IRRIGAÇÃO POR ASPERSÃO Prof. José A. O. Leite DEFINIÇÃO: é o processo de se produzir sobre as plantas ou sobre o solo o fenômeno artificial da chuva. Na irrigação fazemos o controle da intensidade, duração e momento da irrigação por aspersão. Vantagens: maior uniformidade, distribuição e controle da quantidade de água aplicada. Desvantagem: a gota provida de Energia Cinética ao cair no solo causa uma certa desagregação do mesmo, bem como sua compactação.
COMPONENTES DE UM SISTEMA DE IRRIGAÇÃO * Conjunto Motobomba * TUBULAÇÕES: - Linha de suprimento (adutora): vai da bomba até a área a ser irrigada, é facultativa. - Linha principal: é a continuação da linha de suprimento dentro da área a ser irrigada, é facultativa. - Linha de irrigação ou linha lateral: parte da linha principal, componente indispensável é onde estão instalados os aspersores. *ASPERSORES: São equipamentos responsáveis pela distribuição da água * ACESSÓRIOS: embora não sejam indispensáveis melhora o funcionamento do sistema. a)Motobomba: Em geral, em irrigação por aspersão convencional, as bombas centrífugas de eixo horizontal são as mais utilizadas. Tem a função de captar a água na fonte e suprir o sistema de aspersores. Acoplado a bomba existe um motor, normalmente elétrico ou diesel, para transferir potência. O conjunto deverá ser dimensionado para fornecer vazão suficiente ao sistema à altura manométrica requerida. A altura de elevação da água, desde o manacial até a área irrigada, constitui um dos principais fatores envolvidos no consumo de energia e, a medida que aumenta essa altura mais elevados deverão ser os níveis de eficiência dos sistemas de irrigação para resultar em um consumo energético satisfatório. b)Tubulações: Normalmente são de alumínio, aço zincado, aço galvanizado ou PVC rígido, com comprimento padrão de 6 metros e diâmetro variando entre 2" e 8". Outros materiais, tais como, ferro fundido e cimento amianto, podem ser utilizados em linhas fixas enterradas. Com a função de conduzir a vazão necessária desde a motobomba até os aspersores, as tubulações, segundo a disposição no terreno, classificam-se em: linhas laterais - geralmente são providas de acoplamentos rápidos, conduzem a água até os aspersores; linhas secundárias - de alumínio, PVC ou aço zincado, alimentam as linhas laterais a partir da linha principal; linha principal - em PVC, aço zincado ou alumínio, conduz a água da motobomba até as linhas secundárias. c)Aspersores: Constituem as peças principais do sistema, responsáveis pela distribuição da água sob o terreno na forma de chuva. 1
CARACTERÍSTICAS DOS ASPERSORES * Quanto ao funcionamento: -Rotativos: de giro completo (360o) -Tipo setorial * Ângulo de inclinação do jato: -inclinação normal entre 25o e 30o -subcopa com ângulo de 6o * Número de bocais: - um, dois ou três bocais cujo diâmetro varia de 2 a 30 mm * Quanto à pressão -Baixíssima pressão - 10 a 100 KPa -Baixa pressão - 100 a 250 KPa -Média pressão - 250 a 500 KPa -Alta pressão - maior que 500 KPa Obs.: A escolha é baseada, principalmente, na intensidade de precipitação por eles fornecida (função da pressão, do diâmetro do bocal e do espaçamento). A disposição no campo mais comum é a retangular, podendo ser quadrada ou triangular. O espaçamento (múltiplo de 6 metros) no campo pode ser definido pelas condições de velocidade do vento, sendo na linha de 30% a 50% do diâmetro do círculo molhado e de até 65% entre linhas. * Intensidade de precipitação: chuva fornecida pelo aspersor no tempo (mm/h) -Intensidade de precipitação efetiva: representa a chuva distribuída por aspersor isolado.
I EF
Q m3 / h = → ( mm / h ) A m 2
π.d 2 A= 4
-Intensidade de precipitação média: representa a chuva distribuída por um sistema de irrigação.
I EF
Q m3 / h = → ( mm / h ) S m 2
S=l x e
d)Acessórios: Os acessórios mais comuns são, tampão final, haste de subida do aspersor, engate rápido para aspersores com válvula de saída, curvas, válvulas de linha, cotovelos de derivação, manômetros, registros de gaveta, derivação em "T", válvula de retenção, borrachas de vedação, etc.
2
TIPOS DE INSTALAÇÕES 1) REDE CLÁSSICA COM COBERTURA PARCIAL 1.1) Móvel, portátil ou transportável Ele se caracteriza, justamente, pela mobilidade da bomba que, em geral, é montada sobre rodas, o que facilita o seu transporte para as fontes de água em que será utilizada e que, normalmente, são as mais próximas das plantações a serem irrigadas. As tubulações, principal e lateral, também são móveis, podendo ser mudadas de posição e de local, de acordo com as necessidades. As mais modernas tubulações com aspersores são adaptadas sobre rodas, podendo ser rebocadas, aspergindo a água sobre toda a plantação. Isso facilita o trabalho e diminui o tempo gasto nas aspersões; *uma linha principal que pode ser ou não fixa *uma linha lateral com aspersores (linha de irrigação sempre móveis) Vantagens: menor consumo de materiais (equipamentos) Desvantagens: - mão-de-obra muito demanda - Desgaste intenso dos equipamentos Obs.: Não se aconselham ramais com mais de 300 a 400 m e o diâmetro no máximo de 100 a 125 mm.
Figura 1 - Sistema convencional portátil. 3
1.2) Sistema semifixo, semimóvel, semiportátil ou semitransportável Nesse caso, ou tipo, a bomba ou unidade de potência e a tubulação principal são fixas no terreno, enquanto que os ramais ou linhas laterais são móveis, e podem ser de metal ou PVC; *Linhas laterais duplas e opostas com aspersores Vantagens: - melhor aproveitamento do conjunto moto-bomba - menor demanda de mão-de-obra Desvantagens: - Uso de material em dobro nas linhas laterais
Figura 2 - Sistema Convencional Semiportátil
4
2) COBERTURA TOTAL 2.1) TUBOS EM COBERTURA TOTAL Tipo fixo ou permanente A característica desse último tipo é o fato de a bomba, a linha principal e todos os ramais serem fixos e subterrâneos. Somente os hidrantes ou tomadas ficam na superfície, onde são acoplados os aspersores. O custo desse tipo de irrigação é muito mais elevado do que os outros dois tipos, anteriormente descritos. *uma linha principal *linhas de irrigação em toda a extensão da área Vantagens: - Facilidade de operação, deslocamento só dos aspersores - a tubulação pode ser toda enterrada 2.2) TUBOS E ASPERSORES EM COBERTURA TOTAL * apenas a operação de abrir e fechar registros Vantagens: -mínimo uso de mão-de-obra -o sistema pode ser totalmente automatizado Desvantagens: -alto custo de implantação
Figura 3 - Sistema convencional fixo-permanente. 5
DISPOSIÇÃO DAS TUBULAÇÕES A linha principal geralmente é instalada no sentido perpendicular ao declive e as linhas de irrigação em nível Q Q/2 Q/2 Q/2 Q
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PROJETO DE IRRIGAÇÃO -Requisitos: *Área (dimensão, topografia) 250 x 400 topografia 5% Obs.: trabalhar sempre que possível com área retangular *Solo -Capacidade de infiltração básica (CIB) = 15 mm/h -Umidade de capacidade de campo ( cc) = 20% -Umidade de ponto de murcha permanente ( pmp) = 12% -Densidade global ou aparente (g) = 1,5 g/cm3 *Cultura -Tipo: Feijão -Prof. Efetiva do Sistema Radicular (p) = 0,30 m -Altura da cultura = 0,50 m -Evapotranspiração ou Uso Consuntivo Máximo (Etm) = 5 mm/dia *Dados Gerais - Topografia - Ventos = 2,0 m/s (máximo) - Eficiência da irrigação = 75% - Fator de disponibilidade (f) = 0,7 - Tempo diário de irrigação = 16 h/dia (tempo de funcionamento do conjunto motobomba) - Diferença do nível d’água até a bomba = 1,0 m - Variação do nível d’água = 0,5 m
DESENVOLVIMENTO DO PROJETO DE IRRIGAÇÃO POR ASPERSÃO 1) CÁLCULO DA LÂMINA A SER APLICADA a) DISPONIBILIDADE TOTAL DE ÁGUA NO SOLO
DTA = 10 ( θcc − θpmp ) ⋅ ρ g ⋅ p em que: cc = umidade de capacidade de campo (%) pmp = umidade de ponto de murcha permanente (%) g = densidade global (g/cm3) p = profundidade efetiva do sistema radicular (m) 7
DTA = 10 ( 20 − 12) ⋅ 1,5 ⋅ 0,30 = 36 mm b) DISPONIBILIDADE REAL DE ÁGUA NO SOLO
DRA = DTA ⋅ f em que: f = fator de disponibilidade que representa a fração de água em relação a capacidade de água disponível que poderá ser utilizada ou apropriada pela cultura sem que ocorra déficit de água (em decimal)
DRA = DTA ⋅ f = 36 ⋅ 0,7 = 25,2 mm c) TURNO DE REGA: intervalo entre duas irrigações sucessivas numa mesma área.
TR =
DRA 25,2 = = 5 dias Etm 5
d) LÂMINA BRUTA DE IRRIGAÇÃO
LBI =
Etm ⋅ TR 5 ⋅ 5 = = 33,33 mm EI 0,75
e) PERÍODO DE IRRIGAÇÃO (PI): é o número de dias necessárias para completar uma irrigação em uma determinada área.
PI ≤ TR PI = 5 dias 2) ÁREA IRRIGADA POR DIA
AI / DIA =
8
AREA ( 400 × 250) = = 2 ha / dia PI 5
3) DISPOSIÇÃO DO SISTEMA NA ÁREA 400 m 250 m 5%
4) ESCOLHA DO ASPERSOR (IP ≤ CIB) Modelo ZED-30 ZED-30 ZED-30
Diâmetro do Pressão de Alcance Q bocal (mm) serviço ou Raio (m3/h) (mca) (m) 6,0 x 7,5 30 17,70 6,06 6,0 x 8,5 40 19,00 8,21 6,0 x 9,5 20 18,05 8,30
Espaçamento (m x m) 18 x 24 24 x 24 24 x 24
5) TEMPO DE IRRIGAÇÃO
TI =
LBI 33,33 = = 2,37 horas PRECIPITAÇ ÃO 14,04
6) NÚMERO DE IRRIGAÇÕES POR DIA
NID = NID =
Jornada de trabalho TI + 1hora
(1 hora tempo de mudança)
16 = 4,74 = 4 2,37 + 1 irrigações por dia
7) NÚMERO DE IRRIGAÇÕES POSSÍVEIS
NIP = NID × PI
NIP = 4 x 5 = 20 irrigações
9
Precipitação (mm/h) 14,04 14,25 14,42
8) NÚMERO DE
POSIÇÕES NA LINHA PRINCIPAL 400 m
5
250 m 2
compriment o da área NPLP =
espaçament o entre linhas laterais
= 250/24 = 10,4 = 10 posições
1a posição = 12 m 2a posição = 36 m 3a posição = 48 m 10a posição = 228 m (alcance do aspersor = 17,7 m) chegando a 245,7 m) 9)NÚMERO DE POSIÇÕES LATERAIS NPL = TOTAL DE LATERAIS = 20 laterais (10 de cada lado da linha principal) 10) NÚMERO DE LINHAS DE IRRIGADAS POR IRRIGAÇÃO
NLII =
NIL 20 = NIP 20 = 1 linha lateral
11) NÚMERO DE ASPERSORES POR LINHA LATERAL
LALL =
10
L arg ura da área Espaçament o entre aspersores
=
200 = 11,1 = 11 aspersores 18
DISPOSIÇÃO DOS ASPERSORES NA LINHA LATERAL 13.1) LINHA LATERAL À DIREITA DA LINHA PRINCIPAL Linha principal
6m
aspersor
12 m
1o Aspersor = 12 m 2o Aspersor = 30 m 3o Aspersor = 48 m . . . . 10o Aspersor = 174 m 11o Aspersor = 192 m 13.2) LINHA LATERAL À ESQUERDA DA LINHA PRINCIPAL 1o Aspersor = 6 m 2o Aspersor = 24 m 3o Aspersor = 42 m . . . . 10o Aspersor = 168 m 11o Aspersor = 186 m 12) ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO
11
12
13) DIMENSIOAMENTO DA LINHA LATERAL A linha lateral, sob o ponto de vista hidráulico, é uma tubulação com distribuição em marcha – a vazão vai se reduzindo do início para o final à medida que vai abastecendo os diversos aspersores. Para garantir adequada pressão essa linha deve ser disposta em nível, devendo-se cuidar para que a pressão média ao longo da linha seja igual à pressão de serviço do aspersor (PS). Para que isto ocorra, a máxima perda de carga por atrito ao longo da linha lateral não pode ser superior a 20% da pressão de serviço. A perda de carga ao longo da linha lateral é calculada por meio de fórmulas, dentre elas a mais usada é a equação de Hazen-Willians. A perda de carga real em tubulações com múltiplas saídas, que é o caso da linha lateral, é igual à perda de carga determinada como se a tubulação não tivesse saída alguma (hf), multiplicada por um fator F, que é função do número de saídas, ou seja: hfr = hf x F em que: hfr = perda de carga em tubulações com múltiplas saídas (linha lateral); hf = perda de carga como se não existisse saída intermediárias; F = fator de correção, em função do número de saídas; O fator F pode ser calculado pela seguinte equação:
F= em que:
1 1 m −1 + + m + 1 2N 6N 2
m = coeficiente que depende do expoente da velocidade na equação em uso (se Hazen-Willians, m = 1,85; se Scobey, m = 1,90; se DarcyWeisbach, m = 2,0); N = número de saídas, ao longo da tubulação. No caso das linhas, é o número de aspersores. Portanto, para o dimensionamento da linha lateral, há a necessidade de se conhecer a vazão de água que passará na lateral (QLL), o comprimento da tubulação e a perda de carga admissível real na tubulação (hf) e ainda o material empregado, ou seja: alumínio, ferro fundido, aço galvanizado, PVC, etc.
13
13.1) Cálculo da vazão a ser transportada na linha lateral (QLL) QLL = Vazão de cada aspersor (m3/h) x no de aspersores em cada lateral QLL = 6,06 x 11 QLL = 66,66 m3/h QLL = 0,018517 m3/s 13.2) Cálculo da perda de carga admissível real na linha lateral (hfa) hfadmissível ≤ 0,20 PS ± ∆z hfadmissível ≤ 0,20 PS + 0 (LL em nível ∆z = 0) hfadmissível ≤ 0,20 PS + ∆z (LL em declive morro abaixo) hfadmissível ≤ 0,20 PS − ∆z (LL em aclive morro acima) No caso estudado a linha lateral está disposta em nível hfadmissível ≤ 0,20 x 30 hfadmissível ≤ 6,0 m.c.a. Equação de Hazen-Willians V = 0,355 x C x D0,663 x J0,54 Q=AxV Q = 0,2788 x C x D2,63 x J0,54 Em que: Q = vazão no início da linha lateral (m3/s); V = velocidade da água na tubulação (m/s); A = área da seção interna da tubulação (m2); D = Diâmetro interno da tubulação (m); J = perda de carga unitária (m/m); C = Coeficiente de Hazen-Willians, varia com a natura da tubulação e com o regime de escoamento da água. Como valores médios de C pode-se citar: Ferro fundido Aço galvanizado Aço zincado 14
C = 100 C = 125 C = 130
Alumínio C = 130 PVC C = 150 Para estipulando o valor do diâmetro (D), emprega-se a Fórmula de Bresse D = 15,5
Q
p/ (Q m3/h e D mm) D = 126,55 mm
Tubulação empregada de aço galvanizado e seus diâmetros comerciais Diâmetro Nominal (mm) Diâmetro Interno (mm)
50 48
70 68
89 87
108 106
133 130
159 156
Cálculo da perda de carga unitária (J)
Q 2 , 63 0 , 2788 × C × D J=
0,018517
192
0 , 54
C 125
J (m/m) 0,1261
hf = L x J (mca) 24,22
F 0,392
0,106
125
0,0482
9,25
0,392
3,62
2,10
0,130
125
0,0178
3,42
0,392
1,34
1,40
Q (m3/s) L (m) D (m) 0,018517 192 0,087
0,018517 192
1
hfr = hf x F (mca) V (m/s) 9,49 3,12
Obs.: * Usar o tubo de menor diâmetro em que hfr < hf admissível; * Admitir velocidades no intervalo de 0,6 a 2,4 m/s Recomenda-se o diâmetro de 106 mm para a linha lateral 14) CÁLCULO DA PRESSÃO NO INÍCIO DA LINHA LATERAL (PinLL) PinLL = hfo + PS +0,75 hfr + ha Em que: hfo = perda de carga até 1o aspersor ha = altura do aspersor PinLL = 12 x 0,0482 +30 +0,75 x 3,62 + 1,0 PinLL = 34,21 m.c.a
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15) DIMENSIONAMENTO DA LINHA PRINCIPAL Comprimento da linha principal (L) = 228 m
∆Z =
5 × 228 100 ∆Z = 11,4 m
Critérios: 1o) hfadmissível ≤ 0,20 x PS hfadmissível ≤ 0,20 x 30 hfadmissível ≤ 6,0 mca Quando hfadmissível < ∆Z (descartar este critério) 2o) Velocidade média permitida ao longo da canalização entre 0,6 a 2,4 m/s Q (m3/s) 0,018517
L (m) 228
D (m) 0,087
C 125
J (m/m) 0,1261
hf = L x J (mca) V (m/s) 28,76 3,12
0,018517
228
0,106
125
0,0482
10,99
2,10
0,018517 0,018517
228 228
0,130 0,156
125 125
0,0178 0,0073
4,07 1,67
1,40 0,97
Recomenda-se o diâmetro de 106 mm na linha lateral 16) CÁLCULO DA PRESSÃO NA SAÍDA DA BOMBA (PsMB) PsMB = PinLL + hfMB-LL + ∆Z + hf registro de gaveta + hf válvula de retenção PsMB = 34,29 + 228 x 0,0482 + 11,4 + 0,7 x 0,0482 + 8,4 x 0,0482 PsMB = 57,12 m.c.a 17) PRESSÃO DE SUCÇÃO (Hfs) Hfs = hf tubulação + hf curva de 90o + hf conexão excêntrica + hf válvula de pé com crivo Hfs = 3 x 0,0178 + 1,9 x 0,0178 + 0,90 x 0,0178 + 30,0 x 0,0178 Hfs = 0,64 mca 17) PRESSÃO MANOMÉTRICA OU ALTURA MANOMÉTRICA (Hman) Hman = PsMB + Hfs + ∆ Zs Hman = 57,12 + 0,64+ 1,5 Hman = 59,26 m.c.a. Hman = 60,00 m.c.a. 16
Comprimentos equivalentes Para conexões e registros (em metros de tubulação). Os dados de cima da célula se referem a tubulações de aço galvanizado e os de baixo da célula se referem a tubulações de PVC ou cobre. Diam (galv - pol) Diam (PVC - mm)
1/2 15
3/4 20
1 25
2 50
2 1/2 60
3 75
4 100
5 125
6 150
Joelho 90º
0,4 1,1
0,6 1,2
0,7 1,5
0,9 2,0
1,1 3,2
1,4 3,4
1,7 3,7
2,1 3,9
2,8 4,3
3,7 4,9
4,3 5,4
Joelho 45º
0,2 0,4
0,3 0,5
0,4 0,7
0,5 1,0
0,6 1,3
0,8 1,5
0,9 1,7
1,2 1,8
1,5 1,9
1,9 2,4
2,3 2,6
Curva 90º
0,2 0,4
0,3 0,5
0,3 0,6
0,4 0,7
0,5 1,2
0,6 1,3
0,8 1,4
1,0 1,5
1,3 1,6
1,6 1,9
1,9 2,1
Curva 45º
0,2 0,2
0,2 0,3
0,2 0,4
0,3 0,5
0,3 0,6
0,4 0,7
0,5 0,8
0,6 0,9
0,7 1,0
0,9 1,1
1,1 1,2
Tê fluxo direto
0,3 0,7
0,4 0,8
0,5 0,9
0,7 1,5
0,9 2,2
1,1 2,3
1,3 2,4
1,6 2,5
2,1 2,6
2,7 3,3
3,4 3,8
Tê fluxo lateral
1,0 2,3
1,4 2,4
1,7 3,1
2,3 4,6
2,8 7,3
3,5 7,6
4,3 7,8
5,2 8,0
6,7 8,3
8,4 10,0
10,0 11,1
Tê fluxo bilateral
1,0 2,3
1,4 2,4
1,7 3,1
2,3 4,6
2,8 7,3
3,5 7,6
4,3 7,8
5,2 8,0
6,7 8,3
8,4 10,0
10,0 11,1
0,1 0,1
0,1 0,2
0,2 0,3
0,2 0,4
0,3 0,7
0,4 0,8
0,4 0,9
0,5 0,9
0,7 1,0
0,9 1,1
1,1 1,2
Registro gaveta aberto Registro globo aberto
1 1/4 1 1/2 32 40
4,9 6,7 8,2 11,3 13,4 17,4 21,0 26,0 34,0 43,0 11,1 11,4 15,0 22,0 35,8 37,9 38,0 40,0 42,3 50,9
Registro angular
2,6 5,9
3,6 6,1
4,6 8,4
Válvula de pé e crivo
3,6 8,1
5,6 9,5
Válvula de retenção leve
1,1 2,5
1,6 2,7
2,1 3,8
2,7 4,9
3,2 6,8
Válvula de retenção pesada
1,6 3,6
2,4 4,1
3,2 5,8
4,0 7,4
4,8 9,1
5,6 6,7 8,5 10,0 13,0 17,0 21,0 10,5 17,0 18,5 19,0 20,0 22,1 26,2
26,0 28,9
7,3 10,0 11,6 14,0 17,0 20,0 23,0 30,0 13,3 15,5 18,3 23,7 25,0 26,8 28,6 37,4
39,0 43,4
4,2 7,1
5,2 8,2
8,4 10,4 10,4 12,5
12,5 13,9
6,4 8,1 9,7 12,9 16,1 10,8 12,5 14,2 16,0 19,2
19,3 21,4
18) ESCOLHA DO CONJUNTO MOTOBOMBA
17
51,0 56,7
6,3 9,3
Como a maioria das bombas que se usa na irrigação pertence ao tipo centrífuga e de eixo horizontal, serão discutidas suas principais características. Elas requerem escorvamento e válvula de pé, sendo necessário observar o limite máximo de altura de sucção. Podem ser portáteis ou fixas e são acionadas por motores elétricos, a óleo ou a gasolina. As portáteis são montadas em bloco sobre rodas, o que facilita sua movimentação. Como em irrigação trabalha-se com água limpa, usam-se normalmente rotores fechados. As bombas com um só rotor são denominadas bombas de mono-estágio. Quando a altura manométrica exigida da bomba é muito grande, usam-se bombas com dois ou mais rotores, denominadas bombas de multiestágios. Nos projetos de irrigação, em geral, as bombas não trabalham afogadas, ou seja, são sempre instaladas em posição acima do nível da água da fonte de captação (poço, rio ou açude).
Esquema de instalação de uma bomba centrífuga -Cálculo da potência absorvida pelo motor é encontrado pela seguinte equação: 18
P=
Q × Hman 75 × Emb
em que: P = potência necessária ao sistema (cv); Q = vazão bombeada (l/s); Hman = altura manométrica total (m.c.a.); Emb = eficiência da motobomba, em decimais (geralmente < 70%). Q = 66,66 m3/h Hman = 60,00 m.c.a. Deve-se admitir um acréscimo na potência instalada, em função da potência absorvida pela bomba, conforme indicado a seguir: Potência necessária Acréscimo < 2 cv 30% 2 a 5 cv 25% 5 a 10 cv 20% 10 a 20 cv 15% > 20 cv 10%
19