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Septiembre 2018 | Cerezos

Para control de heladas

Factores a tomar en cuenta para optimizar el uso de hélices de viento

En este artículo se presentan resultados del estudio parte del proyecto FIC “Innovación para el control de heladas”, llevado a cabo durante dos temporadas en la comuna de Graneros. Se evaluaron dos hélices de viento, una fija y otra portátil, y aquí se describen los factores más importantes a tomar en consideración para un óptimo uso de una máquina de viento para controlar una helada radiativa, que son las más comunes en la zona central de Chile.

  Ing. Agr. Ms. Sc. Víctor Beyá Marshall, Dr. Ing. Agr. Thomas Fichet Lagos Departamento de Producción Agrícola, Facultad de Ciencias Agronómicas, Universidad de Chile, Santiago 8820808, Chile.

Dr. Ing. Agr. Thomas Fichet Lagos.

Ing. Agr. Ms. Sc. Víctor Beyá Marshall.

Los daños causados por las heladas en Chile, han comenzado a ser cada vez más recurrentes en este siglo XXI, generando grandes pérdidas económicas, pero también de puestos de trabajo, al existir fuertes disminuciones en la producción agrícola. Hoy por hoy, hay zonas donde antes no ocurrían heladas y que actualmente se encuentran bajo el riesgo de sufrir, con algún grado de intensidad, una helada durante el año. A pesar de los numerosos esfuerzos en investigación, dedicados a reducir el daño por congelamiento, este fenómeno todavía representa una de las mayores causas de pérdidas de producción, tanto en frutales como cultivos hortícolas, después de la sequía. Es por ello que la búsqueda de herramientas y tecnologías que permitan hacer frente a estos fenómenos debe ser una prioridad para el país.

Figura 1. Área de protección en función del aumento de temperatura, proporcionado por una máquina de viento convencional, con un motor otorgando 85 HP a la hélice, para diferentes condiciones de fuerza de inversión térmica (diferencia de temperatura entre los 15 metros y 1,5 metros de altura: T15-T1,5).

Figura 2. Diagrama de los factores que influyen en la efectividad de las máquinas de viento para controlar una helada.

En frutales, vides y hortalizas, el daño por heladas se produce cuando las temperaturas caen por debajo de los valores críticos o umbrales que los tejidos vegetales pueden tolerar, provocando una condición fisiológica irreversible de mal funcionamiento y/o muerte de las células vegetales. Los factores que inciden en el nivel de daño por congelación son numerosos y el daño final va depender de la interacción entre ellos. Algunos de ellos son climáticos (temperatura mínima y duración de la helada) y otros agrofisiológicos (especie, grado de aclimatación, estado fenológico, tejido vegetal, variedad, portainjerto, vigor de la planta y nivel de carga frutal).

Debido a que los daños por heladas en la agricultura son muchas veces devastadores, causando pérdidas económicas significativas, muchos agricultores realizan importantes inversiones para su control. La helada radiativa – la más común en la zona central de Chile- es provocada por la pérdida de calor por radiación desde la superficie del suelo y uno de los métodos activos más antiguo y efectivo para su control, corresponde a las máquinas de viento o hélices, las que lamentablemente aun han sido poco estudiadas.

Las máquinas de viento, grandes hélices ubicadas en torres, envían grandes cantidades de aire cálido, proveniente de las capas térmicas que se encuentran sobre el huerto, a las partes más bajas, que son más frías, proporcionando protección al mezclar el aire, de manera de aprovechar la gran cantidad de calor almacenado en él y así minimizar la estratificación. Por lo tanto, su efectividad y rango de protección depende, principalmente, del grado o fuerza de inversión térmica (diferencial de temperatura entre los 15 metros, altura donde normalmente hay aire más caliente y 1,5 metros de altura; T15-T1,5). De esta manera, si la fuerza de inversión es débil, las hélices no son muy eficaces.

Normalmente se clasifica la fuerza de inversión térmica en tres niveles: débil (0,5-1,1°C), moderada (1,6-3,3°C) y fuerte (≥3,3°C). En la Figura 1, se presenta cómo varía el área de protección en función del aumento de la temperatura para diferentes condiciones de inversión térmica. Por consiguiente, la fuerza de la inversión así como la temperatura mínima pronosticada, deben ser consideradas al hacer una evaluación climatológica de la utilidad de las máquinas de viento para la protección contra heladas. No obstante, si bien estos factores son relevantes, existen otros que también juegan un papel importante, y la interacción entre ellos afectan en el grado de control que pueden aportar las diferentes tecnologías (Figura 2).

A continuación se presentan algunos resultados de un estudio llevado a cabo durante dos temporadas en un huerto de perales en la comuna de Graneros, en el cual se evaluaron dos hélices de viento, una fija y otra portátil (Figura 3, página 54). Este estudio fue financiado por el Gobierno Regional de O’Higgins y se enmarcó en el Proyecto FIC (ID 30343874-0) titulado, “Innovación para el control de heladas”.

Se describen los factores más importantes a tomar en consideración para un óptimo uso de una máquina de viento para controlar una helada radiativa, que son las más comunes en la zona central de Chile.

Figura 3. A. Hélice fija (Modelo Gas V10, Amarillo Wind Machine LLC, EE.UU.) de 180 HP (134,2 kW). B. Hélice portátil (Modelo 2016, Tow and Blow Wind Machine Ltda, Nueva Zelanda) de 22 HP (16 kW).

Figura 4. A. Dinámica de la fuerza de inversión térmica (T15-T1,5), en el predio en estudio durante toda la noche, en tres heladas diferentes (6/6, 19/7 y 21/8 de 2017).  B. Perfil de inversión térmica promedio de la hora más fría en la noche de esas tres heladas evaluadas.

Figura 5. Ángulo de acción que describe el área del sector donde se percibe el aire del ventilador en cualquier momento, en una hélice fija (A) y una hélice portátil (B). En (A), 56° corresponde al tiempo de rotación de 6’55 y 50° al de 4’30’’, mientras que en (B), 24° corresponde al tiempo de rotación de 9’33’’ y 28° al de 3’55’’.

Figura 6. Esquema del alcance de ráfaga teórica para una hélice portátil y una convencional bajo las condiciones de un huerto de perales ).

Cuadro 1. Eficacia de los ventiladores en el control de heladas, en distintas configuraciones de tiempo de rotación, medido como porcentaje de la fuerza de inversión térmica.

FUERZA DE INVERSIÓN TÉRMICA

La variación de la inversión térmica durante las noches, temporal y verticalmente, es un aspecto importante a considerar, dado que, como se mencionó anteriormente, afecta directamente en la eficacia del control de una helada con hélices de viento. En la Figura 4 (página 54) se muestran tres eventos de heladas que presentaron distintos orígenes, la helada del 6 de junio de 2017 fue una helada polar, en la cual, si bien la temperatura mínima fue considerablemente baja (-7°C) (Figura 4B), en las condiciones del campo, se observa que existió una fuerte inversión térmica (≥3.0°C), la cual se mantuvo durante gran parte de la noche. Esto es interesante porque se suele pensar que cuando se está en presencia de una helada polar, no existe inversión térmica y, por lo tanto, el uso de las hélices puede ser contra producente en caso de que la temperatura sea más baja en altura; por esto, es muy recomendable incorporar en los campos la medición de la inversión térmica, para considerar el real aporte de la fuerza de inversión térmica y no basarse sólo en la teoría. De hecho, los días posteriores a la entrada de la masa polar, se suele presentar una helada mixta (presencia de masa fría + pérdida de calor por radiación desde la superficie terrestre), la cual, generalmente, tiene un largo periodo de duración y alcanza valores de temperatura mínima bajos, pero presenta una moderada a alta inversión térmica.

Es importante señalar que, si bien durante la noche se produce un enfriamiento continuo del aire, éste presenta algunos periodos intermitentes de calentamiento, indicando una contribución energética de otras masas de aire relativamente grandes, ayudando en el grado de control. Otro tema destacable de mencionar es la altura en la cual se logra un buen diferencial de temperatura, normalmente a los 15 metros. Dado que las hélices fijas son más altas (10 metros), estas trabajan con la estrata de mayor temperatura, cercana a los 15 m (Figura 4B), otorgando mejor control que las hélices que son más bajas, como la hélice portátil (8 metros de altura). Además, una mayor altura permite un mayor alcance de la ráfaga de viento generado por la hélice sin generar roce con los árboles, los cuales disminuyen notoriamente el alcance de las máquinas de viento (Figura 5), más aún si estos frutales son de hoja persistente como los paltos, por ejemplo.

DIFERENTES ÁNGULO DE COBERTURA

Los distintos tipos de hélices tienen diferentes velocidades de flujo de aire, distancias de recorrido del aire, tiempos de barrido alrededor del campo y ángulos de cobertura en el sector de acción. Este último es un factor importante a considerar y se define como el ancho o amplitud del sector de acción, donde se puede percibir la mezcla de aire del ventilador en cualquier momento. En la Figura 6, se puede ver el ángulo de cobertura para ambas hélices (fija y portátil), a una distancia de 35 metros. La hélice portátil, para las diferentes configuraciones de tiempo de rotación, presentó un ángulo entre 28° y 24° de acción, mientras que la hélice fija tuvo el doble de cobertura en los tiempos de rotación evaluados. En este sentido, los ángulos mayores son mejores, debido a que esto da menos tiempo para que el aire frío se asiente nuevamente, o se restablezca.

DIRECCIÓN E INTENSIDAD DE LAS BRISAS NOCTURNAS

Si bien las noches con heladas se caracterizan por no haber viento, generalmente existe una brisa natural (<1,7 m s-1) que extiende el alcance de la corriente generada por la hélice en dirección de la brisa y acorta el alcance en la dirección perpendicular y opuesta al viento (Figura 7, página 55). En este sentido, es importante considerar la dirección e intensidad de las brisas nocturnas para las ubicaciones de los métodos de control, ya que deben ser instalados considerando su variación, la cual depende, entre otras cosas, de la topografía. En las condiciones topográficas planas y extensas de la depresión intermedia de la zona central, en las cuales se llevó a cabo este estudio, si bien se observó en las 12 heladas evaluadas una brisa predominante, proveniente del este-noreste (ENE), también hay una gran variabilidad de la brisa inter e intra noche (Figura 7). Por lo que la hipótesis de operar las hélices siempre a favor de la brisa (Figura 7C), no es algo que en la práctica pueda ser factible ni recomendable, al menos en predios con similares características topográficas, como es gran parte de los huertos de la región de O´Higgins y de otras regiones. Esta situación puede ser distinta en zonas con pendiente o topografía ondulada, donde la dirección de la brisa frecuentemente sigue el sentido de la pendiente (viento catabático frío), puesto que el aire frío (más denso) se acumula en las zonas bajas con menor ventilación.

VELOCIDAD Y ALCANCE DE LA RÁFAGA DE VIENTO GENERADO POR LAS HÉLICES

Para poder aumentar el alcance de la ráfaga de viento, generado por las máquinas de viento, muchas veces algunas personas recomiendan disminuir el tiempo de rotación de las hélices, esto hace que el ventilador este apuntando por mayor tiempo a una misma dirección, generando un mayor empuje de las ráfagas en distancia. No obstante esto es contra producente, sobre todo en la hélice portátil, que tiene un menor ángulo de cobertura, por lo que requiere rotar más rápido para volver a pasar por el mismo punto nuevamente y, así, romper la estratificación del aire. Cabe señalar que, la velocidad mínima para lograr romper la estratificación del aire y, así, generar un aumento de temperatura, es de 1 m s-1.

Figura 7. Mapa de temperaturas e isotermas (1,5 m), en el periodo más frío de la noche, en un huerto de perales con control de heladas, con hélice fija y portátil. En (A) la hélice portátil fue configurada para un tiempo de rotación de 4’28’’, en (B) de 4’10’’ y en (C) de 4’28’’ pero girando en 180° hacia el sur-oeste (SO), mientras que la convencional en 4’30’’. La rosa de los vientos (circulo superior a cada figura) representa la frecuencia de dirección e intensidad de las brisas durante esa helada.

Figura 8. Área de protección en función del aumento de temperatura proporcionado por una hélice fija y una portátil en diferentes tiempos de rotación, para heladas con diferentes fuerzas de inversión térmica.

TIEMPO DE ROTACIÓN DE LAS HÉLICES

Tal como se mencionó anteriormente, el tiempo de rotación de las hélices es muy importante para lograr un calentamiento efectivo, debido a que cada vez que la hélice pasa por un punto de rotación se produce un aumento en la temperatura del aire, pero luego la temperatura cae sustancialmente hasta que se introduce más aire caliente. En este sentido, el tiempo de rotación en la hélice fija no debe ser mayor a 5 minutos; de lo contrario, la temperatura vuelve a bajar hasta valores similares a los que había antes de la mezcla de aire (Figura 6). Dado que la hélice portátil tiene un menor ángulo de cobertura, se requiere un tiempo de rotación menor para lograr un aumento de temperatura, no obstante, eso repercute en la distancia que puede alcanzar (Figura 6). De hecho, cuando la hélice portátil se operó con un mayor tiempo de rotación, ésta no logró romper eficazmente la estratificación del aire a ninguna distancia, a pesar de lograr un mayor alcance en la velocidad del viento (Cuadro 1, página 55). De esta manera, si bien es relevante lograr un aumento de la velocidad del aire, de 1 m s-1 como mínimo para poder mezclar el aire, tanto el ángulo de cobertura como el tiempo en el cual se demora la hélice en volver al mismo punto, es fundamental para lograr romper, en el tiempo, la estratificación del aire. Así, en el caso de la hélice portátil, requiere ser utilizada a la máxima velocidad de rotación (3’55’’), dado que a pesar de que esta configuración tiene menor alcance en distancia, la mayor frecuencia de pasadas en un mismo punto garantiza que, en esa menor superficie, la temperatura se mantendrá más estable, asegurando así, un mejor control.

ÁREA DE PROTECCIÓN EN FUNCIÓN DEL AUMENTO DE TEMPERATURA ALCANZADO

La Figura 8 muestra la superficie que puede ser controlada con un cierto nivel de aumento de temperatura, para diferentes condiciones de inversión térmica y configuración de las hélices. En base a esta figura, se puede estimar el número de ventiladores necesarios para lograr un cierto grado de control en una determinada superficie. Por ejemplo, para lograr +1° de protección, es necesario instalar una hélice fija cada 5,6 ha, mientras que para la hélice portátil (con un tiempo de rotación de 3’55’’) se requiere, al menos, una cada 3 ha. No obstante, dado que no presentó una relación significativa, la seguridad de control no puede ser confirmada.

Para la hélice fija, es probable que exista una sinergia al colocar 2 o más ventiladores en una superficie determinada, logrando un mayor grado de cobertura a las 5,6 ha correspondientes a cada una.