean para ello, los procesos de
investigación que se desarrollan en ellas son el resultado de una integración
tanto de recursos intelectuales como financieros. Esta integración tiene como
objeto producir conocimiento a partir de las necesidades integrales de
sociedad.
La noción de sociedad del conocimiento emerge como tal a finales de los años
90 debido a la implantación de las Tecnologías de Información y Comunicación
(TIC), que acompañada de un nuevo avance de la mundialización, ha sentado
las bases de una economía del conocimiento, en la que éste desempeña un
papel fundamental en la actividad humana, el desarrollo y las transformaciones
sociales.
El concepto actual de la „sociedad del conocimiento‟ no está centrado en el
progreso tecnológico, sino que lo considera como un factor del cambio social
entre otros, como, por ejemplo, la expansión de la educación. Según este
enfoque, el conocimiento será cada vez más la base de los procesos sociales
en diversos ámbitos funcionales de las sociedades. Crece la importancia del
conocimiento como recurso económico, lo que conlleva la necesidad de
aprender a lo largo de toda la vida. Pero igualmente crece la conciencia del no-
saber y la conciencia de los riesgos de la sociedad moderna.
Hoy en día tenemos a nuestro alcance nuevos estilos de desarrollo que se
basan en la inteligencia, la capacidad de la ciencia y la tecnología para resolver
problemas, el valor añadido del intelecto y la expansión de los servicios en
todos los sectores de la economía.
Por lo tanto las características de la „sociedad del conocimiento‟ es la
transformación radical de la estructura económica de la „sociedad industrial‟, de
un sistema productivo basado en factores materiales hacia un sistema
económico en que los factores simbólicos y basados en conocimiento son
dominantes. Factores cognitivos, creatividad, conocimiento e información
contribuyen cada vez más a la riqueza de las empresas.
38
El capital intelectual
El capital intelectual sugiere al conocimiento como fuente generadora de valor.5
Sigue siendo el hombre el creador de la riqueza, pero no por su desempeño
físico sino por su labor intelectual, por tanto la función del empresario es
apropiarse del conocimiento y experiencia de los demás para crear valor y
sostener ventajas competitivas; por ello es que los beneficios se pueden dar en
la producción, la comercialización o en la administración, porque se trata de
incrementar los ingresos por cualquier medio tangible o intangible y no
necesariamente incrementando la producción de bienes materiales.
Tom Stewart definió el capital intelectual como la suma de todo aquello que da
competitividad en el mercado (Sveiby, 1998).
El conocimiento como capital es una inversión destinada a la producción de
otros bienes por lo tanto es un activo (Wonnacott y Wonnacott, 1992:30).7
El capital intelectual como capital involucra tres aspectos:
1) Creación: en la formación de recursos humanos.8
2) Aplicación: incorporación de los empleados a las tareas y procesos.
3) Manejo: formando las estructuras necesarias para su incorporación hacia la
visión y misión de la compañía.
A diferencia de los recursos de la economía industrial el conocimiento es un
bien intangible (tácito) que reside en la mente de las personas y que es
necesario exteriorizar (explicitarlo) para generar rendimientos, de allí que
Edvinsson y Sullivan definan al capital intelectual como conocimiento que
puede ser convertido en valor (Sveiby, 1998).
Al ser el capital intelectual el factor de producción más importante en la
economía del conocimiento, alcanza a los medios con los que se difunde, con
5 Aparece dentro del capitalismo, el cual es un sistema económico donde prevalece la propiedad privada
de los medios de producción (LeRoy, 1986). 7 Un activo es un bien que genera un flujo de dinero o de bienes a lo largo del tiempo (Varian, 1999:203).
8 Jordy Micheli (2004) describe al “trabajador intelectual” como producto del cambio en el modo de
producción, originado por la flexibilización del trabajo y por la digitalización de los instrumentos de producción y comunicación.
39
ello la organización que genere y/o controle los medios de transmisión del
conocimiento en beneficio propio serán las que triunfen (Stewart, 1998).
Modelos del capital intelectual
Los modelos clasifican las variables del conocimiento en la creación de valor.11
Thomas Stewart (1998:123-125) definió el capital intelectual y lo identificó
como:
Capital Estructural: envasa el capital humano para ser usado múltiples veces
en la creación de valor.
Capital Cliente: son las relaciones de la organización capaces de generar
negocios.
Capital Humano: son las aptitudes de los individuos necesarias para dar
soluciones a los clientes.
De los modelos se infiere que existen tres categorías importantes de capital
intelectual: la empresa (como estructura con elementos tangibles e intangibles
y sus interacciones), su entorno (sus vínculos con el exterior, tales como
clientes, proveedores y competencia) y sus recursos humanos (empleados y
directivos) y en un momento dado los productos de su conocimiento. El
siguiente cuadro muestra la similitud entre las categorías:
Cuadro 1. Similitud de los modelos en la clasificación del capital intelectual.
11
Un modelo es una “representación simplificada de la realidad” (Varian, 1999:2) sirve para estudiar el
comportamiento del objeto de acuerdo a los elementos o las variables que lo componen, en el caso de los modelos de capital intelectual se pretende estudiar las variables de creación de valor.
MODELO LA EMPRESA EL ENTORNO CAPITAL HUMANO
Monitor de Activos Intangibles
Estructura interna Estructura externa Competencia
Celemi Monitor Nuestra
organización Nuestros clientes Nuestra gente
Canadian Imperial Bank
Capital estructural Capital clientes Capital humano
Dow Chemical Capital organización Capital cliente Capital humano
40
Intelect Capital estructural Capital relacional Capital humano
Empresa de Conocimiento
Capital estructural Activos
empresariales complementarios
Capital humano y activos intelectuales
Technology Broker
Activos de infraestructura y de
propiedad intelectual
Activos de mercado Activos humanos
Navegador de Skandia
Capital estructural Capital clientes Capital Humano
Balanced Scorecard Perspectiva interna y financiera de la
empresa
Perspectiva del cliente
Perspectiva de innovación y aprendizaje
Figura 6. Fuente: Activos intelectuales. Fernando Méndez,
41
Según se deriva del cuadro anterior, los primeros modelos del capital
intelectual consideraban al capital organizacional, el capital relacional y al
capital humano como elementos creadores de valor en la empresa, mientras
que los últimos incorporan la propiedad intelectual y los activos intelectuales, la
innovación y el aprendizaje; los más recientes insertan la estrategia; los
primeros modelos como el MAI y el Celemi intentan explicar la diferencia entre
el precio y el valor de mercado la empresa y los últimos como el Navegador de
Skandia y el BSC dan por sentado esos factores e incluyen otros principios
dentro de sus modelos; es decir los primeros se encargan de investigar, y los
segundos, de hacerlo operativo.
Dentro de los modelos de capital intelectual por competencias existe el modelo
estratégico por competencias de Eduardo Bueno (1998) que contiene:
Capital tecnológico: son los saberes y experiencias acumulados por la
empresa.
Capital organizativo: son los procesos de acción seguidos por la organización.
Capital humano: actitudes, aptitudes y habilidades de los miembros de la
organización.
Como un concepto más acabado del capital intelectual, las competencias
medulares (o esenciales) combinan y coordinan distintos conocimientos para
enfocarlos en varias técnicas de producción, integrando múltiples flujos
tecnológicos y mayores perspectivas comerciales; una de sus características
es facilitar el acceso potencial de un producto a una amplia variedad de
mercados (Prahalad y Hamel, 1990:80,82).
Hoy la filosofía que mueve a las empresas en el mundo es resultado de dos
fuerzas fundamentales: cambios sustanciales en la organización e
innovaciones tecnológicas y científicas de hondo calado (Lev, 2003). Cuyas
repercusiones es a escala global. Esta es la forma como se comportan las
empresas para crear o conquistar nuevos mercados tanto externos como
internos. Es este el comportamiento al que debe ceñirse cualquier institución
que desee participar en la industria en cuestión.
42
2.1.1 Propiedad intelectual. Marca y patente
Cuando el conocimiento es útil y la tecnología se aplica para la solución de un
problema específico es recomendable proteger los diseños, equipos, procesos
y marcas; esto es, conocer las ventajas que representan para el ingeniero la
propiedad intelectual.
En México existe el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial. Es un
Organismo público descentralizado con personalidad jurídica y patrimonio
propio y con la autoridad legal para administrar el sistema de propiedad
industrial en nuestro país.
Una patente es un derecho exclusivo concedido a una invención, que es el
producto o proceso que ofrece una nueva manera de hacer algo, o una nueva
solución técnica a un problema.
El IMPI permite a todo inventor gozar del privilegio de exclusividad de una
patente, el inventor puede sacar beneficio de esta y así mismo, otras personas
bajo su consentimiento.
Es conveniente que como egresados e ingenieros tengamos en mente los
beneficios que ofrece el ser dueños de una patente. Dentro de los muchos
beneficios se encuentra la oportunidad de comercializar nuestra invención,
saber que cuenta con la protección del IMPI mínimo por 20 años, si la patente
tiene buen éxito comercial o industrial, como inventores nos beneficiamos con
la o las licencias de explotación que decida otorgar a terceras personas.
Por su parte el Gobierno mexicano a través de la patente promueve la creación
de invenciones de aplicación industrial, fomenta el desarrollo y explotación de
la industria y el comercio así como la transferencia de tecnología.
Una marca es todo signo visible que se utiliza para distinguir e individualizar un
producto o servicio de otros de su misma clase o especie. Su función principal
es la servir como elemento de identificación de los diversos productos y
servicios que se ofrecen y se prestan en el mercado.
43
La marca constituye el único instrumento que tiene a su disposición el
consumidor para identificar y poder seleccionar los artículos y los servicios de
su preferencia. De ahí su importancia y sobre todo la de registrarla.
Una marca debe de ser registrada para que el propietario obtenga un título de
registro que le da el derecho de usarla en forma exclusiva en toda la República
Mexicana. De este modo, nadie puede usar una marca sin autorización del
propietario.
El registro de una marca tiene una duración de 10 años a partir de la fecha en
que se solicitó el registro y se puede renovar tantas veces como uno lo desee.
Una vez obteniendo el registro de la marca, se pueden vender licencias,
franquicias y ceder sus derechos. Asimismo se podrá portar en cada producto
la leyenda “marca registrada”, “M.R” o el símbolo ®.
Para iniciar el registro se tiene que llenar correctamente una solicitud, pagar en
el banco o vía el Portal de Pagos y Servicios electrónicos del Instituto y
presentarla en el IMPI (D.F. u Oficinas Regionales), o en la Delegación o
Subdelegación Federal de la Secretaría de Economía de su localidad.
Por el estudio de una solicitud para el registro de una marca hasta la
conclusión del trámite o, en su caso, la expedición del título se requiere cubrir
una cuota de $2,303.33 M.N. (Junio 2011)
Con el fin de conocer el procedimiento, los costos y los problemas que se
presentan al registrar en nuestro país una marca, diseñe el logotipo de una
marca, investigue el procedimiento para su registro, se llenaron los formatos y
se realizaron los pagos y trámites correspondientes hasta obtener el título de la
marca Gelitali. Véase anexo 2.
44
2.2 Modelo de innovación Kline-1985
El modelo de Kline (Rycroft y Kash, 1999; Escorsa y Valls, 2003) es un avance
de los anteriores modelos, en los que trata de integrar al concepto lineal del
proceso de innovación, retroalimentaciones o bucles. Figura 7.
Según el modelo, existen cinco caminos para generar la innovación:
Primer camino. Camino central: el proceso de innovación empieza con
una idea nacida de la necesidad del mercado que se materializa. Existe
un diseño analítico que suele ser ejecutado por los ingenieros con el fin
de llegar a una síntesis o sistema que da forma a la idea inicial. El
siguiente paso es el diseño detallado de un prototipo, que es probado en
la fase de desarrollo tecnológico, siguiéndole la etapa de fabricación y
comercialización.
Segundo camino. Retroalimentación: durante el proceso de innovación
surgen complicaciones y deficiencias, obligando a efectuar algunas
correcciones en las etapas anteriores, así como desde el producto final
al mercado potencial.
Tercer camino. Conexión con la investigación a través del uso de los
conocimientos existentes: cuando no se encuentra la información
requerida, debe investigarse para encontrar la solución. Por lo tanto, la
investigación no suele ser fuente directa de las investigaciones.
Cuarto camino. Existe una conexión entre la investigación y la
innovación: los descubrimientos de la investigación puede dar lugar a
inventos, los cuales se convertirán en innovaciones “Technology Push”.
Quinto camino. Conexiones directas entre los productos y la
investigación: la ciencia depende de la tecnología. Los nuevos
instrumentos hacen posible investigaciones más profundas o complejas.
El modelo distingue diferentes caminos para la concepción de la innovación,
viéndola como un proceso no tan estructurado y determinado entre
normatividades. (Julio R, 2006, p.87)
45
2.3 Innovación incremental
Con este trabajo se pretende contribuir al incremento de la capacidad de
innovación micro regional en el marco del desarrollo sustentable, promoviendo
la cultura de la calidad, la formación de emprendedores, detección de jóvenes
talentosos y el aprovechamiento de recursos locales para contribuir con nuevas
microempresas limpias, rentables y competitivas.
Se propone la integración de grupos productivos que incorporen innovaciones
incrementales atractivas con tecnologías apropiadas a sus invernaderos
familiares y al control de sus procesos, con el propósito de generar empleos
fijos y verdadera riqueza local, beneficiando a las familias campesinas,
Figura 7. Modelo Kline de innovación Elaboración propia.
46
vinculando sus vidas al aprendizaje, a los cambios tecnológicos, económicos y
creando expectativas de un mejor futuro.
Al iniciar el ambiente de innovación tecnológica, es importante tener presente el
concepto de innovación, que es el elemento clave que explica la
competitividad, es sinónimo de cambio, es nacer cada día, es atreverse a
diseñar nuevos productos y procesos de fabricación que sean aceptados por el
mercado, […] la innovación es arriesgada, pero no innovar es más arriesgado
(Escorsa y Valls, 2003).
La innovación abarca los cinco casos siguientes, Joseph Schumpter (1912):
La introducción en el mercado de un nuevo producto.
La introducción de un nuevo método de producción, aún no
experimentado.
La apertura de un nuevo mercado.
La conquista de una nueva fuente de suministro de materias primas.
La implantación de una nueva estructura en un mercado.
Ahora bien, la tecnología es un conjunto de conocimientos, formas, métodos,
instrumentos y procedimientos que permiten combinar los diferentes recursos
(tangibles e intangibles) y capacidades (saber hacer, talento, destrezas,
creatividad) en los procesos productivos y organizativos para lograr que éstos
sean más eficientes (Morcillo, 1997).
La empresa al innovar corre riesgos, por lo que debe analizar la industria a la
que pertenece, predecir su evolución futura y entender a sus contendientes […]
la competitividad de una nación depende de la capacidad de su industria para
innovar y mejorar (Porter, 1982). Un ejemplo es: la producción hortícola en
invernadero hidropónico.
La competitividad se fundamenta en las capacidades de innovación de las
empresas, se basa en múltiples y variadas relaciones productivas […] el capital
intelectual es definido como el conjunto de conocimientos, habilidades,
competencias y atributos de los individuos que son relevantes para las
actividades laborales y económicas, es el factor definitivo del éxito o fracaso de
las organizaciones […] (Corona y Hernández, 2002:17-18).
47
Lo más valioso de una organización son las personas que aprenden
conocimientos útiles y trabajan en equipo para mejorar la calidad de vida de
sus familias.
La innovación incremental supone pequeños cambios dirigidos a incrementar la
funcionalidad y productividad de la empresa que, si bien aisladamente son
significativas, cuando suceden continuamente y de forma acumulativa pueden
constituir una base permanente de progreso.
Se suele interpretar como la explotación de las formas o tecnologías ya
existentes. O bien, se mejora algo que ya existe, o se modifica una forma o
tecnología ya presente para servir a otro fin.
Una muestra de innovación incremental, es el presente trabajo de tesis, en el
cual se realizó una mejora tecnológica dentro de un invernadero hidropónico.
No fue necesario elaborar un invernadero hidropónico, simplemente se adaptó
una mejora a una tecnología ya existente. Figura 6.
I
Figura 8. Innovación incremental en invernadero hidropónico Elaboración propia.
48
2.4 Climatización en invernaderos
El cultivo bajo invernadero siempre ha permitido obtener producciones de
primorera calidad y mayores rendimientos, en cualquier momento del año, a la
vez que permiten alargar el ciclo de cultivo, permitiendo producir en las épocas
del año más difíciles y obteniéndose mejores precios. Este incremento del valor
de los productos permite que el agricultor pueda invertir tecnológicamente en
su explotación mejorando la estructura del invernadero, los sistemas de riego
localizado, los sistemas de gestión del clima, etc., que se reflejan
posteriormente en una mejora de los rendimientos y de la calidad del producto
final.
En los últimos años son muchos los agricultores que han iniciado la instalación
de artilugios que permiten la automatización de la apertura de las ventilaciones,
radiómetros que indican el grado de luminosidad en el interior del invernadero,
instalación de equipos de calefacción, etc.
Con los invernaderos agrícolas se pretende obtener un alto rendimiento en la
producción y calidad de los productos a desarrollar, aunque las condiciones
ambientales exteriores sean desfavorables.
Dentro del invernadero hay que procurar que los factores que intervienen en el
desarrollo de los vegetales sean los adecuados. La climatización dentro del
invernadero regula la concentración del anhídrido carbónico CO2 y el oxígeno,
la temperatura, la humedad, la luminosidad, también de otros factores que
actúan muy relacionados entre sí y que necesitan estar presentes de forma
equilibrada.
El anhídrido carbónico o CO2 de la atmósfera es la materia prima
imprescindible de la función clorofílica de las plantas. El enriquecimiento de la
atmósfera del invernadero con CO2, es muy interesante en muchos cultivos,
tanto en hortalizas como en flores.
La humedad es la masa de agua en unidad de volumen, o en unidad de masa
de aire. La humedad relativa (HR) es la cantidad de agua contenida en el aire,
en relación con la máxima que sería capaz de contener a la misma
temperatura.
49
La humedad del aire interior de un invernadero es muy importante para la vida
de las plantas. Interviene en el crecimiento, en la transpiración, la fecundación
de las flores y en el desarrollo de enfermedades, cuando es excesiva. Si la
humedad es excesiva dificulta la evaporación. Si es escasa aumenta la
transpiración hasta llegar a dificultar la fotosíntesis. Una humedad excesiva se
corrige con ventilación, elevando la temperatura y evitando suelos húmedos,
por otro lado, si la humedad es escasa, se puede elevar con riego, nebulización
de agua o superficies que puedan permitir direccionar agua, como es el caso
de una cortina de agua.
A mayor luminosidad en el interior del invernadero se debe aumentar la
temperatura, HR y el CO2, para que la fotosíntesis sea máxima; por el
contrario, si hay poca luz pueden descender las necesidades de otros factores.
Para mejorar la luminosidad natural dentro del invernadero se recomienda: usar
materiales de cubierta con buena trasparencia, orientación adecuada del
invernadero, materiales que reduzcan al mínimo las sombras en el interior,
mallas de sombreo, etc.
2.4.1 Control de temperatura
Este es el parámetro más importante a tener en cuenta en el manejo del
ambiente dentro de un invernadero, ya que es el que más influye en el
crecimiento y desarrollo de las plantas. Normalmente la temperatura óptima
para las plantas se encuentra entre los 15 y 30º C.
Para el manejo de la temperatura es importante conocer las necesidades y
limitaciones de la especie cultivada. Así mismo se deben aclarar los siguientes
conceptos de temperaturas, que indican los valores a tener en cuenta para el
buen funcionamiento del cultivo y sus limitaciones:
Temperatura mínima letal. Aquella por debajo de la cual se producen
daños en la planta.
Temperaturas máximas y mínimas biológicas. Indican valores, por
encima o por debajo respectivamente del cual, no es posible que la
50
planta alcance una determinada fase vegetativa, como floración,
fructificación, etc.
Temperaturas nocturnas y diurnas. Indican los valores aconsejados para
un correcto desarrollo de la planta.
2.4.2 Ventilación
La ventilación es una técnica que permite sustituir el aire ambiente interior de
un invernadero, considerado inconveniente por su falta de pureza, temperatura
inadecuada o humedad excesiva, por otro exterior de mejores características.
Dentro de un invernadero se debe controlar el aire que rodea a las plantas,
debido a que este es el factor más importante en el cultivo hortícola, no se
puede pasar por alto que al igual que cualquier ser vivo respiran, y realizan
todas sus funciones fisiológicas en función de esta actividad.
Se debe tener en cuenta que un correcto movimiento de aire, influye
positivamente en el buen funcionamiento de la planta, pero si no existiese una
correcta ventilación en un cultivo, habría zonas con diferencia de temperatura y
humedad, y esto se notaría lógicamente en un descenso de la producción.
Efectos de la ventilación.
Los principales efectos sobre los factores climáticos, que provoca el uso de la
ventilación son los siguientes:
Efectos sobre la temperatura: La temperatura en el interior de un
invernadero suele ser más elevada que la temperatura que hay en el
exterior, por lo que al cambiar aire a alta temperatura por aire más
fresco, se consigue bajar la temperatura del invernadero.
También se disminuye la temperatura del invernadero en ausencia de
viento, es decir, sin renovar el aire de éste. El aire caliente al pesar
menos que el aire frío, se concentra en la parte alta del invernadero, y
sale por las ventilaciones cenitales, debido al “efecto chimenea”.
Efectos sobre la humedad: Al cambiar aire con más vapor de agua por
aire con menos vapor de agua, por medio de la ventilación provocamos
51
una disminución de la humedad dentro de un invernadero, con el menor
riesgo de enfermedades para el cultivo.
Tipos de ventilaciones
La ventilación en los invernaderos se puede realizar mediante el uso de unas
ventanas, situadas en los techos o en los lados de éste, que permiten la
renovación del aire, o bien mediante el uso de ventiladores de diferentes
caudales.
Una forma de clasificar las ventilaciones es basándonos en la forma en que se
realiza la renovación del aire:
Ventilación activa: Es en la cual se puede actuar activamente en el
movimiento del aire del invernadero, utilizando una serie de ventiladores.
La ventilación pasiva: Es aquella en la que se realiza una serie de
aperturas o ventanas en el invernadero, y el viento natural que se
produce en la zona en que se encuentra localizado, va renovando el aire
del invernadero.
Tradicionalmente en los invernaderos se ha utilizado la ventilación pasiva o
natural, figura 7, debido a su costo más bajo que la ventilación activa o forzada.
Últimamente esto está cambiando principalmente por dos razones.
La corriente de aire que se genera en el invernadero, procedente de las
ventanas laterales o cenitales a través del cultivo, puede ser muy
perjudicial, ya que lo pueden deshidratar en determinados momentos del
año.
Las ventanas laterales son una importante entrada de patógenos. Es por
esto, que cada vez se hace más común el uso de mallas en los
invernaderos muy tupidas para evitar la entrada de plagas, pero que
hacen descender la ventilación que necesita el cultivo.
52
2.4.3 Pared húmeda
Durante la mayor parte del ciclo productivo, la temperatura del invernadero es
excesiva, tanto para el buen rendimiento del cultivo como para la salud de los
trabajadores que realizan en pleno verano las labores culturales. El reducir la
temperatura es uno de los mayores problemas de la horticultura protegida en
climas cálidos, porque no es fácil refrigerar el invernadero sin invertir
cantidades relativamente altas en instalaciones y equipos.
El calor se transmite hacia el interior del invernadero por radiación, conducción,
y por convección. La conducción es producida por el movimiento de calor a
través de los materiales de cubierta del invernadero. La convección tiene lugar
por el movimiento del calor por las plantas, el suelo y la estructura del
invernadero.
La radiación, por el movimiento del calor a través del espacio transparente.
El sistema de enfriamiento, conocido como pared húmeda, es un dispositivo
hidráulico que permite controlar la temperatura alta dentro de invernaderos
hidropónicos, esto se realiza por medio de la caída de agua guiada por tiras de
Figura 9. Ventilación natural Elaboración propia.
53
malla agribón, malla antiáfidos o materiales que permitan una caída de agua de
modo controlado, además de la aplicación de un recolector que conecta con el
depósito de abastecimiento de agua, con esto se logra un importante ahorro en
el consumo del liquido.
Una pared húmeda generalmente está conformada por: bomba de agua
sumergible, tubos PVC, malla (mosquitero, antiáfidos o agribón) y conexiones
hidráulicas.
El sistema puede funcionar de dos formas, manual o automáticamente. Es
necesario que este instalado un sensor de temperatura, y conocer los límites
mínimo y máximo que soporte el cultivo, de esta forma, si la temperatura es
alta se puede conectar la bomba sumergible a un tomacorriente para que esta
funcione y comience a trabajar el sistema hidráulico. Pero también se puede
adaptar a un control electrónico para que éste la manipule automáticamente, el
dispositivo al detectar una temperatura mayor manda una señal que activa la
bomba sin necesidad de que intervenga la mano del hombre, permitiendo así,
que el agricultor pueda realizar otras actividades.
2.5 Conceptos generales de hidráulica
Es importante tener en cuenta, que para realizar cualquier instalación
hidráulica, es necesario contar con al menos conocimientos básicos de la
materia, esto, con el fin de minimizar errores y obtener resultados iguales o
semejantes a los planeados.
Caudal
Caudal Q es el volumen de fluido por unidad de tiempo que pasa a través de
una sección transversal a la corriente. Así por ejemplo en una tubería de agua
los litros por hora que circulan a través de un plano transversal a la tubería.
Ecuación de dimensiones: [ Q ] = [ L ]3 [ T ]-1
1Q = 1 m3 / s SI
54
Si la velocidad de la corriente v es paralela a la superficie A vertical como en la
figura “a” o también inclinada, pero paralela a la superficie, el caudal que la
atraviesa es nulo. Si la velocidad v tiene cualquier otra dirección figura “b”,
descomponiendo v según tres ejes, dos paralelos a la superficie y el tercero
normal a la misma, solo la componente normal vn produce caudal. Figura 8.
Si la superficie a través de la cual se calcula el caudal es finita es evidente que
la dirección de la velocidad puede variar de un punto a otro de la misma, y,
además la superficie puede no ser plana. Llamando dA al elemento infinitesimal
de área, siendo cn la componente de la velocidad normal a ese elemento se
tendrá:
dQ = vn dA
Si v es la velocidad media normal a la sección A, de la ecuación anterior se
deduce:
Q = vA
v =vt
Figura 10. Ecuaciones de caudal. a),b) El caudal a través de la superficie de la figura en (a) es
nulo. En (b), las dos componentes de la velocidad paralelas a la superficie v't y v”t no contribuyen al caudal.
Q = ∫vn dA
v´t v´´t
vn
a) b)
55
Presión de un fluido
La presión de un fluido se transmite con igual intensidad en todas las
direcciones y actúan normalmente a cualquier superficie plana. En el mismo
plano horizontal, el valor de la presión en un líquido es igual en cualquier punto.
Las medidas de presión se realizan con los manómetros, que pueden ser de
diversas formas. De no advertir lo contrario, a través de todo el libro las
presiones serán las presiones relativas o manométricas. Las presiones
manométricas representa el valor de la presión con relación a la presión
atmosférica.
Velocidad
Es la rapidez promedio de las partículas de un fluido al pasar por un punto
determinado o la distancia promedio que viajan las partículas por unidad de
tiempo. Se mide en pies sobre segundo (ft/s), metros sobre segundo (m/s).
Bombas
Una bomba hidráulica es un dispositivo tal que recibiendo energía mecánica de
una fuente exterior la transforma en una energía de presión transmisible de un
lugar a otro, de un sistema hidráulico a través de un líquido cuyas moléculas
estén sometidas precisamente a esa presión.
Las bombas hidráulicas son los elementos encargados de impulsar el aceite o
líquido hidráulico, transformando la energía mecánica rotatoria en energía
hidráulica.
El propósito de una bomba hidráulica es suministrar un flujo de líquido a un
sistema hidráulico. La bomba no crea la presión del sistema, puesto que la
presión se puede crear solamente por la resistencia al flujo. Mientras que la
bomba proporciona flujo, transmite una fuerza al líquido. Dado que el flujo de
líquido encuentra resistencia, esta fuerza se vuelve una presión. La resistencia
al flujo es el resultado de una restricción o de una obstrucción en la trayectoria
del mismo.
Esta restricción es normalmente el trabajo logrado por el sistema hidráulico,
pero puede ser también debido a restricciones de líneas, de guarniciones, y de
56
válvulas dentro del sistema. Así, la presión es controlada por la carga impuesta
sobre el sistema o la acción de un dispositivo regulador de presión.
2.6 Conceptos generales de termodinámica
En el cultivo de hortalizas, la temperatura juega un papel principal para el
desarrollo de estas, se deben de conocer los límites máximos y mínimos que
una planta es capaz de soportar. Los cultivos dentro de invernaderos, requieren
un control más preciso, debido a que la temperatura en el interior del
invernadero es mayor que en el exterior, elevándose considerablemente al
grado de afectar al cultivo.
Es importante conocer algunos conceptos básicos de termodinámica y
comprender el modo en que se comporta el calor dentro de un invernadero,
para así, encontrar una posible solución al problema de las altas temperaturas
en el cultivo de hortalizas.
Transferencia de calor
Según Holman (1998) la transferencia de calor es la ciencia que trata de
predecir el intercambio de energía que puede tener lugar entre cuerpos
materiales, como resultado de una diferencia de temperatura. La
termodinámica enseña que esta transferencia de energía se define como calor.
La ciencia de la transferencia de calor pretende no sólo explicar cómo la
energía térmica puede ser transferida, sino predecir también la rapidez con
que, bajo ciertas condiciones específicas, tendrá lugar esa transferencia. El
hecho de que el objetivo deseado del análisis sea la rapidez de la transferencia
de calor, señala la diferencia entre la transferencia de calor y la termodinámica.
Los mecanismos básicos de transferencia de calor son: conducción,
convección y radiación.
Conducción
La conducción es el mecanismo de transferencia de calor debido a la
interacción entre partículas adyacentes del medio. No se produce movimiento
57
macroscópico de las mismas. Puede tener lugar en sólidos, líquidos y gases
aunque es característica de los sólidos, puesto que en gases y líquidos siempre
se producirá convección simultáneamente
La conductividad térmica ( K ) es una medida de la capacidad del material para
conducir el calor. Sus unidades en el S.I. son: W / ( m* ºC ). En general, la
conductividad térmica depende de la temperatura. En la práctica se evalúa la
conductividad térmica a la temperatura promedio y se considera constante.
Para los materiales anisótropos ( las propiedades dependen de la dirección que
se considere ) la conductividad térmica depende de la dirección considerada.
Por ejemplo, la conductividad térmica de la madera en sentido transversal a la
fibra es diferente a la que se tiene en sentido paralelo a la misma.
Convección
La convección es el modo en que se transfiere la energía entre una superficie
sólida y el fluido adyacente ( líquido o gas ) . Comprende los efectos
combinados de la conducción y el movimiento del fluido. Existe movimiento
macroscópico de las partículas del fluido. Cuanto más rápido es el movimiento
del fluido mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de
dicho movimiento la transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido
adyacente sería por conducción pura.
Convección forzada: el fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante
medios artificiales (ventiladores, bombas, etc).
Convección natural: el movimiento del fluido es debido a causas naturales. Las
fuerzas de empuje son inducidas son inducidas por la diferencia de densidad
debida a la variación de temperatura en ese fluido.
Radiación
La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas
electromagnéticas (o fotones), como resultado de los cambios en las
configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. En lo que respecta a
la transferencia de calor es de interés la radiación térmica o forma de radiación
58
emitida por los cuerpos debido a su temperatura. La radiación térmica suele
corresponder a la banda de frecuencias del infrarrojo.
Todos los cuerpos a una temperatura por encima del cero absoluto emiten
radiación térmica. La radiación es un fenómeno volumétrico y todos los sólidos,
líquidos y gases emiten, absorben o reflejan radiación en diversos grados. Sin
embargo la radiación térmica suele considerarse como un fenómemo
superficial para los sólidos que son opacos a la radiación térmica, como los
metales, la madera y las rocas, ya que la radiación emitida por las regiones
interiores de un material de este tipo es casi nula, sin embargo, existe
transferencia de calor desde el interior de dichos cuerpos hacia el exterior por
medio de la condicción a traves de cada una de sus moleculas.
A diferencia de la conducción y la convección la radiación no necesita un medio
de transmisión y puede ocurrir en el vacío. La transferencia de calor por
radiación es la más rapida, a la velocidad de la luz. No sufre atenuación en el
vacío.
Equilibrio térmico
Un sistema termodinámico de coordenadas independientes (xo,yo) se dice en
estado de equilibrio si los valores de dichas coordenadas en ese estado
permanecen constantes en el tiempo mientras no sean modificadas las
condiciones del ambiente.
En general, el estado de equilibrio de un sistema puede ser alterado por la
interacción de otros sistemas ambientales, influyendo en esa alteración tanto la
proximidad de dichos sistemas como las paredes de separación.
Las paredes de separación entre sistemas pueden clasificarse en dos tipos
extremos: paredes adiabáticas y paredes diatermanas.
Una pared situada entre los sistemas A y B se dice adiabática si los estados
(xA,yA) del sistema A y (xB,yB) del sistema B coexisten en equilibrio para valores
diferentes de dichas coordenadas. Esto es, si no hay influencia ambiental de un
sistema sobre el otro a través de la pared de separación.
59
En cambio, una pared situada entre los dos sistemas A y B se dice que es
diatermana si los estados (xA,yA) del sistema A y (xB,yB) del sistema B cambian
espontáneamente hasta que se consigue un estado de equilibrio del sistema
global constituido por los sistemas A y B con coordenadas (xA+B,yA+B). Se dice,
llegado a ese estado global de equilibrio, que ambos sistemas se encuentra en
equilibrio térmico.
En definitiva, se puede definir el equilibrio térmico como el estado al que llegan
las coordenadas termodinámicas de dos o más sistemas cuando han estado
comunicados mediante paredes diatermanas.
60
“La adquisición de cualquier conocimiento es siempre útil al intelecto, que sabrá descartar lo malo y conservar lo bueno”.
(Leonardo Da Vinci)
CAPÍTULO 3.
DISEÑO DEL SISTEMA INNOVADOR: CORTINA DE AGUA AUTOMATIZADA
CA. Cortina de agua. BH. Bomba hidráulica. BS. Bomba sumergible. RF. Raíz flotante CE. Controlador electrónico. P. Parcelas. E. Extractor de aire.
Figura 11. Cortina de agua instalada en invernadero automático en San Andrés Lagunas.
61
3.1 El proceso de diseño
El proceso de diseño abarca las actividades y eventos que transcurren entre el
reconocimiento de un problema y la especificación de una solución del mismo
que sea funcional, económica y satisfactoria de algún modo. Así lo afirma
Edward Krick (1980), y sus etapas son empleadas en este capítulo. Véase
figura 12.
1) Formulación del problema. Los objetivos
principales de la formulación de un
problema, son definir en términos generales
en qué consiste, determinar si merece
nuestra atención y obtener una buena
perspectiva del problema cuando sea más
oportuno y fácil de hacerlo.
Hay que tratar de que la formulación sea tan
general como lo amerite la importancia del
problema. El no seguir esta norma hará que
los campos enteros de ventajosas
posibilidades sean excluidos
innecesariamente de la consideración.
El problema que se presenta en la zona de
estudio y que se postula en esta tesis es el
siguiente:
Cuando la temperatura dentro de los
invernaderos es superior a los 40°C las
hortalizas se marchitan o pueden morir, lo
que origina la pérdida del cultivo, la pérdida
económica y la desmotivación de los
productores. En los invernaderos rurales de las comunidades en estudio
después de las 12 horas del día, se registran temperaturas mayores a los 34°C;
por consiguiente es necesario bajar la temperatura a menos de 30°C, para que
las plantas no se estresen.
Figura 12. Proceso de diseño. Edward V. Krick. 1980.
62
El grado en que se justifique y pueda uno llevar a cabo una formulación amplia
de un problema, dependerá del alcance de nuestras responsabilidades o
autoridad de la importancia del problema y de la limitación de tiempo y dinero
que se tenga para su resolución.
2) Análisis del problema. En la
figura 13 se muestra la etapa que
determina las características
cualitativas y cuantitativas de los
estados A y B.
Estas características dinámicas de
los estados A y B se llaman
variables de entrada y variables
de salida respectivamente.
Podemos considerar como estado
A de nuestra búsqueda de
soluciones, el censar cuando la
temperatura se encuentra por
encima de límite permitido en el
cultivo de hortalizas, 33º C y como
estado B, lograr descender la temperatura por debajo de 28º C.
De este modo, dejamos abiertas amplias posibilidades de encontrar una
solución a nuestro problema planteado, sin la necesidad de verse
comprometido con alguna en especial.
Una restricción es una característica de una solución que se fija previamente
por una decisión, por la Naturaleza, por requisitos legales o por cualquier otra
disposición que tenga que cumplir el solucionador del problema. Generalmente
tales decisiones las genera quien emplea al ingeniero.
Por lo tanto, no hay que aceptar automáticamente todas las restricciones
dadas. Muchas veces una provechosa innovación debe su existencia a un
ingeniero que no aceptó a ciegas como sólida e irrevocable toda restricción.
Figura 13. Análisis del problema
63
Las formas en que pueden diferir las soluciones de un problema se llaman
variables de solución. El objeto no es conocer todas las formas de restricción,
sino darse cuenta de cuáles son las formas en que no hay restricción alguna, y
posteriormente aprovechar esta libertad en la búsqueda de soluciones.
Algunas de las restricciones para el sistema que se diseñó fueron: diseñar un
sistema de enfriamiento de calidad, seguro y económico cuyo funcionamiento
debiera ser automático, ya que los usuarios además de atender su invernadero,
realizan otras actividades como el cuidado de sus animales, el cultivo de sus
tierras y atención a su familia; en consecuencia, una restricción es que el
sistema no sea manual y que los componentes sean de fácil adquisición, en
caso de necesitar alguna refacción o compostura.
3) Investigación y la búsqueda de soluciones posibles. En esta fase del proceso
de diseño se buscan activamente las soluciones posibles para realizar
posteriormente lo que es una verdadera búsqueda o investigación, en la mente,
en la literatura técnica y científica, y en el mundo que nos rodea.
Pero hay una segunda gran fuente de soluciones: las propias ideas, que son
producto del proceso mental llamado invención. En consecuencia, vale la pena
dedicar especial atención a mejorar la capacidad inventiva de cada uno.
Para un ingeniero creativo, no importa cuántas soluciones haya ideado, debe
suponer, muy justificadamente, que quedarán sin ser descubiertas muchas y
mejores soluciones. No sólo supondrá que existen, sino que tratará de hallarlas
en tanto el tiempo lo permita.
4) Decisión. Inicialmente las soluciones tangibles se expresan solo en términos
generales, quizá con palabras o croquis. Después que hayan sido eliminadas
las alternativas deficientes o de inferior calidad.
Este proceso de depuración en varias etapas continuará hasta que surja la
solución preferible.
Como principio de la búsqueda de soluciones, se recopiló información acerca
del cultivo protegido o en invernaderos, después, se buscó información acerca
64
de cómo los grandes productores controlan las altas temperaturas para sus
cultivos, así mismo, que sistemas existían y como era su funcionamiento.
Posteriormente se contactó con una empresa ubicada en Finlandia, de la cual
se obtuvieron importantes aportaciones para llegar a una solución eficiente y de
calidad.
5) Especificación. En esta etapa del diseño es necesario describir con los
detalles suficientes los atributos físicos y las características de funcionamiento
de la solución propuesta, de manera que las personas que deban aprobarla, los
encargados de su construcción, y quienes la manejarán y conservarán, puedan
desempeñar satisfactoriamente sus funciones.
Los datos de salida de esta fase consisten usualmente de dibujos del proyecto,
un informe escrito y, posiblemente un modelo físico o icónico tridimensional.
Los datos obtenidos a partir de la formulación del problema, análisis del mismo
y la investigación, nos indicaron que los invernaderos de comunidades rurales
no cuentan con tecnología para el control de la temperatura alta, ya que las
grandes empresas que se dedican a controlarla solamente fijan su atención a
invernaderos mayores a 500 m2.
Estos mismos datos hicieron notar que existe un amplio nicho de campesinos
que se dedican a producir bajo cultivo protegido, pero que no tienen al alcance
la tecnología que les permita mantener y elevar su producción.
Finalmente se tomó la decisión de diseñar, elaborar e instalar una cortina de
agua o pared húmeda como sistema de enfriamiento para el control de la alta
temperatura.
Se realizaron distintas pruebas con diferentes materiales para observar como
se comportaba el agua a ser guiada mediante una superficie lisa, así mismo,
descartar que materiales no ofrecían una solución efectiva.
Posteriormente se llegó a la conclusión de que este sistema debería contar
como componente principal mallas antiáfidos y agribón. La malla antiáfidos esta
fabricada de un material que no reacciona al estar presenta en un medio cálido
o en un medio frio, manteniendo una temperatura estable y sobre todo que
65
tiene una vida útil mayor a 1 año con su respectivo mantenimiento. La malla
agribón tiene una característica que no se observó en otros materiales, tiene la
facultad de dirigir el fluido de un modo mas disperso a lo largo de toda la malla,
generando mayor superficie de contacto entre el agua y el ambiente en el
interior del invernadero, además de ser un componente fácil de conseguir en la
zona de estudio.
Se optó por utilizar componentes principalmente fabricados de PVC, debido a
su baja capacidad para retener calor, como es el caso de los metales, otra
ventaja importante es que al trabajar con PVC la tubería no reacciona por están
en contacto todo el tiempo con el agua, evitando la propagación de algún tipo
de hongo que pudiera afectar la producción. Cabe mencionar que cualquiera de
los componentes de la tubería pueden ser reemplazados de manera fácil y en
cualquier momento.
Se diseñó el sistema de tal modo que permite el ahorro considerable de agua y
se consiguió adaptar a un controlador electrónico que permite de manera
automática el censo de la temperatura y a su vez la activación de todo el
sistema de cortina de agua.
Se elaboró un manual de manejo y funcionamiento del sistema, para que
cualquier integrante de la familia lograra su manejo y entendiera su
funcionamiento.
66
3.2 Cortina de agua en mini invernadero para aprendizaje Como profesores, ingenieros y egresados, debemos tener en cuenta que el
transmitir el conocimiento es una gran aportación para esta y futuras
generaciones.
Como participación para el aporte de conocimiento, se realizó un mini
invernadero con fines educativos en el Estado de Oaxaca, el cual fue
transportado a diferentes comunidades para que los mismos habitantes
conozcan los nuevos métodos de cultivo cerrado, así como la tecnología que
se puede incorporar dentro de los invernaderos.
A pesar de ser un invernadero relativamente pequeño, se adaptaron sistemas
tanto de control de temperatura alta, como un sistema electrónico que permitió
el control automático de todos los equipos.
Como método de cultivo hidropónico dentro del mini invernadero, se optó por el
cultivo de lechuga por medio de raíz flotante, es por esto, que el mini
invernadero contó con dos canaletas que permitieron el cultivo en raíz flotante
con su respectivo depósito de solución nutritiva. Véase fotografía 4.
Fotografía 4. Mini invernadero. Cultivo de lechuga en raíz flotante.
67
Figura 14. Funcionamiento de la cortina de agua instalada en mini invernadero
Elaboración propia.
El sistema de control de temperatura alta que se instaló en el mini invernadero,
sirvió como base para el desarrollo de las siguientes dos cortinas de agua que
se mencionan en este trabajo de tesis.
El sistema para el control de la temperatura alta o cortina de agua está
conformado principalmente por tubos y codos de PVC, malla antiáfidos, bomba
sumergible, deposito para el almacenamiento de agua, manguera y accesorios
para su sujeción.
Su principal funcionamiento se indica en la figura 14, quedando así:
1.- Cuando el sensor detecta una temperatura por encima de la programada,
mandará una señal al controlador electrónico, para así activar la bomba
sumergible.
2.- Una vez que la bomba es activada, se encargara de bombear el agua por la
tubería hasta el punto donde se distribuye.
3,4.- En este punto, el agua es
distribuida a lo largo de todo el tubo
que se muestra, para dar paso a la
caída de liquido siendo guiado a
través de la malla antiáfidos.
5.- Mediante el tubo de recolección
que se encuentra bajo la malla se
recolecta el 100% del líquido, para
ser mandado nuevamente al depósito
de almacenamiento de agua.
68
3.3 Sistema Aula – invernadero para capacitación rural
Es conveniente analizar un invernadero con el enfoque de sistemas, véase
figura 12, de tal manera que los subsistemas a considerar son los siguientes:
a. Subsistema de control de temperaturas altas
b. Subsistema de riego para el método de raíz flotante
c. Subsistema de riego por goteo y cultivo en parcela fuera de invernadero
d. Subsistema electrónico de control.
Figura 15. Sistema Aula – invernadero. Ortiz (2009)
E. Entrada.
P. Proceso.
S. Salida.
Cabe mencionar que se participó activamente dentro de las actividades para
definir y diseñar este sistema.
69
a. Subsistema de control de temperaturas altas
El sistema de enfriamiento, mejor conocido como cortina de agua o pared
húmeda, como su nombre lo indica, es un dispositivo hidráulico que permite
controlar la temperatura alta dentro de un invernadero, esto se realiza por
medio de la caída de agua
guiada por tiras de malla
agribón o malla
mosquitero, como se
muestra en la fotografía 5,
además de la aplicación de
un recolector que conecta
con el depósito de
abastecimiento de agua,
con esto se logra un
importante ahorro en el
consumo del liquido.
El sistema, es un sistema hidráulico conformado por: bomba de agua
sumergible, tubos PVC, malla (mosquitero, antiáfidos o agribón) y conexiones
hidráulicas, puede funcionar de dos formas, manual o automáticamente.
Es necesario que este instalado un sensor de temperatura, y conocer los
límites mínimo y máximo que soporte el cultivo, de esta forma, si la temperatura
es alta se puede conectar la bomba sumergible a un tomacorriente para que
esta funcione y comience a trabajar el sistema hidráulico. Pero también se
puede adaptar a un control electrónico para que éste la manipule
automáticamente, el dispositivo al detectar una temperatura mayor manda una
señal que activa la bomba sin necesidad de que intervenga la mano del
hombre, permitiendo así, que el agricultor pueda realizar otras actividades, se
debe de realizar por lo menos una vez a la semana el nivel de agua en el
depósito, para que la bomba no trabaje con un nivel bajo o en seco, evitando
así que se queme.
Fotografía 5. Cortina de agua o sistema de enfriamiento
70
3
En la figura 16 se muestran los principales componentes del sistema que son:
A.- Tubos PVC barrenados para la caída del agua: Permiten la distribución y
caída uniforme a través de las mallas agribón y mosquitero.
B.- Tubo recolector y desagüe: Nos permite captar y reciclar el agua en su
totalidad, direccionando el agua al depósito, para ser llevada nuevamente a las
regaderas.
C.- Malla Mosquitero: Su función principal es direccionar la caída del agua
originada por los tubos PVC, permite el paso del aire atreves de su textura
refrescándolo y absorbiendo el aire caliente dentro del invernadero.
D.- Malla Agribón: Su función principal es direccionar la caída del agua
originada por los tubos PVC, permite el paso del aire atreves de su textura
refrescándolo y absorbiendo el aire caliente dentro del invernadero.
E.- Manguera de distribución: La función de este elemento está encargada de
la alimentación principal, conectando la bomba sumergible con las conexiones
respectivas para alimentar los tubos PVC barrenados.
Figura 16. Partes y funcionamiento del sistema de enfriamiento Elaboración propia
71
F.- Depósito de agua: Contiene la cantidad necesaria para suministrar todo el
sistema con agua, así mismo, sirve como depósito para el agua cuando el
sistema está en funcionamiento, permitiendo tener siempre la alimentación
para la bomba sumergible.
G.- Bomba sumergible: Elemento con la capacidad de elevar el agua, desde el
depósito hasta los tubos con regaderas, con una altura máxima de 4m. Tiene la
característica de que por ser sumergible no requiere de ser cebada, por lo tanto
mientras tenga agua suficiente puede trabajar el tiempo que sea necesario.
El funcionamiento del sistema es el siguiente:
1, 2, 3. Bombeo del agua hacia los tubos barrenados o de distribución y
activación del extractor. Una vez que el controlador electrónico junto con el
sensor de temperatura registra una temperatura por arriba de la programada,
éste activará la bomba sumergible, para elevar el agua en donde se encuentran
los tubos de distribución, a la vez que se activa el extractor.
4.- Llenado del los tubos de distribución. Cuando el agua aumenta su nivel
dentro de los tubos, llegará a un punto en el que tendrá que derramarse por los
barrenos, para ser guiada con las mallas.
5.- Caída del agua direccionada a través de las mallas agribón y mosquitero.
En este punto, el agua que pasa sobre las mallas tiene una temperatura inferior
a la temperatura que existe en el ambiente dentro del invernadero, es por esto
que el agua tiene la capacidad de absorber temperatura del ambiente tanto
tiempo como exista una temperatura del agua por debajo de la temperatura del
interior del invernadero. Es importante mencionar que el aire que entra por
detrás del la cortina es un aire seco, por consiguiente al pasar a través de la
cortina de agua, este absorberá humedad convirtiéndose en un aire húmedo y
renovado. De esta manera el extractor nos permitirá hacer circular el aire
caliente dentro del invernadero con el fin de hacer contacto con la cortina de
agua y a su vez enviara al ambiente exterior el aire húmedo que anteriormente
entró como seco. Es por esto que la única pérdida de agua será aquella que el
aire seco absorba para convertirse en un aire húmedo.
72
6, 7. Recolección y retorno del agua al depósito. Conforme el agua es guiada
por las mallas, al final de éstas se encuentra el recolector, que permite captar
en su totalidad el agua, este recolector cuenta con una pendiente que permite
enviar por gravedad el agua al depósito principal, lista para ser elevada
nuevamente por la bomba sumergible, generando un ahorro en el consumo de
agua.
b. Subsistema de riego para el método de raíz flotante
Como la figura 17 lo muestra, consiste en la suspensión de las raíces total o
parcialmente en la disolución nutritiva donde planchas de poliestireno
expandido que sostienen un determinado número de plantas, flotan sobre una
solución nutritiva aireada frecuentemente a través de una comprensora.
Actualmente es la alternativa productiva para la producción de hortalizas,
principalmente de hoja.
Figura 17. Sistema de raíz flotante
Donde:
T= Solución nutritiva
P=Bomba para recircular la solución nutritiva
Riego para raíz flotante. Sistema hidropónico cerrado para cultivo de lechuga.
Se utiliza una bomba sumergible para recircular la solución nutritiva desde un
contenedor de concreto en la parte inferior del invernadero, hasta una charola
de madera forrada con plástico en la parte superior de una cascada; también,
tiene la función de oxigenar el sistema en las caídas de la solución nutritiva.
73
c. Subsistema de riego por goteo y cultivo en parcela fuera de invernadero
Permite el cultivo de hortalizas de modo tradicional, al aire libre y en
condiciones ambientales comunes.
El riego por goteo es un sistema hidráulico abierto para cultivo de flores y
hortalizas. Utiliza una bomba de ¼ Hp para llevar el agua desde la cisterna
hasta cada una de las bolsas dentro del invernadero, utilizando mangueras y
espaguetis. Riego con cintilla. Riego de hortalizas y flores en parcelas fuera de
invernadero, utilizando una bomba de ¼ de Hp, la misma que es empleada en
el riego por goteo.
d. Subsistema electrónico de control
Es aquel sistema que permite controlar sin la intervención de la mano del
hombre la temperatura dentro de un intervalo establecido y programado.
El invernadero está expuesto tanto a bajas como a altas temperaturas, por lo
que se necesita de un sistema calefactor y enfriador, para estabilizar la
temperatura.
El subsistema electrónico de control es capaz de regar las camas de cultivo
con solución nutritiva a una hora programada sin la intervención de la mano del
hombre tomando decisiones según las condiciones que se presenten.
El riego le proporciona a la planta los elementos necesarios para su
crecimiento disueltos en agua (sales minerales, solución nutritiva) para ser
absorbidos por sus raíces.
Imaginando a una persona viendo un termómetro y supervisando los cambios
de temperatura observaríamos que tendría que encender y apagar la
calefacción manualmente para mantener la temperatura dentro de un intervalo
deseado. Esta situación es análogamente aplicable a cualquiera de las
variables a controlar. La idea principal es que se tenga un sistema sencillo, fácil
de utilizar e instalar para las comunidades rurales que se dediquen al cultivo de
hortalizas.
74
3.4 Controlador automático de temperatura y riego
La realización de este prototipo surgió por la necesidad de controlar el sistema
de riego en el “Aula Invernadero” de la Mixteca de Oaxaca. Tiene como función
el riego de macetas por goteo y también controla el riego de las charolas en
escalera, esto lo hace activando bombas sumergibles.
3.4.1 Elementos básicos de electrónica
La electrónica es el campo de la ingeniería y de la física aplicada, referente al
diseño y aplicación de dispositivos, por lo general circuitos electrónicos, cuyo
funcionamiento depende del flujo de electrones para la generación,
transmisión, recepción, almacenamiento de información.
Un dispositivo es un
componente electrónico,
que realiza una función
específica y un circuito
electrónico es el conjunto
de dispositivos. Figura 18.
Corriente eléctrica
Es el paso de electrones a través de un conductor que es un material que
permite el paso de electrones, es decir, es la transmisión de energía. La
corriente eléctrica necesita de una fuerza que permita mover a los electrones,
esa fuerza es el Voltaje. Véase figura 19.
Figura 18. Circuito electrónico
Figura 19. Corriente eléctrica
75
En la figura 20 se hace una simulación de voltaje y corriente; supongamos una
llave de agua, cuando la abrimos el agua sale con mucha presión a esa presión
la llamaremos “voltaje” que es la fuerza con la que sale el agua, para que fluya
el agua dentro de una manguera se necesita de esa fuerza y el flujo de agua la
llamaremos “flujo de electrones”.
La corriente se divide en:
Corriente continúa o Directa (CC o DC). Es
el resultado de el flujo de electrones (carga
negativa) por un conductor (alambre de
cobre casi siempre), que va del terminal
negativo al terminal positivo de la batería
(circula en una sola dirección). Figura 21.
La corriente continua no cambia su magnitud ni su dirección con el tiempo.
Corriente alterna (AC) circula durante un
tiempo en un sentido y después en
sentido opuesto, volviéndose a repetir el
mismo proceso en forma constante.
Este tipo de corriente es la que nos llega
a nuestras casas y la usamos para
alimentar la TV, el equipo de sonido, la
lavadora, la refrigeradora, etc. Figura 22.
Figura 20. Simulación de la corriente eléctrica con el agua
Figura 21. Corriente Continua o Directa.
Figura 22. Corriente alterna
76
En el siguiente gráfico se muestra el voltaje (que es también alterno) y tenemos
que la magnitud de éste varía primero hacia arriba y luego hacia abajo (de la
misma forma en que se comporta la corriente) y nos da una forma de onda
llamada: onda senoidal.
La forma de representar las fuentes de corriente y fuentes de voltaje es la
siguiente:
Circuito
Corriente
Corriente directa o continua VCD
Corriente alterna VCA
Multímetro
Un multímetro es un instrumento
de medida que ofrece la
posibilidad de medir distintos
parámetros eléctricos y
magnitudes en el mismo aparato.
Las más comunes son las de
voltímetro, amperímetro y
óhmetro. Es utilizado
frecuentemente por personal en
toda la gama de electrónica y
electricidad. Figura 23.
Figura 23. Multímetro y componentes principales.
77
Fotografía 6. Controlador automático de temperatura y riego.
Fase y tierra
En la toma de corriente o contacto la ranura mas pequeña se llama fase y tiene
mas voltaje, y la ranura grande es neutro y tiene menos voltaje; se mide con el
multímetro metiendo una punta en una ranura del contacto y la otra tocando un
fierro. Figura 24.
3.4.2 Control electrónico
Este prototipo, fotografía 6, tiene una serie de componentes que permiten
realizar riegos a horas e intervalos determinados. Funciona en modo manual o
automático. Además cuenta con una serie de lámparas indicadoras que nos
proporcionan información acerca de los diferentes componentes que se han
activado.
También cuenta con un sensor de nivel que
consta de un flotador que desactiva las
bombas cuando se termina el agua de los
contenedores; con este sistema, el usuario
puede programar 4 diferentes intervalos de
riego por día, que proporciona un número
suficiente de configuraciones para el óptimo
riego de los cultivos. Una ventaja con la que
cuenta este controlador es que tiene la opción
de trabajar en conjunto con la cortina de agua
para el control de la temperatura alta,
Figura 24. Símbolos de fase y tierra
78
permitiendo que la bomba de la cortina de agua se accione tantas veces como
se programe el riego de los cultivos.
Este prototipo tiene como fin el optimizar el uso del agua para el riego y la
temperatura, y así tener un mejor aprovechamiento de los recursos naturales.
Esto deriva en un mejor desarrollo de los cultivos y en una mayor productividad
agrícola.
Este prototipo se desarrolló pensando en las necesidades del cultivo, así como
en el tipo y cantidad de bombas de agua que se emplearán para el riego; el
sistema de riego se puede accionar de forma manual o de forma automática,
con la implementación de un timer, además de que se consideró que si el
contenedor de agua llegase a quedar vacio, el dispositivo no activará la bomba
hasta que se rellene el contenedor. Tomando en cuenta estas consideraciones
se realizó el siguiente diagrama como se muestra en la figura 25.
Figura 25. Diagrama eléctrico del prototipo.
79
Para el armado de este dispositivo se tomó en cuenta una distribución de los
elementos, de tal manera que estos fueran visibles y de fácil ubicación; también
se busco que en el cableado se usara la menor cantidad de cable posible.
Los principales componentes que conforman este dispositivo son los
siguientes:
Dispositivo Controlador: Es un temporizador electromecánico (Timer), el cual
funciona con una alimentación de 127 VCA, conformado por tres elementos
principales:
Anillo programador: Parte del Timer que se encarga de ajustar la hora, al
girar esta parte en sentido de las manecillas del reloj se puede ajustar la
hora. Aquí también se configura los ciclos de encendido y apagado del
riego haciendo uso de los pines.
Reloj: En este se indica la hora actual con la que se encuentra
configurado el Timer.
Pines: Con estos se configurarán los lapsos de riego al colocarlos en
diferentes posiciones para variar las horas y tiempos en los que se
activara el sistema de riego. Los pines grises se colocaran en la hora
que desee activar el riego, y los pines blancos en la hora que desee
desactivar el riego.
Cabe mencionar, que en el mercado existen diferentes tipos de Timer, los
cuales podemos ajustar a nuestras necesidades de control de riego y
temperatura.
Relevadores Electromagnéticos: Estos dispositivos aíslan los componentes de
baja potencia de los de alta potencia, en estos se conectan las bombas que
realizarán el riego B1 y alimentarán la cortina de agua B2. Los relevadores se
accionan con la orden que da el Timer, suministrándole un voltaje de 127VCA
para activar o desactivar los platinos o contactos de los relevadores.
Interruptor General: Este brinda protección contra la sobrecarga a todo el
sistema de control. Si este se encuentra en posición de apagado, no funcionará
el sistema de control en ninguno de sus modos de operación.
80
Palanca de Control: Esta palanca debe estar en alto o en posición Automático
(ON) para que las salidas de las Bombas se activen o desactiven en función de
lo programado en el Timer. Si está en bajo o en posición Manual (OFF) se
desactiva la orden de mando del Timer y entra al modo manual.
Palanca de Bombas: En modo automático esta palanca debe estar en bajo o en
posición Automáticas (OFF) para que las salidas de Bombas se activen y
desactiven en función del Timer. En modo manual la palanca debe estar en alto
o en posición Encendidas (ON) para que las salidas de Bombas se activen, y
en posición Automáticas (OFF) para que se apaguen.
Terminales para Bombas: En estas terminales se conectan las bombas de
agua que realizarán el riego y controlan la cortina de agua.
Terminal de Alimentación: En estas terminales se conecta la alimentación de
127 VCA para que todo el sistema funcione.
Lámparas indicadoras: Estas lámparas nos proporcionan información de lo que
está pasando con el prototipo y de los dispositivos que están siendo activados.
Lámpara de Encendido General (azul): nos indica que el dispositivo está
energizado y listo para funcionar.
Lámpara de Orden de Riego (verde): indica que el Timer ha mandado la
orden de inicio de riego.
Lámpara de Bombas Activadas (amarillo): enciende cuando las
terminales para la conexión de bombas tienen energía disponible.
Lámpara de Falta de Agua (roja): esta lámpara nos indique que el
depósito de agua se ha quedado vacío. Véase fotografía 7.
81
Fotografía 7. Vistas laterales y frontales del prototipo
Con este prototipo el usuario puede dedicar menos tiempo a las labores de
riego y tener la seguridad de que la temperatura estará dentro de los
parámetros ideales para mantener la producción, ya que este sistema que
controlará de riego y temperatura lo hará de forma automática una vez que se
le hayan programado las horas y lapsos de tiempo en los que se pretende que
se realicen; además de que permite realizar los riegos y activar la cortina de
agua de forma manual si así lo deseara el usuario.
Otra ventaja con las que cuenta es que si en algún momento llegara a
quedarse vacio el contenedor de agua para el riego, el prototipo desactivara de
forma automática las bombas, esto solo pasará si está en el modo automático.
Cuenta con protección contra sobre carga, esto para evitar que el prototipo se
dañe y también con una serie de lámparas indicadoras que nos proporciona
información acerca de lo que está pasando con el prototipo.
Existe un ahorro estimado del 50% de tiempo, ya que el usuario necesita
dedicarle menos tiempo a la actividad del riego y control de temperatura alta,
por lo que puede emplear dicho tiempo en la realización de otras actividades.
82
“La inteligencia consiste no sólo en el conocimiento, sino también en la destreza de aplicar los conocimientos en la práctica”
Aristóteles (384 AC-322 AC)
CAPÍTULO 4.
CONSTRUCCIÓN Y PRUEBA DEL SISTEMA
El haber llevado a cabo esta tesis con aplicación en el campo, permitió tener un
mayor panorama de los problemas con los que se enfrentará un ingeniero
como egresado, y a su vez nos obliga a desarrollar el ingenio para dar solución
a estos; siendo esto la finalidad del ingeniero y nuestra obligación como
egresados del Instituto Politécnico Nacional.
Fotografía 8. Mostrando cortina de agua en funcionamiento
83
4.1 Trabajo de campo
El trabajo en la zona de estudio fue fundamental para la realización de esta
tesis, ya que los diferentes sistemas se pudieron poner a prueba bajo
condiciones reales de trabajo.
El salir de nuestro medio ambiente común, ha permitido poner a prueba
muchas de las aptitudes que incluso desconocemos, permitió convivir con
personas que de algún modo cuentan con ideas tradicionalistas, y es aquí,
donde tenemos la obligación de proporcionarles la confianza para demostrar
que la tecnología es una herramienta con la cual podemos salir adelante.
Se realizaron varias salidas de campo, la primera fue en la semana santa del
año 2009, ya que la zona de estudio se encuentra entre 350 y 450 km de la
Ciudad de México, se hizo de manera multidisciplinaria y se trabajó
conjuntamente con los usuarios.
En Tamazulapam de Progreso, Oaxaca, las autoridades municipales estuvieron
muy interesadas en la realización de este sistema, inclusive se llevó a cabo el
evento denominado “Primer día demostrativo” con la presencia de funcionarios
del IPN, de la Fundación Produce Oaxaca A.C, usuarios, productores, alumnos
y público en general; demostrando así a todos los presentes, que en nuestro
país existen jóvenes egresados que tienen el interés en impulsar el desarrollo y
progreso del país.
Al construir una cortina de agua aplicamos conocimientos adquiridos en la
escuela y obtenemos experiencias que nos enseñan que podemos aprender de
los errores y que debemos trabajar en equipo con personas de diferentes
disciplinas entendiendo, discutiendo y definiendo el proceso de construcción de
los prototipos y la relación entre ellos; por ejemplo, en el caso del mini
invernadero los sistemas: remolque- mini invernadero para aprendizaje, cortina
de agua, hidráulico, eléctrico, electrónico y el cultivo hidropónico.
84
4.2 Construcción del sistema
El sistema de cortina de agua o también conocido como purificador de aire, es
aquel donde el agua es la herramienta principal, con el solo hecho de hacer
caer agua guiándola con malla permite controlar la temperatura en el interior
del invernadero.
Los materiales utilizados en la construcción de las tres cortinas de agua son
básicamente los mismos, pero cada cortina es distinta, por lo tanto podemos
separar los componentes principales en cinco grupos:
a) Bomba sumergible
b) Malla, agribón y mosquitero
c) PVC y plásticos
d) Extractor de aire
e) Depósito
a) Bomba sumergible
Para este sistema hidráulico se instaló una bomba sumergible mostrada en la
fotografía 9. Esta bomba se eligió porque además de su ahorro de espacio
debido a sus pequeñas dimensiones, no consume
mucha corriente eléctrica y es silenciosa. Una ventaja
muy grande es que no se tiene que purgar, como una
bomba hidráulica normal, pues si ésta no se purga se
puede quemar, ya que en ocasiones resulta difícil
purgar una bomba.
La bomba sumergible con solo introducirla en el
depósito de agua se purga automáticamente, y al
conectarla a la corriente funciona de inmediato.
También el mantenimiento en este tipo de bombas
no es nada difícil, ya que a la entrada del agua tiene unos filtros que impiden la
entrada de cualquier objeto que pueda bloquear la entrada o salida del agua.
Una ventaja más, es que cuenta con una válvula reguladora del caudal de
salida, se puede adaptar cualquier necesidad, si se necesita una altura mayor
Fotografía 9. Bomba sumergible
85
solo se cierra un poco para que el caudal sea menor, y por el contrario si lo que
se desea es un caudal mayor a una altura menor, se abre la válvula al máximo.
b) Malla, agribón y mosquitero
La malla agribón es una cubierta flotante de tela no tejida, ultraligera y
resistente, que sin interferir con el crecimiento de las plantas, permite el paso
de la luz solar, el aire y el agua.
Por sus características crea un efecto de
microclima, el cual conserva mayor
humedad y temperatura bajo la cubierta,
así favorece el desarrollo del cultivo,
logrando incrementos en calidad y
rendimiento.
En climas templados o fríos, la cubierta
de polipropileno protege su cultivo de
heladas, al mismo tiempo que adelanta su
desarrollo, es decir le da precocidad al
cultivo. Es importante considerar que es
una barrera física, impidiendo el acceso
de los insectos que pueden dañar el
cultivo, incluyendo aquellos que, como la mosca blanca, pulgones y otros
áfidos le pueden transmitir enfermedades.
Es por estas características que se decidió agregar malla agribón que se
muestra en la fotografía 10, pues dentro de sus propiedades esta el conservar
la humedad, aún dentro del invernadero, esto asegura que mientras cae el
agua por la malla no exista un aumento en la temperatura de la misma,
manteniéndola incluso, por debajo de la temperatura ambiente, logrando así un
mejor resultado de la cortina de agua.
La malla mosquitero aunque no tiene las mismas características que la malla
agribón de conservar la humedad y permitir el paso de luz, se eligió porque el
espacio entre líneas es superior en comparación a la malla agribón así se
Fotografía 10. Caída del agua dirigida por malla agribón
86
permite un mayor flujo de aire a través de estos sin obstruir o desviar la caída
del agua. Fotografía 11.
c) PVC y plásticos
Se eligió el policloruro de vinilo o PVC (del inglés polyvinyl chloride) por ser un
polímero4 termoplástico con una elevada resistencia a la abrasión, buena
resistencia mecánica y al impacto, es un material rígido o flexible, inerte,
altamente resistente, pudiendo durar hasta más de sesenta años.
En la fotografía 12 se muestra la tubería que se eligió, principalmente por su
larga duración, también por su rugosidad que es muy baja, con esto existen
menos pérdidas por fricción y la bomba tiene una efectividad mejor. Con este
material se crearon regaderas para una nueva forma de la caída del agua, así
se ahorra en el uso de malla agribón o mosquitero, consiguiendo los mismos
resultados en el control de altas temperaturas.
4 Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión de moléculas más pequeñas
llamadas monómeros
Fotografía 11. Caída del agua dirigida por malla mosquitero
87
c) Extractor de aire
De todos los factores a controlar en un cultivo, el más importante sin lugar a
dudas es el aire que rodea a las plantas. Un correcto movimiento de aire,
influye positivamente en el buen funcionamiento de la planta, pero también
podemos añadir que si no existiera una correcta ventilación en un cultivo,
habría zonas con diferencia de temperatura y humedad, y esto se notaría en un
descenso de la producción.
Se eligió la ventilación forzada como ayuda para un mejor funcionamiento de la
cortina de agua y como ventilación del invernadero. Para la selección del
extractor es necesario saber la cantidad de aire que requerimos renovar dentro
del invernadero y en que tiempo es necesario hacerlo. Para esto, es necesario
conocer las dimensiones del invernadero. Véase figura 26.
Fotografía 12. Tubos y accesorios de PVC
88
Como lo muestra la figura anterior, la parte superior del invernadero está
formada por una media elipse, es por esto que necesitamos calcular
primeramente el área de una elipse, el resultado dividirlo entre dos y
multiplicarlo por su longitud, apoyándonos de la formula en la figura 27.
Cálculo para la selección del extractor:
Primeramente calculamos el volumen del invernadero V1 sin la elipse,
multiplicando su altura x ancho x largo, quedando:
V1 = 2.5m x 4m x 6m = 60m3
Ahora sumamos el volumen de la media elipse Ve del invernadero, figura 28:
Figura 27. Formula para el cálculo del área de una elipse. Elaboración propia.
Figura 26. Dimensiones del invernadero. Elaboración propia.
89
Formula:
Ve = π x r x s x 6m / 2
Sustituyendo valores:
Ve = 3.1416 x 1m x 2m x 6m / 2
Quedando:
Ve = 18.84 m3
Volumen total del invernadero:
VT = V1 + Ve
Sustituyendo valores:
VT = 60m3 + 18.84 m3
Quedando:
VT = 78.84 m3
Como norma general, se puede decir que el caudal de aire nominal ofrecido por
un extractor debe ser entre 6 a 10 veces por hora el volumen total de la
habitación, pero esto depende del tipo de cuarto que deseamos ventilar, para el
caso del invernadero tomaremos como opción 10 veces por hora, ya que se
cuenta con un alto grado de humedad.
Figura 28. Parte superior del invernadero
90
Una vez establecido el volumen de aire que necesitamos mover por cada hora
en el invernadero, calcularemos la capacidad del extractor, multiplicando los
m3/hr obtenidos por el número de renovaciones que requiere el uso del lugar.
Formulando:
Ce = VT x Nr
Sustituyendo valores:
Ce = 78.84 m3/hr x 10
Quedando un caudal de:
Ce = 788.4 m3/hr
Ce = 13.14 m3/min
Para esto se eligió un extractor de aire, que de acuerdo a los cálculos,
especificaciones técnicas y de tablas, el extractor mostrado en la fotografía 13,
es el que mejor se adapta a nuestra necesidad.
Fotografía 13. Extractor de aire
Datos técnicos del extractor:
Caudal: 16.4
Voltaje: 220-117V 50-60 Hz Potencia: 55W Rotor: 6 aspas Bajo consumo Silencioso Totalmente metálicos, cubierta y hélice
en plástico ABS. Medida Exterior 39x39x15 cm Medida Hélice 30 Cm
91
c) Depósito
En este se almacena al agua suministrada y a este mismo depósito regresa el
agua que cae guiada por la malla, recirculando en su totalidad el agua, de esta
manera se ahorra agua, solo hay unas pocas perdidas por la temperatura que
en determinado momento se puede evaporar el agua, pero esto ayudaría a
aumentar la humedad relativa dentro del invernadero.
En la figura 29 se muestra la vista frontal del sistema de enfriamiento instalado
en el invernadero de San Andrés Lagunas, Oaxaca:
Figura 29. Cortina de agua con malla agribón y malla mosquitero. Elaboración propia
92
Componentes:
Bomba sumergible de 45 watts de potencia, alcanza una altura máxima de
3 m.
Manguera de plástico de ½” de diámetro, como alimentación principal hacia
el tubo superior.
Tubos de PVC; tubo superior como caída principal de agua y tubo inferior
como recolector, desagüe y retorno al depósito.
Mallas agribón y mosquitero para direccionar la caída del agua.
Depósito de agua.
El funcionamiento del sistema de enfriamiento es el siguiente:
1. Encendido de la bomba sumergible, esto puede ser de modo manual ó de
forma automática, ya que el dispositivo se puede conectar a un control
electrónico, ayudando así a que intervenga menos la mano del hombre.
2. Sube el caudal de agua a través de manguera de plástico hacia el tubo
superior ó regaderas según sea el caso.
3. Llenado del tubo superior donde se desparrama el agua ó simplemente cae
por las regaderas.
4. Caída del agua guiada por malla agribón.
5. Se direcciona el agua por medio del tubo recolector de PVC.
6. Se almacena el agua para su recirculación y se repite el ciclo.
Para ejemplificar el funcionamiento de estos sistemas hidráulicos se realizó la
instalación de estos en dos municipios del estado de Oaxaca, San Andrés
Lagunas y Tamazulapam del Progreso.
93
En la figura 30 se muestra una lista de materiales, precios y costo estimado
para la cortina de agua con malla agribón y malla mosquitero.
Descripción Precio
(metro ó pieza) Cantidad Precio total en pesos
Bomba sumergible 800 1 $800.00
Tubo PVC de 4” 40 4m $160.00
Tubo PVC de 2” 20 6m $120.00
Manguera 8 10m $80.00
Tapón PVC de 4” 12 1 $12.00
Tapón PVC de 2” 7 4 $28.00
Reducción campana
14 1 $14.00
Codos PVC de 2” 7 3 $21.00
Malla mosquitero 12 4.5 $54.00
Malla agribón 15 4.5 $67.5.00
Abrazadera tipo omega de 4”
3 3 $9.00
Abrazadera tipo omega de 2”
2 4 $8.00
“T” para manguera 4 1 $4.00
Codos para manguera
4 3 $12.00
Tuerca unión de ¾” 15 2 $30.00
Pegamento para PVC
45 1 $34.00
Silicón 30 1 $30.00
Tubo galvanizado de ½”
40 4m $160.00
Abrazadera 2 6 $120.00
Pijas 0.5 11 $5.50
Hilo cáñamo 10 1 $10.00
Total $1711.5
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Materiales 1,712.00$
Equipo especial. (controlador automático) 1,500.00$
Otros (miscelánios) 500.00$
Mano de obra directa 4 dias x 8 hrs = 32 hrs
Tiempo X $/hr 32 hrs X 150 =
Ingeniería de proyecto
Utilidad 20% 2,700.00$
Precio estimado a nivel económico octubre 2011
Estimación de costos de la cortina de agua en estudio
16,200.00$
Tiempo estimado de recuperación de inversión Costo
estimado/utilidad6 meses
Total de materiales 3,712.00$
4,800.00$
5,000.00$
Costo de fabricación total 13,512.00$
Figura 30. Tabla de cotización, lista de materiales, precios y costo estimado de la cortina de agua.
95
4.3 Prueba del sistema
Con el propósito de optimizar el funcionamiento de la cortina de agua, se
realizaron varias pruebas bajo condiciones reales que nos permitieron hacer
ajustes en base a los errores detectados y problemas que no teníamos
previsto, un ejemplo de los principales problemas que se detectaron a la hora
de instalar el sistema fueron:
Salida de agua en los tubos de PVC.
Cambio de mangueras.
Direccionar la caída de agua mediante una malla.
Reciclar el agua con el fin de aprovecharla en su totalidad.
Mantener el agua a temperatura 21ºC
Una vez comprobada la funcionalidad del sistema, se trabajó con los usuarios,
capacitándolos de modo que pudieran conocer en su totalidad el
funcionamiento de los diferentes sistemas instalados y así mismo pudieran
convivir y conocer un poco de la tecnología que proponemos implementar.
Para garantizar que el producto es de calidad fue necesario ponerlo a funcionar
durante varios días y nuevamente se tuvieron que hacer ajustes, como la
ubicación de extractor y reparar lo que los usuarios pudieron averiar durante el
proceso de adaptación con los nuevos sistemas.
Una vez superados todos los problemas e inconvenientes se puede garantizar
el funcionamiento continuo del sistema ya que el cultivo hidropónico dentro de
invernadero es muy delicado y si los sistemas fallan las plantas se pierden.
Se procede a la entrega oficial en tiempo y forma por parte de las autoridades
del IPN y FPO a los usuarios, quienes reconocen lo útil del trabajo,
comprenden la importancia de la tecnología en los procesos rurales y las
autoridades municipales agradecen al IPN su participación en el desarrollo
rural, así nuestra institución lleva tecnologías a comunidades frecuentemente
olvidadas y cumple con su lema:
“La Técnica al Servicio de la Patria”
96
Resultados
La aplicación de la ingeniería mecánica en el diseño, construcción, adaptación
y funcionamiento de la cortina de agua como un ejemplo de sistema innovador
para mejorar la operación y el funcionamiento de los invernaderos rurales,
permite optimizar uno de los recursos naturales más valiosos, el agua, que en
zonas áridas como la Mixteca oaxaqueña es escasa.
La implementación de cortinas de agua como control de temperatura dentro de
invernaderos rurales en la región Mixteca del Estado de Oaxaca, permitió
regular y bajar la temperatura interior de los invernaderos de una temperatura
de 33º C hasta una temperatura de 28º C, lo que permite que las plantas
disminuyan el estrés, se desarrollen mejor y por lo tanto incrementen su
productividad.
La humedad relativa del invernadero también fue posible controlarla con la
cortina de agua, ya que con la colocación de los extractores o ventiladores la
humedad de la cortina de agua se extrae hacia el cuerpo del invernadero,
propiciando un ambiente agradable para las plantas cuando las temperaturas
se incrementan en el medio ambiente.
La construcción del sistema innovador de cortina de agua, es un dispositivo
fácil de construir, empleando materiales comerciales de bajo costo, lo que
permite a las familias adaptarlo en sus invernaderos.
Se diseño, elaboración, instalación y funcionamiento de tres sistemas:
a) El primer sistema se instaló en un mini invernadero montado en un
remolque que funciona para dar capacitación y llevar el conocimiento a
diferentes comunidades.
b) El segundo instalado en San Andrés Lagunas, dentro de un aula
invernadero, que funciona para que habitantes de esa comunidad
comprendan y se motiven para aplicar tecnología dentro de sus cultivos.
c) El tercer sistema se instaló en el Centro de Educación Ambiental en
Tamazulapam del Progreso, Oaxaca, que de igual modo, tiene como
finalidad dar a conocer la tecnología que como estudiantes y egresados
97
de Instituto Politécnico Nacional proponemos para dar solución a
problemas específicos en el desarrollo rural.
La incorporación de sistemas innovadores en el cultivo protegido en zonas
rurales, permite a los habitantes de la región conocer las diversas posibilidades
que existen para mejorar la producción a través de un cambio de forma de
pensar, analizar y actuar, a través de la adquisición de nuevos conocimientos,
misma que se propició con la capacitación a los usuarios de los invernaderos.
98
Discusión de Resultados
La adecuación de nuevas tecnologías en los procesos de producción rural,
como lo son las cortinas de agua o sistemas hidráulicos dan libertad al
campesino para realizar otras actividades, mientras su invernadero rural
mantiene de manera automatizada el control de las variables de humedad,
temperatura y circulación de aire, pudiendo eficientar recursos naturales y
humanos ya que cuando no se incorporan innovaciones, el productor que
inicialmente no tiene la capacitación y conocimientos requeridos desconoce los
parámetros de control de producción, operando los invernaderos a
temperaturas altas en rangos mayores de 34°C cuando para la producción
óptima contempla un rango de 25°C a 30°C.
La capacitación técnica a los dueños de los invernaderos como parte de la
introducción de la tecnología en los procesos de producción rural, así como a la
población en general, a través del invernadero-aula-remolque, aporta
conocimientos en áreas como mecánica, electrónica y química que son
transmitidos de manera sencilla y ejemplificada, mostrándoles los componentes
principales con que cuenta el sistema, el funcionamiento, el principio de
operación, además de capacitarles para el mantenimiento que se debe de
realizar a los equipos.
De esta manera se asegura que los equipos estarán en condiciones de operar
adecuadamente y es un modo de comprobar que la tecnología que como
estudiantes del Instituto Politécnico Nacional proponemos, es capaz de elevar
la productividad en los invernaderos rurales.
Lo anterior, permite el desarrollo en materia de educación y tecnología en la
comunidad y como consecuencia mejores oportunidades de vida, mejor
alimentación para los habitantes, posibilidad de ingresos económicos con la
generación de nuevas oportunidades de negocio.
99
Conclusiones
En este trabajo se demostró que en el marco de la innovación tecnológica
incremental se incorporo tecnología apropiada aplicando conocimientos de
ingeniería y se diseñó un sistema innovador económico y eficiente que permite
controlar automáticamente las temperaturas altas en invernaderos familiares
rurales de manera fácil y segura.
Desde la prueba de esta innovación incremental y durante su funcionamiento,
el aprendizaje estuvo presente y el beneficio fue para los alumnos, los
participantes del proyecto y los productores de hortalizas locales. La aplicación
de los conocimientos de ingeniería mecánica permite realizar desarrollos
tecnológicos específicos que coadyuvan a solucionar problemas reales de las
comunidades marginadas del país.
El ingeniero mecánico con el respaldo de los conocimientos adquiridos puede
realizar las mejoras a los invernaderos rurales ya construidos haciendo uso de
sus conocimientos para que en base a cálculos e investigaciones se incorporen
las tecnologías de acuerdo a los espacios y necesidades de cada usuario.
La cortina de agua automatizada es un sistema hidráulico eficiente que al
detectar niveles elevados de temperatura dentro de los invernaderos, activa
instantáneamente una bomba sumergible conectada a un tomacorriente para
que esta funcione y comience a trabajar.
El sistema innovador genera la circulación de aire, generando corrientes al
operar el extractor que saca el aire caliente del interior del invernadero y forza
la entrada de aire fresco a través de las mallas húmedas, ocasionando al
mismo tiempo un enfriamiento que posteriormente baja la temperatura dentro
del invernadero y controla la humedad.
La cortina de agua, permite captar y reciclar el agua en su totalidad,
direccionando el agua al depósito para ser llevada nuevamente a los tubos de
distribución, propiciando la conservación de los recursos naturales. Con la
instalación de este sistema hidráulico automatizado los productores obtienen el
beneficio de cultivar sus hortalizas sin preocuparse por las temperaturas
100
elevadas que se presentan durante el día. Además se refleja un beneficio
social, educativo, tecnológico, ecológico y económico.
El sistema innovador de cortina de agua, ofrece a los habitantes de la región, la
posibilidad de tener una fuente de ingreso de alimentos producidos con calidad,
bajo condiciones controladas que pueden emplearse para autoconsumo o bien
como producto de comercialización, generando ingresos propios y a un costo
relativamente bajo.
101
Bibliografía
Boylestad, Robert & Nashelsky, Louis. (1989). Electrónica. Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. Pearson. Cadahía López, Carlos. (2005). Fertirrigación. Cultivos hortícolas, frutales y ornamentales. 3ª ed., Mundi prensa. Barbado, José Luis. (2005) Hidroponia 1ª Edición. Serie Microemprendimientos Ed. Albatros. Buenos aires. Edward V. (1980). Introducción a la ingeniería y al diseño en la ingeniería. México. Editorial Limusa. Escorsa P., Valls J., (2003) Tecnología e Innovación en la empres. Universidad Politécnica de Cataluña. España. Gil Padilla, Antonio Remiro, Fernando & Cuesta, Luis. (2003). Electrónica digital y micro programable. Guía didáctica. Mc graw hill. Henry O. (1961). Riego y clima. México D. F. Continental S.A. Holman J.P. (1998). Transferencia de calor. C.E.C.S.A. Julio r. (2006). Dinámica de la innovación tecnológica. Colombia. Universidad Nacional de Colombia. Linares H. (2004). Manejo de invernaderos. Chapingo México. Universidad Autónoma de Chapingo. M. J. De Vito. (1978). ”Practical electricity and electronics”. 1ra Edición, Editorial
Limusa.
Oit. (1981). Introducción al estudio del trabajo. Ginebra Suiza. Oit. Porter, M. (1982) Estrategia Competitiva. C.E.C.S.A. México. Urrestarazu M. (2003) Tratado de cultivo sin suelo. 3ra Edición. España. Artes Gráficas Cuesta S.A. Zubicarag M. (1979). Bombas, teoría, diseño y aplicaciones. Editorial Limusa. 2da edición.
102
Anexo 1
Invernadero hidropónico instalado en azotea de casa habitación.
Al norte de la Ciudad de México se instaló in invernadero en la azotea de una
casa habitación, que cuenta con tecnología para cultivos hidropónicos de tres
variedades de jitomate y lechuga.
Este pequeño proyecto surgió de la necesidad de aprender acerca del cultivo
hidropónico. Para esto, se inició con la lectura de un libro de la autora Gloria
Samperio que despertó la curiosidad de saber más acerca del tema.
Posteriormente se consiguió una beca para tomar un curso de hidroponía en la
Fundación Amar A.C. donde se continuó con el aprendizaje referente al tema.
Por cuenta propia se decidió llevar a cabo la instalación de este invernadero en
la azotea de la casa habitación, con el fin de probar y observar como se
comporta esta tecnología.
A continuación se presenta una seria de fotografías que muestran diferentes
etapas de la pequeña producción dentro del invernadero en azotea.
Tutores con rafia
Plántula de jitomate recién trasplantada
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Invernadero en azotea en plena producción
Primeros frutos obtenidos
Tiempo de floración en las plantas de jitomate
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Anexo 2
Ejemplo de título de marca: Gelitali, para resaltar la importancia de la propiedad
Industrial en México y el conocimiento necesario para el ingeniero.
Se muestra un ejemplo real de marca, la marca Gelitali que es para la
microempresa que elabora y comercializa el producto: Helado italiano. Esta
empresa se creó en marzo de 2010 y que esta ubicada en el sur de la Ciudad
de México.
La participación fue desde diseñar el logotipo oficial de la empresa, así como
del registro oficial de la marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad
Industrial, se participó en el diseño del interior del primer local, se participó en
la compra de equipo para la fabricación del producto y a su vez se viajó al
Estado de Jalisco para capacitarse en la fabricación del helado Italiano con una
empresa Italiana encargada de suministrar insumos a nivel nacional.
En Septiembre de 2011, la empresa Gelitali cuenta con 6 sucursales al sur de
la Ciudad de México, mostrando que tiene el potencial para continuar con su
expansión.
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Título de registro de la marca Gelitali
106
Publicación de la marca Gelitali en la gaceta oficial del IMPI
