Nome do Projeto
Distribuição de água e de pressão em linhas laterais de gotejadores
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
01/06/2022 - 30/09/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Engenharias
Resumo
A irrigação é uma prática que utiliza um conjunto de equipamentos e técnicas para suprir a deficiência de água, no momento certo e em quantidades adequadas, para culturas agrícolas. Existem vários métodos e sistemas que podem ser utilizados para esta prática, desde os mais tradicionais (como a irrigação por superfície) até os mais tecnológicos (como os sistemas pressurizados). Dentre os sistemas pressurizados, o método localizado vem ganhando destaque, principalmente, por convergir com a ideia de conservação dos recursos hídricos e energéticos disponíveis. A irrigação localizada, mais especificamente os sistemas de irrigação por gotejamento, caracteriza-se por aplicar de água diretamente no sistema radicular da planta, com volumes relativamente baixos e intervalos de regas menores. O correto dimensionamento desses sistemas é fundamental para o irrigante, pois só assim ele conseguirá obter a máxima rentabilidade da lavoura. Neste sentido, desconsiderar fatores hidráulicos como a perda de carga localizada, causada pela inserção de gotejadores nas tubulações, afetará a distribuição de pressão e de água nas linhas laterais de irrigação. Sendo assim, o objetivo geral deste projeto é avaliar a distribuição de água e de pressão em linhas laterais de gotejadores. Para sustentar o objetivo geral, o projeto apresenta uma série de objetivos específicos, sendo: i) mensurar a perda de carga distribuída e total de uma linha lateral de gotejadores; ii) determinar o coeficiente de carga cinética (k) de emissores; iii) avaliar a aplicabilidade do software EPANET 2.0 para o dimensionamento de linhas de irrigação por gotejamento; iv) quantificar os impactos da não consideração da perda de carga localizada na distribuição de água de gotejadores. Para atingir os objetivos propostos, será utilizada uma bancada experimental de ensaios de tubulações, que pertence ao laboratório de Hidráulica e Irrigação do CDTec/UFPel. A bancada é constituída por um reservatório acoplado a uma unidade de bombeamento, filtro de disco, tubulações e válvulas para controle de vazão e pressão, e todos os equipamentos necessários para realização de medições de tubulações de diferentes diâmetros. Com a caracterização hidráulica e com as avaliações de distribuição de água de gotejadores espera-se contribuir com projetistas e irrigantes no aprimoramento de dimensionamentos de sistemas de irrigação localizada.

Objetivo Geral

O objetivo principal deste projeto é avaliar a distribuição de água e de pressão em linhas laterais de gotejadores. Os objetivos específicos são: i) mensurar a perda de carga distribuída e total de uma linha lateral de gotejadores; ii) determinar o coeficiente de carga cinética (k) de emissores; iii) avaliar a aplicabilidade do software EPANET 2.0 para o dimensionamento de linhas de irrigação por gotejamento; iv) quantificar os impactos da não consideração da perda de carga localizada na distribuição de água de gotejadores.

Justificativa

Um obstáculo dos engenheiros de irrigação é elaborar um projeto que, além de possuir um correto dimensionamento hidráulico, represente a melhor solução para o sistema de irrigação adotado (projeto deve ser bem dimensionado hidraulicamente, ter adequado manejo de água, ter índices de avaliação desejáveis e ser sustentável). Considerando que um projeto de irrigação consiste em um investimento inicial, faz-se necessário investigar condições como: velocidade de escoamento que consuma menor energia de bombeamento, pressão hidráulica necessária, melhor locação das linhas de irrigação na área irrigada, projeto econômico, quantidade adequada de água e pressão hidráulica necessária. O correto dimensionamento hidráulico de sistemas de irrigação é de suma importância para obter valores elevados de eficiência e uniformidade de irrigação. Um dos principais elementos em um dimensionamento hidráulico baseia-se na estimativa de perda de carga total do sistema. A perda de carga é o parâmetro fundamental para dimensionamento de sistemas de irrigação. Sua determinação correta tem direta relação com os custos de material e com consumo de energia. A perda de carga localizada, causada pelo conector do emissor ou pelo próprio emissor no interior da tubulação, depende diretamente da área em que o conector ou o emissor ocupa internamente na tubulação e de sua forma geométrica. As vezes ignorada por alguns projetistas, a perda de carga localizada pode ser representativa em sistemas de irrigação por gotejamento. Diante um cenário de muitas variáveis e possibilidades de falhas que é o dimensionamento de linhas laterais de irrigação, se faz necessário buscar ferramentas que possam auxiliar os projetistas a minimizarem erros e buscarem otimizar seus projetos, no aspecto dos recursos hídricos e energéticos disponíveis.

Metodologia

1. Bancada experimental e materiais utilizados
Será utilizada a bancada experimental de ensaios de tubulações, pertencente ao Laboratório de Hidráulica e Irrigação do CDTec/UFPel, constituída por um reservatório acoplado a uma unidade de bombeamento, filtro de disco, tubulações e válvulas para controle de vazão e pressão, e equipamentos para realização de medições.
A bancada possui um medidor de vazão da marca Khrone Conaut KC1000F/6 com capacidade de leitura de 0 a 3,5 m³h-1. Para mensurar a carga de pressão pontual possui um manômetro digita da marca Lámon DMP-01 DPP com capacidade de leitura de 0 a 200 m. Para mensurar a diferença de carga de pressão entre dois pontos a bancada possui um conjunto de piezômetro com água (até 1,8 m, graduado em milímetros) e um manômetro em “U” com mercúrio (de 0 a 1,8 m, graduado em milímetros).
Para as conexões de tomadas de pressão será utilizada a metodologia descrita por Flores et al. (2017), onde os orifícios nas tubulações foram realizados com uma barra de inox com diâmetro de 2,4 mm, com uma extremidade pontiaguda. As tomadas de pressão serão compostas de PVC, composto por duas seções semicilíndricas, instaladas no tubo emissor, sem estrangulamento da seção transversal do tubo.
Serão utilizados diferentes modelos de tubos de polietileno de diferentes de diâmetros nominais, com diferentes características de parede. Serão também utilizados diferentes modelos de gotejadores, sendo a obstrução causada pela introdução dos emissores no tubo estimada através de metodologia proposta por Flores et al. (2021). De acordo com Flores et al. (2021), serão geradas imagens da sessão transversal do tubo e do tubo com o emissor através de um scaner de mesa. As imagens geradas serão utilizadas para caracterizar geometricamente o tubo e o emissor, determinando a área da seção transversal do tubo e do tuboemissor.
Para todos os ensaios a posição das tomadas de pressão devem ser constantes, sendo para isso instaladas quatro tomadas de pressão ao longo dos dois tubos ensaiado, sempre centralizadas entre dois emissores. O comprimento total do tubo ensaiado será dado pelas tomadas inicial (0,90 m) e final (9,90 m) para as duas linhas ensaiadas.

2. Ensaios experimentais
Serão realizados dois tipos de ensaio: i) perda de carga distribuída e perda de carga localizada no gotejador; ii) distribuição de carga de pressão e distribuição de água do tuboemissor. Os ensaios serão realizados na ordem supracitada devido as necessidades de ausência ou presença do emissor, e da necessidade de vedar o emissor. Desta forma, o mesmo tubo passaria pelo conjunto de todos os ensaios, apenas sendo inserido e vedado o emissor.
Em todos os ensaios, para determinar a diferença de carga de pressão entre as tomadas de pressão menores (inferiores a 1,5 m), com maior precisão, será utilizado o conjunto de piezômetros com água. Para diferenças de carga de pressão superiores a 1,5 m será utilizado o manômetro diferencial em “U” com coluna de mercúrio.

2.1 Perda de carga no tubo
Os ensaios de perda de carga no tubo serão realizados conforme metodologia proposta por Silva (2020), sendo utilizados inicialmente tubos de polietileno sem a inserção dos emissores (gotejadres). Inicialmente, a tubulação da bancada e os tubos ensaiados serão pressurizados, mantendo escorvada toda tubulação. Será mensurado para cada carga de pressão de entrada estudada, com diferentes velocidades de escoamento, a diferença de carga de pressão entre as tomadas inicial e final.
Para possibilitar ensaios com velocidades de escoamento muito baixas, a vazão total da bancada será dividida em quatro tubos instalados paralelamente, assumindo-se que para cada tubo a perda de carga será igual, e por consequência a vazão também será igual.
Para este ensaio serão coletados valores de diferença de carga de pressão entre as tomadas inicial e final, sua respectiva vazão, carga de pressão inicial, número de tubos em funcionamento paralelo e simultâneo e temperatura da água do reservatório ao longo do ensaio.

2.2 Distribuição de carga de pressão e distribuição de água
Os ensaios de perda de carga no tubo serão realizados conforme procedimentos estabelecidos pela Associação Brasileira de Normas Técnicas, através da norma NBR ISO 9261/2006 (ABNT, 2006) e utilizada por Lima (2020).
De acordo com a norma supracitada, o procedimento padrão é: i) ligar a bomba; ii) deixar o sistema operando 3 minutos em pressão mínima e 3 minutos em pressão máxima, repetindo o procedimento por três vezes; ii) deixar o sistema operando por 1 hora na pressão de ensaio.
Para cada carga de pressão de entrada serão adotadas três condições de velocidade de escoamento: i) velocidade (ou vazão) final nula; ii) velocidade inicial de 1 m s-1 e iii) velocidade inicial de 2 m s-1.
Ainda de acordo com a norma, a coleta de água se deu em coletores de 3 litros e duração de aproximadamente 30 minutos, após o período de coleta de água será realizada as leituras de diferença de carga pressão entre as tomadas de pressão.
Para cada ensaio serão obtidos os valores vazão e carga de pressão inicial, diferença de carga de pressão entre as tomadas de pressão, temperatura da água no início e no final do ensaio, massa de água coletada em cada emissor e duração do ensaio.

2.3 Perda de carga no tuboemissor
Serão utilizados para estes ensaios os tubos de polietileno com emissores inseridos. Inicialmente a tubulação da bancada de ensaio e os tubos ensaiados serão pressurizados a fim de eliminar bolsões de ar. Será mensurado, para cada carga de pressão de entrada, a diferença de carga de pressão entre as tomadas de pressão inicial e final, com diferentes velocidades de escoamento. Serão coletados os valores de diferença de carga de pressão entre as tomadas inicial e final, sua respectiva vazão inicial, carga de pressão inicial, e temperatura da água do reservatório ao longo do ensaio.

3 Determinação das variáveis hidráulicas
A velocidade de escoamento será determinada com base na vazão observada no ensaio e na área da seção transversal da tubulação. Também será determinado para todos os ensaios a viscosidade cinemática da água e a massa especifica da água. O diâmetro do tubo será determinado através da área da seção transversal do tubo.
Para estimar a perda de carga total no tubo sem emissor (hfTse) serão utilizados os dados obtidos no ensaio de perda de carga no tubo. Considerando que não há variação de vazão ao longo do tubo e que a diferença de cota é desprezível, a hfTse pode ser dada pela diferença da carga de pressão entre as tomadas de pressão inicial e final.
A partir dos dados do ensaio de perda de carga no tubo também será possível realizar uma estimativa da rugosidade absoluta da tubulação. Isto é possível através dos dados de velocidade de escoamento, comprimento do tubo, diâmetro do tubo e viscosidade cinemática (para cálculo do Número de Reynolds).
A perda de carga total no tuboemissor vedado (hfTtv) será estimada através dos dados obtidos no ensaio de perda de carga do tuboemissor. Considerando que não há variação de vazão ao longo do tubo (emissores vedados) e que a diferença de cota é desprezível, a hfTtv pode ser dada pela diferença da carga de pressão entre as tomadas de pressão inicial e final.
Com base nos dados do ensaio de perda de carga no tuboemissor também poderá ser estimada a perda de carga localizada causada pela inserção dos emissores. Para isto estima-se a perda de carga distribuída no tubo, através da equação de Darcy-Weisbach, e subtraiu-se da perda de carga total no tuboemissor vedado. Para o cálculo da perda de carga distribuida serão utilizados os valores de velocidade estimados no ensaio de perda de carga no tuboemissor, viscosidade cinemática (baseada na temperatura), diâmetro e comprimento do tubo, e rugosidade absoluta obtida através do ensaio de perda de carga no tubo.
Com base na perda de carga localizada causada pela inserção dos emissores será estimado para os emissores o coeficiente de carga cinética. Para esta metodologia também é necessário utilizar o valor de velocidade de escoamento atrelada a perda de carga localizada causada pela inserção no emissor, que foi obtida no ensaio de perda de carga no tuboemissor. A determinação da curva característica do emissor será realizada com base na vazão e na carga de pressão no primeiro emissor do tubo emissor ensaiado.

4 Modelagem hidráulica: Para este estudo, o software EPANET 2.0 será configurado considerando como modelo de estimativa de perda de carga a equação universal de Darcy-Weisbach (D-W); as unidades do sistema internacional (SI), com vazão em litros por minuto (L min-1); número máximo de iterações em 40 e precisão de 0,001. Será considerado a simulação de uma linha lateral, com o mesmo comprimento, número de emissores e espaçamento, além da presença das tomadas de pressão, da linha ensaiada no laboratório de hidráulica do CDTec.
No EPANET 2.0 cada emissor será considerado um nó, sendo utilizados como dados de entrada a vazão de cada emissor no ensaio, como consumo-base. Com relação aos dados dos trechos, o comprimento será baseado no espaçamento entre os emissores, sendo considerado também o diâmetro ensaiado, assim, como nos casos em que foi considerada a perda de carga do emissor, onde o coeficiente de carga cinética, coeficiente de perda de carga singular no EPANET 2.0 estimado de acordo com Flores et al. (2017). Já a rugosidade absoluta será considerada 0,000001 mm, próxima a zero, pois o tubo pode ser considerado hidraulicamente liso (RETTORE NETO et al., 2009).
Será considerado um reservatório no início da linha lateral, sendo considerado a cota do nível da água a carga de pressão inicial referente ao ensaio. Como dados de saída teremos os valores de carga hidráulica sobre o emissor e a perda de carga no tubo.

Indicadores, Metas e Resultados

As perdas de carga localizada representam um valor considerável da perda de carga total no tubo, a desconsideração desse parâmetro influencia a distribuição de pressão e a distribuição de água no sistema de todo o sistema de irrigação. Com a caracterização hidráulica e com as avaliações de distribuição de água de gotejadores espera-se contribuir com projetistas e irrigantes no aprimoramento de dimensionamentos de sistemas de irrigação localizada. Espera-se ainda que o software EPANET 2.0, ainda muito pouco utilizado para dimensionamentos de irrigação, seja uma alternativa para dimensionamento de linhas laterais de irrigação por gotejamento e que possa auxiliar projetistas e irrigantes na tomada de decisões quando a implementação da irrigação por gotejamento.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
GUSTAVO BORGES LIMA
LESSANDRO COLL FARIA8
LUIS CARLOS TIMM1
SAMUEL BESKOW1

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