En la Figura 2, J representa el flujo del líquido con radio rj y velocidad V, P es la punta del electrodo, Z es la zona de generación de las gotas (está entre J y P) y C representa el electrodo cilíndrico de radio re que regula la intensidad y dirección del campo eléctrico en las vecindades de Z y P.

3.1.1. Principio de carga por ionización del campo. Si L1 Y L2 son conectados a tierra y se aplica un elevado potencial de voltaje al conductor L3 , resultará un colapso dieléctrico del aire circundante al punto metálico P. Debido a la geometría cilíndrica, ocurrirá una descarga gaseosa de corriente que fluye entre P y C quedando la mayor porción del espacio cilíndrico ocupada por iones de aire unipolar viajando a lo largo de líneas radiales de campo eléctrico hacia el electrodo externo no ionizado C. Las partículas, en su viaje por el campo ionizado, pueden adquirir por la adición de un ion una carga de saturación qp, que dependerá de la constante dieléctrica de la partícula, de su área superficial, del tiempo de residencia, de la concentración y movilidad de iones, y de las características eléctricas de la descarga gaseosa.

3.1.2. Principio de carga por contacto. Si se conecta el conductor L1 a una fuente de voltaje se logra un suministro de carga libre a la boquilla metálica permitiendo una transferencia de carga por conducción al flujo de líquido J y, consecuentemente, a las gotas en el instante de su formación . Sin embargo, esto requiere el uso de elevado voltaje y considerable cantidad de aislante para proteger a la persona que manipule el sistema por lo que este método se ha descartado en aplicaciones de pesticidas agrícolas.

3.1.3. Principio de carga por inducción electrostática. Si se conecta una fuente de voltaje entre los conductores L2 y L1, se aplicará un potencial al electrodo cil índrico C y por tanto, en teoría, cualquier líquido con conductividad eléctrica acumulará un exceso de carga negativa sobre el flujo de líquido J atomizado. Esta transferencia de carga resulta de la inducción electrostática de electrones sobre el flujo axial con el propósito de mantener éste en una potencial tierra en presencia del electrodo cilíndrico cargado. Gotas individuales formadas desde este flujo continuo, cargado negativamente, saldrán con una carga neta negativa hacia la zona de formación Z sujeta a la inducción del campo eléctrico que actúa sobre el cilindro y el flujo. Según la ley de Gauss, la máxima carga del líquido deberá ocurrir en la zona de producción de gotas, localizada en la región que entrega el máximo campo eléctrico en la superficie exterior del flujo .

En teoría, el nivel de carga impartida a la gota dependerá del tiempo de transferencia de carga a la zona de formación de las gotas. Esta capacidad de transferencia de carga por conducción desde la boquilla N a través del flujo de líquido J depende de las propiedades eléctricas del líquido que forma un flujo continuo.

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Se han desarrollado modelos matemáticos para predecir el tiempo de transferencia de la carga, el campo eléctrico en la zona de formación de la gota, la corriente eléctrica con que se cargan las gotas formadas en función del voltaje aplicado en la boquilla, la geometría de la boquilla y el caudal del líquido. Se obtiene así de los modelos la relación de carga eléctrica sobre masa del liquido pulverizado (C/kg), parámetro de operación importante en estos equipos. Se consideran también en el análisis matemático características físicas como la viscosidad y la velocidad axial del flujo de aire.

Para el diseño de una boquilla por inducción electrostática, se determina el valor límite teórico de carga de las gotas (qmax) conocido como límite de Rayleigh en función de la tensión superficial 1, el radio de las gotas rp y la constante dieléctrica Eo.

qmax = 8n#" r:/ 2 (2)

Cargas mayores a este límite darán como resultado la ruptura de la gota por inestabilidad hidrodinámica, por tanto la boquilla de electrodo empotrado no debe generar carga mayor a este límite.

Las principales características técnicas de la boquilla con electrodo empotrado desarrollada por Law (1978), Figura 3, son:

- Voltaje de carga: 1,5 a 2 kV - Caudal de líquido: 0,080 Umin - Presión de trabajo : 207 kPa - Tamaño de gota: 20 J.im - Carga de las gotas: 2x10-4 C - Relación carga/masa: 4,8x1 0-3 C/kg - Potencia eléctrica requerida: 0,050 W a 2 kV Y 25 ~

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Figura 3. Boquilla con electrodo empotrado para carga por inducción electrostática. (Fuentes: Law, 1978 y 1983)

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Posteriormente, Laryea y No (2003), desarrollaron y evaluaron una boquilla por inducción electrostática con anillo de latón como electrodo embebido para pulverización por corriente de aire. Los autores encontraron con este diseño un importante incremento en la deposición de producto asperjado para una relación de carga/masa de 0,27 me/kg, con un caudal de 0,69 L/min, un tamaño de gota de 116 Ilm, y empleando un voltaje de 4 kV, parámetros que resultan factibles para un equipo pulverizador en condiciones de campo.

En un estudio más reciente, lhao et al. (2005) utilizando una versión mejorada de la boquilla por inducción electrostática de Law, desarrollada por la empresa ESS® (Figura 4), encontraron que la corriente de la boquilla no es afectada por la carga espacial, pero la carga eléctrica depende del voltaje del electrodo y de la presión del aire para la atomización del líquido. También encontraron que la corriente del líquido depositado sobre el blanco disminuye al aumentar la distancia entre la boquilla y el blanco, debido al efecto de la carga espacial que repele algunas de las gotas cargadas en dirección contraria hacia la superficie de la boquilla.

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Figura 4. Boquilla de inducción electrostática desarrollada por ESS®. (Fuente: Zhao et al., 2005)

Las ventajas de este nuevo diseño de boquilla, descritas por los autores, son: facilidad de ensamblaje y de limpieza de las partes interiores, menor goteo a través del interior y las superficies externas, punta de cerámica y electrodo de acero inoxidable para un funcionamiento más duradero, forma optimizada de la superficie exterior de la boquilla que reduce la capa de recubrimiento.

3.2. Aspersión electrodinámica.

Aquí se utiliza para lograr la pulverización el campo magnético generado por dos electrodos con elevada diferencia de voltaje, normalmente 20 a 25 kV, que obliga al producto a atravesar un tubo capilar para llegar a la atmósfera en forma de gotas muy finas que son conducidas por las líneas de campo eléctrico que se establece entre el equipo y la planta (Botta y Dagostino, 2001). Se han desarrollado mecanismos para atomizar y cargar flujos lentos de líquidos no

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conductivos (con una conductividad >107 O-m) por tensiones eléctricas aplicadas sobre el flujo del líquido (Coffee, 1980; Escallon y Tyner, 1988).

En Inglaterra, el investigador Ron Coffee desarrolló un aspersor que causó revolución en países del tercer mundo, de África principalmente, donde ha tenido cierta grado de comercialización. Este equipo es conocido como pulverizador electrodyn® (Figura 5).

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----~ Figura 5. Pulverizador manual electrodyn®. (Fuente Matthews, 1996)

En este sistema, un insecticida especialmente formulado en aceite, se comercializa en un contenedor que posee una boquilla anular ajustada a la abertura de este. El líquido es alimentado por gravedad a través de la boquilla y se carga eléctricamente. La intensidad del campo eléctrico divergente generado entre la boquilla y el electrodo rompe en pequeñas gotas el líquido. El tamaño de las gotas en este equipo es definido por la siguiente ecuación:

d p = ~4,5íEo ~ (3) qp

Donde:

dp: Diámetro de la gota Ea: Constante dieléctrica f: Tensión superficial del líquido m: Masa de la gota q: Carga de la gota p: Densidad del líquido

La relación entre la carga de las gotas y su masa (q/m) depende del voltaje y el caudal de la boquilla. Los demás parámetros dependen del líquido a pulverizar. Este equipo emplea caudales entre 0,1 y 0,5 mUs. Se producen gotas de 100 ¡.tm que con un voltaje de 25 kV reciben una carga de 3,7 10-12 C, generando una fuerza eléctrica en las gotas 45 veces mayor a la fuerza de la gravedad. La potencia consumida es de 0,45 W-h. Una ventaja particular del líquido cargado

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------

es que se reduce la cantidad de pesticida en el suelo, lo cual permite el uso de insecticidas con menor dosis a las empleadas en un pulverizador convencional de mochila. Sin embargo su uso esta restringido, por su elevado costo, solo a insecticidas a base de aceites piretroides para tratar algodón a ultra bajo volumen «1 Uha). Desafortunadamente pocos insecticidas son suficientemente activos a tan bajas dosis para ser formulados en poco volumen de líquido. Esta limitación ha restringido su comercialización. El electrodyn® se encuentra en exposición permanente en el museo de ciencias de Londres y fue premiado en 1989 por el gobierno británico por su contribución ecológica (Matthews, 1996).

3.3. Método de carga inducida en un atomizador portátil de disco rotatorio.

Arnold y Pye (1980), citados por Matthews (1984), desarrollaron un sistema para cargar la mezcla de agua y aceite basado en la pulverización sobre un disco rotativo permitiendo incrementar la deposición de producto sobre las superficies superior e inferior de las hojas (Figura 6).

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Figura 6. Sistema de carga en disco rotativo con electrodo inducido. (Fuente: Marchant, 1985)

Este tipo de boquilla "electrodinámica" utiliza alto voltaje (16 a 30 kV) para cargar formulaciones de pesticida con una resistividad hasta de 108 n-m. Un campo intensificado conectado a tierra con un alambre alrededor de la boquilla generó un campo eléctrico divergente que produjo la ruptura del líquido en gotas finas. El tamaño de la gota (entre 40 a 200 ~m) se ajustaba variando el voltaje, y la variación del caudal tenía efecto sobre el número y tamaño de las gotas. De este sistema hay varias patentes (U.K. Patent Office, 1952 y European Patent Office, 1981).

Marchant (1985), desarrolló un sistema de carga por inducción con un electrodo rotatorio solidario al disco de un pulverizador centrífugo, que permite trabajar sin humedecer el electrodo y permite operar a menor voltaje que la mayoría de pulverizadores electrostáticos (Figura 7) .

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Figura 7. Sistema de carga por inducción en un pulverizador centrífugo con electrodo rotatorio. (Fuente: Marchant, 1985)

Este investigador encontró que el tamaño de las gotas (d) es inversamente proporcional a la velocidad de rotación del disco (O) y es independiente del flujo de líquido, y ambas variables están relacionadas, para un rango de velocidad angular de 209 a 733 rad/s y un flujo de líquido entre 0,5 y 2,0 g/s, mediante la expresión:

! =19,5 ro (4) d

En este sistema la carga de las gotas depende del voltaje del electrodo y del espacio de carga. La relación carga/masa se incrementa linealmente con el voltaje hasta que el aire en el electrodo se ioniza, después de este punto la carga aumenta a menor rata y luego rápidamente disminuye.

Para un disco de 78 mm de diámetro girando a una velocidad angular O) en el rango arriba mencionado, se encontró una relación carga/masa representada por la ecuación:

q :::: A V ro (5)

Donde A es una constante de proporcionalidad (A=1 ,38x1 0-9, para un electrodo

con orificio de 1,8 mm y voltaje de 1,5 kV, Y A=0,49x10-9, para un electrodo con

orificio de 4,1 mm y voltaje de 3,0 kV).

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3.4. Inducción electrostática tipo capacitiva.

Moon et al. (2003), instalaron un electrodo de inducción tipo anillo ubicado externamente sobre la estructura de una boquilla tipo cónica, para evitar contacto con el líquido y fuga de corriente (Figura 8). Solo en el interior del cono la columna de líquido es fraccionada en gotas desde un orificio de 0,73 mm de la boquilla conectada a tierra. La inducción de la carga se presentó dentro del flujo de cono, formado a una presión de 30 k/cm2 y con un caudal de 0,75 L/min. Se empleó una fuente de pulsos de voltaje de O a 5 kV con una frecuencia de 1 a 20 kHz que, aplicada al electrodo de inducción, permitió cargar negativamente las gotas pulverizadas.

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Figura 8. Boquilla con anillo de inducción electrostática tipo capacitivo. (Fuente: Moon et al., 2003)

La principal conclusión de los autores es que este tipo de boquilla tiene la gran ventaja de no presentar caída en el voltaje aplicado, ni fuga de corriente en la película conductiva de líquido pulverizado formada en el interior del cono. Una máxima deposición de corriente de 27~ fue obtenida, permitiendo una relación carga/masa de 2,1 mC/kg de pesticida. Se muestra que el sistema propuesto podría implementarse como alternativa de bajo costo utilizando corriente directa.

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4. RETENCiÓN DE LA CARGA.

Varias investigaciones se han realizado para estudiar como se pierde la carga en las gotas producidas con aspersión electrostática. El efecto de factores como la descarga gaseosa debida a elementos puntuales en las plantas y el ambiente, la evaporación de masa y otros, han sido considerados en estos estudios.

El problema de la pérdida de carga por descarga gaseosa se presenta en las hojas con extremos agudos los cuales actúan como puntos metálicos aterrizados, produciendo corrientes de conducción gaseosa entre estos puntos y la nube de pulverización (Figura 9).

Figura 9. Pérdida de carga por descarga gaseosa. (Fuente: Law, 1983)

El efecto que se obtiene es la neutralización de la carga de las gotas a tal punto que las partículas retornan hacia la nube en dirección contraría del blanco. Experimentos demostraron que debido a esta descarga gaseosa se reduce la deposición de producto hasta un 50% atribuida a estos puntos en el blanco (Law, 1983). Según el autor;.este problema puede ser reducido con la aplicación de campos eléctricos externos.

El problema de la evaporación de gotas de pesticida cuando se alcanza el valor límite de carga de la gotas (conocido como límite de Rayleigh), el cual expresa, como se mencionó antes, el valor máximo de carga de la gota antes de su ruptura por inestabilidad hidrodinámica, se presenta cuando se requiere trasladar la pulverización grandes distancias con largo tiempos de residencia durante el viaje de las gotas hacia el objetivo, como el caso de aplicaciones en frutales . Resultado de esto es la ruptura de la superficie de la gota y su evaporación . Aunque contrariamente tal partición puede mejorar la deposición entre un 5 a un 10%.

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5. OPTIMIZACiÓN DEL CAMPO DE DEPOSICiÓN.

Importantes investigaciones se han dirigido hacia el estudio del espacio de campo eléctrico de carga para alcanzar deposición sobre grandes distancias en cultivos con mucho follaje. La utilización de carga bipolar a 8,5 mC/kg ha permitido incrementar la deposición sobre objetivos cubiertos. Estos resultados han tenido importantes implicaciones prácticas en el mejoramiento de los equipos portátiles manuales.

Para lograr distancias de viaje de 0,5 a 1,0 m en cultivos en hileras y de 2,5 a 5,0 m en frutales, se utiliza la energía aerodinámica . El flujo de aire en la boquilla realiza tres funciones: atomización del flujo de líquido en gotas, barrido de la gotas cargadas después de la inducción de polaridad del electrodo dentro de la boquilla, y el impulso de la nube de líquido pulverizado hacia la planta. Las características técnicas del sistema para una boquilla típica fueron: presión de 133 a 414 kPa, flujo de aire de 70 a 170 L/min, alcance de la gota sin viento de 4 m, velocidad de las gotas de 6 mIs y una potencia teórica requerida de 100 a 450 W (0,15 a 0,60 HP) .

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6. EFECTO DEL TRANSIENTE EN LA DEPOSICiÓN.

Se demostró que la carga acumulada sobre plantas objetivo debe evitarse, para que estas no se comporten como potenciales tierra, y debe darse un tiempo de relajación de la carga a la tierra (desplazamiento de carga). Este proceso electrodinámico debe ser facilitado en un tiempo corto (de 500 a 1500 ms) como período de interacción con la planta durante el avance de la máquina en el cultivo a una velocidad de 5 km/h .

Se demostró que plantas sometidas a estrés hídrico con una resistencia de 1 MO, entre el extremo de la planta y el suelo, no presentan limitaciones para la aspersión electrostática. Los resultados hallados aseguran que no se requieren mediaciones operacionales para la aspersión electrostática de plantas con baja humedad o en plantas creciendo en invernaderos en macetas plásticas.

A medida que la nube de pulverización es dirigida a la vecindad de la planta debe ocurrir una transferencia de carga transiente. El desplazamiento de corriente entre la planta y el suelo establece la condición de carga apropiada sobre la planta, la cual mantendrá este como potencial tierra en presencia de la nube de gotas cargadas. A la velocidad del pulverizador normal de operación para cultivos en hileras, la interacción directa de la pulverización cargada con la planta es de aproximadamente 600 ms y la influencia del campo eléctrico de la pulverización sobre la planta se prolonga hasta 1200 ms.

Para determinar la factibilidad de la aspersión electrostática, analizando las características del transiente eléctrico de plantas de algodón bajo diferentes condiciones de estrés hídrico en el tiempo, Lane y Law (1982) midieron el desplazamiento de corriente y la transferencia de carga de las plantas (Figuras 10 Y 11).

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Figura 10. Montaje experimental para análisis de transiente de transferencia de carga. (Fuente: Law, 1983)

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Figura 11. índice de transiente de transferencia de carga de plantas de algodón. (Fuente: Law, 1983)

Los autores encontraron que no se presentan diferencias estadísticas entre el transiente de carga transferido de las plantas, para los diferentes rangos de humedad de saturación, a un nivel de estrés hídrico más allá del punto de marchites. Por lo tanto las plantas bajo todas las condiciones de crecimiento podrían someterse a la aspersión electrostática sin impedimento alguno.

En la Figura 12 se muestra una planta en condiciones reales sometida aspersión electrostática. Las trayectorias de líneas de flujo formadas por las gotas cargadas y establecidas por el campo de carga, muestran como las gotas se elevan en contra de la gravedad para depositarse sobre la parte posterior e interior de las hojas. Para una penetración profunda del follaje en condiciones típicas de operación de un pulverizador, una densidad de carga espacial de -29 Il-C/m3

facilita la deposición en un área de 0,5 m de altura x 0,5 m de ancho.

Figura 12. Trayectoria de gotas cargadas en la aspersión electrostática. (Fuente: Law, 1983)

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7. EVALUACIONES DE EFICIENCIA EN CAMPO DE EQUIPOS ELECTROSTÁTICOS.

En el último cuarto del siglo pasado numerosas pruebas experimentales se realizaron con equipos que validaron la tecnología de la aspersión electrostática. Se han realizado rigurosas evaluaciones de laboratorio y de campo basadas en pruebas de ingeniería sobre la transferencia de masa de las gotas sobre objetivos artificiales (superficies metálicas) y sobre objetivos reales (hojas), y ensayos de eficiencia en el control de plagas y enfermedades comparados con los resultados obtenidos con las técnicas de aspersión convencionales . A continuación se recogen los principales resultados obtenidos en estos estudios.

7.1. Transferencia de masa de las gotas.

7.1.1. Resultados con objetivos artificiales. La deposición del líquido sobre objetivos posicionados en cultivos en hileras (espaciamiento entre filas de 1 m) fue cuantificada mediante análisis fluoro métrico para niveles de carga entre O y 8,2 mC/kg . La dosis de aplicación electrostática fue de 9,4 Uha y la dosis con boquillas convencionales de cono hueco de 80° fue de 75 Uha. En la Figura 13 se muestran los resultados en deposición con objetivos metálicos esféricos (7,6 cm de diámetro) y objetivos planos (30,6 cm2

).

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Figura 13. Deposición de líquido sobre modelos de objetivos para diferentes intensidades de carga de las gotas. (Fuente: Law, 1983)

Para los objetivos esféricos las fuerzas electrostáticas incrementaron la deposición 7 veces más que las boquillas convencionales. Cuando se fijo un punto metálico en la parte superior de la esfera se incremento 4 veces la deposición como resultado de la interacción de la corriente gaseosa con la corriente de

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nebulización. Cuando no se presentó descarga gaseosa (esfera lisa), la aspersión cargada aumentó hasta 8 veces la deposición comparada con la de la boquilla convencional.

Para el objetivo plano, la deposición electrostática fue 2,5 veces mayor cuando se orientó horizontal y 3 veces mayor cuando se orientó vertical comparada con la deposición obtenida con la boquilla convencional.

Cuando se analizó la ubicación del objetivo hacia abajo, la deposición con boquilla electrostática fue 1,6 veces mayor en posición horizontal y 24 veces mayor en posición vertical que la obtenida con la boquilla convencional.

7.1.2. Resultados con objetivos reales (hojas). Se hicieron similares estudios utilizando objetivos foliares de variada morfología. En la Figura 14 se muestran los valores medios de concentración depositada sobre diferentes plantas, desde coles (forma lisa y redonda) hasta maíz (forma alargada y puntiaguda). La deposición cargada aumentó de 1,9 a 4 veces con relación a la deposición sin carga.

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Figura 14. Deposición de líquido sobre objetivos foliares para diferentes intensidades de carga de las gotas. (Fuente: Law, 1983)

En la Tabla 1 se resumen las relaciones de máxima deposición electrostática alcanzadas comparando tres diferentes métodos: aplicación descargada (aspersión finamente atomizada y repartida en un flujo turbulento de aire), aplicación cargada (igual a la anterior pero cargada electrostáticamente) y aplicación convencional (aspersión atomizada hidráulicamente).

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