Drenagem Agrícola - Sistemas, Tipos e Materiais Drenantes

DISCIPLINA DE IRRIGAÇÃO E DRENAGEM Aula 19 202301 IRRIGAÇÃO E DRENAGEM SISTEMAS DE DRENAGEM AGRÍCOLA Tipos de Drenagem CONTEÚDOS DESTA AULA Materiais FLUXOGRAMA IRRIGAÇÃO E DRENAGEM FONTE BOMBEAMENTO APLICAÇÃO DISTRIBUIÇÃO CONDUÇÃO CONTROLE E AUTOMAÇÃO LAVOURA TRATAMENTO DRENAGEM DRENAGEM AGRÍCOLA Processo de remoção do excesso de água dos solos aplicado pela irrigação ou proveniente das chuvas de modo que o solo tenha condições de aeração estruturação e resistência DRENAGEM AGRÍCOLA IMPORTÂNCIA Utilização de áreas inundadas tornandoas agricultáveis e produtivas Melhora as condições físicas e químicas do solo como por exemplo melhor aeração melhor atividade microbiana melhor fixação de nitrogênio e fosforo aumento da profundidade efetiva do sistema radicular Podese controlar o nível de salinidade através da lixiviação dos sais que se encontram na faixa do solo utilizado pelo sistema radicular da planta DRENAGEM AGRÍCOLA DIVISÃO Drenagem superficial visa à remoção do excesso de água da superfície do solo ou piso construído Drenagem subterrânea ou profunda visa à remoção do excesso de água do solo até uma profundidade determinada DRENAGEM AGRÍCOLA Drenos laterais têm a finalidade de controlar a profundidade do lençol freático ou absorver o excesso de água da superfície do solo Drenos coletores têm a finalidade de receber a água dos drenos laterais e levála ao dreno principal Dreno principal têm a finalidade de receber a água de toda a área e conduzila até a saída TIPOS DE DRENOS E MATERIAIS DRENANTES DRENAGEM SUPERFICIAL Esse tipo de drenagem consiste no escoamento das águas que se acumulam na superfície do terreno Para isso o terreno deve ser regularizado de modo que deve ter um declive constante Devem ser criadas valas para o escoamento da água acumulada bem como se deve aumentar a secção de pontes e aquedutos e limpar alargar e aprofundar as linhas de água A drenagem superficial elimina o excesso de água acumulado na superfície do solo Nesse caso o excesso de água pode ser provocado por chuvas intensas e também pela baixa taxa de infiltração de água no solo Essa técnica consiste na abertura de valas ou canais para escoamento do excesso de água DRENAGEM SUBTERRÂNEA A drenagem subterrânea controla o nível do lençol freático a uma profundidade que não prejudica o desenvolvimento das plantas Ela consiste em retirar o excesso de água que existe no interior do solo ou seja reduzir o nível freático Um elevado nível pode ser originado por uma camada impermeável mais ou menos superficial um elevado nível de um rio ou ribeiro chuvas intensas regas exageradas Para fazer uma drenagem subterrânea devese instalar drenos enterrados a cerca de 1 metro de profundidade e abrir valas profundas 08 m a 1 m de profundidade Caso se trate de uma zona muito baixa pode ser necessário extrair água DRENAGEM VANTAGENS Aumenta a fração do solo preenchida por ar Melhorar a capacidade de suporte do solo Melhorar o regime térmico do solo Diminuir os riscos de salinidade Diminuir a incidência de doenças DRENAGEM INEFICIENTE redução do crescimento do sistema radicular redução do tamanho das plantas redução das trocas gasosas do solo redução da fixação de nitrogênio amarelecimento das folhas deficiência de nitrogênio queda das folhas e de estruturas reprodutivas aparecimento de doenças morte das plantas queda de produtividade DRENAGEM AÇÕES origem do excesso de água condições climáticas questões hidrológicas topografia do terreno propriedades do solo fisiologia das plantações planejamento do uso da terra recursos financeiros disponíveis DRENAGEM EXEMPLO Exemplo S² 4 x Ko x h² R R 8 mm dia1 8 x 103 m dia1 S² 4 x 15 x 06² 8 x 103 S² 270 m² S 1643 m DRENAGEM CUSTOS 2015 TIPO CUSTO R SUPERFICIAL Coletora aberta Escavação Obras d Arte Espalhamento Regularização Bota Fora R 3600000 Km SUBTERRÂNEA L 2000 m Projetos escavação materiais e instalação R 1250000 ha SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO Eficiência Energética UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA Reitora MARGARETH DE FÁTIMA FORMIGA MELO DINIZ ViceReitor EDUARDO RAMALHO RABENHORST EDITORA DA UFPB Diretora IZABEL FRANÇA DE LIMA ViceDiretor JOSÉ LUIZ DA SILVA Supervisão de Editoração ALMIR CORREIA DE VASCONCELLOS JÚNIOR Supervisão de Produção JOSÉ AUGUSTO DOS SANTOS FILHO HEBER PIMENTEL GOMES SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO Eficiência Energética Editora da UFPB João Pessoa 2013 Capa Moisés Menezes Salvino Diagramação Moisés Menezes Salvino Roberta Macêdo Marques Gouveia Impresso no Brasil Esta publicação foi viabilizada com recursos da Eletrobras no âmbito do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica PROCEL FICHA CATALOGRÁFICA G 633s Gomes Heber Pimentel Sistemas de Irrigação Eficiência EnergéticaHeber Pimentel Gomes João Pessoa Editora da UFPB 2013 281p ISPN 9788523706838 1 Irrigação 2 Sistemas de irrigação 3 Redes de irrigação 4 Eficiência energética UFPBBC CDU 62881 PREFÁCIO A irrigação é uma prática agrícola de fornecimento de água às culturas onde e quando as dotações pluviométricas ou qualquer outra forma natural de abastecimento não são suficientes para suprir as necessidades hídricas das plantas Constituise numa atividade imprescindível para qualquer agricultura tecnificada e rentável em quase todas as regiões e climas do nosso planeta Segundo a forma de aplicação de água às plantas os sistemas de irrigação podem ser divididos em duas categorias a irrigação por superfície também conhecida como irrigação por gravidade e a irrigação sob pressão ou pressurizada Na irrigação por superfície de aplicação milenar a água alcança as plantas de forma direta por escoamento sobre a superfície do terreno cultivado métodos de irrigação por sulcos por faixas e por inundação Na irrigação sob pressão a água é conduzida desde a fonte de abastecimento até a área cultivada impulsionada quase sempre por uma estação de bombeamento através de condutos forçados e é distribuída às plantas mediante dispositivos especiais irrigação por aspersão por gotejamento etc Em comparação com a irrigação pressurizada a utilização da irrigação por superfície está limitada a zonas topograficamente favoráveis e sua aplicação tem diminuido cada vez mais em virtude de sua baixa eficiência o que acarreta grandes desperdícios de água A irrigação pressurizada necessita de menos mão de obra apresenta maior uniformidade de distribuição da água sobre o terreno melhor operacionalidade para o irrigante maior eficiência consome menos água e seus sistemas se adequam melhor aos diversos tipos de solo cultura clima e topografia do terreno Como consequência desses aspectos os sistemas de irrigação pressurizados estão se impondo no mundo principalmente nas regiões onde se requer maior produtividade agrícola e onde o custo laboral é fator limitante Este livro aborda as formas e os mecanismos básicos dos sistemas de irrigação pressurizados mais utilizados na prática aspersão convencional canhão hidráulico pivô central gotejamento e microaspersão seus critérios de operação e as metodologias de dimensionamento das instalações hidráulicas O texto apresenta um enfoque teórico e prático dando uma ênfase especial à eficiência energética são mostrados mecanismos e processos operacionais que buscam a diminuição da energia elétrica consumida nas estações de bombeamento dos sistemas de irrigação pressurizados Esta obra se compõe de nove capítulos ordenados de acordo com a sequência de etapas empregadas nos dimensionamentos de projetos de irrigação O Capítulo 1 trata de forma sucinta dos aspectos agronômicos básicos relativos à determinação da quantidade de água útil admitida pelo solo e das necessidades hídricas das culturas sem se deter no complexo universo da edafologia e da fisiologia vegetal Nos Capítulos 2 e 3 são descritos os fundamentos necessários para a elaboração de projetos dos principais sistemas de irrigação pressurizados enquanto que o Capítulo 4 trata das metodologias clássicas de dimensionamento hidráulico das redes de tubulação desses sistemas O Capítulo 5 descreve as estruturas e os condicionantes básicos relativos ao dimensionamento dos perímetros de irrigação pressurizados o 6 apresenta as estações de bombeamento com um destaque especial às bombas de velocidade variável com o emprego de inversores de frequência que contribuem para uma operação otimizada das estações elevatórias com vistas à minimização do consumo energético No Capítulo 7 é apresentada a aplicação do modelo hidráulico Epanet que pode ser empregado para auxiliar a operação controlada das redes de 6 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética abastecimento com suas estações elevatórias No 8 são abordadas metodologias de cálculo de estações elevatórias de bombeamento e de redes de distribuição de água baseadas em critérios econômicos destinadas indistintamente a pequenos e grandes projetos de irrigação O Capítulo 9 descreve os sistemas de automação e controle voltados para a engenharia de irrigação Por último no Apêndice A podem ser encontrados dois exemplos completos de projetos de sistemas presurizados de irrigação que contemplam desde o cálculo das lâminas de irrigação com suas frequências de aplicação até o dimensionamento otimizado dos diâmetros das redes de tubulações e suas estações elevatórias Esta edição foi elaborada com apoio financeiro da Eletrobras no âmbito do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica para o setor de saneamento PROCEL SANEAR Eficiência Energética no Saneamento Ambiental Heber Pimentel Gomes httpwwwlenhsctufpbbr SUMÁRIO Prefácio 3 Capítulo 1 Aspectos Agronômicos Básicos 11 Introdução 11 12 Relação SoloÁguaPlanta 11 121 Características Físicas do Solo 11 122 Água no Solo Disponível para as Plantas 15 123 Capacidade de Campo 15 124 Ponto de Murcha 16 125 Disponibilidade Total de Água no Solo 17 126 Profundidade do Sistema Radicular 17 127 Déficit Hídrico Tolerável 18 128 Água Facilmente Utilizável Lâmina de Irrigação Líquida Máxima 19 13 Necessidades Hídricas das Culturas 20 131 A Evapotranspiração Coeficiente de Cultivo 20 132 Estimativa da Evapotranspiração Potencial 23 133 Necessidades de Irrigação Balanço Hídrico 25 134 Frequência de Irrigação 27 135 Necessidade de Lixiviação 29 Capítulo 2 Irrigação por Aspersão 21 Emprego da Irrigação por Aspersão 31 211 Introdução 31 212 Descrição dos Aspersores 32 22 Sistemas de Aspersão Convencionais 34 221 Sistemas Portáteis 34 222 Sistemas Semiportáteis 35 223 Sistemas Fixos 36 23 Sistemas de Aspersão não Convencionais 37 231 Canhão Hidráulico 38 232 Pivô Central 40 24 Características Hidráulicas dos Aspersores 46 241 Vazão 46 242 Alcance 47 243 Pulverização 48 244 Eficiência 49 245 Precipitação 50 8 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética 25 Distribuição dos Aspersores nos Sistemas Convencionais 52 251 Disposição dos Aspersores 53 252 Espaçamentos Convencionais 57 253 Catálogos de Aspersores 58 26 Uniformidade e Eficiência da Irrigação por Aspersão 59 261 Grau de Uniformidade 59 262 Eficiência da Irrigação 64 27 Distribuição das Linhas Laterais e Traçado das Tubulações 66 no Interior das Parcelas de Irrigação Capítulo 3 Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 31 Característica e Emprego da Irrigação por Gotejamento 71 32 Componentes do Sistema 73 321 Introdução 73 322 Cabeçal de Controle 75 323 Gotejadores 80 33 Uniformidade e Eficiência da Irrigação por Gotejamento 85 34 Projeto de uma Instalação de Irrigação por Gotejamento 88 341 Quantidade de Água Requerida pela Instalação 89 342 Esquema da Instalação e Critério de Dimensionamento 95 35 Sistema de Irrigação por Gotejamento Subterrâneo 97 36 Sistema de Irrigação por Microaspersão 101 Capítulo 4 Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 41 Introdução 105 42 Escoamento e Regime do Fluxo dÁgua nas Tubulações 105 43 Fundamentos Hidráulicos Básicos 107 44 Perda de Carga ao Longo do Conduto 108 45 Perdas de Carga Localizadas 112 46 Dimensionamento das Linhas Laterais dos Sistemas de Aspersão Convencional 113 47 Dimensionamento das Linhas Laterais e Tubulações de Derivação dos Sistemas 123 Por Gotejamento e Microaspersão 48 Dimensionamento das Tubulações Principais e Secundárias Redes de 129 Distribuição 481 Introdução 129 482 Método da Perda de Carga Unitária Constante 131 49 Tipos de Tubos 137 Sumário 9 Capítulo 5 Perímetros de Irrigação Pressurizados 51 Introdução 141 52 Condicionantes Básicos 142 521 Disposição das Parcelas de Irrigação e Posição dos Pontos de 142 Tomada dÁgua 522 Modalidade de Irrigação 144 53 Traçado das Redes Coletivas de Distribuição 145 54 Vazões Transportadas pelos Trechos das Redes Coletivas 147 541 Introdução 147 542 Parâmetros de Cálculo das Vazões 148 543 Método de Clément 150 Capítulo 6 Estações de Bombeamento 61 Introdução 155 62 Bombas Hidráulicas 155 621 Classificação das Bombas Centrífugas 157 63 Alturas Geométricas e Manométricas Potências Rendimentos e Perdas 158 64 Curvas Características das Bombas 166 65 Ensaios de Bombas 169 66 Curvas do Sistema e Ponto de Trabalho 173 67 Relações entre Grandezas Características das Bombas 175 68 Altura de Aspiração Cavitação e NPSH 176 69 Associação de Bombas 179 610 Acionamento Elétrico 183 611 Variação da Velocidade de Rotação e Inversores de Frequência 185 612 Sistema de Bombeamento Acionado por Inversor de Frequência 189 Capítulo 7 Modelagem Hidráulica de Sistemas de Irrigação 71 Modelagem Hidráulica O Modelo Epanet 191 72 Exemplo Aplicado a um Sistema Coletivo de Irrigação 193 721 Traçado da Rede 196 722 Propriedade dos Objetos da Rede 197 723 Executar uma Simulação Dinâmica 200 724 Energia do Bombeamento 203 Capítulo 8 Dimensionamento Otimizado de Redes e Estações Elevatórias 81 Introdução 205 82 Dimensionamento Econômico de Estações Elevatórias 206 10 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética 821 Custo de Implantação do Sistema 208 822 Custo da Energia de Bombeamento 208 823 Custo Total do Sistema 209 83 Dimensionamento Econômico de Redes de Abastecimento Método Lenhsnet 215 831 Introdução 215 832 Desenvolvimento do Método 217 833 O Programa Lenhsnet 221 834 Exemplo Aplicado a uma Rede Coletiva de Irrigação 225 Capítulo 9 Automação em Sistemas de Irrigação 91 Introdução 229 92 Sistemas de Supervisão Controle e Aquisição de Dados 231 921 Instrumentação para Medição e Controle 232 922 Estações Remotas 234 923 Rede de Comunicação 235 924 Sistemas de Supervisão e Controle 236 93 Controlador Lógico Programável 239 94 Aplicação de Automação em Canais 242 95 Sistemas de Controle 246 96 Outras Aplicações de Automação 250 961 Sistema de Irrigação Operando em Tempo Real 250 962 Sistemas de Irrigação com Controladores Comerciais 251 963 Sistema de Bombeamento com Controle LigaDesliga 252 964 Sistema de Bombeamento Típico com Medição de Vazão e Pressão 253 Apêndice A Exemplos de Dimensionamento de Sistemas de Irrigação Pressurizada A1 Dimensionamento de um Sistema por Aspersão Convencional 255 A2 Dimensionamento de um Sistema por Gotejamento e Microaspersão 264 Bibliografia 279 Capítulo 1 ASPECTOS AGRONÔMICOS BÁSICOS 11 Introdução O projeto de qualquer sistema de irrigação requer o conhecimento prévio da quantidade de água a fornecer ao conjunto soloplanta para satisfazer as necessidades hídricas das culturas Concretamente os aspectos agronômicos básicos necessários para a elaboração de um projeto de irrigação se resumem a duas questões a primeira consiste na determinação da quantidade de água útil admitida pelo solo e a segunda corresponde à determinação das necessidades hídricas das plantas necessárias ao pleno desenvolvimento da cultura A primeira dessas questões depende basicamente das características físicas e hídricas do solo como também do tipo de cultura a implantar Por sua vez as necessidades hídricas das plantas dependem da cultura e das condições climáticas da região O conhecimento dessas duas questões permite a determinação da frequência de aplicação das sucessivas dotações ou lâminas de irrigação ao terreno Aspectos básicos sobre a relação soloáguaplanta e metodologias existentes para a determinação da necessidade hídrica da cultura lâmina e frequência de irrigação são descritas de forma resumida no presente capítulo 12 Relação SoloÁguaPlanta 121 Características Físicas do Solo O solo formado por partículas sólidas minerais e orgânicas água e ar constitui o substrato de água e nutrientes para as raízes das plantas As características físicas do solo textura estrutura e porosidade determinam sua capacidade de absorção da água proveniente da chuva ou da irrigação A densidade aparente do solo e a velocidade de infiltração da água são parâmetros que dependem do manejo do solo e das características físicas mencionadas anteriormente A textura ou composição granulométrica de um solo é um termo usado para caracterizar a distribuição das partículas no solo quanto às suas dimensões Esta influencia a permeabilidade e a capacidade de armazenamento de água no solo que são essenciais à determinação da quantidade e intensidade de aplicação da irrigação Existe também uma relação direta entre a textura e as demais características físicas do solo estrutura porosidade e densidade aparente Outra peculiaridade importante da textura está relacionada com a nutrição da cultura já que a fração mais fina do solo influencia de maneira significativa a disponibilidade de nutrientes para as plantas As partículas do solo em função de suas dimensões podem ser classificadas nos seguintes grupos apresentados no Quadro 11 De acordo com a proporção de argila silte e areia na composição do solo a textura se divide em várias classes que podem ser determinadas por meio do triângulo de texturas proposto pelo Departamento de Agricultura dos Estados Unidos USDA e apresentado na Figura 11 Esse triângulo se compõe de doze espaços que representam doze classes distintas As linhas grossas do gráfico indicam as fronteiras de cada uma das classes de 12 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética textura Como exemplo o ponto 1 da figura representa a composição de um solo francosiltoso que contém 25 de areia 15 de argila e 60 de silte Quadro 11 Classificação das partículas de um solo Clément e Galant 1986 Partículas Diâmetros médios mm argila 0002 silte 0002 005 areia fina 005 02 areia grossa 02 20 cascalho 20 Figura 11 Triângulo de texturas proposto pelo USDA A estrutura de um solo caracteriza a forma de arranjo de suas partículas Solos de texturas iguais podem possuir estruturas diferentes que apresentam maiores ou menores dificuldades à penetração ou circulação da água do ar e das raízes das plantas Assim as partículas argilosas coloidais tendem por floculação a se acumularem umas sobre as outras originando estruturas bastante variadas mais ou menos compactas que deixam espaços vazios e zonas de aglomeração no solo estruturas granulares prismáticas etc A presença moderada de cal no solo melhora e estabiliza a sua estrutura enquanto que os elementos dispersivos como o sódio a destrói A estrutura dos solos ao contrário do que ocorre com a textura é difícil de quantificar e também de catalogar No entanto ela exerce uma influência significativa sobre a porosidade e a permeabilidade do solo Aspectos Agronômicos Básicos 13 A densidade aparente de um solo Da também denominada densidade global ou simplesmente densidade do solo é a relação entre o peso seco e seu volume aparente incluindo o volume dos poros em sua estrutura natural Em termos orientativos a densidade aparente geralmente varia desde 11 gcm3 para os solos argilosos até 15 gcm3 para os solos arenosos Na prática os solos argilosos são às vezes chamados de solos pesados e os solos arenosos de solos leves No entanto estas denominações não se referem às densidades dos solos e sim às dificuldades de manejo que os mesmos proporcionam Os solos argilosos ou pesados oferecem maiores dificuldades ao manejo do que os solos arenosos ou leves A porosidade de um solo é a relação entre o volume não ocupado por partículas sólidas e o volume total do solo É um parâmetro adimensional e normalmente se expressa em termos de porcentagem Depende de sua textura e de sua estrutura e seu valor oscila em geral entre 35 para um solo arenoso até 60 para um solo argiloso Nos solos de textura argilosa predominam os microporos que por efeito da capilaridade e da tensão superficial retém mais água que os solos de textura grossa onde predominam os macroporos Nesses últimos a água é drenada com maior facilidade e portanto eles armazenam menor quantidade de água do que os solos argilosos Consequentemente os solos de textura grossa requerem irrigações mais frequentes do que os de textura fina Os solos de textura média francos que possuem proporções equilibradas de areia silte e argila em geral são os mais adequados para o desenvolvimento das raízes das plantas já que apresentam condições bastante satisfatórias de drenagem aeração e retenção de água Em função da textura e estrutura do solo a água proveniente da chuva ou irrigação se infiltra com velocidades distintas Ao estar o solo inicialmente seco a água se infiltra com maior velocidade diminuindo gradualmente com o tempo à medida que os poros vão sendo ocupados pela água O solo estará saturado quando seus poros se encherem completamente Nesse estado a velocidade de infiltração praticamente se estabiliza em um limite inferior ver Figura 12 quando normalmente se diz que o solo alcançou a velocidade de infiltração básica Figura 12 Velocidade de infiltração da água em um solo A permeabilidade ou condutividade hidráulica dada geralmente em mmh representa a altura de coluna de água mm que atravessa um solo saturado numa determinada unidade de tempo h sob um gradiente hidráulico unitário Ela é medida em laboratório com o permeâmetro ver Figura 13 que consiste num recipiente onde é depositada a amostra do 14 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética solo a ensaiar Uma vez saturada a amostra é submetida à passagem da água obtendose o valor da permeabilidade ou condutividade hidráulica Kh mediante a lei de Darcy Eq 11 h q A K H l 11 em que Kh permeabilidade ou condutividade hidráulica q vazão através da amostra de solo saturada A área da seção transversal do volume da amostra Figura 13 Permeâmetro Em algumas situações se utiliza o valor de Kh como sendo equivalente à velocidade de infiltração básica do solo Na prática como a permeabilidade do solo agrícola é muito influenciada pela sua estrutura é recomendável que a determinação da velocidade de infiltração básica seja realizada in situ O cilindro infiltrômetro é a ferramenta mais empregada no campo para se determinar a velocidade de infiltração básica do solo Consiste de dois cilindros concêntricos cravados no solo ver Figura 14 e um dispositivo de medição do volume de água fornecido ao cilindro interior As alturas de água infiltradas na base do cilindro interior medidas em determinados intervalos de tempo permitem obter a velocidade de infiltração básica do terreno O motivo da existência do cilindro externo é evitar a difusão lateral da água que percola pelo cilindro interior O Quadro 12 apresenta intervalos de variação das velocidades finais ou básicas de infiltração para solos agrícolas de diferentes texturas segundo Fuentes Yagüe e Cruz Roche 1990 A velocidade de infiltração básica de um solo exerce influência fundamental na prática da irrigação já que em função dela se quantifica a capacidade que tem o terreno para absorver uma determinada dotação ou lâmina dágua em um tempo determinado Na irrigação por aspersão a intensidade de precipitação dos aspersores não deve ultrapassar a Aspectos Agronômicos Básicos 15 velocidade básica de infiltração do solo para evitar encharcamento do terreno e escoamento superficial Figura 14 Infiltrômetro Quadro 12 Velocidade básica de infiltração segundo a textura do solo Textura do solo Velocidade básica de infiltração mmh Argiloso 2 5 francoargiloso 6 8 francosiltoso 7 10 Franco 7 12 francoarenoso 8 12 Arenoso 12 25 122 Água no Solo Disponível para as Plantas A água que se infiltra no solo até as camadas mais profundas sob a ação da força da gravidade é denominada água livre ou água de gravidade Esta água não é retida pela camada do solo ao alcance da zona radicular e se perde por percolação A água que permanece retida no solo sob o efeito da capilaridade decorrente da tensão superficial entre as moléculas da água e as partículas sólidas do solo se denomina água capilar ou água de capilaridade Esta água está sujeita a um movimento de ascensão que depende da porosidade do solo Nos solos onde predominam os microporos a água sobe por capilaridade a uma altura bem maior do que naqueles onde se constatam um maior grau de macroporos nos quais quase não existe movimento ascensional Há um estado de umidade do solo no qual as raízes das plantas não são capazes de extrair água Essa quantidade muito pequena de água não disponível é conhecida como água higroscópica e corresponde àquela fortemente retida nas superfícies das partículas do solo pelas forças de adesão e coesão 123 Capacidade de Campo Após a drenagem da água gravitacional proveniente de um solo saturado o solo alcança depois de um determinado tempo um estado de umidade aparentemente de equilíbrio que se denomina capacidade de campo Cc A capacidade de campo é normalmente considerada como o limite superior da quantidade de água no solo disponível para a alimentação das plantas Inúmeras tentativas têm sido realizadas para se estabelecer o 16 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética conteúdo de água no solo à capacidade de campo em função do seu potencial matricial O potencial matricial também denominado tensão de água no solo ou pressão de sucção é a tensão de sucção requerida para extrair água de um solo não saturado A forma mais utilizada na prática para se conhecer a tensão com que a água está retida no solo é por meio de um tensiômetro Basicamente o tensiômetro consiste em um recipiente tubular dotado na sua parte superior de um manômetro onde se faz a leitura da tensão de sucção ver Figura 15 Na parte inferior o aparelho dispõe de uma cápsula cerâmica porosa pela qual é produzido o intercâmbio de umidade com o solo Ao diminuir a umidade do solo a água passa do recipiente tubular para o terreno através da cápsula porosa provocando uma sucção no tensiômetro cuja tensão é medida pelo manômetro O potencial matricial do solo na capacidade de campo varia com a textura e alcança um valor aproximado de 13 Atm para solos de texturas médias e argilosas e de 01 Atm para solos arenosos Para fins práticos de cálculo do volume de água a ser utilizado nos projetos de irrigação é aceitável se adotar os valores dos conteúdos de água retidos no solo correspondentes aos potenciais matriciais citados anteriormente Figura 15 Esquema de um tensiômetro A estrutura do solo no momento da determinação da capacidade de campo pode alterar substancialmente o conteúdo de água em um potencial matricial específico Uma boa indicação do conteúdo de água do solo na capacidade de campo pode ser determinada em amostras de solo coletadas no campo depois de transcorrido um período de tempo compreendido entre um e três dias Vários estudiosos sobre esse tema dentre eles Richards 1960 demonstram que o conteúdo de água no nível da capacidade de campo não está totalmente em equilíbrio e que o movimento da água no solo pode continuar por muitos dias naturalmente em proporções menores do que a drenagem da água gravitacional 124 Ponto de Murcha Com a perda de umidade por evaporação e transpiração sem que haja nova aplicação de água ao terreno o solo poderá alcançar um nível mínimo de umidade no qual as plantas Aspectos Agronômicos Básicos 17 não conseguem mais extrair água e murcham de maneira permanente Nesse limite de umidade se diz que o solo cultivado alcançou o ponto de murcha ou ponto de murcha permanente PM O conteúdo de água no potencial matricial de 15 Atm é geralmente adequado para caracterizar o ponto de murcha permanente Nessa condição de umidade as plantas normalmente cultivadas não podem utilizar a água do solo e murcham de tal maneira que mesmo chovendo ou sendo irrigadas elas não se recuperam 125 Disponibilidade Total de Água do Solo De posse do conteúdo de água no solo na capacidade de campo no ponto de murcha e da densidade do solo obtémse a disponibilidade total de água no solo disponível às plantas por meio da seguinte expressão ar 1 DT Cc PMD 10 12 em que DT disponibilidade total de água no solo em mm de altura de água por cm de solo Cc conteúdo de umidade à capacidade de campo em do peso de solo PM conteúdo de umidade correspondente ao ponto de murcha em do peso de solo Dar densidade aparente do solo relativa à densidade da água adimensional O valor de Dar do solo será sempre igual ao valor adimensional de sua densidade aparente já que a densidade da água é constante e igual a 1 gcm3 No Quadro 13 estão indicados os intervalos de valores das disponibilidades totais de água no solo em milímetros por centímetro de espessura para distintas texturas de solo Quadro 13 Disponibilidade total de água no solo Fuentes Yagüe e Cruz Roche 1990 Textura do solo DT mmcm arenoso 04 08 francoarenoso 08 13 franco 09 18 francosiltoso 12 19 francoargiloso 14 21 argiloso 14 21 126 Profundidade do Sistema Radicular Para cada tipo de cultura a densidade do sistema radicular em geral aumenta conforme avança a fase de crescimento vegetativo da planta até alcançar uma profundidade máxima no solo No entanto as raízes se distribuem de forma não uniforme no solo e se concentram na sua grande maioria na metade superior A profundidade efetiva Zr representa portanto a profundidade do sistema radicular no solo onde se concentra em torno de 80 das raízes da cultura Esta profundidade efetiva determina a espessura da camada de solo que é utilizada no cálculo da lâmina de água nos projetos dos sistemas de irrigação Ela depende fundamentalmente do tipo de cultura e das condições do solo Um solo situado sobre um extrato rochoso a pouca profundidade impede que as raízes das 18 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética plantas se aprofundem adequadamente Para um mesmo tipo de cultura as raízes das plantas penetram mais em solos de texturas grossas do que em solos de texturas finas Considerando as mesmas condições do solo cada cultura tem seu próprio desenvolvimento radicular As raízes das culturas cítricas alcançam maior profundidade do que as do milho que por sua vez se aprofundam mais quando comparadas com as raízes da batata O Quadro 14 mostra os intervalos de valores das profundidades efetivas das raízes para diferentes tipos de culturas em solos bem drenados e de texturas médias Quadro 14 Profundidade efetiva das raízes para diferentes culturas Luján 1989 Cultura Zr cm Cultura Zr cm Abacate 60 90 Espinafre 40 60 Abóbora 75 100 Ervilha 60 90 Alface 20 40 Feijão verde 25 50 Algodão 80 180 Feijão grãos secos 60 100 Amendoim 40 60 Forragem gramíneas 30 60 Arroz 30 40 Forragem leguminosa 60 80 Aspargo 100 150 Melancia 100 150 Banana 60 80 Melão 70 100 Batata 25 40 Milho 60 120 Beterraba açucareira 100 180 Morango 40 60 Beterraba leguminosa 60 80 Pepino 60 80 Canadeaçúcar 50 100 Pimentão 40 50 Cebola 20 40 Soja 60 90 Cevada 80 100 Sorgo 90 120 Cenoura 45 75 Tabaco 60 100 Cereais 60 120 Tomate 60 120 Cítricos 90 150 Trigo 80 100 Couve 30 60 Vinha 90 120 127 Déficit Hídrico Tolerável Desde o momento em que não exista nova aplicação de água ao solo o conteúdo de água armazenado começa a diminuir pouco a pouco à medida que ocorre a evapotranspiração A facilidade com que as raízes das plantas absorvem água também diminui com o conteúdo de água Esta diminuição alcança um limite que é superior ao conteúdo de água equivalente ao ponto de murcha no qual as plantas começam a sentir os efeitos do déficit hídrico Entre esse limite e o ponto de murcha as raízes ainda conseguem extrair água do solo porém nesse limite o crescimento vegetativo é sensivelmente prejudicado Portanto para o bom desenvolvimento das plantas é recomendável não deixar que o conteúdo de água do solo irrigado alcance esse limite crítico A relação entre o conteúdo de umidade do solo nesse limite crítico e sua disponibilidade total de água denominase déficit hídrico tolerável e é geralmente expresso em porcentagem O déficit hídrico tolerável Y que depende do tipo de cultura do tipo de solo e da evapotranspiração varia em geral entre 30 e 60 As hortaliças e forrageiras se ressentem mais com a diminuição do conteúdo de água do solo do que os cereais o algodão e a Aspectos Agronômicos Básicos 19 algaroba O Quadro 15 extraído de Luján 1989 apresenta valores limites do déficit hídrico tolerável recomendados pelo Irrigation Management Service Technical Guide Quadro 15 Déficit tolerável para diversos tipos de cultura Cultura Déficit Y Cultura Déficit Y Abacate 30 Feijão 50 Alface 35 Laranja 35 Alfafa 60 Limão 25 Banana 30 Melão 20 Batata 40 Milho 40 Beterraba 30 Morango 10 Brócolis 30 Pomares 40 Canadeaçúcar 15 Pastos 35 Cebola 30 Repolho 35 Cebola madureza 40 Tabaco 25 Cenoura 40 Tomate 45 Cítricos 40 Vinha 25 Ervilha 25 Vinha madureza 55 128 Água Facilmente Utilizável Lâmina de Irrigação Líquida Máxima O produto da disponibilidade total de água do solo pela profundidade efetiva das raízes da cultura e pelo déficit hídrico tolerável proporciona a água facilmente utilizável pelas raízes A água facilmente utilizável representa a quantidade ou a lâmina líquida máxima de água que se deve aplicar às plantas com uma determinada frequência para suprir as necessidades líquidas de irrigação da cultura Assim sendo a lâmina de irrigação líquida máxima Llm a ser aplicada com determinada frequência às culturas para repor a água facilmente utilizável consumida pela evapotranspiração da cultura pode ser obtida pela Equação 13 lm ar r 1 L Cc PMD Y Z 10 13 em que Llm lâmina de irrigação líquida máxima em mm Cc umidade à capacidade de campo em de peso do solo PM umidade correspondente ao ponto de murcha em de peso do solo Dar densidade aparente relativa do solo adimensional Y déficit hídrico tolerável de umidade em Zr profundidade efetiva das raízes da planta em m Exemplo 11 Determinar a lâmina de irrigação líquida máxima para os seguintes dados do conjunto soloplanta capacidade de campo Cc 20 peso ponto de murcha PM 10 peso densidade aparente do solo Dar 135 gcm3 déficit hídrico tolerável Y 50 profundidade efetiva das raízes Zr 090 m 20 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética A água facilmente utilizável ou a lâmina de irrigação líquida máxima será lm 1 L 20 10 135 50 090 61 mm 10 Uma lâmina de 61 mm corresponde a um volume dágua de 610 m3 por hectare de terreno irrigado 0061 m 10000 m2 1ha Quando o solo está composto de mais de uma camada com características distintas a lâmina de irrigação líquida máxima se determina mediante a acumulação das lâminas correspondentes a cada camada Exemplo 12 Determinar a lâmina de irrigação líquida máxima para um solo composto de duas camadas cuja profundidade efetiva das raízes da cultura é de 10 m A camada superior de 04 m de profundidade possui as seguintes característica Cc 18 peso PM 8 peso e Da 124 gcm3 As características da camada inferior de 08 m são Cc 24 peso PM 12 peso e Dar 136 gcm3 O déficit hídrico tolerável é de 50 Llm 110 188 124 0402412 136 10040 50 74 mm 740 m3ha Nos sistemas de irrigação pressurizados principalmente os de alta frequência quase sempre se aplicam lâminas líquidas de irrigação inferiores às lâminas líquidas máximas admitidas pelos solos Nesses casos as lâminas líquidas Ll a serem adotadas nos projetos dos sistemas de irrigação dependerão das necessidades hídricas das culturas e das frequências de irrigação selecionadas 13 Necessidades Hídricas das Culturas 131 A Evapotranspiração Coeficiente de Cultivo O consumo de água do conjunto soloplanta conhecido também como uso consuntivo da planta ou necessidade hídrica da cultura corresponde à quantidade de água que passa à atmosfera em forma de vapor pela evaporação do solo e transpiração das plantas mais a quantidade de água que é incorporada à massa vegetal Essa quantidade que é retida pela planta que se denomina água de constituição é muito pequena com relação à água evaporada e transpirada e por isto se considera que a necessidade de água da planta ou do conjunto soloplanta é igual à água que é transferida para a atmosfera pela evaporação do solo e transpiração das plantas O conjunto dos dois fenômenos evaporação mais transpiração é denominado evapotranspiração da cultura Existem três formas ou conceitos de evapotranspiração da cultura geralmente empregados que são Evapotranspiração real ou efetiva ETr Quantidade de água realmente consumida por uma cultura determinada conjunto solocultura em um intervalo de tempo considerado A taxa de evapotranspiração real da cultura depende dentre outros fatores do conteúdo de umidade efetivamente existente no solo Evapotranspiração potencial ou máxima ETp Quantidade de água consumida em um determinado intervalo de tempo pela cultura em plena atividade vegetativa livre de enfermidades em um solo cujo conteúdo de água se encontra próximo à capacidade de campo A ETp é maior ou igual que a evapotranspiração real Aspectos Agronômicos Básicos 21 Evapotranspiração de referência ETo É a taxa de evapotranspiração de uma superfície de vegetação rasteira verde uniforme de crescimento ativo de 8 a 15 centímetros de altura que sombreia totalmente o terreno cultivado em um solo dotado de suficiente quantidade de água Para se obter o máximo rendimento da cultura irrigada é necessário que a quantidade de água realmente consumida pelas plantas ETr se aproxime ao máximo da quantidade que consumiria a cultura considerada em suas condições mais favoráveis ETp Portanto a obtenção das necessidades hídricas das culturas se baseia na determinação da evapotranspiração máxima da cultura ETp que habitualmente se denomina apenas evapotranspiração da cultura A necessidade hídrica de uma cultura que pode ser considerada igual a evapotranspiração máxima ETp depende basicamente do clima e do tipo de cultura Clima O aumento da insolação da temperatura ou da velocidade do vento contribuem para uma maior ETp enquanto que o aumento da umidade atmosférica atenua a taxa de evapotranspiração da cultura Tipo de cultura e seu estado de desenvolvimento Quanto maior for a densidade de plantas e da zona radicular a evapotranspiração potencial tende a ser maior Em geral durante o ciclo fenológico a planta aumenta seu consumo progressivamente até a floração e frutificação quando começa a diminuir e logo se estabiliza Para cada fase de crescimento da cultura existe a seguinte relação Kc ETp ETo 14 em que Kc coeficiente de cultivo ETp evapotranspiração potencial da cultura considerada ETo evapotranspiração de referência medida no lugar da cultura considerada O coeficiente Kc para cada tipo de cultura assume valores distintos segundo a fase de crescimento da cultura ver Figura 16 Figura 16 Variação do coeficiente de cultivo no ciclo vegetativo da planta 22 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética O Quadro 16 contém os valores médios do coeficiente Kc dados em função do tipo de cultura e de seu período vegetativo Para cada tipo de cultura o quadro proporciona quatro valores de Kc que correspondem mais ou menos aos seguintes períodos de desenvolvimento das plantas 1 desde o momento da semeadura até o ponto em que a cultura alcança aproximadamente 15 do seu desenvolvimento 2 fase que se inicia no final do período 1 e termina em um ponto imediatamente antes da floração 3 fase de floração e frutificação e 4 fase de maturação compreendida entre o final do período 3 e a colheita Quadro 16 Valores do coeficiente de cultivo Kc Cultura Período 1 Período 2 Período 3 Período 4 Alface 045 060 100 090 Algodão 045 075 115 075 Arroz 110 110 110 110 Banana 070 090 110 110 Batata 045 075 115 085 Beterraba açucareira 045 080 115 080 Canadeaçúcar 050 100 110 065 Cebola verde 050 070 100 100 Cebola seca 050 075 105 085 Cenoura 045 075 105 090 Cevada 035 075 115 045 Cítricos 065 070 070 065 Coco 060 080 080 080 Espinafre 045 060 100 090 Feijãoverde 035 070 110 090 Feijão grãos secos 035 070 110 030 Girassol 035 075 115 055 Goiaba 050 055 060 065 Graviola 065 070 073 076 Mamão 050 060 070 070 Maracujá 060 080 080 080 Melão 045 075 100 075 Milho doce 040 080 115 100 Milho grãos secos 040 080 115 070 Pepino 045 070 090 075 Pimentão 035 070 105 090 Pinha 045 060 060 065 Soja 035 075 110 060 Sorgo 035 075 110 065 Tabaco 035 075 110 090 Tomate 045 075 115 080 Trigo 035 075 115 045 Uva de mesa 050 060 065 070 Vinha 025 060 090 030 Aspectos Agronômicos Básicos 23 132 Estimativa da Evapotranspiração Potencial ETp A taxa de evapotranspiração potencial que se expressa em mmdia mmmês mmano m3hadia etc não se determina facilmente já que ela depende de muitos fatores agrometeorológicos de difícil quantificação O mais recomendável é que os dados das taxas de evapotranspiração ETp sejam obtidos a partir de informações coletadas nos projetos de irrigação implantados na região mediante parcelas experimentais cultivadas na zona ou por meio de lisímetros instalados na área a irrigar No entanto essas possibilidades ocorrem com pouca frequência e quase sempre o projetista tem que estimar os valores de ETp com base em métodos climatológicos empíricos ou a partir de dados de evaporação de uma superfície de água livre A medida da evaporação de uma superfície de água livre se realiza normalmente por meio do tanque evaporimétrico Classe A instalado na zona Tratase de um recipiente cilíndrico de aço galvanizado montado sobre um estrado plano de madeira ver Figura 17 livre de obstrução em um raio de aproximadamente 50 metros Figura 17 Tanque evaporimétrico classe A A altura evaporada ao longo do dia se obtém diretamente medindose a diminuição da camada de água no tanque ocorrida durante o intervalo de tempo considerado A leitura do decréscimo da lâmina líquida se realiza por meio de um micrômetro de gancho colocado dentro de um poço tranquilizador situado no interior do tanque O nível de água do tanque evaporimétrico deve ser mantido a uma altura entre 5 e 8 centímetros da borda superior de modo que ele deve ser reabastecido quando seu nível alcança a altura mínima estabelecida As dimensões do tanque Classe A mostradas na Figura 17 são padronizadas com o objetivo de uniformizar as leituras de evaporação e permitir a comparação de seus valores medidos em diferentes lugares A evaporação medida no tanque Etanque normalmente em milímetros por dia se relaciona com a evapotranspiração da cultura de referência ETo mediante a expressão ETo Etanque Kp 15 O coeficiente Kp denominado coeficiente do tanque depende do meio que circunda o tanque e das condições atmosféricas locais velocidade do vento e umidade relativa conforme pode ser observado pelos valores mostrados no Quadro 17 Doorenbos y Pruitt 24 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética 1976 Os valores de Kp do Quadro 17 foram obtidos a partir de dados de evaporação medidos em tanque Classe A instalado em uma parcela cultivada com vegetação rasteira onde o tamanho da bordadura se refere à menor distância entre a periferia do tanque e a borda da parcela Quadro 17 Valores do coeficiente Kp do tanque Classe A instalado em área cultivada com vegetação baixa para diferentes níveis de umidade relativa e velocidade do vento Vento Tamanho da bordadura Umidade relativa kmdia m 40 40 70 70 Leve 175 1 055 065 075 10 065 075 085 100 070 080 085 Moderado 175 425 1 050 060 065 10 060 070 075 100 065 075 080 Forte 425 700 1 045 050 060 10 055 060 065 100 060 065 070 Muito forte 700 1 040 045 050 10 045 055 060 100 050 060 065 Com os valores estimados de ETo e do coeficiente de cultivo Kc podem ser obtidos através da Equação 14 os valores procurados da evapotranspiração da cultura ETp Os métodos climatológicos são fórmulas empíricas que relacionam a evapo transpiração da cultura ETp com dados climáticos da região As fórmulas existentes se diferenciam entre si pelo número de variáveis climáticas consideradas A mais utilizada pela sua simplicidade e aceitável precisão de seus resultados é a fórmula de BlaneyCriddle ETp k p 046 T 813 16 em que ETp evapotranspiração mensal máxima da cultura em mm T temperatura média mensal do ar em ºC p porcentagem mensal de horas anuais de luz solar k coeficiente da cultura ver Quadro 18 As temperaturas médias mensais T são obtidas a partir dos dados registrados de temperatura disponíveis na região enquanto que os valores de p são exclusivamente função da latitude da zona ver Quadro 19 Exemplo 13 Estimar a taxa de evapotranspiração ETp para o mês de máxima demanda julho de uma cultura cujo coeficiente k da fórmula de BlaneyCriddle é de 085 numa região localizada na latitude 28º Norte A partir dos dados de temperatura registrados durante 30 anos deduzse que a temperatura média em julho é igual a 26ºC Para a latitude considerada p é igual a 96 ver Quadro 19 Aspectos Agronômicos Básicos 25 O valor estimado de ETp no mês de julho a partir da fórmula de BlaneyCriddle será ETp 085 96 046 26 813 164 mm A taxa de evapotranspiração média diária será de 16431 53 mmdia Quadro 18 Valores dos coeficientes das principais culturas k utilizados no modelo de BlaneyCriddle para regiões de climas frio moderado e quente Gómez Pompa 1988 Cultura Clima Frio Moderado Quente Algodão 060 070 Arroz 090 100 120 Banana 080 100 Batata 060 065 075 Beterraba açucareira 060 065 075 Cacau 070 080 Café 070 080 Canadeaçúcar 080 090 Cereais de inverno 050 075 085 Feijão 050 060 070 Fruteiras árvores 050 060 070 Milho 065 075 085 Hortaliças 050 060 070 Pastos 070 075 085 Sorgo para grãos 060 070 080 Sorgo forrageiro 065 075 085 Tabaco 060 070 080 Tomate 060 065 075 Outro modelo utilizado para determinar a evapotranspiração potencial bem mais preciso do que o de BlaneyCriddle é o de Penman cuja descrição pode ser encontrada na vasta bibliografia existente sobre o tema Seu emprego se justifica quando se requer maior precisão nos resultados e quando se dispõe na região de dados sobre temperatura umidade atmosférica radiação solar e velocidade do vento 133 Necessidades de Irrigação Balanço Hídrico Para cada intervalo de tempo do ciclo da cultura a necessidade de irrigação dependerá da demanda hídrica ETp e das possíveis dotações ou suprimentos naturais de água ao solo Para cada intervalo de tempo a necessidade de irrigação líquida Nl pode ser determinada a partir do balanço hídrico do solo ou seja Nl ETp Pe G W 17 em que Nl necessidade de irrigação líquida em mm ou m3ha ETp evapotranspiração da cultura em mm ou m3ha Pe precipitação efetiva em mm ou m³ha 26 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética G dotação de água por capilaridade à zona radicular da cultura em mm ou m3ha W reserva de água do solo existente no princípio do intervalo de tempo considerado em mm ou m3ha Quadro 19 Valores da porcentagem mensal das horas de luz solar p para as latitudes Norte e Sul segundo BlaneyCriddle Lat N jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez 48º 61 64 83 92 106 108 108 99 84 75 62 58 44 64 66 83 90 103 104 105 97 84 76 65 62 40 67 68 83 89 100 101 102 95 84 78 67 65 36 70 69 83 88 98 98 100 94 84 79 69 68 32 72 70 84 88 97 96 98 93 83 80 71 70 28 74 71 84 87 95 94 96 92 83 80 73 72 24 76 72 84 86 93 92 94 90 83 81 74 74 20 78 73 84 85 92 90 93 89 83 82 76 76 16 79 74 84 84 90 88 91 88 83 82 77 78 12 81 75 84 84 89 87 89 88 83 83 79 80 8 82 76 85 83 87 85 88 87 82 84 80 82 4 84 77 85 83 86 84 86 86 82 84 81 83 0 85 77 85 82 85 82 85 85 82 85 82 85 Lat S Jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez 4º 86 78 85 82 84 81 84 84 82 85 83 87 8 88 79 85 81 83 79 82 83 82 86 85 88 12 89 80 85 80 81 77 81 82 82 87 86 90 16 91 80 86 80 80 76 79 81 82 87 87 91 20 93 81 86 79 78 74 78 80 81 88 89 93 24 94 82 86 78 77 72 76 79 81 89 90 95 28 96 83 86 77 75 70 74 78 81 89 92 98 32 99 84 87 77 74 68 72 76 81 90 94 100 36 101 85 87 76 72 66 70 75 80 91 95 103 40 103 86 87 75 69 63 68 73 80 92 97 105 A precipitação efetiva Pe corresponde à fração da chuva que efetivamente permanece à disposição das raízes das plantas já que uma parte dela escoa sobre a superfície do terreno e outra parte se perde por percolação A estimativa de Pe é realizada geralmente de forma aproximada a partir de uma análise estatística das precipitações registradas na zona e na capacidade de armazenamento da chuva por parte do terreno A dotação por capilaridade G dependerá da existência de um lençol freático próximo à zona radicular da cultura e a reserva W é estimada em função da capacidade de armazenamento de água do solo O Quadro 110 apresenta um exemplo de um balanço hídrico mensal para uma irrigação de tomate cujo ciclo vegetativo começa em abril e termina em agosto Considerase que não existe dotação por capilaridade para a zona radicular G e que as reservas de água W no princípio de cada mês são desprezíveis O esquema do balanço hídrico apresentado no Quadro 110 serve para estimar de forma aproximada as necessidades de irrigação líquidas Nl ao longo do ciclo fenológico da cultura Com base nessas necessidades é possível avaliar se a disponibilidade hídrica da região proveniente de alguma reserva ou reservas existentes rio poço barragem etc é Aspectos Agronômicos Básicos 27 suficiente para atender às demandas de água da área a irrigar A quantidade de água utilizada para a irrigação ao longo do ano e a situação topográfica das fontes de abastecimento permitem realizar as previsões referentes ao consumo energético anual das estações de bombeamento dos sistemas de irrigação pressurizados Quadro 110 Exemplo de um balanço hídrico mensal para uma cultura de tomate Mês abr mai jun jul ago total 2 Etanquemm 178 213 226 251 249 1117 3 Kp 07 07 07 07 07 4 ETo mm 2 3 125 149 158 176 174 782 5 Kc 045 075 075 115 080 6 ETp mm 4 5 56 112 119 202 139 628 7 Pe mm 32 65 36 4 14 151 8 Nl mm 6 7 24 47 83 198 125 477 9 Nl m3ha 240 470 830 1980 1250 4770 10 Nl mmdia 08 15 28 64 42 O dimensionamento das instalações do sistema deve ser normalmente realizado em função da necessidade de irrigação no intervalo de máximo déficit hídrico ao longo do período da irrigação Nesse intervalo que normalmente se considera de uma semana de dez dias ou de um mês não se leva em conta as eventuais aplicações naturais de água ao solo a irrigar precipitação capilaridade etc Portanto a necessidade de irrigação nesse período crítico que se denomina necessidade de irrigação líquida máxima Nlm coincide com a evapotranspiração máxima da cultura ETp para o período crítico Nlm ETp 18 Para o exemplo do balanço hídrico do Quadro 110 a necessidade de irrigação líquida máxima será igual à ETp do mês de julho Nlm 202 mm ou 65 mmdia O Quadro 111 apresenta valores aproximados das necessidades de irrigação líquidas máximas ETp no intervalo crítico em milímetros por dia para algumas culturas segundo o tipo de clima da região Recomendase a utilização desses valores nos projetos dos sistemas de irrigação somente quando não se dispõe de uma alternativa mais precisa para estimar os valores das necessidades de irrigação durante o intervalo de máxima demanda 134 Frequência de Irrigação A frequência ou intervalo de irrigação Fr que se conhece também como turno de rega é a duração em dias entre as sucessivas irrigações Obtémse mediante a relação entre a lâmina de irrigação líquida a aplicar ao terreno Ll e a necessidade de irrigação líquida Nl ver Equação 19 l l L mm Fr dias N mm dia 19 28 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética A frequência Fr para cada período da campanha de irrigação deve ser menor ou igual ao turno de rega máximo Fmáx dado pela relação lm máx l L F N 110 em que Fmáx turno de rega máximo para o período considerado em dias Llm lâmina de irrigação líquida máxima em mm ver Equação 13 Nl necessidade de irrigação líquida em mmdia Quadro 111 Necessidade hídrica líquida máxima ETp máxima em mmdia segundo a cultura e tipo de clima da região Keller e Bliesner 1990 Cultura Tipo de clima frio moderado quente semiárido árido Alfafa 51 64 76 89 102 Algodão 64 76 102 Batata 46 58 69 81 Beterraba 46 58 69 81 91 Cítricos 41 46 51 56 Ervilha 46 48 51 56 Feijão 46 51 61 71 76 Grãos 38 51 58 66 Melão 41 46 51 56 64 Milho 51 64 76 89 102 Morango 46 51 56 61 66 Pastos 46 56 66 76 89 Pomares 38 48 58 66 76 Tomate 46 51 56 64 71 Vinha 36 41 48 56 64 A frequência ou intervalo máximo de irrigação é variável ao longo do ciclo da cultura e seu mínimo valor corresponde ao período de máximo déficit hídrico período crítico no qual a necessidade de irrigação líquida é máxima O projeto do sistema de irrigação se realiza em função da frequência de irrigação no período crítico quando a necessidade de irrigação líquida Nl corresponde à evapotranspiração máxima da cultura A frequência máxima de projeto Fmáx no período crítico será portanto lm máx L mm F dias ETp mm dia 111 Exemplo 14 Determinar a frequência de irrigação Fmáx para um solo cultivado cuja evapotranspiração máxima da cultura ETp no período crítico de máxima demanda é igual a 65 mmdia e a lâmina de irrigação líquida máxima é de 50 mm Aspectos Agronômicos Básicos 29 máx 50 F 77 dias 650 O intervalo máximo de irrigação será de sete dias e a lâmina de irrigação líquida requerida para atender à necessidade líquida máxima da cultura será igual a 455 mm 7 dias 65 mmdia Caso fosse adotada nesse período uma frequência de irrigação Fr de 6 dias seria necessário aplicar então uma lâmina de irrigação líquida a cada seis dias de 39 mm 6 dias 65 mmdia Devese ressaltar que a frequência de irrigação calculada para o projeto não necessariamente coincide com os turnos de rega empregados efetivamente no manejo da irrigação no campo já que dependem também das variações climáticas não esperadas A frequência máxima de projeto Fmáx serve para se dimensionar a instalação do sistema de irrigação enquanto que os turnos de rega a serem empregados ao longo do ciclo da cultura dependerão das variações das necessidades hídricas da cultura e do déficit hídrico do solo Aconselhase definir os turnos de rega no campo a partir de medidas locais da evaporação através de tanques evaporimétricos e da umidade do solo mediante tensiômetros 135 Necessidade de Lixiviação Grande parte das águas utilizadas para irrigação contém sais dissolvidos de origem natural que se acumulam no solo cultivado aumentando a concentração dos minerais já existentes à medida que a água se evapora e é consumida pelas plantas A água existente de lençol freático pouco profundo nos primeiros dois metros que ascende por capilaridade e é evapotranspirada também contribui para aumentar o teor de sais no solo A acumulação de sais na zona radicular ao longo do tempo em quantidade superior ao limite de tolerância da cultura reduz a disponibilidade de água para as plantas o que prejudica o rendimento da cultura irrigada Para se evitar prejuízos às culturas irrigadas decorrentes da concentração excessiva de sais na solução do solo é necessário adotar um manejo adequado de irrigação e drenagem de forma conjunta A irrigação deve prover uma quantidade suplementar de água ao terreno para drenar o excesso de sais transportandoos para as camadas inferiores do solo não alcançadas pelas raízes da cultura É indispensável também que exista um sistema de drenagem na área cultivada natural ou artificial para facilitar o escoamento da irrigação excedente e evitar a ascensão do lençol freático à zona radicular A fração da água de irrigação que deve percolar para lavar ou lixiviar os sais acumulados no solo depende da salinidade da água de irrigação e da salinidade tolerada pela planta Ela pode ser obtida para cada sistema de irrigação mediante as equações propostas por Rhoades e Merrill 1976 dadas a seguir Para a irrigação por inundação e por aspersão de baixa frequência CEa LR 5 CEe CEa 112 Para as irrigações de alta frequência gotejamento e microaspersão LR CEa 2 CEe 113 em que 30 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética LR fração de água mínima destinada a lavar os sais acumulados no solo CEa condutividade elétrica da água de irrigação em dSm mmhoscm medida a 25 ºC CEe valor estimado da condutividade elétrica do extrato de solo saturado em dSm mmhoscm que acarreta uma determinada redução no rendimento potencial da cultura considerada Para a irrigação por superfície e por aspersão convencional é recomendável que o valor de CEe a utilizar na Equação 112 seja o estimado da condutividade elétrica do extrato de saturação do solo que possa provocar uma redução máxima de 10 no rendimento potencial da cultura considerada Para a irrigação por gotejamento e por microaspersão recomendase admitir o valor estimado limite de CEe que reduz a zero o rendimento da cultura redução de 100 No Quadro 112 estão indicados os valores de CEe em dSm recomendados por Ayers e Westcot 1985 em função do tipo de cultura e da redução esperada em seu rendimento potencial de 10 e 100 Segundo Ayers e Westcot 1985 os números desse quadro deverão ser considerados como valores de tolerância relativa Os valores de tolerância absoluta dependem também do clima das condições do solo e do manejo agrícola Quadro 112 Valores estimados de CEe em dSm para uma redução esperada em seu rendimento potencial de 10 e 100 Ayers e Westcot 1985 Cultura 10 100 Cultura 10 100 Abacate 18 60 Laranja 23 80 Alface 21 90 Limão 23 80 Alfafa 34 155 Maçã 23 80 Algodão 96 270 Melão 36 160 Amendoim 20 70 Milho 25 100 Arroz 38 115 Milho forrageiro 32 155 Batata 25 100 Morango 13 40 Beterraba açucareira 87 240 Palmeira 68 320 Beterraba hortaliça 51 150 Pepino 33 100 Brócolis 39 135 Pêssego 22 65 Cebola 18 75 Pimentão 22 85 Cenoura 17 80 Pêra 23 80 Cevada 100 280 Soja 55 100 Couve 28 120 Sorgo 51 180 Espinafre 33 150 Tomate 35 125 Feijão 15 65 Trigo 74 200 Figo 38 140 Vinha 25 120 A água de irrigação requerida para suprir a necessidade da cultura e a lixiviação dos sais se obtém por meio do quociente entre a necessidade de irrigação líquida Nl e o fator 1LR Se o valor calculado de LR é menor do que 01 admitese que as perdas por percolação profunda que ocorrem anualmente na irrigação são suficientes para lavar os sais Em tal caso não será necessário aumentar a lâmina de irrigação líquida para atender à lixiviação Considerase também que em zonas cultivadas onde existem estações do ano com chuvas abundantes não será necessário lixiviar os sais com água da irrigação já que as chuvas que caem com frequência se encarregam de realizála Capítulo 2 IRRIGAÇÃO POR ASPERSÃO 21 Emprego da Irrigação por Aspersão 211 Introdução A irrigação por aspersão é um método de aplicação de água às plantas em forma de chuva artificial por meio de dispositivos especiais abastecidos com água sob pressão Estes dispositivos especiais denominados aspersores têm a função de pulverizar os jatos dágua que saem das tubulações e devem assegurar uma distribuição adequada da precipitação que cai sobre a superfície do terreno cultivado A irrigação por aspersão começou a se desenvolver na metade do século passado com o advento das tubulações metálicas leves dotadas de engates rápidos que deram origem aos primeiros sistemas portáteis Posteriormente para diminuir a exigência de mão de obra foram surgindo os sistemas fixos ou permanentes que empregam maior quantidade de tubulações e aspersores A partir dos anos 1960 começaram a aparecer diferentes sistemas de aspersão mecanizados e hoje em dia se utiliza também o recurso da automação para controlar algumas aplicações especiais da irrigação Atualmente a irrigação por aspersão se constitui num dos métodos mais utilizados no mundo Destacase entre os demais por sua versatilidade facilidade de manejo e por sua possibilidade de aplicação a quase todo tipo de cultura solo e topografia do terreno Suas instalações são bastante variáveis e compreendem desde os sistemas portáteis convencionais que habitualmente irrigam áreas de poucos hectares até os sistemas mecanizados com funcionamento automático frequentemente utilizados para irrigar superfícies de dezenas de hectares Para o funcionamento da irrigação por aspersão é necessária a existência de uma ampla infraestrutura de distribuição de água que começa na fonte de abastecimento e termina nos aspersores A fonte de abastecimento que pode ser um rio uma barragem um reservatório um poço ou um canal quando está situada em um nível suficientemente alto em relação à área a irrigar permite que a água seja distribuída com pressão natural sa tisfatória para que os aspersores funcionem adequadamente sem necessidade de intercalar nenhum sistema de bombeamento Essa situação raramente ocorre e os sistemas de irrigação quase sempre necessitam de algum mecanismo de impulsão da água cuja magnitude dependerá das condições requeridas pelo projeto a implantar vazão do sistema condições altimétricas topológicas etc O transporte da água sob pressão desde o ponto de abastecimento até os aspersores se realiza sempre através de uma rede ramificada de tubulações Esta rede pode ser individual caso se trate de um único usuário ou coletiva quando se necessita abastecer um grupo de lotes ou parcelas pertencentes a diversos usuários Uma parcela corresponde a uma subdivisão da área total irrigada abastecida por um único sistema de irrigação e com um único proprietário 32 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética 212 Descrição dos Aspersores Os aspersores são dispositivos mecânicos que recebem a água sob pressão da rede e a distribui em forma de chuva sobre a superfície do terreno Sua função consiste em pulverizar o jato repartindoo ao girar sobre uma superfície aproximadamente circular O raio do círculo molhado representa o alcance do aspersor Em geral os aspersores podem ser rotativos ou estacionários apesar de que estes últimos são empregados quase sempre para irrigar jardins pequenas hortas ou plantas cultivadas em viveiros ou casasdevegetação Os aspersores rotativos possuem um ou mais bocais que giram impulsionados pela pressão da água De acordo com o mecanismo que produz a rotação eles podem ser de impacto de engrenagem e de reação Os aspersores de impacto são de baixa rotação possuem um ou dois bocais e são os mais empregados O movimento giratório do aspersor é produzido por meio de um braço oscilante que é impulsionado pelo jato dágua e posteriormente retorna a sua posição original obrigado pela ação de uma mola ou de um contrapeso Figura 21 As oscilações do braço produzem por impacto o movimento giratório descontínuo do aspersor cuja velocidade de rotação varia de ¼ a 3 rpm A pressão do jato dágua combinada com a baixa rotação do aspersor proporcionam uma chuva artificial de alcance considerável Em alguns aspersores de baixa rotação o movimento giratório é produzido por meio de um mecanismo de engrenagem O jato que sai do aspersor aciona uma pequena turbina ou hélice que através de um eixo transmite o movimento ao mecanismo de engrenagem o qual por sua vez produz o movimento rotativo do aspersor ver Figura 22 Figura 21 Aspersor rotativo de impacto Figura 22 Aspersor rotativo de engrenagem Os aspersores de engrenagem necessitam de grandes pressões de funcionamento e distribuem altas vazões a grandes distâncias Os aspersores de reação possuem os bocais orientados de tal forma que as reações às saídas dos jatos produzem os movimentos das suas partes giratórias São considerados de giro rápido movimentamse a mais de 6 rotações por minuto de modo que para uma mesma pressão de funcionamento proporcionam alcances menores do que os modelos de baixa rotação A utilização destes aspersores está limitada à Irrigação por Aspersão 33 irrigação de jardins e de culturas arbóreas nas quais os aspersores são instalados sob as copas das árvores Geralmente os aspersores são utilizados para irrigar círculos completos No entanto existem aspersores dotados de um dispositivo especial que limita a área molhada a um determinado setor do círculo São denominados aspersores setoriais e são empregados na maioria das vezes para irrigar as bordas das parcelas O aspersor é considerado de ângulo normal quando o jato na sua saída forma um ângulo com a horizontal compreendido entre 25 e 45 graus Quando a inclinação do jato é menor do que 25 graus o aspersor é considerado de ângulo baixo e seu emprego está recomendado para irrigar hortaliças ou árvores frutíferas são instalados sob as copas das árvores Estes aspersores de ângulo baixo são utilizados também em áreas sistematicamente afetadas por ventos fortes para evitar que as gotas sejam arrastadas pela corrente do ar A pressão da água na entrada do aspersor que se denomina pressão de trabalho de funcionamento ou de serviço condiciona de forma significativa as características da precipitação lançada pelo emissor sobre o terreno Com relação a essa pressão de funcionamento os aspersores podem ser classificados em Aspersores de baixa pressão Funcionam com pressões de serviço inferiores a 20 mca 20 kgcm2 são de baixa rotação e possuem geralmente um único bocal de diâmetro menor do que 4 mm As vazões proporcionadas por estes aspersores não superam 1 m3h e são empregados em espaçamentos distância entre aspersores menores do que 15 metros Aspersores de média pressão Trabalham com pressões de funcionamento que variam de 20 a 40 mca 2 a 4 kgcm2 e são os mais empregados nos sistemas convencionais de irrigação por aspersão São aspersores dotados de um ou dois bocais com diâmetros compreendidos entre 4 e 7 milímetros Nos aspersores de dois bocais o de diâmetro menor lança a chuva sobre a área contígua ao eixo do aspersor enquanto que o outro de maior alcance molha a parte periférica do círculo São aspersores de rotação lenta com vazões que variam entre 1 e 6 m3h e são utilizados em espaçamentos compreendidos entre 12 e 36 metros Aspersores de alta pressão Estes aspersores funcionam com pressões superiores a 40 mca 4 kgcm2 proporcionam alcances maiores do que 30 metros e vazões superiores a 6 m3h Alguns modelos especiais aspersores gigantes ou canhões hidráulicos funcionam com pressões de trabalho de até 100 mca ou mais com um raio de ação que alcança até os 100 metros repartindo vazões compreendidas entre 20 e 120 m3h São aspersores de baixa rotação de impacto ou de engrenagem dotados geralmente de dois ou três bocais Existe também outro tipo muito específico de aspersores conhecidos pelo nome de microaspersores São pequenos aspersores geralmente estacionários que trabalham com pressões compreendidas entre 10 e 20 mca distribuindo vazões entre 20 e 160 Lh a uma distância reduzida que varia entre 1 e 3 metros Estes aparelhos são utilizados no sistema de irrigação por microaspersão descrito no Capítulo 3 A união dos aspersores às linhas laterais se efetua por meio de tubos instalados verticalmente denominados tubos portaaspersores ou tubos de subida Estes tubos são geralmente de alumínio aço galvanizado ou PVC com diâmetros comerciais compreendidos entre meia e uma polegadas A altura do tubo portaaspersor é selecionada em função do porte da planta a irrigar e os tamanhos encontrados no mercado variam de 025 a 200 metros Os mais esbeltos são instalados com tripés para que se mantenham verticalmente sobre o terreno ver Figura 23 34 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura 23 Aspersor instalado sobre tubo de subida com tripé numa irrigação de acerola no município do CondePB 22 Sistemas de Aspersão Convencionais Os sistemas de aspersão convencionais também denominados sistemas clássicos são constituídos em geral por aspersores de baixa e média pressão com espaçamentos compreendidos entre 6 e 36 metros instalados sobre tubos portaaspersores acoplados a condutos sob pressão Estes condutos onde são dispostos os aspersores são denominados linhas laterais e são conectados à fonte de abastecimento dágua mediante uma rede principal de tubulações de distribuição As uniões e engates entre os distintos elementos que compõem a rede se realizam por meio de peças especiais de conexão juntas curvas cones de redução tês etc O fluxo dágua nas tubulações é controlado por meio de mecanismos hidráulicos especiais tais como válvulas de derivação válvulas de retenção reguladores de pressão registros ventosas dentre outros Entre os sistemas de aspersão existentes os convencionais ou clássicos são os mais empregados já que em virtude de suas versatilidades são geralmente os mais adequados para os múltiplos tipos de cultura solos topografias formas e tamanhos das áreas a irrigar Além disso são os que exigem menores custos de implantação e os que permitem maiores flexibilidades de manejo Os sistemas convencionais são classificados segundo a forma de instalação e manejo das tubulações e aspersores em portáteis semiportáteis e fixos 221 Sistemas Portáteis Os sistemas portáteis também conhecidos como sistemas móveis são aqueles cujas tubulações de distribuição pelo menos desde a tomada da parcela e as linhas laterais com seus aspersores são instaladas sobre o terreno sendo transportadas para as várias posições de irrigação dentro da área da parcela Por motivos funcionais os tubos portáteis são Irrigação por Aspersão 35 normalmente de materiais leves como alumínio ou PVC rígido dotados de engates rápidos Uma variante desse sistema em que duas linhas laterais funcionam simultaneamente é representada na Figura 24 cuja área ou parcela a irrigar é dividida em duas partes A e B As linhas laterais irrigam cada porção da área dominada por seus aspersores durante o tempo necessário para aplicar a lâmina de irrigação requerida pelo solo Posteriormente estas linhas são transportadas manualmente para irrigar sucessivamente as demais posições da parte A da área seguindo os sentidos das flechas indicadas na Figura 24 Após a irrigação de toda a faixa dominada em uma posição o agricultor fecha a tomada dágua situada na entrada da linha lateral e esvazia a tubulação móvel para transportála para outra posição Concluída a irrigação da parte A a tubulação de distribuição e as linhas laterais são deslocadas para a parte B onde a irrigação é executada de forma similar ao esquema da parte A O número de linhas laterais que no exemplo da Figura 24 é igual a dois pode ser outro que dependerá das características técnicas da irrigação e das dimensões da área a irrigar Figura 24 Sistema de aspersão convencional portátil Os deslocamentos das linhas laterais de uma posição a outra necessitam de um tempo que pode variar em função de seus comprimentos entre meia hora a pouco mais de uma hora Quando o terreno é argiloso e a cultura possui um porte considerável milho canadeaçúcar planta forrageira etc o transporte das linhas laterais é bastante enfadonho até o ponto de tornar inviável a utilização do sistema portátil 222 Sistemas Semiportáteis Os sistemas semiportáteis podem ser considerados variantes dos sistemas portáteis nos quais as tubulações de distribuição são fixas e as linhas laterais com seus aspersores são transportáveis A Figura 25 ilustra um exemplo de uma instalação com um sistema semiportátil Da mesma forma que ocorre com os sistemas portáteis ou móveis as linhas laterais dos sistemas semiportáteis são de materiais leves como alumínio ou PVC utilizandose às vezes condutos de aço zincado ou galvanizado As tubulações de distribuição principais e secundárias são instaladas geralmente enterradas quando a cultura 36 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética a irrigar é permanente Nas irrigações de temporada em culturas de ciclo vegetativo curto e nas suplementares quando as chuvas não são suficientes durante as campanhas de irrigação em regimes úmidos as tubulações de distribuição são de materiais leves instaladas sobre a superfície do terreno Figura 25 Sistema de aspersão convencional semiportátil Os sistemas portáteis e semiportáteis são dentre os convencionais os que requerem menor custo de investimento Em contrapartida necessitam de maior quantidade de mão de obra e são empregados na maioria dos casos em zonas onde o custo laboral não é alto Hoje em dia são ainda muito empregados no mundo apesar de que em zonas e países mais desenvolvidos onde a mão de obra é cara e a agricultura é mais competitiva e rentável existe uma tendência clara a favor da utilização dos sistemas fixos 223 Sistemas Fixos Nos sistemas fixos também conhecidos como sistemas permanentes as tubulações de distribuição e as linhas laterais cobrem toda a superfície da parcela a irrigar Existem diversas variantes dos sistemas fixos ou permanentes A Figura 26 apresenta um exemplo no qual a área da parcela é irrigada de forma escalonada onde cada linha lateral abastece apenas um aspersor Nesse caso a área da parcela é irrigada por faixas paralelas à tubulação de distribuição ou de derivação onde são transportados somente os aspersores com seus tubos de subida Essa variante é bastante racional porque permite que as tubulações laterais sejam dimensionadas com diâmetros pequenos eou com maiores comprimentos já que elas transportam neste caso vazões menores do que as que seriam necessárias para o abastecimento de diversos aspersores por linha Outra variante de um sistema fixo ou permanente é aquela em que toda a superfície da parcela está totalmente coberta pelas linhas laterais completamente equipadas com seus aspersores e tubos portaaspersores e cada aplicação da irrigação é efetuada de uma só vez a toda parcela Nesse caso o sistema permanece inativo durante o intervalo de tempo transcorrido entre irrigações sucessivas O custo de implantação e operação dessa última variante é bem mais caro já que o sistema necessita se abastecer com maior vazão e maior energia Este tipo de instalação se utiliza em geral em irrigações de jardins de casas de vegetação e de campos esportivos Irrigação por Aspersão 37 Figura 26 Sistema de aspersão convencional fixo As tubulações de distribuição e as linhas laterais poderão ser instaladas enterradas ou sobre a superfície do terreno segundo se trate respectivamente de uma irrigação permanente ou de uma irrigação temporária As tubulações enterradas são em geral de PVC para diâmetros inferiores a 300 mm as instaladas sobre o terreno que são recolhidas após finalizada a campanha de irrigação são geralmente de PVC de aço galvanizado ou de alu mínio Nos sistemas fixos ou permanentes os tubos portaaspersores são acoplados às linhas laterais através de válvulas que permitem a instalação destes tubos com seus aspersores sem a necessidade de interromper a circulação da água na instalação Em comparação com os sistemas convencionais portáteis e semiportáteis os fixos ou permanentes oferecem vantagens quando a cultura a irrigar dificulta os deslocamentos manuais das linhas laterais ou quando o custo do sistema portátil ou semiportátil mais o custo adicional da mão de obra necessária para a irrigação supera o custo de implantação da instalação fixa Os sistemas que empregam as tubulações fixas e enterradas possuem uma vida útil muito maior do que os sistemas de tubulações portáteis Os tubos de PVC por exemplo são os que mais se desgastam quando estão expostos à intempérie e quando são manejados continuamente dentro da área irrigada 23 Sistemas de Aspersão Não Convencionais Os sistemas de aspersão não convencionais são aqueles que se empregam em condições especiais de solo topografia do terreno área a irrigar tamanho e forma disponibilidade de energia ou capacidade de investimento das instalações Possuem também restrições de aplicação a determinados tipos de cultura Existe uma grande variedade desses sistemas utilizados em todo o mundo porém dentre eles se destacam o canhão hidráulico e o pivô central com a variante do sistema lateral móvel Estes dois sistemas respondem por mais de 90 da superfície irrigada que utilizam alguma forma de irrigação não convencional Outros sistemas não convencionais existentes são os sistemas de aspersão com tubos perfurados portáteis os sistemas portáteis com mangueiras e patins os sistemas sobre grandes rodas com deslocamento lateral os sistemas sobre rodas com deslocamento longitudinal microaspersores sobre braços de tubulações suspensas fixas ou móveis dentre outros Alguns destes sistemas já se encontram em desuso e outros somente são fabricados por encomenda para algumas condições especiais da irrigação Uma descrição detalhada sobre esses sistemas podese encontrar na referência bibliográfica da FAO Rolland 1982 38 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Em seguida são descritos os dois sistemas de emprego generalizado o canhão hidráulico e o sistema pivô central 231 Canhão Hidráulico Os canhões hidráulicos ou aspersores gigantes já mencionados no item 212 são equipamentos de irrigação que funcionam com pressões que variam desde 40 até mais de 100 mca e cujo raio de alcance círculo efetivo molhado por cada aspersor varia de 30 a 100 metros estes limites são aproximados já que eles variam segundo o modelo de cada fabricante A Figura 27 ilustra uma irrigação de uma área por meio de um canhão hidráulico Na maioria dos casos o canhão hidráulico é utilizado de forma portátil instalado sobre linhas laterais de maneira similar ao funcionamento de um sistema convencional O aspersor gigante ou canhão irriga separadamente cada setor da área da parcela e é deslocado de uma posição a outra após a aplicação de cada irrigação Devido à elevada vazão necessária para abastecêlos cada lateral é equipada com apenas um canhão ou aspersor gigante A Figura 28 mostra um exemplo de um sistema de irrigação composto por um canhão hidráulico com deslocamento portátil A Figura 28 indica também as diversas posições da irrigação dentro da área da parcela O canhão hidráulico também é utilizado acoplado a um sistema autopropelido ou automotriz no qual o canhão ou aspersor gigante é montado sobre uma carreta móvel O sistema autopropelido recebe água por meio de uma mangueira suficientemente resistente para suportar a pressão interna do líquido e os arrastes sobre o terreno Quando se adota essa solução a instalação da rede de abastecimento dágua na parcela se reduz exclusivamente à tubulação de distribuição normalmente enterrada com válvulas ou hidrantes para conectar com a mangueira do sistema móvel Uma das formas mais frequentes de acionamento do equipamento consiste em mover a carreta sobre o terreno tracionada por um cabo de aço que é ancorado em um dos extremos da faixa a irrigar e que se enrola na outra extremidade a uma roldana montada sobre a carreta ver Figura 29 A roldana é impulsionada devido à energia proveniente da pressão do fluxo dágua da mangueira O sistema autopropelido se movimenta durante a operação da irrigação continuamente de uma extremidade a outra dentro das faixas estabelecidas na parcela a irrigar com uma velocidade adequada à capacidade de irrigação do canhão este se seleciona também em função das características físicas do solo Quando a carreta alcança o final de cada faixa de irrigação prevista a circulação da água se desconecta automaticamente e se paralisa o sistema automotriz Para continuar a irrigação o equipamento é transportado para a faixa vizinha onde se repete o mesmo processo de funcionamento Dessa forma o sistema automotriz passeia por todas as faixas até que toda a superfície da parcela seja irrigada As flechas da Figura 29 indicam os sentidos dos deslocamentos do sistema de uma faixa a outra dentro da parcela a irrigar O canhão autopropelido irriga somente um setor do círculo de alcance conforme se observa na Figura 29 Tratase de um aspersor setorial para evitar que a precipitação molhe o equipamento e a parte do terreno por onde a máquina se desloca A aplicação da irrigação por aspersão mediante canhão hidráulico está limitada a determinadas culturas como canadeaçúcar milho plantas forrageiras etc cujas folhas são resistentes ao impacto das grandes gotas lançadas pelo aspersor Irrigação por Aspersão 39 Figura 27 Irrigação de canadeaçúcar através de um canhão hidráulico Figura 28 Sistema de irrigação com canhão hidráulico portátil Figura 29 Esquema de operação de um canhão autopropelido 40 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Devese evitar a irrigação com canhão hidráulico em solos argilosos uma vez que as grandes gotas arrojadas pelo canhão aumentam a compactação do terreno prejudicando a capacidade de infiltração dos solos de textura fina Outro aspecto restritivo da irrigação com canhão hidráulico é derivado das altas pressões que são necessárias para alimentar os aspersores gigantes No sistema autopropelido segundo a vazão e o alcance do aspersor a pressão mínima requerida na origem da mangueira está compreendida entre 6 e 9 Atm 60 e 90 mca As zonas com ventos fortes também estão contra indicadas para a irrigação com canhões hidráulicos O arraste das gotas provocado pelo vento compromete a uniformidade de distribuição da precipitação aplicada ao terreno Na ausência das limitações citadas anteriormente o canhão hidráulico é uma excelente opção para irrigar grandes superfícies com culturas resistentes ao impacto das gotas Seu custo de implantação é relativamente baixo é bastante prático de manejar e necessita de pouca mão de obra Atualmente este sistema vem sendo amplamente utilizado no Brasil para irrigar canadeaçúcar tanto em áreas com carência de chuva como em zonas úmidas Neste último caso a irrigação é realizada para suprir a necessidade hídrica da cultura quando não chove na época adequada irrigação de salvação Existe outra variante do canhão autopropelido utilizada na qual o sistema é tracionado pela própria mangueira que é enrolada em um grande tambor que pode ser fixo ou transportável com a carreta Uma descrição detalhada deste sistema pode ser encontrada no livro da FAO nº 35 Rollando 1982 232 Pivô Central O sistema pivô central foi desenvolvido nos anos 1950 no Colorado Estados Unidos embora somente na década seguinte ele começou a ser utilizado em grande escala Atualmente o emprego do sistema pivô central está bastante difundido tanto nos Estados Unidos como na Austrália Espanha França Brasil Hungria México e outros países A superfície total irrigada mediante pivô central é hoje superior a dez milhões de hectares da qual aproximadamente 75 está implantada nos Estados Unidos O sistema pivô consiste fundamentalmente de uma tubulação metálica onde estão instalados os aspersores que gira continuamente ao redor de uma estrutura fixa Os aspersores que são abastecidos pela tubulação metálica ala do pivô dão origem a uma irrigação uniformemente distribuída sobre uma grande superfície circular ver Figura 210 A tubulação que recebe água sob pressão do dispositivo central denominado ponto pivô se apoia em várias torres metálicas triangulares montadas sobre grandes rodas pneumáticas ver Figuras 211 212 e 213 As torres se movem continuamente acionadas individualmente por dispositivos elétricos ou hidráulicos descrevendo circunferências concêntricas ao redor do ponto pivô O comprimento da ala do pivô varia em função da área a irrigar desde uns cinquenta até uns oitocentos metros No entanto a maioria dos sistemas possuem comprimentos inferiores a quinhentos metros A superfície irrigada pelo pivô é proporcional ao quadrado do comprimento L da tubulação de distribuição AπL2 e por essa razão quanto maior for o comprimento da ala maior será a superfície irrigada por metro de tubulação O investimento unitário em unidades monetárias por hectare necessário para equipar uma unidade pivô será tanto menor quanto maior for o comprimento da ala Irrigação por Aspersão 41 A tubulação da ala do pivô central pode ser de um ou de vários diâmetros que são selecionados em função da vazão a transportar que por sua vez depende das necessidades hídricas da irrigação e da extensão da superfície a irrigar De acordo com os equipamentos disponíveis no mercado as tubulações mais utilizadas são de 6 152 mm de 6 ⅝ 168 mm de 7178 mm e de 8 203 mm A altura livre entre a ala do pivô e a superfície do terreno varia de acordo com o modelo de fabricação entre 30 e 40 metros Para culturas de grande porte essa altura livre pode alcançar até 60 metros A distância entre as torres do pivô está compreendida entre 30 e 50 metros segundo a marca e o modelo do equipamento Os modelos com maiores separações são geralmente mais econômicos devido ao custo relativamente alto das torres do sistema repercutindo significativamente sobre o preço dos equipamentos Entretanto esses modelos estão limitados a terrenos planos e a solos que sejam resistentes ao peso das grandes torres A velocidade angular de deslocamento da ala do pivô depende da velocidade da última torre situada na periferia do círculo a qual está regulada pela caixa de controle do equipamento localizada na estrutura central do pivô Durante a irrigação a ala gira lentamente ao redor da estrutura central mantendose em linha reta devido a um dispositivo de alinhamento existente nas torres Caso se produza um desalinhamento acentuado em alguma das torres em virtude de algum obstáculo que impeça ou dificulte o movimento o sistema de segurança imobiliza o equipamento para evitar que ocorram danos à estrutura da máquina Figura 210 Vista aérea de uma área irrigada por pivôs 42 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura 211 Estrutura central do pivô Figura 212 Vista longitudinal de um pivô numa irrigação de feijão no município de MamanguapePB Irrigação por Aspersão 43 Figura 213 Vista longitudinal com torre do pivô sobre roda pneumática Como a velocidade tangencial de deslocamento da tubulação da ala aumenta radialmente desde o centro até a torre externa do pivô o tempo de aplicação de água por unidade de comprimento da tubulação diminui no mesmo sentido Consequentemente para que exista uma intensidade de precipitação uniforme sobre a área circular é necessário que os aspersores possuam características hidráulicas diferentes Assim sendo o espaçamento os diâmetros dos bocais e a pressão de funcionamento dos aspersores são variáveis ao longo da tubulação do pivô Devido à forma circular que necessariamente possui a superfície irrigada pelo pivô é inevitável que as esquinas da área poligonal circunscrita situadas fora do alcance da máquina não sejam irrigadas ver Figura 210 Este fator representa um inconveniente notório do pivô principalmente quando existe escassez de terreno disponível para a irrigação Essa desvantagem pode ser parcialmente superada com a instalação de um acessório aspersor tipo canhão na extremidade do equipamento que irriga também as esquinas das áreas poligonais É evidente que tal mecanismo aumenta o custo do equipamento de modo que em muitas zonas a irrigar estes recintos marginais são deixados fora da área cultivada No entanto o não aproveitamento destas esquinas ou recintos marginais contribui para a preservação ambiental da área que está sendo explorada pela agricultura irrigada A incidência de pragas diminui com a maior quantidade de áreas sem exploração agrícola Em virtude da utilização contínua do equipamento podese irrigar durante as 24 horas do dia o emprego do sistema pivô é bastante vantajoso por permitir a aplicação de pequenas lâminas de irrigação em curtos intervalos de tempo Dessa forma a umidade do solo estará sempre próxima à capacidade de campo e as perdas de água por percolação serão mínimas Este fator aliado a uma maior uniformidade da irrigação produzida pelo pivô contribui para aumentar a produtividade das culturas irrigadas A melhora na produtividade das culturas irrigadas por pivô central associada à grande economia de mão de obra justificam a crescente utilização deste sistema em grande parte das 44 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética zonas irrigadas do mundo Vale acrescentar ainda a vantagem da economia de energia que se pode conseguir com o pivô já que o equipamento pode ser operado durante a noite quando o custo energético é bem menor Os solos argilosos são os menos indicados para serem irrigados pelo sistema pivô devido à suceptibilidade ao encharcamento e ao escoamento superficial O encharcamento do terreno dificulta a mobilidade das rodas do equipamento e o escoamento superficial provoca perdas de água e erosão do solo A topografia do terreno influi também na seleção do sistema As irregularidades do relevo na direção radial do equipamento podem provocar avarias à estrutura do pivô e nestes casos os sistemas com trechos distâncias entre torres curtos se adaptam melhor do que os sistemas de trechos longos Com relação às declividades do terreno na direção tangencial do equipamento os pivôs podem funcionar com desníveis de até 20 sendo que os sistemas elétricos se adequam melhor a essas irregularidades do que os hidráulicos Entretanto de uma maneira geral recomendase que a declividade da superfície a irrigar não ultrapasse 15 para evitar escoamentos sobre o terreno As grandes áreas irrigadas por pivô nem sempre estão livres de obstáculos tais como edificações linhas elétricas vias de comunicação canais etc Os obstáculos limitam a utilização do pivô por impedir a livre circulação do equipamento Com relação à extensão da superfície irrigada por cada pivô a viabilidade econômica será maior quanto maior for sua área de alcance já que o custo do equipamento é proporcional ao comprimento da ala enquanto que a superfície irrigada é proporcional ao quadrado do referido comprimento Existe outro sistema de irrigação mecanizada que pode ser considerado como uma variante do pivô central denominase sistema lateral móvel ou sistema linear possui a mesma configuração estrutural do pivô e se diferencia fundamentalmente deste último por seu deslocamento linear sobre a área a irrigar Como consequência desta forma de deslocamento a superfície irrigada pelo sistema lateral móvel é sempre um recinto retangular O abastecimento dágua ao sistema lateral pode ser realizado de forma direta por meio de um canal situado na margem da área a irrigar ou indiretamente mediante uma mangueira conectada a uma tubulação enterrada de distribuição de água pressurizada O abastecimento direto requer a construção de um canal aberto sem declividade que deve funcionar também como reservatório de regularização ver Figura 214 A água é captada diretamente do canal através de uma bomba instalada no chassi que se desloca com a ala do equipamento paralelamente ao canal Este tipo de alimentação limita a utilização do sistema lateral móvel a terrenos praticamente planos Na captação mediante mangueira a água sob pressão é fornecida através de uma tubulação de distribuição enterrada situada em uma das margens perpendicularmente ao sistema lateral móvel A tubulação de distribuição é dotada de hidrantes que abastecem separadamente a mangueira que conduz a água até uma das extremidades do sistema linear como mostra a Figura 215 Todos os aspersores instalados ao longo da tubulação do sistema lateral móvel possuem a mesma intensidade de precipitação já que todos os pontos da ala do sistema se deslocam com idêntica velocidade Este fator representa uma vantagem em termos da uniformidade da irrigação do sistema lateral móvel em relação ao sistema pivô no qual cada aspersor montado sobre a ala deve possuir características diferentes Com relação à área a irrigar o sistema lateral domina completamente uma superfície retangular enquanto que o pivô deixa de irrigar as esquinas do retângulo circunscrito ao círculo molhado com um menor aproveitamento do terreno cultivável Irrigação por Aspersão 45 A forma de abastecimento representa um fator negativo do sistema lateral móvel em comparação com o pivô já que neste último o fornecimento da água se efetua através de um ponto fixo que coincide com o centro do equipamento Após concluir a irrigação completa da área circular o pivô estará situado mais uma vez na posição inicial da irrigação De modo contrário o sistema lateral móvel ao terminar a irrigação de toda a área terá que reiniciar a irrigar pelo lado mais úmido do terreno caso contrário a máquina terá que ser deslocada sem operar até a posição de origem As vantagens do pivô central perante o sistema lateral móvel são tão marcantes que o número de hectares irrigados mediante este último sistema é insignificante comparado com a área atualmente beneficiada no mundo através de pivôs Figura 214 Captação direta de um sistema lateral móvel Figura 215 Captação através de mangueira 46 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética 24 Características Hidráulicas dos Aspersores A pressão de funcionamento de um aspersor conjuntamente com o diâmetro e o ângulo de inclinação do bocal ou bocais determinam a vazão o alcance o grau de pulverização das gotas a eficiência e a precipitação da chuva lançada pelo aspersor A adequação dessas características hidráulicas às condições específicas do projeto de irrigação é indispensável para o correto dimensionamento e manejo das instalações dos sistemas de aspersão 241 Vazão A água que é lançada sob pressão de um aspersor tem o mesmo comportamento hidráulico que a saída dágua através de um orifício ou bocal A energia de pressão h que a água dispõe no interior da tubulação se transforma em energia cinética v22g na saída do aspersor com uma eficiência dada pelo coeficiente de descarga Cd A equação da continuidade aplicada no bocal de saída do aspersor dá origem à seguinte expressão 2 d d q a v C 2gh 4 21 em que q vazão do aspersor a área do bocal v velocidade de saída da água 2gh Cd coeficiente de descarga do bocal do aspersor d diâmetro do bocal h pressão de funcionamento do aspersor Caso o aspersor disponha de dois bocais de diâmetros d1 e d2 com coeficientes de descarga respectivamente Cd1 e Cd2 a vazão q será igual à soma das vazões de cada um dos bocais submetidas à mesma pressão de serviço h do aspersor A expressão correspondente será 2 2 1 d1 2 d2 q 2gh d C d C 4 22 O coeficiente de descarga Cd é função da perda de carga e da contração do jato no bocal e para uma mesma pressão de funcionamento quanto maior for seu valor maior será a vazão do aspersor Portanto o valor do coeficiente de descarga reflete a qualidade do aspersor e para a maioria dos aspersores disponíveis no mercado seu valor varia de 065 a 095 Pelas expressões 21 e 22 observase que a vazão do aspersor é diretamente proporcional ao quadrado do diâmetro do bocal ou bocais e à raiz quadrada da pressão de funcionamento Exemplo 21 Determinar o coeficiente de descarga de um aspersor dotado de um bocal de diâmetro igual a 40 mm que lança uma vazão de 100 m3h ao estar submetido a uma pressão de funcionamento de 28 kgcm2 Irrigação por Aspersão 47 d 40 mm 0004 m q 100 m3h 13600 m3s h 28 kgcm2 28 m g 98 ms2 d 2 1 4 3600 C 094 0004 2 98 28 Do ponto de vista hidráulico esse aspersor seria de grande qualidade 242 Alcance O alcance representa o raio do círculo molhado pela chuva artificial lançada pelo aspersor Seu valor teórico se obtém através da expressão 2 2 d V R sen2 2 h C sen2 g 23 em que R raio de alcance do aspersor ângulo de inclinação do aspersor V velocidade de saída do jato dágua Cd 2gh Cd coeficiente de descarga do bocal do aspersor h pressão de funcionamento do aspersor A expressão 23 é obtida supondo que o jato dágua descreve uma trajetória parabólica sem perdas por atrito ver Figura 216 e que o aspersor se encontra à altura do solo Nesse caso a trajetória seria representada pelo sistema de equações x V t cos 2 1 y V t sen 2 g t que para x R e y 0 se obtém 2 V sen t g 2 2 1 V R 2 V sen cos sen2 g g y x V O Figura 216 Trajetória parabólica do jato dágua de um aspersor 48 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Existe uma fórmula empírica proposta por Cavazza 1965 que é praticamente aceita para a determinação do raio de alcance de aspersores rotativos onde R e h se expressam em metros e o diâmetro do bocal d em milímetros Equação 24 R 135 d h 24 Mantendo constantes todas as características do aspersor e dentro de determinados limites da sua pressão de funcionamento o raio de alcance R cresce proporcionalmente com essa pressão h Fora desses limites a proporcionalidade entre h e R deixa de existir já que o alcance do aspersor diminui com uma pulverização excessiva ou muito baixa do jato dágua conforme se comenta no item 245 Exemplo 22 Pela fórmula de Cavazza 1965 estimar o alcance de um aspersor submetido a uma pressão de 42 mca cujo diâmetro do bocal é igual a 714 mm R 135 714 42 234 m O valor de catálogo do raio de alcance para um aspersor com essas características pode ter uma oscilação de 10 com relação ao calculado 243 Pulverização A qualidade da irrigação por aspersão depende dentre outros fatores do grau de pulverização das gotas da chuva artificial De fato uma irrigação com gotas muito finas está sujeita a maiores perdas por evaporação principalmente em áreas afetadas por ventos fortes Ao contrário uma irrigação com gotas grossas causa danos às plantas de folhas sensíveis e pode diminuir a capacidade de infiltração do solo devido à compactação produzida pelo impacto das gotas Essa compactação será ainda maior quando o aspersor for de grande alcance Para um aspersor de determinado bocal quanto maior for a pressão de funcionamento menor será o diâmetro das gotas para uma mesma pressão de funcionamento as gotas serão tanto maiores quanto maior for o bocal dos aspersores Ocorre também que para um mesmo aspersor funcionando a uma determinada pressão as gotas maiores caem a maiores distâncias do eixo do emissor As gotas provenientes de chuvas naturais possuem diâmetros que variam de 05 a 10 mm enquanto que em uma tormenta os seus diâmetros são superiores a 30 mm Em termos de comparação os aspersores de ta manho médio arrojam gotas de diâmetros compreendidos entre 05 e 20 milímetros em um círculo de raio de aproximadamente 65 do alcance do aspersor Na coroa restante caem gotas de diâmetros maiores do que 30 mm Existe uma maneira simplificada para representar um índice de pulverização que se representa por Ip que é dado pela Equação 25 na qual o diâmetro do bocal d se expressa em milímetros e a pressão de funcionamento h em mca d Ip h 25 Irrigação por Aspersão 49 O Quadro 21 apresenta os valores de Ip para distintos tipos de gotas indicadas para diferentes culturas e texturas de solos Quadro 21 Valores do índice simplificado de pulverização recomendados para determinados tipos de solos e culturas Lozano 1965 Ip Tipos de gotas Culturas Solos 03 finas Flores hortaliças algodão fumo etc argilosos 03 05 médias Frutíferas extensivas herbáceas etc franco 05 grossas Milho forragens canadeaçúcar etc arenosos 244 Eficiência Em termos econômicos é mais conveniente para o dimensionamento de um projeto de irrigação por aspersão que o aspersor funcionando a uma determinada pressão consiga o maior raio de alcance possível Dessa maneira a instalação será mais barata a densidade de linhas laterais e de aspersores será menor e se necessitará de menor quantidade de mão de obra para os deslocamentos das tubulações O parâmetro que representa a eficiência de um aspersor com relação a seu alcance é o índice de eficiência proposto por Oelher 1964 que estabeleceu o índice de eficiência Ie como a relação entre o raio de alcance do aspersor e a pressão de funcionamento ambos expressos nas mesmas unidades R Ie h 26 Com base na estimativa do alcance Equação 24 o índice de eficiência pode ser relacionado com o índice de pulverização Ip dado pela equação 25 obtendose a seguinte expressão Ie 135 Ip 27 Nessa equação observase a proporcionalidade entre o índice de pulverização e o índice de eficiência que estabelece que quanto maior é o índice de eficiência mais grossas são as gotas lançadas pelo aspersor Devese considerar que uma alta eficiência do aspersor pode comprometer a qualidade da irrigação Um aspersor de alta eficiência produz uma limitada pulverização do jato precipitação de gotas grossas que pode provocar danos às plantas e ao terreno conforme comentado no item anterior Os aspersores comerciais possuem índices de eficiência que variam de 04 a 10 Os valores mais adequados de Ie que compatibilizam o aspecto econômico com a qualidade da irrigação estão compreendidos entre 070 e 080 O Quadro 22 adaptado de Luján 1989 apresenta os índices de eficiência e pulverização de dois aspersores distintos em função de seus diâmetros pressão de funcionamento e raio de alcance Com os dados desse quadro podese concluir que o primeiro aspersor bocal de 50 mm valor médio de Ie 050 e de Ip 014 se caracteriza como um aspersor de baixa eficiência e de gotas finas Em cotrapartida o segundo bocal de 220 mm Ie 094 Ip 053 corresponde a um aspersor de alta eficiência e de gotas grossas 50 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Quadro 22 Índice de eficiência e de pulverização para dois aspersores Luján 1989 dmm Pressão m Alcance m Ie Ip 25 172 069 020 30 174 058 017 50 35 178 051 014 40 181 045 013 45 185 041 011 50 190 038 010 Valor médio 050 014 35 375 107 063 220 40 389 097 055 45 403 090 049 50 414 083 044 Valor médio 094 053 245 Precipitação A distribuição da precipitação lançada por um aspersor depende de sua pressão de funcionamento e das condições locais do vento Para um aspersor que funciona com a pressão adequada e sem a influência significativa de ventos a distribuição da precipitação possui uma forma bem definida As alturas de precipitação medidas sobre o solo apresentam isoietas circunscritas ao eixo do aspersor com valores decrescentes em direção à periferia do círculo molhado conforme mostrado na Figura 217 A Figura 218 representa o perfil transversal das isoietas da figura anterior Esse perfil transversal tem uma forma simétrica aproximadamente triangular representando a distribuição da precipitação de um aspersor que funciona com a pressão adequada e sem a presença considerável de ventos Quando um aspersor trabalha com pressão insuficiente o perfil transversal apresenta o aspecto mostrado na Figura 219 Nele se observa uma concentração da precipitação próxima ao eixo do aspersor e sobre uma coroa intermediária do círculo molhado A acumulação da chuva nessa coroa circular é decorrente da redução da velocidade de saída pelo bocal do aspersor unida a uma fragmentação do jato em gotas grossas Quando a pressão de funcionamento de um aspersor é alta com relação a seu valor adequado o perfil transversal da precipitação apresenta a forma mostrada na Figura 220 Observase nessa figura uma concentração da chuva próxima ao eixo do aspersor decorrente de uma pulverização excessiva do jato em gotas finas O alcance correspondente é menor e as gotas são mais propícias a serem arrastadas pelo vento proporcionando assim uma precipitação pouco uniforme Outra característica significativa da precipitação na irrigação por aspersão é sua intensidade média I que representa a lâmina dágua aplicada ao terreno em um determinado intervalo de tempo Expressase geralmente em mmh e pode ser obtida mediante a relação entre a vazão do aspersor q e a área molhada S correspondente onde S é igual a πR2 sendo R o raio de alcance do aspersor Equação 28 q I S 28 Irrigação por Aspersão 51 Figura 217 Isoietas da precipitação de um aspersor em funcionamento adequado Figura 218 Perfil transversal da precipitação de um aspersor em funcionamento adequado Figura 219 Perfil transversal da precipitação de um aspersor em funcionamento com pressão inferior à adequada Figura 220 Perfil transversal da precipitação de um aspersor em funcionamento com pressão superior à adequada 52 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética A intensidade média de precipitação de um aspersor que é conhecida simplesmente como precipitação é um dado de suma importância na elaboração do projeto de irrigação O aspersor deve ser selecionado de modo que sua intensidade média de precipitação não supere a capacidade de infiltração do solo nas condições da cobertura vegetal existente Esse requisito deve sempre ser cumprido para evitar o encharcamento do terreno e as perdas por escoamento superficial produzidas pela precipitação excedente O Quadro 23 indicado pelo Serviço de Conservação de Solos dos Estados Unidos 1960 estabelece um conjunto de valores máximos das intensidades de precipitação admitidas pelo terreno em função da textura média do solo da declividade média do terreno e da existência ou não de cobertura vegetal Keller e Bliesner 1990 recomendam que a intensidade mínima de precipitação admitida para a maioria das culturas a irrigar deve ser de 3 mmh Essa recomendação tem como objetivo garantir uma uniformidade de distribuição e uma eficiência de irrigação que não comprometam a sua qualidade em condições climáticas favoráveis Em áreas com temperaturas elevadas e com ventos fortes o valor mínimo da intensidade de precipitação deve ser maior do que o citado anteriormente A velocidade de rotação do aspersor influi na precipitação lançada sobre o terreno em cada instante Quanto maior for a velocidade menor será a precipitação instantânea sobre um determinado ponto do círculo molhado Para um solo de determinada permeabilidade quanto menor for a precipitação instantânea menores serão os riscos de encharcamento e compactação do terreno Quadro 23 Intensidade máxima de precipitação para condições médias de solo declividade e vegetação SCSUSA 1960 Textura do solo e condições do perfil Intensidade de precipitação máxima mmh Declividade 0 a 5 5 a 8 8 a 12 12 Areia grossa de textura uniforme até 18 m 51 51 51 38 38 25 25 13 Areia grossa com subsolo compacto 44 38 32 25 25 19 19 10 Franco arenoso de textura uniforme até 18 m 44 25 32 20 25 15 19 10 Franco arenoso com subsolo mais compacto 32 19 25 13 19 10 13 8 Franco siltoso de textura uniforme até 18 m 25 13 20 10 15 8 10 5 Franco siltoso com subsolo mais compacto 15 8 13 6 10 4 8 25 Argiloso ou franco argiloso 5 4 4 25 3 2 25 15 sem cobertura vegetal 25 Distribuição dos Aspersores nos Sistemas Convencionais A Figura 218 citada antes mostra o perfil transversal das alturas de precipitação correspondentes a um aspersor que funciona individualmente com pressão adequada e sem a interferência significativa de ventos Tratase de um perfil não uniforme com valores Irrigação por Aspersão 53 decrescentes da precipitação desde o eixo do aspersor até a periferia da área molhada Por conta desse aspecto para se conseguir uma uniformidade adequada da irrigação fazse necessário superpor as áreas molhadas pelos aspersores conforme mostrado na Figura 221 A Figura 222 apresenta uma superposição de perfis transversais correspondentes às alturas de precipitação de três aspersores vizinhos que atuam em uma mesma linha lateral Os três perfis superpostos formam um perfil sensivelmente horizontal que garante uma distribuição da precipitação aproximadamente uniforme sobre a superfície irrigada Figura 221 Superposição de áreas por aspersores espaçados S1 S2 Figura 222 Superposição de perfis transversais 251 Disposição dos Aspersores Nos sistemas convencionais de irrigação por aspersão os aspersores são normalmente dispostos de três formas distintas sobre as linhas laterais Disposição quadrada Os aspersores ocupam os vértices de um quadrado Nesse caso a distância entre linhas é igual à separação dos aspersores dentro das laterais Figura 223a Disposição triangular Nessa disposição os aspersores ocupam os vértices de uma rede de triângulos equiláteros de acordo com o esquema mostrado na Figura 223b Essa 54 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética disposição está limitada em geral aos sistemas convencionais fixos pelas dificuldades que ela apresenta para os deslocamentos das linhas laterais portáteis Disposição retangular A distância entre aspersores em uma mesma linha lateral é diferente da distância entre linhas Figura 223c A distância maior do retângulo corresponde à separação entre laterais com o objetivo de reduzir a infraestrutura de tubulações dentro da parcela sistemas fixos ou o número de posições das linhas laterais sistemas portáteis Figura 223 Espaçamento máximo segundo a disposição dos aspersores As frações das áreas dos círculos molhados que devem ser superpostas dependem de vários fatores tais como a disposição dos aspersores a forma dos perfis de precipitação destes as condições de vento a uniformidade de distribuição desejada e o aspecto econômico Em termos econômicos é mais conveniente que os aspersores estejam mais espaçados para que seja menor o número de tubulações de aspersores e de peças de Irrigação por Aspersão 55 conexão no sistema de irrigação ao aumentar a separação entre aspersores reduzse o equipamento na instalação No entanto a uniformidade de distribuição da precipitação sobre o terreno diminui ao se aumentar a distância entre os aspersores eou entre as linhas laterais As distâncias máximas recomendadas entre os aspersores colocados em uma mesma linha lateral e entre elas são indicadas no Quadro 24 onde R é o alcance do aspersor Os valores desse quadro foram fixados com o propósito de se conseguir uma uniformidade aceitável da precipitação utilizando o menor número possível de tubos e de aspersores na instalação Quadro 24 Distâncias máximas recomendadas entre aspersores segundo suas disposições Fonte Lozano 1965 Disposição Distância entre aspersores Distância entre linhas Quadrada 2 R 2 R Triangular 3 R 15 R Retangular R 13 R Com base nas distâncias máximas recomendadas indicadas no Quadro 24 podese comparar a superfície unitária teórica St atendida em cada disposição áreas hachuradas da Figura 223 com relação à superfície molhada Sm πR2 por cada aspersor a disposição quadrada 2 t 2 m S 2 R 64 S R b disposição triangular a superfície atendida é um polígono hexagonal 2 t 2 m S 15 R 3 83 S R c disposição retangular 2 t 2 m S 13 R 41 S R Do ponto de vista da superfície atendida pelos aspersores a disposição triangular é melhor do que a disposição em quadrado e esta por sua vez é melhor do que a disposição retangular Também em termos de uniformidade de irrigação as disposições quadradas e triangulares são mais favoráveis que a disposição retangular em virtude de suas simetrias geométricas Entretanto apesar das vantagens citadas anteriormente com relação à superfície atendida e a uniformidade de irrigação das disposições quadradas e triangulares perante à disposição retangular esta última é a mais empregada na prática Isso acontece por conta da característica que a disposição retangular possui de minorar a interferência do vento sobre a uniformidade da irrigação Quando o vento mantém uma direção dominante na parcela as áreas molhadas pelos aspersores apresentam formas elípticas cujos eixos maiores coincidem com a direção dominante do vento Na Figura 224 estão representadas as disposições dos 56 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética aspersores em quadrado e em retângulo de uma irrigação sob a influência de ventos dominantes Na disposição quadrada Figura 224a as chuvas dos aspersores 1 e 2 não molham os aspersores 3 e 4 respectivamente e as precipitações dos aspersores 3 e 4 também não molham respectivamente os aspersores 1 e 2 Contudo como se observa na Figura 224b distribuindose os aspersores de forma retangular com as linhas laterais situadas na direção perpendicular à direção dominante do vento esse inconveniente pode ser eliminado Quando a velocidade do vento alcança determinados valores é necessário reduzir os espaçamentos entre aspersores S1 e entre linhas laterais S2 A esses efeitos recomendase diminuir as distâncias máximas entre aspersores e linhas assinaladas no Quadro 24 propondo os valores indicados no Quadro 25 Figura 224 Formas das áreas molhadas pelos aspersores em disposição quadrada e retangular sujeitas a ventos dominantes Quadro 25 Espaçamentos máximos entre aspersores e laterais segundo a velocidade do vento Luján 1989 Velocidade kmh S1 S2 8 11 08 R 13 R 11 16 08 R 12 R 16 06 R R Em zonas dominadas por ventos fortes devese evitar a utilização de aspersores com alto grau de pulverização como também aspersores que lancem o jato dágua a grandes alturas Nesses casos as gotas da precipitação arrojadas pelos aspersores estarão mais propensas de serem arrastadas pelo vento o que compromete a uniformidade de distribuição da precipitação sobre o terreno Uma forma de se atenuar a influência do vento sobre a precipitação dos aspersores é irrigar durante a noite quando em geral a velocidade do vento é menor A expressão 28 I qπR2 representa a intensidade média de precipitação quando se analisa um aspersor funcionando isoladamente Para uma distribuição retangular a intensidade média de precipitação é expressa pela Equação 29 na qual S1 e S2 são Irrigação por Aspersão 57 respectivamente o espaçamento entre aspersores em uma mesma lateral e o espaçamento entre linhas laterais 1 2 q I S S 29 Por meio da expressão 29 podemse ajustar as dimensões dos espaçamentos S1 eou S2 para que a intensidade de precipitação média do conjunto de aspersores não supere a velocidade de infiltração básica do solo a irrigar Na distribuição triangular a intensidade média de precipitação do conjunto de aspersores se expressa pela Equação 210 2 1 3 q I 15 S 210 252 Espaçamentos Convencionais Nas instalações dos sistemas de aspersão convencionais os espaçamentos entre aspersores está condicionado também pelos comprimentos dos tubos disponíveis comercialmente Geralmente os tubos leves fabricados para os sistemas de irrigação possuem comprimentos normalizados de 6 metros com peso espessura e classe variáveis de acordo com o material de fabricação Dessa forma empregamse espaçamentos retangulares entre aspersores e linhas laterais em metros de 6 6 e 6 12 que são considerados pequenos entre 12 12 e 24 24 considerados médios e de 24 30 24 36 30 30 30 36 etc considerados grandes O espaçamento entre aspersores e entre linhas laterais representa um fator fundamental na irrigação por aspersão convencional tanto no aspecto técnico como no econômico Uma irrigação com espaçamentos pequenos entre aspersores e laterais dá origem a uma boa uniformidade de distribuição da precipitação e requer pequenas pressões de funcionamento para os aspersores Consequentemente se obtém uma melhor qualidade de irrigação com menores requerimentos de energia para o sistema Em contrapartida essa solução origina um maior custo de investimento dos equipamentos da instalação tubos aspersores acessórios etc e exige maior quantidade de mão de obra para os deslocamentos das linhas laterais portáteis Os espaçamentos grandes proporcionam ao contrário uma irrigação menos uniforme com maiores custos energéticos já que dessa forma se necessitam aspersores que trabalhem com altas pressões Sendo assim o sistema de irrigação precisará de menos mão de obra e o custo de investimento da instalação será menor Os espaçamentos médios apresentam parcialmente as vantagens e as desvantagens dos espaçamentos pequenos e grandes e consequentemente se constituem nos mais empregados na prática Com base em uma eficiência aceitável dos aspersores ver item 244 ClémentGalant 1986 recomendam valores mínimos da pressão de funcionamento para distintos espaçamentos dos emissores conforme mostrado no Quadro 26 58 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Quadro 26 Pressão de serviço mínima segundo o espaçamento dos aspersores ClémentGalant 1986 Espaçamento m Pressão mínima mca 6 6 15 12 12 20 18 18 25 24 24 30 30 30 35 42 42 40 253 Catálogos de Aspersores As empresas fabricantes de aspersores fornecem catálogos que especificam as características técnicas de cada emissor Os catálogos contém uma extensa gama de modelos de aspersores que cobre praticamente todas as possibilidades requeridas para a irrigação por aspersão Para cada aspersor caracterizado pelo diâmetro ou diâmetros dos bocais se especificam a vazão e o alcance correspondentes a diversas pressões de funcionamento Alguns catálogos especificam também as intensidades médias de precipitação para cada espaçamento recomendado A variação das características técnicas dos aspersores especificadas nos catálogos é bastante ampla e depende de cada fabricante De uma maneira geral as pressões de funcionamento variam desde 1 a 8 kgcm2 as vazões dos aspersores entre 050 e 100 m3h e os alcances correspondentes entre 6 e 60 m O Quadro 27 é uma amostra extraída de um catálogo onde são assinaladas as características de um determinado aspersor de um bocal Quadro 27 Características técnicas de catálogo de um aspersor Pressão Diâmetro do bocal mm de 396 436 515 Serviço Alcance Vazão Alcance Vazão Alcance Vazão kgcm2 m m3h m m3h m m3h 175 135 080 141 096 151 134 210 141 087 145 105 156 148 246 145 094 150 114 160 161 281 150 101 154 122 163 173 316 151 107 157 129 166 183 351 153 113 159 136 169 193 386 154 118 160 143 172 201 421 156 123 162 149 174 209 457 157 130 163 155 175 215 492 159 135 165 161 177 222 527 160 140 166 167 178 231 Mediante catálogos técnicos podese obter uma ideia clara das condições de funcionamento de cada aspersor com relação às diferentes pressões de serviço especificadas Para cada modelo de aspersor caracterizado pelo diâmetro ou diâmetros dos bocais especificamse uma série de pressões de funcionamento cuja diferença entre os valores Irrigação por Aspersão 59 sucessivos está compreendida geralmente entre 3 mca 03 kgcm2 e 5 mca 05 kgcm2 O aspersor trabalhará de forma diferente quando submetido às distintas pressões especificadas no quadro As pressões ou cargas mais baixas entre as especificadas para cada modelo em questão originam precipitações de gotas grossas enquanto que com pressões mais altas o aspersor lança chuvas excessivamente pulverizadas Portanto devese selecionar sempre que possível um modelo cuja pressão de serviço encontrese situada na faixa central da série de pressões do quadro de especificações correspondente Exemplo 23 Selecionar um aspersor entre os três modelos do Quadro 27 caracterizado pelo diâmetro do bocal e pela pressão de funcionamento cuja vazão requerida é igual a 135 m3h e o espaçamento adotado é de 12 por 18 metros Observase no Quadro 27 que qualquer dos três modelos pode fornecer a vazão requerida O primeiro modelo d 396 mm lança uma vazão de 135 m3h quando está submetido a uma pressão de funcionamento de 492 kgcm2 o segundo modelo d 436 mm proporciona uma vazão de 136 m3h quando dispõe de uma pressão de funcionamento de 351 kgcm2 o terceiro e último modelo d 515 mm fornece uma vazão de 134 m3h ao estar submetido a uma pressão de 175 kgcm2 Em termos de energia requerida ao sistema o terceiro aspersor é o mais vantajoso comparado com os demais visto que é o que necessita de menor pressão para seu funcionamento No entanto com relação à qualidade da precipitação arrojada pulverização do jato o segundo aspersor é o mais adequado pois como explicado anteriormente sua pressão de serviço h 351 kgcm² está situada na faixa central da série de pressões especificadas no quadro correspondente 26 Uniformidade e Eficiência da Irrigação por Aspersão 261 Grau de Uniformidade A uniformidade da irrigação por aspersão como seu próprio nome indica referese à igualdade de distribuição da altura de precipitação lançada pelos aspersores sobre a superfície irrigada Sua importância é fundamental visto que ela intervém na qualidade da irrigação e consequentemente no rendimento das culturas Em uma irrigação com baixa uniformidade algumas zonas recebem menos água que a quantidade necessária o que pode acarretar prejuízos para o desenvolvimento das plantas Da mesma forma as partes irrigadas que recebem uma quantidade de água superior à necessária estarão sujeitas a encharcamentos e erosão do solo ou no melhor dos casos a perdas dágua por percolação e lavagem de nutrientes Existem alguns critérios que permitem avaliar o grau de uniformidade da irrigação por aspersão O mais conhecido e utilizado é o método proposto por Christiansen 1942 cujo coeficiente de uniformidade Cu se determina por meio de dados experimentais obtidos com aspersores rotativos instalados no campo As principais variáveis que influenciam na determinação do grau de uniformidade são a pressão de funcionamento os diâmetros dos bocais dos aspersores o espaçamento entre eles e a velocidade do vento Os ensaios para a obtenção do grau de uniformidade de uma instalação são realizados com pluviômetros distribuídos com espaçamentos iguais dentro da área atendida pelos emissores A Figura 225 mostra uma instalação em disposição retangular com os pluviômetros situados dentro do recinto atendido pelas precipitações dos aspersores A B C e D Para que o experimento seja significativo recomendase que cada 60 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética ensaio dure pelo menos a metade do tempo previsto para a aplicação da irrigação no campo O coeficiente de uniformidade Cu de Christiansen se obtém por meio da fórmula i u X X C 100 10 n X 211 em que Cu Coeficiente de uniformidade de Christiansen expresso em porcentagem Xi Altura de precipitação coletada no iésimo pluviômetro X Altura de precipitação média dos pluviômetros Xi X Somatório dos desvios absolutos dos valores Xi em relação à média X n Número de pluviômetros Figura 225 Coleta das alturas de precipitação para a obtenção do grau de uniformidade da irrigação por aspersão Exemplo 24 Determinar o coeficiente de uniformidade de Christiansen para os aspersores A B C e D cujas alturas de precipitação em milímetros estão indicadas na Figura 226 A 31 29 28 26 B 32 34 36 32 28 30 37 37 41 42 40 34 38 37 40 41 36 31 33 32 37 33 32 34 C 31 30 29 24 D Figura 226 Alturas de precipitação em mm Irrigação por Aspersão 61 n 32 X 31 29 28 2432 107532 3360 mm Xi X 26 46 56 96 1202 mm u 1202 C 100 10 888 32 3360 Um valor de Cu 100 significaria uma uniformidade de irrigação absoluta que na prática não ocorre Os coeficientes de uniformidade dos sistemas de irrigação convencionais variam em geral entre 80 e 95 O Quadro 28 apresenta valores do coeficiente de uniformidade de Christiansen obtidos experimentalmente por W C Strong National Engineering Handbook 1983 em função da velocidade média do vento e das características dos aspersores diâmetros dos bocais d pressão de serviço h espaçamento e intensidade da precipitação Os ensaios foram efetuados com aspersores de impacto de ângulos compreendidos entre 22 e 28 graus Os espaçamentos do Quadro 28 estão em pés 1 ft 0305 m e não coincidem exatamente com os valores em metros dos espaçamentos comerciais Entretanto os resultados deste quadro permitem ao projetista obter estimativas dos coeficientes de uniformidade para os sistemas de aspersão convencionais quando não se dispõe de dados locais do projeto Quadro 28 Coeficiente de uniformidade de Christiansen Cu Aspersor Intensidade da precipitação mmh Espaç Operação 25 38 51 63 76 89 102 ftft Velocidade do vento 64 kmh 3040 d mm 24 24 28 32 36 40 36x24 h kgcm2 21 35 32 32 32 28 28 Cu 82 83 82 83 83 85 88 3050 d mm 24 28 32 36 40 44 44 h kgcm2 28 28 32 35 32 28 35 Cu 83 88 86 86 84 85 86 3060 d mm 32 36 40 44 48 48 h kgcm2 28 32 32 32 32 35 Cu 88 88 89 88 85 87 4040 d mm 28 32 36 3224 424 424 432 h kgcm2 21 25 25 28 25 28 25 Cu 78 82 86 87 88 89 90 4050 d mm 40 4024 4024 4424 4824 h kgcm2 25 25 32 28 28 Cu 78 83 84 88 89 4060 d mm 40 44 48 52 56 h kgcm2 35 35 35 35 35 Cu 83 85 85 84 86 6060 d mm 48 52 56 63 63 h kgcm2 42 46 46 35 46 Cu 88 88 88 88 88 62 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Velocidade do vento entre 64 e 16 kmh 3040 d mm 24 24 28 32 36 40 36x24 h kgcm2 21 35 32 32 32 28 28 Cu 82 85 85 82 83 84 85 3050 d mm 24 28 32 36 40 44 44 h kgcm2 28 28 32 35 32 28 35 Cu 70 75 84 84 84 87 85 3060 d mm 32 36 40 44 48 48 h kgcm2 28 32 32 32 32 35 Cu 80 84 84 84 85 86 4040 d mm 28 32 36 3224 424 424 432 h kgcm2 21 25 25 28 25 28 25 Cu 80 83 83 83 84 87 86 4050 d mm 40 4024 4024 4424 4824 h kgcm2 25 25 32 28 28 Cu 76 76 76 83 84 4060 d mm 40 44 48 52 56 h kgcm2 35 35 35 35 35 Cu 77 81 83 84 85 6060 d mm 48 52 56 63 63 h kgcm2 42 46 46 35 46 Cu 80 82 83 83 84 Velocidade do vento entre 16 e 24 kmh 3040 d mm 24 24 28 32 36 40 36x24 h kgcm2 21 35 32 32 32 28 28 Cu 75 80 80 84 84 85 86 3050 d mm 28 32 36 40 44 44 h kgcm2 28 32 35 32 32 39 Cu 70 81 82 87 88 88 3060 d mm 36 40 44 48 48 h kgcm2 32 32 32 32 35 Cu 72 75 81 84 86 4040 d mm 32 36 40 44 44 48 h kgcm2 25 25 25 25 32 32 Cu 80 82 81 80 86 85 4050 d mm 40 40 44 48 52 h kgcm2 25 35 35 35 35 Cu 77 78 80 80 82 4060 d mm 40 44 48 52 56 h kgcm2 35 35 35 35 35 Cu 68 74 78 81 82 6060 d mm 48 52 56 63 63 h kgcm2 42 46 46 35 46 Cu 64 66 68 75 82 Irrigação por Aspersão 63 Velocidade do vento entre 24 e 36 kmh 3040 d mm 24 24 28 32 36 40 40 h kgcm2 21 35 32 32 32 28 32 Cu 69 72 73 75 76 82 85 3050 d mm 32 36 40 44 44 h kgcm2 32 35 32 35 39 Cu 74 77 80 81 84 3060 d mm 36 40 44 48 48 h kgcm2 32 32 32 32 35 Cu 60 65 75 80 83 4040 d mm 36 40 44 44 48 h kgcm2 25 25 25 32 32 Cu 70 72 76 81 84 4050 d mm 40 40 44 48 52 h kgcm2 25 35 35 35 35 Cu 55 60 70 75 77 4060 d mm 40 44 48 52 56 h kgcm2 35 35 35 35 35 Cu 64 70 73 74 75 6060 d mm 63 63 h kgcm2 35 46 Cu 66 75 Admitemse valores de Cu menores do que 80 se a área a irrigar receber chuvas durante a campanha de irrigação se a planta possui raízes longas ou se a economia obtida no custo da instalação maiores espaçamentos entre aspersores e linhas compensar a redução do rendimento da cultura irrigada A situação mais racional será aquela na qual se alcança um grau de uniformidade razoável compatível com as necessidades das plantas com os custos de investimento e operação do sistema e com os benefícios econômicos da cultura irrigada O aspecto econômico da uniformidade de irrigação nem sempre é considerado na prática Davis e Fry 1963 realizaram experiências com alfafa irrigada por aspersão convencional com baixo coeficiente de uniformidade e conseguiram resultados favoráveis Inicialmente eles testaram um sistema de aspersão com um espaçamento de 9 por 15 metros e obtiveram um valor de Cu igual a 87 Posteriormente ampliaram o espaçamento para 18 por 18 metros e o coeficiente de uniformidade caiu para 63 que é considerado um índice insuficiente No entanto devido às condições favoráveis do solo e ao bom desenvolvimento do sistema radicular da alfafa o rendimento da cultura obtido no segundo teste com Cu 63 foi pouco inferior ao rendimento obtido no primeiro Mediante uma avaliação econômica dos dois testes constatouse que o segundo sistema com menor uniformidade de irrigação apresentou melhor resultado com relação à análise dos benefícios e custos de ambas instalações Os valores recomendáveis para a uniformidade de irrigação variam também com o sistema radicular da cultura Com um maior desenvolvimento das raízes a planta possuirá um maior raio de alcance para alimentarse diminuindo assim a dependência da cultura com relação a uma maior uniformidade de irrigação Consequentemente na irrigação de plantas mais espaçadas com maior extensão radicular admitemse menores coeficientes de uniformidade O Quadro 29 indica os valores mínimos dos coeficientes de uniformidade de 64 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Christiansen recomendados por Pillsbury e Degan 1968 em função dos espaçamentos entre plantas cultivadas Quadro 29 Valores mínimos de Cu segundo o espaçamento médio entre plantas recomendados por Pillsbury e Degan 1968 Espaçamento médio entre plantas m Cu 0 2 85 2 4 80 4 6 75 6 8 65 262 Eficiência da Irrigação A precipitação lançada pelos aspersores ao terreno não é totalmente aproveitada pelas raízes das plantas Uma parte se perde devido à evaporação e ao arraste das gotas pelo vento e outra parte se perde por percolação profunda devido a não uniformidade de distribuição da precipitação sobre o terreno As perdas produzidas pela evaporação e pelo vento dependem de muitos fatores que podem variar constantemente durante o ciclo vegetativo da cultura Esses fatores são temperatura umidade do ar radiação solar velocidade do vento cobertura vegetal e tamanho das gotas A avaliação dessas perdas é extremamente complexa e por esse motivo elas são estimadas de forma aproximada geralmente para o período de máxima demanda hídrica das plantas A não uniformidade da irrigação por aspersão repercute por sua vez sobre a porcentagem de água aproveitada pelas plantas com relação ao total distribuído Assim sendo quando uma determinada lâmina de irrigação é aplicada ao terreno e parte da área irrigada recebe mais água do que a quantidade necessária o excesso correspondente se perde por percolação ou escoamento em detrimento de outras partes da superfície irrigada que não recebem a dose de irrigação suficiente Além do mais no cômputo geral também devem ser consideradas as perdas dágua que ocorrem ao se molhar as partes vizinhas adjacentes à área da parcela cultivada A relação entre a quantidade de água retida no solo à disposição das raízes das plantas e a quantidade de água aplicada é definida como eficiência de aplicação Expressase em porcentagem e indica o grau de efetividade com que se utiliza o sistema de irrigação Em geral a eficiência de aplicação Ea da irrigação por aspersão varia durante o dia entre 60 em zonas semiáridas a 75 em zonas de clima moderado No entanto ao se irrigar durante a noite a eficiência pode chegar a alcançar valores próximos a 90 O Quadro 210 indica valores da eficiência de aplicação da irrigação por aspersão convencional em função da lâmina de irrigação líquida da evapotranspiração de referência ETo e da velocidade média do vento De acordo com a experiência adquirida pelo Bureau of Reclamation dos Estados Unidos Olson D C et al 1993 para o sistema pivô central a eficiência de aplicação pode ser estimada utilizando os valores do Quadro 210 acrescidos de 5 As perdas de água que ocorrem na rede de distribuição desde a fonte de abastecimento até os aspersores são produzidas por vazamentos através das juntas nas conexões das tubulações e por escapamento de água durante as operações de engate das tubulações portáteis Essas perdas podem variar desde 1 em sistemas bem conservados e com uma operação correta até 10 ou mais em sistemas deficientes Irrigação por Aspersão 65 Quadro 210 Valores em porcentagem da eficiência de aplicação da irrigação por aspersão convencional Fonte McCulloch at al 1967 Lâmina de irrigação Evapotranspiração de referência mmdia líquida mm 5 5 a 75 75 Velocidade do vento 65 kmh 25 68 65 62 50 70 68 65 100 75 70 68 150 80 75 70 Velocidade do vento de 65 a 16 kmh 25 65 62 60 50 68 65 62 100 70 68 65 150 75 70 68 Velocidade do vento 16 kmh 25 62 60 58 50 65 62 60 100 68 65 62 150 70 68 65 A relação entre a quantidade de água à disposição dos aspersores e a quantidade fornecida ao sistema de distribuição é definida como eficiência de distribuição Ed A eficiência do sistema de irrigação Ef é o resultado do produto da eficiência de distribuição pela de aplicação f a d E E E 212 A partir dos valores estimados da eficiência de irrigação Ef e da fração de água destinada a lavar os sais acumulados no solo LR ver item 135 se obtém a lâmina de irrigação bruta Lb e a necessidade de irrigação bruta Nb necessárias para o dimensionamento dos sistemas de irrigação Caso o valor calculado de LR Equação 112 for menor do que 01 as perdas inevitáveis que ocorrem por percolação serão suficientes para lavar os sais acumulados no solo Nesse caso as lâminas e necessidades de irrigação brutas são determinadas pelas relações l b f L L 100 E 213 l b f N N 100 E 214 Para LR01 as lâminas e as necessidades de irrigação brutas são obtidas mediante as expressões l b f L L 100 09 1LRE 215 66 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética l b f N N 100 091LRE 216 em que Lb lâmina de irrigação bruta em mm Ll lâmina de irrigação líquida em mm ver item 128 Ef eficiência do sistema de irrigação em LR fração de água destinada a lavar os sais no solo Nb necessidade de irrigação bruta em mm Nl necessidade de irrigação líquida em mm ver item 133 O valor 09 que aparece nas Equações 215 e 216 diz respeito a um coeficiente de minoração das lâminas e necessidades de irrigação bruta para compensar as perdas inevitáveis por percolação que sempre ocorrem e que satisfazem aproximadamente 10 da necessidade de lixiviação Exemplo 25 Determinar a lâmina de irrigação bruta e a necessidade de irrigação bruta máxima a partir dos seguintes dados Lâmina líquida Ll 50 mm Velocidade média do vento 10 kmh Evapotranspiração da cultura de referência ETo 6 mmdia LR 012 Considerase que as perdas na rede de distribuição são desprezíveis Com base no Quadro 210 a eficiência de aplicação é igual a 65 que para o exemplo considerado é aproximadamente igual à eficiência do sistema já que são desprezíveis as perdas na rede de distribuição Portanto aplicando as equações 215 e 216 obtémse b 50 L 100 09 79 1012 65 mm bm 6 N 100 09 94 1 012 65 mmdia 27 Distribuição das Linhas Laterais e Traçado das Tubulações no Interior das Parcelas de Irrigação Nos sistemas convencionais de aspersão a distribuição das linhas laterais e o traçado das tubulações de distribuição no interior das parcelas estão condicionados por vários fatores topografia do terreno comprimento máximo das linhas laterais geometria da parcela direção dominante do vento direção das fileiras das plantas e localização do ponto de tomada dágua Nem sempre é possível considerar conjuntamente todas as condições citadas anteriormente O projetista deve dar prioridade àquelas que mais influem nos aspectos técnicos e econômicos do dimensionamento Irrigação por Aspersão 67 Topografia do terreno A topografia é a condição principal que deve ser atendida na distribuição das linhas laterais que devem ser orientadas segundo a direção paralela às curvas de nível do terreno Quando essa condição não pode ser cumprida as diferenças de cotas na direção das linhas laterais não devem alcançar valores que comprometam a pressão média de funcionamento dos aspersores A variação da pressão nos aspersores deve ser mantida dentro de determinados limites de maneira que não comprometa as correspondentes vazões ao longo da linha lateral A variação excessiva da vazão dos aspersores pode prejudicar a uniformidade de distribuição da irrigação Esse problema pode ser evitado de forma eficiente e relativamente barata utilizandose pequenas válvulas limitadoras de pressão nos tubos de subida posicionadas imediatamente antes dos emissores Comprimento máximo da linha lateral O comprimento máximo de uma linha lateral está condicionado pela máxima diferença de pressão admitida entre os aspersores da tubulação Essa limitação ocorre devido a que quanto maior for o comprimento da linha lateral maiores serão as perdas de carga por atrito ao longo do conduto e consequentemente poderão ser maiores as diferenças de pressão entre os aspersores da lateral Quando o terreno possui uma declividade decrescente não acentuada no sentido do fluxo dágua o ganho de energia por diferença de cota tende a compensar as perdas de carga ao longo do conduto e portanto se pode alongar o comprimento das linhas laterais Pelo contrário devese evitar a instalação das linhas laterais contra a declividade do terreno pois nesse caso se acumulam a perda de carga por atrito com a perda de pressão por diferença de cotas Quando não se pode evitar esta última disposição devese modificar adequadamente o comprimento eou o diâmetro das linhas laterais com o objetivo de atenuar o desequilíbrio de pressões da tubulação lateral Geometria da parcela Quando for possível selecionar as formas geométricas das parcelas lotes ou unidades de irrigação devese optar por formas ou recintos retangulares Em uma superfície de forma não retangular as linhas laterais terão comprimentos variáveis o que dificultará o manejo da irrigação e o dimensionamento hidráulico das tubulações Quando a área da parcela possuir forma retangular as linhas laterais devem ser posicionadas em uma direção paralela a um dos lados do retângulo segundo mostrado nas parcelas representadas na Figura 227 Direção dominante do vento Conforme comentado no item 251 para atenuar o efeito dos ventos sobre a precipitação dos aspersores estes devem ser colocados em disposição retangular com as linhas laterais instaladas na direção perpendicular à dominante do vento o que favorece a uniformidade da irrigação Direção das fileiras das plantas A direção das linhas laterais estabelecida em função dos condicionantes precedentes determina a direção das fileiras das plantas As plantas devem ser cultivadas em fileiras paralelas à direção das tubulações laterais para facilitar os tratos culturais e os deslocamentos dos condutos nos sistemas portáteis ou semiportáteis Localização do ponto de tomada dágua A tomada que alimenta a parcela de irrigação localizase geralmente no seu interior quando a fonte de distribuição se situa também no interior desta Quando se trata de uma irrigação coletiva para várias parcelas a rede de distribuição que alimenta as tomadas dágua hidrantes localizase geralmente fora sobre os limites das parcelas acompanhando o traçado das vias de acesso dentro do perímetro irrigado Dessa forma a reparação de qualquer avaria produzida na rede coletiva de 68 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética distribuição pode ser realizada sem necessidade de interferir no interior dos terrenos cultivados evitando possíveis prejuízos às plantações A Figura 227 mostra quatro exemplos ilustrativos sobre a disposição das linhas laterais e o traçado das tubulações principais para diversas condições geométricas e topográficas das parcelas de irrigação Os detalhes principais de cada exemplo da Figura 227 são descritos em seguida Figura 227 Disposição das linhas laterais e traçado das tubulações de distribuição em diversas condições topográficas a A fonte de distribuição de água ou hidrante localizase no centro da parcela As linhas laterais são repartidas para que sejam manejadas de forma rotativa ao redor dos dois trechos da tubulação principal no sentido indicado na figura A orientação das linhas laterais coincide sensivelmente com as direções das curvas de nível do terreno A distribuição rotativa das linhas laterais deve ser utilizada sempre que for possível Assim o manejo das laterais é facilitado e se pode obter uma distribuição bastante racional da vazão máxima transportada pela tubulação principal da parcela b A geometria da parcela não possui largura suficiente para distribuir as linhas laterais de forma rotativa Nesse caso é mais conveniente adotar uma distribuição tipo pente na qual as linhas são deslocadas ao longo de um único lado da parcela As tubulações portáteis após uma irrigação completa da área são transportadas para a posição inicial da parcela onde Irrigação por Aspersão 69 começa a seguinte aplicação dágua Nesse exemplo o ponto de abastecimento está situado fora da área a irrigar c O traçado das tubulações de distribuição divide a área da parcela em quatro partes iguais As linhas laterais são deslocadas de forma rotativa duas a duas sobre cada uma das tubulações principais seguindo as direções das curvas de nível d Por conta da declividade da topografia da parcela é mais conveniente que as tubulações principais de distribuição estejam situadas nos lados extremos da superfície Dessa forma as linhas laterais trabalharão com desníveis geométricos descendentes no sentido do fluxo dágua Exemplo 26 Selecionar uma distribuição adequada das linhas laterais de um sistema semiportátil para a parcela de irrigação da Figura 228a considerando os seguintes dados básicos Frequência de irrigação no período de máxima demanda 7 dias Duração da irrigação 8 horas Espaçamento entre aspersores e linhas 12 18 metros Figura 228 A primeira recomendação a seguir é que as linhas laterais sejam orientadas perpendicularmente à direção dominante do vento indicada na Figura 228a Considerando um manejo rotativo das linhas laterais que siga o sentido das flechas da Figura 228b o número de espaços de 18 m na direção longitudinal da parcela será igual a 300 m18 m 167 Considerandose 17 posições para as linhas laterais em cada lado da parcela as duas posições extremas das linhas estarão a 6 m das bordas da área irrigada 300 70 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética m 16 18 m2 O número total de posições será portanto igual a 34 e o comprimento da tubulação principal será de 294 m Caso fosse considerado somente 16 posições das linhas laterais para cada lado as duas posições extremas estariam a 15 m dos dois lados menores da área da parcela Nesse caso a uniformidade da irrigação estaria comprometida nessas duas posições extremas Para uma frequência de 7 dias e considerando duas aplicações diárias da irrigação o número de linhas laterais do sistema seria 342 7 24 Como não se pode operar com fração de laterais o número de linhas deve ser igual a 3 Dessa forma com 3 laterais irrigando duas posições diárias serão necessários somente 6 dias para efetuar uma irrigação completa em toda a superfície da parcela em cada intervalo de 7 dias Tal condição se adapta bem à jornada de trabalho de seis dias por semana normalmente empregada na prática Para um ramal lateral de 100 m o número de espaços de 12 m será igual a 83 obtido mediante do quociente entre 100 e 12 Posicionandose o primeiro aspersor a 6 m da tubulação principal e considerando 8 aspersores ao longo da linha lateral o último aspersor estaria situado a 10 m da borda 100 m 7 12 m 6 m Uma distribuição mais equilibrada pode ser obtida situando o primeiro aspersor e o último a 8 metros da tubulação de distribuição e da borda da parcela respectivamente Adotandose esta última alternativa o comprimento de cada linha lateral será de 92 m e o número total de aspersores da instalação será igual a 24 8 aspersores em cada uma das três linhas Com o manejo das linhas laterais de forma conjunta agrupadas conforme mostrado na Figura 228b a tubulação de distribuição deverá ser dimensionada para transportar a vazão total em todo seu comprimento Quando as laterais são repartidas uniformemente na parcela manejando separadamente cada uma delas a vazão total a transportar se reduzirá gradualmente ao longo da tubulação de distribuição de modo que ela poderá ser dimensionada de forma mais econômica Devese ressaltar que em praticamente todos os casos não existe uma solução única para a distribuição e manejo das linhas laterais em um sistema de irrigação por aspersão convencional Normalmente existirá mais de um esquema viável em termos técnicos funcionais e econômicos o projetista deve optar por aquele que melhor se ajuste conjuntamente à qualidade da irrigação à facilidade do manejo e ao aspecto econômico Capítulo 3 IRRIGAÇÃO POR GOTEJAMENTO E MICROASPERSÃO 31 Características e Emprego da Irrigação por Gotejamento O gotejamento é um método de irrigação de alta frequência no qual a água é aplicada em gotas diretamente sobre a zona radicular da planta sem necessidade de molhar toda a superfície do terreno O suprimento de pequenas vazões às zonas radiculares é alcançado mediante dispositivos denominados gotejadores ou emissores localizados junto aos pés das plantas O abastecimento dágua para os gotejadores é efetuado através de um sistema fixo de irrigação pressurizada composto por uma rede de distribuição uma estação de bombeamento se a fonte dágua não possui cota suficiente para alimentar a instalação e um dispositivo de filtragem e controle da água aduzida Os gotejadores são instalados unidos a linhas de tubulações laterais flexíveis linhas laterais estendidas sobre o terreno paralelamente às fileiras das plantas As linhas laterais por sua vez são conectadas às tubulações finais ou terminais da rede de distribuição que também são conhecidas como tubulações de derivação A aplicação de pequenas vazões diretamente sobre a zona radicular da planta faz com que a irrigação por gotejamento possua algumas características peculiares no que diz respeito à relação entre a água o solo e a planta que são comentadas a seguir Superfície de solo molhada Para cada planta haverá uma superfície de solo molhada ao redor do ou dos gotejadores que a abastecem conforme se observa na Figura 31 As superfícies restantes da área cultivada somente são molhadas com as possíveis chuvas caídas sobre o terreno Por essa razão a grande maioria das raízes das plantas concentrase e se desenvolve nos volumes de solo molhados pelos gotejadores denominados bulbos úmidos Umidade do solo Em decorrência da alta frequência da irrigação por gotejamento a umidade do solo irrigado se mantém em um nível pouco variável próximo a sua capacidade de campo A esse nível de umidade a pressão de sucção da água do solo é baixa exigindo assim menos esforços para as plantas se alimentarem Esse aspecto unido a uma melhor aeração do solo considerando que as pequenas vazões dos gotejadores normalmente não provocam a saturação do mesmo contribuem para um maior desenvolvimento das culturas irrigadas por esse método Perdas de água Devido à forma peculiar de aplicação de baixas vazões ao redor das plantas as perdas de água por percolação são muito pequenas As perdas por escoamento superficial são praticamente inexistentes em terrenos de relevo não muito acidentado e as perdas por evaporação do solo são bastante menores se comparadas às perdas existentes nos métodos de irrigação onde se molha toda a superfície do terreno cultivado A economia de água alcançada mediante a irrigação por gotejamento é considerável Segundo Vermeiren e Jobling 1986 esse sistema utiliza em geral entre 20 e 30 menos água que os sistemas de irrigação por aspersão Na irrigação de árvores frutíferas com grandes espaçamentos a redução do consumo de água do sistema por gotejamento pode ser da ordem de 60 com relação ao sistema de irrigação por aspersão 72 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura 31 Área molhada por gotejamento ao redor da planta Forma do bulbo úmido O volume e a forma do bulbo úmido repercute no desenvolvimento radicular da cultura já que nele se concentra a maior parte das raízes da planta Em terreno horizontal a forma e o tamanho do bulbo úmido dependem das características do solo textura espessura e nível de compactação da vazão do gotejador e do tempo de aplicação da irrigação Em solos argilosos o perfil do bulbo tende a ser mais alargado e pouco profundo devido ao predomínio das forças capilares sobre as de gravidade enquanto que em solos arenosos ocorre o contrário com um maior movimento da água na direção vertical Em solos francos o bulbo possui uma forma intermediária com relação às duas situações citadas anteriormente ver Figura 32 Se o solo se encontrar compactado ou existir uma camada impermeável pouco profunda a água tenderá a se infiltrar mais na direção horizontal Figura 32 Perfis do bulbo úmido segundo a textura do solo Para um solo de determinada característica quanto maior for a vazão do gotejador maior será o fluxo dágua na direção horizontal no bulbo úmido Para uma mesma vazão do gotejador o bulbo úmido apresenta uma forma mais alongada quando se aumenta o tempo de irrigação Efeito sobre a salinização No bulbo úmido irrigado se concentram os sais minerais fornecidos pela água além dos já contidos no solo O esforço ou tensão total Þ que as raízes Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 73 da planta devem exercer para extrair água do solo é igual à soma da tensão osmótica Þo decorrente da dissolução dos sais na água e a tensão matricial Þm provocada pelas forças que as partículas do solo exercem sobre a água Þ Þo Þm Como na irrigação por gotejamento a tensão matricial se mantém bastante baixa a umidade do solo está próxima à capacidade de campo então para uma mesma tensão total Þ tolerável pela planta a cultura aguentará uma maior concentração de sais dissolvidas no solo maior Þo Assim sendo por meio da irrigação por gotejamento podese irrigar utilizando águas com maior conteúdo de sais ou em solos mais salinos em comparação com as águas ou os solos recomendados para os demais métodos de irrigação Os sais no bulbo úmido tendem a se concentrar na sua camada periférica formando uma crosta que aumenta ainda mais a concentração radicular no volume de solo molhado Na ausência de chuvas necessárias para arrastar esses sais é recomendável aplicar doses ou lâminas suplementares de irrigação para lavar o solo Caso contrário o problema da acumulação de sais nesse método é bem mais prejudicial do que nos demais sistemas de irrigação Fertirrigação A irrigação por gotejamento está associada a uma fertirrigação ou fertilização permanente dos volumes de solo úmido por meio dos adubos dissolvidos na água aplicados pelos gotejadores O suprimento de nutrientes diretamente à zona molhada tornase necessário já que a maioria das raízes da planta se concentra nesse pequeno volume de solo úmido Como consequência da aplicação controlada de fertilizante à planta a cultura terá evidentemente um maior desenvolvimento vegetativo Além do mais haverá economia de mão de obra necessária à adubação já que os fertilizantes são mecanicamente misturados com a água na cabeceira do sistema A partir das características citadas anteriormente podese deduzir que a irrigação por gotejamento é mais adequada em comparação com os demais métodos de irrigação quando as condições de solo clima e água quantidade e qualidade são menos favoráveis Por essa razão a aplicação em escala comercial da irrigação por gotejamento teve um maior impulso inicial na região Sul de Israel na década de 1970 onde existe um predomínio de solos arenosos clima árido e quantidade limitada de água com considerável teor de sais Na atualidade a irrigação por gotejamento está se expandindo em todo o mundo e já existem áreas consideráveis cultivadas com esse método nos Estados Unidos Israel Espanha Austrália México Brasil Itália África do Sul dentre outros países Devido ao seu alto custo de implantação o sistema de irrigação por gotejamento é na atualidade mais viável para irrigar culturas economicamente rentáveis tais como aquelas das famílias das fruteiras hortaliças ou flores 32 Componentes do Sistema 321 Introdução A Figura 33 mostra o esquema básico da instalação de um sistema de irrigação por gotejamento onde se observam os seguintes componentes principais tubulação de adução cabeçal de controle rede de tubulação de distribuição e gotejadores A tubulação de adução poderá estar conectada a um hidrante que recebe água de uma rede coletiva abastecida por uma estação central de bombeamento ou a uma simples estação elevatória que abastece independentemente o sistema de irrigação por gotejamento Caso a água disponível esteja a 74 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética uma cota suficientemente alta em relação à área a irrigar condição que raramente ocorre não haverá a necessidade da existência de um sistema de impulsão ou bombeamento Figura 33 Esquema básico de um sistema de irrigação por gotejamento A rede de tubulações que transporta água desde a fonte de abastecimento até as linhas laterais portagotejadores é similar à rede de distribuição de um sistema fixo de aspersão convencional As opções de traçado das tubulações são idênticas ver item 27 e a única diferença está nos espaçamentos e materiais das linhas laterais As tubulações laterais portagotejadores são quase sempre de polietileno flexível e seus espaçamentos estão condicionados pelas distâncias entre as fileiras das culturas a irrigar Consequentemente haverá a necessidade de uma maior densidade de tubulações laterais nos sistemas de irrigação por gotejamento do que nos sistemas por aspersão convencional Existe um predomínio do material plástico polietileno e PVC nas tubulações das redes de distribuição das parcelas irrigadas por gotejamento Para as tubulações de pequenos diâmetros que transportam as pequenas vazões requeridas nas unidades ou parcelas irrigadas os tubos de plástico são economicamente mais competitivos e mais fáceis de instalar e transportar do que os tubos dos demais materiais disponíveis no mercado Em termos econômicos as tubulações de PE polietileno oferecem mais vantagens do que as de PVC para diâmetros menores do que 50 mm Além disso as tubulações flexíveis de PE são instaladas com maior comodidade e quase não necessitam de peças de conexão A rede de distribuição dispõe também de válvulas reguladoras de pressão que são imprescindíveis nos sistemas de irrigação por gotejamento para garantir a uniformidade de vazão nos gotejadores da instalação Em seguida são descritos de forma resumida o cabeçal de controle e os diversos tipos de gotejadores existentes no mercado com suas características hidráulicas e formas de distribuição nas linhas laterais Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 75 322 Cabeçal de Controle Os sistemas de irrigação por gotejamento necessitam que a água chegue aos gotejadores com um alto grau de limpeza para evitar entupimentos A uniformidade e eficiência da irrigação por gotejamento dependem em grande escala do procedimento de filtragem ou tratamento empregado para limpar a água uma vez que as obstruções dos gotejadores constituemse no maior problema desse método de irrigação É necessário eliminar as partículas sólidas em suspensão de origem orgânica ou mineral algas insetos sementes areia partículas de argilas etc cujas dimensões obstruam as passagens dágua através dos gotejadores Basicamente o cabeçal de controle consta de um ou mais filtros um equipamento de fertilização e as peças especiais de regulação e controle válvulas ventosas manômetros etc A Figura 33 ilustra um esquema básico de um cabeçal de controle Filtros O número e tipos de filtros que deverá possuir o cabeçal de controle dependerá da qualidade da água disponível da vazão total requerida pelo sistema da perda de carga admitida no cabeçal e do grau de limpeza que se deseja alcançar Os tipos de filtros geralmente utilizados são os de areia de tela e de discos sendo que às vezes se utilizam também os hidrociclones O hidrociclone é instalado antes a montante dos filtros de areia de tela ou de disco e a sua função principal é separar as partículas sólidas mais densas que a água Eles conseguem eliminar até 98 dos sólidos em suspensão principalmente areia O equipamento consta de um recipiente cilíndricocônico vertical ver Figura 34 onde a água entra tangencialmente com grande velocidade pela parte superior A água ao entrar na metade superior do cilindro sofre um movimento de rotação para baixo vórtice cujas forças centrífugas resultantes arrastam as partículas sólidas para o fundo do hidrociclone onde a turbulência é menor As partículas depositadas no fundo da parte cônica são eliminadas posteriormente através de uma chave de purga situada na parte inferior do recipiente A água filtrada sofre um segundo vórtice para cima mais próximo ao eixo do aparelho e escapa pela parte superior do cilindro como mostra a Figura 34 As perdas de carga localizadas nos hidrociclones são acentuadas e como exemplo para um aparelho de 4 de diâmetro com uma vazão de 8 m3h a perda singular correspondente é de 5 mca O filtro de areia consta de um tanque cilíndrico metálico ou de fibra de vidro contendo no seu interior uma camada de areia de no mínimo 50 cm de granulometria selecionada de acordo com o grau de limpeza desejado A água entra pela tubulação superior e se distribui através de um deflector no interior do cilindro para que a corrente líquida não remova a areia da parte superior do tanque ver Figura 35 Após atravessar a camada de areia a água sai filtrada pela tubulação inferior a qual é dotada de orifícios revestidos de tela para evitar o arraste dos grãos de areia do tanque Os filtros de areia são utilizados para separar pequenas partículas minerais e orgânicas principalmente quando a água é derivada de manancial com quantidade considerável de algas São filtros robustos e caros e as vazões que permitem depurar são relativamente pequenas A limpeza dos filtros é realizada mediante a inversão do fluxo dágua e para tanto se empregam filtros em paralelo com o propósito de utilizar a água filtrada de um para fazer a limpeza do outro As perdas de carga nos filtros de areia não são acentuadas e não ultrapassam 2 mca quando estão limpos No entanto quando essas perdas alcançam valores compreendidos entre 4 e 6 mca fazse necessário proceder a limpeza dos mesmos O dimensionamento hidráulico da instalação do sistema de irrigação deve ser executado levandose em conta a situação mais desfavorável de perdas nos filtros quando necessitam de limpeza 76 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura 34 Hidrociclone Figura 35 Filtro de areia Existem também os filtros com camadas superpostas de areia e cascalho de diferentes granulometrias que são mais empregados em sistemas de abastecimento dágua a núcleos urbanos e que às vezes são utilizados nas instalações de irrigação por gotejamento No entanto os filtros de areia com granulometria uniforme são mais simples e eficazes e portanto mais utilizados em sistemas de irrigação localizada apesar de necessitarem de limpeza com maior frequência Os filtros de tela são utilizados para depurar águas isentas de partículas orgânicas Quando se utilizam conjuntamente com os filtros de areia eles devem ser posicionados a jusante destes e do equipamento de fertilização Com essa disposição os filtros de tela retêm as partículas sólidas que escapam dos filtros de areia e as impurezas provenientes dos fertilizantes O filtro de tela mais utilizado consta de um cartucho que contém no seu interior um ou mais cilindros de tela concêntricos e são normalmente de plástico ou de metal Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 77 inoxidável ver Figura 36 As aberturas ou diâmetros das telas diminuem no sentido do interior para o exterior do cartucho à medida que aumentam os diâmetros dos cilindros de forma que a separação das partículas sólidas se realiza em várias etapas A unidade empregada para relacionar o tamanho dos orifícios das telas é o mesh que corresponde à densidade de orifícios por polegadas quadradas O Quadro 31 indica as equivalências entre os diâmetros dos orifícios das telas e os números de mesh Figura 36 Filtro de tela Quadro 31 Relação entre o nº mesh e o diâmetro do orifício da tela mesh nº d mm mesh nº d mm 6 250 75 020 10 150 120 013 20 080 155 010 30 050 200 008 50 030 400 0002 As telas geralmente utilizadas variam entre 30 e 120 mesh e segundo Medina 1988 o diâmetro do cilindro de tela mais fina deve ser da ordem da décima parte do diâmetro do orifício do gotejador Caso o gotejador possua um diâmetro de 1 mm a tela mais fina do filtro deverá ser a de nº 155 cujo diâmetro é igual a 01 mm A limpeza dos filtros de tela também é produzida mediante a inversão do fluxo dágua que se controla através das válvulas de retenção localizadas imediatamente antes e depois dos filtros As limpezas devem ocorrer quando as perdas de carga nos filtros medemse mediante manômetros instalados antes e depois dos aparelhos alcançam determinados valores que dependem das dimensões e vazões Geralmente as perdas nos filtros de tela situamse entre 1 e 3 mca quando estão limpos e alcançam valores compreendidos entre 3 e 6 mca quando necessitam de limpeza Os valores das perdas de carga nos filtros como também dos acréscimos de perdas recomendados para as limpezas devem ser fornecidos pelos fabricantes dos aparelhos Os filtros de tela e às vezes também os de areia estão sendo substituídos pelos filtros de discos devido à facilidade de limpeza e de regulagem do nível de filtragem destes últimos 78 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética O filtro de discos é formado por um conjunto de discos ou anéis de plástico com ranhuras que formam um cilindro filtrante O equipamento é montado na direção horizontal na mesma linha da tubulação e a água passa radialmente pelo conjunto de disco filtrante conforme se observa na Figura 37 O nível de filtragem depende da espessura das ranhuras e da aproximação entre os discos que é controlada rosqueando a carcaça do filtro A limpeza do filtro se realiza facilmente retirando a carcaça e aplicando um jato dágua entre os anéis As perdas de carga nos filtros de discos quando estão limpos variam entre 1 e 3 mca Figura 37 Esquema de um filtro de discos Equipamento de fertirrigação Existem dois mecanismos práticos de injetar fertilizante à rede de distribuição dos sistemas de irrigação por gotejamento através de um tanque de fertirrigação ou mediante uma bomba de injeção dosificadora O tanque de fertilização consiste em um depósito cilíndrico onde se misturam os fertilizantes sólidos com a água que circula através do mesmo A circulação da água através do tanque ocorre devido à diferença de pressão existente imediatamente antes e depois dos tubos que conectam o depósito à tubulação de distribuição ver Figura 38 Figura 38 Circulação da água através do tanque de fertilização Essa diferença de pressão se obtém mediante uma perda de carga provocada por uma válvula redutora de pressão localizada entre os pontos de entrada e saída dágua do tanque Por esse motivo parte da vazão da tubulação se introduz no tubo de entrada ao tanque de fertilização passa por este e retorna à tubulação de distribuição misturada com o fertilizante Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 79 dissolvido Os tubos de entrada e saída dispõem de válvulas que regulam a vazão que circula através do tanque O volume do tanque de fertilização se determina pela Equação 31 V W A P 31 em que V Volume do tanque em L W Quantidade de fertilizante requerida em cada irrigação em kgha A Área a irrigar correspondente à quantidade requerida de fertilizante em ha P quantidade de fertilizante dissolvido em kgL A outra alternativa prática de injetar fertilizante à rede é por meio de uma pequena bomba dosificadora que pode ser acionada por um motor ou pela pressão hidráulica da rede ver Figura 39 Esse sistema é geralmente mais caro que o anterior porém é mais eficiente em virtude de que através dele é possível controlar a injeção da dosagem do fertilizante dissolvido Figura 39 Esquema de injeção de fertilizante através de uma bomba dosificadora Peças especiais de regulação e controle O cabeçal de controle necessita de um conjunto de peças hidráulicas especiais para o correto funcionamento dos filtros e do equipamento de fertilização e para controlar a vazão e a pressão requeridas pelo restante da instalação do sistema de irrigação A jusante do tanque de fertilização deve existir uma válvula de retenção para evitar a passagem de fertilizantes à bomba ou ao reservatório de alimentação da rede É necessário dispor de uma ou mais ventosas localizadas nos pontos mais altos do cabeçal para evacuar o ar que normalmente se acumula no interior das tubulações Os filtros possuem pares de tomadas para manômetros uma situada antes e outra depois de cada 80 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética aparelho afim de controlar as perdas de carga que permitirão indicar quando deve ser realizada a limpeza Às vezes o cabeçal possui uma válvula volumétrica automática que interrompe o fluxo dágua automaticamente após a passagem do volume de água estabelecido para uma irrigação determinada A instalação poderá possuir ainda uma válvula reguladora de pressão VRP situada imediatamente a jusante do cabeçal para impedir que a pressão fornecida à área irrigada ultrapasse um determinado limite estabelecido no dimensionamento do sistema de irrigação As perdas de carga provocadas pelas peças especiais de regulação e controle são significativas e não devem ser desprezadas no cômputo geral da energia requerida pelo sistema 323 Gotejadores O conjunto de gotejadores da instalação constitui a parte mais sensível do sistema de irrigação por gotejamento uma vez que deve assegurar o suprimento das pequenas vazões às plantas com uma uniformidade aceitável em toda a parcela ou unidade a irrigar Os gotejadores funcionam também como dissipadores de energia pois devem reduzir a pressão nominal de entrada em geral entre 5 e 15 mca para zero à saída das gotas Para assegurar as pequenas vazões de projeto que habitualmente estão compreendidas entre 2 e 12 Lh os orifícios dos gotejadores têm de ser bastante pequenos os diâmetros variam entre 05 e 15 mm o que os tornam extremamente sensíveis aos entupimentos Os gotejadores com maiores diâmetros terão menos problemas de obstruções no entanto suas vazões ou descargas serão consequentemente maiores Portanto a função do gotejador é dupla e antagônica garantir uma vazão pequena pouco sensível às variações de pressão porém com um orifício suficientemente grande para evitar entupimentos Além do mais os gotejadores devem ser pouco sensíveis às variações de temperatura e resistentes às intempéries visto que as deformações produzidas nos emissores podem alterar consideravelmente suas vazões Por último existe ainda uma característica que o gotejador não deve deixar de possuir que é a de ser relativamente barato O alto custo do gotejador pode inviabilizar economicamente o projeto já que um hectare irrigado por gotejamento pode necessitar de milhares de emissores Tipos de Gotejadores A variedade de gotejadores existente no mercado é muito grande devido ao objetivo permanente que os fabricantes almejam alcançar gotejadores eficazes resistentes e baratos De maneira geral os gotejadores podem ser classificados em três categorias gotejadores de longo percurso gotejadores de curto percurso ou de orifício e gotejadores tipo vórtice Essas categorias de gotejadores se diferenciam entre si segundo a forma com que a energia de pressão é dissipada na passagem da água através do emissor Nos gotejadores de longo percurso a perda de energia é produzida através de um conduto capilar de longo percurso O modelo mais simples e mais barato consiste de um microtubo instalado em derivação ver Figura 310 cujo comprimento é variável de acordo com a variação da pressão ao longo da linha lateral Sob baixas vazões esses gotejadores funcionam em regime laminar e são bastante sensíveis à temperatura e às obstruções Os modelos de longo percurso mais sofisticados são compactos e o caminho da água é realizado através de trajetórias em forma de labirinto ou de espiral ver Figura 311 Funcionam em regime de transição a turbulento de modo que suas descargas são menos sensíveis às variações de pressão que as dos gotejadores que trabalham em regime de fluxo laminar Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 81 Figura 310 Microtubos instalados em derivação Figura 311 Gotejador de longo percurso tipo espiral Nos gotejadores de curto percurso a dissipação da energia de pressão se realiza devido às perdas de carga por atrito à forma sinuosa da trajetória da água e às contrações e expansões do fluxo dentro do emissor O regime de escoamento nesses gotejadores é turbulento e por essa razão suas descargas são menos sensíveis às variações de pressão existentes ao longo das linhas laterais Dentro da categoria de emissores de curto percurso encontramse os gotejadores tipo orifício que podem compreender simplesmente alguns orifícios perfurados ao longo da linha lateral até pequenas peças que admitem a regulagem da seção de passagem da água Figura 312 Figura 312 Gotejador de curto percurso Os orifícios perfurados estão limitados às linhas laterais de pequenos comprimentos máximo de 50 m e são também muito sensíveis aos entupimentos Existem também dentro da classe dos gotejadores de curto percurso os tubos de parede dupla perfurados em série Figura 313 Os orifícios da parede interior são bem maiores que os da parede exterior e os espaçamentos entre os orifícios de ambas as paredes são propositalmente distintos A água que escapa pelos orifícios exteriores escoa primeiramente pela câmara situada entre as duas 82 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética paredes do tubo Esses emissores produzem uma faixa molhada ao longo da tubulação lateral e por essa razão são muito adequados para irrigar culturas em linha Figura 313 Tubo de parede dupla perfurado em série O gotejador tipo vórtice é dotado de uma câmara cilíndrica onde a água entra tangencialmente e segue um movimento rotativo através do mesmo Figura 314 Esse movimento em forma de vórtice origina uma perda de carga acentuada ao longo do percurso da água que sai do gotejador por um orifício localizado no eixo da câmara cilíndrica A dissipação de energia em um gotejador tipo vórtice é maior do que a produzida em um emissor de curto percurso de igual diâmetro Assim sendo os gotejadores tipo vórtice podem dispor de maiores diâmetros menos susceptíveis a entupimentos sem comprometer demasiadamente a uniformidade das vazões ao longo das linhas laterais Figura 314 Gotejador tipo vórtice Os gotejadores de longo percurso de curto percurso e do tipo vórtice podem ser ainda autocompensantes quando dispõem de dispositivos de autoregulagem da vazão de saída dágua perante as variações da pressão de serviço São adequados para terrenos de relevo acidentado ou quando se pretende instalar linhas laterais de maiores comprimentos Esses emissores possuem no seu interior uma membrana de material sintético flexível que faz com que a seção de passagem dágua diminua com o aumento da pressão Por conta dessa membrana de material sintético os gotejadores autocompensantes são mais sensíveis à variação de temperatura e se desgastam mais com o tempo de utilização Apesar disso os gotejadores autocompensantes são utilizados cada vez mais pelas vantagens que oferecem pela fabricação de emissores mais resistentes e pela diminuição relativa de seus custos Os emissores são classificados também segundo a forma como são conectados às linhas laterais em gotejadores em linha e gotejadores em derivação Os primeiros Figura 311 são instalados na mesma linha portagotejadores cortase a tubulação e se intercalam os gotejadores enquanto que os gotejadores em derivação são instalados perfurando as paredes das tubulações laterais Figuras 310 e 312 Quase sempre os fabricantes já fornecem as Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 83 tubulações de polietileno flexível com os gotejadores conectados em linha ou em derivação diretamente desde a fábrica O aumento da perda de carga na tubulação lateral provocado pelos gotejadores é maior nas instalações em linha que em derivação O Quadro 32 indica valores das perdas de carga localizadas expressas em porcentagens das perdas contínuas ao longo das linhas laterais Observase que para os gotejadores instalados em linha as perdas localizadas provocadas pelos emissores nas laterais independem do diâmetro dessas tubulações Quadro 32 Perda localizada expressa como porcentagem da perda contínua ao longo da linha lateral Benami 1984 Espaçamento entre gotejadores m 05 10 15 Gotejadores em linha 48 24 16 Diâmetro da lateral mm Gotejadores em derivação 12 33 17 11 16 24 12 8 20 18 9 6 Com relação à sensibilidade às obstruções os gotejadores são considerados muito sensíveis quando o diâmetro mínimo de passagem da água d é menor do que 07 mm sensíveis quando d está compreendido entre 07 e 15 mm e pouco sensíveis quando d é maior do que 15 mm Característica Hidráulica O comportamento hidráulico dos gotejadores está caracterizado de maneira geral por meio da expressão x d q C h 32 em que q Vazão ou descarga do gotejador Cd Coeficiente de proporcionalidade ou de descarga que depende da forma e tamanho da seção transversal do gotejador h Pressão de serviço do gotejador em altura de coluna dágua x Expoente de descarga do gotejador O expoente x que depende do regime do fluxo dágua através do emissor indica a relação entre a pressão de serviço do gotejador e a vazão de saída correspondente Quanto mais baixo for o valor de x menor será a flutuação da vazão perante a variação da pressão na entrada do gotejador Caso o fluxo dágua através do gotejador seja realizado em regime laminar x será igual a 1 e a vazão do gotejador variará linearmente com a pressão Para gotejadores que funcionam em regime turbulento x é igual a 05 significando que a vazão do emissor é menos sensível à variação da pressão q varia com a raiz quadrada de h Para um gotejador totalmente autocompensante x assume o valor zero O Quadro 33 apresenta os intervalos de valores do expoente x para as distintas categorias de gotejadores existentes no mercado 84 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Quadro 33 Expoentes x segundo a categoria do gotejador Pizarro 1990 Categoria do gotejador Expoente x longo percurso tipo microtubo 07 10 longo percurso tipo espiral ou labirinto 05 08 curto percurso de orifício 04 06 tipo vórtice 03 05 autocompensante 00 05 Nos projetos hidráulicos dos sistemas de irrigação por gotejamento é necessário conhecer previamente o expoente de descarga do gotejador a utilizar categoria do emissor para se estimar as possíveis variações das vazões segundo as variações das pressões de serviço ao longo das linhas laterais O expoente x deve ser indicado nas características técnicas do gotejador fornecidas pelo fabricante O valor de x pode ser obtido também experimentalmente em função dos valores de duas pressões quaisquer de serviço aplicadas ao gotejador h1 e h2 e de suas descargas correspondentes q1 e q2 por meio da Equação 33 Com o valor calculado de x é possível obter o valor do coeficiente de descarga do gotejador Cd por meio da Equação 32 1 2 1 2 log q q x log h h 33 A seleção definitiva do tipo de gotejador depende de vários fatores topografia do terreno a irrigar qualidade da água disponível uniformidade de irrigação desejada e influência do custo dos gotejadores no orçamento da instalação Como orientação devese selecionar um gotejador pouco sensível à variação de pressão baixo expoente x quando o terreno é acidentado ou quando são utilizadas linhas laterais de grandes comprimentos Águas com um alto conteúdo de materiais sólidos em suspensão requerem gotejadores pouco sensíveis a entupimentos Podemse dispor de gotejadores menos sensíveis às variações de carga no sistema quando a instalação possui uma densidade adequada de válvulas reguladoras de pressão Os melhores gotejadores são aqueles que são pouco sensíveis à variação de pressão baixo x à variação de temperatura e ao desgaste com o tempo Esses gotejadores são evidentemente mais caros o que pode comprometer o custo total da instalação do sistema de irrigação Distribuição dos Gotejadores nas Linhas Laterais Os gotejadores são distribuídos ao longo da tubulação lateral de forma a molhar uma faixa de terreno paralela à fileira da cultura ou de maneira a proporcionar pontos úmidos ao redor das plantas A primeira opção se adapta melhor às hortaliças ou às plantas de pequeno porte cultivadas em linha já que nesse caso a faixa molhada pelos gotejadores é suficiente para alimentar os pequenos volumes de solo ocupados pelas raízes dessas culturas O espaçamento entre os gotejadores distribuídos em linha condiciona o grau de superposição dos volumes úmidos proporcionados pelos gotejadores ao longo da linha lateral Keller e Karmeli 1974 recomendam valores de espaçamento entre gotejadores distribuídos em linha em função da vazão do gotejador e da textura do solo esses valores são mostrados no Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 85 Quadro 37 apresentado no item 341 Em culturas arbóreas árvores frutíferas algodão dentre outras fazse necessária a implantação de mais gotejadores ou pontos úmidos ao redor das plantas para molhar um maior volume de solo por árvore Dessa forma consegue se uma maior distribuição e fixação das raízes das plantas ao terreno evitando as possíveis quedas das árvores em zonas com predomínio de ventos fortes O número de gotejadores por árvore que geralmente varia entre 1 e 8 dependerá da vazão do gotejador do tipo de solo e do volume de água a aplicar por planta A Figura 315 apresenta várias possibilidades de distribuição dos gotejadores e linhas laterais ao longo das fileiras das plantas Nas hortaliças normalmente se distribui uma lateral para cada fileira a ou uma lateral para cada par de fileiras de plantas b Nas culturas arbóreas utilizamse duas laterais para cada fileira de planta c uma lateral em forma de zigzag d uma lateral em forma de anel e ou uma lateral com gotejadores de múltiplas saídas f Figura 315 Possibilidades de distribuição dos gotejadores e linhas laterais 33 Uniformidade e Eficiência da Irrigação por Gotejamento Em uma instalação de irrigação por gotejamento praticamente não se perde água no percurso desde o ponto de abastecimento até a saída dos gotejadores Fundamentalmente as perdas existentes ocorrem no solo molhado por percolação e em menor escala por evaporação e escoamento sobre a superfície do terreno Existirão perdas inevitáveis por percolação principalmente em solos de textura grossa mesmo que o gotejador forneça a vazão de projeto requerida pela planta No entanto as maiores perdas por percolação ocorrem por conta dos gotejadores que proporcionam vazões superiores às de projeto já que 86 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética não é possível alcançar uma uniformidade absoluta das vazões dos emissores nas unidades de irrigação As perdas inevitáveis por percolação podem ser representadas por um coeficiente de transmissividade Tr denominase também coeficiente de transpiração que expressa a eficiência do solo em armazenar a água aduzida pelos gotejadores O coeficiente Tr é de difícil determinação e seu valor pode ser estimado em função da textura do solo e da profundidade das raízes da cultura ver Quadro 34 Quadro 34 Coeficiente de transmissividade Tr segundo a textura do solo clima e profundidade das raízes da planta Keller e Karmeli 1974 Clima Profundidade Textura do solo das raízes m Muito arenosa Arenosa Média Fina 075 085 090 095 100 Árido 075 a 150 090 095 100 100 150 095 100 100 100 075 075 080 085 090 Úmido 075 a 150 080 085 090 095 150 085 090 095 100 As perdas de água provocadas pela não uniformidade das vazões dos gotejadores são indicadas por meio do coeficiente de uniformidade Cu da irrigação por gotejamento A eficiência do sistema de irrigação por gotejamento Ef se obtém portanto mediante a Equação 34 Ef Tr Cu 34 A uniformidade de distribuição das vazões dos gotejadores nas unidades de irrigação depende de vários fatores das características hidráulicas do gotejador da qualidade de fabricação do número de emissores por planta das variações de pressão devido às perdas de carga nas tubulações e às diferenças de cotas do terreno da variação da temperatura da água na rede e das possíveis obstruções dos gotejadores Na fase de dimensionamento do projeto de irrigação por gotejamento o coeficiente de uniformidade Cu é estimado mediante um critério analítico Keller e Karmeli 1974 estabeleceram uma fórmula estatística em função da qualidade do gotejador e das condições hidráulicas de funcionamento dos emissores que é bastante utilizada Equação 35 min u med e q C 100 1127 q N 35 em que Cu coeficiente de uniformidade de projeto em v coeficiente de variação de fabricação do gotejador Ne número de emissores por planta qmin vazão mínima de projeto dos gotejadores da unidade do sistema qmed vazão média de projeto dos gotejadores da unidade do sistema Os gotejadores de um mesmo tipo e modelo a serem utilizados em um sistema de irrigação não são exatamente iguais Existirão evidentemente pequenas diferenças ou imprecisões nas seções transversais e nos percursos dos gotejadores que são inerentes ao Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 87 processo de fabricação Essas pequenas imprecisões poderão produzir variações significativas nas vazões dos emissores mesmo que estes estejam submetidos a idênticas pressões O termo entre parêntese da Equação 35 expressa a influência das diferenças de fabricação dos gotejadores de um mesmo modelo sobre a uniformidade de suas descargas nominais A relação qminqmed da mesma equação demonstra a influência das perdas de carga e dos desníveis topográficos do terreno na estimativa da uniformidade O coeficiente de variação v se obtém a partir dos valores das vazões medidas em uma amostra dos gotejadores a empregar no projeto por meio da relação estatística med q 36 é o desvio padrão das vazões amostrais q com relação à vazão média dos gotejadores qmed Observamse que os valores amostrais das vazões dos gotejadores seguem a função estatística de distribuição normal Com base nessa função o termo 1127 Ne da Equação 35 representa a relação entre a média de um quarto 25 das vazões mais baixas dos gotejadores e sua vazão média total O valor do coeficiente de variação v que deve ser fornecido pelo fabricante reflete a qualidade do gotejador a ser utilizado no projeto Quanto mais alto for o valor do coeficiente de variação menor será a qualidade do emissor O Quadro 35 indica a classificação dos gotejadores estabelecida por Soloman 1977 segundo o coeficiente de variação do emissor Quadro 35 Classificação do gotejador segundo o coeficiente de variação Coeficiente do gotejador v Qualidade 005 excelente 005 a 007 médio 007 a 011 discreto 011 a 015 mal 015 péssimo O valor de qmin da expressão 35 é estimado por meio da equação hidráulica do gotejador Equação 32 em função da pressão de serviço mínima esperada na instalação O valor de qmed da mesma expressão pode ser considerado igual à vazão nominal do gotejador O coeficiente de uniformidade de projeto influi na qualidade e eficiência esperadas da irrigação e no custo das instalações Quanto maior for o valor do coeficiente de uniformidade maior serão a eficiência e a qualidade da irrigação e mais cara será a instalação do sistema Para que ocorram pequenas variações de vazão nos gotejadores será necessário dotar a instalação de excelentes gotejadores eou evitar maiores perdas de carga no sistema com a utilização de tubulações de maiores diâmetros e o emprego de maiores quantidades de peças reguladoras de pressão No Quadro 36 extraído de Pizarro 1990 estão os valores recomendados para o coeficiente de uniformidade de projeto Cu em função do espaçamento dos gotejadores da declividade do terreno e do tipo de clima da zona a irrigar O coeficiente de uniformidade experimental Cu é determinado geralmente a partir de dados coletados em campo com base na seguinte relação 88 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética min u med q C 100 q 37 em que Cu coeficiente de uniformidade experimental em qmin média das menores vazões dos gotejadores correspondentes à quarta parte da amostra medida na unidade experimental qmed média de todas as descargas dos gotejadores da amostra Quadro 36 Valores recomendados de Cu segundo o espaçamento dos emissores topografia do terreno e tipo de clima Pizarro 1990 Emissores Declividade Cu Clima árido Clima úmido Espaçados mais de 4 m em culturas permanentes Uniforme i 2 Uniforme ou ondulada i 2 090 095 080 085 085 090 075 080 Espaçados menos de 25 m em culturas permanentes ou semipermanentes Uniforme i 2 Uniforme ou ondulada i 2 085 090 075 080 080 090 070 080 Para facilitar a determinação do coeficiente de uniformidade experimental em uma subunidade de irrigação por gotejamento selecionase normalmente uma amostra de 16 gotejadores situados em posições segundo o esquema mostrado na Figura 316 Figura 316 Posições dos gotejadores da amostra 34 Projeto de uma Instalação de Irrigação por Gotejamento A metodologia de dimensionamento de projetos hidráulicos de instalações de irrigação por gotejamento obedece a uma sequência de etapas similares às adotadas no dimensionamento de um sistema fixo de irrigação por aspersão convencional Partese da determinação das necessidades hídricas das culturas da frequência de irrigação e da seleção do gotejador Em seguida em função do esquema da parcela ou das parcelas e do critério de dimensionamento adotado calculamse as linhas laterais as tubulações de derivação e a rede Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 89 de distribuição Por último dimensionamse o cabeçal de controle e a estação de bombeamento 341 Quantidade de Água Requerida pela Instalação Necessidades Hídricas das Culturas No Capítulo 1 foi descrito como se determinam as necessidades hídricas das culturas quando se irriga toda a superfície do terreno cultivado No caso particular da irrigação por gotejamento somente é molhada uma parte da superfície do terreno que ocasionalmente estará à sombra das plantas Assim sendo a demanda de água devido à evaporação do solo será mínima e a evapotranspiração da cultura praticamente se restringe à transpiração das plantas Portanto para a obtenção da necessidade de irrigação líquida máxima Nlm da cultura a irrigar por gotejamento devese aplicar um fator de redução fr ao valor da evapotranspiração máxima da cultura ETp Equação 38 Nlm mmdia ETp mmdia fr 38 O fator de redução fr pode ser obtido em função de um índice de cobertura do solo IC que expressa a fração da superfície do solo coberta pela planta Existem várias fórmulas empíricas utilizadas para a determinação do fator de redução das quais se destacam as de FreemanGarzoli e de Decroix recomendadas pela FAO Vermeiren e Jobling 1986 Fórmula de FreemanGarzoli fr IC 05 1 IC 39 Fórmula de Decroix fr 01 IC 310 Na fórmula de FreemanGarzoli recomendase adotar fr IC para valores do índice de cobertura menores do que 05 e na fórmula de Decroix considerase fr 1 caso o valor calculado seja maior do que a unidade Quando a planta alcança seu desenvolvimento máximo o valor de IC em função do tipo de cultura e de seu espaçamento varia entre 06 e 10 Para a obtenção das necessidades hídricas brutas das culturas devemse considerar as perdas de água que ocorrem na irrigação e as possíveis necessidades de água requeridas para lixiviar os sais acumulados no solo A fração de água LR que deve percolar para lavar os sais acumulados no solo é determinada mediante a Equação 113 Caso o valor calculado de LR seja menor que 01 ou o coeficiente de transmissividade Tr for menor que 1LR admitese que as perdas inevitáveis por percolação são suficientes para lavar os sais Nesse caso a necessidade de irrigação bruta máxima Nbm é obtida diretamente pela relação entre a necessidade de irrigação líquida máxima e a eficiência do sistema ver Equação 311 Para LR 01 ou 1LR Tr a necessidade de irrigação bruta máxima é determinada pela Equação 312 lm lm bm f u N N N E Tr C 311 90 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética lm bm u N N C 1 LR 312 312 A necessidade de irrigação pode ser expressada também em termos de volume diário de água consumida por planta Lplantadia Para isso basta multiplicar o valor da necessidade de irrigação em mmdia pela área correspondente ao espaçamento das plantas em metros quadrados Ao longo da campanha de irrigação e durante o ciclo vegetativo da cultura a evapotranspiração máxima da cultura ETp e o índice de cobertura do solo IC não permanecem constantes Consequentemente a necessidade de irrigação variará e alcançará seu valor máximo durante o período de máxima demanda evaporimétrica período crítico Para efeito de projeto esse período de máxima demanda é considerado geralmente igual a uma semana dez dias ou um mês no qual a necessidade de irrigação bruta máxima serve de base para o cálculo da vazão de projeto da instalação Para os períodos restantes da campanha de irrigação é necessário variar a frequência eou a duração da irrigação mantendose constante a vazão da instalação para compensar as menores necessidades hídricas da cultura Na maioria das vezes por questões de operacionalidade é mais conveniente variar a duração da irrigação mantendose constantes a vazão da instalação e o turno de rega Exemplo 31 Determinar a necessidade de irrigação bruta máxima de uma cultura de banana a irrigar por gotejamento em mmdia e em Lplantadia para o mês de máxima demanda dezembro a partir dos seguintes dados Evaporação média do tanque classe A Etanque 115 mmdia Coeficiente do tanque Kp 070 Coeficiente de cultivo bananeira Kc 11 Índice de cobertura do solo IC 070 Coeficiente de transmissividade Tr 095 Coeficiente de uniformidade Cu 90 Espaçamento da cultura 2 m 3 m Fração de água destinada a lixiviar os sais LR 012 ETo evapotranspiração de referência Etanque Kp 115 070 81 mmdia ETp evapotranspiração da cultura ETo Kc 81 11 89 mmdia fr fator de redução IC 05 1 IC 07 05 1 07 085 Nlm necessidade líquida máxima ETp fr 89 085 76 mmdia Nbm necessidade de irrigação bruta máxima bm 76 N 96mmdia 96 2 3 576Lplantadia 09 088 Lâmina Frequência e Duração da Irrigação Qualquer que seja o método de irrigação empregado a lâmina de irrigação líquida máxima a ser aplicada à planta está limitada à capacidade efetiva de absorção ou armazenamento de água do conjunto soloáguaplanta conforme discutido no item 128 No Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 91 caso particular da irrigação por gotejamento onde somente é molhada uma parte do volume de solo do terreno a irrigar a lâmina de irrigação líquida máxima Llm será igual ao produto entre a lâmina máxima expressa pela Equação 13 e a porcentagem de solo molhado Pm m lm ar r P 1 L Cc PM D Y Z 10 100 313 em que Llm lâmina de irrigação líquida máxima em mm Cc umidade do solo correspondente à capacidade de campo em do peso do solo PM umidade correspondente ao ponto de murcha da cultura em do peso do solo Dar densidade aparente relativa do solo adimensional Zr profundidade efetiva das raízes da cultura em m Y déficit hídrico tolerável em Pm porcentagem de solo molhado A variável Pm representa a proporção da área ou do volume de solo molhado em relação respectivamente à superfície de irrigação ou ao volume total de solo irrigado Essa proporção depende do tipo de solo da vazão do gotejador da lâmina de irrigação do espaçamento dos gotejadores nas linhas laterais e da separação entre elas Para o dimensionamento da instalação do projeto de irrigação os valores de Pm devem ser estimados também em função do tipo de cultura tipo de clima qualidade desejada da irrigação e do custo do sistema Um maior valor de Pm maior quantidade de solo molhado proporciona maior segurança ao desenvolvimento da cultura em contrapartida eleva o custo do sistema Em climas úmidos admitemse menores porcentagens de solos molhados visto que a irrigação nesse caso é aplicada de forma suplementar Caso exista a possibilidade de ocorrência de ventos fortes na zona devese molhar um maior volume de solo para favorecer o enraizamento das plantas Nas culturas arbóreas com grandes espaçamentos entre plantas recomendamse valores de Pm compreendidos entre 33 e 67 Na irrigação de hortaliças onde existe uma grande densidade de plantas os valores de Pm se aproximam de 100 O Quadro 37 indicado por Keller e Karmeli 1974 fornece valores de Pm em função da vazão do gotejador da textura do solo e do espaçamento das linhas laterais O quadro recomenda ainda valores dos espaçamentos entre os gotejadores Sg de uma mesma linha lateral para cada vazão do gotejador e para cada uma das texturas do solo grossa G média M e fina F Os valores de Pm do Quadro 37 são estimados para uma lâmina de irrigação aproximada de 40 mm Para a utilização do quadro por exemplo com uma lâmina de irrigação de 20 mm procurase o valor de Pm que corresponda a uma vazão igual à metade da vazão real do gotejador Os valores do citado quadro foram obtidos para uma distribuição de uma linha lateral para cada fileira de planta com os gotejadores igualmente espaçados ao longo das laterais Quando são utilizadas duas tubulações laterais por fileira de planta ver Figura 317 o valor de Pm será estimado mediante a Equação 314 m1 1 m2 2 m h P S P S P S 314 em que Sh espaçamento entre fileiras de plantas S1 espaçamento entre o par de linhas laterais por cada fileira de planta S2 espaçamento maior entre as laterais Sh S1 Pm1 valor de Pm do Quadro 37 onde S1 SL Pm2 valor de Pm do Quadro 37 onde S2 SL 92 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura 317 Duas linhas laterais por fileira de planta Quadro 37 Valores estimados de Pm Keller e Karmeli 1974 Espaçamento Vazão do gotejador Lh das linhas 15 20 40 80 120 Laterais m Textura do solo e espaçamento recomendados Sg entre gotejadores m SL G M F G M F G M F G M F G M F 02 05 09 03 07 10 06 10 13 10 13 17 13 16 20 08 38 88 100 50 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 10 33 70 100 40 80 100 80 100 100 100 100 100 100 100 100 12 25 58 92 33 67 100 67 100 100 100 100 100 100 100 100 15 20 47 73 26 53 80 53 80 100 80 100 100 100 100 100 20 15 35 55 20 40 60 40 60 80 60 80 100 80 100 100 25 12 28 44 16 32 48 32 48 64 48 64 80 64 80 100 30 10 23 37 13 26 40 26 40 53 40 53 67 53 67 80 35 9 20 31 11 23 34 23 34 46 34 46 57 46 57 68 40 8 18 28 10 20 30 20 30 40 30 40 50 40 50 60 45 7 16 24 9 18 26 18 26 36 26 36 44 36 44 53 50 6 14 22 8 16 24 16 24 32 24 32 40 32 40 48 60 5 12 18 7 14 20 14 20 27 20 27 34 27 34 40 O valor de S1 da Equação 314 deve ser igual ao maior valor de SL do Quadro 37 extraído em função do maior valor de Pm obtido por sua vez a partir da vazão do gotejador e da textura do solo correspondente Como exemplo para um gotejador de 2 Lh em um solo de textura fina Sg 10 m o valor de S1 extraído do Quadro 37 seria igual a 12 m e Pm1 seria igual a 100 Para esse mesmo gotejador em um solo de textura grossa Sg 03 m S1 e Pm1 assumiriam respectivamente os valores 08 m e 50 Da mesma maneira Pm2 será a porcentagem correspondente onde S2 é igual SL para a vazão e textura consideradas Exemplo 32 Utilizando o Quadro 37 estimar os valores de Pm e os espaçamentos entre gotejadores ao longo das linhas laterais para as seguintes condições a Uma linha lateral por fileira de planta lâmina de irrigação de 40 mm b Duas linhas laterais por fileira de planta lâmina de irrigação de 20 mm A vazão nominal dos gotejadores é de 4 Lh o espaçamento das fileiras das árvores é igual a 4 metros e o solo é de textura média Para a primeira condição a com q 4 Lh solo de textura média M e SL4 m obtémse pelo Quadro 37 o espaçamento entre gotejadores Sg igual a 10 m e Pm 30 Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 93 Na condição b com a lâmina de irrigação igual a 20 mm devem ser obtidos os valores de Pm e de Sg correspondentes a uma vazão igual à metade da vazão real q 2 Lh visto que a lâmina de projeto do exemplo é igual à metade da dotação que originou os dados do Quadro 37 Portanto mediante o Quadro 37 Sg 07 m S1 08 m Pm1 100 S2 40 08 32 m e Pm2 25 m 100 08 25 32 P 40 4 Quando se trata da irrigação com vários gotejadores por planta ou com gotejadores de múltiplas saídas o valor de Pm pode ser estimado pela Equação 315 m a h n Sg l P 100 S S 315 em que n Número de gotejadores por planta Sg Separação entre os gotejadores distribuídos por planta l Largura da faixa úmida Seu valor é obtido da mesma forma que se determina o valor de Sl da Equação 314 Sa Espaçamento entre plantas na mesma linha Sh Espaçamento entre fileiras de plantas Após a determinação das necessidades de irrigação líquidas Nl e da lâmina de irrigação líquida máxima Llm poderão ser obtidas as frequências máximas de irrigação por meio da relação lm máx l L mm F dias N mmdia 316 Ao passo que varia a necessidade líquida Nl ao longo da campanha de irrigação varia também a frequência de irrigação máxima No período crítico de máxima demanda quando o valor de Nl é máximo o valor de Fmáx será mínimo menor número de dias Os valores de Fmáx obtidos pela Equação 316 devem ser arredondados para números inteiros imediatamente inferiores Esses valores servem de referências para o projetista adotar as frequências de irrigação de projeto que evidentemente não devem ultrapassar os valores calculados pela equação anterior Os intervalos reais de irrigação Fr nos sistemas por gotejamento são normalmente pequenos por conta das razões já comentadas no início deste capítulo Esses intervalos variam geralmente de um dia para os períodos de máxima demanda hídrica até três ou quatro dias para os períodos de menores demandas Em função dos intervalos de irrigação adotados determinamse as lâminas de irrigação brutas através da Equação 317 b b L N Fr 317 em que Lb lâmina de irrigação bruta correspondente ao período de irrigação determinado em mm Nb necessidade de irrigação bruta correspondente ao período de irrigação determinado em mmdia 94 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Fr frequência ou intervalo de irrigação correspondente ao período de irrigação determinado em dias A duração ou tempo de irrigação em cada período se calcula diretamente pela Equação 318 b L r L S Sg t q 318 em que tr duração da irrigação em horas Lb lâmina de irrigação bruta em mm SL separação entre linhas laterais em m Sg separação entre gotejadores na linha lateral em m q vazão nominal do gotejador em Lh Quando se irriga com n gotejadores por planta a duração da irrigação pode ser obtida pela Equação 319 na qual A é a área correspondente aos espaçamentos entre plantas b r L A t n q 319 O número de unidades de irrigação ou subparcelas que podem ser irrigadas durante o intervalo de irrigação determinase a partir da Equação 320 h r Fr t N t 320 em que N número inteiro de unidades de irrigação Fr intervalo de irrigação th número de horas diárias disponíveis para a irrigação tr duração da irrigação O número de horas diárias disponíveis para a irrigação th pode ser considerado igual a 24 Contudo levandose em conta a possibilidade de não irrigar no horário de ponta no qual a energia é bem mais cara devese adotar um valor para th inferior a 21 horas A vazão total da instalação no período de máxima demanda será igual a bm r A L Q 10 N t 321 em que Q vazão da instalação em m³h A superfície da área a irrigar em ha Lbm lâmina de irrigação bruta no período de máxima demanda em mm N números de unidades de irrigação tr duração da irrigação em horas Exemplo 33 Determinar o número de unidades de irrigação e a vazão total da instalação de uma parcela a irrigar de 648 ha a partir dos seguintes dados Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 95 a Necessidade de irrigação bruta no período de máxima demanda 96 mmdia b Lâmina de irrigação bruta no período de máxima demanda 250 mm c Vazão do gotejador 4 Lh d Espaçamento da cultura 15 m 30 m Frequência máxima de irrigação no período de máxima demanda máx 250 mm F 2 dias 96 mmdia Frequência de irrigação real adotada no período de máxima demanda Fr 1 dia Lâmina de irrigação bruta máxima Lbm 96 mmdia 1 dia 96 mm Duração da irrigação no período de máxima demanda r 96 mm 15 m 30 m t 108 horas 4 Lh Adotandose uma duração da irrigação de 11 horas a lâmina bruta máxima passa a ser igual a 11 415 30 98 mm O número de unidades de irrigação N para 12 horas diárias disponíveis para a irrigação será 1 12 h N 11 11h Adotase portanto uma unidade de irrigação de 648 ha Vazão total da instalação 3 648 ha 98 mm Q 10 577 m h 16 Ls 1 11 h 342 Esquema da Instalação e Critério de Dimensionamento Após a obtenção das características hidráulicas básicas da irrigação por gotejamento fazse necessário definir o esquema da instalação na parcela e o critério hidráulico de dimensionamento da rede de tubulações do sistema O esquema da instalação compreende a divisão da parcela em um número de unidades e subunidades operacionais de irrigação e o consequente traçado das linhas laterais tubulações de derivação e da rede de distribuição Uma subunidade operacional de irrigação representa a área irrigada da parcela controlada por um regulador de pressão enquanto que uma unidade de irrigação compreende o conjunto de subunidades que são irrigadas simultaneamente por turnos O critério hidráulico de dimensionamento do sistema de irrigação por gotejamento consiste no estabelecimento das variações admissíveis de pressão na instalação ao longo da rede de distribuição A Figura 318 mostra três parcelas com distintos esquemas de distribuição de suas instalações A parcela 1 está composta somente de uma unidade de irrigação com uma tubulação de distribuição ou derivação que conecta diretamente o cabeçal de controle ou a tomada da parcela às linhas laterais A variação de pressão na parcela pode ser controlada mediante três opções por meio de uma válvula situada na tomada dágua por meio de válvulas localizadas nas entradas das linhas laterais ou com a instalação de gotejadores autocompensantes Na primeira opção a perda de carga admissível em toda parcela será repartida entre as linhas laterais e a tubulação de derivação Em uma parcela plana considerase de forma aproximada que a metade da perda de carga admissível se produz nas 96 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética laterais e a outra metade na tubulação de derivação Essa primeira opção é a mais adequada quando existe limitação de pressão na cabeceira da parcela Da mesma forma que ocorre na irrigação por aspersão a perda de carga ao longo da parcela é restringida para se evitar que a variação da vazão dos gotejadores comprometa a uniformidade da irrigação A variação máxima da vazão normalmente admitida em uma parcela é de 10 da vazão nominal dos gotejadores o que corresponde a uma variação de 10 na pressão nominal dos gotejadores de regime laminar ou de 20 nos emissores de regime turbulento ver regra dos 20 item 46 Esse limite nada mais é do que uma recomendação ao projetista e se admitem valores maiores quando a irrigação não requer uma alta uniformidade de distribuição das vazões ou quando o custo da instalação é um fator limitante do projeto Caso seja adotada a segunda opção não será necessário limitar a variação de pressão ao longo da tubulação de derivação e por isso toda a perda de carga admissível na parcela poderá ocorrer nas linhas laterais Assim poderão ser selecionadas linhas laterais mais longas eou com menor diâmetro que consequentemente contribuirão para um menor custo unitário Devese comparar a economia decorrente da utilização de laterais de menor diâmetro com o custo elevado produzido pelo conjunto de válvulas requeridas na instalação para se tomar a decisão da melhor alternativa Figura 318 Esquema de várias instalações de sistemas de irrigação por gotejamento As linhas laterais têm um peso considerável no custo de uma instalação de irrigação por gotejamento por conta da grande densidade dessas tubulações na área beneficiada Um hectare de hortaliça irrigada por gotejamento com linhas espaçadas a cada meio metro necessita de 20000 metros de tubulações laterais 3 Tubulação de derivação válvula reguladora de pressão Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 97 Os gotejadores autocompensantes da terceira opção garantem uma aceitável uniformidade de descarga mesmo que exista uma variação de pressão ao longo e entre linhas laterais Em tal caso poderão ser adotados menores diâmetros para as laterais e praticamente não se necessitará de válvulas reguladoras de pressão na parcela de irrigação A viabilidade econômica da última alternativa pode ser verificada comparandose o aumento de custo decorrente da utilização dos gotejadores autocompensantes com a economia proporcionada pelas tubulações de menores diâmetros sem válvulas reguladoras de pressão Além do mais haveria de considerar se o aumento das perdas de carga provocadas pelos diâmetros menores não comprometeria o custo de energia ou a carga disponível na cabeceira da parcela A relação entre as pressões requeridas nas tomadas dágua das parcelas e o custo total de implantação e operação do projeto de irrigação é um fator fundamental no dimensionamento da instalação As parcelas 2 e 3 da Figura 318 estão dotadas de duas e quatro subunidades de irrigação respectivamente Os critérios de projeto quanto à forma de conter as variações de pressão e vazão nas subunidades de irrigação são os mesmos descritos anteriormente para o exemplo da parcela 1 Os traçados das tubulações de distribuição e das linhas laterais seguem as mesmas recomendações adotadas para os traçados das tubulações nas parcelas dos sistemas de irrigação por aspersão convencional fixo descritos no item 27 35 Sistema de irrigação por Gotejamento Subterrâneo O sistema de irrigação por gotejamento subterrâneo é aquele que aplica água sob a superfície do solo a uma profundidade variável entre 10 e 50 centímetros Utiliza gotejadores especiais com características antisucção autolimpante e antiobstrução para evitar que os emissores sofram obstruções pela intrusão de partículas do solo eou pelas raízes das plantas o que inviabilizaria o processo de irrigação às raízes das culturas O sistema possui a grande vantagem da aplicação da água diretamente à zona radicular das plantas o que elimina praticamente as perdas de água por evaporação aumentando ainda mais a sua eficiência São aplicados a praticamente todo tipo de cultivo nos arbóreos os sistemas subterrâneos não devem irrigar solos muito arenosos pela percolação excessiva produzida nesse tipo de textura Para os cultivos extensivos canadeaçúcar por exemplo os sistemas subterrâneos são mais adequados a solos de texturas médias a argilosas Com a alta eficiência de irrigação que chega a valores superiores a 95 associada à operação com baixas pressões o gotejamento subterrâneo é também altamente eficiente em termos da energia requerida ao bombeamento do seu sistema de abastecimento Devido à característica de não molhar a superfície do terreno a área irrigada terá uma menor incidência de plantas invasoras assim como a cultura irigada estará menos vulnerável a enfermidades criptogâmicas pela menor quantidade de umidade na superfície da área irrigada Existe ainda a possibilidade da utilização de águas residuárias no sistema de irrigação subterrânea visto que não há contato da água com as pessoas nem com as folhas e os frutos das plantas cultivadas Para uma mesma vazão do emissor a área e o volume molhado do bulbo úmido à disposição das raízes das plantas são maiores no gotejamento subterrâneo comparado ao superficial A Figura 319 mostra a formação do bulbo úmido para o gotejador superficial e o subterrâneo para solos de diferentes texturas Aliado à fertirrigação o gotejamento subterrâneo pode ser potencialmente considerado o sistema de irrigação que proporciona a maior produtividade agrícola de determinadas culturas para solos de textura média a argilosa A sua aplicação tem sido 98 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética incrementada consideravelmente na irrigação da canadeaçúcar com resultados extremamente positivos principalmente em relação à produtividade e longevidade da cultura Para esse cultivo é o sistema de irrigação que tem apresentado atualmente a maior taxa de crescimento anual resultante das características técnicas de aplicação de água fertilizantes e agrotóxicos diretamente à zona radicular além de proporcionar maior economia de água energia elétrica e mão de obra em comparação com outros sistemas de irrigação Profissionais da Universidade Federal Rural de Pernambuco Nascimento et al 2009 realizaram uma pesquisa de campo para comparar a eficiência de aplicação dos sistemas de irrigação por gotejamento subterrâneo e por pivô central no cultivo da canadeaçúcar na região da mata canavieira de Alagoas Como resultado desse trabalho a eficiência de aplicação do gotejamento subterrâneo alcançou 99 frente ao valor de 724 obtido para o pivô central Figura 319 Forma do bulbo úmido para o gotejador superficial e subterrâneo Com excessão do Cabeçal de Controle a instalação desse sistema é totalmente fixa e enterrada incluindo as peças de conexão e controle tais como válvulas e ventosas o que facilita enormemente a mecanização e o manejo agrícola da área irrigada além de evitar o impacto ambiental visual Os componentes enterrados de plástico tubulações gotejadores e peças de conexão e controle terão maior durabilidade e o sistema como um todo estará isento de vandalismos e de ataques de animais roedores A Figura 320 ilustra a instalação no campo de um sistema de irrigação por gotejamento subterrâneo Em resumo as vantagens do sistema por gotejamento subterrâneo são Maior economia de água de fertilizantes e de energia Maior uniformidade de irrigação Possibilidade de utilização de águas residuárias Menor incidência de enfermidades criptogâmicas Menor incidência de plantas invasoras Melhor manejo agrícola pela ausência de tubulações sobre o terreno Maior vida útil dos materiais do sistema de irrigação Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 99 Ausência de vandalismos e ataques de animais roedores Não há impacto ambiental visual Aumenta a produtividade da cultura irrigada Figura 320 Instalação do sistema subterrâneo no campo Fonte López 2013 O projeto hidráulico de um sistema por gotejamento subterrâneo é semelhante ao de uma instalação por gotejamento superficial com a diferença que no subterrâneo haverá ventosas de duplo efeito permitem a entrada e a saída de ar na tubulação e válvulas anti vácuo em toda a rede de distribuição de água para evitar subpressões nas linhas laterais A evacuação de ar é necessária para impedir a entrada de partículas do solo nos orifícios dos emissores As linhas laterais devem ser posicionadas de maneira que os gotejadores fiquem situados na parte superior da tubulação Os gotejadores são especiais para a irrigação subterrânea as vazões variam entre 1 e 35 Lh são autocompensantes e antisucção são constituídos de uma esfera que se movimenta dentro do pequeno tubo que compõe o corpo do gotejador vedando a entrada de ar e de solução de solo No sistema subterrâneo deve haver coletores de drenagem ou de limpeza nas extremidades das linhas laterais conforme o esquema mostrado na Figura 321 A água da irrigação após percorrer as linhas laterais é captada nos drenos coletores e devido à sua pressão residual ela é evacuada pelas extremidades dos coletores que são dotados de ventosas e válvulas de esfera É recomendável efetuar limpezas com os coletores com uma frequência que varia entre uma e duas semanas Devese ter em conta a textura do solo e o tipo de cultura para se estabelecer a distância entre emissores na mesma linha para culturas extensivas é conveniente que a irrigação proporcione uma faixa contínua de umidade sob o terreno cultivado e nesse caso recomendamse espaçamentos entre gotejadores e entre linhas de 06 m 06 m a 075 m 075 m Para a irigação da canadeaçúcar dependendo do tipo de solo a distância entre emissores numa mesma linha pode variar de 030 a 10 m Na irrigação de jardins e gramados esportivos o espaçamento recomendado é de 030 m 030 m Para culturas arbóreas pode 100 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética se optar por uma ou duas linhas gotejadores por plantas com espaçamentos entre emissores variando de 075 a 13 metros segundo o tipo de cultura e textura do solo Figura 321 Instalação de drenos coletores nas linhas laterais Adaptado de López 2013 A profundidade de instalação das linhas de gotejadores depende da profundidade efetiva do sistema radicular da cultura a irrigar No Quadro 38 são recomendadas profundidades das linhas de gotejadores segundo o tipo da cultura a irrigar Quadro 38 Profundidade das linhas de gotejadores segundo o cultivo a irrigar Tipo de Cultivo Profundidade cm Oliveiras vinhedos cítricos 30 40 Algodão milho tomate 30 45 Canadeaçúcar 25 30 Plantas forrageiras 30 40 Hortaliças de raízes profundas 25 30 Batatas e hortaliças de raízes superficiais 05 10 Em virtude da possível ocorrência de estresse hídrico das plantas cultivadas pode haver a intrusão de raízes nos orifícios dos gotejadores ocasionando prejuízo ao sistema de irrigação A obstrução dos gotejadores pelas raízes pode ser evitada adotando as seguintes medidas irrigar sempre com frequência máxima com pressões de serviço superiores a 5 mca utilizar adubos ácidos e aplicar herbicidas segundo o tipo de solo Recomendase utilizar o herbicida Pendimentalina com uma dosagem de 025 a 050 mL por emissor com uma aplicação anual para solos de texturas médias a argilosas e com duas aplicações por ano para solos de texturas médias a arenosas Uma alternativa seria aplicar 013 mL de Trifluralina por gotejador duas a três vezes por ano em solos argilosos e três a quatro vezes por ano em solos arenosos Outra limitação do gotejamento subsuperficial é relacionada ao estabelecimento inicial da cultura Por não umedecer a superfície do solo o sistema não proporciona condições satisfatórias de umidade para a germinação de sementes ou pegamento de mudas Portanto é necessário o uso de um sistema de irrigação complementar na fase inicial frequentemente por aspersão o que aumenta os custos do empreendimento É um sistema de difícil manutenção por não permitir acompanhar visualmente e testar o funcionamento dos emissores que se encontram enterrados É potencialmente susceptível ao acúmulo de sais na camada Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 101 compreendida entre a superfície do solo e a região acima da lateral bem como à intrusão ou penetração de raízes nas linhas laterais dos gotejadores 36 Sistema de Irrigação por Microaspersão A microaspersão é uma alternativa de irrigação intermediária entre a irrigação por aspersão convencional fixa e a irrigação por gotejamento superficial A diferença fundamental entre o sistema por microaspersão e o sistema por aspersão convencional fixo é que no primeiro se utiliza na maioria das vezes um aspersor microaspersor para cada planta árvore da cultura irrigada A instalação do sistema de irrigação por microaspersão possui tubulações laterais portamicroaspersores tubulações de derivação uma rede de tubulações de distribuição e um cabeçal de controle da mesma forma que existe na instalação de um sistema por gotejamento superficial As tubulações laterais são normalmente de polietileno ou de PVC de diâmetros que variam em geral entre 16 e 40 mm A conexão dos microaspersores às tubulações laterais é efetuada geralmente mediante pequenos tubos de polietileno apoiados em pequenas hastes colocadas verticalmente sobre o terreno ver Figuras 322 e 323 Os emissores se posicionam a uma altura sobre o terreno que geralmente varia entre 10 e 30 centímetros Algumas vezes os microaspersores são conectados também diretamente às laterais Figura 322 Irrigação por microaspersão em um plantio de acerola Os microaspersores dispõem somente de um bocal de diâmetro compreendido entre 08 e 18 mm cuja declividade com a horizontal varia entre 4 e 7 Funcionam a uma pressão de serviço situada entre 10 e 20 mca e distribuem vazões entre 20 e 140 Lh a um alcance que varia entre 1 e 3 metros A Figura 324 ilustra a operação de um gotejador numa irrigação de um plantio de laranja Existem também os microaspersores setoriais que são utilizados quando não se pretende molhar permanentemente os troncos das árvores para evitar possíveis problemas fitossanitários Há ainda os microaspersores empregados para regar jardins como mostrado na Figura 325 102 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura 323 Haste com microaspersor Figura 324 Microaspersor Os intervalos de irrigação empregados no sistema por microaspersão são geralmente menores do que os intervalos utilizados na irrigação por aspersão convencional e maiores do que os turnos de rega do sistema por gotejamento Irrigação por Gotejamento e Microaspersão 103 Figura 325 Rega de jardim com microaspersor O sistema de irrigação por microaspersão é mais adequado para irrigar culturas arbóreas em solos de textura grossa de alta permeabilidade nos quais o sistema por gotejamento apresenta determinados inconvenientes Em solos muito permeáveis o bulbo úmido derivado da irrigação por gotejamento se aprofunda bastante e se desenvolve muito pouco na direção horizontal Dessa maneira parte da irrigação se perde por percolação e o volume decorrente de solo molhado é insuficiente para alimentar as raízes das árvores ver Figura 326a Na irrigação por microaspersão esse inconveniente é superado pois o volume proporcionado de solo molhado é suficiente para alimentar as raízes das plantas Figura 326b a Irrigação por Gotejamento b Irrigação por microaspersão Figura 326 Bulbos úmidos em solo de alta permeabilidade Linha lateral Gotejadores Bulbos úmidos microaspersor Bulbo úmido 104 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Em relação à irrigação por gotejamento a microaspersão apresenta outras vantagens e desvantagens que são comentadas a seguir Uniformidade de irrigação A irrigação por microaspersão na maioria das vezes apresenta maior uniformidade comparada à irrigação por gotejamento A seção de passagem da água nos microaspersores é maior que a dos gotejadores o que faz com que os primeiros sejam menos propensos às obstruções que prejudicam a uniformidade da irrigação Além do mais as pequenas imperfeições de fabricação dos microaspersores influenciam menos na variação das vazões do que as pequenas irregularidades de fabricação dos gotejadores No entanto com a utilização de emissores autocompensantes a irrigação por gotejamento apresenta normalmente maior uniformidade do que a irrigação por microaspersão As pressões de serviço dos microaspersores são em geral maiores do que as pressões de funcionamento dos gotejadores Como consequência disso as variações de pressão nas subunidades de irrigação produzidas pelas perdas de carga nas tubulações e por diferenças de cotas afetarão menos as vazões dos microaspersores que as vazões dos gotejadores Eficiência Na irrigação por microaspersão as perdas de água por evaporação por escoamento superficial e por percolação são maiores em comparação com as perdas que ocorrem na irrigação por gotejamento Quantificase que a eficiência na irrigação por microaspersão é entre 5 e 10 menor do que a eficiência na irrigação por gotejamento Sais no solo Os sais que se acumulam no solo afetam menos a cultura quando irrigada por microaspersão do que quando irrigada por gotejamento Na irrigação por microaspersão os sais se concentram em zonas mais distantes devido a um maior volume de solo molhado pelos microaspersores A lavagem dos sais é realizada também com maior facilidade na irrigação com microaspersores Custo de investimento e operação do sistema de irrigação O custo de investimento do sistema de irrigação por microaspersão em geral não difere muito do custo de investimento do sistema por gotejamento A diferença do custo de implantação de ambos os sistemas dependerá principalmente do espaçamento da cultura a ser irrigada e da qualidade dos emissores a serem utilizados gotejadores e microaspersores No entanto o custo de operação dos sistemas por microaspersão é de maneira geral ligeiramente superior ao custo de operação dos sistemas por gotejamento A energia do bombeamento necessária para alimentar os microaspersores é normalmente maior do que a energia requerida na irrigação por gotejamento devido a que os microaspersores funcionam com pressões de serviço superiores às exigidas pelos gotejadores Podese acrescentar também que a manutenção dos microaspersores requer um pouco mais de cuidado em comparação com a dos gotejadores Dimensionamento O dimensionamento da instalação de um sistema por microaspersão é realizado utilizando a mesma metodologia de dimensionamento de um sistema de irrigação por gotejamento No Apêndice A encontrase um exemplo completo de um projeto de irrigação localizada por gotejamento e microaspersão Capítulo 4 DIMENSIONAMENTO DAS TUBULAÇÕES DAS REDES DE IRRIGAÇÃO 41 Introdução Entre as várias etapas necessárias para a elaboração de um projeto de irrigação pressurizado se encontra a de dimensionamento das tubulações Estas devem ser capazes de transportar e abastecer em cada tomada dágua a vazão requerida pelo projeto à pressão adequada para a irrigação A solução do problema se baseia na hidráulica dos condutos forçados e possui também um componente econômico fundamental como é habitual na maioria dos problemas existentes na engenharia O conteúdo deste capítulo trata do dimensionamento das tubulações dos sistemas de irrigação sob pressão cujas metodologias de cálculo podem ser aplicadas indistintamente a qualquer modalidade de irrigação pressurizada aspersão convencional canhão hidráulico pivô central gotejamento microaspersão etc Expõemse as questões hidráulicas básicas que intervêm no dimensionamento dos condutos forçados regime hidráulico nas tubulações e perda de energia durante o escoamento dágua e os procedimentos de cálculo das tubulações fundamentados exclusivamente em requerimentos hidráulicos No capítulo 8 é descrito um método de dimensionamento de redes ramificadas baseado em objetivos hidráulicos e econômicos de forma que sejam atendidos os requerimentos hidráulicos com o mínimo custo de implantação e operação da instalação 42 Escoamento e Regime do Fluxo dÁgua nas Tubulações Dizse que o escoamento de água em uma tubulação é permanente quando suas características físicas velocidade pressão temperatura e massa específica permanecem invariáveis com o tempo em qualquer ponto da massa fluida Caso essas características variem com o tempo o escoamento é denominado não permanente O escoamento permanente pode ser por sua vez uniforme ou variado conforme a velocidade permaneça constante ou não ao longo das trajetórias das partículas do fluido linhas de corrente Nas condições práticas de funcionamento dos sistemas de distribuição de água não existe o escoamento permanente no sentido estrito definido anteriormente No entanto caso se analisem os valores médios das características físicas do fluido em cada seção do escoamento alguns sistemas hidráulicos de distribuição podem ser considerados para efeitos práticos como permanentes e uniformes Este é o caso por exemplo do escoamento dágua através das tubulações de seção constante dos sistemas de irrigação sob pressão onde a velocidade média da água é praticamente a mesma ao longo de todo o conduto e se mantém aproximadamente invariável no tempo Entretanto nas mudanças de seção dos condutos cones de redução curvas e tês de bifurcação o escoamento passa a ser permanente e variado e nas linhas laterais com descargas em série nas tomadas de irrigação o fluxo é permanente e espacialmente variado No dimensionamento dos sistemas de irrigação pressurizados devem ser consideradas também as situações transitórias do escoamento através das tubulações que podem ser 106 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética provocadas pela abertura e fechamento de válvulas pela evacuação de ar dos condutos nas manobras de arranque e na parada do bombeamento etc As sobrepressões produzidas por golpes de ariete decorrentes de escoamentos transitórios podem romper as tubulações nos casos em que estas não estejam devidamente dimensionadas para suportar tais sobrecargas Com relação ao regime do fluxo dágua em uma tubulação este pode ser laminar turbulento ou crítico No regime laminar o fluxo se realiza em filetes ou lâminas líquidas paralelas entre as quais não existem intercâmbios de partículas No regime turbulento as partículas de água escoam em trajetórias irregulares ao longo do conduto enquanto que o fluxo crítico se caracteriza por uma situação transitória entre os regimes laminar e turbulento Uma diferença fundamental entre os dois regimes é que a perda de carga ao longo do conduto é mais elevada no regime turbulento do que no regime laminar Neste último a perda de carga varia diretamente com a velocidade média do escoamento enquanto que no regime turbulento a perda varia com o quadrado da velocidade Em geral o regime hidráulico nas tubulações é sempre turbulento exceto quando as velocidades são extremamente baixas próxima ao repouso É possível conhecer o regime de fluxo em uma tubulação por meio de um parâmetro adimensional denominado número de Reynolds Re que se obtém mediante a relação VD Re 41 em que V velocidade média do fluxo D diâmetro interno da tubulação viscosidade cinemática do líquido Ver dados de no Quadro 41 Com base em resultados experimentais obtidos em condições normais de escoamento nas tubulações os regimes de fluxo são classificados em função do número de Reynolds de acordo com as seguintes relações Re 2000 Regime laminar Re 4000 Regime turbulento 2000 Re 4000 Regime crítico Quadro 41 Viscosidade cinemática da água segundo sua temperatura T T ºC m2s 106 ºC m2s 106 0 1787 25 0893 5 1519 30 0801 10 1307 35 0742 15 1140 40 0658 20 1004 45 0602 O valor crítico inferior do número de Reynolds Re 2000 está bem definido Para valores menores de Re o regime é sempre laminar em virtude de que qualquer perturbação produzida na corrente é sistematicamente anulada pela ação da viscosidade No entanto não ocorre o mesmo para o limite crítico superior o qual depende fundamentalmente da natureza das perturbações que existam no escoamento de modo que essa fronteira superior é Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 107 indeterminada Em condições normais sempre existem perturbações na corrente suficientes para desencadear a instabilidade de modo que na prática valores de Re maiores do que 4000 são suficientes para que não se possa manter a situação laminar da corrente 43 Fundamentos Hidráulicos Básicos O transporte da água através de condutos forçados está regido basicamente por duas equações fundamentais conhecidas como equação da continuidade e equação da energia Para a água que é praticamente incompressível às pressões que atuam nas redes de abastecimento para irrigação a equação da continuidade estabelece que para um escoamento permanente a vazão Q volume de água por unidade de tempo mantémse constante ao longo de um conduto Portanto para qualquer seção do conduto verificase Q A V cte 42 onde A é a área da seção transversal da tubulação e V é a velocidade média de circulação da água Nos nós de derivação também se cumpre a equação da continuidade verificandose que a soma de vazões admitidas no nó é igual a soma das que saem Q Qi A equação da energia aplicada a fluidos incompressíveis estabelece que em um escoamento permanente entre duas seções de um conduto de 1 para 2 a soma das energias de pressão potencial e cinética na seção 1 é igual à soma dessas mesmas energias na seção 2 mais as perdas de energia produzidas entre as duas seções A equação da energia também conhecida como equação de Bernoulli se expressa em termos de energia por unidade de peso da seguinte forma 2 2 1 1 2 2 1 2 f p V p V z z h 2g 2g 43 em que p energia de pressão z energia potencial V 2g 2 energia cinética hf perdas de energia ou carga entre as seções 1 e 2 Na Equação 43 V representa a velocidade média do escoamento na seção considerada p a pressão z representa a cota do ponto médio da seção com relação a um determinado plano horizontal de referência e o peso específico do fluido Os termos da equação de energia possuem unidades de comprimento e se expressam hidraulicamente em metros de coluna dágua A pressão p se relaciona com a carga ou altura piezométrica h por meio da expressão p h Para a água cujo peso específico é igual a 1000 kgm3 1 metro de coluna de água corresponde a 01 kgcm2 Outra unidade frequentemente utilizada é a atmosfera Atm que corresponde aproximadamente a 10 metros de coluna de água Nas redes hidráulicas dos sistemas de irrigação pressurizados o termo da Equação 43 relativo à energia cinética V22g é desprezível no cômputo geral das cargas ao longo das tubulações Como a velocidade média nas redes de irrigação varia geralmente desde valores 108 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética menores do que 1 ms até valores próximos a 30 ms as energias cinéticas correspondentes são muito pequenas comparadas com as outras energias da equação de Bernoulli Portanto a relação entre as cargas ou cotas piezométricas de dois pontos ao longo das tubulações das redes hidráulicas dos sistemas de irrigação reduzse a H1 z1 H2 z2 hf 44 onde H representa a energia de pressão por unidade de peso que pode ser expressa em termos de altura de coluna dágua H p A representação gráfica das alturas ou cotas piezométricas H z ao longo de uma tubulação se denomina linha piezométrica ver Figura 41 Tratase de uma linha reta já que a perda de carga por atrito ao longo do conduto varia linearmente segundo se comenta no item seguinte Figura 41 Linha piezométrica do fluxo dágua entre os pontos 1 e 2 44 Perda de Carga ao Longo do Conduto Parte da energia que os líquidos dispõem em regime dinâmico se dissipa devido ao efeito de sua viscosidade ou atrito interno unido ao efeito da turbulência ou dos choques entre as partículas do fluido Essa parte da energia dissipada que se transforma em calor se denomina perda de carga por atrito perda de energia por atrito ou perda de carga contínua ao longo do conduto Em um escoamento uniforme e permanente de um fluido em um conduto a perda de carga hf existente entre duas seções é proporcional à distância L entre elas e a perda de carga unitária j decorrente da relação entre a perda total e o comprimento permanece constante ao longo do conduto A perda de carga por atrito depende das características físicas do fluido viscosidade e massa específica e das características geométricas do conduto No caso de uma tubulação estas características geométricas são o diâmetro interno D e a rugosidade absoluta das paredes internas do tubo As perdas de carga por atrito em escoamentos permanentes e uniformes são determinadas por meio de Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 109 fórmulas empíricas que foram desenvolvidas para distintas condições experimentais A seleção da fórmula empírica mais adequada entre as existentes dependerá do nível de precisão desejado como também da semelhança entre as condições hidráulicas do dimensionamento em questão com as condições hidráulicas utilizadas no desenvolvimento da fórmula A fórmula empírica que atualmente possui melhor aceitação prática é a de DarcyWeissbach a qual se ajusta corretamente aos resultados experimentais Nesta fórmula intervém todos os parâmetros básicos dos quais depende a perda de carga contínua Também é conhecida como fórmula universal da perda de carga e se expressa pela Equação 45 f L V2 h f D 2g 45 em que hf Perda de carga ao longo do conduto em mca V Velocidade média de circulação da água pela seção em ms L Comprimento da tubulação em m D Diâmetro interno da tubulação em m g Aceleração da gravidade igual a 98 ms2 f Fator de atrito Combinando a Equação 45 com a equação da continuidade Q AV a equação de DarcyWeissbach passa a ter a forma 2 f 2 5 8f Q h L g D 46 O fator de atrito f é um coeficiente adimensional que depende da rugosidade relativa do tubo D é a rugosidade absoluta e do número de Reynolds ver item 42 quando se trata de um escoamento em regime turbulento Para um fluxo em regime laminar Re 2000 a perda de carga por atrito não depende do material da tubulação e o coeficiente f pode ser obtido diretamente pela fórmula de Poiseuille dada pela Equação 47 f 64 Re 47 Para valores de Re compreendidos entre 2000 e 4000 não existe uma função definida para a obtenção do fator de atrito f enquanto que em regime turbulento Re 4000 o coeficiente f pode ser determinado por meio da fórmula de Colebrook e White Equação 48 10 1 ε 251 2 log 371D f Re f 48 Os valores da rugosidade absoluta dependem do tipo de material e da qualidade de fabricação da tubulação O Quadro 42 indica os valores médios ou intervalos de valores médios da rugosidade absoluta para diversos materiais de fabricação das tubulações hidráulicas Valores mais precisos de e também dos coeficientes de atrito das demais 110 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética fórmulas empíricas utilizadas para determinação das perdas de carga contínuas devem ser fornecidos pelos fabricantes dos tubos Quadro 42 Rugosidade absoluta dos tubos em mm adaptado de Azevedo Netto et al 1998 Material Tubos novos Tubos velhos Aço galvanizado 0015 a 002 046 Aço rebitado 010 a 030 060 Aço revestido 004 005 a 012 Aço soldado 0004 a 0006 024 Chumbo Lisos Lisos Cimentoamianto 00025 Cobre ou latão Lisos Lisos Concreto bem acabado 003 a 010 Concreto ordinário 010 a 020 Ferro forjado 0004 a 0006 024 Ferro fundido 0025 a 0050 030 a 050 Ferro fundido com revestimento interno asfáltico 0012 021 Manilhas cerâmicas 006 030 Plástico 0001 0001 Mediante a Equação 48 não é possível determinar diretamente o valor do fator de atrito f apesar de que ele pode ser calculado por um processo iterativo simples com o auxílio de uma planilha eletrônica ou uma máquina de calcular programável O valor do coeficiente de atrito f pode ser obtido diretamente pela fórmula de Swamee e Jain 1976 que pode ser utilizada para 10 3 Re 108 e 106 D 102 ver Equação 49 2 10 09 025 f 574 log 37D Re 49 Os valores dos números de Reynolds correspondentes aos escoamentos em condições normais de temperatura nas tubulações utilizadas nos sistemas de irrigação são sempre maiores do que 4000 Isto implica dizer que o escoamento nas tubulações dos sistemas de irrigação pressurizados se realiza sempre em regime turbulento com exceção do fluxo dágua através dos gotejadores laminares utilizados nos sistemas de irrigação por gotejamento Para escoamento turbulento em tubos lisos plástico com número de Reynolds inferior a 100000 o fator de atrito f pode ser obtido diretamente pela fórmula de Blasius ver Equação 410 025 0316 f Re 410 A outra fórmula largamente empregada no dimensionamento das tubulações dos sistemas de irrigação pressurizados é a de HazenWilliams Equação 411 onde C representa um coeficiente de rugosidade cujos valores podem ser obtidos através do Quadro 43 As Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 111 unidades das variáveis desta equação no sistema internacional são as mesmas da Equação 45 e 46 1852 f 487 L Q h 10667 C D 411 Quadro 43 Valor do coeficiente C sugerido para a fórmula de HazenWilliams extraído de Azevedo Netto et al 1998 Tubos Novos Usados 10 anos Usados 20 anos Aço corrugado chapa ondulada 60 Aço galvanizado roscado 125 100 Aço rebitado novos 110 90 80 Aço soldado comum revestimento betuminoso 125 110 90 Aço soldado com revestimento epóxico 140 130 115 Chumbo 130 120 120 Cimentoamianto 140 130 120 Cobre 140 135 130 Concreto bom acabamento 130 Concreto acabamento comum 130 120 110 Ferro fundido revestimento epóxico 140 130 120 Ferro fundido revestimento de argamassa 130 120 105 Grés cerâmico vidrado manilhas 110 110 110 Latão 130 130 130 Tijolos condutos bem executados 100 95 90 Plástico PVC 140 135 130 A fórmula de HazenWilliams foi desenvolvida a partir de ensaios realizados com tubos de diâmetros maiores do que 75 mm e para vazões superiores a 3 Ls Para diâmetros e vazões menores do que os valores anteriores devese aplicar uma fórmula distinta e neste caso recomendase a utilização da fórmula de Scobey Fórmula de Scobey A fórmula de Scobey ver Equação 412 é indicada para o cálculo das perdas de carga nas tubulações leves utilizadas nos sistemas de irrigação por aspersão e por gotejamento polietileno PVC alumínio etc As unidades da Equação 412 são as mesmas da Equação 45 19 f 11 Ks L h V 387 D 412 Ks é o coeficiente de atrito da fórmula de Scobey cujos valores em função do material da tubulação estão indicados no Quadro 44 Uma margem de imprecisão de até 10 nos valores das perdas contínuas calculadas para o dimensionamento dos sistemas de irrigação não tem importância prática Por esse motivo não vale a pena tentar alcançar uma melhor precisão na fórmula de cálculo empregada quando existem outros fatores tais como as perdas de carga localizadas das peças especiais ou das juntas ou a própria rugosidade dos tubos que não podem ser avaliadas com 112 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética exatidão e no entanto têm uma repercussão significativa sobre o resultado total da perda de energia Quadro 44 Coeficiente de atrito Ks da fórmula de Scobey Material da tubulação Ks Plástico 032 Alumínio com engates rápidos a cada 6 m 043 Aço galvanizado com engates rápidos a cada 6 m 045 45 Perdas de Carga Localizadas As conexões e peças especiais curvas cotovelos registros válvulas etc existentes nas redes de tubulações produzem distorções mais ou menos bruscas nas seções do escoamento que provocam perdas de carga localizadas nesses pontos singulares Ao contrário das perdas de carga por atrito que dependem de fatores bem definidos as perdas de carga localizadas dependem de diversos parâmetros de difícil determinação A perda de carga localizada hf em uma singularidade ou peça especial do conduto pode ser avaliada como uma porcentagem da carga cinética V22g existente imediatamente à jusante do ponto onde se produz a perda ver Equação 413 2g K V h 2 f 413 O coeficiente da perda de carga singular K é determinado experimentalmente e seu valor varia segundo o tipo e diâmetro da peça especial A padronização dos valores de K é bastante complexa tendo em vista que para cada peça existe uma grande variedade de modelos e de fabricantes O Quadro 45 fornece valores aproximados de K para diversas peças especiais utilizadas nas tubulações dos sistemas de irrigação pressurizados Quadro 45 Valores aproximados do coeficiente de perda localizada K Peças K Peças K Ampliação gradual 030 Junção 040 Bocais 275 Medidor Venturi 250 Comporta aberta 100 Redução gradual 015 Controlador de vazão 250 Registro de ângulo aberto 500 Cotovelo de 90 raio curto 090 Registro de gaveta aberto 020 Cotovelo de 90 raio longo 060 Registro de globo aberto 1000 Cotovelo de 45 040 Saída de canalização 100 Crivo 075 Tê passagem direta 060 Curva de 90 rD 1 040 Tê saída lateral 130 Curva de 45 020 Tê saída bilateral 180 Curva de retorno a 180 220 Válvula de bóia 600 Entrada normal 050 Válvula de pé 175 Entrada de borda 100 Válvula de retenção 275 Com base na velocidade maior seção menor Existe também a possibilidade de estimar a perda de carga localizada mediante a obtenção de um comprimento fictício de tubulação de diâmetro igual ao da peça considerada que produza uma perda por atrito equivalente à perda singular provocada pela peça O Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 113 comprimento equivalente da tubulação obtémse igualandose a Equação 413 à fórmula universal da perda de carga contínua hf f LD V22g Dessa forma o comprimento equivalente L será igual a KfD O Quadro 46 indica os comprimentos equivalentes em número de diâmetros da tubulação para diversas peças especiais utilizadas em redes hidráulicas Como resultado a perda de carga total por atrito e localizadas se determina por meio de uma das fórmulas empíricas de perda de carga contínua na qual o comprimento total L será igual ao comprimento real da tubulação mais os comprimentos equivalentes correspondentes a cada uma das peças especiais existentes no conduto Quadro 46 Comprimento equivalente em número de diâmetros fonte Pimenta 1981 Peça especial Comprimento equivalente Cotovelo de 90º 45 diâmetros Cotovelo de 45º 20 Curva de 90º 30 Curva de 45º 15 Entrada normal 17 Entrada de borda 35 Registro de gaveta aberto 8 Registro tipo globo aberto 350 Saída de canalização 35 Tê passagem direta 20 Tê saída lateral 65 Válvula de pé com crivo 250 Válvula de retenção 100 O cálculo separado da perda de carga produzida por cada peça especial é laborioso e ineficaz devido ao trabalho de diagnosticar caso por caso o valor das perdas singulares das distintas peças de diferentes fabricantes existentes na rede hidráulica e a grande incerteza do resultado final Para superar esse inconveniente as perdas de carga localizadas de todas as peças especiais são estimadas na prática como uma porcentagem das perdas totais por atrito da rede de tubulações Essa porcentagem que varia entre 10 e 20 não considera as perdas de carga localizadas ocasionadas nas peças especiais de regulagem e controle da rede hidráulica Tais peças ou equipamentos filtros reguladores de pressão limitadores de vazão dentre outros produzem perdas acentuadas que devem ser computadas separadamente no cálculo total da carga requerida pelo sistema Outro artifício que se utiliza habitualmente para considerar as perdas de carga localizadas no cálculo final da energia requerida pelo sistema de irrigação é computálas indiretamente alterando para mais ou para menos o coeficiente de atrito utilizado no cálculo das perdas contínuas 46 Dimensionamento das Linhas Laterais dos Sistemas de Aspersão Convencional As tubulações das redes hidráulicas dos sistemas de irrigação são dimensionadas seguindo o sentido inverso do fluxo dágua na instalação Após a definição do traçado das tubulações dos espaçamentos da vazão e da pressão dos aspersores dimensionamse as linhas laterais Em seguida são calculadas as tubulações da rede de distribuição e por último dimensionase a estação elevatória ou de bombeamento O dimensionamento das linhas 114 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética laterais consiste no cálculo de seus diâmetros e na determinação da pressão e vazão na entrada dos condutos As linhas laterais com seus emissores aspersores gotejadores microaspersores etc transportam a água de forma análoga às tubulações com múltiplas saídas igualmente espaçadas A linha se caracteriza por escoar uma vazão decrescente desde o valor Q igual à soma das descargas dos aspersores da lateral até o valor q correspondente à vazão do último aspersor Por esta razão a perda de carga por atrito ao longo da linha lateral será sempre menor do que a perda que corresponderia no caso em que não houvesse derivações para os aspersores Seja uma linha lateral de comprimento L dotada de N aspersores com espaçamento S onde o primeiro aspersor situase também a uma distância S da entrada da lateral a descarga de cada aspersor pode ser considerada igual a QN onde Q é a vazão total da linha lateral As vazões de cada trecho da linha lateral desde o final à entrada da tubulação serão QN 2 QN n QN N1 QN e N QN As fórmulas que expressam as perdas de carga contínuas ao longo do conduto possuem a forma hf k L QmDb em que k m e b são constantes específicas de cada fórmula empírica particular ver item 44 Com base nesta expressão geral as perdas de carga correspondentes a cada trecho da linha lateral serão iguais a k S QNmDb k S 2QNmDb k S nQNmDb e k S NQNmDb A perda de carga total hf ao longo da linha lateral será portanto m N m f b n1 Q N h k S n D ou ainda m N m f b m n 1 Q 1 h k S n D N 414 Na Equação 414 o termo entre parênteses corresponde à perda de carga unitária j produzida pela vazão Q transportada pela linha lateral de diâmetro D supondo que não existem derivações para os aspersores Como S LN a Equação 414 pode também expressarse pela expressão N m f m 1 n 1 1 h j L n N 415 O termo entre parênteses que se representa pela letra F varia desde 1 quando toda a vazão se descarrega no final da linha lateral até 1m1 no caso de descarga contínua ao longo da tubulação lateral Neste último caso que ocorre quando a vazão é repartida ao longo de tubos perfurados a perda de carga dhf em um elemento dx situado a uma distância x da origem ver esquema na figura abaixo será Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 115 m m f b Q L x dh K dx L D e para a lateral total L m 1 m m m L f 0 b b m 0 L x Q L x Q 1 h K dx K L m 1 D D L resultando finalmente m f b 1 Q 1 h KL jL 1 m m 1 D ou seja 1 F m 1 A Equação 415 é representada normalmente por hf j L F 416 Na Equação 416 hf é a perda de carga total na linha lateral j é a perda de carga unitária na linha lateral considerada sem saída para os aspersores L é o comprimento da linha lateral e F é o coeficiente de redução Como se observa pela Equação 416 a perda de carga total ao longo da linha lateral de comprimento L que deriva uma vazão total Q para N aspersores ao longo de uma tubulação de diâmetro D é igual à perda contínua ao longo da mesma linha lateral considerada sem derivações multiplicada pelo coeficiente de redução F Para uma linha lateral cujo primeiro aspersor esteja situado a uma distância da entrada do conduto igual a S2 o coeficiente F se obtém pela Equação 417 N m n1 m 1 n 1 2N N F 1 1 2N 417 O Quadro 47 fornece os valores de F determinados para os expoentes da velocidade das fórmulas de HazenWilliams m 185 de Scobey m 19 e de DarcyWeissbach m 20 em função do número de aspersores N Os valores de F do Quadro 47 foram calculados considerando que a distância desde a tomada ao primeiro aspersor fosse igual ao espaçamento S entre aspersores F e também para uma distância ao primeiro aspersor igual S2 F A carga requerida na tomada da linha lateral ponto de conexão com a tubulação de distribuição necessária para fornecer a pressão média de funcionamento aos aspersores ao longo da tubulação lateral depende de vários fatores da pressão nominal selecionada para os aspersores da diferença de carga estática devido ao desnível geométrico ascendente ou descendente existente ao longo da tubulação da altura do tubo de subida e da perda de carga na lateral 116 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Quadro 47 Coeficiente de redução F em função de N m e da distância do primeiro aspersor à entrada da linha lateral N Hazen m 185 Scobey m 19 Darcy m 20 F F F F F F 1 1000 1000 1000 1000 1000 1000 2 0639 0519 0634 0512 0625 0500 3 0535 0442 0528 0442 0518 0422 4 0486 0412 0480 0405 0469 0393 5 0457 0397 0451 0390 0440 0378 6 0435 0387 0433 0381 0421 0369 7 0425 0381 0419 0375 0408 0363 8 0415 0377 0410 0370 0398 0358 9 0409 0374 0402 0367 0391 0355 10 0402 0371 0396 0365 0385 0353 11 0397 0369 0392 0363 0380 0351 12 0394 0367 0388 0361 0376 0349 13 0391 0366 0384 0360 0373 0348 14 0387 0365 0381 0358 0370 0347 15 0384 0364 0379 0357 0367 0346 16 0382 0363 0377 0356 0365 0345 17 0380 0362 0375 0356 0363 0344 18 0379 0361 0373 0355 0361 0344 19 0377 0361 0372 0355 0360 0343 2021 0376 0360 0370 0354 0359 0342 2223 0374 0359 0368 0353 0357 0341 2425 0372 0358 0366 0352 0355 0341 2627 0370 0358 0364 0352 0353 0340 2829 0369 0357 0363 0351 0353 0340 3034 0368 0357 0362 0351 0350 0339 3539 0365 0356 0359 0350 0347 0338 4049 0364 0355 0357 0349 0345 0338 5099 0361 0354 0355 0348 0343 0337 100 0351 0353 0350 0347 0338 0337 A perda de carga na linha lateral varia de forma não linear em virtude da diminuição da vazão ao longo da tubulação A Figura 42 mostra as curvas A B e C que representam três situações possíveis de distribuição da perda de carga hf ao longo da linha lateral Curva A Corresponde à situação na qual a pressão de funcionamento h está garantida em todos os aspersores Essa não é a distribuição mais adequada já que a maioria dos aspersores trabalha com pressões significativamente superiores à pressão de funcionamento o que compromete a uniformidade da irrigação ao longo da lateral Curva B A redução de apenas 14 de hf na pressão de funcionamento aplicada ao último aspersor proporciona um equilíbrio entre as pressões de serviço dos aspersores ao longo da linha lateral Com essa redução aproximadamente 40 dos aspersores funcionarão com pressões sensivelmente superiores à pressão média de serviço e os restantes funcionarão com cargas ligeiramente inferiores à pressão média de serviço Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 117 Curva C Nessa curva observase que com uma redução de 12 hf na pressão aplicada ao último aspersor a maioria dos aspersores funcionam com cargas inferiores à pressão de funcionamento h Figura 42 Distribuição da perda de carga ao longo de uma linha lateral Para o dimensionamento das linhas laterais se considera geralmente que a perda de carga ao longo da tubulação deve ser distribuída de acordo com a curva B descrita anteriormente pois com essa distribuição se garante o equilíbrio das pressões aplicadas aos aspersores ao longo da lateral Na curva B da Figura 42 a pressão média de funcionamento ao longo da linha lateral que se considera igual à pressão nominal do aspersor se localiza aproximadamente a 04L a partir da origem da lateral Entretanto a posição desse ponto varia em função das irregularidades do relevo do terreno existentes ao longo do conduto Em termos práticos considerase que a pressão média na linha lateral se situa no ponto médio da tubulação e portanto a carga requerida na entrada desta será H h 075 hf ha Z2 418 em que H Pressão requerida na entrada da linha lateral em mca h Pressão nominal dos aspersores em mca hf Perda de carga ao longo da linha lateral em mca ha Altura do tubo de subida em metros Z2 Diferença de carga estática média devido ao desnível geométrico da linha lateral em metros Ascendente descendente Como a pressão ao longo da linha lateral é variável as descargas dos aspersores serão também variáveis o que pode comprometer a uniformidade da irrigação ao longo da lateral Admitese que é possível garantir uma uniformidade aceitável ao longo da lateral desde que a variação máxima de vazão entre aspersores ao longo do conduto não ultrapasse dez por cento da vazão nominal selecionada 118 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética De acordo com a Equação 21 a vazão de um aspersor é proporcional à raiz quadrada de sua pressão de serviço Com base nessa proporcionalidade cumprese também a seguinte relação 1 1 2 2 q h q h 419 Através da relação anterior podese deduzir que para uma variação relativa de 10 na vazão do aspersor corresponderá aproximadamente uma variação de 20 na pressão de funcionamento Consequentemente podese garantir uma uniformidade aceitável da irrigação com relação à variação das descargas dos aspersores ao longo da linha lateral sempre que se cumprir a condição empírica de que a diferença máxima de carga entre dois aspersores quaisquer da linha lateral não ultrapasse 20 da pressão nominal adotada para os mesmos Na prática essa condição é conhecida como regra dos 20 e se aplica sempre à diferença máxima de pressão entre as duas extremidades da linha lateral estando esta em nível ou em declividade uniforme Recomendase dimensionar o diâmetro ou diâmetros da linha lateral seguindo a regra dos 20 Assim sendo o diâmetro ou diâmetros comerciais a adotar serão aqueles que proporcionem uma diferença máxima de pressão na linha lateral considerando as perdas de carga por atrito e o desnível geométrico menor ou igual a 20 da pressão nominal selecionada para os aspersores Em função do desnível geométrico da linha lateral a regra dos 20 pode ser expressa de quatro formas distintas 1 Linha lateral sem declividade Z 0 fh 020 h 420 2 Linha lateral ascendente Z 0 hf Z 020 h 421 3 Linha lateral descendente Z hf hf Z 020 h 422 4 Linha lateral descendente Z hf Z hf 020 h 423 Para diminuir o custo das instalações e facilitar o manejo das tubulações laterais portáteis o diâmetro ou diâmetros comerciais a adotar para a linha lateral devem ser os menores possíveis cujas perdas de carga decorrentes cumpram a regra dos 20 Devese ressaltar que o valor de 20 é arbitrário e que ocasionalmente são utilizados valores maiores do que 20 quando a cultura a irrigar não for muito exigente com relação à uniformidade de irrigação Alguns autores recomendam que se deve limitar a velocidade de circulação da água nas linhas laterais a 2 ms No entanto essa recomendação é dispensável já que com a imposição da regra dos 20 a velocidade média da água ao longo da linha lateral praticamente não supera os 2 ms Além do mais devese considerar que a velocidade de entrada na linha lateral da mesma forma que a vazão diminui ao longo da mesma devido à descarga em série que se produz para os aspersores As perdas de carga localizadas ocasionadas nas conexões e juntas de união dos tubos ao longo das linhas laterais são de difícil quantificação O valor individualizado dessa perda é pouco significativo e na prática se supõe incluído na perda de carga contínua que se deve Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 119 majorar com critérios semelhantes aos assinalados ao final da seção 45 No entanto a perda singular produzida na válvula ou hidrante localizado na entrada da linha lateral deve ser considerada separadamente já que seu valor pode variar desde 05 até 30 mca segundo a vazão e tipo de peça utilizada Os valores mais exatos das perdas localizadas nos hidrantes devem ser aqueles recomendados nos catálogos dos fabricantes das correspondentes peças especiais Exemplo 41 Dimensionar uma linha lateral com um único diâmetro a partir dos seguintes dados Linha lateral de PVC com 186 metros de comprimento 16 aspersores separados cada 12 metros com vazão e pressão nominal de 122 m3h e 280 kgcm2 respectivamente Distância do primeiro aspersor ao ponto de origem do ramal 6 m Declividade uniforme ascendente 1 Altura do tubo de subida 10 m Perda de carga localizada na tomada 10 mca A vazão na entrada da linha lateral será Q 16 122 1952 m3h 542 Ls A diferença de carga estática no ramal devido à declividade ascendente é de Z 001 186 186 mca O dimensionamento consiste na determinação do menor diâmetro comercial que cumpra a inequação 421 que indica que h Z 020 h f O valor limite de hf que satisfaz a inequação anterior é igual a 020 28 186 374 mca e portanto a perda de carga ao longo do ramal deve aproximarse desse último valor O coeficiente de redução F obtido a partir do coeficiente m da fórmula de Scobey para N 16 com a distância ao primeiro aspersor igual a S2 é igual a 0356 ver Quadro 47 Para um diâmetro externo de 63 mm com uma espessura de 2 mm a velocidade média será V 195213600 4314 100592 198 ms A perda de carga contínua ao longo da linha lateral para V 198 ms determinada pela fórmula de Scobey Equação 412 será 19 f 11 032 1 h 186 198 1266 387 0059 mca Aplicando o coeficiente de redução F ao valor anteriormente calculado a perda de carga na linha lateral com 16 aspersores será hf 1266 0356 451 mca Esse valor é maior do que a perda de carga admitida para a linha lateral hf 374 mca de modo que o cálculo deve ser repetido comprovando outro tubo de diâmetro comercial imediatamente superior ao testado Para um diâmetro comercial DN 75 diâmetro interno de 71 mm a velocidade média é igual a 137 ms e a perda de carga ao longo da linha lateral será 19 f 11 032 1 h 186 137 0356 183 387 0071 mca 120 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Essa perda de carga satisfaz a inequação 421 e portanto a linha lateral pode ser dimensionada com tubos de PVC DN 75 A carga requerida na tomada da tubulação lateral será igual ao valor da pressão determinada pela Equação 418 mais a perda de carga localizada de 10 mca na entrada da tubulação H 280 075 183 10 1862 10 3230 mca Linha lateral com dois diâmetros Na maioria das vezes a perda de carga admitida ao longo da linha lateral corresponde a um valor intermediário entre as perdas de carga decorrentes de dois tubos comerciais consecutivos como no caso do exemplo anterior Por isso para ajustar completamente a perda de carga real ao longo da linha lateral à perda admitida devese adotar uma tubulação composta de dois diâmetros comerciais consecutivos Como resultado a linha lateral dimensionada terá um custo menor do que aquela dimensionada com um único diâmetro Sendo a perda de carga uma função que varia exponencialmente ao longo da lateral o dimensionamento da tubulação composta de dois diâmetros pode ser obtido a partir de um processo de ajuste iterativo cujo fundamento é explicado a seguir Seja uma linha lateral com dois diâmetros D1 e D2 onde D1 é o menor diâmetro comercial que não ultrapassa o limite estabelecido da perda de carga máxima e D2 é o comercial adjacente inferior conforme ilustrado na Figura 43 as perdas de carga nos trechos 1 e 2 são respectivamente hf1 e hf2 ver Figura 44 O trecho 1 de diâmetro D1 possui N1 aspersores e o trecho 2 de diâmetro D2 possui N2 aspersores Os comprimentos L1 e L2 dos trechos 1 e 2 devem ser múltiplos dos comprimentos unitários de fabricação dos tubos A perda de carga total produzida na linha lateral é igual à soma das perdas hf1 e hf2 O valor de hf2 pode ser determinado diretamente através da metodologia de dimensionamento de uma linha lateral de um diâmetro já que a vazão no trecho 2 diminui desde o valor da vazão total Q2 na origem de L2 até a descarga do último aspersor q No entanto a perda de carga hf1 não pode ser determinada diretamente já que uma parte da vazão transportada no primeiro trecho escoa para o segundo Figura 43 Linha lateral com dois diâmetros Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 121 Figura 44 Ajuste da linha piezométrica em uma lateral com dois diâmetros A perda de carga hf1 pode ser determinada indiretamente pela diferença entre a perda de carga na tubulação de diâmetro D1 de comprimento L com N1 N2 aspersores e a perda de carga correspondente ao trecho 2 com diâmetro D1 Portanto a perda de carga total hf na linha lateral com dois diâmetros será hf hf1 hf2 hf hfD1LN1N2 hfD1L2N2 hfD2L2N2 424 em que hfD1LN1N2 Perda de carga na tubulação de comprimento L de diâmetro D1 com N1 N2 aspersores hfD1L2N2 Perda de carga no trecho 2 da lateral de comprimento L2 de diâmetro D1 com N2 aspersores hfD2L2N2 Perda de carga no trecho 2 da lateral de comprimento L2 de diâmetro D2 com N2 aspersores Os comprimentos correspondentes aos dois trechos de diâmetros distintos a adotar para a linha lateral serão aqueles cuja perda de carga total determinada mediante a expressão 424 seja aproximadamente igual à perda hf admitida de acordo com a regra dos 20 Igualandose a expressão 424 à perda de carga admitida segundo a regra dos 20 obtémse por tentativa os comprimentos correspondentes aos dois diâmetros selecionados Conforme já mencionado anteriormente admitindose a distribuição da perda de carga ao longo de uma linha lateral com um diâmetro de acordo com a curva B da Figura 42 a porcentagem da perda hf que se perde no trecho da tubulação lateral compreendido entre a entrada da linha até o aspersor de pressão média é igual a 75 Em uma linha lateral com dois diâmetros a distribuição da perda de carga ao longo da tubulação lateral será distinta e a porcentagem da perda de carga total passa a ser aproximadamente igual a 63 valor este obtido experimentalmente considerandose a linha lateral composta por dois trechos de comprimentos iguais e diâmetros distintos comercialmente consecutivos Portanto a pressão na entrada da linha lateral determinase pela Equação 425 122 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética H h 063 hf ha Z2 425 em que H pressão requerida na entrada da linha lateral em mca h pressão nominal dos aspersores em mca hf perda de carga ao longo da linha lateral em mca ha altura do tubo de subida em m Z2 diferença de carga estática média devido ao desnível geométrico da linha lateral em metros Ascendente descendente Exemplo 42 Dimensionar a linha lateral do Exemplo 41 anterior com a condição de que a tubulação disponha de dois diâmetros Através do Exemplo 41 comprovase que a perda de carga total admitida ao longo da linha lateral hf 374 mca está compreendida entre as perdas produzidas pelas tubulações de 2½ e de 3 com diâmetros internos iguais a 59 mm e 71 mm respectivamente Assim sendo a linha lateral será composta por tubulações de diâmetros D1 3 e D2 2½ Por tentativa atribuemse valores a L1 N1 e a L2 N2 de maneira que a perda de carga total determinada pela expressão 424 se aproxime ao máximo de 374 mca Caso a perda de carga fosse linear o comprimento L1 seria f2 f 1 f2 f1 h h 451 374 L L 186 53 h h 451 183 m de tal forma que para a primeira tentativa devese supor que N153612 4 aspersores O número de aspersores selecionados para a primeira tentativa deve ser fixado arredondando o resultado para o número inteiro inferior mais próximo 1ª tentativa N1 4 L1 42 m N2 12 e L2 144 m A perda de carga hf D1LN1N2 é igual a 183 mca conforme determinado no Exemplo 41 Para a determinação de hf D1 L2 N2 a vazão será igual a 12 122 1464 m3h V 103 ms e o coeficiente de redução F será igual a 0388 o primeiro aspersor está situado a uma distância igual ao espaçamento S da entrada da lateral Por meio da fórmula de Scobey Equação 412 obtémse 19 f 1 2 2 11 032 1 h D L N 144 103 0388 090 mca 387 0071 Para a determinação de hfD2 L2N2 a velocidade média é igual a 1464 13600 4 1314 100592 149 ms 19 f 2 2 2 11 032 1 h D L N 144 149 0388 222 mca 387 0059 Aplicandose a expressão 424 hf será igual a 183 090 222 315 mca Esse valor é menor do que a perda de carga admitida para a lateral e portanto devese aumentar o comprimento L2 correspondente ao diâmetro de 2½ Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 123 2ª tentativa N1 3 L1 30 m N2 13 e L2 156 m A perda de carga hf D1LN1N2 permanece inalterada e igual a 183 mca Para a determinação de hf D1L2N2 Q 13 122 1586 m3h V 111 ms e F 0384 19 f 1 2 2 11 032 1 h D L N 156 111 0384 111 mca 387 0071 Para a determinação de hf D2L2N2 a velocidade V é igual a 161 ms 19 f 2 2 2 11 032 1 h D L N 156 161 0384 275 mca 387 0059 Mediante a expressão 424 obtémse hf 183 111 275 347 mca que é um valor bastante aproximado da perda de carga admitida para a linha lateral Portanto a tubulação lateral será composta por 30 m 5 tubos de 6 metros de 3 e 156 m 26 tubos de 6 metros de 2½ A carga H requerida na tomada da linha lateral será igual à pressão determinada pela Equação 425 mais a perda localizada na entrada da lateral H 280 063 347 10 1862 10 331 mca Recomendase que a utilização de linhas laterais com dois diâmetros seja limitada exclusivamente aos sistemas fixos visto que nos sistemas portáteis ou semiportáteis o deslocamento desses condutos com dois diâmetros pode ser desgastante 47 Dimensionamento das Linhas Laterias e Tubulações de Derivação dos Sistemas por Gotejamento e Microaspersão O dimensionamento das tubulações de um sistema de irrigação por gotejamento da mesma forma que na irrigação por aspersão é executado seguindo o sentido inverso do fluxo dágua na rede de distribuição Em função dos dados agronômicos básicos do esquema da instalação e do critério de dimensionamento dimensionamse as linhas laterais as tubulações de derivação e os trechos da rede de distribuição da instalação Linhas Laterais As linhas laterais dos sistemas de irrigação por gotejamento são normalmente de tubulações flexíveis de polietileno de baixa densidade de diâmetros nominais compreendidos entre 12 e 25 mm Nos sistemas por microaspersão as linhas laterais são geralmente de polietileno ou de PVC e seus diâmetros variam entre 16 e 40 mm O dimensionamento das linhas laterais consiste no cálculo do diâmetro ou diâmetros das tubulações do comprimento das linhas da vazão e pressão na entrada da lateral e na 124 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética determinação da distribuição destas duas últimas variáveis ao longo da tubulação lateral O funcionamento hidráulico das linhas laterais é análogo ao das tubulações laterais com aspersores Por esse motivo elas são dimensionadas de forma idêntica ao cálculo das tubulações laterais portaaspersores descrito no item 46 A perda de carga na linha lateral é calculada por meio da Equação 416 hf j L F onde j é a perda unitária L é o comprimento da lateral e F é o coeficiente de redução que se obtém segundo o número de emissores da tubulação lateral Quadro 47 A perda unitária j é determinada em função da soma das vazões dos emissores da lateral e do diâmetro selecionado para a tubulação Após a determinação da perda de carga é necessário comprovar se o valor obtido cumpre a restrição de variação de pressão admitida na linha lateral Para tanto utilizamse as inequações 420 421 422 e 423 que correspondem às distintas possibilidades de desníveis geométricos uniformes da lateral sobre o terreno O valor 020 das equações citadas referese à variação admissível de 20 da pressão nominal h do gotejador Para uma restrição de variação de pressão distinta o valor 020 deve ser substituído pela fração correspondente à variação de pressão admitida A pressão requerida na entrada da linha lateral é obtida com o mesmo critério empregado para a determinação da carga requerida na entrada da tubulação portaaspersores Equações 418 e 425 A única diferença é que a linha lateral com gotejadores não necessita de tubos de subida para os gotejadores Tubulação de Derivação A tubulação de derivação é a condução onde são conectadas as linhas laterais O material empregado para a tubulação de derivação que se instala enterrada ou sobre o terreno normalmente é de PVC rígido ou de plástico polietileno O comportamento hidráulico da tubulação de derivação é similar ao de uma linha portaemissores e portanto são válidas todas as equações utilizadas para o dimensionamento das linhas laterais A determinação da perda de carga hf é feita em função da soma das vazões das linhas laterais e do coeficiente de redução F que pode ser obtido diretamente no Quadro 47 segundo o número de saídas da tubulação de derivação Essa tubulação deve ser instalada na direção de maior declividade na subunidade de irrigação para que as linhas laterais sejam posicionadas sensivelmente ao nível do terreno paralelas às fileiras das plantas Quando a tubulação de derivação abastece linhas laterais situadas em ambos os lados da condução e não existindo declividade na direção dessas linhas a tubulação de derivação deve ser posicionada no centro da unidade de irrigação Caso exista desnível na direção das linhas laterais a posição da tubulação de derivação deve ser deslocada para o lado mais alto da subunidade ver Figura 45 Tal deslocamento favorecerá o equilíbrio de pressão nas linhas laterais situadas nos dois lados da tubulação de derivação A posição mais adequada da tubulação de derivação determinase por tentativa comprovandose várias opções de dimensionamento das linhas laterais Segundo ilustrado no esquema da Figura 45 buscase dimensionar ambos os lados da linha lateral de maneira que os valores de H1 e H2 não sejam significativamente diferentes Outra forma de alcançar o equilíbrio de pressões nas linhas laterais abastecidas por um ponto intermediário e que normalmente predomina na prática é dimensionar cada lado da linha lateral com diâmetros diferentes A parte ascendente da lateral terá um diâmetro maior que o diâmetro da parte descendente de acordo com o esquema da Figura 46 Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 125 Figura 45 Variação da perda de carga na linha lateral em um terreno inclinado Figura 46 Variação da perda de carga em uma linha lateral com dois diâmetros A perda de carga total admissível ao longo da tubulação de derivação depende do critério de projeto adotado para a subunidade de irrigação conforme discutido anteriormente no item 342 Normalmente o controle da variação de pressão é realizado mediante uma válvula situada no início da tubulação de derivação As perdas localizadas ao longo da tubulação de derivação não são acentuadas e podem ser estimadas aproximadamente como iguais a 10 da perda de carga contínua Segundo assinalado anteriormente as perdas de carga nas válvulas reguladoras de pressão não devem ser desprezadas já que seus valores são consideráveis perante as perdas totais no sistema Exemplo 43 Dimensionar a instalação da parcela plana da Figura 47 a irrigar por gotejamento cujas características básicas da irrigação já foram determinadas nos Exemplos 32 e 33 Os dados complementares são 126 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Variação máxima da vazão dos gotejadores dentro de cada subunidade de irrigação igual a 10 Cada subunidade de irrigação dispõe de uma válvula reguladora de pressão situada na sua cabeceira Perda de carga na válvula reguladora de pressão 25 mca Os gotejadores são de regime turbulento conectados em linha com espaçamento a cada 15 m Pressão nominal do gotejador 100 mca Pressão disponível na tomada dágua da parcela 150 mca Conforme pode ser observado no esquema da Figura 47 a parcela possui somente uma unidade de irrigação dotada de duas subunidades idênticas que são irrigadas simultaneamente Figura 47 Esquema da parcela de irrigação do Exemplo 43 Dimensionamento das laterais Para os gotejadores que funcionam em regime turbulento a variação máxima de pressão em cada subunidade de irrigação será igual a 020 100 mca 20 mca Admitese portanto que aproximadamente 10 mca se perde ao longo de cada linha lateral e 1 mca ao longo da tubulação de derivação Número total de gotejadores na lateral 9015 60 Vazão no início da lateral 60 4 240 Lh 024 m3h Selecionandose um diâmetro nominal de 16 mm para as tubulações laterais com espessura de 20 mm o diâmetro útil será igual a 12 mm Através da fórmula de Scobey Equação 412 com Ks igual a 032 a perda de carga unitária ao longo do conduto é igual a 00393 mm Essa perda sofre um acréscimo de 16 ver Quadro 32 por conta das perdas localizadas provocadas pelos gotejadores conectados em linha Com o coeficiente de redução F igual a 0348 Quadro 47 a perda total na linha lateral será Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 127 hf 116 00393 mm 90 m 0348 143 mca O valor calculado de hf supera a perda de carga admitida para a tubulação lateral e portanto devese selecionar um diâmetro maior Para um diâmetro nominal de 20 mm cujo diâmetro interno é de 16 mm a nova perda de carga j será igual a 00095 mm A perda total na lateral será hf 116 00095 mm 90 m 0348 035 mca Adotandose linhas laterais com dois diâmetros os comprimentos das tubulações correspondentes a ambos os diâmetros se determinam por aproximações sucessivas mediante a Expressão 424 Para N1 10 L1 15 m Q1 40 Lh N2 50 L2 75 m e Q2 200 Lh hf D1 L N1N2 035 m 19 f 1 2 2 11 032 1 h D L N 116 75 0348 028 021 m 387 0016 19 f 2 2 2 11 032 1 h D L N 116 75 0348 049 084 m 387 0012 hf 035 021 084 098 mca Com o valor de hf determinado anteriormente poderá ser admitida uma perda de carga ao longo da tubulação de derivação de aproximadamente um metro de coluna dágua A pressão requerida na entrada de cada linha lateral será H 100 063 098 106 mca Dimensionamento das linhas de derivação Número de linhas laterais para cada tubulação de derivação 1803 2 120 Coeficiente de redução correspondente a 60 saídas dágua F 0348 Vazão no início da tubulação de derivação 120 024 m3h 288 m3h Para uma tubulação de PVC de 110 mm de diâmetro externo diâmetro interior de 1056 mm a perda de carga unitária será igual a 00082 mm Considerandose um acréscimo de 10 para as perdas localizadas a perda total ao longo da tubulação de derivação será hf 11 00082 mm 180 m 0348 057 mca Para se aproveitar melhor a perda de carga admitida de 102 mca selecionamse os diâmetros de 110 mm e 90 mm diâmetro interior de 864 mm para a tubulação de derivação Para L1 60 m N1 20 D1 110 mm Q1 96 m3h e L2 120 m N2 40 D2 90 mm Q2 192 m3h hf D1 L N1N2 057 m 128 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética 19 f 1 2 2 11 032 1 h D L N 11 120 0349 061 018 m 387 01056 19 f 2 2 2 11 032 1 h D L N 11 120 0349 091 047 m 387 00864 hf 057 018 047 086 mca A pressão requerida na entrada de cada tubulação de derivação será H 106 063 086 1114 mca Dimensionamento da tubulação de distribuição Considerandose a perda de carga localizada na válvula reguladora de pressão a carga requerida no ponto final ou terminal da tubulação de distribuição será H 1114 250 1364 mca A vazão a circular através da tubulação de distribuição é igual à soma das vazões das tubulações de derivação Q 2 288 m3h 576 m3h 160 Ls Esse valor obtido coincide obviamente com a vazão Q calculada no Exemplo 33 O diâmetro da tubulação de distribuição pode ser determinado diretamente em função da diferença H entre a carga disponível na tomada da parcela e a pressão requerida no final da tubulação de distribuição H 1500 1364 136 mca Selecionandose um conduto de PVC a perda de carga na tubulação de distribuição determinada a partir da fórmula de HazenWilliams Equação 411 C 145 será pD 125 mm Di 1200 mm j 00154 mm H 154 mca pD 140 mm Di 1344 mm j 00088 mm H 088 mca Para se aproveitar completamente a carga disponível na tubulação de distribuição esta será composta pelos dois últimos diâmetros citados Os comprimentos Li e Lii das tubulações correspondentes a cada um dos dois diâmetros Di diâmetro menor e Dii são proporcionais às relações existentes respectivamente entre as perdas de carga unitárias ji e jii de ambos diâmetros consecutivos e a requerida pelo trecho j ver Equações 426 e 427 ii i i ii L j j L j j 426 Lii L Li 427 A perda unitária disponível na tubulação de distribuição é igual a 136100 00136 Os comprimentos L1 e L2 correspondentes respectivamente ao diâmetro menor 125 mm e ao diâmetro maior 140 mm serão Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 129 1 00136 00088 L 100 73 m 00154 00088 L2 100 73 27 m 48 Dimensionamento das Tubulações Principais e Secundárias Redes de Distribuição 481 Introdução Os condutos de transporte dágua sob pressão são denominados em alguns projetos e em algumas referências bibliográficas como tubulações principais e secundárias segundo a posição que ocupam no esquema da instalação do sistema de irrigação Nesse esquema estão incluídas tanto as tubulações de distribuição que abastecem diretamente as linhas laterais dentro das parcelas como os condutos que unem essas tubulações com a fonte de água do sistema de irrigação Toda essa infraestrutura de tubulações principais e secundárias às vezes também se subdividem em tubulações terciárias e outras de menor ordem será denominada aqui como rede de distribuição Essa terminologia evita a confusão que sempre se faz na ordenação das tubulações linhas de recalque adutoras linhas principais tubulações mestras linhas secundárias terciárias etc e facilita a compreensão dos métodos de dimensionamento das redes de irrigação que serão descritos neste e no Capítulo 8 Assim sendo todas as tubulações das redes de distribuição sem nenhuma distinção serão designadas por trechos trajetos parciais nos quais a vazão é constante numerados para identificálos nos métodos de dimensionamento a serem empregados A extensão das redes de distribuição é função da superfície que se pretende beneficiar As redes podem ser constituídas a partir de uma simples tubulação de distribuição semiportátil que alimenta diretamente as laterais de um sistema individual de uma parcela ver Figura 47 até uma rede coletiva ramificada com dezenas de trechos que abastece os múltiplos lotes de um perímetro irrigado As metodologias de dimensionamento das redes de distribuição que serão descritas neste e no Capítulo 8 utilizam uma nomenclatura específica na qual as distintas partes da rede são designadas por Trecho Compreende cada um dos percursos da rede de distribuição nos quais a vazão permanece constante trechos 1 2 3 4 e 5 da Figura 410 Nó Ponto de conexão entre dois trechos Nos nós se produzem modificações na vazão circulante devido à existência de tomada dágua para irrigação Nó de derivação Nó que conecta três ou mais trechos nó 5 da Figura 410 Em um nó de derivação a vazão circulante é distribuída para os diversos trechos derivados Terminais São os pontos finais da rede Coincidem com as posições extremas das linhas laterais dentro das unidades ou parcelas de irrigação terminais 1 e 3 da Figura 410 Ramal Conjunto de trechos conectados em série sem nenhum nó de derivação trechos 3 4 e 1 2 da Figura 410 Artérias Percursos principais da rede de distribuição formados por ramais agrupados em série trechos 1 2 5 3 4 5 3 4 e 1 2 da Figura 410 130 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Traçado da rede Configuração da distribuição das tubulações com a definição da situação topográfica de todos os seus componentes Cabeceira da rede Origem da rede de distribuição que coincide com o ponto inicial do sistema de transporte pressurizado onde se estabelece em alguns casos uma captação direta da água No entanto na maioria dos casos fazse necessário instalar uma estação de bombeamento para fornecer a pressão requerida pela rede O dimensionamento da rede de distribuição dos sistemas de irrigação pressurizados aspersão convencional canhão pivô central gotejamento microaspersão etc consiste na determinação do diâmetro correspondente a cada trecho de forma que seja fornecida a vazão requerida em todas as tomadas de irrigação à pressão adequada e que o custo da instalação seja o menor possível Esse dimensionamento requer primeiramente a definição do traçado das tubulações a determinação das pressões e vazões nas tomadas das linhas laterais ou nas tomadas dágua das parcelas irrigadas e o cálculo das vazões a serem transportadas por todos os trechos da rede hidráulica As vazões dos trechos terminais trechos situados dentro das parcelas de irrigação que abastecem diretamente as linhas laterais portáteis são determinadas em função das posições mais desfavoráveis dessas tubulações dentro das parcelas As posições mais desfavoráveis das linhas laterais são aquelas que demandam as máximas vazões ao longo dos trechos terminais Seja o exemplo da Figura 48 no qual duas linhas laterais portáteis ocupam diversas posições de forma rotativa ao longo da tubulação de distribuição Nesse esquema uma linha lateral é deslocada por um lado da parcela em um sentido e a outra se desloca pelo lado contrário no sentido oposto Na situação A da Figura 48 as duas laterais se encontram em extremidades opostas e a vazão ao longo da tubulação é igual a Q2 onde Q é a vazão total requerida na parcela A outra situação extrema ocorre quando as duas laterais estão situadas em lados contrários no meio da parcela de acordo com a situação B da Figura 48 Nessa posição a vazão total Q abastecerá o trecho 12 e pelo trecho 23 não circulará nenhuma quantidade dágua Portanto para atender a essas duas situações extremas a vazão total Q será repartida ao longo da tubulação de distribuição de modo que pelo trecho 12 circule a vazão Q e pelo trecho 23 circule Q2 Dessa forma e para qualquer que seja o número de laterais da parcela de irrigação é necessário comprovar o esquema de distribuição mais desfavorável das linhas laterais para definir as vazões máximas que serão transportadas pelos trechos terminais da tubulação principal de distribuição Quando a rede de distribuição abastece um grupo de parcelas as vazões transportadas pelos trechos situados a montante das tubulações terminais de distribuição se obtêm mediante algoritmos baseados em funções estatísticas ou simplesmente por acumulação direta das vazões de cada parcela Nos perímetros irrigados pressurizados à demanda as vazões máximas transportadas pelos trechos da rede de distribuição devem ser calculadas com base em critérios probabilísticos já que as distintas parcelas abastecidas por cada artéria são irrigadas de forma mais ou menos aleatória com o tempo Os detalhes sobre o cálculo das vazões de projeto das redes coletivas de irrigação à demanda são abordados no Capítulo 5 Cada trecho da rede de distribuição se caracteriza hidraulicamente por seu diâmetro D que possui a peculiaridade de ser uma variável discreta pela vazão transportada Q pela velocidade média da água V e pela perda de carga hf correspondente Essas quatro variáveis relacionamse entre si através da equação da continuidade Q VπD24 e da equação da perda de carga máxima admissível hf fVD Como a vazão transportada é um dado conhecido o dimensionamento de cada trecho da rede de distribuição se caracteriza por possuir duas equações e três incógnitas D V e hf Portanto o cálculo dos diâmetros dos Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 131 trechos das redes de distribuição é indeterminado significando assim que existirão inúmeras soluções que poderão atender aos requerimentos hidráulicos dos sistemas de irrigação Figura 48 Vazão Q repartida ao longo da tubulação principal de distribuição A indeterminação hidráulica do problema pode ser superada impondose o critério de que o custo total da rede de distribuição custo de investimento e operação seja mínimo As metodologias de dimensionamento das redes de distribuição baseadas nesse critério são atualmente as mais empregadas No entanto é possível também resolver a indeterminação antes mencionada adotandose um critério de restrição hidráulica ao sistema mediante o estabelecimento de uma velocidade recomendável ou de uma perda de carga linear em cada artéria da rede de distribuição Com base nesse critério clássico de adotar restrição hidráulica ao sistema existe o método de dimensionamento de redes de distribuição ramificadas conhecido como método da perda de carga unitária constante Esse método trata de dimensionar cada trecho da rede de distribuição com o menor diâmetro comercial que atenda à restrição adotada Apesar de sua importância atual ser reduzida já que estão sendo substituídos pelas metodologias de otimização econômica esse método aproximado é ainda empregado no dimensionamento de redes de distribuição de poucos trechos O método da perda de carga unitária constante é descrito no item seguinte enquanto que no Capítulo 8 se expõe a metodologia de otimização econômica 482 Método da Perda de Carga Unitária Constante Entre os métodos clássicos de cálculo o de maior aceitação prática é o da perda de carga unitária constante empregado especialmente quando se conhece a altura manométrica ou cota piezométrica disponível na cabeceira da rede de distribuição Mediante esse método o diâmetro de cada trecho é selecionado de maneira que a perda de carga unitária correspondente seja aproximadamente igual à perda média disponível na artéria que contém o trecho considerado Essa metodologia pode ser sintetizada nas seguintes etapas 132 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética 1ª Localizase o terminal aparentemente mais desfavorável da rede de distribuição O terminal mais desfavorável é o que resulta da pior combinação entre a maior distância à cabeceira e o maior requerimento de cota piezométrica 2ª Definese a artéria principal da rede de distribuição que é aquela que une o terminal mais desfavorável à cabeceira da rede 3ª Calculase a perda de carga unitária média j disponível na artéria principal em função da cota piezométrica disponível na cabeceira da rede Hc da cota piezométrica requerida no terminal mais desfavorável Hi e do comprimento correspondente à artéria principal L c i H H j L 428 4ª Determinase o diâmetro teórico requerido para o primeiro trecho da artéria principal contado no sentido de circulação da água em função da vazão transportada pelo trecho do seu comprimento e da perda de carga unitária média da artéria O diâmetro a adotar para esse primeiro trecho será o diâmetro comercial imediatamente inferior ao diâmetro teórico calculado Caso o comercial adotado para o trecho consecutivo a jusante seja maior que o diâmetro selecionado para o trecho considerado adotase outro diâmetro para o trecho em questão mesmo que seu valor supere o do teórico calculado Para o diâmetro comercial adotado calculase a velocidade média e verificase se seu valor não ultrapassa o limite de velocidade máxima admitido para o correspondente diâmetro Caso tal limite seja superado substituise o diâmetro comercial adotado por um consecutivo superior que atenda à restrição de velocidade máxima 5ª Calculase a perda de carga total hf1 correspondente ao diâmetro comercial adotado para o primeiro trecho de comprimento L1 Comprovase com o valor obtido da perda de carga se a cota piezométrica disponível no nó situado imediatamente a jusante do trecho considerado não é superada pela cota piezométrica requerida nesse nó Caso isso aconteça selecionase um diâmetro comercial consecutivo superior para o trecho considerado cuja perda de carga não comprometa a cota piezométrica disponível no referido nó A partir do valor de hf1 obtido determinase a nova perda de carga unitária média disponível na artéria formada pelos trechos que restam até o terminal c i f1 1 H H h j L L 429 6ª Com a nova perda de carga unitária média se obtém o diâmetro comercial do segundo trecho da artéria principal seguindo a mesma metodologia utilizada para o dimensionamento do primeiro O processo de cálculo se repete até alcançar o último trecho da artéria trecho terminal O trecho terminal da artéria deve ser composto por dois diâmetros comerciais para que a soma das perdas de carga correspondentes a esses dois diâmetros se ajuste ao valor da perda de carga disponível no último trecho Os comprimentos Li e Lii das tubulações correspondentes a cada um dos dois diâmetros Di diâmetro menor e Dii do trecho terminal podem ser determinadas pelas Equações 426 e 427 7ª Após a determinação dos diâmetros da primeira artéria localizase um novo terminal desfavorável e se define outra artéria cuja cabeceira coincidirá com um nó da artéria já calculada Com isso a cota piezométrica da cabeceira da nova artéria será igual à cota Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 133 piezométrica do nó de derivação da artéria já calculada Os diâmetros dos trechos da nova artéria se determinam seguindo a mesma metodologia utilizada para a obtenção dos diâmetros da primeira O processo de cálculo se repete até que todas as artérias da rede de distribuição estejam dimensionadas Exemplo 44 Dimensionar a rede de distribuição da área irrigada por aspersão esquematizada na Figura 49 utilizando o método da perda de carga unitária constante Os dados necessários para o cálculo são Os tubos serão de um material cujo coeficiente de rugosidade de HazenWilliams C é igual a 140 As perdas de carga nas peças de conexão curvas reduções tês etc são consideradas desprezíveis neste exemplo A descarga e pressão requeridas na entrada de cada lateral são iguais respectivamente a 178 m3h e 335 mca A perda de carga singular nos hidrantes situados nas tomadas das linhas laterais é de 15 mca A altura manométrica de bombeamento disponível para recalcar a vazão máxima requerida pela rede de distribuição é igual a 460 mca Figura 49 Esquema da área irrigada do exemplo 44 À pressão de 335 mca requerida na entrada de cada lateral devese acrescentar a perda de carga localizada de 15 mca no hidrante Portanto a pressão mínima requerida à entrada das linhas laterais será igual a 350 mca A Figura 410 mostra o traçado da rede de distribuição com os dados complementares necessários para seu dimensionamento que se encontram sintetizados no Quadro 48 Os valores das colunas 4 e 5 desse quadro se referem respectivamente às cotas do terreno e às pressões requeridas nos nós situados imediatamente à jusante de cada trecho correspondente A cota piezométrica mínima do nó coluna 6 situado imediatamente à jusante de cada trecho é igual à cota do terreno coluna 4 mais a pressão requerida no nó coluna 5 134 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura 410 Traçado da rede de distribuição do Exemplo 44 Quadro 48 Dados referentes à rede de distribuição da Figura 410 Trecho Comprimento Vazão Cota P requerida Piezométrica mínima m m3h m mca mca 1 88 178 106 350 1410 2 400 356 104 350 1390 3 88 178 104 350 1390 4 100 356 103 350 1380 5 350 712 102 350 1370 A cota piezométrica disponível na cabeceira da rede de distribuição é igual a 1460 metros corresponde à cota do terreno 100 m mais a altura manométrica disponível nesse ponto 46 metros O cálculo começa considerandose o terminal 1 a jusante do trecho 1 como o mais desfavorável da rede Assim sendo a primeira artéria estará composta pelos trechos 1 2 e 5 A perda de carga unitária média na primeira artéria é de 0006 mm obtida através do quociente entre a perda de carga total disponível na artéria 146 m 141 m e seu comprimento 838 m O diâmetro teórico Dt do primeiro trecho trecho 5 da artéria principal se determina em função dos seguintes dados L 350 m Q 712 m3h j 0006 mm e C 140 A partir da fórmula de HazenWilliams se obtém Dt 160 mm Com base na metodologia do dimensionamento etapa 4 atribuise ao trecho 5 o diâmetro comercial consecutivo inferior D 150 mm Com o diâmetro de 150 mm a velocidade média e a perda de carga total no trecho 5 serão respectivamente 112 ms e 287 mca Para esse valor da perda de carga a cota piezométrica disponível no nó 5 será igual a 14313 mca 14600 287 que é maior do que a cota piezométrica mínima requerida nesse nó e nos situados a jusante A velocidade de 112 ms atende também à restrição de velocidade máxima admitida Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 135 A perda de carga média unitária da parte restante da artéria principal é ajustada descontando a perda de carga produzida no trecho 5 Portanto a nova perda de carga unitária para o percurso formado pelos trechos 2 e 1 será igual à diferença entre a nova cota disponível na cabeceira do trecho 2 14313 mca e a cota piezométrica do nó 1 14100 mca dividida pelo comprimento total dos trechos 1 e 2 488 m O resultado é igual a 00044 mm O trecho seguinte da artéria principal trecho 2 é dimensionado a partir dos dados Q 356 m3h L 400 m j 00044 mm e C 140 Mediante a fórmula de HazenWilliams obtémse Dt 131 mm O diâmetro real adotado para o trecho 2 será o diâmetro comercial de 125 mm Esse valor cumpre a restrição de que o diâmetro de um trecho determinado não deve ser maior que o diâmetro calculado para o trecho consecutivo a montante A velocidade e a perda de carga total no trecho 2 são iguais respectivamente a 081 ms e 221 mca A velocidade obtida atende com folga à restrição de velocidade e com essa perda de carga calculada a cota piezométrica disponível na cabeceira do trecho 1 é igual a 14092 mca 14313 221 Esse valor é insuficiente para atender às pressões requeridas no trecho 1 já que no nó 1 a cota piezométrica mínima de funcionamento é de 1410 mca Portanto devese diminuir a perda de carga no trecho 2 e para isso atribuise o diâmetro comercial de 150 milímetros Com o diâmetro de 150 mm atribuído ao trecho 2 a velocidade e a perda de carga são iguais respectivamente a 056 ms e 091 mca A cota piezométrica disponível na cabeceira do trecho 1 será portanto igual a 14222 mca 14313 091 Para o último trecho da artéria principal trecho 1 a perda de carga total disponível é igual a 122 mca 14222 14100 e a perda de carga unitária média assume o valor de 00139 mm 12288 Com a perda de carga unitária de 00139 mm a vazão de 178 m3h e o comprimento de 88 m o diâmetro teórico do trecho 1 é aproximadamente igual a 80 mm que é um dos comercialmente disponíveis no mercado A perda de carga total do trecho 1 com o diâmetro de 80 mm é igual a 118 m Assim a cota piezométrica disponível no terminal 1 será igual a 14104 mca 14222 118 que é praticamente igual ao valor da cota piezométrica mínima requerida nesse terminal Em seguida são dimensionados os trechos 3 e 4 correspondentes à segunda e última artéria da rede de distribuição A cabeceira dessa artéria coincide com o nó 5 cuja cota piezométrica disponível é igual a 14313 mca A perda de carga unitária média da segunda artéria será 14313 m 13900 m j 0022 mm 188 m Para o trecho 4 o diâmetro teórico calculado em função de Q 356 m3h L100 m j 0022 mm e C 140 é igual a 94 mm Adotandose o diâmetro de 80 mm para este trecho a velocidade média e a perda de carga total no trecho são iguais respectivamente a 197 ms e 485 mca Com essa perda de carga a cota piezométrica disponível na cabeceira do trecho 3 é igual a 13828 mca 14313 485 Esse valor é sensivelmente superior à cota piezométrica mínima requerida no final do trecho 4 13800 mca mas é insuficiente para atender às pressões requeridas no trecho 3 Portanto devese aumentar o diâmetro correspondente ao trecho 4 136 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Adotandose para o trecho 4 o diâmetro de 100 mm a perda de carga total no trecho será igual a 164 mca e a cota piezométrica disponível no nó 4 cabeceira do trecho 3 será igual a 14149 mca 14313 164 A perda de carga unitária no trecho 3 será igual a 14149 m 13900 m j 00283 88 m mm Para Q 178 m3h L 88 m e j 00283 mm o diâmetro teórico do trecho 3 é igual a 686 mm Esse trecho que é o último da artéria considerada será portanto composto pelos dois diâmetros comerciais imediatamente inferior 60 mm e superior 70 mm ao diâmetro teórico calculado Os comprimentos L1 e L2 correspondentes respectivamente aos diâmetros de 60 mm e de 70 mm são obtidos mediante as Equações 426 e 427 onde as perdas de carga unitárias j1 e j2 correspondentes respectivamente aos diâmetros de 60 mm e 70 mm são iguais a 00547 e 00258 1 00283 00258 L 88 7 m 00547 00258 L2 88 7 81m A perda de carga total no trecho 3 será portanto igual a hf3 81 00258 7 00547 247 mca O valor calculado anteriormente como não poderia ser diferente coincide praticamente com a perda de carga total disponível no trecho 3 que é igual a 249 mca 14149 13900 Na prática não é conveniente dividir um trecho de 88 metros em duas partes uma de 81 e a outra de 7 metros Em tal caso se adotaria o trecho inteiro com 88 metros com tubos de 70 mm O Quadro 49 apresenta os resultados do dimensionamento da rede de distribuição pelo método da perda unitária constante Observase nos valores da coluna 6 desse quadro que as pressões disponíveis nos nós 2 4 e 5 ultrapassam respectivamente em 322 mca 349 mca e 613 mca as pressões requeridas nos mesmos Isso é inevitável de suceder principalmente quando a área a irrigar possui mais de uma parcela acentuandose mais ainda quando a topografia é heterogênea como é o caso do exemplo considerado Quando a variação da pressão ao longo da tubulação que abastece diretamente as linhas laterais é significativa devese dispor de válvulas com reguladores de pressão nas tomadas destas Os tubos de subida ou portaaspersores poderão estar dotados também de válvulas para regular a pressão de cada aspersor separadamente Para se obter uma uniformidade aceitável dentro da superfície da parcela irrigada devese estabelecer a regra dos 20 também para todos os aspersores situados nas distintas posições das linhas laterais no interior da parcela Isso significa que rigorosamente se deve comparar a variação da pressão dos aspersores que recebem maiores e menores cargas dentro da parcela e verificar se essa variação não ultrapassa a porcentagem admitida da pressão Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 137 nominal dos aspersores Em termos práticos admitese uma variação máxima da pressão ao longo da tubulação que abastece diretamente as linhas laterais de até 15 da pressão nominal dos aspersores Essa variação da pressão que depende das perdas de carga e do desnível geométrico ao longo da tubulação é arbitrária e se admitem valores superiores quando a cultura tolera uma uniformidade de irrigação relativamente baixa Quadro 49 Resultados do dimensionamento da rede Trecho D L V hf Pres Disp PiezDisp mm m ms mca mca mca 1 2 3 4 5 6 7 1 80 88 098 118 3504 14104 2 150 400 056 091 3822 14222 3 60 7 175 247 3502 13902 70 81 128 4 100 100 126 164 3849 14149 5 150 350 112 287 4113 14313 49 Tipos de Tubos A escolha adequada dos tipos de tubo é imprescindível para o bom dimensionamento das linhas laterais e das redes de distribuição dos sistemas de irrigação Para a seleção adequada das tubulações devem ser considerados vários fatores tais como diâmetros custo dos tubos pressões de trabalho cargas externas que poderão atuar sobre as tubulações custo de instalação manutenção qualidade da água a transportar e características do terreno onde serão instalados os condutos Os tipos de tubo encontrados nos pequenos e grandes sistemas de irrigação são normalmente de plástico de alumínio de aço galvanizado e de ferro fundido Os tubos de ferro fundido possuem aplicação bastante restrita nos sistemas de irrigação os de alumínio e de aço galnanizado cada dia se utilizam menos e os tubos de plástico PVC polietileno e os reforçados externamente com fibra de vidro e resina poliéster RPVC são os que predominam na grande maioria dos sistemas implantados atualmente no mundo Em seguida comentase resumidamente a aplicação de cada um dos tipos de tubo de plástico como também são descritas suas principais características técnicas PVC As tubulações de PVC cloreto de polivinil são bastante empregadas nas linhas laterais dos sistemas de aspersão convencional como também nas redes fixas de distribuição de água para diâmetros nominais inferiores ao DN 500 O diâmetro nominal DN é um simples número que serve como designação para projeto e para classificar em dimensões os elementos de tubulação tubos conexões anéis de borracha e acessórios e que corresponde aproximadamente ao diâmetro interno dos tubos em milímetros O diâmetro nominal DN não deve ser objeto de medição nem ser utilizado para fins de cálculos hidráulicos A grande vantagem do PVC é o seu baixo peso que torna mais barato o custo de transporte e de instalação além das facilidades de manejo nos deslocamentos das linhas laterais portáteis Outras vantagens apresentadas pelo plástico são sua alta resistência à corrosão sua resistência ao ataque químico de águas impuras e a baixa rugosidade das paredes do tubo Como desvantagem podese ressaltar que a resistência mecânica dos tubos diminui com o tempo e com o aumento da temperatura Os tubos de PVC que são instalados sobre o 138 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética terreno expostos ao sol possuem uma vida útil bem menor do que aqueles que são instalados enterrados As tubulações de PVC dos sistemas portáteis e semiportáteis estão disponíveis nas bitolas de 1 2 e 3 polegadas com classe de pressão PN 80 pressão nominal de 80 mca São dotadas de engates rápidos para facilitar a montagem e desmontagem dos tubos Essas conexões devem proporcionar além da facilidade de manejo uma boa vedação das uniões para evitar perdas dágua no sistema Os engates rápidos existentes são de dois tipos mecânico e hidráulico O engate mecânico possui na extremidade macho do tubo dois ganchos com alavancas que se engatam fortemente na extremidade fêmea do tubo adjacente conforme se observa na Figura 411a A extremidade fêmea do tubo possui um anel de borracha que é pressionado pelas pontas da extremidade macho do tubo adjacente garantindo assim a vedação da união No engate do tipo hidráulico a vedação da tubulação é proporcionada pela pressão hidráulica que atua sobre uma junta de lábio duplo em forma de V existente em uma das pontas do tubo ver Figura 411b A vedação da união é alcançada quando a pressão hidráulica supera 10 atm Os engates do tipo hidráulico são mais práticos porque permitem que a conexão seja realizada a uma certa distância sustentando os tubos nas suas partes centrais Assim sendo os engates hidráulicos são mais adequados para as conexões das linhas laterais portáteis já que estas são manejadas com maior frequência Os engates do tipo mecânico por serem mais resistentes se empregam nas tubulações de distribuição semiportáteis que são pouco transportadas durante a campanha de irrigação Figura 411 Tubos portáteis com engates rápidos Alguns engates rápidos utilizados nas linhas laterais dos sistemas de aspersão convencional possuem válvulas que permitem a conexão direta dos tubos portaaspersores ou de subida As tubulações de PVC empregadas nas redes de distribuição de água são de vários tipos As de junta elástica JE estão disponíveis nos diâmetros nominais DN 50 75 100 125 e 150 para pressões de serviço PN 40 60 e 80 As de junta soldáveis PBL estão disponíveis para diâmetros que variam de DN 35 a DN 150 para PN 40 60 e 80 Para as redes de tubulações fixas de maior porte empregamse os tubos de PVC DEFoFo de cor azul ver Figura 412 com diâmetros externos equivalentes aos dos tubos de ferro fundido Estão disponíveis para os diâmetros nominais DN 100 150 200 250 300 350 400 e 500 O Quadro 410 apresenta a gama de diâmetros de PVC DEFoFo para a classe de pressão PN 125 de acordo com a norma NBR 5647 de 1999 no qual se observa os Dimensionamento das Tubulações das Redes de Irrigação 139 diâmetros nominais e internos dos tubos Os diâmetros internos são os que efetivamente devem ser empregados nos cálculos hidráulicos para o dimensionamento das tubulações Figura 412 Tubo de PVCDEFoFo Quadro 410 Tubos de PVCDEFoFo PN 125 NBR 5647 1999 Bitolas Dimensões Massa kgm DN Nº DE mm DI mm Espessura mm Comprimento M 100 118 1084 48 6 2670 150 170 1564 68 6 5500 200 222 2042 89 6 10966 250 274 2520 110 6 13920 300 326 2998 131 6 19855 350 378 3476 152 6 400 4299 3955 172 6 500 532 4894 213 6 Polietileno Esses tubos se dividem basicamente em dois tipos os de polietileno linear de baixa densidade PELBD e os de polietileno de alta densidade PEAD Os de baixa densidade são tubulações flexíveis de pequenos diâmetros empregados nas linhas laterais e nos trechos das redes de distribuição de menores diâmetros dos sistemas de irrigação localizada tubulações terciárias Estão disponíveis comercialmente em rolos e seus diâmetros nominais empregados são os DN 12 16 20 25 32 e 40 As tubulações de polietileno de baixa densidade possuem algumas vantagens consideráveis com relação aos tubos de PVC são bem mais resistentes às intempéries se instalam normalmente sobre o terreno são flexíveis mais fáceis de serem instaladas e menos frágeis Em contrapartida são mais caras do que as de PVC e na atualidade só é economicamente viável para diâmetros menores do que 50 mm Os tubos de polietileno mais empregados nos sistemas de irrigação localizada gotejamento microaspersão etc são de baixa densidade São fabricados a alta pressão 2000 kgcm2 e possuem maior resistência à fissuração e à flexibilidade do que os de alta densidade que são fabricados a baixa pressão 20 kgcm2 O Quadro 411 apresenta os valores das espessuras dos tubos de polietileno de baixa densidade para adm de 32 kgcm2 em função dos diâmetros até 200 mm e das pressões nominais segundo a norma europeia UNE 5313182 140 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Quadro 411 Espessura dos tubos de polietileno de baixa densidade segundo seus diâmetros e pressões nominais UNE 5313182 Diâmetro Pressão nominal kgcm2 Nominal mm 4 6 10 10 20 12 20 16 20 22 20 20 28 25 20 23 35 32 20 29 44 40 24 37 55 50 30 46 69 63 38 58 86 75 45 68 103 90 54 82 123 110 66 100 151 125 74 114 171 140 83 127 192 160 95 146 219 180 107 164 246 200 119 182 273 Tubulações metálicas Os tubos de alumínio e aço galvanizado se empregam principalmente nas linhas laterais e nas tubulações principais dos sistemas de aspersão portáteis e semiportáteis Comparados com os tubos de aço galvanizado os de alumínio são mais leves mais resistentes à corrosão trabalham com menores pressões hidráulicas são mais caros e menos resistentes aos choques externos Atualmente os tubos de alumínio e de aço galvanizado se utilizam cada vez menos em decorrência da maior competitividade dos tubos de PVC rígido A resistência a altas pressões é a característica principal dos tubos de ferro fundido que suportam pressões de trabalho de até 30 atm O custo dos tubos é bastante elevado comparado com os tubos dos demais materiais Por essa razão a utilização das tubulações de ferro fundido está restrita a determinados trechos das grandes redes cujas condições de trabalho são bastante desfavoráveis altas pressões grande inclinação do terreno cargas externas elevadas etc Capítulo 5 PERÍMETROS DE IRRIGAÇÃO PRESSURIZADOS 51 Introdução Os perímetros irrigados dotados de sistemas de irrigação sob pressão abastecidos por redes coletivas pressurizadas vêm substituindo desde o final da década de 1970 os sistemas coletivos clássicos de distribuição de água por gravidade através de canais A grande facilidade e flexibilidade do manejo da irrigação à demanda mediante os diversos sistemas de irrigação pressurizados existentes associada à economia global da quantidade de água consumida nesse tipo de abastecimento justificam o predomínio dos perímetros irrigados pressurizados com respeito aos projetos de irrigação com redes de canais Como consequência disso existe atualmente um grande desenvolvimento tecnológico com relação a novos equipamentos e novas metodologias de projeto de sistemas coletivos de irrigação pressurizados Os pioneiros em tal desenvolvimento foram os franceses que seguidos dos espanhóis e italianos implantaram grandes perímetros irrigados pressurizados em regiões de clima mediterrâneo no sul da Europa Espanha França Itália Grécia etc e no norte da África Marrocos Argélia Tunísia etc Um sistema coletivo de irrigação pressurizado se compõe fundamentalmente de uma estação de bombeamento com um dispositivo de regulação e controle e da rede coletiva de distribuição com suas peças especiais de controle do fluxo dágua A estação de bombeamento também denominada estação elevatória de recalque ou sistema de impulsão abastece a rede de distribuição coletiva de tubulações fixas e enterradas que transporta as vazões até as tomadas ou hidrantes localizados nas entradas das parcelas de irrigação Cada parcela é irrigada individualmente com um sistema de irrigação pressurizado que pode ser por aspersão convencional por aspersão mecanizada por gotejamento microaspersão etc A Figura 51 mostra um esquema de um perímetro irrigado abastecido por um sistema coletivo de irrigação pressurizado Às vezes o perímetro irrigado é dividido em vários setores de dezenas centenas ou milhares de hectares que são abastecidos por um grande canal denominado canal de adução ou canal adutor O canal adutor recebe a água de um manancial e a transporta através da região a ser beneficiada pela irrigação servindo também de reservatório de regularização para os vários setores do perímetro Os setores do perímetro por sua vez dispõem de estações elevatórias nas suas cabeceiras que se abastecem do canal adutor ver Figuras 52 e 53 No item seguinte são descritos resumidamente os condicionantes básicos que devem ser considerados nos projetos de um sistema coletivo de irrigação pressurizado Os itens 53 e 54 tratam respectivamente das técnicas de traçado das tubulações de distribuição e da metodologia de cálculo das vazões transportadas pelos trechos das redes coletivas de distribuição O cálculo ou dimensionamento dos diâmetros das tubulações das redes coletivas deve ser sempre executado através dos métodos de otimização econômica ver no Capítulo 8 método Lenhsnet 142 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética X X X X X X X X X X X Terminais Rede Coletiva de Distribuição Estação de Bombeamento Canal Figura 51 Esquema de um perímetro de irrigação pressurizado Figura 52 Canal adutor e estação de bombeamento secundária de um dos setores do perímetro irrigado Senador Nilo Coelho Petrolina Brasil 52 Condicionantes Básicos 521 Disposição das Parcelas de Irrigação e Posição dos Pontos de Tomada Dágua Uma das etapas iniciais de um projeto de um sistema coletivo de irrigação perímetro de irrigação consiste em delimitar as unidades das parcelas ou lotes a serem irrigados Em paralelo são fixadas as localizações dos pontos de tomada dágua que podem ser posicionados dentro ou nas extremidades das parcelas Perímetros de Irrigação Pressurizados 143 Figura 53 Canal adutor e estação de bombeamento secundária do perímetro irrigado de Gravatá Paraíba Brasil Os pontos de tomada dagua são dotados geralmente de uma válvula de passagem um regulador de pressão um limitador de vazão um registro do volume de água consumido hidrômetros e uma ventosa para eliminar o ar que ocasionalmente se acumula nos aparelhos Na tomada de água da parcela podese dispor de uma válvula multifuncional cujo custo é cada vez mais acessível Esta é dotada de dois pilotos um para controlar a vazão e o outro para reduzir a pressão excedente ver Figura 54 A válvula multifuncional é instalada junto a um hidrômetro que mede o volume consumido ao longo do tempo ver Figuras 55 e 56 Figura 54 Válvula multifuncional Figura 55 Hidrômetro 144 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura 56 Tomada dágua da parcela A delimitação dos lotes ou parcelas depende dos sistemas de irrigação que serão empregados dos tipos de culturas mais prováveis a implantar e da importância social e econômica do perímetro A partir de uma análise detalhada desses aspectos são estabelecidas as dimensões médias das várias parcelas do perímetro A maioria dos perímetros irrigados no mundo possuem suas parcelas com áreas que geralmente variam entre 2 e 20 hectares havendo um predomínio de superfícies em torno de 7 ha Existem também muitos perímetros com parte de suas áreas destinadas a glebas com superfícies compreendidas na maioria dos casos entre 20 e 400 hectares destinadas a agroindústrias e empresas de exploração agropecuária A posição da tomada dágua para cada parcela ou grupo de parcelas deve ser escolhida em função de fatores econômicos hidráulicos e funcionais Às vezes é necessário dispor de um hidrante para mais de uma parcela no máximo quatro devido ao elevado custo desse equipamento É conveniente que os hidrantes sejam posicionados quando possível nas extremidades mais altas das unidades para evitar perdas de carga por desnível geométrico nas parcelas Em uma grande parcela relativamente plana a tomada deve ser localizada no centro da área para melhor aproveitar a pressão hidráulica destinada a alimentar os equipamentos de irrigação Devese procurar posicionar o hidrante em um local que disponha de fácil acesso para as estradas vicinais ou de serviço do perímetro irrigado Evidentemente nem sempre será possível atender conjuntamente às orientações antes mencionadas Caberá portanto ao engenheiro projetista procurar alcançar uma distribuição que atenda às recomendações mais importantes com relação às condições particulares da região em questão 522 Modalidade de Irrigação Existem duas modalidades distintas de distribuição de água às parcelas de um perímetro de irrigação por turnos e à demanda Na irrigação por turnos o abastecimento dágua aos irrigantes se realiza mediante turnos dias e horários préestabelecidos fixados em função da distribuição das vazões para todas as parcelas do perímetro Com exceção do dia e horário de seu turno o agricultor está impossibilitado de irrigar seu lote No caso em que uma ou mais parcelas irrigassem fora dos horários dos turnos estabelecidos aumentaria a demanda de água fixada para a rede de distribuição provocando maiores perdas de carga em algumas artérias da rede coletiva Como consequência em algumas parcelas ou algum setor do perímetro irrigado situado em zona mais alta eou mais distante da origem da rede a Perímetros de Irrigação Pressurizados 145 água chegaria com pressão insuficiente Haveria portanto prejuízo para o funcionamento da irrigação na ou nas parcelas abastecidas pelos hidrantes com pressões insuficientes Na irrigação por turnos o agricultor além de não ter a comodidade ou liberdade de escolher o horário para irrigar estará impossibilitado de atender aos possíveis aumentos da demanda hídrica provocados por instabilidades climáticas mudanças nas culturas implantadas ou outros fatores Atualmente quase não se utiliza a irrigação por turnos em perímetros pressurizados segundo descrito anteriormente Essa modalidade está praticamente limitada aos sistemas coletivos irrigados por gravidade onde a água é distribuída em canais a céu aberto para os diversos lotes do perímetro Na irrigação à demanda o agricultor dispõe de água no hidrante que lhe abastece durante as vinte e quatro horas do dia e poderá assim escolher o horário que mais lhe convenha para irrigar O irrigante terá apenas uma restrição com relação à descarga que será modulada pelo limitador de vazão existente no hidrante O fornecimento de água à demanda em um perímetro de irrigação pressurizado é semelhante ao de um sistema urbano de abastecimento de água no qual o usuário pode abrir a torneira de sua casa e dispor de água a qualquer hora do dia Em termos econômicos as instalações dos sistemas coletivos à demanda são mais caras que as dos sistemas coletivos de irrigação por turnos Em um sistema à demanda as vazões transportadas pelos trechos da rede de distribuição serão maiores que as derivadas de um sistema coletivo por turnos já que admitese que no abastecimento à demanda muitas parcelas possam ser irrigadas ao mesmo tempo Assim sendo um sistema à demanda requer uma rede de distribuição com tubulações de maiores diâmetros e uma estação de bombeamento com um mecanismo de automação mais complexo Apesar da desvantagem econômica em termos de custo de investimento a vantagem decorrente da flexibilidade de operação de um sistema coletivo de irrigação à demanda justifica seu predomínio sobre a modalidade de irrigação por turnos Além do mais um sistema coletivo de irrigação por turnos requer um serviço de vigilância para controlar o abastecimento dágua às parcelas que é totalmente dispensável em um sistema coletivo à demanda 53 Traçado das Redes Coletivas de Distribuição Após o estabelecimento das áreas das parcelas do perímetro irrigado da distribuição destas e da localização das tomadas dágua será necessário enlaçar esses pontos de tomada dágua com a cabeceira do sistema reservatório elevado estação de bombeamento etc para se definir o traçado da rede coletiva de distribuição Esse traçado que indicará o posicionamento das tubulações da rede de distribuição no campo deve ser executado em função de fatores topológicos e econômicos respeitando as condições geotécnicas e orográficas do perímetro Com relação aos fatores topológicos o traçado da rede coletiva deve levar em consideração a distribuição das parcelas do perímetro as vias de comunicação existentes na zona estradas vicinais estradas de serviço linhas ferroviárias as edificações etc Os aspectos geotécnicos estão relacionados com a existência de solos agressivos instabilidade do terreno zonas com rochas terrenos pedregosos lençol freático a pouca profundidade etc A orografia da zona condiciona diretamente o traçado da rede já que o fluxo dágua deve avançar preferencialmente desde zonas mais altas para as mais baixas a fim de se evitar perdas de energia por diferenças de cota Por último o custo de investimento da instalação dependerá dos comprimentos das artérias e ramais do traçado da rede de distribuição Teoricamente os traçados das redes coletivas de distribuição podem ser 146 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética malhados ou ramificados Os traçados malhados ou fechados dão origem a sistemas bem mais caros e por essa razão as redes coletivas de distribuição são sempre projetadas com traçados ramificados Os traçados em forma de malha são empregados nos projetos de redes de abastecimento de núcleos urbanos onde é necessário uma maior segurança no fornecimento de água às populações Às vezes pode ocorrer que em uma rede existente com um determinado setor do perímetro irrigado com vazão e pressão insuficientes seja implantada uma malha ou anel com novas tubulações para reforçar o abastecimento nesse setor Com relação às metodologias de traçados de redes coletivas de distribuição existem duas correntes já consagradas a primeira se refere aos traçados que procuram respeitar a topologia do perímetro traçado por limites e a segunda compreende os traçados que visam fundamentalmente os aspectos econômicos traçado de custo mínimo O traçado por limites é executado posicionandose as tubulações desde a cabeceira do sistema onde está localizado o reservatório elevado ou a estação de bombeamento até os pontos de tomada dágua que coincidem com os pontos terminais da rede seguindo o máximo possível os limites das parcelas e as margens das vias de acesso existentes no perímetro estradas vicinais estradas de serviço vias férreas etc As tubulações que normalmente são instaladas enterradas devem cruzar os terrenos das parcelas somente quando tais desvios proporcionarem uma economia significativa no custo de investimento da rede coletiva A grande vantagem dessa metodologia de traçado consiste no aspecto de que os trabalhos de manutenção da rede coletiva não prejudicam os terrenos das parcelas irrigadas nem interferem nas vias de acesso e edificações existentes dentro do perímetro A outra vantagem corresponde ao fato de que os agricultores não estarão dependentes de possíveis avarias nos tubos que possam ser causadas pelo preparo do terreno ou pela circulação de máquinas agrícolas dentro dos lotes de irrigação Por esses motivos a grande maioria das redes coletivas dos perímetros pressurizados existentes no mundo foram projetadas com traçados por limites Apesar de que a metodologia de traçado de redes por limites possa parecer extremamente simples a realidade é totalmente diferente Para um projeto determinado existirão inúmeras possibilidades de traçado das tubulações seguindo os limites das parcelas e as vias de acesso dentro do perímetro a irrigar Entre as inúmeras possibilidades existentes haverá poucas alternativas de traçados que proporcionam qualidade satisfatória de funcionamento da rede de distribuição com aceitável custo de implantação Um traçado por limites de boa qualidade depende fundamentalmente da experiência do projetista Segundo Granados 1990 existem algumas recomendações gerais que devem ser seguidas pelo projetista para alcançar um bom traçado de um projeto determinado que são As tubulações devem ser traçadas de forma que o avanço da água se distancie o mais rápido possível do ponto de captação cabeceira da rede Para uma mesma velocidade de circulação da água a rede coletiva de distribuição será tanto mais barata quanto mais rápida for a operação de transporte da água desde a cabeceira até os pontos de destino Em uma rede nunca deve haver artérias ou ramais que retornem até a origem do sistema O avanço da água deve ser realizado preferencialmente desde as zonas mais altas até as mais baixas Com isso conseguese que a perda de carga na rede seja compensada com a perda de cota altimétrica obtendose assim uma rede mais barata e com um maior equilíbrio de pressões nas tomadas dágua das parcelas A derivação de ramais desde a artéria principal deve ser realizada de forma ortogonal e a bifurcação de uma artéria em duas subartérias em forma de forquilha com Perímetros de Irrigação Pressurizados 147 inclinação aproximada de 45 graus em ambos os ramais com relação à direção da artéria original O princípio de execução do traçado seguindo os limites das parcelas e as estradas vicinais eou de serviço não deve ser mantido de forma rigorosa Quando existem muitas irregularidades na topologia da zona será conveniente proceder algumas retificações em algumas estradas eou nos limites de determinadas parcelas adaptandoos melhor ao futuro traçado da rede coletiva Previamente ao traçado da rede devem ser localizados os recintos do perímetro com maior exigência de carga combinação da altimetria e da distância à origem da rede Até estes pontos devem estar orientadas as principais artérias da rede de distribuição de maneira que a água seja transportada para os recintos mais desfavoráveis com a menor perda de carga possível O primeiro índice que demonstra a qualidade do traçado é a própria estética da planta da rede coletiva de distribuição A segunda linha metodológica de traçado de redes coletivas de distribuição existente tem como objetivo projetar a distribuição das tubulações no campo de forma que seja alcançada uma rede coletiva com o menor custo possível Para tal fim não se levam em consideração os fatores topológicos existentes na zona a irrigar que condicionam o direcionamento das tubulações da rede coletiva no traçado por limites Dentro dessa linha metodológica vale a pena destacar o método desenvolvido pelo francês Bernard Girette 1967 que teve grande repercussão na época de sua divulgação Atualmente o traçado de custo mínimo está totalmente em desuso e por essa razão ele não será descrito neste livro Uma descrição detalhada desse método pode ser obtida em Girette 1967 54 Vazões Transportadas pelos Trechos das Redes Coletivas 541 Introdução Antes da determinação do diâmetro ou diâmetros de cada trecho da rede coletiva de distribuição essa parte do dimensionamento é tratada no Capítulo 8 devese proceder ao cálculo das vazões transportadas pelos seus trechos Para a determinação dessas vazões é necessário que já esteja estabelecida a modalidade de irrigação o traçado da rede coletiva e as descargas e pressões requeridas nos pontos de tomada dágua cabeceiras das parcelas de irrigação As vazões requeridas nos pontos de tomada dágua são obtidas a partir das necessidades de irrigação bruta no período de máxima demanda Em termos da modalidade de irrigação conforme discutido no item 522 a grande maioria dos perímetros de irrigação pressurizados são projetados à demanda devido à funcionalidade de operação do sistema coletivo As vazões a transportar através dos trechos da rede coletiva poderiam ser obtidas simplesmente por acumulação direta das descargas requeridas nos pontos finais de cada trecho seguindo o sentido inverso do fluxo dágua na instalação Essa forma de cálculo atenderia à situação de máxima demanda quando todas as parcelas estivessem irrigando ao mesmo tempo No entanto essa situação é pouco provável de acontecer visto que na modalidade à demanda as irrigações das parcelas do perímetro são mais ou menos aleatórias com o tempo Com o cálculo das vazões de forma acumulada a rede estaria superdimensionada para a grande parte do tempo de funcionamento e teria evidentemente um custo elevado desnecessário 148 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Baseado na aleatoriedade das irrigações das parcelas de um sistema à demanda René Clément 1986 desenvolveu um método probabilístico de determinação das vazões transportadas pelos trechos das redes coletivas que pode ser utilizado no dimensionamento dos perímetros irrigados pressurizados O método de Clément parte de alguns condicionantes básicos denominados parâmetros de cálculo das vazões que são descritos em seguida 542 Parâmetros de Cálculo das Vazões Os parâmetros de cálculo das vazões são os coeficientes que determinam as condições de distribuição das descargas por parte da rede coletiva às parcelas do perímetro irrigado Os parâmetros que devem ser estabelecidos para o dimensionamento da rede coletiva são vazão unitária contínua grau de liberdade das parcelas rendimento da rede garantia de abastecimento e as dotações das parcelas Vazão unitária contínua A vazão unitária contínua q expressa geralmente em Lsha é uma descarga fictícia que o sistema haveria de proporcionar por unidade de área irrigada para atender às necessidades das culturas caso a irrigação ocorresse continuamente nas 24 horas diárias durante o número de dias disponíveis para a irrigação no período de máxima demanda Para um perímetro irrigado onde se espera implantar vários tipos de culturas a vazão unitária contínua é referida à alternativa média das culturas previstas A vazão unitária contínua pode ser determinada diretamente em função do volume de água por hectare V correspondente à necessidade de irrigação bruta máxima da alternativa média das culturas previstas e do tempo disponível de irrigação t para o período de máxima demanda geralmente de uma semana dez dias ou um mês q V t 51 Exemplo 51 Determinar a vazão unitária contínua para um perímetro de irrigação no qual se espera que a cultura de tomate seja a alternativa média a irrigar Os dados sobre as necessidades de irrigação mensais da cultura encontramse no balanço hídrico do Quadro 110 Considerase que para o mês de máxima demanda haverá irrigação diária com exceção dos dias de domingo Com base no balanço hídrico do Quadro 110 a demanda máxima ocorre no mês de julho no qual a necessidade de irrigação líquida Nl é igual a 1980 m3ha Admitindose que para o dimensionamento das instalações dos sistemas de irrigação não devem ser consideradas as contribuições eventuais de água ao terreno a necessidade de irrigação líquida máxima coincidirá com a evapotranspiração máxima da cultura ETp 202 mm no mês de julho Portanto o valor de Nlm para o balanço hídrico considerado é igual a 2020 m3ha já que não se considerou a contribuição eventual da precipitação efetiva no mês de máxima demanda Para uma eficiência média de irrigação esperada em todo o perímetro de 07 a necessidade de irrigação bruta máxima será Perímetros de Irrigação Pressurizados 149 3 bm 2020 N 2886 m ha2886000 Lha 07 A vazão unitária contínua q será 2886000 Lha q 126 Lsha 6 31 24 3600 s 7 Caso se irrigasse todos os dias da semana a vazão unitária contínua seria 2886000 Lha q 108 Lsha 31 24 3600 s ImportanteO valor médio da vazão unitária contínua para as diversas condições climáticas e tipos de culturas está situado em torno de 1 Lsha Esse número pode ser útil quando se deseja estimar de forma aproximada o número de hectares irrigáveis para uma determinada vazão disponível Como exemplo uma vazão disponível de 5 m3s daria de forma aproximada para irrigar 5000 hectares de terra Grau de liberdade da parcela O grau de liberdade de uma parcela GL é a relação entre o número de horas diárias t disponíveis para a irrigação por parte da rede coletiva e o número de horas diárias t que o agricultor efetivamente utiliza para irrigar sua parcela no período de máxima demanda hídrica GL t t 52 O grau de liberdade por ser função do número de horas que o agricultor utiliza para irrigar sua parcela depende de muitos fatores tais como forma e tamanho da parcela cultura a irrigar mão de obra disponível sistema de irrigação a empregar etc O grau de liberdade representa o coeficiente de segurança da vazão fornecida ao agricultor para irrigar sua parcela e seu valor varia normalmente entre 15 e 40 Em alguns casos ele pode chegar a alcançar o valor 60 Mantendose constante os demais fatores que influenciam o grau de liberdade quanto maior for a superfície da parcela menor será o valor de GL Rendimento da rede coletiva O rendimento da rede coletiva r é a relação entre o número de horas t que a rede está capacitada para transportar a vazão diária e o número de horas t disponível para a irrigação r t t 53 O número de horas t que a rede está capacitada para abastecer o sistema coletivo é igual a t 24 horas menos um intervalo de tempo em horas destinado para eventuais trabalhos de manutenção da rede normalmente entre duas e quatro horas O rendimento r 150 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética representa portanto um coeficiente de segurança da rede coletiva para eventuais paradas diárias da mesma ou para fazer frente a possíveis aumentos da demanda de vazão provocados por alguma adversidade climática vazamentos nas tubulações modificações nos tipos de culturas irrigadas etc Garantia de abastecimento A garantia de abastecimento GA é o valor da probabilidade em porcentagem de que no período de máxima demanda as descargas requeridas à rede coletiva não ultrapassem as vazões calculadas ou estabelecidas no projeto Tratase de um parâmetro fixado pelo projetista em função da qualidade de funcionamento esperada para o abastecimento do sistema coletivo de irrigação Clément 1986 recomenda adotar um valor para GA em torno de 95 Dotações das parcelas Para cada parcela do perímetro irrigado existirá uma dotação de água ou vazão máxima controlada através do hidrante que a abastece para suprir as necessidades hídricas da cultura irrigada no período de máxima demanda A dotação de cada parcela pode ser obtida diretamente pela expressão d q S GL 54 em que d dotação da parcela em Ls q vazão unitária contínua em Lsha S área da parcela em ha GL grau de liberdade da parcela adimensional O valor calculado da dotação d deve ser arredondado por excesso para se ajustar aos valores das descargas modulares dos hidrantes que geralmente são múltiplos de 2 3 ou de 5 Ls 543 Método de Clément Em um sistema coletivo de irrigação à demanda a vazão transportada em cada trecho da rede de distribuição varia com o tempo pois nem todas as parcelas abastecidas irrigam simultaneamente Como consequência disso conforme já comentado economicamente não vale a pena dimensionar a rede coletiva para atender à situação pouco provável de que todas as parcelas estejam irrigando ao mesmo tempo O método de Clément com base na aleatoriedade das irrigações das parcelas calcula as vazões dos trechos da rede coletiva para o período de máxima demanda hídrica com uma determinada probabilidade garantia de abastecimento GA de não serem ultrapassadas O cálculo da vazão de projeto a ser transportada por cada trecho da rede coletiva de distribuição de um sistema coletivo à demanda baseado no método de Clément se obtém a partir da seguinte equação 2 i i i i i Q d p U p q d 55 em que Q vazão no trecho considerado di dotação de cada parcela i situada a jusante do trecho considerado pi probabilidade de que a tomada dágua i esteja irrigando Perímetros de Irrigação Pressurizados 151 qi probabilidade de que a tomada dágua i não esteja irrigando 1 pi U variável reduzida da distribuição normal de probabilidade que depende da garantia de abastecimento GA adotada para o projeto A dotação de cada parcela di é determinada através da Equação 54 com o arredondamento por excesso para se ajustar à descarga modular do hidrante considerado A probabilidade de que a tomada dágua i esteja irrigando é igual a relação entre o número de horas diárias t que o agricultor efetivamente utiliza para irrigar no período de máxima demanda hídrica e o número de horas t que a rede está capacitada para transportar a vazão diária Com base nessa definição e nas relações 52 e 53 a probabilidade pi pode ser obtida também pela expressão i i 1 p r GL 56 A partir das Equações 54 e 56 obtémse portanto o produto dipi da fórmula de Clément i i i q S d p r 57 O valor de U é tabelado em função da garantia de abastecimento GA segundo comentado mais adiante O método de Clément sintetizado através da Equação 55 foi desenvolvido a partir da hipótese de que as tomadas dágua são independentes e que irrigam de forma aleatória com o tempo O método parte da suposição também de que as dotações das tomadas dágua são iguais e que somente existem duas possibilidades de funcionamento dessas totalmente abertas ou totalmente fechadas onde as probabilidades de funcionamento serão iguais a p e 1p respectivamente Com base nessas hipóteses o número de tomadas dágua abertas parcelas irrigando abastecidas por um determinado trecho da rede coletiva é uma variável aleatória que segue uma lei de distribuição binomial de probabilidade Assim sendo a probabilidade Px de que em um determinado momento estejam x tomadas dágua irrigando em um total de n tomadas abastecidas é igual a Px Cnx px 1pnx 58 em que Cnx é a combinação de n elementos tomados x a x A probabilidade acumulada de ocorrência de que não estejam irrigando mais de x parcelas numa amostra de n pontos de tomada dágua será igual à função de distribuição binomial dada pela equação i x n 1 ni i 1 Fx C p q 59 Fx representa também a garantia de abastecimento GA que o trecho considerado possui para suprir a demanda das x tomadas abertas A média e o desvio padrão da lei de distribuição binomial são 152 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética n p 510 npq 511 Para n relativamente grande e p e q não próximos de zero pode ser demonstrado que a distribuição binomial se assimila à lei de distribuição normal de probabilidade cuja variável reduzida U de média zero e desvio padrão unitário é dada por x U ou x n p U n p q 512 O número de tomadas dágua abertas x que irrigam simultaneamente abastecidas por um determinado trecho da rede coletiva será dado então pela seguinte equação x n p U n p q 513 Para uma determinada garantia de abastecimento GA em porcentagem admitida para o cálculo das vazões a circular pela rede o valor de U pode ser obtido a partir da lei de distribuição normal reduzida π 2 U x 2 100 GA FU e dx 2 514 O Quadro 51 apresenta os valores tabelados de U em função das garantias de abastecimentos GA mais empregadas na prática Na hipótese de que a rede abasteça parcelas de idênticas dotações a vazão de projeto transportada por cada trecho Q se determina mediante o produto da dotação d pelo número de tomadas dágua abertas x obtidas a partir da Equação 513 ver Equação 515 2 Q n p d U n p q d 515 Em se tratando de redes coletivas que abastecem parcelas com distintas dotações di as vazões transportadas pelos trechos se determinam por meio da Equação 55 que é conhecida também como primeira fórmula de Clément à demanda Quadro 51 GA U GA U GA U GA U 90 128 93 148 96 175 99 233 91 134 94 156 97 188 995 258 92 141 95 165 98 205 Devido às hipóteses utilizadas no desenvolvimento do método de Clément a fórmula estatística de cálculo das vazões Equação 55 ou 515 não é válida quando a amostra Perímetros de Irrigação Pressurizados 153 número de tomadas alimentadas por um trecho considerado é reduzida Pode ocorrer que em determinados trechos da rede a calcular as vazões determinadas pela fórmula de Clément ultrapassem os valores obtidos por acumulação direta das dotações das parcelas abastecidas Na prática a vazão adotada para cada trecho será a menor entre Q calculado pelo método de Clément e a correspondente à acumulação direta das dotações das parcelas abastecidas di Exemplo 52 Determinar as vazões a serem transportadas por cada trecho da rede coletiva de distribuição esquematizada na Figura 57 A necessidade de irrigação bruta da alternativa média da cultura a implantar no perímetro para o mês de máxima demanda dezembro é igual a 2170 m3ha As parcelas serão irrigadas diariamente com exceção dos dias de domingo e a rede coletiva estará a disposição dos irrigantes durante as 24 horas diárias O rendimento da rede r adotado é de 085 e a garantia de abastecimento GA estabelecida é igual a 95 As dotações calculadas das parcelas di deverão ser arredondadas por excesso para valores inteiros múltiplos de 2 Ls a fim de se ajustarem às descargas modulares dos hidrantes Figura 57 Rede coletiva do exemplo 52 Para facilitar os cálculos das vazões os trechos são numerados de forma ordenada seguindo o sentido inverso do fluxo dágua desde os terminais da rede até a cabeceira da mesma segundo se observa na Figura 57 No Quadro 52 aparecem as áreas das parcelas abastecidas por cada nó da rede e os tempos diários de irrigação previstos Os valores da vazão unitária contínua q da dotação di e do produto dipi serão 154 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética 3 2170 10 Lha q 095 Lsha 6 31 24 3600 s 7 i i i i i d q S GL 095 S GL i i i i i q S 095 S d p 112 S Ls r 085 Quadro 52 Nó S ha t h Nó S ha t h Nó S ha t h 1 72 8 8 151 12 15 73 8 2 65 8 9 167 12 16 65 8 3 83 8 10 120 12 17 216 16 4 92 8 11 145 12 18 140 12 5 91 8 12 237 16 19 162 12 6 69 8 13 221 16 20 7 76 8 14 236 16 21 251 16 Para uma garantia de abastecimento GA de 95 o valor de U é igual a 165 ver Quadro 51 No Quadro 53 encontramse os resultados sintetizados dos cálculos das vazões Os valores de Q coluna 10 são calculados pela fórmula de Clément Equação 57 e as vazões de projeto coluna 11 correspondem aos menores valores entre Q coluna 10 e di coluna 5 Quadro 53 Trecho Si GL di di dipi dipi dipididipi pidi21pi Q Qproj ha ls ls ls 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 72 30 22 22 806 806 11236 11236 255 220 2 137 30 20 42 728 1534 9260 20496 390 390 3 220 30 24 66 930 2464 13671 34167 551 551 4 92 30 28 28 1030 1030 18231 18231 326 280 5 183 30 26 54 1019 2049 16110 34341 511 511 6 252 30 20 74 773 2822 9485 43826 628 628 7 548 30 22 162 851 6137 11480 89473 1107 1107 8 699 20 30 192 1691 7828 22135 111608 1334 1334 9 866 20 32 224 1870 9698 24871 136479 1579 1579 10 120 20 24 24 1344 1344 14193 14193 331 240 11 265 20 28 52 1624 2968 19098 33291 598 520 12 1368 15 34 310 2654 15320 19799 189569 2250 2250 13 1589 15 32 342 2475 17795 17944 207513 2531 2531 14 1825 15 34 376 2643 20438 20008 227521 2831 2831 15 73 30 22 22 818 818 11305 11305 257 220 16 138 30 20 42 728 1546 9260 20565 391 391 17 354 15 32 74 2419 3965 18892 39457 724 724 18 494 20 28 102 1568 5533 19318 58775 953 953 19 656 20 32 134 1814 7347 25142 83917 1213 1213 20 2481 510 27785 311438 3699 3699 21 2732 15 36 546 2811 30596 22179 333617 4013 4013 Capítulo 6 ESTAÇÕES DE BOMBEAMENTO Luis Simão de Andrade Filho e Heber Pimentel Gomes 61 Introdução A fonte de água que abastece um sistema de irrigação advém de um determinado manancial que pode ser um rio um poço uma barragem um canal etc Para que a água abasteça a rede de tubulações e os sistemas de irrigação pressurizados fazse necessário que ela possua suficiente energia potencial Isso somente acontece naturalmente se o manacial estiver situado em uma cota topográfica suficientemente alta em relação à área a irrigar o que na prática raramente ocorre Normalmente os sistemas pressurizados de irrigação recebem água sob pressão impulsionada por uma estação de bombeamento que se constitui numa estrutura formada por bombas hidráulicas motores tubulações casa de máquina e dispositivos especiais de controle válvulas medidores dentre outros A estação de bombeamento também chamada de estação elevatória ou sistema de recalque situase junto à fonte de abastecimento para que a água do manancial possa ser succionada pelas bombas hidráulicas As Figuras 51 52 e 53 do capítulo anterior mostram três exemplos de posicionamentos de estações de bombeamento de água O presente capítulo apresenta os principais aspectos das estações de bombeamento de água e das bombas hidráulicas Descreve também o funcionamento de bombas de velocidade variável com a utilização de inversores de frequência que são impressindíveis para a operação otimizada e a eficiência energética dos sistemas de abastecimento de água 62 Bombas Hidráulicas Bombas hidráulicas são máquinas destinadas a mover líquidos através de tubulações pressurizadas para atender determinados fins tais como o abastecimento de água para sistemas urbanos de irrigação de combate a incêndio etc Para isso convertem a energia mecânica recebida de um motor em energia hidráulica na forma de pressão e energia cinética No contexto das máquinas de fluxo as bombas são dispositivos que convertem trabalho mecânico em energia de fluido pressão energias cinética eou potencial O trabalho mecânico pode ser oriundo de uma fonte energética qualquer sendo que devido à alta eficiência larga faixa de potência e praticidade predomina o uso do motor elétrico As bombas classificamse basicamente em duas categorias as volumétricas ou de deslocamento positivo e as turbobombas também chamadas de cinéticas ou bombas de fluxo As bombas volumétricas possuem uma ou mais câmaras sobre as quais algum elemento móvel atua aumentando a pressão e provocando o movimento do líquido As mais comuns no bombeamento de água são as de êmbolo e de diafragma Bombas volumétricas são raramente empregadas em estações elevatórias de sistemas de irrigação As turbobombas ou bombas cinéticas ver Figura 61 e 62 caracterizamse pela presença de um elemento girante dotado de pás chamado de rotor movido por alguma fonte de potência através do seu eixo O conjunto fica acondicionado dentro de uma carcaça onde se identifica claramente o eixo por onde é transferida a potência de acionamento a sucção por onde o fluido entra 156 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética no conjunto e a descarga por onde o fluido sai O rotor é o órgão onde se dá a transferência de energia para o fluido Ao passar através de suas pás o líquido recebe quantidade de movimento e é acelerado aumentando sua energia cinética Numa primeira análise podese afirmar que a pressão ou altura de elevação cresce com seu diâmetro enquanto a vazão cresce com o diâmetro e a largura Nos rotores fechados que são utilizados nas bombas das elevatórias para irrigação ver Figura 63 as pás são contidas axialmente por um disco circular de um lado e por uma coroa no lado oposto de modo que entre cada duas pás formamse dutos curvos divergentes e independentes Contendo o rotor existe a parte da carcaça chamada de voluta que se caracteriza por ter a forma de uma espiral que dá origem a uma seção de escoamento crescente em torno da periferia do rotor Em sua parte superior a voluta encontra o bocal de descarga onde a seção continua crescendo agora num espaço em forma de tronco de cone invertido O contínuo crescimento da seção de escoamento na voluta e bocal produz uma conversão de energia cinética em pressão Motor Acoplamento Flexível Suporte Carcaça Eixo Figura 61 Bomba Centrífuga Figura 62 Princípio de funcionamento das bombas Estações de Bombeamento 157 Nas turbobombas não existem volumes fechados o que torna possível seu funcionamento mesmo com a saída obstruída ou seja com vazão nula Na verdade essa condição de funcionamento é uma característica importante da bomba denominada ponto de shut off Deve ser evitada a não ser por curtos períodos de tempo devido mais à inconveniente geração de calor do que às limitações hidráulicas ou mecânicas Nas estações elevatórias de água para sistemas de irrigação as turbobombas rotativas particularmente as centrífugas predominam de forma absoluta Além de cobrirem grandes faixas de vazão e pressão possuem ótimos rendimentos e baixos custos de instalação operação e manutenção Por essa razão serão estas que receberão a abordagem desse capítulo Figura 63 Rotor 621 Classificação das Bombas Centrífugas As bombas centrífugas recebem classificações com relação a várias características onde se destacam trajetória do fluido construção e número de rotores Quanto à trajetória podem ser radiais axiais e mistas O Quadro 61 apresenta as características de cada um desses três tipos de bombas centrífugas Quanto ao número de rotores as bombas centrífugas podem ser de simples e de múltiplos estágios No primeiro caso possuem apenas um rotor Quando são exigidas grandes alturas de elevação as dimensões do rotor podem tornarse excessivamente grandes com o consequente aumento de custo além da queda no rendimento Contornase o problema utilizando dois ou mais rotores fixados em um mesmo eixo e dispostos em série de modo que a descarga do primeiro é conduzida para a sucção do segundo e assim sucessivamente até alcançar a pressão desejada ver Figura 64 Para que a associação seja eficiente existem difusores internos dispostos na carcaça que convertem a energia cinética em pressão e reconduzem o fluido à entrada do estágio seguinte de forma o mais suave possível Quanto ao tipo de carcaça as bombas podem ser bipartidas no sentido vertical ou no sentido horizontal sendo estas últimas predominantes nas máquinas de grande porte Quadro 61 Classificação das bombas segundo a trajetória no rotor Radiais As pás são dispostas em planos radiais de forma que depois do líquido entrar no rotor pelo seu centro percorre todo ele em trajetórias curvas dispostas sobre planos aproximadamente radiais Caracterizamse por possuírem grandes alturas manométricas e relativamente pequenas vazões sendo então as mais empregadas 158 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Axiais O líquido entra no rotor na direção do eixo e pela ação de suas pás assume trajetórias de hélices cilíndricas até chegar à saída do conjunto onde voltam a ser axiais Daí o fluido é conduzido ao tubo de descarga Caracterizamse por possuírem altas vazões e relativamente baixas alturas de elevação Mistas O fluido entra no rotor axialmente e encontra pás curvas e inclinadas com relação ao eixo A trajetória de saída do rotor pode ser na direção intermediária entre a radial e axial podendo então encontrar pás diretrizes que encaminham o liquido para a descarga ou para uma sucessão de novos rotores no caso de bombas de múltiplos estágios Com relação à altura manométrica e vazão encontramse no meio termo entre as radiais e axiais Figura 64 Bomba centrífuga de múltiplos estágios 4 rotores 63 Alturas Geométrica e Manométrica Potências Rendimentos e Perdas Um sistema de bombeamento é composto basicamente de uma tubulação de aspiração um conjunto motobomba e uma tubulação de recalque A Figura 65 mostra duas estações de bombeamento típicas utilizadas em abastecimento de água Na primeira a a bomba é instalada num plano acima do nível da água do reservatório inferior enquanto na Estações de Bombeamento 159 segunda b esta se encontra abaixo dele caracterizando o que se chama de instalação com bomba afogada O segundo tipo apresenta dentre outras a vantagem da bomba se encontrar sempre escorvada ou seja completamente preenchida com o fluido e portanto sem bolhas de ar Em ambas instalações a função da bomba é fornecer a energia ao líquido para que possa ser realizado o trabalho de movêlo continuamente do reservatório inferior até a saída do tubo de recalque vencendo todas as resistências encontradas no caminho e lá chegando com a energia cinética ou vazão desejadas Do ponto de vista hidráulico o escoamento é considerado viscoso portanto com perdas de carga hidráulica porém uniforme e em regime permanente a Bomba acima do nível do reservatório inferior b Bomba afogada abaixo do nível do reservatório inferior Figura 65 Estações típicas de bombeamento Com base na Figura 65a definemse as seguintes alturas e perdas Altura estática ou geométrica de elevação hg Representa a diferença entre os dois níveis que o fluido precisa vencer Em termos energéticos significa a diferença de energia potencial que separa a superfície livre do reservatório inferior e a descarga do recalque Pode ser dividida nas parcelas de aspiração e de recalque ou hg ha hr Altura geométrica de aspiração ha Desnível entre a superfície do reservatório inferior e o plano que passa pelo centro do rotor da bomba Altura geométrica de recalque hr Desnível entre a cota da descarga da instalação e do plano que passa pelo centro do rotor Perdas de carga na aspiração Hfa Somatória de todas as perdas de carga existentes entre a bomba e o inicio da tubulação de aspiração Perdas de carga no recalque Hfr Somatória de todas as perdas de carga da bomba até o final da tubulação de descarga Altura manométrica de aspiração Ha ha Hfa para bomba não afogada Figura 65a e Ha ha Hfa para bomba afogada Figura 65b Altura manométrica de recalque Hr hr Hfr 160 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Altura manométrica H Energia cedida pela bomba ao líquido na forma de energia por unidade de peso de fluido bombeado Junto com a vazão forma o par de grandezas dependentes mais importantes da bomba Enquanto a vazão traduz a velocidade e a quantidade de fluido transportado a altura manométrica indica a capacidade de vencer os obstáculos desníveis e atritos além de possibilitar que no final o fluido disponha da energia remanescente pressão eou energia cinética desejada Pode ser determinada aplicandose a equação da energia entre um ponto na superfície livre do reservatório inferior e a descarga da tubulação de recalque resultando em Altura Manométrica 2 g fa fr V H h H H 2g 61 2 a r V H H H 2g 62 hg Altura geométrica m sendo hg ha hr para bombas não afogadas hg ha hr para bombas afogadas Hfa Perdas de carga na aspiração m Hfr Perdas de carga no recalque m V Velocidade na saída do recalque ms Ha Altura manométrica de aspiração m Hr Altura manométrica de recalque m Curva do sistema CS Gráfico da altura manométrica H em função da vazão Q Ou seja é a representação gráfica da Equação 61 que pode ser considerada H hg fV2 hg fQ2 A curva do sistema possui a forma mostrada na Figura 66 Figura 66 Curva do Sistema Traçando a Curva do Sistema Para a vazão de projeto Qproj calcular as perdas Hfa e Hfr e substituir os resultados junto com a altura geométrica hg na Equação 61 obtendose o primeiro ponto de CS Qproj Hproj Repetir o passo 1 para pelo menos mais três vazões sendo uma delas ligeiramente superior a Qproj e as demais inferiores a Qproj Estações de Bombeamento 161 Plotar no gráfico da Curva do Sistema os pontos Q H obtidos nos itens 1 e 2 bem como o ponto de vazão nula 0 Hg nas ordenadas estão os valores de H e nas abscissas os de Q conforme mostra a Figura 67 Figura 67 Curva do Sistema No Quadro 62 são apresentadas resumidamente as fórmulas referentes às potências rendimentos e perdas relativas ao conjunto motobomba As Equações 614 e 615 se referem especificamente à potência do conjunto motobomba que são utilizadas normalmente no dimensionamento da instalação de recalque Quadro 62 Potência rendimentos e perdas do conjunto motobomba Descrição Definição Fórmula Und Potência hidráulica Phid É a altura manométrica H energiapeso expressa na forma de potência energiatempo sendo obtida multiplicandose H pela vazão gravimétrica Q pesotempo Representa a energia por unidade de tempo efetivamente recebida pelo fluido Phid QH 63 hid QH P 64 75 W cv Rendimento da bomba É o quociente energia ganhaenergia paga da potência fornecida ao fluido pela bomba Phid pela potência recebida pela bomba do acionador Pm hid m m P QH 65 P P hid m m P QH 66 P 75P Rendimento do motor elétrico me É o quociente da potência motriz Pm pela potência elétrica recebida pelo motor Pe m me e P 67 P 162 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Potência motriz Pm É a potência medida no eixo do motor Pode ser determinada através do rendimento da bomba m QH P 68 m QH P 69 75 W cv Rendimento do conjunto motor bomba mb É o quociente da potência hidráulica Phid pela potência elétrica Pe hid mb e P P 610 Altura motriz Hm É a potência motriz expressa em energiapeso m m P H H 611 Q m Perdas de energia na bomba Pp É a diferença entre a potência motriz e a potência hidráulica Em termos de energiapeso é a diferença entre a altura motriz e a altura manométrica pb m hid P P P 612 pb m H H H 613 W m Variáveis Q Vazão volumétrica m3s Pe Potência elétrica W H Altura manométrica H m Phid Potência hidráulica W Peso específico do líquido Nm3 m P Potência motriz ou mecânica W Peso específico do líquido kgfm3 m P Potência motriz ou mecânica cv Potência do conjunto motobomba P É o quociente da potência hidráulica Phid pelo rendimento do conjunto motobomba mb P γ QH hid P 614 η η mb mb P γ QH hid P 615 η 75η mb mb W cv Os rendimentos de bombas de grande porte podem atingir mais de 85 enquanto os de pequenas unidades podem chegar a menos de 40 Valores de referência para cálculos preliminares situamse em torno de 40 para bombas pequenas e 60 para bombas de médio porte Perdas externas de energia na bomba Também chamadas de perdas mecânicas são as que ocorrem nos mancais rolamentos e nos elementos de vedação gaxetas e selos mecânicos de modo que parte da potência motriz se perde fora da bomba e portanto deixa de chegar às pás do rotor Perdas internas de energia na bomba Compreendem as perdas causadas pelo movimento do fluido dividindose em Estações de Bombeamento 163 Perdas volumétricas são as que ocorrem por fugas de vazão através do eixo e gaxetas da bomba e as perdas por recirculação entre as zonas de alta pressão na saída dos rotores e as de baixa pressão na entrada destes Perdas hidráulicas se referem às perdas por choque na entrada das pás e por atrito nos canais internos quer no interior do rotor quer na voluta ou pás diretrizes Os choques são minimizados se a bomba é bem projetada e trabalha próxima ao ponto de máxima eficiência As perdas por atrito são assim minimizadas por um bom projeto além de um bom acabamento superficial das partes internas das bombas A Figura 68 mostra esquematicamente as transformações que ocorrem num conjunto motobomba desde a potência elétrica até o fluido sintetizando os conceitos de potências perdas e rendimentos aqui apresentados Figura 68 Representação esquemática das transformações de energia presentes numa bomba acionada por motor elétrico Observase que a rede elétrica fornece a potência elétrica Pe ao motor elétrico responsável pela transformação desta em potência de eixo ou mecânica Pm Embora os motores elétricos sejam máquinas bastante eficientes cujos rendimentos estão normalmente acima de 90 parte da potência elétrica por ele recebida é perdida na transformação identificada na figura como perdas no motor elétrico A potência no eixo por sua vez é transferida à bomba para a sua conversão em potência hidráulica P Conforme já discutido parte da energia que chega à bomba se perde nos mancais e elementos de vedação constituindo as chamadas perdas externas Outra parcela de maior importância perdese no interior da bomba nas chamadas perdas volumétricas e perdas hidráulicas cuja soma são as perdas internas Finalmente a energia aproveitada pela bomba P é fornecida ao fluido para produzir o trabalho de escoamento além do aumento das energias cinética e potencial conforme o projeto e finalidade da instalação Exemplo 61 A estação elevatória mostrada na Figura 69 distribui água para abastecer um pivô central e deverá operar durante 24 horas diárias através de uma tubulação de ferro fundido contendo vários acessórios como indicado O projeto de irrigação requer na entrada do pivô uma vazão e pressão respectivamente de 48 Ls e 50 mca A tubulação de aspiração possui comprimento de 30 m e diâmetro de 300 mm No recalque o comprimento e 164 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética diâmetro são respectivamente 2200 m e 250 mm A altura geométrica de sucção é de 250 m e a de recalque 500 m Como o conjunto motobomba ainda não foi escolhido devese considerar valores conservadores para os rendimentos 60 para a bomba e 90 para o motor elétrico A tarifa de energia elétrica possui um custo aproximado de 047 por quilowatthora Determinar a as alturas manométricas de aspiração de recalque e total b as potências fornecidas ao fluido à bomba e ao motor elétrico em watts c o custo anual de energia elétrica d as perdas na bomba e no motor em watts e o custo anual correspondente às perdas Figura 69 Esquema do Exemplo 61 Solução a Para o cálculo das perdas de carga localizadas será utilizado o método dos comprimentos equivalentes Devemse obter os valores dos comprimentos equivalentes das peças presentes utilizandose dados do Quadro 46 para construir o Quadro 63 A velocidade na aspiração é 0 679 ms 0 300 0 048 4 4Q D V 2 2 Para uma viscosidade da água de 106 m2s O número de Reynolds será 5 6 04 10 2 10 30 0 679 VD Re Para calcular o coeficiente de Darcy utilizase a fórmula de SwameeJain Equação 49 com um coeficiente de rugosidade do ferro fundido igual a 0050 mm Quadro 42 Estações de Bombeamento 165 0168 0 204000 74 5 300 10 73 0 05 10 log 25 0 Re 74 5 73 D log 0 25 f 2 90 3 3 10 2 90 10 Quadro 63 Comprimento equivalente das peças especias Elemento Quantidade Le D D m L m Aspiração Válvula de pé e crivo 1 250 030 750 Curva de 90º 1 30 030 90 Tubo de aspiração 30 L de aspiração 870 Recalque Válvula de retenção 1 100 025 250 Curva de 90º 2 30 025 150 Registro de gaveta aberto 1 8 025 20 Saída de canalização 1 35 025 87 Tubo de recalque 22000 L de recalque 22507 A perda de carga na sucção pode ser então calculada pela fórmula universal 2 2 fa V 0679 L 87 H f 00168 D 2g 0300 2 981 0114 m A altura manométrica de aspiração será a a fa H Hg H 250 0114 26 m Seguindo procedimento análogo usando os dados do recalque encontrase V 0978 ms Re 245 x 105 f 00167 e Hfr 734 m fr r r H Hg H pressão para o pivô 500 734 500 6234 m E a altura manométrica total r a H H H 260 6234 6494 m b A potência cedida ao fluido pela bomba que corresponde a potência útil em kW é Phid 981 Q H 981 x 0048 x 6494 3058 kW E a potência mecânica m 981 Q H 3056 P 060 50965 kW Finalmente a potência elétrica consumida pelo motor será m me P 50965 P 090 56628 kW c A energia elétrica consumida durante 1 dia será 166 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética E 56628 kW 24 h 135907 kWhdia Em um ano E 135907 kWh 365 49606055 kWhano O custo anual correspondente será Custo 49606055 kWh 047 kWh 23314846 d As perdas na conversão de energia mecânica em hidráulica pela bomba são Pperdidabomba Pm Phid 50965 30580 20385 kW e O custo anual correspondente às perdas na bomba será Custo anual 20385 24 365 047 8392912 E a potencia perdida na conversão da energia elétrica para mecânica no motor Pperdidamotor P Pm 56628 50965 566 kW A um custo anual de Custo anual 566 24 365 047 2330335 Esses valores mostram o peso do rendimento das máquinas no custo de energia da instalação Usando as fórmulas anteriores podese verificar que um aumento de rendimento da bomba de 60 para 70 reduziria o custo anual de energia em 3330810 valor suficiente para amortizar rapidamente um equipamento mais eficiente 64 Curvas Características das Bombas Uma bomba se caracteriza principalmente pelos valores de sua altura manométrica e de vazão correspondentes Essa relação expressa na forma de gráfico denominase curva característica principal A essa curva se juntam outras grandezas igualmente importantes como o diâmetro do rotor a velocidade de rotação a potência motriz o rendimento além de grandezas relativas à sua altura de aspiração O conjunto de todas essas curvas ou pelo menos da maior parte delas é chamado de curvas características Estas são traçadas pelos fabricantes a partir de ensaios em laboratório e se constituem em subsídio indispensável para que o projetista possa selecionar a unidade que melhor satisfaz às necessidades de um projeto de estação elevatória Para melhor compreender a interdependência entre a altura manométrica e a vazão imagine que a bomba B0 da Figura 610a aspire água do reservatório inferior possua um tubo de descarga suficientemente longo de modo que nenhuma vazão é descarregada por ele e trabalhe para manter esse tubo cheio até a altura H0 portanto com Q0 0 Na verdade esta é a chamada de condição de Shut off ou ponto de vazão nula e poderia ser igualmente obtida obstruindose totalmente a descarga da bomba Se mantendose a velocidade de rotação o tubo de descarga fosse cortado a uma altura H1 inferior a H0 conforme ocorre na bomba B1 da Figura 610a seria observada no tubo uma vazão Q1 0 Caso o corte fosse feito agora a uma altura H2 H1 de acordo com a bomba B2 da mesma figura surgiria uma vazão Q2 Q1 de modo que como pode ser observado nas demais condições mostradas sempre se mantendo a velocidade de rotação constante quanto menor H maior Q Estações de Bombeamento 167 a Operação de uma bomba sob várias alturas manométricas b Curva característica da bomba A Aproximada e B Real Figura 610 Operação de uma bomba sob várias alturas manométricas e as curvas características resultantes Pela Equação da Energia a altura manométrica H referente a cada condição de operação seria dada por H Hi Vi22g Hf Observase que além da energia necessária para vencer o desnível definido pela altura geométrica Hi são necessárias mais duas parcelas adicionais uma para vencer as perdas da tubulação Hf e outra para dotar o fluido da energia cinética V22g com a qual ele deixa a tubulação Desprezandose inicialmente os termos referentes à taquicarga V22g e às perdas Hf a altura manométrica confundese com a altura geométrica Lançandose os pares de valores Hi e Qi para cada uma das condições da Figura 610a em um gráfico H Q Figura 610b seria obtida a curva aproximada A Caso para cada vazão fossem acrescidas as alturas correspondentes aos termos referentes às perdas e à energia cinética remanescente Hf e V22g respectivamente seria obtida a curva B Esta vem a ser a curva característica principal da bomba e expressa o comportamento de sua altura manométrica com a vazão através da qual identificamse os valores das grandezas que efetivamente podem ser fornecidos pela bomba a uma dada velocidade de rotação A curva característica principal apresenta formas distintas de acordo com suas características podendose destacar os seguintes tipos apresentados na Figura 611 Plana flat A altura manométrica varia muito pouco com a vazão Normalmente estão associados a rotores largos com muitas pás e estas possuem grandes ângulos de saída Figura 611a Com muita inclinação step A altura varia abruptamente com a vazão Estão associadas a características opostas àquelas do item anterior Padrão rising Possuem comportamento intermediário entre as das figuras 611a e 611b Alguns autores enquadram nesse tipo as bombas em que 11 H1 H0 12 H1 sendo H1 e H0 as alturas manométricas no ponto de máxima eficiência PME ver Figura 612 e na condição de shut off respectivamente Na Figura 612 a interseção da linha tracejada com a curva representa o PME ver Figura 611c 168 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Instável drooping Possui altura manométrica máxima superior à de shut off A operação em alturas intermediárias entre esses valores pode resultar em duas vazões distintas o que confere instabilidade ao sistema ver Figura 611d Figura 611 Comportamentos das curvas características principais À curva característica principal se juntam a curva de rendimento a de potência motriz e a do NPSH Net Positive Suction Head que será discutido em seção posterior dando origem às curvas características da bomba apresentadas de várias formas a saber Curvas características esquemáticas O conjunto destas curvas todas em função da vazão é apresentado esquematicamente para uma dada velocidade de rotação Figura 612 Figura 612 Curvas características esquemáticas Curvas de cobertura hidráulica Muito útil na préseleção da bomba ver Figura 613 Entrando com os valores de Q e H identificase uma quadrícula correspondente ao modelo ou designação comercial da bomba possibilitando uma préseleção que será completada consultandose as curvas características correspondentes Curvas características apresentadas pelo fabricante Observamse várias curvas características principais correspondentes a diâmetros diferentes poderiam ser velocidades de rotação distintas Os rendimentos são mostrados através de curvas de nível de mesmo rendimento ver Figura 614 a b c d Estações de Bombeamento 169 Figura 613 Gráfico de cobertura das bombas Figura 614 Curvas características fornecidas pelo fabricante 65 Ensaios de Bombas As curvas características das bombas são construídas pelos fabricantes a partir de ensaios Estes são realizados em seus laboratórios salvo em casos especiais em que são realizados na própria instalação antes do inicio da sua operação Para traçar a curva característica principal H Q a altura manométrica é calculada aplicandose a equação da energia ou Bernoulli ver Equação 43 entre um ponto na entrada da bomba 1 e outro na sua saída 2 conforme mostrado na Figura 615 resultando em 170 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Altura Manométrica em função das grandezas de entrada e saída da bomba 2 2 2 1 2 1 2 1 p p V V H z z 616 γ 2g p Pressão Nm2 Peso específico Nm3 V Velocidade média ms g Aceleração da gravidade ms2 z Cota em relação ao nível de referência m Note que as perdas na tubulação são desprezíveis na medida em que os pontos 1 e 2 são tomados imediatamente antes e depois da bomba conforme mostra a Figura 615 As grandezas são medidas através de instrumentação adequada Basicamente usase um medidor de vazão em algum ponto da instalação para a determinação de Q e daí V1 e V2 por continuidade São utilizados manômetros independentes ou diferenciais instalados em 1 e 2 para obterse p1 e p2 ou p2 p1 diretamente A diferença de cota entre as seções de medição z2 z1 é facilmente determinada por meio de trenas ou instrumentos similares Figura 615 Instalação utilizada em ensaios de bombas As medições são realizadas para várias vazões incluindo a vazão nula shut off A variação de vazão é comumente realizada controlandose a abertura de uma válvula instalada na descarga a jusante da seção 2 Dependendo dos recursos disponíveis as medições podem ser totalmente automatizadas empregandose sistemas de aquisição de dados e técnicas de controle principalmente para a variação da vazão e pressão Conforme mostrado na Seção 63 o rendimento da bomba pode ser calculado pela Equação 65 Para isso necessitase medir a potência motriz no eixo da bomba Esta pode ser determinada medindose o conjugado torque de acionamento T acionando a bomba com um motor pêndulo cuja carcaça permite a determinação do seu conjugado de reação ou utilizando um torquímetro no seu eixo Em ambos os casos fazse necessário a medição da velocidade de rotação N através de um tacômetro A potência motriz é obtida pelo produto do conjugado pela velocidade angular em s1 Potência Motriz em função do conjugado e da rotação m 2πNT P 617 60 N Velocidade de rotação RPM T Conjugado torque de acionamento Nm Estações de Bombeamento 171 Alternativamente quando se aciona a bomba por um motor elétrico cuja curva de rendimento é conhecida a potência motriz pode ser determinada indiretamente através da medição da potência elétrica Pe que o alimenta Para isso utilizase um wattímetro que fornece Pe diretamente ou na ausência deste medese a tensão entre as fases V através de um voltímetro e a corrente nelas I por meio de amperímetros e assim para um motor trifásico calculase a potência motriz através da equação Potência Motriz em função das grandezas elétricas e do rendimento do motor m me e me P η P η VI 3cos 618 Pe Potência elétrica ativa W V Tensão V I Corrente A em amperes cosφ Fator de potência me Rendimento do motor elétrico Todas as medições são realizadas para várias condições de operação de modo a obter uma curva única ou várias curvas de nível em função da vazão onde é identificado o PME Ponto de Máxima Eficiência Ensaios relacionados à altura de aspiração como o NPSH serão discutidos em seção posterior Para isso as condições de sucção podem ser simuladas empregandose bombas de vácuo No Brasil os ensaios de bombas seguem a norma da ABNT NBR 63971975 Ensaios de bombas hidráulicas de fluxo Internacionalmente são utilizadas normas do Hidraulic Institute ou da American Society of Mechanical Engineers ASME dos EUA Exemplo 62 Uma bomba centrífuga é ensaiada numa instalação de laboratório mostrada na Figura 615 utilizando água a 20ºC A bomba possui velocidade de rotação nominal de 1750 rpm e é acionada por um motor elétrico de indução trifásico com uma tensão de 380 V fator de potência 087 e um rendimento que pode ser considerado constante de 91 O desnível entre os manômetros z2 z1 05 m e os diâmetros das tubulações de aspiração e recalque são de 150 mm Traçar as curvas características da bomba Os dados são apresentados no Quadro 64 Quadro 64 Dados do Exemplo 62 Nº Vazão Q m3h Pressão na Aspiração p1 kgfcm2 Pressão na Descarga p2 kgfcm2 Corrente Elétrica I A Vel de Rotação N rpm 1 0 0260 3747 180 1750 2 110 0295 3395 262 1745 3 180 0330 2974 310 1749 4 230 0401 2369 440 1750 5 250 0436 2200 370 1747 6 270 0471 1919 373 1752 7 320 0541 1076 390 1750 8 340 0591 0513 415 1753 172 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Solução Todos os cálculos serão realizados para a medição de nº 4 correspondente à vazão de 230 m3h e baseados na Figura 615 Começase com o cálculo da altura manométrica através da equação 1 2 2 1 2 2 1 2 z z g 2 V V p p H Substituindo os valores lembrando que V1 V2 temse 2 4 2 2 3 2369 0401kgf cm 10 cm m H 05m 282 m 1000kgf m A potencia hidráulica pode ser obtida através da Equação 64 3 3 hid 1000kgf m 230m h 1 3600h s 282m P 24 cv 75 A potência mecânica é determinada indiretamente através dos valores medidos das grandezas elétricas por meio da equação m me P V I 3cos m CV W P V A W VA 31 cv 0 91 380 44 3 0 87 1 736 Finalmente o rendimento da bomba será hid b m P 240 0771 771 P 311 Os resultados para as outras medições são obtidos utilizandose as mesmas relações e são mostrados no Quadro 65 e na Figura 616 Observase que o rendimento máximo é de 85 e ocorre quando a vazão é cerca de 200 m3h ou seja o PME pode ser considerado quando Q 200 m3h e H 32 m Quadro 65 Resultados do Exemplo 62 Nº Vazão Q m3h Altura Manométrica H m Potência Útil Phid cv Potência Mecânica Pm cv Rendimento 1 0 401 00 170 0000 2 110 370 151 221 0682 3 180 331 221 262 0843 4 230 282 240 311 0771 5 250 264 245 317 0772 6 270 240 240 318 0753 7 320 162 192 332 0578 8 340 111 140 339 0411 Estações de Bombeamento 173 Figura 616 Curvas características Exemplo 62 66 Curvas do Sistema e Ponto de Trabalho Quando a curva do sistema sobrepõese à curva da bomba ver Figura 617 obtémse o ponto de trabalho PT que nada mais é do que a interseção entre as duas curvas Operar em qualquer outro ponto do plano HQ diferente de PT só é possível alterandose a curva do sistema a da bomba ou ambas A seguir é mostrado como isso pode ser feito Alterando o ponto de trabalho atuando na curva do sistema Consiste em alterar o sistema modificandose a sua altura geométrica ou suas perdas de carga Ao alterar as perdas devese ter em mente que o seu aumento torna a curva do sistema mais inclinada e viceversa Para que isso ocorra podese mudar o diâmetro da tubulação ou adicionar ou retirar acessórios A alteração mais usual é realizada através do fechamento parcial de uma válvula na descarga da bomba Com isso como mostrado na Figura 618 aumentase a perda de carga fazendo com que a curva do sistema original CS1 seja deslocada para a esquerda dando origem a CS2 ocasionando uma mudança no ponto de trabalho de PT1 Qt1 Ht1 para PT2 Qt2 Ht2 Alterando o ponto de trabalho atuando na curva da bomba através da rotação Cada velocidade de rotação N dá origem a uma nova curva característica da bomba de modo que o PT pode ser deslocado no plano HQ com razoável liberdade A tecnologia atual mais empregada na variação da rotação contempla motores elétricos de indução acionados através de inversores de frequência A Figura 619a mostra a mudança de PT1 para PT2 reduzindose a rotação de N1 para N2 Alterando o ponto de trabalho atuando na curva da bomba através do diâmetro do rotor Uma mesma carcaça pode comportar rotores de diâmetros diferentes sendo que cada diâmetro dá origem a uma curva característica diferente A Figura 619b apresenta a alteração de PT1 para PT2 reduzindose o diâmetro do rotor de D1 para D2 174 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura 617 Superposição da curva do sistema e da bomba Figura 618 Alteração do ponto de trabalho por atuação na curva do sistema a Atuandose na velocidade de rotação N b Atuandose no diâmetro do rotor D Figura 619 Alteração do ponto de trabalho por atuação na curva da bomba Estações de Bombeamento 175 67 Relações entre as Grandezas Características das Bombas As grandezas que caracterizam uma turbobomba são vazão altura manométrica velocidade de rotação diâmetro do rotor ou outra dimensão característica potência e rendimento Todas essas variáveis são dependentes de modo que a mudança do valor de pelo menos uma delas pode acarretar variações em todas as demais O melhor conjunto de valores é aquele que contempla o ponto de projeto ou PME Muitas vezes é necessário fazer a bomba operar temporária ou definitivamente fora desse ponto ótimo Evidentemente as informações supridas pelos fabricantes não podem contemplar todas as possibilidades É importante então dispor de relações entre as grandezas características de modo que o projetista da bomba ou mesmo o da estação elevatória possa alterar uma ou mais características ainda que de forma limitada ou aproximada sem que se altere substancialmente o projeto original da máquina A maioria dessas relações baseiase nas técnicas de análise dimensional e semelhança Leis de Similaridade para Bombas Com base na teoria dos escoamentos semelhantes mostrase que existe uma proporcionalidade entre os valores de vazão Q altura manométrica H e potência P tanto com a rotação N como com o diâmetro do rotor D Essas relações fazem parte das chamadas leis de afinidades e são apresentadas a seguir Variação da vazão altura manométrica e potência com a rotação Para bombas iguais com velocidades de rotação diferentes valem as relações adiante Leis de Afinidade Variação de Q H e P com N 2 2 1 1 Q N 619a Q N 2 2 2 2 1 1 H N 619b H N 3 2 2 3 1 1 P N 619c P N N1 Rotação na condição 1 RPM N2 Rotação na condição 2 RPM Q1 Vazão na condição 1 m3s Q2 Vazão na condição 2 m3s H1 Altura manométrica na condição 1 m H2 Altura manométrica na condição 2 m P1 Potência motriz na condição 1 W P2 Potência motriz na condição 2 W Qualquer outra unidade coerente pode ser usada desde que seja a mesma nas condições 1 e 2 Variação da vazão altura manométrica e potência com o diâmetro do rotor Para bombas iguais com diâmetros de rotores diferentes girando à mesma rotação valem as relações seguintes Leis de Afinidade Variação de Q H e P com D 3 2 2 3 1 1 Q D 620a Q D D1 Diâmetro do rotor na condição 1 m D2 Diâmetro do rotor na condição 2 m Q1 Vazão na condição 1 m3s Q2 Vazão na condição 2 m3s H1 Altura manométrica na condição 1 m H2 Altura manométrica na condição 2 m P1 Potência motriz na condição 1 W 176 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética 2 2 2 2 1 1 H D 620b H D 3 2 2 3 1 1 P D 620c P D P2 Potência motriz na condição 2 W Qualquer outra unidade coerente pode ser usada desde que seja a mesma nas condições 1 e 2 68 Altura de Aspiração Cavitação e NPSH Diferentemente do que ocorre com a altura de recalque que é praticamente ilimitada a baixa pressão que ocorre nas entradas das bombas principalmente nas não afogadas limita a sua altura geométrica de aspiração também conhecida como de sucção e dá origem a peculiaridades que serão discutidas a seguir Altura de Aspiração Através da equação da energia mostrase que a altura geométrica de aspiração de uma bomba não afogada como a mostrada na Figura 620 é dada por Altura Geométrica de Aspiração 2 0 1 1 a fa p p V Hg H 621 γ γ 2g P0 Pressão na superfície do fluido m P1 Pressão na entrada da bomba m V1 Velocidade na entrada da bomba ms Hfa Perdas de carga na aspiração m Figura 620 Esquema hidráulico da aspiração para a determinação do NPSH Para um reservatório de aspiração ou de sucção situado ao nível do mar a pressão reinante é a atmosférica e nesse caso p0 1033 mca correspondente à pressão atmosférica ao nível do mar Assim mesmo desprezando os demais termos da Equação 621 podese afirmar que nestas condições Hga p0 1033 m é impossível que uma bomba centrífuga aspire água a uma altura superior a 1033 m Na prática para evitar cavitação e outros problemas esse valor é bem menor sendo comum para fins práticos considerálo próximo dos 7 m ou seja Hga 7 m Estações de Bombeamento 177 Cavitação Para que um líquido mude da fase líquida para vapor é necessário que sua pressão atinja a pressão de vapor do líquido pv Esta é dependente da temperatura de modo que a ebulição ocorre quando a pressão e a temperatura atingem valores bem determinados À 100ºC pv 1033 m pressão atmosférica já à temperaturas próximas à ambiente mais ou menos 25ºC pv cai para 0323 m conforme observado no Quadro 65 que apresenta valores da pressão de vapor para água em função da temperatura Nas entradas de rotores as pressões podem tornarse muito baixas e atingir valores inferiores à de vapor de modo que nessas regiões mesmo à temperatura ambiente ocorrerá mudança de fase formandose bolsas de vapor ou cavidades que se expandem rapidamente Estas se deslocam de seu ponto de origem para pontos nos quais a pressão é superior à pv próximo à saída dos rotores onde ocorre o colapso ou implosão das bolhas Esse fenômeno é conhecido como cavitação ele pode surgir em vários dispositivos hidráulicos mas é nas bombas e turbinas que suas consequências são mais danosas Quadro 65 Pressão de vapor da água em função da temperatura Quando uma grande bolsa de ar é formada ela provoca descontinuidades na densidade do líquido podendo interromper o escoamento Se ao invés de uma única bolsa formamse inúmeras pequenas bolhas estas provocam vibrações e ruídos de martelamento que reduzem drasticamente o rendimento da bomba Além disso as contínuas implosões das bolhas junto às superfícies sólidas do rotor ou da carcaça produzem arrancamento de material provocando uma erosão crescente que pode destruir essas peças A Figura 621 mostra um rotor Francis danificado por ação da cavitação Figura 621 Rotor Francis danificado por ação da cavitação T ºC 0 5 10 15 20 25 30 40 50 60 80 100 pv m 0062 0089 0125 0174 0238 0323 0433 0752 1258 2031 4827 10332 178 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética No caso das bombas a região mais crítica é a sua entrada A queda de pressão desde o reservatório inferior até essa região diminui com a altura de sucção com a velocidade do fluido e com as perdas de carga nesse trecho Essas perdas por sua vez dependem do material do diâmetro e do comprimento da tubulação além daquelas localizadas nos acessórios acoplados Controlando estas variáveis o projetista cumpre a sua parte para manter a instalação sem cavitação Nas estações elevatórias a temperatura da água se encontra próxima da ambiente no entanto em algumas instalações industriais a água pode atingir altas temperaturas favorecendo ainda mais a ocorrência da cavitação NPSH O NPSH ou Net Positive Suction Head representa a diferença entre a carga de pressão total disponível na instalação estática e dinâmica e a pressão de vapor do líquido Tratase de uma característica da instalação e não da bomba sendo por isso referenciado como NPSH disponível ou NPSHd Então NPSH Disponível 2 v 1 1 d p p V NPSH 622 2g 0 v d a fa p P NPSH Hg H 623 P0 Pressão na superfície do fluido m P1 Pressão absoluta na entrada da bomba m Pv Pressão absoluta de vapor do fluido m V1 Velocidade na entrada da bomba ms Hga Altura geométrica de aspiração m Hfa Perdas de carga na aspiração m Ou explicitando a altura de aspiração Hga Altura Geométrica de Aspiração em função do NPSHd 0 v a d p p Hg NPSH 624 p0 Pressão na superfície do fluido m pv Pressão absoluta de vapor do fluido m NPSHd NPSH disponível m Para chegar ao rotor e percorrer os canais entre as pás o líquido sofre perdas de carga que reduzirão sua pressão Essas perdas e consequentemente a pressão disponível são dependentes do projeto da bomba e não da instalação Para garantir que essa pressão se mantenha superior à de vapor é conveniente que se defina um outro NPSH característico da bomba Este é identificado como NPSH requerido ou NPSHr Estações de Bombeamento 179 Para que a bomba não cavite fazse necessário que a instalação disponha de um NPSH superior ao exigido pela bomba ou seja NPSHd NPSHr Alguns autores recomendam que a diferença NPSHd NPSHr 1 m outros sugerem que NPSHd NPSHrNPSHr 15 e há quem recomende valores maiores Naturalmente devem prevalecer as recomendações do fabricante O NPSHr é geralmente fornecido pelo fabricante na forma de gráficos em função da vazão e integrados às curvas características da bomba conforme pode ser visto na Figura 614 ou em destaque na Figura 622 que mostra no detalhe a mesma curva do NPSHr Observase o seu comportamento crescente com a vazão diferentemente do NPSHd que possui comportamento inverso Figura 622 Curva do NPSHr em função da vazão Para compatibilizar o NPSH disponível com o requerido podese segundo a Equação 623 diminuir a altura geométrica de aspiração Hga baixando a cota do eixo da bomba quando possível ou reduzir as perdas na aspiração Hfa diminuindo o comprimento da tubulação de aspiração o número de acessórios presentes eou aumentando o diâmetro dos tubos 69 Associação de Bombas Quando se deseja aumentar a vazão ou a altura manométrica de uma unidade de bombeamento podese simplesmente aumentar o número de bombas Quando o objetivo é ganhar vazão associamse as unidades em paralelo e quando o ganho desejado é de altura manométrica usase associação em série Associação em Paralelo Associar duas ou mais bombas em paralelo é fazer com que elas operem lado a lado aspirando água de um mesmo reservatório através de tubulações de aspiração independentes e descarregando numa mesma linha de recalque A planta baixa de uma instalação desse tipo muito utilizada em estações elevatórias é mostrada na Figura 623 para um total de três bombas A Figura 624 apresenta as curvas características dessa instalação de uma bomba isolada bem como de duas ou três associadas Com relação à associação em paralelo com base na Figura 624 podese observar Todas as bombas funcionam com uma mesma altura manométrica e a vazão resultante é igual à soma das vazões de cada máquina Teoricamente as bombas podem ser diferentes mas é altamente recomendável que elas sejam idênticas e estáveis evitandose gradientes de pressão a partir das maiores unidades 180 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Caso Hm Hg Hi e as bombas forem iguais os pontos de trabalho PT se dariam em Q 2Q e 3Q respectivamente Considerandose as perdas a curva do sistema resultante para o conjunto de bombas seria mais suave e os PTs se dariam em Q2 ou Q3 Note que Q2 2Q e Q3 3Q mostrando que a relação da vazão com o número de bombas associadas não é linear e a operação das bombas associadas se daria em vazões reduzidas A não linearidade cresce com o número de unidades quanto menos inclinada for a curva de cada bomba e quanto mais inclinada for a curva do sistema resultante Vazões reduzidas podem provocar queda no rendimento maiores esforços radiais e aquecimento do fluido O PT de cada bomba situase à direita daquele quando ela trabalha isolada dando origem a vazões excessivas Notese que para a vazão Qi tanto o NPSHr como a potência absorvida Phid que crescem com a vazão são maiores Assim se o NPSHd da instalação é calculado para uma bomba isolada esta poderá entrar em cavitação quando associada Por outro lado a potência do motor suficiente para uma bomba isolada pode se mostrar incapaz de acionar a bomba quando operando associada ou no mínimo produzir correntes elétricas excessivas Portanto vazões excessivas podem ter como consequência queda no rendimento cavitação e aquecimento do fluido Vazões excessivas podem ser controladas pelas válvulas de descarga Com a saída de bombas que estão operando em paralelo fechamse parcialmente as válvulas de descarga das que permanecem operando criando assim perdas localizadas que reduzem o excesso de vazão Figura 623 Planta baixa de uma instalação utilizando três bombas em paralelo Estações de Bombeamento 181 Figura 624 Curvas características resultantes da associação de duas e três bombas em paralelo Resumindo Bombas associadas em paralelo operam à esquerda do seu ponto de projeto e portanto com vazão reduzida quando comparadas com uma bomba isolada Por outro lado quando uma das bombas da associação para de funcionar as demais passam a operar com vazão excessiva Assim o projeto da instalação deve avaliar as grandezas características para a operação em qualquer dos pontos de trabalho prováveis Porque utilizar bombas em paralelo ao invés de uma única bomba de maior porte Inexistência no mercado de bombas capazes de isoladamente atender à vazão desejada Duas ou mais bombas pequenas produzidas em série podem ter um custo total menor que uma única máquina grande muitas vezes feita sob encomenda A associação é uma boa solução para ajustar a vazão disponível à demandada pelo sistema Em períodos de pico todas as unidades funcionam quando a demanda cai uma ou mais unidades param de operar O número de bombas utilizadas na instalação depende das peculiaridades do projeto e quanto maior a quantidade de bombas menor será o ganho proporcional de vazão É possível associar um número qualquer de unidades É comum utilizar até quatro bombas sendo que no máximo três operam simultaneamente e a quarta serve como reserva Na associação em paralelo as bombas podem em certos casos operar permanentemente associadas para produzir a vazão máxima Nesses casos a associação não possui um caráter de regulação uma vez que se opera sempre na mesma condição Essa maneira de operar não é recomendável para a associação em série Esta se aplica quando se quer variar a altura manométrica entre dois ou mais valores bem distintos Associação em Série Para associar duas ou mais bombas em série é necessário que a descarga da primeira unidade seja direcionada para a aspiração da segunda repetindose o procedimento se houver 182 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética mais de duas bombas Assim o mesmo fluxo percorre todas as bombas associadas e a pressão com que ele entra na próxima é sempre aproximadamente igual à de descarga da anterior A Figura 625 mostra uma instalação desse tipo observandose que esta pode operar tanto com as duas bombas em série como com uma delas isolada As setas indicam o percurso do líquido quando operam associadas Atuandose nos registros podese operar apenas com uma das bombas isoladamente mantendose necessariamente a outra desligada Essa característica de poder operar de um ou outro modo é essencial nessas instalações A Figura 626 apresenta as curvas características da mesma instalação considerando que as bombas não são iguais São mostradas as curvas tanto para as duas unidades associadas em série como para cada uma das bombas isolada Figura 625 Instalação reversível podendo operar com ambas as bombas associadas em série ou uma única isolada Com relação à associação em série com base na Figura 626 podese observar A curva da associação é obtida somandose para uma mesma vazão as alturas manométricas da bomba 1 H1 com a da bomba 2 H2 O ponto de trabalho igualmente ao que ocorre na associação em paralelo é deslocado para a direita e a vazão de trabalho é maior que a correspondente àquela de apenas uma das bombas operando isoladamente Em sistemas de abastecimento de água para irrigação empregase a associação em série muito menos que em paralelo Um bom exemplo de conveniência da associação em série é quando a mesma elevatória atende a mais de um reservatório em cotas ou distâncias diferentes Para manter a altura máxima permanentemente isto é a associação sempre ativa é mais conveniente associar os rotores utilizando bombas de múltiplos estágios que se baseiam numa forma mais eficiente do mesmo conceito mas naturalmente sua operação não pode ser alternada entre rotores associados ou isolados Estações de Bombeamento 183 Figura 626 Curvas características resultantes da associação de duas bombas em série 610 Acionamento Elétrico As máquinas motrizes ou motores são dispositivos que convertem dada modalidade de energia em trabalho de eixo ou energia mecânica Como potência de entrada podese destacar a energia térmica usada nos motores de combustão interna nas turbinas a vapor e a gás a energia hidráulica que supre as turbinas de mesmo nome a energia elétrica fonte de potência dos motores elétricos que graças a sua simplicidade confiabilidade e flexibilidade associadas a relativamente baixos custos de aquisição operação e manutenção são responsáveis pelo acionamento da grande maioria das bombas hidráulicas A classificação fundamental dos motores segue o tipo da corrente elétrica que os alimenta corrente contínua CC e corrente alternada CA Motores de Corrente Contínua CC A grande vantagem dos motores de corrente contínua é a facilidade de variar sua velocidade de rotação de forma ampla e precisa Em contrapartida como a energia elétrica da rede é disponibilizada em corrente alternada o seu uso está condicionado ao emprego de equipamentos para retificála Isso eleva os custos das instalações e por essa razão só são utilizados em condições especiais como no caso de um laboratório de ensaios de bombas no qual a variação da velocidade de rotação e sua relação com o conjugado do motor justificam o seu emprego 184 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Motores de Corrente Alternada CA Nos motores de corrente alternada a velocidade de rotação síncrona Nsi é função da frequência da rede f 60 Hz em todo o Brasil e do número de pólos do motor p um número par relativo à quantidade de bobinas presentes no seu enrolamento Nsi representa a velocidade de rotação síncrona associada a um par de valores f e p que o motor de corrente alternada girará na ausência de escorregamento A equação funcional é dada por si 120 f N p 625 Os motores síncronos giram à velocidade de rotação constante síncrona Nsi em qualquer ponto de operação suportado Já os assíncronos possuem certo deslizamento e operam a velocidades de rotação inferiores Esse decréscimo relativo s chamado de deslizamento ou escorregamento encontrase normalmente entre 2 e 5 podendo em casos especiais atingir 10 Valores de velocidade de rotação do motor síncrono Nsi são mostrados no Quadro 66 Nesse quadro são mostrados também valores típicos usuais de velocidade de rotação assíncronas N Quadro 66 Rotação síncrona e assíncrona em função do número de polos para uma frequência de 60 Hz p polos 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 24 Nsi rpm 3600 1800 1200 900 720 600 514 450 400 360 300 N rpm 3500 1750 1150 860 700 500 Motores Síncronos Os motores síncronos se aplicam às grandes instalações com potências a partir de 300 cv principalmente quando as velocidades exigidas são baixas Esta última característica pode ser uma grande vantagem comparada com outros tipos que não operam satisfatoriamente em baixas rotações a não ser utilizando dispendiosos redutores de velocidade e ainda assim com baixos rendimentos Devido à sua maior eficiência o dispêndio com energia elétrica em grandes instalações passa a ter significativo valor na economia geral do sistema não obstante o elevado custo inicial Motores Assíncronos Dentre os motores de CA os motores assíncronos de indução trifásico são de longe os mais usados Segundo o tipo de rotores ou induzidos podem ser de dois tipos a Rotor em curtocircuito ou gaiola de esquilo Seu rendimento é alto possui corrente de partida elevada da ordem de seis a oito vezes a nominal exigindo chaves elétricas apropriadas para arrancar Dizse que universalmente representa 90 dos motores produzidos É o mais usado nas pequenas e médias instalações de bombeamento Estações de Bombeamento 185 b Rotor bobinado ou de anéis Estes permitem a introdução de resistência em série com o enrolamento que é reduzida até o zero à medida que a velocidade de rotação aumenta Quando sem carga giram praticamente à velocidade de rotação síncrona quando sob carga sua velocidade de rotação cai de acordo com o deslizamento 611 Variação da Velocidade de Rotação e Inversores de Frequência Nos projetos de irrigação frequentemente se faz necessário que a estação elevatória venha a operar com vazões diferentes da de projeto Conforme discutido na seção 66 existem várias opções para alterar a vazão dos sistemas de bombeamento destacandose o bypass válvulas de manobras ou variadores de velocidade de rotação para os conjuntos motobombas O bypass caracterizase por produzir grandes perdas volumétricas enquanto as válvulas de controle provocam um acréscimo de perda de carga podendose dizer que usar essa alternativa é como conduzir um carro com um pé no freio e outro no acelerador Uma vez que a vazão é diretamente proporcional à velocidade de rotação conforme pode ser constatado pela Equação 619a Q2 Q1 N2N1 atuar na rotação é a alternativa mais racional para controlar o sistema de bombeamento com vazão variável Estudos apresentados por diversos fabricantes sobre o consumo de energia para os métodos de controle de vazãopressão para bombas centrífugas típicas estão sintetizados na Figura 627 Podese verificar nitidamente que a maior economia é aquela proporcionada pela utilização da variação da velocidade de rotação através de um conversor de frequência bypass recirculação válvula estrangulada inversor de frequência Figura 627 Comparativo do consumo de energia para os métodos de controle de pressãovazão bypass válvula de manobra e inversor de frequência Bezerra et al 2012 Os motores de corrente contínua se prestam muito bem em aplicações onde é preciso variar a rotação mas devido ao seu custo associado ao dos retificadores necessários são pouco usados Os motores de rotores bobinados se constituíram durante muito tempo numa alternativa razoável para aplicações de rotação variável Para isso dispunham de várias soluções destacandose a inserção de resistência externa ao rotor variada por meio de reostato Atualmente a solução mais viável é o uso de motores CA associados aos inversores de frequência 186 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Inversor de Frequência O inversor de frequência também conhecido como conversor de frequência possibilita o controle do motor CA variando a frequência mas também atua na tensão de saída de modo a deixála compatível com a frequência evitando o aquecimento excessivo do motor quando operando em baixas rotações Graças ao desenvolvimento da eletrônica de potência dos últimos anos o inversor de frequência avançou tecnologicamente ao mesmo tempo em que teve seus custos bastante reduzidos Aplicados ao já consagrado simples e confiável motor de indução proporcionou a este uma forma igualmente simples de variar sua velocidade de rotação atuando na frequência da corrente elétrica Os inversores de frequência são atualmente encontrados nos mais diversos usos destacandose o acionamento de bombas Estão disponíveis para motores com potências de até 5000 cv de baixa e de alta tensão As características da instalação necessárias à especificação do inversor de frequência são a corrente nominal do motor sua tensão nominal e fatores relacionados à geração de harmônicas Para estas últimas fazse necessário uma análise da relação entre a potência dos inversores e a potência total da instalação bem como as características das cargas presentes de modo a balizar as providências necessárias para reduzir a geração das indesejáveis harmônicas Em geral o inversor de frequência consome de 4 a 10 da energia absorvida para acionar o conjunto motobomba Conforme mostra a Figura 628 o rendimento do inversor diminui com a redução da frequência de saída e com a redução da carga Quando aplicado corretamente essas perdas tornamse insignificantes se comparadas com a redução do consumo de energia proveniente da operação da bomba atuando com velocidade de rotação variável Geralmente as bombas podem operar satisfatoriamente dentro de uma faixa de vazão entre 70 e 120 do ponto de melhor rendimento Normalmente o limite da região de operação é definido pelo NPSH requerido da bomba pela vazão de recirculação dentro do rotor pela deflexão do eixo pela carga no mancal ou pelo aumento da temperatura do líquido dentro da bomba 50 f Hz Rendimento 30 60 40 20 0 10 84 98 96 94 92 90 88 86 Faixa Recomendada 25 Torque 50 Torque 75 Torque 100 Torque Figura 628 Região de operação recomendada para motores acionados por inversores Fonte adaptado de EUROPUMP e HIDRAULIC INSTITUTE 2004 Estações de Bombeamento 187 Na aplicação de inversores de frequência em motores existentes devese ter cuidado com as características elétricas reais do motor caso contrário há risco de fracasso Inversores de frequência geram picos de tensão e produzem harmônicas que causam aquecimento nas bobinas do motor Há fabricantes que fornecem motores específicos para uso com inversores geralmente denominados por Inverter Duty Motors A WEG tem o motor W22 Plus e o W22 Premium que possui o isolamento especial chamado de WISE que segundo a empresa não necessita de reatores ou quaisquer outros filtros entre o inversor e o motor para a proteção do seu sistema de isolamento Em resumo na prática no setor agrícola é necessária a análise cautelosa do uso de motores com a frequência de alimentação variando de 0 a 60 Hz para tensão de 220 V porque na maioria dos casos é mais viável tecnicamente e economicamente a instalação de conjuntos motobombas trabalhando em paralelo com apenas um ou dois sendo acionados por inversores O ideal é a avaliação técnica e econômica de cada caso sendo de maneira geral recomendada a faixa de frequência de 30 a 60 Hz As principais vantagens dos inversores de frequência em sistemas de bombeamento são Aumento da confiabilidade do sistema Partida e parada suaves rampas Redução dos custos operacionais Redução do estresse mecânico sobre o enrolamento do motor Aumento da vida útil da bomba mancais e vedações Controle da corrente do motor elétrico Economia de energia Aumento do fator de potência Eliminação da necessidade de válvulas para partir e parar o bombeamento Melhor controle do processo Minimiza a necessidade de paradas do sistema ou elimina os saltos de produção Possibilita a automação do sistema Diminuição do número de rompimentos nos tubos Ao selecionar um conjunto motobomba com um inversor de frequência para um sistema com desnível geométrico estático a bomba deve ser escolhida tal que a vazão máxima esteja ao lado direito do ponto ótimo de operação melhor ponto de eficiência uma vez que à medida que a velocidade de rotação diminui o ponto de operação movese em direção ao ponto ótimo de operação A exceção é para aplicações onde a vazão é constante e só há mudanças na altura manométrica fornecida ao sistema nesse caso recomendase selecionar a bomba com base na pressão máxima e à esquerda do ponto ótimo de operação A definição do ponto de operação para escolha de bombas operando com velocidade de rotação variável é extremamente importante para aumentar a eficiência operacional do sistema A implantação de inversores de frequência em estações de bombeamento nem sempre é viável técnica e economicamente Para se atestar a viabilidade técnica e econômica devese efetuar um estudo detalhado da hidráulica operacional do sistema complementado com estudos eletromecânicos além dos quantitativos de custos e da economia de energia elétrica proporcionada Em alguns casos o vendedor do equipamento alega vantagens da implantação do equipamento sem levar em consideração as condições operacionais específicas do sistema em questão 188 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Inversores de frequência também são utilizados em outras funções na engenharia de irrigação como por exemplo em motores que controlam a abertura e o fechamento de comportas A movimentação de algumas comportas é complexa e exige o uso de motores de velocidade variável Exemplo 63 Uma bomba centrífuga de um sistema de irrigação fornece uma vazão de 171 m3h sob uma altura manométrica de 48 m O motor elétrico utilizado é do tipo síncrono com velocidade de rotação de 1800 rpm Desejase utilizar um inversor de frequência de modo a possibilitar que a bomba forneça uma vazão mínima de 100 m3h Considerando que sob todas as vazões a bomba operará com mesmo rendimento determinar a A velocidade de rotação correspondente à vazão mínima b A altura manométrica correspondente à vazão mínima c A frequência modificada correspondente à vazão mínima d Uma estimativa para o rendimento do inversor de frequência quando a bomba opera com a vazão mínima considerando que nessa condição o motor trabalha apenas com a metade de seu torque Solução a As relações de afinidades seção 67 serão usadas uma vez que o rendimento é o mesmo em todas as condições de funcionamento Assim pela Equação 619a a velocidade de rotação mínima será 2 2 1 1 Q 100 N N 1800 Q 171 1053 rpm c Analogamente usando a equação 619b a altura manométrica mínima será 2 2 2 2 1 2 1 N 1053 H H 48 1800 N 1643 m c Pelo Quadro 66 verificase que um motor com rotação síncrona de Nsi 1800 rpm possui p 4 polos Tratandose de motor síncrono a velocidade de rotação se relaciona com a frequência por meio da Equação 625 Assim a frequência mínima será si si p N 120 f 41053 N f p 120 120 3510 Hz e Utilizandose a Figura 628 a curva de 50 do torque indica que para uma frequência de 25 Hz o rendimento do inversor é de aproximadamente 94 Portanto suas perdas representam cerca de 6 da potência elétrica a ele fornecida Estações de Bombeamento 189 612 Sistema de Bombeamento Acionado por Inversor de Frequência Como foi visto até aqui em sistemas de irrigação que requerem variação de vazão os inversores de frequência se apresentam como excelentes alternativas de controle que proporcionam eficiência energética ao sistema de bombemaento Esse controle pode ser feito por meio de sistema de controle em malha fechada de modo que possa se ajustar automaticamente às necessidades de consumo A Figura 629 apresenta o esquema básico da configuração de um desses sistemas Nesse caso um transdutor de vazão ou pressão é inserido na tubulação e envia um sinal elétrico geralmente de 4 a 20 mA que é comparado com o valor desejado e dependendo do erro o controlador envia um sinal de controle para variar a velocidade de rotação do conjunto motobomba no sentido de efetuar a correção mantendo a variável controlada dentro de limites aceitáveis Nesse caso o sistema de bombeamento se adapta automaticamente às novas condições independentemente das variações de carga Sinal 4 a 20 mA Registrador de dados Manancial Válvula Medidor de vazão Motor Quadro de força Distribuição Bomba Figura 629 Representação esquemática de um sistema de bombeamento acionado por um inversor de frequência Um exemplo de aplicação de adoção de inversores é o do Perímetro Irrigado Nilo Coelho DINC que em 2012 iniciou a instalação de inversores em todas as suas 32 estações de bombeamento secundárias Segundo o informativo do DINC essa ação visou a economia de energia elétrica prolongamento da vida útil dos motores elétricos menor desgaste mecânico na estrutura e melhor controle de pressão nas estações de bombeamento A magnitude de um inversor de frequência depende da potência do conjunto motobomba a ele acoplado A Figura 630 mostra um inversor de frequência instalado num conjunto motorbomba de 150 cv em uma estação de bombeamento secundária do Perímetro de Irrigação Nilo Coelho Petrolina Brasil enquanto que na Figura 631 é mostrado um inversor de menor porte instalado no quadro de comando de um conjunto motobomba de 15 cv do Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica da Universidade Federal da Paraíba LENHSUFPB em João Pessoa 190 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura 630 Detalhe de um inversor de frequência instalado numa estação de bombeamento secundária do Perímetro de Irrigação Nilo Coelho Brasil Figura 631 Inversor de frequência instalado num quadro de comando de um conjunto motobomba do LENHSUFPB João Pessoa Brasil Capítulo 7 MODELAGEM HIDRÁULICA DE SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO Este capítulo apresenta uma descrição sucinta da modelagem hidráulica de sistemas de abastecimento de água para irrigação incluindo suas estações elevatórias com vistas a análises do comportamento hidráulico e energético da operação desses sistemas Essas análises são necessárias em termos de eficiência hidroenergética por permitir a previsão do funcionamento dinâmico dos sistemas de abastecimento de água e estações elevatórias num período futuro período estendido Com base na previsão do comportamento futuro do sistema o profissional responsável poderá tomar decisões sobre possíveis intervenções físicas ou de procedimentos operacionais com o intuito de maximizar a eficiência do sistema 71 Modelagem Hidráulica O Modelo Epanet A operação de sistemas de abastecimento de água para fins urbanos ou agrícolas composto pelas obras de captação adução estações de bombeamento redes de distribuição reservatórios e dispositivos de controle válvulas compreende um conjunto de ações necessárias à distribuição da água aos pontos de consumo com vazão e pressão suficientes Essa operação se constitui na principal ação de gestão dos sistemas de irrigação influenciando diretamente na qualidade do sistema de abastecimento em termos técnicos e econômicos O conhecimento da eficiência do sistema de abastecimento como também as decisões a serem tomadas com o objetivo de potencializála depende do conhecimento e controle da operação do sistema como um todo Durante muito tempo o controle operacional de sistemas de abastecimento foi executado com o apoio de equipamentos de comunicação de controle e principalmente da experiência da mãodeobra encarregada do serviço Nos últimos anos surgiram ferramentas computacionais que vêm sendo aplicadas cada vez mais para representarem os sistemas físicos e auxiliarem nas tomadas de decisão com o propósito de melhorar a eficiência da operação Tratamse de modelos computacionais que representam o sistema de abastecimento como um todo e simulam sua operação ao longo do tempo O surgimento desses modelos baseados nas leis físicas que regem o escoamento de fluidos em redes de abastecimento é recente e deveuse ao avanço da informática nos últimos vinte anos Atualmente existem dezenas de modelos hidráulicos desenvolvidos em vários países destinados à simulação da operação de sistemas de abastecimento de água no entanto o conhecimento e o domínio desses modelos ainda é uma novidade para a grande maioria dos profissionais que trabalham com a operação de sistemas de distribuição de água Uma das características fundamentais dos modelos de simulação e análises de sistemas de abastecimento é a presença da variável tempo O objetivo do modelo não é o de determinar valores das grandezas hidráulicas e energéticas e sim o de obter a variação destas ao longo do tempo vazão nos trechos pressão nos nós nível de água nos reservatórios custo da energia do bombeamento etc Em função da variável tempo os modelos podem representar os sistemas de forma estática ou dinâmica Os modelos estáticos objetivam determinar os valores das variáveis do sistema para um determinado cenário de operação Nos modelos dinámicos as grandezas hidráulicas variam ao longo do tempo em função de variações temporais dos consumos de água nos nós da rede 192 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Dentre os modelos hidráulicos de simulação e análises já desenvolvidos um se destaca por sua qualidade e pela quantidade de usuários existentes em muitos países Tratase do Epanet Rossman 2008 desenvolvido pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos U S Environmental Protection Agency EPA É um programa de domínio público que pode ser utilizado livremente por qualquer usuário O Epanet é um programa de computador que permite simular o comportamento hidráulico de um sistema pressurizado de distribuição de água ao longo do tempo O sistema pode ser composto por uma rede de tubulações malhada ou ramificada estações de bombeamento diversos tipos de válvulas e reservatórios de nível fixo e variável O Epanet também simula o comportamento de parâmetros da qualidade da água ao longo da rede de distribuição durante um determinado período de tempo Ele foi desenvolvido para aplicação prioritariamente em sistemas de abastecimento urbano de água mas prestase também à utilização em abastecimentos de sistemas pressurizados de irrigação O programa permite obter valores de vazão em cada trecho da pressão em cada nó da altura de água em cada reservatório de nível variável do custo da energia do bombeamento e da concentração de elementos químicos na água através da rede de distribuição durante o período de simulação O módulo de controle da qualidade da água no interior da rede de abastecimento não é utilizado na simulação de sistemas de irrigação e por essa razão ele não será descrito neste capítulo O Epanet foi concebido para ser uma ferramenta de apoio à análise de sistemas de distribuição de água para abastecimento urbano sistemas de irrigação de combate a incêndios etc Com a utilização do programa o profissional poderá conhecer melhor o sistema de abastecimento com relação as suas variáveis hidráulicas vazão e pressão como também poderá diagnosticar o transporte e o destino dos elementos constituintes da água O estabelecimento de cenários de operação do sistema de abastecimento como exemplo a expansão de uma rede existente a calibração de modelos hidráulicos e a avaliação dos consumos são alguns exemplos de aplicação do programa O Epanet pode ajudar a analisar alternativas de operação de modo a melhorar a qualidade do sistema de abastecimento assim como pode permitir avaliar possíveis ações que possam diminuir o consumo de energia elétrica das estações de bombeamento e as perdas reais de água nas tubulações A atual versão do Epanet referente à compilação 20012 está disponível originalmente em inglês e também em outros idiomas inclusive em português falado e escrito no Brasil A presente versão brasileira foi traduzida pelo Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento da Universidade Federal da Paraíba LENHS UFPB O programa funciona em ambiente Windows permitindo a edição de dados de entrada da rede de abastecimento execução de simulações hidráulicas e a edição dos resultados em vários formatos Esses últimos incluem a possibilidade de visualizar mapas da rede de abastecimento com codificações coloridas tabelas de dados gráficos de séries temporais e gráficos de isolinhas O Epanet contém um conjunto de ferramentas de cálculo para apoio à simulação hidráulica cujas características mais destacáveis são i Não existe limite no número de componentes da rede a analisar ii Calcula as perdas de carga por atrito por meio das fórmulas de HazenWilliams Darcy Weisbach ou ChezyManning iii Inclui as perdas de carga singulares em curvas ampliações reduções etc iv Simula bombas funcionando com velocidade de rotação fixa ou variável v Calcula a energia de bombeamento e o seu respectivo custo Modelagem Hidráulica de Sistemas de Irrigação 193 vi Modela os principais tipos de válvulas incluindo válvulas de seccionamento de retenção reguladoras de pressão e de vazão vii Modela reservatórios de armazenamento de água de nível variável com diversas formas geométricas viii Possibilita estabelecer diferentes categorias de consumo nos nós cada uma com um padrão próprio de variação com o tempo ix Modela a relação entre pressão e vazão efluente de dispositivos emissores aspersores de irrigação ou consumos dependentes da pressão x Possibilita a simulação com diversas regras de operação do sistema Instalação do Epanet O Epanet versão 20 compilação 20012 funciona em ambiente Microsoft Windows 98NTXPVista para computadores compatíveis com os sistemas IBMIntel A versão brasileira é distribuída em um único arquivo br2setupexe que contém o programa de instalação automática Para instalar o Epanet basta clicar no arquivo br2setupexe após a sua importação por meio da Internet O instalador original na língua inglesa do programa EN2setupexe pode ser encontrado e baixado na página httpwwwepagovnrmrlwswrddwepanethtml enquanto que a versão brasileira pode ser obtida no seguinte endereço httpwwwlenhsctufpbbr Este capítulo foi escrito utilizando como referência a versão brasileira antes mencionada Após a instalação do programa o menu Iniciar do Windows terá um novo item Epanet 20 Brasil Para iniciar o Epanet basta clicar no arquivo executável do programa Epanet2wexe contido na pasta Epanet 20 Brasil ou no ícone do programa previamente implantado na área de trabalho do Windows Passos a Seguir na Utilização do Programa A modelagem de um sistema de abastecimento de água segue uma sequência de etapas i desenho do traçado ou esquema do sistema de distribuição O desenho do traçado da rede pode ser importado de um arquivo do Autocad conforme descrito no manual do programa Manual do Epanet 2009 ii edição das propriedades dos componentes objetos que constituem o sistema nós trechos bombas reservatórios e válvulas iii descrição das condições de operação do sistema iv seleção de um conjunto de opções de simulação e análises v execução de simulações hidráulicas vi obtenção e análises dos resultados das simulações 72 Exemplo Aplicado a um Sistema Coletivo de Irrigação A aplicação do Epanet com seus recursos de modelagem está mostrada neste item com a execução de um exemplo modelo para que o usuário possa conhecer inicialmente os principais recursos do programa A partir da compreensão desse exemplo o usuário poderá adquirir experiência à medida que trabalha com outros estudos de caso Na Figura 71 apresentase um exemplo de um sistema simples de distribuição de água para um perímetro de irrigação para o qual se pretende ilustrar os principais passos de um processo de simulação 194 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética e análise operacional A pressão mínima com que a água deve chegar à entrada das parcelas é de 42 mca As características e dados do exemplo são O sistema é composto por um reservatório fonte reservatório de nível fixo RNF com nível de água constante na cota 153 metros a partir do qual a água é bombeada diretamente para uma rede de distribuição ramificada As características dos nós da rede e as propriedades dos trechos encontramse nos Quadros 71 e 72 respectivamente Na nomenclatura do Epanet o consumo base representa a demanda média de água da parcela irrigada O período de irrigação apresentado no Quadro 71 corresponde ao período em horas que a parcela é irrigada continuamente durante o dia A estação de bombeamento representada pelos trechos B1 e B2 possui duas bombas centrífugas iguais em paralelo com uma curva característica altura manométrica versus vazão estabelecida pelos seguintes pares de valores 0 Ls 58 mca 70 Ls 45 mca e 100 Ls 35 mca A curva de rendimento de cada uma das bombas em função da vazão bombeada é caracterizada pelos pares de valores 30 Ls 40 50 Ls 65 70 Ls 75 80 Ls 72 e 90 Ls 64 O valor da tarifa de energia é de 020 kWh aumentando para 100 kWh entre 18 e 21 horas horário de ponta do setor elétrico Figura 71 Representação da rede exemplo a ser modelada Quadro 71 Propriedades dos nós da rede Nó Cota m Consumo base Ls Período de irrigação h Nó Cota m Consumo base Ls Período de irrigação h N1 1530 00 0 N9 1515 100 219 N2 1525 63 618 N10 1515 100 219 N3 1520 75 618 N11 1515 00 0 N4 1520 00 0 N12 1510 125 618 N5 1520 100 618 N13 1510 125 618 N6 1520 100 618 N14 1500 175 219 N7 1520 00 0 N15 1515 150 219 N8 1515 100 618 N16 1515 150 219 Modelagem Hidráulica de Sistemas de Irrigação 195 Para começar a trabalhar com o Epanet devese inicialmente criar um novo projeto Para tanto selecionase Arquivo Novo a partir da barra do menu principal Em seguida selecionase Projeto Configurações Predefinidas para abrir a caixa de diálogo apresentada na Figura 72 Essa caixa de diálogo será utilizada para permitir que o Epanet gere automaticamente IDs rótulos de identificação para os elementos do projeto que serão criados nós reservatórios trechos bombas etc sendo possível definir um prefixo próprio para cada categoria de componente Caso não se pretenda adicionar qualquer prefixo de ID aos elementos que constituem a rede apagamse todos os prefixos dos campos da página de Rótulos de ID e definese um incremento de numeração automática de ID igual a 1 essas são as opções predefinidas do programa Quadro 72 Propriedades das tubulações dos trechos da rede PVC DEFoFo PN 125 T L m DN Dint mm ε mm T L m DN Dint mm ε mm T1 260 350 3476 002 T9 120 300 2998 002 T2 150 350 3476 002 T10 120 300 2998 002 T3 100 200 2042 002 T11 210 150 1564 002 T4 10 100 1084 002 T12 240 150 1564 002 T5 10 100 1084 002 T13 240 150 1564 002 T6 150 150 1564 002 T14 120 200 2042 002 T7 10 100 1084 002 T15 150 150 1564 002 T8 10 100 1084 002 Figura 72 Caixa de diálogo de configurações predefinidas No próximo passo selecionase a aba Hidráulica da mesma caixa de diálogo Figura 72 e editase a opção Unidades de Vazão para escolher a unidade de vazão a ser empregada 196 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética no projeto Caso a unidade escolhida seja LPS litro por segundo o programa utilizará automaticamente unidades do Sistema Internacional para as demais grandezas do projeto comprimento em metros diâmetro em mm pressão em mca energia em kW etc Ainda na mesma caixa de diálogo selecionase para o exemplo considerado a opção DarcyWeisbach DW como fórmula de cálculo da perda de carga contínua O programa permite trabalhar também com as fórmulas de HazenWilliams HW e ChezyManning CM Em seguida selecione algumas opções de visualização do mapa da rede de abastecimento À medida que os elementos da rede forem sendo adicionados seus respectivos rótulos IDs e símbolos serão visualizados Selecione Visualizar Opções para que seja mostrada a caixa de diálogo de Opções do Mapa Selecione a página de Notação na caixa de diálogo e verifique as opções apresentadas ver Figura 73 A seguir mude para a página de Símbolos e verifique também todas as opções Clique no botão OK para aceitar essas opções e fechar a caixa de diálogo Figura 73 Caixa de diálogo de Opções do Mapa 721 Traçado da Rede Após ter seguido os passos anteriores a rede pode começar a ser desenhada com o auxílio do mouse e dos botões da Barra de Ferramentas do Mapa mostrada na Figura 74 Em primeiro lugar adicione o reservatório de nível fixo RNF clicando no botão Adicionar RNF da barra de ferramentas Em seguida clique com o mouse no ponto do mapa onde pretende inserir esse objeto A seguir adicionamse os nós clicando no botão Adicionar Nó e seguidamente nos pontos do mapa onde pretendese colocar os nós de N1 a N16 sem se preocupar com a correta distância entre eles Em seguida adicionamse os trechos começando com o trecho T1 que liga os nós N1 e N2 Primeiramente clique em Adicionar Trecho da barra de ferramentas Posteriormente clique no nó N1 e depois no nó N2 Observe que ao deslocarse do nó N1 para o N2 é desenhada uma linha tracejada que Modelagem Hidráulica de Sistemas de Irrigação 197 tornase contínua após clicarse sobre o nó N2 Repetese o procedimento para a sequência de trechos de T2 a T15 Por último adicionase as bombas B1 e B2 As bombas tais como as tubulações e as válvulas são consideradas trechos da rede definidas pela ligação entre dois nós Assim para adicionar a bomba B1 selecione o botão Adicionar Bomba clique no nó RNF e depois no nó N1 em seguida procedese da mesma maneira para a bomba B2 criandose um desenho retangular com a inserção de dois vértices conforme mostrado na Figura 71 O mapa da rede obtido deve apresentar uma configuração igual à da Figura 71 Figura 74 Botões da barra de ferramentas para desenhar a rede 722 Propriedades dos Objetos da Rede Para cada objeto adicionado ao projeto do sistema de abastecimento são associadas propriedades predeterminadas valores predefinidos Para modificar as propriedades de um objeto devese selecionálo no Editor de Propriedades ver Figura 75 e editar os novos valores Existem diferentes modos para editar as propriedades de um objeto Caso a janela do Editor de Propriedades esteja visível podese simplesmente clicar sobre o objeto ou selecionálo a partir da página de Dados da janela do Navegador Caso não esteja visível podese editálo mediante uma das seguintes opções Duplo clique sobre o objeto no mapa Clique com o botão direito do mouse sobre o objeto e selecione propriedades a partir do menu instantâneo que é mostrado Selecione o objeto a partir da página de Dados da janela do Navegador e clique no botão editar da mesma janela Sempre que a janela do Editor de Propriedades estiver visível podese obter a descrição das propriedades listadas no editor acionandose o menu Ajuda através da tecla F1 Comece a editar os dados do exemplo selecionando o nó N2 no Editor de Propriedades tal como se mostra na Figura 75 Introduza a cota e o consumo para esse nó nos campos apropriados os dados numéricos têm que ser introduzidos no programa no formato inglês ou seja com o ponto em vez da vírgula para representar um valor decimal Desse modo ao moverse entre os objetos da rede podese preencher ou alterar os campos referentes à cota e ao consumo para os nós e ao comprimento diâmetro e rugosidade coeficiente ε em mm para os trechos No Editor de Propriedade dos nós podese ainda 198 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética inserir um valor para o coeficiente do emissor caso o nó se constitua em um orifício emissor no qual a vazão efluente dependa da pressão reinante No Editor de Propriedades do trecho T1 foi introduzida uma válvula de retenção já que esse trecho está imediatamente a jusante da bomba Para inserir uma válvula de retenção em um trecho basta selecionar no Editor de Propriedades a opção CV correspondente ao Estado Inicial do trecho considerado Para o reservatório de nível fixo introduza o valor do nível da água igual a 153 em metros no campo referente a Nível de Água Para a bomba é necessário adicionar uma curva característica altura manométrica versus vazão introduza no campo Curva da Bomba das duas bombas o valor 1 como rótulo de ID Em seguida crie a Curva da Bomba 1 que é igual para ambas B1 e B2 Na página de Dados da janela do Navegador selecione Curvas a partir do menu suspenso e clique no botão Adicionar Uma nova curva será adicionada aos dados do projeto e a caixa de diálogo do Editor de Curva será mostrada ver Figura 76 Escolha BOMBA no tipo de curva e introduza os pares de valores de vazão e carga altura manométrica na tabela do lado esquerdo Os pares de valores do exemplo são 0 Ls 58 mca 70 Ls 45 mca e 100 Ls 30 mca O Epanet cria automaticamente uma curva característica completa a partir dos três pontos fornecidos A equação da curva é traduzida graficamente Clique no botão OK para fechar o editor Figura 75 Janela do editor de propriedades Uma importante informação a ser extraída do Epanet diz respeito à energia consumida pela estação de bombeamento e ao custo correspondente ao longo de uma simulação diária Para tanto devese adicionar uma curva de rendimento que será associada às bombas do sistema Na página de Dados da janela do Navegador selecione Curvas e clique no botão Adicionar Uma nova curva será adicionada aparecerá o número 2 e a caixa de diálogo do Editor de Curva será mostrada ver Figura 77 Escolha RENDIMENTO no tipo de curva e introduza os pares de valores de vazão e rendimento na tabela do lado esquerdo O Epanet cria automaticamente uma curva de rendimento a partir dos pares de valores fornecidos Clique no botão OK para fechar o editor No Editor de Propriedades das duas bombas Modelagem Hidráulica de Sistemas de Irrigação 199 introduza no campo Curva de Rendimento o valor 2 como rótulo de ID Introduza também no mesmo editor o valor do preço da energia custo do kWh e no campo Padrão de Preço o valor 3 como indicador desse padrão Figura 76 Editor de curva da bomba Figura 77 Editor de curva do rendimento da bomba 200 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Salvar e Abrir Projetos Concluída a fase inicial da modelagem de uma rede de distribuição é necessário salvar o trabalho para um arquivo A partir do menu Arquivo selecione as opções Salvar ou Salvar Como Na caixa de diálogo de Salvar ou Salvar Como selecione a pasta e introduza o nome do arquivo em que pretende salvar o projeto A extensão NET será adicionada automaticamente ao nome do arquivo caso esta não tenha sido fornecida Os dados do projeto são salvos em formato binário o qual não é legível a partir de um editor de texto Caso pretenda salvar os dados do sistema para um arquivo de texto legível selecione Arquivo Exportar Rede Para abrir o arquivo do projeto numa próxima sessão selecione a opção Abrir a partir do menu Arquivo 723 Executar uma Simulação Dinâmica Utilizase habitualmente o termo simulação dinâmica em modelagem de sistemas de distribuição de água quando se efetua uma simulação da evolução das variáveis do sistema ao longo do tempo através de uma sequência de soluções de equilíbrio hidráulico obtidas para sucessivos instantes Na simulação dinâmica do modelo as condições de contorno serão variáveis com o tempo por exemplo altura de água no RNV e arranqueparada de um grupo elevatório Para se executar uma simulação dinâmica ao longo do tempo período estendido deve ser criada uma curva de demanda Padrão Temporal para representar a variação periódica dos consumos nos nós da rede ao longo do tempo No caso do exemplo em questão será utilizado um intervalo de tempo de 1 hora para representar a variação dos consumos a cada hora do dia em função dos dados do Quadro 71 Período da Irrigação O intervalo de tempo do Padrão Temporal é configurado selecionando Opções e Tempos a partir da página de Dados da janela do Navegador Clique no botão Editar para mostrar a janela de Opções de Tempo caso não esteja visível e introduza o valor 1 no campo Intervalo de Tempo Padrão conforme mostrado na Figura 78 Podese ainda fixar a duração total da simulação dinâmica Para este exemplo será considerado um período de simulação de um dia e para tanto devese introduzir 24 horas no campo Duração Total No intervalo de tempo do relatório foi adotado o valor 015 os resultados da simulação são apresentados a cada 15 minutos Para criar o Padrão de Consumo selecione a categoria Padrões a partir da página de Dados da janela do Navegador e clique no botão Adicionar Um novo padrão o predefinido é o padrão 1 será criado e a caixa de diálogo do Editor de Padrão é mostrada ver Figura 79 Esse Padrão de Consumo representa a variação dos consumos das parcelas que serão irrigadas no período de irrigação de 6 às 18 horas Para as demais parcelas que irão irrigar entre 21 e 9 horas da manhã o Padrão de Consumo assume os valores do padrão de consumo 2 Para a edição desse Padrão de Consumo 2 basta inserir o valor unitário nos fatores multiplicativos do editor de padrão entre as horas 0 e 9 e entre as horas 21 e 24 ver Figura 710 No abastecimento urbano de água o padrão de consumo assume uma forma bem marcante com consumos contínuos variáveis ao longo do dia máximos entre as 9 e 18 horas e mínimos no período noturno A demanda constante de água consumo base das parcelas de irrigação é assegurada pelas válvulas controladoras de vazão estabelecidas nas suas entradas conforme comentado no item 521 ver Figuras 54 e 56 Não há necessidade de Modelagem Hidráulica de Sistemas de Irrigação 201 inserir essa válvula FCV na entrada da parcela nesta simulação pois a vazão demandada já é constante de acordo com os padrões de consumo estabelecidos para este exemplo A seguir é necessário associar o Padrão 1 à propriedade Padrão de Consumo para os nós da rede N2 N3 N5 N6 N8 N12 e N13 Para os demais nós de consumo N9 N10 N14 N15 e N16 deve ser associado o padrão de consumo 2 nas suas respectivas caixas de propriedades Figura 78 Opções de tempo Figura 79 Editor do Padrão de Consumo 1 Devemse estabelecer as regras de operação das duas bombas em paralelo já que de acordo com a demanda de água do perímetro ao longo do dia as bombas B1 e B2 não 202 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética precisarão trabalhar simultaneamente durante as 24 horas As duas bombas serão acionadas em função da variação da vazão demandada pelo sistema de abastecimento Para o exemplo em questão a segunda bomba identificada pelo ID B2 estará operando quando a vazão demandada for superior a 70 Ls e será desligada quando o consumo da rede for inferior a esse valor Portanto essa regra de operação será transmitida ao programa por meio de um conjunto de instruções que deve obedecer à sintaxe do Epanet Para o presente exemplo será adicionada a correspondente regra operacional no item Controles da caixa de Dados da janela do Navegador Existem dois tipos de controles Simples e Programado sendo que para representar a regra de operação da bomba B2 deverá ser criado um controle programado A regra de operação adicionada na caixa de controles programados do Epanet é rule 1 if link T1 flow above 70 then pump B2 status is open else pump B2 status is closed O significado dessas instruções é regra 1 se no trecho T1 a vazão for superior a 70 Ls então a bomba B2 será acionada caso contrario a bomba B2 será desligada No Editor de Propriedades da bomba B2 o Estado Inicial é Closed desligada Figura 710 Editor do Padrão de Consumo 2 Após a inserção dos dados do modelo hidráulico do sistema de distribuição de água podese executar a simulação dinâmica selecionandose Projeto Executar Simulação ou clicandose no botão da barra de ferramentas principal Para simulações dinámicas dispõese de várias possibilidades de visualização dos resultados Modelagem Hidráulica de Sistemas de Irrigação 203 A barra de deslocamento dos controles de Tempo na página do Mapa da janela do Navegador é utilizada para visualizar as características da rede em diferentes instantes ao longo do período de simulação Teste esse modo de visualização dos resultados selecionando a pressão como parâmetro no nó e a vazão como parâmetro no trecho A Figura 711 mostra o resultado da simulação com as pressões nos nós em mca e as vazões nos trechos em Ls sendo retratadas às 8 horas da manhã Figura 711 Pressões nos nós e vazões nos trechos às 8 horas Os botões de vídeo na janela do Navegador permitem fazer uma animação do mapa que representa a operação da rede ao longo do tempo Clique no botão Para a Frente para começar a animação e no botão Parar para terminar 724 Energia do Bombeamento Como consequência da simulação dinâmica o Epanet pode gerar um Relatório de Energia que mostra as estatísticas sobre a energia consumida pelas bombas e os respectivos custos ao longo de uma simulação Caso exista variação no custo da tarifa de energia ao longo do dia devese criar um padrão temporal para a energia Selecione a categoria Padrões a partir da página de Dados da janela do Navegador e clique no botão Adicionar Um novo padrão Padrão 3 será criado e a caixa de diálogo do Editor de Padrão será mostrada ver Figura 712 Introduza o fator multiplicativo 1 para os períodos de tempo fora do horário de ponta e 5 para o horário de ponta de 18 às 21 horas O rótulo 3 do Padrão do Custo de energia deve ser inserido em Padrão de Preço na janela de propriedades das duas bombas além do custo unitário da tarifa que é de 020 unidades monetárias Para criar um Relatório de Energia selecione Relatório Energia a partir da barra de menu principal A caixa de diálogo do relatório mostra a energia consumida pelas bombas em um formato de tabela ver Figura 713 Para o exemplo considerado o custo diário da energia é de 19756 O programa Epanet permite a modelagem de sistemas de abastecimento com bombas em paralelo em série com a utilização de booster e de diversos tipos de válvulas O programa permite ainda estabelecer regras controles para simular as condições de operação do sistema a partir de determinados controles operacionais liga e desliga de bombas 204 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética acionamentos de válvulas condicionados a determinados valores das variáveis hidráulicas paradas de bombas no horário de ponta do sistema elétrico etc Maiores detalhes sobre o Epanet podem ser obtidos a partir do manual do programa O livro Sistemas de Abastecimento Operação de Redes e Elevatórias GOMES 2009 apresenta um capítulo dedicado ao programa no qual são mostradas várias possibilidades de modelagem hidráulica de sistemas de abastecimento de água Figura 712 Editor do padrão da variação da tarifa de energia Figura 713 Energia e custo do bombeamento ao longo de um dia Capítulo 8 DIMENSIONAMENTO OTIMIZADO DE REDES E ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS Heber Pimentel Gomes e Moisés Salvino Menezes 81 Introdução No item 48 foi mostrado que o dimensionamento das redes de distribuição ramificadas pressurizadas é hidraulicamente indeterminado e que portanto admite inúmeras soluções as quais atendem aos requerimentos de vazão e pressão das parcelas de irrigação Naquela mesma seção foi apresentado o Método da Perda de Carga Unitária Constante que dimensiona redes ramificadas mas sem levar em conta a determinação da solução mais econômica do sistema de abastecimento Neste capítulo serão apresentadas metodologias de dimensionamento econômico de estações elevatórias ou de bombeamento e de redes de distribuição de água para irrigação abastecidas por reservatório ou por estação de bombeamento Essas metodologias de dimensionamento econômico ou de otimização econômica são imprescindíveis para garantir gastos energéticos otimizados em relação aos custos de implantação dos sistemas Na fase de projeto do sistema de distribuição de água devese dimensionálo levando se em conta a sua eficiência quando estiver operando Para evitar que os gastos energéticos sejam bastante acentuados durante a vida útil do projeto podemse prever suas magnitudes e obter alternativas de dimensionamento que minimizem os custos totais de implantação e da energia do bombeamento Atualmente existem metodologias de cálculo de redes pressurizadas de abastecimento e de estações de bombeamento que utilizam critérios de otimização econômica para a obtenção do dimensionamento ideal e minimizam o custo total do sistema composto pelo custo de implantação mais o gasto com energia elétrica do sistema de bombeamento A grande maioria dos sistemas de bombeamento de redes de irrigação existentes no Brasil foram projetados sem a preocupação com o custo da energia elétrica já que este era fortemente subsidiado e quase não onerava o custo operacional das estações de bombeamento De uma maneira geral para se baratear o investimento inicial das elevatórias e redes pressurizadas reduziase o diâmetro das tubulações sem levar em conta o impacto futuro das perdas de carga nas contas de energia Com base na equação hidráulica da continuidade o projetista adotava uma velocidade elevada inferior à máxima recomendada pelas normas técnicas para obter diâmetros mínimos para as tubulações de distribuição de água Dessa forma encontravamse tubulações de menores custos de implantação mas que acarretavam elevadas perdas de carga e por isso requeriam elevadas potências nas instalações de bombeamento aumentando consideravelmente a quantidade da energia consumida Em uma instalação de recalque o custo da energia elétrica para bombeamento e da implantação da linha adutora é função direta do diâmetro da tubulação conforme pode ser observado pelo gráfico da Figura 81 Esse gráfico relaciona o custo capitalizado da energia de bombeamento de investimento da tubulação da linha adutora e o custo total soma da energia e tubulação em função do diâmetro da condução O diâmetro ótimo em termos econômicos e hidráulicos é o que minimiza o custo total do sistema elevatório formado pelo 206 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética investimento da tubulação e o gasto atualizado da energia elétrica do bombeamento As estações elevatórias existentes atualmente no Brasil na sua grande maioria estão operando com seus diâmetros inferiores aos diâmetros ótimos Na faixa de diâmetros inferiores ao ótimo conforme mostrado no gráfico da Figura 81 existe uma perda de energia que poderia ser minimizada caso fosse adotado o diâmetro ótimo Isto ocorre porque as instalações em operação foram projetadas há vários anos quando o custo da tarifa energética não tinha a repercussão que possui hoje em dia Figura 81 Custo da estação elevatória segundo o diâmetro da adutora 82 Dimensionamento Econômico de Estações Elevatórias O projeto de uma instalação de recalque compreende o dimensionamento das tubulações de recalque e de sucção com o consequente cálculo da potência do conjunto elevatório O projeto sob o ponto de vista técnico e econômico está condicionado ao dimensionamento hidráulico da tubulação de recalque já que esta se constitui no componente mais importante pela sua magnitude econômica em comparação com o sistema de sucção e bombeamento Segundo o diâmetro encontrado para a adutora os custos de implantação e de operação do sistema poderão variar obtendose assim projetos mais ou menos econômicos O dimensionamento hidráulico de um conduto pressurizado consiste em determinar a velocidade média de circulação da água V a vazão Q o diâmetro do tubo D e também a perda de carga no sistema hf Para tanto dispõese apenas de duas equações que são a da continuidade e a da perda de carga ao longo do conduto Q V D2 4 hf f QD Como a vazão é um parâmetro conhecido do projeto restam assim três variáveis V D hf para apenas duas equações Observase assim que o dimensionamento de uma tubulação de recalque é um problema hidraulicamente indeterminado pois há mais incógnitas D Dimensionamento Otimizado de Redes e Estações de Bombeamento 207 do que equações disponíveis podendo haver inúmeras soluções para o diâmetro e para a velocidade que atendem à vazão demandada Essa indeterminação pode ser superada admitindose uma restrição hidráulica ao problema que pode ser uma perda de carga máxima admissível no conduto uma velocidade recomendada de escoamento ou então adotandose um diâmetro já normalizado dentre os comercialmente disponíveis Entretanto a metodologia mais adequada para resolver esse problema constituise na introdução do critério econômico de alcançar a alternativa de projeto que minimize o custo total do sistema composto pelo de implantação e o de operação energético Os custos de implantação e de operação são antagônicos ou seja quando um aumenta o outro diminui Ao se escolher um diâmetro menor para a adutora haverá uma diminuição no seu custo de implantação mas em contrapartida o custo energético será maior De forma contrária ao optar por um diâmetro maior haverá uma diminuição no custo de energia por conta da diminuição das perdas de carga e um consequente aumento no custo de implantação da tubulação de recalque ver Figura 81 Para uma mesma vazão há uma apreciada diminuição da perda de carga quando se aumenta o diâmetro da tubulação de recalque pois essa varia com o inverso da quinta potência do diâmetro barateando assim a energia que será gasta no decorrer da utilização da instalação De maneira oposta quando ocorre um aumento do diâmetro utilizado aumentar seá o custo total de investimento da tubulação pois quanto maior o diâmetro de um tubo constituído por um mesmo material e de uma mesma classe maior será o custo da implantação Assim sendo fazse necessário determinar um diâmetro ótimo para a tubulação de recalque de um sistema de irrigação de tal forma que se obtenha para uma vazão determinada o menor custo do sistema composto este pela soma do custo de implantação e o de energia O custo de implantação compreende a soma do custo dos tubos das peças de conexão do conjunto motobomba e as despesas com escavação e montagem A determinação do diâmetro mais econômico de uma estação elevatória pode ser feita por tentativa ou diretamente por meio de alguma fórmula matemática que calcula o diâmetro ótimo em função das variáveis hidráulicas e econômicas O método das tentativas consiste na obtenção do diâmetro mais econômico a partir da determinação dos custos de implantação e de energia calculados para os diversos diâmetros comercias escolhidos em função da vazão de projeto Com base na fórmula de Bresse ver Equação 81 determinase um provável diâmetro mais econômico em metros segundo a vazão de projeto Q dada em m3s e um valor do coeficiente k que varia entre 04 a 16 Atualmente é recomendável adotar um valor de k igual a 10 ou 11 D k Q 81 Os valores calculados de D a partir da fórmula de Bresse não coincidem com valores de diâmetros comerciais internos disponíveis no mercado Na prática o diâmetro mais econômico a ser adotado em função da fórmula de Bresse será o comercial imediatamente superior ao encontrado pela Equação 81 Para a determinação do diâmetro ótimo pelo método das tentativas selecionase um elenco de diâmetros comerciais cujos valores em sequência contêm o diâmetro nominal obtido por meio da fórmula de Bresse É recomendável escolher uma sequência de 3 ou 5 diâmetros nominais na qual o valor central coincide com o nominal determinado pela fórmula de Bresse O diâmetro ótimo econômico será aquele que minimiza o custo total da estação elevatória correspondente à soma dos custos de implantação e de energia valor atual ou presente 208 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética 821 Custo de Implantação do Sistema O custo fixo ou de implantação de uma estação elevatória ou de bombeamento para efeito de determinação do diâmetro ótimo econômico pode ser resumido ao custo de implantação da tubulação da linha adutora Os demais custos envolvidos equipamentos de bombeamento casas de bomba e equipamentos de controle são comuns a todas as alternativas de projeto e praticamente não variam com o diâmetro a ser escolhido para a adutora Para médias e grandes estações elevatórias o custo da tubulação adutora é consideravelmente o de maior magnitude O custo da tubulação adutora varia diretamente com seu comprimento material diâmetro e pressão nominal do tubo Definido o tipo de tubulação caracterizado pelo seu material em função de aspectos técnicos e econômicos e suas pressões nominais fazse uma consulta para a obtenção dos custos dos tubos Os custos unitários dos tubos em unidades monetárias por metro de comprimento podem ser fornecidos pelos fabricantes ou por seus representantes ou fornecedores Aos preços unitários dos tubos devem ser somados os custos de montagem em unidades monetárias por metro que dependem dos gastos com movimento de terra escavação aterro e botafora do material mãodeobra e transporte caso este último não tenha sido incluído no custo unitário do tubo O custo de investimento de cada trecho do sistema de abastecimento rede ou adutora é determinado pelo produto do custo unitário de implantação da tubulação pelo comprimento do trecho 822 Custo da Energia de Bombeamento O custo da energia de bombeamento para um determinado intervalo de tempo pode ser determinado em função da potência requerida pela estação de bombeamento do número de horas em funcionamento contido no intervalo de tempo considerado e do custo unitário da energia ver Equação 82 Cenergia P Nb p 82 onde Cenergia Custo da energia em unidades monetárias em um determinado intervalo de tempo P Potência requerida pela estação de bombeamento em kW dado pela Equação 83 onde Q é a vazão da elevatória em m3s H é a altura manométrica em metros e η é o rendimento esperado do conjunto motobomba A altura manométrica é a soma da altura geométrica Hg mais as perdas de carga hf Nb Número de horas de bombeamento em um determinado intervalo de tempo em horas p Custo unitário da tarifa de energia elétrica em kWh P 981 Q H 83 O intervalo de tempo empregado normalmente nas análises dos custos energéticos é o mensal ou o anual de maneira que o número de horas de bombeamento Nb corresponderá ao número de horas mensais ou anuais respectivamente O número de horas de bombeamento mensal e anual é estimado em função do número médio de horas diárias de Dimensionamento Otimizado de Redes e Estações de Bombeamento 209 bombeamento que dependerá do regime de funcionamento da estação elevatória Esse regime de funcionamento ou de bombeamento diário é estabelecido segundo as condições de operação e manutenção do projeto de irrigação Para se estabelecer o número de horas de bombeamento diário na etapa de projeto devese levar em conta a vazão demandada e disponibilizada para o sistema e as capacidades dos reservatórios de distribuição e regularização caso sejam necessários Além disso devese limitar quando possível o número máximo diário de horas de operação de forma a evitar bombear durante o horário de ponta do setor elétrico quando a energia é bem mais cara O rendimento do conjunto motobomba deve ser estimado na fase de projeto quando ainda não se dispõem das características dos equipamentos eletromecânicos Nesse caso adotase um valor para o rendimento global que pode ser estimado em função do porte do sistema e dos equipamentos disponíveis no mercado Os rendimentos globais das estações de bombeamento dimensionadas adequadamente variam normalmente entre 50 e 85 823 Custo Total do Sistema Para a obtenção do custo total do sistema na fase de projeto ou de exploração devem ser somados os custos de investimento com os de energia elétrica Como esses gastos incidem em tempos diferentes fazse necessário converter financeiramente os gastos variáveis em gastos fixos ou viceversa os fixos em variáveis Em outras palavras como os gastos de investimento dos equipamentos são fixos e os de operação energia são variáveis devese converter financeiramente os gastos fixos em amortizações anuais ou converter as despesas anuais de exploração em valores fixos atualizados Dessa forma podese comparar as várias alternativas de projeto e escolher aquela que apresenta o menor custo total investimento mais energia As conversões de gastos anuais em valores presentes e as de valores presentes em anuais financeiramente equivalentes são realizadas com base nas equações da aritmética financeira a partir dos correspondentes fluxos de caixa previamente estabelecidos A Figura 82 mostra dois esquemas de fluxos de caixa anuais onde constam os gastos energéticos anuais uniforme a e crescentes b e o custo fixo de investimento I que incide no instante zero da duração do projeto em análise Figura 82 Fluxo de caixa com parcelas uniformes a e crescentes b Para se converter financeiramente um custo fixo ou de investimento das instalações em amortizações anuais uniformes do capital multiplicase o valor presente P pelo Fator de Recuperação de Capital FRC dado pela Equação 84 210 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética n n i 1 i FRC 1 i 1 84 onde i Taxa de juros anual em decimal n Número de anos correspondente à vida útil das instalações ou ao alcance do projeto Para efetuar a conversão de uma série de custos anuais sujeita a uma taxa de juros anual i e de aumento da energia e expressa em decimais em um valor fixo atualizado multiplicase a anuidade Ce1 pelo Fator de Valor Presente FVP dado por n n n 1 e 1 i 1 FVP 1 e 1 i 1 i 85 No emprego da Equação 85 extraída de Gomes 2009 o valor de i tem que ser diferente do valor de e O custo total da estação de bombeamento é dado então pela Equação 86 na qual a primeira parcela representa o custo de implantação da tubulação de recalque e a segunda o valor presente do custo de energia do bombeamento Nessa equação CD é o custo unitário da tubulação de recalque em m e L é o comprimento da tubulação em metros f total b 981QHg h C CD L FVP N p 86 Exemplo 81 Encontrar o diâmetro mais econômico de uma linha adutora de água de uma estação elevatória que deve recalcar uma vazão de 90 Ls para abastecer um sistema de irrigação formado por um conjunto de pivôs centrais ver Figura 83 Os dados de projeto são Cota do NA mínimo do poço de sucção da estação de bombeamento 3 m Cota do terreno da área a irrigar 25 m Pressão necessária para pressurizar os pivôs 60 mca Comprimento da linha adutora 212 km As tubulações serão de ferro dúctil cujos custos unitários de montagem e de implantação são apresentados no Quadro 81 O valor da rugosidade absoluta estimado para o tubo de ferro dúctil revestido internamente cimentado é de 01 mm Viscosidade cinemática da água a 20ºC 1004106 m2s Número de horas de bombeamento diário 18 Rendimento esperado do conjunto motobomba 75 O preço médio do kWh incluindo as tarifas de consumo e de demanda é de 030 kWh Dimensionamento Otimizado de Redes e Estações de Bombeamento 211 O período de exploração é de 20 anos com uma taxa de juro anual de 12 e de aumento da tarifa de energia de 6 As perdas de carga contínuas deverão ser majoradas em 10 para fazer frente às localizadas no sistema de abastecimento Figura 83 Estação elevatória do Exemplo 81 Quadro 81 Custos de implantação por metro das tubulações de ferro dúctil Classe K7 DN Nº DI mm Custo de Implantação m DN Nº DI mm Custo de Implantação m 150 1596 13198 500 5180 51560 200 2112 16584 600 6196 64030 250 2630 20548 700 7212 76720 300 3146 25089 800 8238 93187 350 3662 31786 900 9254 111071 400 4164 37500 1000 10270 130266 450 4666 43623 1200 12312 172973 Solução A metodologia de cálculo consiste em determinar primeiramente o diâmetro mais econômico pela fórmula de Bresse selecionar os diâmetros que serão testados pelo método das tentativas e determinar o diâmetro ótimo que proporciona o custo mínimo da estação elevatória a partir da Equação 86 Determinação do diâmetro mais econômico a partir da fórmula de Bresse Equação 81 considerando o valor de k igual a 11 D k Q 11 0090 033 m 330 mm Com base nos valores dos diâmetros internos do Quadro 81 o diâmetro nominal mais econômico a ser adotado pela fórmula de Bresse é o DN 350 Os diâmetros selecionados para a aplicação do método das tentativas serão os nominais 250 300 350 400 e 450 Cálculo dos custos totais da estação elevatória para os diâmetros selecionados 212 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Para o cálculo dos custos totais da estação elevatória implantação mais energia para cada diâmetro selecionado a partir da Equação 86 vale a pena utilizar o auxílio de uma planilha eletrônica conforme a mostrada no Quadro 82 Nessa planilha constam os dados das variáveis e os cálculos necessários para a determinação dos custos totais Os significados das variáveis da planilha são descritos no Quadro 83 O primeiro bloco de células da planilha mostra as variáveis de projeto o segundo apresenta as variáveis a serem calculadas e o terceiro os custos de implantação de energia do primeiro ano e atualizado e o custo total da estação elevatória A variável de projeto α representa o coeficiente de majoração das perdas de carga utilizado para majorar as perdas contínuas para levar em conta as perdas localizadas no sistema Recomendase o emprego de um coeficiente igual a 11 o que proporciona um aumento das perdas contínuas de 10 A variável K representa o somatório dos coeficientes de perda localizada conforme descrito no Capítulo 4 Quadro 82 Custo total da elevatória em função do diâmetro da linha adutora Q 009 α 11 n 20 K 0 L 2120 η 75 i 12 ε 01 Hg 82 Nb dia 18 e 6 ν 1004E06 p 03 D CD f hf Hman P kW P cv FVP 2630 20548 00171277 2124 10324 12154 16514 111254 3146 25089 00169077 856 9056 10661 14485 111254 3662 31786 00168059 398 8598 10122 13753 111254 4164 37500 00167812 209 8409 9899 13450 111254 4666 43623 00168062 119 8319 9793 13305 111254 Cimp Cenerg ano Ce atualizado Ctotal 43561760 23955519 266515787 310077547 53188680 21012978 233778706 286967386 67386320 19950289 221955824 289342144 79500000 19511589 217075088 296575088 92480760 19301322 214735777 307216537 De acordo com os resultados da planilha apresentada no Quadro 82 observase que o diâmetro que proporcionou o menor custo da estação elevatória foi o DN 300 Para esse diâmetro o custo de implantação da linha adutora foi de 53188680 o da energia atualizado de 233778706 e o total de 286967386 O custo da energia para o primeiro ano de operação da estação elevatória foi de 21012978 O gráfico da Figura 84 mostra as curvas de variação dos custos em função do diâmetro da linha adutora da estação elevatória Para o diâmetro ótimo encontrado DN 300 a potência requerida foi de 10661 kW ou 14485 cv Pelos dados apresentados observase que o peso do custo energético para esse projeto é bem superior ao de implantação da linha adutora Dimensionamento Otimizado de Redes e Estações de Bombeamento 213 Quadro 83 Significado das variáveis do Quadro 82 Variáveis Descrição das Variáveis de Projeto Q Vazão da estação elevatória em m3s L Comprimento da linha adutora em m Hg Desnível geométrico mais a pressão requerida pelos pivôs p Preço médio diário do kWh em kWh esse preço deve levar em conta uma média ponderada entre as tarifas de consumo e de demanda D Diâmetro interno da linha adutora em mm CD Custo unitário da tubulação em unidades monetárias por metro m α Coeficiente de majoração das perdas de carga utilizado para majorar as perdas contínuas para levar em conta as perdas localizadas no sistema η Rendimento esperado do conjunto motobomba em Nb dia Número de horas de bombeamento diário n Número de anos da vida útil do projeto necessário para o cálculo do FVP i Taxa de juros anual em necessária para o cálculo do FVP Eq 85 e Taxa de aumento anual da energia em para o cálculo do FVP K Somatório dos coeficientes de perda localizada ε Rugosidade absoluta em mm utilizada para o cálculo do número de Reynolds e do fator de atrito f Equações 41 e 49 respectivamente ν Viscosidade cinemática da água em m2s utilizada no cálculo do número de Reynolds Variáveis Descrição das Variáveis Calculadas f Fator de atrito calculado pela fórmula de Swamee e Jain Equação 49 hf Perda de carga contínua em m calculada pela Equação de Darcy Eq 46 Hman Altura manométrica de bombeamento em m P kW Potência requerida pela estação de bombeamento em kW P cv Potência requerida pela estação de bombeamento em cv FVP Fator de valor presente adimensional Equação 85 Cimp Custo de implantação da linha adutora em Cener ano Custo energético no primeiro ano de operação do projeto em Ce atualizado Custo atualizado da energia de bombeamento em Ctotal Custo total da estação elevatória valor presente em Os dados da planilha do Quadro 82 proporcionam os demais resultados relativos ao dimensionamento da estação elevatória principalmente os custos envolvidos e a potência requerida pelo conjunto motobomba A planilha na forma como apresentada nesse exemplo é muito útil para analisar a repercussão do custo da energia ou do sistema como um todo frente a possíveis alterações nos dados de projeto eou nos dados operacionais No exemplo seguinte verificase um caso da repercussão do custo energético frente a uma possível modificação nos dados do projeto Exemplo 82 No caso específico do sistema já dimensionado no exemplo anterior suponhase que em vez do rendimento de 75 consigase no mercado um conjunto motobomba que possa 214 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética operar com um rendimento de 85 Nesse caso verificar a economia alcançada com o aumento do rendimento do conjunto motobomba Figura 84 Curvas de variação dos custos em função do diâmetro da linha adutora da estação elevatória Solução Para efetuar essa análise basta substituir na planilha considerada o valor da variável rendimento conforme mostrado no Quadro 84 Pelos resultados da planilha o custo da energia de bombeamento consumida no primeiro ano de operação do projeto passaria para 18540863 Essa modificação representa uma economia anual de 2472115 1176 nos gastos com energia elétrica Seguramente essa economia amortizaria em pouco tempo o gasto em adquirir um conjunto motobomba com um rendimento maior Quadro 84 Custo total da estação elevatória com o rendimento de 85 Q 009 α 11 n 20 K 0 L 2120 η 85 i 12 ε 01 Hg 82 Nb dia 18 e 6 ν 1004E06 p 03 D CD f hf Hman P kW P cv FVP 2630 20548 00171277 2124 10324 10724 14571 111254 3146 25089 00169077 856 9056 9407 12781 111254 3662 31786 00168059 398 8598 8931 12135 111254 4164 37500 00167812 209 8409 8735 11868 111254 4666 43623 00168062 119 8319 8641 11740 111254 Dimensionamento Otimizado de Redes e Estações de Bombeamento 215 Cimp Cenerg ano Ce atualizado Ctotal 43561760 21137223 235160989 278722749 53188680 18540863 206275329 259464009 67386320 17603196 195843374 263229694 79500000 17216108 191536843 271036843 92480760 17030578 189472745 281953505 83 Dimensionamento Econômico de Redes de Abastecimento Método Lenhsnet 831 Introdução Conforme comentado no item 82 o dimensionamento de uma tubulação de recalque é hidraulicamente indeterminado e admite inúmeras soluções que atendem aos requerimentos de vazão e pressão nos pontos de consumo do sistema de distribuição de água O mesmo ocorre com o dimensionamento das redes de distribuição pressurizadas embora com muito mais complexidade pois enquanto uma adutora é composta normalmente de um único trecho as redes compõemse de inúmeros trechos conectados em série e em paralelo o que aumenta consideravelmente o número de variáveis do processo de cálculo Os métodos clássicos de dimensionamento de redes pressurizadas que não levam em conta a busca da solução mais econômica para o sistema de abastecimento estão sendo substituídos pelos de otimização econômica que utilizam técnicas de pesquisa operacional para alcançarem as soluções de mínimo custo dos sistemas de distribuição de água É evidente que o custo de implantação de uma rede de distribuição pressurizada de água é função dos diâmetros e pressões nominais das tubulações Esses diâmetros com suas pressões nominais são determinados em função dos requerimentos hidráulicos vazões e pressões requeridas nos pontos de consumo e das características topológicas do sistema de abastecimento traçado da rede e altimetria dos pontos de demanda e de distribuição da água Os custos de implantação e de energia do sistema de abastecimento para as condições definidas de projeto demandas e traçado da rede dependem fundamentalmente da cota piezométrica do ponto de alimentação da rede seja ela abastecida por um reservatório elevado ou por um sistema de bombeamento direto Mantendose constante as classes dos tubos verificase que quanto maior for a cota piezométrica de alimentação menor será o custo de implantação da rede pois nesse caso poderão ser selecionados tubos de menores diâmetros já que existirão cargas suficientes para superar as maiores perdas provocadas por eles Em contrapartida o custo de operação do sistema de bombeamento cresce com a cota piezométrica de alimentação pois os custos da energia necessária para pressurizar a rede aumentam diretamente com a altura de impulsão do bombeamento De forma oposta para uma menor altura de impulsão na alimentação da rede corresponderá um menor custo energético da estação de bombeamento e um maior custo de implantação da rede de distribuição uma vez que esta será composta de tubos de maiores diâmetros que provocam menores perdas de carga no sistema Portanto o dimensionamento ótimo das redes de distribuição será aquele cujo custo de implantação e de energia da rede de tubulações e da estação de bombeamento seja mínimo Com base nesse critério de dimensionamento se 216 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética desenvolveram os métodos de otimização econômica das redes pressurizadas de distribuição de água O dimensionamento das tubulações das redes de distribuição pode ser efetuado considerando duas situações Na primeira a altura manométrica de alimentação é tida como conhecida sendo um valor fixo do problema essa situação ocorre normalmente nos abastecimentos efetuados através de reservatório elevado situado na origem do sistema No segundo caso essa altura é desconhecida sendo considerada uma variável a mais a ser otimizada pelo dimensionamento Assim procurase minimizar a soma dos custos de implantação da rede tubos peças montagens etc e da energia de bombeamento A equação que representa o custo total do sistema de abastecimento compreendendo o custo de implantação da rede mais o de energia gasta pela estação de bombeamento pode ser expressa pela Equação 87 CDiH m i i i 1 L PD Ch H FVP 87 onde CDi H Custo do sistema de abastecimento em função dos diâmetros Di e da altura de bombeamento H Li Comprimento do trecho i PDi Função que relaciona o preço unitário de implantação da tubulação do trecho i com o diâmetro Di m Número de trechos da rede FVP Fator de valor presente do custo de energia elétrica Equação 85 Ch Custo de energia da estação de bombeamento por unidade de altura manométrica H Altura manométrica de bombeamento O custo da energia da estação de bombeamento por unidade de altura manométrica Ch pode ser obtido por meio da Equação 88 na qual os significados das variáveis já foram descritos nas Equações 82 e 83 A Equação 87 com o critério de custo mínimo representa a função objetivo do método proposto cujas variáveis de decisão são os diâmetros dos trechos Di e a altura manométrica de bombeamento H h b 981 Q C N p 88 Restrições A solução ótima de custo mínimo a ser obtida que fornece os diâmetros de todos os trechos da rede e a altura manométrica da estação de bombeamento deve satisfazer as restrições hidráulicas que são inerentes ao problema físico de escoamento em redes de abastecimento Essas restrições são descritas por meio das equações seguintes a Pressões mínimas e máximas nos nós Dimensionamento Otimizado de Redes e Estações de Bombeamento 217 As pressões nos nós da rede devem se situar dentro de um intervalo de valores que garanta o bom funcionamento do sistema de abastecimento A equação de restrição que estabelece os limites de pressão nas tubulações das redes é k ki f c ks c 1 Z Z h Z 89 onde Z Cota piezométrica de alimentação da rede Zki Cota piezométrica mínima requerida no nó k Zks Cota piezométrica máxima admitida no nó k hfc Soma das perdas de carga nos trechos pertencentes ao percurso artéria compreendido entre a alimentação e o nó k b Continuidade nos nós A soma algébrica das vazões nos nós deve ser igual a zero ou seja as vazões que entram devem ser iguais às que saem n n i j k q entra sai n i 1 j 1 Q Q d 0 810 onde Qentrai Vazões dos trechos i que chegam ao nó n Qsaij Vazões dos trechos j que deixam o nó n dn Demanda concentrada nesse nó kn Número de trechos com vazões chegando ao nó n qn Número de trechos com vazões saindo do nó n c Velocidade máxima nos trechos A rede de abastecimento deve funcionar com velocidades máximas de fluxo limitadas para evitar a ocorrência de golpes de aríete vibrações como também o desgaste prematuro do sistema Vi Vmax 811 onde Vi Velocidade média no trecho i Vmax Velocidade máxima admissível 832 Desenvolvimento do Método O método Lenhsnet é um algoritmo iterativo de dimensionamento otimizado de um sistema pressurizado de distribuição de água composto pela rede de abastecimento e o seu dispositivo de impulsão equipamento capaz de pressurizar uma rede bombeamento reservatório etc O método proporciona como resposta ao dimensionamento os diâmetros de todos os trechos da rede e a cota piezométrica da impulsão de forma a alcançar o custo mínimo total do sistema composto pela rede de tubulações e a energia de bombeamento A metodologia do Lenhsnet compreende um processo dinâmico de cálculo iterativo associado ao modelo de simulação hidráulica Epanet 20 descrito no Capítulo 7 O processo iterativo parte de uma solução inicial de contorno onde a rede de distribuição é composta 218 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética inicialmente pelos diâmetros mínimos admitidos para o projeto em consideração Essa solução inicial possui um custo mínimo de implantação da rede já que é composta pelos diâmetros mínimos atribuídos No entanto essa solução inicial na grande maioria das vezes não é uma alternativa factível para o sistema pois ela proporciona perdas de carga excessivas nos trechos acarretando níveis insuficientes de pressão disponível nos nós da rede A partir da solução inicial o processo de cálculo se desenvolve iterativamente de maneira que cada solução subsequente a ser obtida dependerá da solução anterior As soluções subsequentes serão determinadas passo a passo aumentandose os diâmetros de cada trecho da rede de forma que o acréscimo de custo da rede seja o mínimo possível O processo iterativo termina quando a configuração dos diâmetros da rede atende às restrições hidráulicas impostas no projeto Para o funcionamento do algoritmo do método proposto este deve ser associado em paralelo a um simulador hidráulico que fornecerá a cada iteração o equilíbrio hidráulico do sistema e os valores das variáveis de estado do escoamento do fluxo dágua na rede vazão velocidade e perda de carga nos trechos e pressão disponível nos nós segundo as diversas configurações de diâmetros testadas nos trechos O simulador escolhido para trabalhar com o método foi o Epanet Com a solução inicial estabelecida na qual a rede é composta pelos mínimos diâmetros admitidos efetuase uma primeira simulação de escoamento na rede com o Epanet para a obtenção das pressões em todos os nós da rede O nó mais desfavorável da rede será aquele onde a pressão disponível for a mínima Normalmente nas primeiras iterações esse valor será negativo pois na solução de partida os diâmetros mínimos atribuídos aos trechos da rede acarretam elevadas perdas de carga ao longo do sistema Uma vez detectado o nó mais desfavorável e a sua respectiva pressão iniciase o processo de cálculo otimizado para a obtenção na correspondente iteração da mudança de configuração da rede que proporciona o menor aumento de custo possível por ganho de pressão alívio de perda de carga Na correspondente iteração testarseão as várias configurações de diâmetros relativas à quantidade de trechos da rede ou seja o número de configurações de diâmetros da rede em cada iteração será igual ao seu número de trechos A mudança física a ser realizada em cada configuração em relação à iteração correspondente será a substituição do diâmetro de apenas um dos trechos da rede pelo diâmetro imediatamente superior Em uma iteração a mudança efetiva do diâmetro de um determinado trecho da rede pelo seu superior será definida em função do menor acréscimo de custo da rede pelo ganho de pressão proporcionado O trecho a ser modificado será o que proporcionar o menor gradiente de custo correspondente ao nó mais desfavorável da rede O gradiente de custo Gc relativo a um determinado trecho correspondente ao nó mais desfavorável é dado pela Equação 812 Ele representa o custo marginal do alívio de perda de carga na rede proporcionado pela troca do diâmetro do trecho da rede pelo seu adjacente superior 2 1 P P Gc p 812 onde Gc Gradiente de custo em unidades monetárias por mca de alívio de perda de carga mca P1 Custo da tubulação do trecho com o seu diâmetro atual em P2 Custo da tubulação do trecho com o seu diâmetro imediatamente superior ao atual em Dimensionamento Otimizado de Redes e Estações de Bombeamento 219 Δp Ganho de pressão no nó mais desfavorável proporcionado pela diminuição da perda de carga em razão da troca do diâmetro do trecho considerado pelo seu superior em mca Em cada iteração serão calculados n gradientes de custo correspondentes às n configurações de mudanças de diâmetros dos n trechos da rede O gradiente de custo ótimo Gc será o menor entre todos os calculados em cada iteração O trecho correspondente ao gradiente de custo ótimo será chamado de trecho ótimo t A determinação do gradiente de custo ótimo em cada iteração é feita calculandose o gradiente para todos os trechos da rede O preço P1 para cada trecho é o seu custo unitário de implantação multiplicado pelo respectivo comprimento e P2 é o preço correspondente ao mesmo trecho com o diâmetro imediatamente superior O valor de Δp referente ao cálculo do gradiente de custo corresponde à diferença entre a pressão no nó mais desfavorável naquela iteração e a pressão nesse mesmo nó quando a rede se encontra com o diâmetro superior ocupando o trecho em questão Para a determinação do gradiente de custo ótimo em cada iteração devese calcular o gradiente de todos os trechos em relação ao nó mais desfavorável No cálculo do gradiente de custo de cada trecho em cada iteração devese simular o escoamento na rede com o Epanet para cada configuração a fim de se conhecer a pressão final no nó mais desfavorável Após o cálculo do gradiente de custo de cada trecho em cada iteração o diâmetro superior desse trecho volta ao seu diâmetro imediatamente anterior para que sejam efetuados os cálculos dos próximos gradientes Definido o gradiente de custo ótimo a rede assumirá uma nova configuração onde o trecho ótimo passará a ser ocupado pelo diâmetro imediatamente superior Esta última configuração será a configuração de partida para a iteração seguinte O processo iterativo de otimização segue a metodologia antes mencionada até atingir a solução final definitiva que será a solução buscada de custo ótimo para o sistema pressurizado de distribuição de água atendendo às condições de contorno do projeto em estudo O método trabalha com duas alternativas de dimensionamento que determinam as condições de convergência ou de parada do processo iterativo de otimização Na primeira alternativa a rede é abastecida por um reservatório elevado e portanto sua cota piezométrica na origem é fixa e conhecida Nesse caso o custo do sistema corresponderá ao custo de implantação da rede de tubulações Na segunda alternativa a água é impulsionada para o sistema através de bombeamento e o custo total do sistema será composto pelo custo da rede de tubulações mais o custo energético atualizado Nesse último caso a cota na origem será uma variável de decisão a mais no processo de otimização Situação de Contorno com a Cota Piezométrica de Origem Fixa Na primeira alternativa quando a cota piezométrica na origem é fixa a condição de parada das iterações ocorrerá quando a pressão no nó mais desfavorável atingir ou superar ligeiramente o valor da pressão mínima requerida para a rede Situação de Contorno com a Cota Piezométrica de Origem Variável No dimensionamento do sistema em que a rede é pressurizada através de uma estação elevatória o método Lenhsnet leva em conta o custo da energia de bombeamento onde a altura manométrica na origem será uma variável a mais no processo de otimização Nesse caso o processo de otimização dependerá também do custo de pressurização da água que 220 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética será considerado aqui mediante a grandeza denominada gradiente energético O gradiente energético representa o custo anual atualizado de pressurização para bombear uma determinada vazão por metro de elevação e é dado pela Equação 813 Ge Pm p Nb FVP 813 onde Ge Gradiente energético anual atualizado em m Pm Potência requerida pelo conjunto elevatório por metro de elevação potência unitária em kWm p Tarifa de energia elétrica em kWh Nb Número de horas de bombeamento anual FVP Fator de Valor Presente dado pela Equação 85 A potência requerida Pm por metro de elevação de água em kWm é dada pela Equação 814 onde Q é a vazão do sistema em m3s e η é o rendimento esperado do conjunto motobomba em decimais m 981Q P 814 No dimensionamento otimizado com a cota na origem variável o valor adotado dessa cota na solução inicial será igual a zero Com a configuração inicial da rede composta pelos diâmetros mínimos admitidos executase a primeira simulação para identificar o nó mais desfavorável analogamente ao que foi feito para a situação de contorno em que a cota piezométrica na origem é fixa A partir da solução inicial com a cota piezométrica nula na origem o procedimento iterativo obedece à mesma metodologia descrita para a situação de dimensionamento com a cota fixa de origem Ao final de cada iteração do processo de otimização comparase o Gradiente de Custo Ótimo encontrado Gc com o Gradiente Energético Ge calculado Caso o Gc seja inferior ao Ge o custo de investimento para diminuir as perdas de energia na rede de tubulações e consequentemente aumentar a pressão no nó mais desfavorável será inferior ao custo energético para aumentar a carga na rede aumentando também a pressão no nó mais desfavorável Neste último caso a modificação do sistema ocorrerá com a troca de diâmetro no trecho ótimo de menor gradiente de custo O processo iterativo segue aumentando os diâmetros dos trechos ótimos até que o valor do Gc iguale ou supere o valor do Ge Nesta última condição o processo iterativo de otimização alcança a sua solução de parada e a configuração de diâmetros nos trechos da rede passa a ser a definitiva Com a obtenção da solução da última iteração devese determinar o valor da cota piezométrica e da altura manométrica na origem da rede Para a obtenção da cota piezométrica de origem devese somar o valor encontrado para a pressão no nó mais desfavorável em módulo ao valor da pressão mínima estabelecida para os nós da rede Esse valor obtido corresponderá à cota piezométrica na origem definitiva do sistema A cota piezométrica definitiva será configurada na rede como sendo o nível de água na alimentação do sistema Após essa configuração a rede deverá ser simulada hidraulicamente uma última vez Assim todas as variáveis de estado serão atualizadas de modo que a pressão obtida no nó mais desfavorável atinja exatamente o valor da pressão mínima requerida Dimensionamento Otimizado de Redes e Estações de Bombeamento 221 Na solução definitiva o valor presente do custo total otimizado do sistema de distribuição de água será igual ao custo de implantação das tubulações mais o custo capitalizado da energia de bombeamento O custo das tubulações é determinado com base nos diâmetros dos trechos da última iteração e é calculado pelo somatório da multiplicação dos seus respectivos comprimentos pelos custos unitários correspondentes Para o cálculo da componente de custo da energia fazse necessário determinar a cota manométrica na origem Essa cota é obtida subtraindose da cota piezométrica na origem dimensionada anteriormente a cota do terreno nesse ponto Assim o cálculo do custo da energia do sistema será o valor da cota manométrica multiplicada pelo gradiente energético Ge previamente calculado 833 O Programa Lenhsnet O programa Lenhsnet foi desenvolvido na mesma interface do programa Epanet 20 versão 20012 traduzida para o português do Brasil pelo Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica LENHS da UFPB httpwwwlenhsctufpbbr A Figura 85 mostra a tela principal do programa onde se observa o submenu Lenhsnet do menu principal com suas propriedades Figura 85 Tela principal do programa Lenhsnet na interface do Epanet O primeiro passo necessário para se efetuar o dimensionamento de uma rede de abastecimento compreende desenhar no programa o traçado da rede da mesma forma como se executa no Epanet com a introdução dos nós e dos trechos conforme pode ser observado na Figura 85 Posteriormente devese inserir os dados básicos dos nós e dos trechos da rede Com respeito aos nós devem ser informados a cota topográfica e o consumo base O 222 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética consumo base de cada nó deve ser a demanda de água de cada parcela correspondente no dia de máxima demanda hídrica por se tratar da etapa de dimensionamento do sistema de distribuição de água na qual o projeto deve ser executado para a condição operacional mais desfavorável No nó de origem ou de cabeceira deve ser inserido um reservatório de nível fixo independente da rede ser impulsionada por um reservatório fixo ou por uma estação de bombeamento Caso a rede seja abastecida efetivamente por um reservatório de nível fixo a cota do nível dágua desse nó solicitada na caixa de propriedades do nó deve ser igual à cota do NA mínimo do reservatório de origem No caso de uma rede abastecida diretamente por uma estação de bombeamento a cota do nível de água do nó de origem a ser inserida inicialmente no programa pode ser qualquer uma podese deixar o valor prédefinido igual a zero Com relação aos trechos da rede os dados a serem inseridos são comprimento diâmetro e o coeficiente de rugosidade do tubo O diâmetro a ser inicialmente introduzido deve ser o mínimo admitido pelo projetista para o projeto em questão Esse diâmetro deve constar da relação de diâmetros da propriedade Dados dos Tubos do submenu Lenhsnet do menu principal bem como a rugosidade a ele atribuída O valor a ser posto para a rugosidade do tubo dependerá da fórmula de perda de carga escolhida na opção do programa Epanet Projeto Configurações PréDefinidas Hidráulica Fórmula de Perda de Carga Ao acionar o submenu Lenhsnet o programa cria um arquivo auxiliar com o mesmo nome do arquivo criado no Epanet acrescido da extensão LN Esse arquivo armazena os dados complementares referentes ao projeto que está sendo dimensionado Ao ser acionada a propriedade Dados do Projeto aparece a caixa de diálogo mostrada na Figura 86 na qual devem ser informados os dados sobre as condições de contorno do projeto a dimensionar O primeiro dado a ser informado é a natureza da cota piezométrica na origem da rede que pode ser fixa ou variável No caso da cota fixa ver Figura 86 o processo de otimização independe da energia do bombeamento e nesse caso deve ser informado no traçado da rede no Epanet o valor dessa cota em metros Solicitase ainda a pressão mínima requerida nos nós da rede em mca as velocidades máximas e mínimas admitidas nos trechos caso se queira estabelecer limites para esta variável e a pressão máxima nos nós caso se queira impor o limite de carga máxima na rede Podese optar também por aproveitar a folga de pressão que normalmente ocorre na última iteração do processo de otimização para dividir o último trecho otimizado da rede em dois subtrechos no intuito de consumir essa folga de pressão Ainda na propriedade Dados do Projeto a partir do botão Configurar o projetista pode optar por escolher alguns trechos da rede para que seus respectivos diâmetros permaneçam fixos e não sejam alterados no processo de otimização Nesse caso devem ser informados os trechos da rede a serem ignorados pelo processo de otimização Essa alternativa é utilizada quando se pretende reabilitar uma rede já existente pelo processo de otimização no qual o modelo escolherá os melhores diâmetros a serem alterados na rede apenas para os trechos não indicados como ignorados Quando o dimensionamento econômico envolve também a otimização do custo energético do sistema de bombeamento a cota piezométrica na origem do sistema será variável Nesse caso devem ser informados ao programa Lenhsnet os dados solicitados na caixa de diálogo Dados do Projeto ver Figura 87 vazão total do sistema Ls ou m3h rendimento esperado do conjunto motobomba número de anos da vida útil do projeto taxa de juros anual taxa de aumento anual da energia do bombeamento custo unitário médio da tarifa de energia elétrica kWh número médio de horas diárias de bombeamento e a cota do nível dágua na origem do sistema m Como resultado a caixa de Dimensionamento Otimizado de Redes e Estações de Bombeamento 223 diálogo apresenta o Gradiente Energético Ge e o Fator de Valor Presente ou de atualização do custo energético Fa Na caixa de diálogo da propriedade Dados dos Tubos do submenu Lenhsnet são editados os dados sobre os tubos que serão utilizados no processo de otimização do dimensionamento ver Figura 88 Os dados a serem inseridos são diâmetro interno rugosidade coeficiente de HazenWilliams ou rugosidade absoluta da fórmula de Darcy Weissbach material da tubulação e custo unitário de implantação da tubulação em unidades monetárias por metro O arquivo da tabela Dados dos Tubos pode ser salvo para ser utilizado posteriormente em outros projetos Caso o usuário queira eliminar determinados diâmetros dessa tabela basta clicar com o botão direito do mouse sobre as correspondentes linhas e acionar a opção Excluir Linha O mesmo procedimento pode ser feito para inserir linhas com os dados dos novos diâmetros a serem usados no projeto É imprescindível que o valor da rugosidade do diâmetro atribuído inicialmente aos trechos da rede no Epanet nas caixas de propriedades dos trechos seja idêntico ao valor dessa rugosidade para o correspondente diâmetro da propriedade Dados dos Tubos do submenu Lenhsnet Por exemplo se o diâmetro mínimo introduzido inicialmente no desenho da rede para todos os trechos foi de 100 mm e a rugosidade foi de 145 fórmula de HazenWilliams é necessário que para esse mesmo diâmetro na caixa de diálogo da propriedade Dados dos Tubos o valor da rugosidade também seja de 145 Figura 86 Propriedade Dados do Projeto Cota Piezométrica Fixa 224 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Após a inserção dos dados do projeto da rede por meio da interface do programa Epanet e dos dados relativos às propriedades Dados do Projeto e Dados dos Tubos do submenu Lenhsnet o programa estará apto para efetuar o dimensionamento mediante o seu algoritmo de otimização Ao clicarse na opção Executar Dimensionamento do menu Lenhsnet o programa executa o dimensionamento otimizado e mostra a caixa de informação apresentada na Figura 89 Dimensionamento Terminado Posteriormente ao clicarse em OK nessa caixa de informação o programa apresenta a tela de Estado da Simulação indicando se a simulação foi bem sucedida ou não ver Figura 89 Ao pressionar OK na tela de Estado da Simulação o programa mostra a rede com os dados definitivos do dimensionamento Os dados das pressões e cargas hidráulicas nos nós e dos diâmetros vazões velocidades e perdas de carga nos trechos correspondentes ao dimensionamento otimizado podem ser visualizados diretamente através das propriedades da interface do programa Epanet tabela do relatório e mapa da rede Figura 87 Caixa de diálogo Dados do Projeto Cota Piezométrica Variável Na propriedade Relatório do submenu Lenhsnet ver Figura 810 são apresentados os dados complementares do dimensionamento econômico da rede de distribuição pressão mínima e máxima nos nós velocidade mínima e máxima nos trechos altura manométrica e cota piezométrica do bombeamento custo de implantação das tubulações custo energético atualizado e custo total do sistema de abastecimento O relatório mostra ainda o tempo de processamento e os dados sobre o computador onde foram efetuados os cálculos Dimensionamento Otimizado de Redes e Estações de Bombeamento 225 É importante frisar que o dimensionamento através do programa Lenhsnet combinado com o Epanet corresponde a uma simulação estática para a situação mais desfavorável de demanda de água na rede Nessa fase de dimensionamento não devem ser inseridas informações sobre padrão de consumo curvas de bomba características de válvulas reservatório de nível variável etc Figura 88 Caixa de diálogo Dados dos Tubos Figura 89 Caixas de Diálogo Informação e Estado da Simulação 834 Exemplo Aplicado a uma Rede Coletiva de Irrigação Dimensionar pelo método Lenhsnet a rede de abastecimento de água do exemplo demonstrativo do Capítulo 7 ver Figura 71 Para que a rede possa ser dimensionada pela metodologia do Lenhsnet é necessário utilizar o artifício de substituir o sistema real de bombeamento da rede por um reservatório de nível fixo RNF conforme mostrado na Figura 85 Com a realização do dimensionamento serão obtidos os diâmetros dos trechos da rede e a altura manométrica de bombeamento que será utilizada realmente na escolha das bombas da rede de distribuição de água Além disso o programa fornece o custo mínimo do sistema composto pela soma do custo de implantação das tubulações e o custo atualizado da energia de bombeamento 226 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura 810 Caixa de diálogo Relatório Lenhsnet O nível da água de captação da estação elevatória poço de sucção está na cota 153 m que coincide com a cota altimétrica do terreno No Quadro 71 estão os consumos demandados e as cotas dos nós considerando que o nó N1 da Figura 71 foi substituído pelo RNF que ocupa a posição da estação de bombeamento do sistema No Quadro 72 estão mostrados os comprimentos dos trechos da rede A pressão mínima imposta aos nós da rede entrada das parcelas é de 42 mca enquanto que os dados relativos à estação de bombeamento são Vazão total do sistema 1363 Ls Número de horas de bombeamento diário 21 Rendimento esperado do conjunto motobomba 75 Alcance do projeto 20 anos Taxa de juro anual 12 Taxa de aumento anual da energia 6 Custo do kWh incluindo a tarifa de demanda 020 Na Figura 88 se encontra a tabela dos Dados dos Tubos que foram inseridos no programa Lenhsnet onde constam os valores dos diâmetros internos os coeficientes de rugosidade da equação de Darcy Weisbach os tipos materiais e os correspondentes custos unitários em unidades monetárias por metro de comprimento Os dados dos nós e dos trechos da rede foram inseridos no programa nas caixas de diálogo de suas propriedades e podem ser visualizados nas tabelas do Epanet ver Figura 811 Os dados complementares do projeto com o seu sistema de bombeamento são introduzidos na propriedade Dados do Projeto conforme mostrado na Figura 87 e os referentes às tubulações são postos na propriedade Dados dos Tubos Figura 88 Dimensionamento Otimizado de Redes e Estações de Bombeamento 227 Figura 811 Dados iniciais dos nós e trechos da rede Após a inserção dos dados citados o programa estará configurado para executar o dimensionamento otimizado o que é feito ao clicarse na opção Executar Dimensionamento do item Lenhsnet do menu principal Com a execução bem sucedida conforme mostrado nas telas da Figura 89 o programa apresenta o relatório do dimensionamento ver Figura 810 Nos dados desse relatório observase que a altura manométrica ótima do bombeamento foi de 43 metros de coluna dágua e que os custos de implantação e da energia atualizada foram respectivamente de 37403950 e 130805086 O custo mínimo do conjunto implantação das tubulações e energia capitalizada foi de 168209036 Com estes montantes podese observar que para esse exemplo a repercussão do custo energético ao longo da vida útil do projeto é bem superior ao custo de implantação das tubulações da rede O relatório Figura 810 apresenta ainda os valores das pressões e velocidades mínimas e máximas na rede de abastecimento Os resultados complementares do dimensionamento diâmetro vazão velocidade e perda de carga nos trechos pressão e carga hidráulica nos nós podem ser visualizados pelo mapa da rede ou pelas tabelas do relatório da interface do Epanet A Figura 812 mostra o traçado da rede com os valores das pressões nos nós em mca e os diâmetros otimizados dos trechos em mm Podese observar que os resultados deste dimensionamento são diferentes daqueles apresentados na rede de abastecimento da Figura 71 Capítulo 7 pois as condições operacionais são diferentes em ambos os exemplos No atual exemplo todas as parcelas irrigam simultaneamente durante 21 horas por dia enquanto que no exemplo demonstrativo do Capítulo 7 as parcelas somente irrigam simultaneamente durante 3 horas das 6 às 9 da manhã 228 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura 812 Resultados diâmetros nos trechos e pressões nos nós Capítulo 9 AUTOMAÇÃO EM SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO Saulo de Tarso Marques Bezerra e Heber Pimentel Gomes 91 Introdução Derivado do latim automatus que significa moverse por si o termo automação pode ser definido como qualquer aplicação de técnica computadorizada eletroeletrônica eou mecânica para diminuir ou suprimir a interferência humana em qualquer processo Mecanismos automáticos podem ser adotados tanto no auxílio de controle de processos simples como no controle de grandes sistemas Entendese por automático todo processo que se desenvolve sem a necessidade de intervenção humana medição decisão e ação corretiva Podese dizer que a automação cumpre a sua função quando se alcança de forma direta ou indireta os seguintes objetivos Controle dos processos Aumento da confiabilidade dos processos e das decisões Rápida resposta às necessidades ou distúrbios do sistema Manutenção de dados históricos e maior confiabilidade das informações Aumento da segurança em relação às pessoas e ao ambiente Redução das atividades repetitivas eou que requerem pouca qualificação Diminuição do número de empregados em determinadas funções Aumento da qualidade e padronização dos processos Redução dos custos de produção e dos insumos Atualmente a automação de sistemas de irrigação tem como principal finalidade possibilitar a operação assistida e o controle automático de processos Por meio da automação é possível monitorar controlar e interferir nas diversas unidades do sistema em tempo real possibilitando uma melhoria no desempenho operacional mensuração das grandezas hidráulicas e elétricas e a consequente redução dos custos A necessidade de sistemas automatizados para o setor agrícola é uma realidade que não pode ser ignorada é crescente a adoção de equipamentos mais modernos nos novos projetos de irrigação Esse crescimento é impulsionado principalmente pela disponibilidade de acesso a essas novas tecnologias e pela possibilidade de supervisionar e operar o sistema de forma eficiente Um bom projeto de automação não pode tomar por base apenas o custo inicial do investimento pois corre o risco de revelarse desvantajoso se as opções de expansão flexibilidade para alterações posteriores e conectividade com outros sistemas mostraremse limitadas e inadequadas Os principais motivos que justificam o investimento em automação são Economia de recursos hídricos e aumento da produtividade das culturas existem sistemas que permitem programar a irrigação em função da umidade do solo temperatura do ar evapotranspiração e velocidade do vento A umidade do solo permanece dentro de uma faixa considerada ideal para o desenvolvimento pleno da cultura possibilitando o aumento da produtividade tanto em quantidade como em qualidade dos produtos 230 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Economia com os custos energéticos a operação do sistema de bombeamento é otimizada e ocorre somente em função da demanda real de água A possibilidade de irrigação em horários cujos valores da energia são mais baratos também é uma opção explorada Melhor administração da propriedade ou projeto agrícola os sistemas de controle permitem aos gestores tomarem decisões mais rápidas e baseadas em dados online e históricos de aplicações de água ou decidirem a melhor ação com base em algoritmos matemáticos Flexibilidade de atendimento grandes sistemas estão se afastando dos conceitos originais de distribuição de oferta programada Esses possuem usuários que requerem que a água seja entregue em horários flexíveis Economia de mãodeobra a automação diminui a necessidade de mãodeobra para realização de tarefas simples como ligar e desligar uma bomba Economia de fertilizantes a automação da operação permite administrar a quantidade de fertilizante de forma precisa Possibilita irrigações noturnas podese irrigar durante a noite sem necessidade de acompanhamento o que proporciona economia com a conta de energia e maior eficiência de irrigação A maior eficiência é decorrente da menor evapotranspiração e velocidade do vento à noite um dos principais responsáveis pela não uniformidade dos sistemas de irrigação por aspersão A maioria desses benefícios resulta em redução de custo e alguns deles representam benefícios intangíveis para os quais é difícil atribuir um valor monetário De modo geral as principais limitações na adoção de um sistema automatizado são o custo de implantação e a necessidade de mãodeobra especializada A implantação da automação proporciona um aumento da confiabilidade dos processos porque qualquer anormalidade operacional é facilmente detectada de modo que as ações corretivas são tomadas em tempo hábil Inclusive os sistemas mais modernos possuem softwares que emitem alertas por meio de chamadas telefônicas Mesmo que o produtor esteja ausente da propriedade é possível por exemplo que o sistema disque automaticamente para um aparelho de telefone ou encaminhe uma mensagem predefinida alertando o produtor ou responsável de plantão De modo geral a automação pode proporcionar a detecção dos seguintes problemas Falhas de equipamentos motores válvulas etc e na instrumentação sensores de chuva de umidade etc Devese assumir que não é uma questão de se um sensor irá falhar mas uma questão de quando Falta de energia Nível baixo ou extravasamento de reservatórios Pressões insuficientes ou elevadas Vazões baixas ou elevadas nos sistemas de irrigação Vazamentos nas tubulações Problemas estruturais Rupturas de tubulações Segurança das instalações contra roubo e danos Automação em Sistemas de Irrigação 231 É importante ressaltar que a implantação de um sistema automatizado não resolve todos os problemas Há diversos exemplos nos quais as mudanças tecnológicas por si só não renderam os benefícios esperados por causa de falhas na concepção construção e operação do sistema Plusquellec 2002 cita em um documento da FAO Organização das Nações Unidas para a Alimentação e a Agricultura o exemplo do projeto Sidorejo na Indonésia Em meados de 1980 a Indonesia Irrigation Agency selecionou o projeto de irrigação Sidorejo para testar técnicas modernas de controle de canais e determinar se estas eram aplicáveis a outros sistemas de irrigação no país Esse projeto piloto não foi bem sucedido por uma série de razões a qualidade de construção era pobre houve falhas nas secções do canal principal defeitos nas instalações dos equipamentos hidromecânicos e o pessoal responsável pela operação e manutenção não foi treinado adequadamente Um exemplo bem sucedido de implantação de automação no Brasil é o do Perímetro Irrigado Nilo Coelho situado em Pernambuco O perímetro se estende por mais de 25 mil hectares de área irrigada em Petrolina PE e Casa Nova BA O Canal Principal possui 63 quilômetros de extensão e cruza as BR235 BR407 e BR122 O canal secundário tem 90 quilômetros de extensão possui 8 aquedutos que totalizam 27 quilômetros e 4 sifões Ao longo do canal principal estão instaladas 12 comportas reguladoras de nível É formado por dois Centros Supervisórios Um Supervisório está localizado na Estação de Bombeamento Principal EBP que através de um software de automação realiza todo o controle e telemetria das dez estações remotas de controle de nível de canal O segundo Supervisório está localizado na sede e faz o controle e telemetria das 32 estações de bombeamento secundárias remotas 92 Sistemas de Supervisão Controle e Aquisição de Dados Ao longo das duas últimas décadas os sistemas SCADA Sistemas de Supervisão Controle e Aquisição de Dados em inglês Supervisory Control and Data Acquisition estão sendo adotados em aplicações agrícolas e especificamente na gestão de sistemas de irrigação Um sistema SCADA é formado por sensores e atuadores instrumentação estações remotas aquisição e controle rede de comunicação e um sistema de supervisão e controle O sistema SCADA gerencia todos os pontos da automação alarmes relatórios e gráficos de acompanhamento Em resumo o sistema possui um Centro de Controle Operacional que é comumente chamada pela abreviatura CCO e estações remotas O controle pode ser automático ou comandado manualmente por operadores Nos sistemas automatizados o CCO é o local onde são concentradas e gerenciadas as informações advindas de todas as áreas remotas do sistema Dessa forma no centro de controle é possível monitorar as variáveis do sistema assim como comandar e supervisionar o estado dos diversos atuadores envolvidos na operação tais como comportas conjuntos motobomba inversores de frequência válvulas de controle automáticas dosadoras de produtos químicos etc Normalmente os sistemas maiores possuem subsistemas automatizados responsáveis por automações locais compostos de CLPs Controladores Lógicos Programáveis que captam suas variáveis e são responsáveis pelas automações locais Estes também transmitem os dados às estações SCADA permitindo a visualização e a operação de toda planta pelo CCO Os sistemas SCADA permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações de um processo produtivo ou instalação física Tais informações são coletadas por meio de equipamentos de aquisição de dados e em seguida manipuladas analisadas armazenadas e apresentadas aos técnicos Esses sistemas estão sendo usados no setor agrícola e na grande maioria dos processos industriais podese citar como exemplo a indústria de aço papel 232 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética química de produção e distribuição de energia convencionais e nucleares e o setor de saneamento Estes têm feito progressos substanciais ao longo dos últimos anos e utilizam tecnologias de computação e comunicação para automatizar a monitoração e controle dos processos São responsáveis pela coleta de dados em ambientes complexos e dispersos geograficamente e apresentam as informações captadas para o operador de forma amigável com a utilização também de recursos gráficos A Figura 91 apresenta um exemplo genérico de um sistema SCADA para sistemas de irrigação Os sistemas SCADA são formados por quatro subsistemas Instrumentação sensores e atuadores Estações Remotas aquisição e controle Rede de comunicação Sistema de supervisão e controle software Figura 91 Exemplo de um sistema SCADA aplicado a um sistema de irrigação 921 Instrumentação para Medição e Controle De modo geral instrumentação se refere aos dispositivos que estão diretamente nas instalações ou equipamentos sensores atuadores inversores etc Os sensores são usados para converter parâmetros físicos por exemplo nível de água temperatura ambiente pressão da água dentre outros em sinais monitoráveis por exemplo tensão e corrente elétrica A medição das variáveis envolvidas nos processos é uma etapa fundamental em qualquer sistema automatizado Os atuadores são dispositivos que controlam o movimento ou a ação mecânica de um determinado dispositivo geralmente atendem a comandos que podem ser manuais ou automáticos Exemplos de atuadores usados no setor de irrigação são bombas válvulas solenoides controladoras de pressão de alívio dentre outras e comportas São inseridos também no grupo de dispositivos de instrumentação os transdutores e transmissores Podese considerar um transdutor como um equipamento que faz a interface entre o sensor e o circuito de controle ou eventualmente entre o controle e o atuador O transmissor é um dispositivo que prepara o sinal de saída de um transdutor para o usuário fazendo certas adequações ao sinal Essas adequações são os chamados padrões de transmissões de sinais por exemplo corrente elétrica na faixa de 4 a 20 mA Estação Meteorológica Supervisório Sensor de umidade UTR UTR UTR Estação de Bombeamento Centro de Controle Operacional CLP Automação em Sistemas de Irrigação 233 Geralmente os termos transdutor e transmissor são usados para representar os mesmos equipamentos pois esses dispositivos possuem um sensor e transmitem a informação em tensão ou corrente elétrica utilizando o mesmo circuito de alimentação No caso dos medidores de vazão e de nível via de regra o transdutor elemento primário e o transmissor ou inversor elemento secundário possuem circuitos distintos Nesse caso a alimentação elétrica do equipamento é independente do sinal elétrico lógico gerado para a medição A Figura 92 apresenta um esquema de ligação de um tensiômetro com transdutor de pressão Nesse caso adotouse a instalação de um resistor de 500 Ω para transformar o sinal de saída do equipamento que é de 4 a 20 mA para tensão 2 a 10 V O tensiômetro com transdutor permite ao irrigante automatizar o sistema em função do conteúdo de umidade do solo O transdutor é responsável pela conversão e transmissão da medição de pressão negativa vácuo existente no corpo do instrumento através de um sinal analógico de 4 a 20 mA Figura 92 Esquema de ligação de um tensiômetro com transdutor de pressão Os instrumentos de medição utilizados têm os sensores como elemento primário e podem ser classificados de acordo com o tipo de sinal transmitido como digitais ou analógicos As entradas e saídas digitais apresentam dois níveis lógicos 0 ou 1 ligado ou desligado enquanto que as entradas e saídas analógicas apresentam sinais contínuos que são padronizados para trabalhar numa determinada faixa Logo para veicular comandos ou informações de estados em dois níveis lógicos adotamse sinais digitais Em aplicações de automação industrial usase predominantemente a tensão de alimentação de 24 Vcc Alguns equipamentos usam tensões alternadas por exemplo 220 V e no âmbito dos circuitos eletrônicos de um mesmo aparelho é frequente o uso de 5 Vcc Parametrização os sinais analógicos são bastante utilizados para representar por relação linear grandezas contínuas e de evolução temporal contínua Para que esses sinais elétricos possam expressar as medidas na unidade desejada fazse necessário a conversão do sinal de saída Por exemplo na aplicação de medidores de vazão eletromagnéticos sem inversores é necessária a conversão do sinal de saída elétrico para uma unidade que expresse vazão m³h Ls etc Esse processo de conversão é denominado de parametrização Os sinais elétricos mais utilizados nos medidores para representação analógica são estabelecidos em tensão ou em corrente São eles 10 a 10 V 20 a 20 mA 0 a 10 V 4 a 20 mA 234 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Dentre os sensoresequipamentos mais comuns em sistemas irrigados temse Instrumentação digital pressostato chave de nível chave de fluxo termostato fotocélula sensor de presença e sensor de chuva Instrumentação analógica transmissor de nível medidor de vazão transmissor de pressão transmissor de posição sensor de temperatura do ar e sensor de umidade do solo Atuadores ou elementos finais comportas motores bombas válvulas onoff e proporcionais Acionamentos de motores elétricos softstarter e inversor de frequência 922 Estações Remotas As Estações Remotas são as interfaces entre o SCADA e o sistema hidráulico Estas são responsáveis pela coleta e transmissão dos dados à distância e são instaladas próximas das instalações ou dos equipamentos monitorados e controlados Podem ser composta por uma Unidade Terminal Remota UTR eou controladores lógicos programáveis CLPs As Estações Remotas são responsáveis pela interface entre o sistema de supervisão e controle e os equipamentossensores de campo e em alguns casos podem ser alimentadas com energia solar ver Figura 93 As UTRs coletam dados locais níveis de água vazões posição das comportas umidade do solo etc e transmitem comandos aos equipamentos comportas válvulas etc Figura 93 Exemplos de unidades remotas operando com energia solar Fonte wwwwaterwrightcomau O processo de controle e aquisição de dados se inicia nas Estações Remotas CLPUTR com a leitura dos valores dos dispositivos que estão associados a cada unidade Os CLPsUTRs são unidades computacionais específicas para a entrada e saída de informações e para a realização de cálculos ou controles A diferença entre os CLPs e as UTRs é que os primeiros possuem mais flexibilidade na linguagem de programação e controle de entradas e saídas enquanto as UTRs possuem uma arquitetura mais distribuída entre sua unidade de processamento central e os cartões de entradas e saídas com maior precisão e sequenciamento de eventos Na prática esses elementos se confundem Existem CLPs que podem enviar e receber dados por meio das infraestruturas e tecnologias GSMGPRS entre Automação em Sistemas de Irrigação 235 os mais distantes pontos cobertos pelas operadoras de transmissão de dados É comum se chamar de UTR todo o subsistema de automação controlado à distância A Figura 94 mostra um exemplo de um CLP com modem celular integrado Figura 94 CLP com modem GSM integrado Fonte wwwatoscombr Nos sistemas SCADA a aquisição de dados começa na UTRCLP e é responsável pela maioria das ações automáticas executadas isso porque há uma grande distribuição geográfica dos elementos envolvidos Os dados são compilados e em seguida formatados de tal forma que um operador da sala de comando por meio de um Software Supervisório possa alterar os parâmetros de decisão Um exemplo de aplicação típica é quando se tem um CLP controlando a pressão de um sistema de bombeamento mas o operador por meio do aplicativo computacional é quem determina o valor de referência set point da pressão ou seja o controle de malha fechada automático da pressão é feito por um controlador localizado na Estação Remota enquanto que o Supervisório é responsável pelo desempenho global do sistema O uso de CLPs que são capazes de executar processos sem a interferência humana é cada vez mais crescente Quando é utilizado CLP nos subsistemas geralmente estes controlam processos locais e enviam informações relevantes para CLPs de outras áreas O sistema de supervisão monitora os estados de todas as áreas remotas através dos dados recebidos A Seção 93 apresenta mais detalhes sobre os CLPs Atualmente os fabricantes têm oferecido CLPs com interface homemmáquina IHM em inglês ManMachine Interface MMI ou Human Machine Interface HMI e integrados a sistemas SCADA a maioria utilizando protocolos de comunicação não proprietários 923 Rede de Comunicação O conjunto de equipamentos e programas utilizados para propiciar o trânsito de informações entre os diversos níveis hierárquicos e participantes de um sistema é chamado de Rede de Comunicação Os sistemas de irrigação são compostos por diversos subsistemas distribuídos geograficamente e frequentemente é necessário adicionar meios para o envio de dados à distância Nesses casos a transmissão de dados é uma funcionalidade imprescindível O gerenciamento remoto ou o acompanhamento de um sistema SCADA é frequentemente chamado de telemetria A Figura 95 apresenta uma representação esquemática de um sistema de telemetria aplicado em um canal Os meios para tráfegos de informações de um local para outro podem ser via satélite telefone celular ondas de rádio cabos fibras ópticas etc A rede 236 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética de comunicação é a plataforma por onde as informações fluem podendo circular entre Estações Remotas e destas aos Centros de Controle A escolha do meio está associada a fatores como distância entre as estações atenuação do sinal imunidade a perturbações externas e a velocidade de transferência das informações Figura 95 Representação esquemática de um sistema de telemetriasupervisão O tipo clássico de ligação física para transmissão de informação digital consiste na utilização de sinais elétricos em cabos com condutores metálicos isolados Essa modalidade apresenta algumas limitações sérias especialmente na transmissão a longas distâncias Os perímetros irrigados se estendem de forma a abranger grandes áreas Na maioria dos casos as dificuldades para interligar todos os pontos do sistema torna inviável instalar uma rede própria de cabos tanto do ponto de vista econômico como prático As redes telefônicas podem ser utilizadas como meio de transmissão de dados com custos de investimento menores As redes de comunicação por telefonia celular se apresentam como uma alternativa viável de transmissão sem fios Porém o suporte físico apresenta por vezes limitações de confiabilidade e nem sempre existe cobertura por parte dos fornecedores desse tipo de serviço 924 Sistemas de Supervisão e Controle O Sistema de Supervisão e Controle é responsável pelo monitoramento central o qual permite que o operador inspecione e controle todos os processos É comum que esse sistema seja chamado também de Sistema Supervisório Supervisório Sistema Computacional SCADA Estação Central de Supervisão HMI software e SCADA O local onde se localizam os supervisórios é frequentemente chamado de Centro de Controle Operacional CCO Centro de Supervisão Estação Mestre ou Estação de Monitoração Central Esta é considerada a unidade principal dos sistemas SCADA por ser responsável pela centralização das informações geradas pelas Estações Remotas em um computador ou em uma rede de computadores de modo a permitir o compartilhamento do controle e das informações coletadas O Sistema Supervisório é um programa computacional que por meio de uma interface gráfica permite visualizar a planta industrial ou sistema a ser controlada Para o seu Supervisório Controlador Sensor Q0 Sensor Sensor Q0 Q0 UTR Controlador UTR Controlador UTR Comporta Automação em Sistemas de Irrigação 237 desenvolvimento é necessária a utilização de um programa computacional específico Elipse SCADA InduSoft Web Studio Proficy iFIX Wizcon Supervisor SCADA Intouch Wonderware dentre outros Tratase de um programa totalmente configurável pelo usuário que permite a monitoração das variáveis do sistema em tempo real por meio de gráficos e objetos os quais estão vinculados com as variáveis físicas de campo Estes possuem uma linguagem de programação exclusiva voltada para a automatização de processos Normalmente as informações podem ser acompanhadas em gráficos animações e relatórios de modo a exibir a evolução do estado dos dispositivos e do processo controlado permitindo informar anomalias sugerir medidas a serem tomadas ou reagir automaticamente As tecnologias computacionais utilizadas para o desenvolvimento dos sistemas SCADA têm evoluído bastante de forma a permitir que cada vez mais aumente sua confiabilidade flexibilidade e conectividade além de incluir novas ferramentas que permitem diminuir o tempo gasto na configuração e adaptação do sistema às necessidades de cada instalação O Supervisório deverá atender a todas as necessidades operacionais do sistema incluindo softwares de comunicação bem como as demais funções que possibilitem ao usuário efetuar a completa supervisão controle e gerenciamento do sistema De maneira geral o software deverá conter mas não se limitar as seguintes funções Controle de acesso podem ser atribuídos aos usuários vários níveis de acesso de maneira a manter um nível hierárquico dos operadores no controle do processo Apresentar uma tela central informando o estado das principais grandezas monitoradas que podem ser agrícolas hidráulicas mecânicas eou elétricas Essa tela deverá informar os estados das estações de bombeamento os estados das válvulas de controle a posição das comportas os níveis dos canais e reservatórios as vazões etc Deverá apresentar um layout do processo incluindo a sinalização de todos os canais e instalações e as variáveis que estão sendo medidas vazões níveis de água grandezas elétricas dentre outras e calculadas por exemplo volume de água distribuído volume de água acumulado nos reservatórios etc Suporte a múltiplas telas os softwares disponíveis no mercado suportam múltiplas telas que podem incluir combinações de texto diagramas e gráficos ver Figura 96 Devem ser incluídas no software as telas de detalhes dos componentes pertencentes ao sistema de automação As operações de comando de equipamentos e ajustes de níveis operacionais são feitas a partir dessas telas Apresentar relatórios periódicos da situação de todas as grandezas monitoradas do sistema quando solicitado pelo operador com a opção de poder imprimilos Os relatórios deverão permanecer disponíveis para consulta em tela ou para impressão durante um período não inferior a um ano Deverão prever recursos para salvar essas informações em mídias fixas e portáteis por exemplo HD USB Flash Drive e DVD Permitir alterações online de parâmetros de controle e modificação de valores de referência set point Registro histórico das variáveis supervisionadas e controladas 238 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética a Telas centrais das áreas Nilo Coelho e Maria Tereza Distrito de Irrigação Nilo Coelho DINC b Tela de controle de comportas do Nilo Coelho c Tela da unidade remota UTR 08 do Maria Tereza d Telas das estações principais de bombeamento das áreas Nilo Coelho e do Maria Tereza e Telas da Estação de Bombeamento EB1509 área Maria Tereza Figura 96 Telas dos Supervisórios do Distrito Irrigado Nilo Coelho Petrolina Brasil Automação em Sistemas de Irrigação 239 93 Controlador Lógico Programável De maneira geral a automação local resulta na adoção de um Controlador Lógico Programável nas Estações Remotas Conhecido pelas siglas CLP ou PLC Programmable Logic Controller é um dispositivo físicoeletrônico computador especializado baseado em um microprocessador que desempenha funções de controle de diversos tipos e níveis de complexidade dotado de memória programável capaz de armazenar programas implementados com o objetivo de determinar o estado das saídas de forma a controlar um determinado processo baseado no estado de suas entradas A seguir são apresentadas as definições dos principais termos relacionados com essa seção Memória área reservada do CLP onde dados e instruções são armazenados de forma temporária ou permanente A programação da CPU é armazenada na memória permanente do equipamento ES abreviação em português para Entradas e Saídas IO abreviação em inglês para Entradas e Saídas Entradas inputs corresponde aos sinais elétricos vindos dos sensores e atuadores Saídas outputs corresponde aos sinais elétricos enviados pelo CLP a qualquer dispositivo Tempo de Varredura scan time o tempo requerido pelo processador para ler todas as entradas executar o programa de controle atualizar as ES avaliar e executar a lógica de controle A varredura do programa é repetida continuamente enquanto o processador estiver em modo de execução run Os CLPs são constituídos basicamente por uma fonte de alimentação uma Unidade Central de Processamento Central Processing Unit CPU além de módulos de entrada e de saída A estrutura básica dos CLP é apresentada na Figura 97 A CPU é onde são realizados todos os cálculos necessários à obtenção dos valores necessários às saídas com base nas entradas lidas e determinados pelo programa armazenado na memória Esse é o elemento principal do controlador responsável tanto pela execução dos programas do usuário quanto pelas funções associadas ao endereçamento de memória operações aritméticas lógicas e relógio Figura 97 Estrutura básica de um Controlador Lógico Programável Entradas Analógicas Digitais Saídas Analógicas Digitais Fonte de Alimentação CPU Dispositivos de Entradas Saídas Memórias Programação 240 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética A memória é o dispositivo responsável pela armazenagem de dados e programas utilizados durante o funcionamento do CLP Ele possui eventualmente um dispositivo programador que em geral pode ser substituído por um computador ou ainda pode ser integrado ao controlador por meio de uma IHM Interface HomemMáquina que possibilita o envio ou edição de programas modificação de parâmetros de sintonia ou mesmo consulta aos valores de variáveis do processo O módulo de EntradaSaída corresponde à conexão do controlador aos sensores e atuadores do processo As entradas podem ser digitais variáveis discretas relés botões etc ou analógicas variáveis contínuas nível temperatura pressão etc As saídas da mesma forma podem ser digitais para lâmpadas contactores e outros dispositivos ou analógicas para válvulas inversor de frequência etc É importante ao especificar um CLP que este tenha entradas e saídas analógicas e digitais de reserva além da possibilidade de expansão para mais cartões ou módulos permitindo a escalabilidade do sistema As entradas e saídas do CLP podem ser digitais e analógicas As digitais apresentam dois níveis lógicos 0 ou 1 ligado ou desligado as analógicas apresentam sinais contínuos padronizados para trabalhar numa determinada faixa que varia normalmente de 4 a 20 mA para a corrente elétrica e de 0 a 10 V para a tensão Um CLP pode assumir o modo de espera quando está sendo programado ou parametrizado estado de operação run quando está executando um programa ou estado de erro se ocorre alguma falha Quando está no estado de execução um CLP trabalha em loop executando a cada ciclo de varredura cuja duração pode ser da ordem de milissegundos uma série de instruções referentes aos programas presentes em sua memória Esse processo é descrito na Figura 98 A grande responsável pela flexibilidade de um CLP é a sua capacidade de ser programado seja por meio de um dispositivo IHM ou de um microcomputador Os softwares atualmente existentes apresentam uma série de facilidades no processo de programação e testes do programa possibilitando a realização de simulações direcionamento de entradas além de uma série de ferramentas avançadas de edição Os canais de comunicação nos CLPs permitem conectar a interface de operação IHM computadores outros CLPs e unidades de entradas e saídas remotas Figura 98 Ciclo de varredura de um Controlador Lógico Programável Inicialização Leitura de entradas Execução do programa Atualização das saídas Automação em Sistemas de Irrigação 241 Interface HomemMáquina IHM A Interface HomemMáquina ou simplesmente IHM dos CLPs é utilizada para operação dos processos substituindo os dispositivos de interface convencionais tais como botoeiras sinaleiros e displays digitais localizados no painel elétrico Essa interface também é comum em equipamentos eletrônicos como inversores de frequência e softstarter Estes surgiram da necessidade de uma interface amigável e eficiente entre os equipamentos e os operadores Em conjunto com o CLP as IHMs podem ser configuradas para enviarem sinais de atuação ou simplesmente monitorar o sistema Essa última opção é recomendada quando não há controle de acesso e existe o risco de um técnico despreparado mudar parâmetros do CLP As principais informações e funções esperadas das IHMs são Diagnóstico e apresentação de falhas e avisos Seleção do modo de operação automático ou manual Ferramentas para operar em modo manual Possibilidade de alteração ou criação da programação do CLP Apresentação de dados quantitativos e qualitativos sobre os processos Armazenamento de Dados Alguns técnicos podem considerar desnecessário o armazenamento de dados localmente porém é de suma importância para cobrir falhas na rede de comunicação seja pelo fato dos sistemas locais necessitarem dos dados seja para após o retorno das comunicações estes poderem ser enviados para o CCO a fim de preservar o histórico do sistema Em alguns casos onde não haja necessidade de mecanismos automáticos podese optar pela instalação de um datalogger Nesses casos a transferência dos dados arquivados no datalogger é feita diretamente para um computador portátil Requisitos de Controle Quando uma aplicação envolve controle contínuo controle discreto ou ambos existem certos requisitos básicos que tendem a ser comuns a quase todos os controles de processos Um requisito presente em praticamente todas as aplicações é a necessidade do controlador comunicar e interagir com o processo numa base de tempo real Um controle em tempo real é capaz de responder ao processo num período suficientemente pequeno de maneira a não degradar o desempenho do processo Fatores que determinam se um controlador pode operar em tempo real são Velocidade da CPU do controlador e suas interfaces Sistema operacional do controlador Projeto do software de aplicação Número de ES do controlador A definição de qual controlador adotar depende de uma avaliação dos diversos aspectos envolvidos tais como complexidade do sistema flexibilidade desejada nível de redundância integração nível de manutenção custos etc O que vale a pena destacar é que o controlador programável independentemente da configuração adotada seja uma boa opção como equipamento de controle 242 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética 94 Aplicações de Automação em Canais Por razões técnicas e econômicas o transporte e a distribuição de água em grandes áreas irrigadas são realizados através de canais A operação desses canais determina a qualidade do serviço prestado aos usuários e a eficiência no uso da água Os canais de irrigação podem ser controlados de cinco modos local manual distribuído local automático distribuído com monitoramento central centralizado manual e centralizado automático O controle centralizado torna possível a utilização de lógicas de controle altamente eficientes Sob o controle de supervisão a Estação Central toma decisões com base nos dados gravados e recebidos das Estações Remotas esse tipo de controle pode ainda usufruir de informações provenientes de ferramentas computacionais sistemas de apoio à decisão Os sistemas de apoio à decisão são compostos de módulos de modelagem simulação e otimização De modo geral são aplicados em sistemas mais complexos que envolvem uma série de canais reservatórios estações de bombeamento e estações de energia Os controladores locais operam os dispositivos de controle de acordo com os parâmetros definidos pela equipe operacional O controle em canais pode ser a montante a jusante e misto Figura 99 A grande maioria dos sistemas adota o controle a montante porque o dimensionamento dos canais pode ser otimizado e pode haver grandes economias na aquisição de equipamentos Estimase que mais de 90 dos canais do mundo usam o controle a montante O controle a jusante permite uma distribuição mais flexível e eficiente da água e uma resposta totalmente automática do canal Figura 99 Tipos de controle de comportas montante jusante e misto A automação de canais pode ser passiva ou ativa A automação passiva dispensa o uso de controladores eletrônicos e pode ser implantada por meio da instalação de estruturas relativamente simples A adoção da automação ativa implica geralmente na aplicação de sensores atuadores e um sistema de controle A automação passiva possibilita melhorar o controle dos canais e apresenta um custo pequeno de implantação e manutenção É comum a confusão entre automação e motorização Uma comporta equipada com um motor elétrico ou hidráulico pode ou não ser automatizada O que define se é um processo automático ou não é o seu acionamento Caso o motor que abre e fecha essa comporta seja acionado por um operador por meio de um painel localizado próximo à comporta será um controle manual local portanto se considera como um processo não automatizado No entanto se o acionamento estiver conectado a um sistema SCADA e for realizado por um técnico no CCO este também não é considerado automático pela maioria dos técnicos Na verdade tratase de um controle centralizado manual Caso o procedimento necessite de uma pessoa para ativar o processo não se pode afirmar que seja automação Essa é uma questão que Controlador Sensor Q0 QQmáx Q Sensor Q0 QQmáx Q Controlador Sensor Q0 QQmáx Q Controlador Controlador a controle local por montante b controle local por jusante c controle local misto Automação em Sistemas de Irrigação 243 causa muita discordância por parte dos técnicos Muitos consideram que os sistemas operados por SCADAS são automatizados independente se os processos são automáticos ou não Por outro lado é comum que estruturas simples como divisores que operam independentes e de forma automática não sejam considerados parte dos equipamentos de automação Dispositivos para automação passiva operam exclusivamente segundo as leis da física e da hidráulica Estes não necessitam de controle informatizado e incluem divisores proporcionais comportas hidromecânicas automáticas comportas com contrapeso e saídas proporcionais De modo geral os dispositivos passivos são projetados para controlar os níveis de água a montante controlar os níveis de água a jusante controlar divisão de descarga e controlar o fluxo de saída Comportas Neyrpic Esta seção recebeu o nome de comportas Neyrpic porque originalmente as comportas apresentadas aqui foram desenvolvidas pela companhia francesa Neyrtec atualmente GEC Alsthom São comportas hidromecânicas automáticas que possuem um flutuador para operar de forma autônoma A ausência de um acionamento permite ao equipamento um funcionamento com qualidade de precisão robustez e segurança operacional para o controle de descarga em canais Essa comporta mantém constante o nível imediatamente a montante ou imediatamente a jusante independente da vazão e variação do consumo dos usuários Comportas desse tipo têm sido usadas desde meados do século passado na Europa e norte da África e hoje podem ser encontradas em todo o mundo As comportas hidromecânicas automáticas operam em função das leis de equilíbrio mecânico e hidráulicas As comportas que controlam o nível da água a jusante são normalmente referidas pelos nomes comerciais AVIS e AVIO enquanto aquelas que controlam o nível a montante são conhecidas por AMIL Aqui serão denominadas por esses nomes comerciais Empresas adotaram a ideia e criaram as suas próprias comportas baseadas nessas algumas com um relativo sucesso A atuação das comportas AVIS e AVIO se dá por meio de um segmento de comporta que obtura um orifício ou seção de passagem entre os trechos a montante e jusante Também há no mercado comportas especiais que possuem controle de nível a montante e a jusante chamadas mistas As vantagens das comportas AVIS AVIO e AMIL são Respondem instantaneamente às flutuações de demanda de água a utilização da água por parte do irrigante é realizada sem necessidade de programação prévia ou comunicação ao responsável do canal Evitam o desperdício de água as perdas operacionais são muito baixas porque só é utilizada a água que corresponde à demanda Exige pouca manutenção dada a sua simplicidade de concepção e funcionamento Não precisam de operadores Facilitam a instalação de tomadas de água porque o nível varia pouco Não requerem a definição de horários de abertura e fechamento dos equipamentos Dispensam rede de comunicação todo o processo é realizado independentemente pelo equipamento 244 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Segundo Collischonn et al 2001 as desvantagens dessas comportas são Custos elevados Exigência de bermas de nível nos trechos em disposição paralela ao determinado pela superfície líquida quando a vazão é nula bermas horizontais Grandes volumes de obra principalmente se o declive do fundo do canal é elevado A propagação hidráulica das perturbações implica na necessidade da existência do regime lento de escoamento em todo o trecho logo esse sistema não permite a instalação de singularidades como quedas que alterem o regime de escoamento Em virtude da resposta automática do sistema o regulador abre tanto em função do aumento de demanda como nos casos de ruptura do canal O nível que deve ser mantido constante é fixado no projeto e poderá ter uma pequena alteração no momento da calibração Não existe flexibilidade na definição desse nível A calibração exige treinamento O seu funcionamento pode ser interrompido por obstrução de objetos como lixo ou por ação de vândalos promovendo abertura ou fechamento inadequado O esquema de funcionamento desses portões é mostrado na Figura 910 O funcionamento é relativamente simples o equipamento é concebido de modo que a boia faça com que a comporta se mova para cima ou para baixo até que o nível alvo seja atingido A fim de evitar a influência de possíveis turbulências o flutuador é normalmente alojado numa câmara aberta por meio da qual a água flui através de um pequeno orifício Durante a instalação os contrapesos são ajustados de modo que a comporta tenha a sensibilidade necessária para o equipamento operar em qualquer nível de água Para grandes canais recomendase a instalação de pelo menos duas portas em paralelo Figura 910 Esquema de funcionamento da comporta AMIL Fonte adaptado de Collischonn et al 2001 Comportas Basculantes Automáticas As comportas basculantes automáticas são adotadas para o controle preciso de nível a montante e operam basicamente pela ação de um flutuador e um contrapeso conforme pode ser observado na Figura 911 As comportas Vlugter e Begemann são exemplos desse tipo de comporta e na prática apresentam as mesmas vantagens e desvantagens das comportas AVIS AVIO e AMIL 4 7 3 1 1 nível dágua a montante 2 abertura 3 eixo 4 contrapeso regulável 5 flutuador 6 decremento 7 nível de referência 8 nível dágua a jusante 2 6 5 8 Automação em Sistemas de Irrigação 245 Figura 911 Esquema de funcionamento das comportas Bengemann e Vlugter Automação Ativa em Canais Há claras vantagens na utilização de automação passiva quando for possível empregá la com a automação passiva não há cabos computadores ou controladores envolvidos nenhuma decisão se espera da equipe operacional É necessária pouca manutenção porém alguns sistemas de canais são inadequados para automação passiva em particular se os gradientes longitudinais são íngremes Segundo Laycock 2007 se o número de Froude do escoamento for superior a 03 a automação passiva não será possível Na maior parte dos projetos de irrigação em canais o número de Froude é tipicamente menor do que 02 Os dispositivos ativos são geralmente comportas ou bombas que entram em funcionamento em resposta à variação do nível da água O procedimento de operação é automatizado e o processo é comandado por controladores A automatização pode ser realizada por meios hidráulicos elétricos eletrônicos ou uma combinação destes As principais variáveis medidas no controle de canais são o nível da água a vazão e o grau de abertura das comportas Os sensores mais comuns disponíveis para medir o nível de água nos canais e reservatórios são os transdutores de pressão as boias magnéticas e os medidores ultrassônicos Os sistemas mais simples utilizam os flutuadores que não necessitam de uma fonte de alimentação A vazão pode ser medida diretamente por medidores de vazão ultrassônicos ou indiretamente através da medição do nível em calhas do tipo Parshall ou vertedouros Os sensores de posição de comportas podem ser instrumentos mecânicos de engrenagens cabos ligados diretamente dispositivo de detecção ou um elemento que converte a posição do eixo num sinal eletrônico As Figuras 912 e 913 apresentam exemplos de esquemas de instrumentação de comportas de canais A instrumentação da Figura 912 é composta de transdutores de pressão posicionados para gravar e medir os níveis de água a montante e a jusante da comporta um motor atuador para abrir e fechar a comporta um sensor de posição no atuador um medidor de vazão Doppler instalado a jusante da comporta na parte inferior do canal um CLP e um modem para enviar e receber informações para o centro de controle operacional Contrapeso Eixo de rotação Q Q Eixo de rotação Flutuador a Comporta Bengemann b Comporta Vlugter Contrapeso 246 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura 912 Esquema de instrumentação de uma comporta Exemplo 1 Figura 913 Esquema de instrumentação de uma comporta Exemplo 2 O sistema SCADA com controle automático centralizado ou distribuído é um exemplo de aplicação de automação ativa Ressaltase que geralmente elementos de automação passiva também fazem parte desse sistema Os sistemas centralizados de controle automático são indicados para aqueles de concepção mais complexa por exigirem equipamentos mais modernos e maior habilidade para o seu desenvolvimento Os estudos mostram que a operação de um canal pode ser bastante melhorada por meio da adoção do modelo SCADA devido às vantagens de informação em tempo real sobre os níveis de água e vazões e à possibilidade de responder a variações de forma mais rápida e precisa 95 Sistemas de Controle Um sistema de controle é uma disposição de componentes físicos conectados ou relacionados de tal forma a comandar dirigir ou regular a si mesmo ou a outros sistemas O sistema de controle em malha aberta utiliza um atuador para controlar o processo sem a utilização de realimentação Um exemplo desse tipo de controle é o acionamento de bombas em intervalos predefinidos com base na experiência dos operadores sem nenhuma Atuador Comporta Medidor de Vazão CLP Transdutor de nível de Montante Transdutor de nível de Jusante Canal Retangular Fluxo Sensor de Nível Sensor de posição da comporta Comporta e atuador Sensores de alarme de nível mínimo e máximo CLP Automação em Sistemas de Irrigação 247 variável sendo medida Um diagrama de blocos representando um sistema de controle em malha aberta está ilustrado na Figura 914 Figura 914 Representação de um sistema de controle em malha aberta A maioria dos controladores encontrados comercialmente para a irrigação de pequenos e médios projetos é baseada em microprocessadores que atuam por meio do acionamento temporizado dos eventos de irrigação O irrigante define o intervalo de tempo entre as irrigações e a duração destas Esses sistemas podem ser definidos como sendo de malha aberta onde a estratégia de controle é função basicamente da lógica programada a partir da experiência do agricultor O principal atrativo desse tipo de controle é seu baixo custo por outro lado esse tipo de sistema não é capaz de responder automaticamente a mudanças no ambiente que exijam resposta imediata por parte do controlador Obviamente esses equipamentos podem comprometer a eficiência da irrigação Os sistemas de controle em malha fechada conhecidos também como sistemas retroalimentados determinam a ação corretiva mais apropriada com base em variáveis medidas Um sistema de realimentação de circuito fechado é totalmente automatizado e não permite a intervenção do operador Para tanto são utilizados controladores que por meio da execução algorítmica de um programa ou circuito eletrônico comparam o valor atual com o valor de referência efetuando o cálculo para ajuste e correção Nos sistemas de malha fechada a ação de controle depende de uma variável medida por um sensor capaz de enviar informações do processo ao controlador permitindo então que o controlador seja capaz de tomar decisões automaticamente a partir de alguma estratégia de controle definida pelo operador Como exemplo podese citar o controle da pressão por meio da variação da velocidade de rotação do conjunto motobomba o controlador do inversor de frequência verifica o valor da pressão e decide se aumenta ou diminui a frequência de acionamento do motor No sistema de malha fechada a ação de controle depende da saída a diferença entre o valor de referência e o sinal da malha de realimentação é chamada de erro a saída do sistema de controle é geralmente definida como variável de controle Obviamente a finalidade do controlador é reduzir o erro quando possível mais rápido e suavemente A Figura 915 apresenta uma representação simplificada de um sistema de controle em malha fechada enquanto a Figura 916 representa o diagrama de blocos conceitual de um sistema de controle em malha fechada para o controle de nível de um canal Figura 915 Diagrama de blocos conceitual de um sistema de controle em malha fechada 248 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura 916 Diagrama de blocos conceitual de um sistema de controle para o controle de nível de um canal Na metodologia convencional do projeto de sistemas de controle modelase a planta ou o processo controlado Esse procedimento é chamado de identificação de sistemas no qual o sistema é caracterizado por um conjunto de equações cuja solução indicaria ao controlador como os parâmetros deveriam ser ajustados para um determinado comportamento do sistema tais como sobressinal velocidade de resposta tempo de acomodação e erro em regime permanente A relação entradasaída representa a relação causaefeito do processo e pode ser descrita matematicamente por meio de equações diferenciais equações de diferença e funções de transferência Logo na metodologia convencional para compreender e controlar sistemas estes devem ser representados por meio de modelos matemáticos Tornase necessário por conseguinte analisar as relações entre as variáveis do sistema e obter um modelo matemático Geralmente os sistemas são dinâmicos e as equações que os descrevem são equações diferenciais além disso caso as equações possam ser linearizadas usamse comumente a Transformada de Laplace No estudo do controle convencional a abordagem aos problemas de sistemas dinâmicos pode ser resumida em Definir os sistemas e seus componentes Formular o modelo matemático e listar as hipóteses necessárias Escrever as equações diferenciais que descrevem o modelo Resolver as equações em função das variáveis de saída desejáveis Examinar as soluções e as hipóteses Reanalisar ou reprojetar o sistema se necessário Dentre os diversos tipos de controladores o mais utilizado em processos industriais é o PID Proporcional Integral Derivativo A técnica de controle PID consiste em calcular um valor de atuação sobre o processo a partir das informações do valor desejado e do valor atual da variável do processo De uma maneira bem simples o PID é a composição de 3 ações o P é a correção proporcional ao erro I é a correção proporcional ao produto erro versus tempo e o D é a correção proporcional à taxa de variação do erro A soma ponderada dessas três ações é utilizada para ajustar o processo de controle através de um elemento como por exemplo a posição de uma válvula de controle e a velocidade de rotação de um motor Nem sempre é necessária a adoção dos três elementos é comum por exemplo a adoção de controladores PI os quais são indicados para sistemas onde a função entre variável Automação em Sistemas de Irrigação 249 de entrada e de saída pode ser linearizada o que às vezes não garante um controle otimizado ou a estabilidade do sistema A adoção de controladores convencionais é uma boa solução para processos lineares ou sistemas não lineares que podem ser aproximados por meio de um sistema linear equivalente em torno de uma região pequena de operação A propriedade de linearidade ou quaselinearidade garante que as três estratégias individuais de controle PID combinadas possam fazer com que a malha de retroalimentação consiga compensar mudanças nos parâmetros da planta A ocorrência de nãolinearidade pode tornar difícil ou até mesmo impossível o controle de alguns sistemas Devido ao fato dos controladores PID serem de entrada e saída únicas sistema de controle chamado de SISO e a maioria dos processos serem multivariáveis por natureza MISO verificase que cada variável necessita de seu próprio controlador e valor de referência Daí a necessidade dos controladores serem acoplados a um Supervisório que são capazes de ajustar os valores de referência de uma malha de controle Além disso é frequente que processos e plantas possuam dinâmica sujeita à variação de parâmetros o que faz com que os pontos de operação se desloquem Nesse caso é normal que os controladores PID não proporcionem um desempenho satisfatório Em muitos processos a dinâmica é complexa e não pode ser descrita matematicamente mesmo por projetistas experientes Com o avanço tecnológico das últimas décadas controladores mais modernos e eficientes estão sendo projetados para processos complexos Dentre esses novos controladores podese destacar a lógica fuzzy Os sistemas fuzzy surgiram fortemente como alternativa para o controle automático de sistemas não lineares e com várias entradas e saídas Em 1974 o professor Ebraham Mamdani da University of London aplicou pela primeira vez um controlador fuzzy depois de inúmeros fracassos com o PID no controle de uma máquina a vapor O sucesso no controle de processos em diversas áreas da engenharia tem conduzido inúmeras empresas a utilizar essa técnica no desenvolvimento de seus controladores Não é raro encontrar sistemas fuzzy desenvolvidos para processos que até então não tinham resultados satisfatórios Laycock 2007 apresenta o exemplo de aplicação do sistema fuzzy no canal Dry Gulch localizado em Utah EUA O sistema fuzzy implementado foi capaz de controlar o sistema satisfatoriamente apesar do canal ser velho possuir seção transversal variável e irregular não ter dados históricos e a operação das comportas ser complicada pelo acúmulo de detritos A grande vantagem prática na adoção da lógica fuzzy foi dispensar o levantamento da geometria exata do canal e a medição de todos os fluxos Além disso o controlador pode acomodar alterações no sistema sem afetar o resultado e não requereu grandes calibrações Bezerra et al 2012 e Carvalho 2012 desenvolveram controladores não lineares utilizando a técnica de controle inteligente fuzzy para o controle de pressão de redes pressurizadas de distribuição de água setorizadas automatizadas e com sistema de bombeamento distribuído visando minimizar o consumo de água e energia e o volume perdido por vazamentos Os diversos tipos de controladores são às vezes combinados para obter um melhor desempenho do sistema de controle Por exemplo no controlador FuzzyPID o controlador PID pode impor uma resposta rápida enquanto que o controlador Fuzzy evita o sobressinal tornando a resposta plana exatamente no valor de referência Na otimização dos processos e tomadas de decisão destacase o uso de Algoritmos Genéticos AGs Estes têm emergido como um método estocástico de grande potencial para resolver problemas que exigem uma grande combinação de soluções É uma técnica de busca aleatória mas que usa informações dinâmicas adicionais para guiar a pesquisa para o ponto ótimo os AGs exploram eficientemente informações históricas para encontrar novas 250 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética soluções com expectativa de melhor desempenho Os modelos baseados em Algoritmos Genéticos são desenvolvidos para determinar regras operacionais otimizadas para um ciclo de 24 horas ou em tempo real para sistemas hidráulicos complexos Estes levam em consideração as variáveis que podem ser definidas como índices de desempenho operacional As principais são consumo de energia elétrica nível de água dos canais e reservatórios atendimento da demanda pressão média e mudanças na operação As variáveis de decisão geralmente consideradas são a posição das comportas o número de bombas em operação em cada elevatória a velocidade de rotação das bombas determinada pelos seus motores e a condição de abertura das válvulas automáticas 96 Outras Aplicações de Automação Há inúmeras aplicações de automação em sistemas de irrigação a seguir são apresentadas algumas com seus esquemas de funcionamento Os esquemas trazem os principais elementos envolvidos diretamente nas aplicações o que não dispensa o uso de outros 961 Sistema de Irrigação Operando em Tempo Real O interesse do agricultor na automação cresce principalmente em virtude do potencial em aumentar a produtividade agrícola a eficiência do uso da água e da energia elétrica em possibilitar o controle e a aplicação de produtos químicos e em reduzir a mãodeobra empregada Sistemas automáticos se tornaram uma ferramenta interessante para a aplicação de água na quantidade necessária e no devido tempo contribuindo para o aumento da produtividade agrícola e para a utilização racional dos recursos hídricos Os sistemas de controle de irrigação têm sofrido constante evolução desde a concepção dos temporizadores até os sistemas baseados em computadores capazes de manter um controle preciso da aplicação da água no solo da fertirrigação da lavagem dos filtros e do acionamento de conjuntos motobomba O sistema de irrigação operado em tempo real pode ser implantado conforme o esquema mostrado na Figura 917 O sistema de irrigação automatizado baseado no controle da umidade do solo é um projeto interessante e sua aplicação é voltada indistintamente para as grandes médias e pequenas áreas irrigadas Nesse exemplo de aplicação o sistema de controle permite a irrigação apenas quando for necessário a rega é realizada com base na necessidade efetiva de aumentar a umidade do solo A telemetria é responsável pela coleta de dados dos sensores que informam as condições de umidade do solo e pelo envio dos comandos para as válvulas instaladas na entrada dos setores A irrigação é iniciada quando a umidade do solo cai para um nível inferior ao set point préestabelecido que pode ser o déficit hídrico tolerável e cessa quando alcança o set point superior teor de umidade do solo na capacidade de campo garantindo o melhor uso da água e o máximo benefício para a cultura Como resultado dessa irrigação automatizada além da redução do consumo de água diminuise o tempo a mãodeobra a energia elétrica e os fertilizantes empregados O exemplo mostrado no esquema da Figura 917 não possui medidores de vazão porém isso não significa que não devam ser incluídos na automação do processo A adoção do sistema supervisório no controle da irrigação possibilita a inclusão de regras que podem otimizála Com o software as informações sobre todas as áreas de irrigação podem ser acessadas rapidamente a partir da tela de layout principal A medição da umidade Automação em Sistemas de Irrigação 251 online e os dados históricos das parcelas podem ser consultados e representados por meio de gráficos As válvulas solenoides de irrigação podem ser codificadas por cores na tela do computador para denotar o status aberta ou fechada Portanto é extremamente interessante a utilização da computação em sistemas onde a eficiência na administração dos recursos disponíveis consiste em um fator de grande relevância Adicionalmente o computador pode servir como ferramenta de gerenciamento de diversas características do sistema tais como o cálculo da evapotranspiração e o monitoramento do estado da água no solo e nas plantas possibilitando o uso de modelos de simulação dinâmica O sistema pode ainda se comunicar com estações meteorológicas e outros controladores Figura 917 Representação esquemática de um sistema automatizado de irrigação O computador pode ser substituído por um CLP instalado no sistema de bombeamento porém o usuário perde o monitoramento em tempo real e a flexibilidade de alterações das condições de operação de forma remota Em sistemas com controle em tempo real é extremamente recomendável à instalação de sensores de chuva A ocorrência de chuva reduz a necessidade de irrigação pois dependendo da quantidade de água precipitada o solo atinge o nível de umidade desejado Esses sensores são de baixo custo robustos e precisos na medição da quantidade de água precipitada É fácil de regular a quantidade de água que irá ativálo e ainda pode ser configurado para simular a drenagem do solo Esse componente é na verdade um simples interruptor adaptado junto a um conjunto de material absorvente capaz de acionar o interruptor quando em contato com certa quantidade de água Estes podem ser facilmente conectados a microcontroladores CLPs e PCs 962 Sistemas de Irrigação com Controladores Comerciais Estes sistemas são geralmente empregados em pequenas e médias propriedades rurais e são operados automaticamente por controladores comerciais Os modelos mais modernos podem controlar o fornecimento de água por meio de dezenas de válvulas a fertirrigação pode ser contínua ou proporcional a lavagem de filtros é ativada pelo tempo eou diferencial de pressão e eles também acionam bombas Os controladores podem irrigar em função do tempo ou volume e ainda podem ser alimentados por baterias ou painéis solares Alguns Supervisório Sensor de umidade UTR UTR UTR Estação de Bombeamento 252 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética modelos possuem comunicação opcional para a programação através de um PC e opcionalmente utilizam o sistema de SMS para envio de mensagens e alertas O sinal de saída do controlador para as válvulas solenoides corresponde a uma tensão de 24 V A limitação dessas válvulas decorre do fato de que estão disponíveis para pequenos diâmetros porém esse problema é superado com a adoção de válvulas maiores que são operadas indiretamente por meio de válvulas solenoides isso é as válvulas são operadas por meio de solenoides montadas sobre as válvulas ou por comando hidráulico de um sistema remoto de solenoides nesse caso o controle passa a ser eletrohidráulico A Figura 918 mostra um esquema adaptado de um exemplo de um catálogo comercial em que o controlador central controla a fertirrigação e as válvulas instaladas nas entradas dos setores de irrigação Figura 918 Aplicação de controlador para acionamento de válvulas 963 Sistema de Bombeamento com Controle LigaDesliga O controle ligadesliga de conjuntos motobomba é o mais comum nos sistemas onde o controle é realizado em função do nível dos reservatórios e canais Quando o ponto de controle está localizado em uma unidade distante dos conjuntos motobomba é indispensável a rede de comunicação para transferir as informações e os comandos A Figura 919 apresenta um exemplo desse tipo de aplicação caso o nível do canal seja igual ou superior ao nível máximo a bomba para de operar voltando a funcionar se o nível for menor do que o mínimo É importante determinar dois níveis de referência para evitar que os motores fiquem ligando e desligando em intervalos de tempo muito pequenos Atualmente é comum a substituição dos sensores de nível ultrassônicos por transdutores de pressão e nível Existem transdutores de pressão que já possuem tecnologia de transmissão de dados GSM o que na maioria dos casos dispensa a implantação da UTR O controle de nível pode ser realizado por meio da instalação de medidores de nível nos pontos mais desfavoráveis do sistema Nesse caso os valores medidos devem passar por uma lógica de seleção sendo escolhido o ponto mais desfavorável como determinante na ação do Tanque de fertilizante Filtro Bloco de Irrigação Válvula de admissão expulsão ar Linha principal Controlador Automação em Sistemas de Irrigação 253 controlador Cada medidor por sua vez pode ter diferentes valores de referência set point garantindo o abastecimento nos locais menos privilegiados Figura 919 Sistema de bombeamento com controle ligadesliga segundo o nível do canal 964 Sistema de Bombeamento Típico com Medição de Vazão e Pressão A otimização operacional dos conjuntos motobomba resulta em economias que podem chegar a valores bastante significativos dependendo do porte do projeto Seguindo essa linha a implantação de sistemas automatizados está incluída entre as ações impactantes na redução do consumo de água e principalmente de energia elétrica O controle automático de sistemas de bombeamento pode envolver Acionamento automático telecomando de válvulas de controle automáticas Acionamento automático de motores elétricos incluindo o uso de softstarter e inversores de frequência Controle do consumo de energia elétrica online Envio de dados online para outros subsistemas e para o CCO Escorva automática de bombas Integração com o CCO Medição e controle online de pressão e vazão Medição e controle online do nível de reservatórios Monitoramento da vibração e temperatura de motores elétricos Monitoramento da vibração e temperatura dos mancais dos conjuntos motobomba Monitoramento e controle de grandezas elétricas tensão corrente potência etc Segurança das instalações prediais Um sistema típico de bombeamento automatizado deve ter pelo menos válvulas de controle automáticas medidores eletrônicos de vazão e pressão e o acionamento automático dos conjuntos A Figura 920 mostra um típico sistema de bombeamento com medição de vazão e pressão Nesse exemplo os equipamentos eletrônicos se comunicam com um CLP que acumula as funções de aquisição de dados e controlador do automatismo local O mesmo Manancial Estação Elevatória Nível máximo Nível mínimo Canal Supervisório 254 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética CLP integrase em um sistema SCADA através da linha telefônica A Figura 921 apresenta imagens de alguns equipamentos eletrônicos citados na 920 Figura 920 Representação de um sistema de bombeamento automatizado Uma possibilidade bastante prática de automação de sensores distribuídos em diversos locais é a adoção de inversores elemento secundário de medidores de vazão responsáveis pela conversão indicação de valores e transmissão que possuam bateria em alguns modelos de medidores tem autonomia de 2 anos e comunicação GPRS que permite a transmissão dos dados Nesse caso a implantação de um CLP no local é dispensável a Válvula de controle de bomba Fonte wwwbermadcom b Medidor de vazão ultrassônico Fonte wwwconautcombr c Transmissor de pressão Fonte wwwsmarcombr Figura 921 Imagens de equipamentos eletrônicos CLP Válvula de controle Transdutor de pressão Medidor de vazão Bomba Quadro Distribuição Apêndice A EXEMPLOS DE DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO PRESSURIZADA Neste Apêndice são apresentados dois exemplos de dimensionamento de sistemas de irrigação pressurizados O primeiro Exemplo A1 trata de um dimensionamento completo de um sistema por aspersão convencional para a irrigação de duas parcelas No A2 fazse um dimensionamento completo de um projeto de irrigação localizada com parcelas a irrigar por microaspersão e por gotejamento A1 Dimensionamento de um Sistema por Aspersão Convencional Dimensionar as instalações de um projeto de irrigação por aspersão convencional para uma área situada no município de Sousa PB a ser cultivada com tomate ver esquema da área na Figura A1 Figura A1 Esquema das parcelas a serem irrigadas Os dados técnicos disponíveis para o dimensionamento são Dados sobre o solo textura francoarenosa profundidade média 15 metros capacidade de campo 15 do peso do solo ponto de murcha 5 do peso do solo velocidade de infiltração básica 100 mmh densidade aparente 138 gcm3 Dados sobre o clima 256 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética velocidade máxima do vento 30 ms evaporação no Tanque Classe A no mês de máxima demanda out 102 mmdia umidade relativa do ar no mês de máxima demanda 60 Dados sobre a cultura profundidade efetiva do sistema radicular 70 cm déficit hídrico tolerável 45 Dados sobre a qualidade da água condutividade elétrica da água medida a 25ºC CEa 10 mmhoscm dSm Dados sobre a energia e o conjunto motobomba rendimento esperado do conjunto 70 custo de um kWh 0048 taxa anual de aumento da energia e 9 taxa de juro anual i 10 A bomba trabalhará afogada com uma altura estática de sucção desprezível Dados sobre os equipamentos sistema de irrigação semiportátil com tubos de PVC linhas laterais móveis e tubulações de distribuição fixas enterradas vida útil dos equipamentos tubos conexões e conjunto motobomba 20 anos custo de impantação das tubulações Ver Quadro A1 perda de carga localizada no hidrante na entrada da lateral 15 mca altura do tubo de subida 05 m o coeficiente de rugosidade C de HazenWilliams admitido é de 140 Quadro A1 Custos de implantação dos tubos segundo seus diâmetros D Nominal D Interno mm Preço m D Nominal DN D Interno mm Preço m 75 705 146 200 2042 747 100 1084 245 250 2520 1110 150 1564 448 300 2998 1582 Metodologia A metodologia seguida se divide em três partes que são Parte 1 determinação das características agronômicas da área a ser irrigada para o período mais desfavorável da irrigação mês de máxima demanda hídrica Parte 2 determinação do esquema layout da irrigação parcelar e dimensionamento das linhas laterais e Parte 3 dimensionamento da rede de tubulações de distribuição e do conjunto motobomba com base nos critérios hidráulicos e econômicos A metodologia da Parte 1 compreende a determinação das seguintes grandezas lâmina líquida máxima de irrigação Llm necessidade de irrigação líquida máxima da cultura Nlm frequência máxima de irrigação Fmáx eficiência da irrigação Ef fração da água de lixiviação LR lâmina bruta máxima de irrigação Lbm necessidade de irrigação bruta máxima da cultura Nbm e tempo de aplicação da água no solo T A Parte 2 compreende distribuição das linhas laterais e traçado das tubulações no interior das parcelas adoção do espaçamento entre aspersores e laterais adoção do número de irrigações diárias e determinação do número de linhas laterais determinação do número de aspersores por linha lateral escolha do aspersor e dimensionamento das linhas laterais A Parte 3 compreende definição do traçado da rede de distribuição e o dimensionamento das tubulações da rede e da altura manométrica com base em critérios hidráulicos e econômicos e dimensionamento do conjunto motobomba Apêndice A 257 Solução Parte 1 1a Lâmina líquida máxima de irrigação Llm Ver item 128 1 1 L Cc PMD Y Z 15 5 138 45 070 435 lm ar r 10 10 mm 1b Necessidade de irrigação líquida máxima da cultura Nlm Ver itens 132 Para umidade relativa do ar 60 velocidade do vento 3 ms 260 kmdia tamanho da bordadura do tanque Classe A 10 m obtémse ver Quadro 17 Kp 07 ETo Etanque Kp 102 07 71 mmdia Para o período de máxima demanda hídrica a necessidade de irrigação líquida máxima da cultura coincide com a evapotranspiração potencial ver Equação 18 O Kc médio ao longo do ciclo vegetativo do tomate é igual a 080 ver Quadro 16 assim Nlm ETp 71 mmdia 080 57 mmdia 1c Frequência máxima de irrigação Fmáx Ver item 134 lm lm L mm 435 Fmáx dias 76 N mm dia 57 dias Adotase uma frequência de irrigação Fr para o mês de outubro igual a 7 dias A lâmina líquida de irrigação corrigida Ll será igual a 57 mmdia 7 dias 399 mm 1d Eficiência da irrigação Ef Ver item 262 Para Ll 399 mm ETo 71 mmdia e Vvento 108 kmh o valor de Ea será de 64 valor este obtido por interpolação através do Quadro 210 Como as perdas de água em redes de distribuição fechadas são pequenas considerase neste exemplo Ed igual a 95 Assim Ef Ea Ed 064 095 061 61 1e Fração da água de lixiviação LR Ver Equação 112 Para o tomate considerandose um nível de salinidade do solo que provoque uma redução no seu rendimento potencial de 10 CEe será igual a 35 mmhoscm ver Quadro 112 assim CEa 10 LR 006 5 CEe CEa 5 35 10 Como o valor encontrado de LR é menor do que 01 não haverá necessidade da aplicação de lâmina de lixiviação no solo a irrigar 258 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética 1f Lâmina bruta de irrigação Lb Ver Equação 213 l b f L 399 L 100 100 654 E 61 mm 654 m3ha 1g Necessidade de irrigação bruta no período de máxima demanda Nbm Ver Equação 214 N 57 l N 100 100 93 b E 61 f mmdia 1h Tempo de Aplicação da Água no Solo T O tempo mínimo de aplicação da água no solo Tmín se obtém pela relação entre a lâmina bruta de irrigação e a intensidade de precipitação máxima admitida pelo solo Esta última pode ser adotada como sendo igual à velocidade de infiltração básica do solo Vb Tmín b b L mm 654 65 V mmh 100 horas Adotase uma duração da irrigação de 7 horas Parte 2 2a Distribuição das linhas laterais e traçado das tubulações no interior das parcelas Ver item 27 Adotase a distribuição rotativa das linhas laterais sobre as tubulações de distribuição conforme o esquema apresentado na Figura A2 deste exemplo Figura A2 Esquema de distribuição das tubulações nas parcelas Apêndice A 259 2b Adoção do espaçamento entre aspersores e laterais Ver item 252 O espaçamento adotado é de 12 18 ou seja 12 metros entre aspersores e 18 metros entre linhas laterais 2c Adoção do número de irrigações diárias e determinação do número de linhas laterais para cada parcela Ver orientação no Exemplo 26 Adotamse duas jornadas de irrigação diária de sete horas cada com a seguinte distribuição ao longo do dia 06 1300h irrigação 13 1400h mudança de laterais 14 2100h irrigação 05 0600h mudança de laterais Número de espaços de 18 metros ao longo da parcela 364 18 2022 Adotamse 20 posições para as linhas laterais em cada lado da parcela com a primeira situada a 12 metros do início e a última situada a 10 metros do final da área a irrigar Para uma frequência de irrigação de 7 dias e com dois dias de descanso durante a semana serão utilizados apenas os cinco dias úteis da semana para irrigar Considerando que temse que atender 20 posições em cada lado da parcela haverá portanto duas linhas laterais irrigando simultaneamente em cada lado da parcela duas vezes por dia conforme o esquema apresentado na Figura A2 O comprimento da tubulação principal no interior da parcela será de 354 metros ou seja 364 m 10 m 2d Determinação do número de aspersores por linha lateral Número de espaços de 12 metros ao longo da lateral 144 12 120 Haverá portanto 12 aspersores em cada lateral com o primeiro e o último situados a 6 metros das bordas ver Figura A3 O comprimento de cada lateral será então de 138 metros Figura A3 Distribuição dos aspersores na linha lateral 2e Escolha do aspersor Ver item 253 Precipitação do aspersor b L mm 654 93 mmh Duração horas 7 260 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Vazão do aspersor 12 m 18 m 93 103 mh 201 m3 h O Quadro A2 apresenta os dados relativos a um aspersor comercial no qual podem ser observados os valores das pressões de serviço P das descargas Q e dos diâmetros molhados D segundo os diâmetros dos seus bocais Quadro A2 Especificações técnicas do aspersor comercial Diâmetros dos bocais mm P mca Q m3h D m 15 117 23 20 135 24 40 32 30 164 28 40 189 29 45 201 29 15 138 27 20 159 29 46 32 30 194 32 40 222 32 45 235 32 15 148 27 20 171 29 46 38 30 208 32 40 239 32 45 252 32 15 181 29 20 212 30 55 38 30 259 32 40 298 35 45 315 35 15 202 29 20 233 30 55 42 30 283 32 40 327 35 45 347 35 Em função do valor calculado da descarga do aspersor 201 m3h podem ser determinados por meio do Quadro A2 por interpolação os valores da pressão de serviço e do diâmetro molhado Esses valores são iguais respectivamente a 281 mca e 31 m para o aspersor com os bocais de 46 38 milímetros De acordo com as recomendações mostradas no Quadro 25 para uma velocidade do vento de 30 ms 108 kmh a distância máxima entre aspersores não deve superar 124 metros 08 312 e a distância entre linhas laterais deve ser inferior a 202 metros 13 312 Portanto o espaçamento adotado de 12 18 metros cumpre as recomendações ora apresentadas 2f Dimensionamento das linhas laterais Ver item 46 Vazão de entrada na lateral qlateral 12 201 m3h 241 m3h 67 Ls Coeficiente de rugosidade C da fórmula de HazenWilliams 145 Quadro 43 Apêndice A 261 Perda de carga máxima admitida na lateral 020 281 mca 10 46 mca ver inequação 421 Coeficiente F de redução da perda de carga contínua ao longo da lateral 0367 Ver Quadro 47 Perda admitida na lateral considerada sem aspersores 460367 1253 mca Perda unitária na lateral sem aspersores 1253138 00908 mm Aplicandose a Equação de HazenWilliams ver Equação 411 obtémse um valor para o diâmetro mínimo para a lateral igual a 0060 m 60 mm O diâmetro nominal imediatamente superior é o de 3 cujo diâmetro interno para a tubulação comercial disponível no mercado tubulação móvel é igual a 705 mm com uma pressão nominal de 80 mca Aplicandose a Equação de HazenWilliams para o diâmetro interno de 705 mm com o coeficiente de redução F de 0367 a perda de carga na linha lateral será de 205 mca A pressão à entrada da linha lateral ver Equação 418 considerando um desnível médio ao longo da tubulação de 05 metros ver Figura A2 uma altura no tubo de subida de 05 m e uma perda localizada no hidrante de 15 m será H 281 075 205 05 05 15 321 mca Parte 3 3a Definição do traçado da rede de distribuição O traçado adotado apresenta a forma mostrada na Figuras A2 3b Dimensionamento das tubulações da rede de distribuição e da altura manométrica com base em critérios hidráulicos e econômicos As Figuras A4 e A5 mostram os dados básicos da rede a ser dimensionada pelo método de otimização Lenhsnet descrito no item 833 cujo traçado está ilustrado na Figura A6 A Figura A6 apresenta também os resultados do dimensionamento onde podem ser observados os diâmetros dos trechos e as pressões nos nós No Quadro A1 apresentado anteriormente estão os dados sobre os tubos de PVC necessários ao dimensionamento da rede de distribuição O número de horas de bombeamento diário é de 14 conforme definido no item 2c Após a realização do processo de otimização os dados do dimensionamento podem ser observados nas Figuras A6 onde estão os valores dos diâmetros dos trechos e as pressões nos nós e na Figura A7 na qual aparecem os valores da altura manométrica do sistema de bombeamento 4649 mca e os custos de implantação das tubulações 7082040 e de energia atualizado 14296527 262 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura A4 Tabelas de dados da rede de distribuição Figura A5 Dados do projeto programa Lenhsnet 3c Potência requerida pela bomba A potência requerida pela bomba será m QLs H m 536 4649 P 475 cv 0736 475 350 kW 75 75 070 Apêndice A 263 Figura A6 Traçado da rede e resultados do dimensionamento Figura A7 Relatório com os dados dos custos otimizados 264 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética A2 Dimensionamento de um Sistema por Gotejamento e Microaspersão No presente exemplo pretendese dimensionar as instalações de um projeto de irrigação para uma área situada no município de Mossoró RN a ser cultivada com melão graviola e manga O Quadro A3 sintetiza os dados sobre as culturas a serem implantadas enquanto que a Figura A8 apresenta um esboço da área a ser beneficiada Os demais dados técnicos disponíveis para o dimensionamento são Dados sobre o solo Textura francoarenosa Profundidade média 08 metros Capacidade de campo 717 do peso do solo Ponto de murcha 268 do peso do solo Velocidade de infiltração básica 250 mmh Densidade aparente 137 gcm3 Quadro A3 Dados das culturas a serem implantadas Cultura Melão Graviola Manga Área ha 60 25 28 Ciclo médio dias 90 Perene Perene Dias de irrigação por mês 30 30 30 Método de irrigação Gotejamento Microaspersão Microaspersão Espaçamento m m 05 20 60 80 50 100 Profundidade efetiva cm 60 80 100 Coeficiente de cultivo Kc 100 075 075 Déficit hídrico tolerável 30 50 50 Valores correspondentes ao período de maturação da planta Figura A8 Esquema da área a ser irrigada Apêndice A 265 Dados sobre o clima no mês de máxima demanda novembro velocidade máxima do vento 40 ms evapotranspiração de referência ETo no mês de máxima demanda 6 mmdia umidade relativa do ar no mês de máxima demanda 64 Dados sobre a qualidade da água condutividade elétrica da água medida a 25º C CEa 203 dSm classificação da água C3S1 Dados sobre a energia e o conjunto motobomba rendimento esperado do conjunto 70 número de horas de bombeamento diário 12 cota de captação do bombeamento 50 m custo do kWh 022 taxa de juro anual 6 taxa anual de aumento da energia 4 Dados sobre os equipamentos tubulações de distribuição e de derivação de PVC e linhas laterais de polietileno vida útil dos equipamentos 10 anos preços dos tubos Ver Quadro A4 altura do tubo de subida do microaspersor 05 m coeficiente de rugosidade dos tubos da fórmula de DarcyWeisbach 002 mm perda de carga localizada no cabeçal de controle 80 mca Quadro A4 Preços dos tubos de PVC PBL PN 60 D Nominal D Interno Preço D Nominal D Interno Preço mm m mm m 50 481 216 125 1200 667 75 725 361 150 1440 833 100 976 582 Roteiro seguido para o dimensionamento O roteiro adotado neste exemplo se divide em duas partes Parte 1 determinação das características hidroagrícolas da área a ser irrigada para o período mais desfavorável da irrigação mês de máxima demanda hídrica definição do layout das parcelas escolha dos emissores dos sistemas de irrigação e determinação das grandezas hidráulicas vazão e pressão requeridas nas entradas das linhas laterais Parte 2 dimensionamento da rede de tubulações e do conjunto motobomba com base nos critérios hidráulicos e econômicos Parte 1 Parcela 1 a ser irrigada com melão 1a Lâmina líquida máxima de irrigação Llm Ver Equação 313 Admitese uma porcentagem de solo molhado Pm de 100 m lm ar P 1 1 100 L Cc PMD Y Z 717 268 137 30 060 r 10 100 10 100 Llm 111 mm 266 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética 1b Necessidade de irrigação líquida máxima da cultura Nlm Ver Equação 38 Como o melão cultivado no espaçamento de 05 por 20 metros cobre totalmente o terreno no seu desenvolvimento máximo o índice de cobertura da planta é de 100 ou seja IC 1 Portanto o fator de redução fr será igual à unidade ver Equações 39 e 310 Nlm ETp fr ETo Kc fr 60 mmdia 10 10 60 mmdia 1c Intervalo máximo da irrigação Ver item 134 lm lm L mm 111 Fr dias 18 N mm dia 60 dias Adotase uma frequência de irrigação Fr para o mês de novembro igual a 1 dia normalmente nos sistemas de irrigação localizada gotejamento e microaspersão utilizamse turnos de rega de um dia A lâmina líquida de irrigação corrigida Ll será igual a 60 mmdia 1 dia 60 mm 1d Eficiência da irrigação Ef Ver item 33 De acordo com o Quadro 34 para uma planta com profundidade radicular inferior a 75 cm cultivada em um solo de textura arenosa num clima árido o valor do coeficiente de transmissividade Tr é igual a 090 Com base no Quadro 36 o valor do coeficiente de uniformidade Cu admitido é de 090 Assim por meio da Equação 34 o valor estimado da eficiência de irrigação será Ef Tr Cu 090 090 081 81 1e Fração da água de lixiviação LR Ver Equação 113 Para o melão considerandose um nível de salinidade do solo que provoque uma redução máxima no seu rendimento potencial CEe será igual a 160 dSm ver Quadro 112 CEa 203 LR 006 2 CEe 2 160 Como o valor encontrado de LR é menor do que 01 não haverá necessidade de se aplicar lâmina de lixiviação no solo a irrigar 1f Necessidade de irrigação bruta no período de máxima demanda Nbm l b f N 60 N 100 100 74 E 81 mmdia Esse valor corresponde a um volume requerido de 74 20 05 74 Lplantadia 1g Lâmina bruta de irrigação Lb Lb Nb Fr 74 mmdia 1 dia 74 mm 1h Tempo diário de aplicação da água no solo Considerandose um tempo disponível diário de bombeamento th de doze horas quatro unidades operacionais N para a parcela a ser irrigada por gotejamento e um turno de rega de um dia o tempo diário de aplicação da irrigação será Apêndice A 267 tr ht Fr 12 h 1 3 N 4 horas 1i Escolha do emissor Adotandose um emissor por planta espaçado a cada meio metro a vazão q do gotejador será dada por ver Equação 319 b r L A 74 20 05 q 25 t n 3 1 Lh O Quadro A5 apresenta as especificações técnicas de um gotejador regular que é fabricado integrado à tubulação de polietileno linha lateral As tubulações com gotejadores integrados podem ser fornecidas com emissores com diversos espaçamentos conforme as especificações técnicas mostradas no Quadro A6 Os gotejadores integrados às tubulações podem ser obtidos nos seguintes diâmetros e vazões nominais 12 mm de diâmetro 2 Lh 122 16 mm de diâmetro 1 2 4 e 8 Lh 161 162 164 e 168 20 mm de diâmetro 12 e 2 Lh 2012 e 202 Os diâmetros antes apresentados correspondem a seus valores internos Quadro A5 Vazão do gotejador Lh segundo a pressão de serviço mca diâmetro mm e descarga nominal do emissor Lh H Gotejador mca 122 161 162 164 168 2012 202 5 130 080 150 250 380 080 170 10 190 100 220 360 545 115 250 15 230 120 275 450 650 140 310 20 270 140 320 520 770 160 360 25 300 160 360 580 860 180 395 30 330 180 395 640 955 200 430 35 360 200 425 670 1050 215 460 O Quadro A5 fornece os valores reais das vazões dos gotejadores que dependem da pressão de serviço e do diâmetro e vazão nominal do emissor Por sua vez o Quadro A6 apresenta os valores máximos recomendados para os comprimentos das linhas laterais para terrenos planos segundo o espaçamento entre gotejadores o diâmetro e a vazão nominal do emissor Segundo os dados do fabricante as variações de pressão devido às perdas de carga ocorridas ao longo das linhas laterais com os comprimentos apresentados no Quadro A6 ocasionam variações de aproximadamente 5 na vazão do emissor De acordo com a vazão calculada para o gotejador q 25 Lh e em função do comprimento das linhas laterais da parcela a ser irrigada por gotejamento obtémse através dos Quadros A5 e A6 o gotejador mais adequado para o projeto Segundo o layout da parcela ver Figura A9 com as dimensões apresentadas na figura A8 o comprimento das linhas laterais da parcela a ser irrigada por gotejamento é de 85 metros Com base no Quadro A6 para o espaçamento entre gotejadores de 05 metros os gotejadores que atendem à restrição do comprimento máximo da lateral são os emissores 161 162 2012 e 202 A partir do valor calculado para a vazão do gotejador q 25 Lh e dos dados apresentados no Quadro A5 os emissores 161 e 2012 podem ser descartados Considerandose o aspecto econômico 268 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética entre os gotejadores 162 e 202 devese optar pelo emissor 162 que será o adotado para o projeto Quadro A6 Comprimento máximo recomendado m da linha lateral segundo o espaçamento entre gotejadores m diâmetro mm e descarga nominal do emissor Lh S Gotejador m 122 161 162 164 168 2012 202 030 40 98 59 44 34 150 79 050 60 145 87 65 50 217 120 075 80 194 116 86 68 287 165 100 99 239 142 102 83 351 204 125 116 280 165 125 96 409 240 150 132 296 180 136 109 450 274 A partir da vazão calculada para o gotejador q 25 Lh podese obter por meio das Equações 32 e 33 e com a utilização dos dados do Quadro A5 o valor da pressão de serviço média do emissor ou seja x d q C h e 1 2 1 2 log q q x log h h log 220 275 x 056 log 10 15 056 d 22 C 10 Cd 061 056 25 061 h h 127 mca Pressão de serviço média do gotejador h 127 mca Através do Quadro A6 observase que o comprimento máximo recomendado para as linhas laterais com o gotejador 162 e o espaçamento entre emissores de 05 m é de 87 m que é superior ao valor adotado de projeto L 85 m 1j Distribuição das linhas laterais e traçado das tubulações no interior das parcelas Adotase o traçado das linhas laterais e das tubulações de derivação de acordo com o esquema ou layout apresentado na Figura A9 A parcela a ser irrigada com melão terá quatro unidades operacionais que serão irrigadas separadamente a cada três horas durante o período de doze horas de irrigação diária Para cada unidade operacional haverá uma válvula situada na entrada da tubulação de derivação para controlar a passagem da água para o interior da unidade 1k Número de gotejadores por linha lateral O número de gotejadores por linha lateral será de 85 m05 m 170 1l Número de linhas laterais por unidade de irrigação 88 m 2 88 2 m Apêndice A 269 Figura A9 Esquema da distribuição das tubulações da área a ser irrigada 1m Vazão na entrada da linha lateral Q 170 25 Lh 425 Lh 0425 m3h 1n Pressão requerida na entrada da lateral Ver Equação 418 A perda de carga unitária ao longo da linha lateral sem saída será calculada por meio da Equação de DarcyWeissbach Equação 45 onde o coeficiente de atrito f se determinará pela fórmula de Blasius Equação 410 f V2 j D 2g onde 2 04253600 V 06 ms 314 0016 4 6 06 0016 Re 9562 1004 10 e 025 f 0316 Re 0032 Assim 2 2 f V 0032 06 j 0037 D 2g 0016 2 98 mm Para um número de gotejadores na lateral igual a 170 o coeficiente de redução F será de 0351 ver Quadro 47 A perda de carga total hf será igual a 0037 mm 85 m 0351 11 mca A pressão H requerida na entrada da linha lateral será f Z H h 075h 127 075 11 135 mca 2 Z2 é desprezível já que as linhas laterais estão instaladas em um relevo aproximadamente plano 270 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética 1o Vazão nas entradas das linhas de derivação 3 88 m Q 425 Lh 2 374 m h 104 Ls 2 m Parcela 2 A ser irrigada com graviola 1a Lâmina líquida máxima de irrigação Llm Ver Equação 313 Admitese uma porcentagem de solo molhado Pm de 40 m lm ar r P 1 1 40 L Cc PMD Y Z 717 268 137 50 080 98 mm 10 100 10 100 1b Necessidade de irrigação líquida máxima da cultura Nlm Ver Equação 38 Nlm ETp fr ETo Kc fr Através da Equação 39 o fator de redução fr pode ser dado por fr IC 05 1 IC O valor do índice de cobertura IC para o cultivo de graviola com o espaçamento de 60 80 metros é inferior a 05 No entanto o valor mínimo de IC recomendado para árvores frutíferas quando a planta atinge seu desenvolvimento máximo é de 06 Assim fr IC 05 1 IC 06 051 06 08 Nlm ETp fr ETo Kc fr 60 mmdia 075 08 36 mmdia 1c Intervalo máximo da irrigação Ver item 134 lm lm L mm 98 Fr dias 27 N mm dia 36 dias Adotase uma frequência de irrigação Fr para o mês de novembro igual a 1 dia A lâmina líquida de irrigação corrigida Ll será igual a 36 mmdia 1 dia 36 mm 1d Eficiência da irrigação Ef Admitese uma eficiência de irrigação para a parcela a ser irrigada por microaspersão com graviola de 80 1e Fração da água de lixiviação LR Ver Equação 113 Estimase o valor máximo de CEe para a graviola igual a 10 dSm CEa 203 LR 01 2 CEe 2 100 1f Necessidade de irrigação bruta no período de máxima demanda Nbm l b f N 36 N 100 100 50 E 1 LR 80 09 mmdia Esse valor corresponde a um volume requerido de 50 60 80 240 Lplantadia Apêndice A 271 1g Lâmina bruta de irrigação Lb Lb Nb Fr 50 mmdia 1 dia 50 mm 1h Tempo diário de aplicação da água no solo tr ver Equação 320 Considerandose um tempo disponível diário de bombeamento th de doze horas duas unidades operacionais N para a parcela a ser irrigada por microaspersão graviola e um turno de rega de um dia o tempo diário de aplicação da irrigação será tr ht Fr 12 h 1 6 N 2 horas 1i Escolha do emissor Adotandose um microaspersor por planta a vazão q do emissor será ver Equação 319 b r L A 50 60 80 q 40 t n 6 1 Lh O Quadro A7 apresenta as especificações técnicas de um microaspersor regular Os valores dos diâmetros molhados apresentados nesse quadro dependem também do tipo de difusor ou rotor do emissor Para a irrigação de fruteiras com grandes espaçamentos devese escolher o microaspersor de maior alcance Extra Range A partir da vazão calculada para o microaspersor q 40 Lh obtémse através do Quadro A7 por interpolação o valor da pressão de serviço média que será de 19 mca O diâmetro molhado terá um valor próximo a 6 metros Extra Range Quadro A7 Vazão q e diâmetro molhado do microaspersor segundo a pressão de serviço h para o emissor com o diâmetro do bocal d de 09 mm d h q Diâmetro molhado m mm mca Lh Small sprayer Mini Range Extra Range 09 10 29 18 17 50 15 36 22 20 56 20 41 23 24 60 25 46 24 30 62 30 50 25 32 64 1j Distribuição das linhas laterais e traçado das tubulações no interior das parcelas Adotase o traçado das linhas laterais e das tubulações de derivação de acordo com o esquema ou layout apresentado na Figura A9 A parcela terá duas unidades operacionais que serão irrigadas separadamente a cada seis horas durante o período de doze horas de irrigação diária 1k Número de microaspersores por linha lateral 125 m 6 m 21 272 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética 1l Número de linhas laterais por unidade de irrigação 50 m 2 12 8 m 1m Vazão na entrada da linha lateral Q 21 40 Lh 840 Lh 084 m3h 1n Pressão requerida na entrada da lateral Adotandose linhas laterais de polietileno com diâmetro nominal de 20 mm diâmetro interno de 17 mm PN40 a perda de carga unitária ao longo da linha lateral sem saída calculada através da fórmula de DarcyWeissbach será f V2 j D 2g onde 2 0843600 V 103 ms 314 0017 4 6 103 0017 Re 17440 1004 10 e 025 f 0316 Re 0027 Assim 2 2 103 f V 0027 j 0086 D 2g 0017 2 98 mm Para um número de emissores na lateral igual a 21 F igual a 0354 a perda de carga total hf será igual a 0086 mm 125 m 0354 38 mca Esse valor da perda de carga é maior do que 10 da pressão de serviço do microaspersor 1 Adotandose uma tubulação de 25 milímetros de diâmetro nominal diâmetro interno de 21 mm a perda de carga total ao longo da linha lateral hf calculada através da fórmula de DarcyWeissbach com o coeficiente de atrito determinado pela Equação de Blasius será igual a 14 mca Esse valor é menor do que 10 da pressão de serviço do microaspersor 19 mca A pressão H requerida na entrada da lateral será f a Z H h 075h h 19 075 1405 206 mca 2 Z2 é desprezível já que as linhas laterais estão instaladas em um relevo aproximadamente plano 1o Vazão nas entradas das linhas de derivação 3 3 Q 084 m h 12 101 m h 28 Ls Parcela 3 A ser irrigada com manga 1a Lâmina líquida máxima de irrigação Llm Admitese uma porcentagem de solo molhado Pm de 30 1 Nos sistemas de irrigação localizada gotejamento e microaspersão admitese uma diferença de pressão no interior das unidades de 20 da pressão de serviço do emissor Em termos práticos costumase admitir uma perda de 10 ao longo das laterais e dos outros 10 ao longo da linha de derivação da unidade de irrigação Apêndice A 273 m lm ar P 1 1 30 L Cc PMD Y Z 717 268 137 50 080 r 10 100 10 100 74 mm 1b Necessidade de irrigação líquida máxima da cultura Nlm Nlm ETp fr ETo Kc fr fr IC 05 1 IC Para IC igual a 06 temse fr 08 Nlm ETp fr ETo Kc fr 60 mmdia 075 08 36 mmdia 1c Intervalo máximo da irrigação lm lm L mm 74 Fr dias 21 N mm dia 36 dias Adotase uma frequência de irrigação Fr para o mês de novembro igual a 1 dia A lâmina líquida de irrigação corrigida Ll será igual a 36 mmdia 1 dia 36 mm 1d Eficiência da irrigação Ef Admitese uma eficiência de irrigação para a parcela a ser irrigada por microaspersão com manga de 80 1e Fração da água de lixiviação LR Estimase o valor máximo de CEe para a manga igual a 10 dSm CEa 203 LR 01 2 CEe 2 100 1f Necessidade de irrigação bruta no período de máxima demanda Nbm l b f N 36 N 100 100 50 E 1 LR 80 09 mmdia Esse valor corresponde a um volume requerido de 50 50 100 250 Lplantadia 1g Lâmina bruta de irrigação Lb Lb Nb Fr 50 mmdia 1 dia 50 mm 1h Tempo diário de aplicação da água no solo tr Considerandose um tempo disponível diário de bombeamento th de doze horas duas unidades operacionais N para a parcela a ser irrigada por manga e um turno de rega de um dia o tempo diário de aplicação da irrigação será tr ht Fr 12 h 1 6 N 2 horas 1i Escolha do emissor Adotandose um microaspersor por planta a vazão q do emissor será 274 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética b r L A 50 50 100 q 42 t n 6 1 Lh A partir da vazão calculada para o microaspersor q 42 Lh obtémse através do Quadro A7 por interpolação os valores da pressão de serviço média e do diâmetro molhado que são iguais respectivamente a 21 mca e 60 metros microaspersor tipo Extra Range 1j Distribuição das linhas laterais e traçado das tubulações no interior das parcelas Adotase o traçado das linhas laterais e das tubulações de derivação de acordo com o esquema ou layout apresentado na Figura A9 A parcela terá duas unidades operacionais que serão irrigadas separadamente a cada seis horas durante o período de doze horas de irrigação diária 1k Número de microaspersores por linha lateral 100 m 5 m 20 1l Número de linhas laterais por unidade de irrigação 70 m 2 14 10 m 1m Vazão na entrada da linha lateral Q 20 42 Lh 840 Lh 084 m3h 1n Pressão requerida na entrada da lateral Adotandose linhas laterais de polietileno com diâmetro nominal de 25 mm diâmetro interno de 21 mm PN40 a perda de carga unitária ao longo da linha lateral sem saída calculada através da fórmula de DarcyWeissbach com o coeficiente de atrito determinado pela fórmula de Blasius será de 0032 mm Para um número de emissores na lateral igual a 20 F igual a 0354 a perda de carga total hf será igual a 0032 mm 100 m 0354 11 mca Esse valor atende à recomendação de que a perda de carga ao longo da lateral deve ser inferior a 10 da pressão de serviço do emissor A pressão H requerida na entrada da lateral será f a Z H h 075h h 21 075 1105 223 mca 2 Z2 é desprezível já que as linhas laterais estão instaladas em um relevo aproximadamente plano 1o Vazão nas entradas das linhas de derivação 3 3 Q 084 m h 14 118 m h 33 Ls Parte 2 2a Definição do traçado da rede de distribuição O traçado adotado com a definição dos trechos da rede de distribuição apresenta a forma mostrada na Figura A9 Apêndice A 275 2b Dimensionamento das tubulações da rede de distribuição e da altura manométrica com base em critérios hidráulicos e econômicos O Quadro A8 apresenta os dados básicos necessários para o dimensionamento econômico da rede de distribuição através do método Lenhsnet Esses dados estão de acordo também com o traçado da rede apresentado na Figura A9 Nesse quadro aparecem apenas os dados sobre os trechos da rede hidráulica que funcionará simultaneamente por turno Os trechos representados na Figura A9 pelo número 1 têm as mesmas características hidráulicas do trecho 1 o trecho 2 tem a mesma característica do trecho 2 enquanto que os trechos 4 e 7 são iguais aos trechos 4 e 7 respectivamente Na coluna 2 do Quadro A8 estão os comprimentos reais dos trechos da rede Como os trechos 1 4 e 7 possuem saídas dágua para as linhas laterais seus comprimentos reais Lr necessitam ser reduzidos mediante a multiplicação dos seus valores pelo coeficiente de redução F ver Quadro 47 a fim de que os comprimentos fictícios Lf possam ser empregados diretamente no cálculo da rede através do método Lenhsnet Fazse necessário utilizar esse artifício para compensar o cálculo das perdas de carga contínuas no dimensionamento da rede já que as vazões de entrada nas tubulações de derivação trechos 1 4 e 7 sofrem reduções ao longo de seus comprimentos As colunas 5 e 6 do mesmo quadro apresentam os valores das vazões dos trechos em m3h e Ls respectivamente Na coluna 7 estão os valores das cotas altimétricas dos nós de jusante dos trechos e na coluna 8 estão os valores das pressões mínimas requeridas nesses nós No Quadro A6 estão os dados sobre os tubos de PVC necessários para o dimensionamento da rede de distribuição através do método de otimização econômica enquanto que a Figura A10 mostra os dados complementares do projeto inseridos no programa Lenhsnet Quadro A8 Dados referentes à rede de distribuição da figura A9 Trecho 1 Lr m 2 F 3 Lf m 4 Q m3h 5 Q Ls 6 Z m 7 P mca 8 1 88 036 32 374 104 140 135 2 90 374 104 140 3 275 374 104 140 4 50 043 22 101 28 110 205 5 130 101 28 100 6 130 475 132 100 7 70 042 29 118 33 70 223 8 105 118 33 60 9 80 593 165 60 Após a realização do processo de otimização os dados do dimensionamento podem ser observados nas Figuras A11 onde estão os valores dos diâmetros dos trechos e as pressões nos nós e na Figura A12 na qual aparecem os valores da altura manométrica do sistema de bombeamento 3345 mca e os custos de implantação das tubulações 598514 e de energia atualizado 6462271 Como as pressões mínimas requeridas nas parcelas são distintas no programa Lenhsnet devese inserir o maior valor entre eles 223 mca na caixa de diálogo Dados do Projeto ver Figura A10 Conforme podese observar nos resultados da Figura A11 esse valor aparece na pressão disponível da parcela por gotejamento trecho 1 cuja pressão mínima requerida deve ser de 135 mca Dessa forma devese realizar um ajuste diretamente no programa Epanet modificando os diâmetros de alguns trechos por tentativa 276 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética para que o dimensionamento definitivo se adeque às pressões mínimas requeridas pela rede Na Figura A13 estão os valores definitivos do dimensionamento onde observase que os diâmetros dos trechos 1 2 e 3 foram reduzidos para o DN 100 diâmetro interno de 976 mm o diâmetro do trecho 4 foi reduzido para o DN 75 e o do trecho 8 foi aumentado para o DN 75 Além disso a cota piezométrica no dimensionamento definitivo foi reduzida de 3845 mca ver Figura A12 para 355 mca ver Figura A14 Para a cota piezométrica de 355 a manométrica passa a ser de 305 mca já que o nível de água da sucção do bombeamento está na cota 5 metros Como a perda de carga localizada máxima admitida para o cabeçal de controle é de 80 mca a cota manométrica definitiva da estação de bombeamento passa a ser de 385 mca As Figuras A14 e A15 mostram respectivamente as tabelas extraídas do programa Epanet com os dados definitivos dos nós e dos trechos da rede de abastecimento do sistema de irrigação 2c Potência requerida pela bomba A potência requerida pela bomba será m QLs H m 165 385 P 12 CV 75 75 070 Para uma potência requerida de 12 CV será necessário adquirir um conjunto motobomba com uma potência nominal situada entre 13 e 15 CV Figura A10 Dados do projeto programa Lenhsnet Apêndice A 277 Figura A11 Diâmetros e pressões disponíveis na rede Figura A12 Relatório com os dados dos custos do projeto Figura A13 Diâmetros e pressões disponíveis na rede no dimensionamento definitivo 278 Sistemas de Irrigação Eficiência Energética Figura A14 Dados definitivos dos nós da rede Figura A15 Dados definitivos dos trechos da rede BIBLIOGRAFIA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT NBR 5647 Tubos de PVC rígido com junta elástica Rio de Janeiro 1999 AYERS R S WESTCOT D W Water quality for agriculture Food and Agriculture Organization of the United Nations Irrigation and Drainage Paper 29 Rev 1 1985 AZEVEDO NETTO J M A et al Manual de Hidráulica 8 ed São Paulo Editora Edgard Blücher Ltda 1998 669p BENAMI A OFEN A Irrigation Engineering Faculty of Agricultural Engineering Technion Israel Institute of Technology Haifa 1984 BEZERRA S T M SILVA S A CARVALHO P S O Automação e Controle In GOMES H P Org Sistemas de Bombeamento Eficiência Energética João Pessoa Editora Universitária UFPB 2012 BEZERRA S T M SILVA S A GOMES H P Operational optimisation of water supply networks using a fuzzy system Water SA vol 38 n 4 2012 p 565572 CARVALHO P S O Controle para bombeamento distribuído com vistas à minimização dos custos energéticos aplicado a sistemas de abastecimento de água Tese Doutorado Programa de PósGraduação em Engenharia Mécânica PPGEMUPFB João Pessoa 2012 CAVAZZA D Lefficienza degli irrigatori Lirrigazione 121 5965 1965 CHRISTIANSEN J E Irrigation by Sprinkling Bull 670 Agriculture Experiment Station University of California Berkeley 1942 CLEMENT R GALANT A El Riego por Aspersión Barcelona Editores Técnicos Asociados SA 1986 COLLISCHONN W MEIRELLES F S C ENDRES L A M Simulação Numérica de Canais de Irrigação Controlados por Comportas Automáticas Revista Brasileira de Recursos Hídricos v 6 n1 2001 119131 DAVIS J R FRY A W What price Sprinkler uniformity Irrig Eng and Maintenance XIII 3 1963 DOORENBOS J PRUITT W O Las Necesidades de agua de los cultivos Estudios FAO Riego y Drenaje no 24 Roma 1976 EUROPUMP HYDRAULIC INSTITUTE Variable speed pumping a guide to successful applications Great Britain Elsevier Ltd 2004 170 p FUENTES YAGÜE J L CRUZ ROCHE J Curso Elemental de Riego Servicio de Extensión Agraria del Ministerio de Agricultura Pesca y Alimentación 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Frutíferas em geral como citros manga melão uva abacate morango Flores e plantas ornamentais Olerícolas Projetos paisagísticos de jardins e residências Percentagem da área molhada P A percentagem da área molhada e representada pela razão entre a área molhada e a representada pela planta TIPOS DE IRRIGAÇÃO LOCALIZADA Gotejamento Forma de gotas por uma fonte pontual gotejador Pressões variam entre 50 a 200 kPa Vazões na ordem de 05 a 12 Lh Microaspersão Fração do volume de solo raízes das plantas Microaspersores Pressões variam de 100 a 300 kPa Vazões de 30 a 200 Lh VANTAGENS E APLICAÇÕES Baixas perdas por percolação profunda e no uso de microaspersão há reduzida perda por deriva Permite o movimento de máquinas e implementos nas entrelinhas da cultura Controle da umidade uniforme Reduz o perigo de salinidade maior umidade do solo Possibilita a aplicação de fertilizantes inseticidas fungicidas que reduz mãodeobra Facilita controle fitossanitário pois não molha a parte aérea das plantas Reduz o requerimento de energia Automação propicia a economia de mãodeobra Adaptase a diferentes tipos de solos e topografia Otimização dos recursos hídricos LIMITAÇÕES Elevado investimento inicial quando comparado a outros sistemas Pequeno diâmetro dos emissores problemas de entupimento Áreas excessivamente declivosas pode apresentar variações de vazão acima do desejado Manejo rigoroso em solos com baixa capacidade de infiltração Prejuízos na produção em casos de interrupção da irrigação Capina nas linhas podem ser dificultadas pela presença das tubulações As linhas de polietileno podem ser danificadas por roedores Mão de obra especializada e treinada Dependência por assistência técnica e reposição de peças importadas Saída dágua Entrada dágua Saída dos sedimentos Figura 34 Hidrociclone deflector entrada areia saida Figura 35 Filtro de areia Cartucho telado Tubulação Figura 36 Filtro de tela Quadro 31 Relação entre o n mesh e o diâmetro do orifício da tela mesh n d mm mesh n d mm 6 250 75 020 10 150 120 013 20 080 155 010 30 050 200 008 50 030 400 0002 Cabeçal de Controle 1 Registro 2 Válvula volumétrica 3 Válvula de retorno 4 Tanque de fertilizantes 5 Válvula de vácuo 6 Manômetro 7 Válvula de controle de pressão 8 Filtro de areia 9 Entrada da retrolavagem 10 Saída da retrolavagem 11 Filtro de tela Medidores de vazão Figura 124 Detalhe de uma válvula volumétrica instalada na tubulação de um cabeçal de controle Sistemas de Filtragem Remover partículas sólidas em suspensão Impedir o entupimento dos emissores 05 a 15 mm Passagem forçada da água contra um meio filtrante FERTIRRIGAÇÃO Permitem a injeção de agroquímicos na água fertilizantes fertirrigação herbicidas herbigação fungicidas fungigação inseticidas insetigação nematicidas nematigação ácidos cloro reguladores de crescimento e agentes de controle biológico Gotejadores Parte mais sensível do sistema de irrigação por gotejamento Funcionam também como dissipadores de energia pois reduzem a pressão nominal de entrada em geral entre 5 e 15 mca para zero à saída das gotas Vazões de projeto compreendidas entre 2 e 12 Lh Orifícios com diâmetros entre 05 e 15 mm Sensíveis aos entupimentos Sensíveis às variações de temperatura e resistentes às intempéries Deve ser relativamente barato Exige grande número de emissores Aspersor Spray Exclusiva Tecnologia Flow Shield A exclusiva Tecnologia Flow Shield reduz até 90 na perda de água quando um bocal é removido prevenindo contra gastos desnecessários e o inaceitável escorrimento superficial Jato de Agua Indicativo A exclusiva tecnologia FlowShield libera um jato de água de baixa vazão de aproximadamente 45 metros de altura quando um bocal é removido Como resultado disso a performance do sistema não cai e você não precisa esperar a grama apresentar manchas ou aparecerem plantas mortas para perceber que algo está errado Regulador de Pressão Patenteado O Regulador de Pressão patenteado do aspersor RD1800 aumenta a eficiência dos bocais em até 50 nas aplicações em altas pressões Selo de Vedação AutoImpante com Lâmina Tripla Os aspersores da Série RD1800R possuem um exclusivo Selo de Vedação AutoImpante de Lâmina Tripla Na subida ou descida do popup o selo de vedação expulsa água evitando a entrada de sujeira externa Durante a operação o primeiro selo se ajusta à superfície do popup para eliminar o vazamento de água O exclusivo Terceiro selo trabalha como uma outra linha de defesa no caso do primeiro selo estar danificado e entra em ação Mecanismo de Ajuste de Trajetória Reforçado O mecanismo de ajuste de trajetória do aspersor RD1800 foi projetado para facilitar seu uso garantindo o ajuste mesmo com anos de uso de água clorada apresentando grande resistência a sujeira Contaminação Cada Selo de Vedação de Lâmina Tripla contém em seu material um inibidor biológico que reduz a probabilidade de danos causados por contaminação de bacterias comumente encontradas em águas de reuso Válvula SAM SealAMatic Exclusiva da Rain Bird a válvula de retenção SAM bloqueia o retorno da água em desníveis de até 42 m de altura e ajuda a eliminar a drenagem de água nos aspersores mais baixos erosão escorrimentos superficiais e golpes de ariete na partida do sistema Depósito de Sujeira A cada partida do sistema o aspersor RD1800 retira a sujeira de circulação e a deposita no fundo do copo em pequenas cavidades internas prevenindo os danos causados às partes do aspersor com o uso prolongado com sujeira Bocals de Arco Ajustável RVAN14 RVAN18 RVAN24 AJUSTE DE RAIO AJUSTE DO ARCO Nota Todos os Espacamento Espacamento triangular baseado em 50 do diametro Guia de seleção de aspersores escamoteáveis O raio de alcance de um aspersor é uma consideração chave na seleção de um mod O quadro abaixo auxilia a fazer a seleção inicial entre os aspersores da linha de pro Ele indica o raio máximo de alcance para cada aspersor sob condiçoes de vento zer Os dados referemse a variação do menor bocal e menor pressão até o maior bocal na ma DADOS TÉCNICOS DOS GOTEJADORES VAZÃO NOMINAL LH FAIXA DE PRESSÃO DE SERVIÇO BAR DIMENSÕES DAS SECÇÕES LARGPROFUNDCOMPR MM X MM X MM 20 05 40 103 x 075 x 35 40 05 40 132 x 095 x 35 Dentro da faixa de pressão de serviço recomendada Gotejamento Subterrâneo Figura 319 Forma do bulbo úmido para o gotejador superficial e subterrâneo Válvulas Operação em condições agressivas Construídas para dura piores condições de trabalho Em plástico reforçado ou l com água efluente há sempre uma válvula Rain Bird para Principal Séries PEB e PESB Séries Perda de Pressão da Válvula bar Aplicações Vazão m³h Vazão ls 100PEB 1 150PEB 1 12 200PEB 2 006 001 006 03 008 009 06 016 010 12 033 012 3 083 015 6 166 032 026 9 250 068 024 12 333 026 033 15 416 033 032 18 500 042 032 21 583 057 034 24 666 074 041 27 750 092 051 30 833 114 064 33 916 138 077 36 100 090 39 1083 104 42 1166 118 45 1261 134 PRSDial Módulo WiFi LNK Controle do sistema de irrigação a partir de qualquer lugar Características Atualiza programadores compatíveis com WiFi ESPMe ESPRZXe e ESPTM2 para os tornar totalmente acessíveis e programáveis a partir de dispositivos iOS ou Android compatíveis Funciona como um controle remoto sem fios para o seu sistema de irrigação quando se encontra no local ou como um sistema de controle e monitorização baseado na Internet quando se encontra conectado a nuvem Agiliza e simplifica a configuração inicial do Programador de irrigação e o ajuste sazonal O acesso instantâneo permite definir o Programador e a gestão do sistema em tempo real As funções compatíveis permitem uma gestão simples de vários locais e o diagnóstico remoto por parte de profissionais e instaladores de Modulo WIFI LNK Controladores ESPTM2 300BPES com instalação PRSDial Estações I Maxicom7 só WSPROLT Característica Sensores de p para uma mai Microrregisto análise comu armazenamento Construção em Mecanismos d voltagem da b sensores e con O avançado si diários e históri atualis e apresenta Estação Meteorológia WSPRO2 calibração automática para todos os tipos de solo e condições Sensores da Estação Meteorológica Temperatura do ar Radiação solar Umidade relativa Velocidade do vento Direção do vento Precipitação Estéjo robusto projetado para anos de serviço sem problemas Sensor Fonte de água cobre protege eficazmente o emissor da intrusão de raízes 13 14 15 2 20 29 8 34 17 8 19 36 9 8 6 7 3 33 30 12 6 7 8 35 12 7 23 38 41 25 26 6 7 8 27 15 18 28 32 41 52 5 9 7 8 4 10 33 29 31 6 51 23 42 2 29 50 50 47 47 48 49 16 43 1 Zona de Controle 1a Válvula de Baixa Vazão 9 T de ligação de 14 10 Estaca de fixação 19 XeriPop 20 XeriBubbler SPYK Cercas Vegetação em declive Dispositivo de Emissão Aplicações PC Padrão do Jato Raio Avaliação de Ruído Entrada ESQUEMA DE PLANTIO ESPARSO Emissores Xeri Bug Emissores de baixa vazão para regar as zonas radiculares de plantas individuais arbustos e arvores Sim Gotejamento Gotejamento 379 lh 757 lh 189 lh 379 lh 757 lh 189 lh 379 lh 757 lh Baro Emissores Xeri Bug Válvula de Retenção Emissores de baixa vazão para regar as zonas radiculares de plantas individuais arbustos árvores red plantes e restos suspensos especialmente quando elevados ou em declive Sim Gotejamento Gotejamento 189 lh 379 lh 757 lh 189 lh 379 lh 757 lh 1032 Tomada Multipla Xeri Bug Use para regar a raiz zonas de plantas e árvores e plantas em conjunto Sim Gotejamento Gotejamento 189 lh 379 lh 757 lh 189 lh 379 lh 757 lh Baro Módulos de Compensação de Pressão Emissores de vazão médio de compensação de pressão para regar arbustos e árvores maiores Características Compensação de Pressão Ampla seleção de emissores de com vazões consistentes diferentes em u bar Instalação versátil Os modelos autopernurant es pre CB instalação Entrada FPT de 12 que se enrosc PCT05 PCT07 PCT10 Retém com segurança a tubulação Durabilidade Design robusto feito de materiais re resistentes a produtos químicos Design Compacto Com um diâmetro inferior a uma m discreto e facilmente escondido Codificação por Cores Codificação por cores para identificar a taxa de vazão Faixas de Operação Fluxo 1893 a 9084 lh Modelos de Módulos de Compensação de Pressão Modelo Tipo de Entrada SaídaCor Nominal Fluxo lh Filtragem Necessária micronmalha PC05 Barb Marrom Claro 1893 150100 450 150100 85 150100 42 150100 13 150100 84 150100 93 150100 50 150100 85 150100 PC05 PC07 PC10 Entrar Saída PC12 PC18 PC24 Entrada FPT de ½ 1521 que se enrosca facilmente a uma haste de PVC ½ 1521 ção de Pressão rbulhadores PC24 PC18 PC17 PC10 PC10 PC07 PC07 PC05 PC05 0 45 30 15 0 10 20 25 35 40 Pressure bar Flow Rat Linha de gotejamento na superfície XFD O emissor em linha com compensação de pressão mais flexível tubulação disponível para irrigar a cobertura do solo plantações densas Limites Operacionais Pressão 058 a 41 bar Taxas de Vazão 16 lh Temperatura Água até Filtragem Necessária 12 Especificações Diâmetro Externo 161 Diâmetro Interno 136 Expessura da Parede 13 Espaçamento 33 40 cm Comprimentos bobina Use com acessórios de inserção de tubo de gotejamento XF los pa instalação A escolha de vazão espaçamento e comprimentos de bobin flexibilidade de projeto para uma variedade de aplicaçõoes fora da grama Modelos de Tubo Gotejador de Superfície XFD Modelo Vazão lh Espaçamento cm Comp Bobina m XFD1633100 16 33 100 XFD2333100 23 33 100 XFD2340100 23 40 100 Comprimentos Laterais Máximos da Linha de Gotejamento na Superfície XFD metros Comprimento Lateral Máximo metros 33 cm 40 cm Entrada Pressão Vazão Nominal lh bar 16 23 35 100 104 79 54 170 131 104 77 240 146 121 93 310 160 135 105 380 172 143 116 Tubo com Derivação para Tubo Gotejador QF Solução rápida e flexível para conexões de tubo gotejador O Tubo com Derivação para Tubo Gotejador Rain Bird é o primeiro do gênero pré montado com derivações prontas para instalação O tubo dela distribuição QF robusto em material resiliente resistente aos UVR permitindo PROTECTIVE RING ROTATING ELBOW Acessórios Compatíveis Conexões Compatíveis com XQF Tabela de desempenho LFX 600 Defletor Bocal Altura do jato cm Vazão lh Raio de alcance com pressão padrão m 175 bar 20 bar 225 bar 25 bar 275 bar 30 bar 325 bar Defletor 9 Azul Raio 68 79 m 180499098 Pin 181116965G 43 71 140 149 158 167 175 183 190 70 70 73 75 76 76 76 Pin 181146970W 56 76 161 172 182 192 202 211 219 73 64 67 67 67 67 64 Pin181116978B 56 76 203 216 230 242 254 265 276 76 76 76 76 76 76 79 Pin 180212575 48 66 170 68 Pin 180212510 56 79 227 73 Defletor 12 Rosa Raio 70 91 m 180499129P Pin 181116978B 58 79 230 242 254 265 276 70 72 73 76 79 Pin 181116965G 56 81 263 279 294 308 322 335 79 85 87 88 88 88 Pin 181116985P 51 81 291 311 330 347 364 381 396 79 85 88 87 85 88 88 Pin 181116910ZY 53 86 344 368 390 411 431 450 469 87 85 91 91 88 88 Defletor 15 Rosa Raio 73 88 m 180499152P Pin 181116965G 79 112 140 149 158 167 175 183 190 79 73 76 76 76 82 79 Pin 181146970W 79 112 161 172 182 192 202 211 219 79 82 82 85 88 88 88 Pin 181116978B 86 114 203 216 230 242 254 265 276 85 85 88 88 88 85 Pin 180212575 79 107 170 73 Pin 180212510 86 112 227 84 Tabela de Desempenho do LF2400 Série de 5 anos Defletor Bocal Altura do Jato de Agua cm Pressão e vazão de operação lh Raio m 17 bar 21 bar 24 bar 28 bar 31 bar 35 bar 38 bar 42 bar 10 Graus Verde Claro 118599 Verde 764 276 mm 5096 384 420 454 488 518 556 584 613 81 87 90 96 99 102 102 105 Bege 30 Drill 297 mm 1189830 6096 447 493 534 575 606 638 670 702 87 90 96 99 102 105 105 108 Vermelho 18 318 mm 1189808 60104 509 568 613 656 697 727 763 799 90 96 99 102 105 108 108 108 Preto 29 Drill 338 mm 1189839 76121 572 638 688 738 784 818 852 881 90 96 99 105 105 108 108 111 Prata 964 363 mm 1189690 81111 665 743 802 858 913 96 102 105 108 111 13 Graus Vinho 118600 Verde 764 276 mm 1189807 71127 384 420 454 488 518 556 584 613 90 93 96 99 102 105 105 Bege 30 Drill 297 mm 1189830 76121 447 493 534 575 606 638 670 702 93 96 99 108 105 108 108 Vermelho 18 318 mm 1189808 81124 509 568 613 656 697 722 763 799 93 99 102 105 108 111 111 Preto 29 Drill 338 mm 1189839 86127 572 638 688 738 784 818 852 881 96 99 102 105 108 111 111 Prata 964 363 mm 1189690 96137 665 743 802 858 913 99 108 111 114 117 15 Graus Tangerina 118583 Verde 764 276 mm 1189807 81127 384 420 454 488 518 556 584 613 93 96 99 102 105 105 108 111 Bege 30 Drill 297 mm 1189830 71127 447 493 534 575 606 638 670 702 90 99 102 108 108 111 111 Vermelho 18 318 mm 1189808 88137 509 568 613 656 697 727 763 799 96 102 105 111 111 111 Preto 29 Drill 338 mm 1189839 101170 572 638 688 738 784 818 852 881 96 108 111 114 114 117 120 Prata 964 363 mm 1189690 106144 665 108 802 858 913 102 108 111 117 117 Modello MaxiBird 2045PJ Aspersor de impacto em plástico Desempenho Tamanho dos bocais Altura do Fluxo 18m 238 mm 332 Vermelho 278 mm 764 Preto 318 mm 18 Azul 397 mm 532 Amarelo 476 mm 316 Bege Pressão m ls m³h m ls m³h m ls m³h m ls m³h m ls m³h 17 98 014 05 107 018 064 116 026 095 119 035 125 20 104 015 055 110 019 068 119 028 101 123 037 132 25 113 013 046 114 017 062 117 021 076 125 031 111 129 040 145 30 115 014 051 118 019 067 121 023 083 128 034 121 133 044 159 35 116 015 055 122 020 072 124 025 089 130 036 130 136 048 172 40 116 016 058 125 022 078 127 026 094 133 039 142 137 052 186 41 116 016 059 125 022 079 128 026 095 134 040 145 137 053 191 BOCais de angulo padrao 2045A MaxiBird e 2045PJ BOCais de Ângulo baixo 2045A MaxiBird e 2045PJ M Série 25BPJ Alcance 116 a 122 m Pressão 21 a 35 bar Vazão 070 a 091 m ³h Conexão 12 macho BSP Trajetória 25 Desempenho 25BPJ Pressão bar Bocal Raio m Vazão m³h Vazão ls Precip mmh Precip mmh 21 964 116 070 020 10 12 25 964 118 077 021 11 13 30 964 120 085 023 12 14 35 964 122 091 025 12 14 Série 65PJ Alcance 174 a 198 m Pressão 35 a 55 bar Vazão 293 a 375 m ³h Conexão 1 BSP ou NPT fêmea Trajetória 27 Desempenho 65PJ Pressão bar Bocal Alcance m Vazão m³h Vazão ls Precip mmh Precip mmh 35 16 174 293 081 19 22 40 16 179 316 088 20 23 45 16 185 335 093 19 23 50 16 192 355 099 19 22 55 16 198 375 104 19 22 VANTAGENS GOTEJAMENTO SUBTERRÂNEO Maior economia de água de fertilizantes e de energia Maior uniformidade de irrigação Possibilidade de utilização de águas residuárias Menor incidência de enfermidades criptogâmicas Menor incidência de plantas invasoras Melhor manejo agrícola pela ausência de tubulações sobre o terreno Maior vida útil dos materiais do sistema de irrigação Ausência de vandalismos e ataques de animais roedores Não há impacto ambiental visual Aumenta a produtividade da cultura irrigada Sistema de Irrigação por Microaspersão FICHA CATALOGRÁFICA G 633s Gomes Heber Pimentel Sistemas de Irrigação Eficiência EnergéticaHeber Pimentel Gomes João Pessoa Editora da UFPB 2013 281p ISPN 9788523706838 1 Irrigação 2 Sistemas de irrigação 3 Redes de irrigação 4 Eficiência energética UFPBBC CDU 62881 REQUISITOS DE PROJETO 1 Quantificação da diponibilidade de água bem como a suas características físicoquímicas 2 A planta topográfica da área a ser irrigada com as curvas de nível 3 Disponibilidade de energia 4 Características físicohídricas do solo 5 Definição da cultura a ser irrigada EXEMPLO CÁLCULO NÚMERO DE SETORES Calcule o número de setores de um projeto de irrigação por gotejamento com as seguintes características turno de rega TR de 3 dias número de horas de trabalho 16 h tempo de irrigação 4 h Calcule a vazão do projeto considerando uma área de 20000 m2 irrigação total necessária de 21 mm 12 setores e tempo de irrigação de 4h CÁLCULO PRELIMINAR POTÊNCIA DE BOMBA Vazão e a Altura manométrica total requerida Potência aproximada Rendimento de 050 Vazão 4 m³h Altura manométrica total 28 mca RACIOCÍNIO DO PROJETISTA Quanto de água necessário Como fornecer Quando fornecer Fonte de energia Quanto custa PARÂMETROS PARA DIMENSIONAMENTO DISPONIBILIDADE TOTAL mmcm solo DTA Água entre Cc e o Pm DTA Cc Pmda10 CTA DTAZ CRA CTAf CAPACIDADE TOTAL mm CAPACIDADE REAL mm CTA Z Prof Raíz CRA f Fator de disponibilidade IRRIGAÇÃO REAL NECESSÁRIA IRN mm QUANTIDADE DE ÁGUA QUE SE PRECISA APLICAR Efetivamente SOMENTE IRRIGAÇÃO IRRIGAÇÃO COMPLEMENTAR IRN CRA IRN CRAPe Sem considerar chuva Considerando chuva Ver custo x benefício IRRIGAÇÃO TOTAL NECESSÁRIA ITN mm QUANTIDADE TOTAL DE ÁGUA QUE SE PRECISA APLICAR Eficiência ITN IRNEa IRRIGAÇÃO TOTAL mm Perdas do sistema Método de Keller Eficiência Vento Pressão Diâmetro Bocal Usual 70 a 90 TURNO DE REGA TR Dias REPRESENTA O INTERVALO DE DIAS ENTRE DUAS IRRIGAÇÕES SUCESSIVAS TR Turno de rega d IRN Irrigação Real Necessária mm ETc Evapotranspiração da Cultura mmd TR IRNETc TAXA DE APLICAÇÃO TIa mmh INTENSIDADE DA APLICAÇÃO DE ÁGUA T Ia Taxa de aplicação de água mmh ITN Irrigação Total Necessária mm TPP Tempo por Posição h TIa ITNTPP OBS TPP Tempo por Posição h Definido pelo projetista 1 Depende da capacidade operacional do irrigante 2 Inversamente proporcional à TIa Cuidado 3 Ver Turno de Rega TR