Uma das principais exigências do sistema de irrigação por gotejamento, é o fornecimento preciso da aplicação de água. Para atingir um controle ótimo, todos os emissores têm que apresentar uniformidade de distribuição de água adequada, não sofrendo mudanças com o tempo ou fatores ambientais.
Para Wu e Gitlin (1974) a uniformidade de aplicação de água na linha lateral está relacionada com a variação na vazão dos emissores que é função do comprimento da linha lateral e pressão de entrada, espaçamento dos gotejadores e da razão de fluxo total.
Na Figura 3 são mostrados diferentes tipos de emissores utilizados em sistema de irrigação por gotejamento.
a) Emissor integrado com fluxo
turbulento b) Emissor na linha com fluxo
turbulento c) Emissor integrado com caminho longo helicoidal
d) Emissor on-line com orifício
vortex e) Emissor autocompensante
integrado f) Emissor autocompensante on-line
Figura 3 – Exemplos típicos de emissores utilizados em sistema de irrigação por gotejamento Fonte: adaptado de Rodríguez-Sinobas; Juana e Losada (1999).
Vermeiren e Jobling (1997) relatam que os emissores se caracterizam do ponto de vista hidráulico, pela pressão de serviço, pela variação desta pressão e pela vazão nominal.
Para se obter uma vazão menor, o emissor deve apresentar alta perda de carga, o que requer uma secção de fluxo relativamente pequena (KELLER; KARMELI, 1974).
O importante é projetar um sistema que terá um equilíbrio hidráulico tal que uma subunidade dentro do sistema tenha a vazão do emissor conhecida e uniforme. Porque variações significativas na pressão de serviço podem ocorrer num sistema de irrigação em campo, devido a variação de elevação e perda de fricção. Porém, a vazão dos emissores e a uniformidade de um sistema de irrigação por gotejamento podem também ser influenciadas por outros fatores como:
variabilidade industrial, temperatura da água, e entupimento dos emissores (KELLER;
BLIESNER, 1990; SOLOMON, 1985;). O projetista não tem controle sobre a variabilidade industrial, que é normalmente pequena (< 0,10) para emissores tipo labirinto (VON BERNUTH;
SOLOMON, 1986) e pode ser incorporado no projeto. Já problemas de entupimento de gotejadores podem ser controlados por uso adequado de sistemas de filtragem, tratamento químico, e manutenção do sistema. Porém, a temperatura da água é um parâmetro variável que não tem controle em campo, podendo influenciar a vazão de emissores individuais e a
uniformidade de emissão de um sistema de irrigação por gotejamento (KELLER; KARMELI, 1975; VON BERNUTH; SOLOMON, 1986).
Variações na temperatura da água, influenciam propriedades da água, especialmente a viscosidade. Este pode ser um fator importante que afeta a vazão de gotejadores. A geometria na passagem de fluxo também pode ser afetada. Como conseqüências, são esperadas mudanças na perda de fricção e vazão do emissor. Os efeitos da viscosidade quando o fluxo é turbulento podem ser desprezados, podendo ser deduzido então que as variações de temperatura não causam mudanças dimensionais na passagem de fluxo dentro do emissor (KELLER; KARMELI, 1975;
PARCHOMCHUK, 1976; ZUR; TAL, 1981). Estudos realizados em laboratório concluíram que temperaturas entre 25 oC e 32 oC não alteram a vazão do gotejador de forma significativa (OLIVEIRA et al., 2000).
Zur e Tal (1981) desenvolveram uma relação linear entre vazão de emissor e temperatura da água para diferentes tipos de emissores. Os autores mostraram um efeito combinado da pressão e temperatura da água na vazão do emissor.
Para Bernuth e Solomon (1986) a melhor equação que representa o efeito da temperatura da água na vazão dos gotejadores de fluxo turbulento, é a do tipo linear. Oliveira et al., (2000) estudando as características hidráulicas de um modelo de tubo gotejador não verificaram relação linear entre a vazão e a temperatura da água, discordando dos autores citados anteriormente que afirmam ser a relação linear a que melhor representa o efeito da temperatura na vazão dos gotejadores.
Parchomchuk (1976) afirma que mudanças na viscosidade provocadas pela variação da temperatura da água podem causar variações na vazão dos emissores, maiores que o limite máximo de ±10%, caso o regime de escoamento no emissor for turbulento, a vazão não será afetada significativamente pela mudança de viscosidade.
Variações da temperatura da água podem ocorrer devido a variações de temperatura ao longo do dia (dia-noite), dia para dia, mudanças sazonais e no final de linhas laterais devido ao aquecimento solar do tubo de polietileno. A variação máxima de temperatura no final de linhas laterais medida por Parchomchuk (1976) foi 16 oC, valor este suficiente para causar 22 % de variação de vazão em emissores tipo microtubos. Até mesmo quando a variação de temperatura na linha lateral é mínima, a variação de temperatura sazonal foi suficiente para causar variação de descarga de -20 % a +10 % para emissores microtubos. Com isso, variações de vazão podem ser
maiores quando são combinados efeitos de temperatura ao longo da linha lateral e variações sazonais (PARCHOMCHUK, 1976).
Um efeito adicional de variações de vazão é a mudança resultante em perdas de fricção devido a mudanças no fluxo. Estas variações de perda de fricção podem compensar ou favorecer variações de vazão. Por exemplo, variações de vazão ao longo de linhas laterais podem ser reduzidas pela elevação das perdas por fricção devido ao aumento de fluxo. Por outro lado, maiores perdas de fricção em subunidades contribui para o aumento de desuniformidade entre as linhas laterais (PARCHOMCHUK, 1976).
O funcionamento do sistema de irrigação somente a noite, elimina o efeito do aquecimento solar completamente. Outro método de reduzir o aumento de temperatura ao longo das linhas laterais é reduzir o tempo de permanência da água dentro da linha lateral, usando emissores com altas vazões e fluxo turbulento. Apenas o ajuste da pressão de serviço, não contribui para controlar variações de temperatura ao longo da linha lateral. Porém, a pressão de serviço necessária para causar fluxo turbulento pode ser elevada.
A vazão de emissores tipo labirinto com vazões de 2 L h-1 e 4 L h-1 praticamente não mostraram nenhuma sensibilidade para aumento da temperatura da água. Em contraste, a vazão de um emissor tipo vortex diminuiu com o aumento da temperatura da água (Figura 4).
Figura 4 – Influência da temperatura na vazão relativa (Qrt) de diferentes emissores
* qemissor com longo caminho helicoidal = 4 L h-1; qlabirinto = 4 L h-1 e qvortex = 7,5 L h-1. Fonte: adaptado de Zur e Tal (1981).
Pela Figura 4, é demonstrada a dependência de Qrt (vazão relativa do emissor) com relação a temperatura da água para três tipos de emissores (pressão de serviço igual a 100 kPa). A Figura 4 também mostra o efeito da mudança da viscosidade em função da temperatura da água na vazão relativa dos emissores (Qrt) caracterizando fluxo laminar.
Foi observada sensibilidade positiva na variação de vazão quanto a variação de temperatura da água para os emissores de longo-caminho helicoidal, sensibilidade insignificante para os emissores tipo labirinto, e negativa para os emissores tipo vortex.
Keller e Karmeli (1975) concluíram que o regime de fluxo em emissores de longo-caminho helicoidal é influenciado por inércia como também forças viscosas.
A dependência medida de Qrt na temperatura da água para os emissores tipo labirinto foi pequena ou insignificante. Isto já era esperado, devido o regime de fluxo nestes emissores ser turbulento como sugerido pelo valor de 0,5 medido para o coeficiente b nestes emissores. Os resultados que mostram uma sensibilidade negativa de Qrt à temperatura para os emissores tipos vortex não foram esperados. O valor medido do coeficiente b para estes emissores foi de 0,43.
É esperado que a variação da temperatura da água com a distância ao longo do tubo seja relacionada inversamente à velocidade de fluxo de água no tubo. Considerando que a velocidade de fluxo decresce nitidamente para o final do tubo, a temperatura da água tenderia a aumentar com distância.
Parchomchuk (1976) mediu um aumento de 16 oC na temperatura da água em tubo de polietileno com 37 m de comprimento exposto ao sol. O autor também mediu um aumento de 6 oC na temperatura da água em um tubo semelhante enterrado a 15 cm da superfície.
Assim, a variação de temperatura ao longo de uma linha lateral de polietileno exposta a radiação solar é resultado do equilíbrio de energia da linha lateral e a velocidade de fluxo na linha.
A mudança de temperatura da água na linha lateral é causada por transmissão e absorção de radiação devido à temperatura do ar ambiente, temperatura do solo e radiação solar. Também depende dos materiais e densidade dos tubos usados. A mudança de temperatura da água pode afetar o tamanho da tubulação, o orifício do emissor, a densidade da água, a tensão de superfície e a viscosidade da água. Para uma variação de temperatura de 0 a 50 oC a mudança de densidade, tensão de superfície e viscosidade são respectivamente 1%, 10%, e 300%. Então, a viscosidade é significativamente afetada pela mudança de temperatura da água (PENG; WU; PHENE, 1986).
De acordo com os estudos desenvolvidos por Peng; Wu e Phene (1986) a diferença de temperatura ao longo da linha de 20 oC para 50 oC causará somente 1% a 2% de diferença na perda de fricção relativa à seção mediana da linha lateral.
A temperatura da água em um sistema de irrigação por gotejamento pode influenciar o número de Reynolds (Re) devido a mudanças na viscosidade cinemática da água e também ter impacto nos coeficientes de fricção das linhas laterais (PENG; WU; PHENE, 1986) e dos emissores, e subsequentemente na vazão dos mesmos (KELLER; BLIESNER, 1990). Em regime de fluxo laminar e fluxo instável (Re < 4000), a vazão do emissor é muito dependente da viscosidade da água. Porém, em regimes de fluxo parcialmente e totalmente turbulentos (Re > 4000), o coeficiente de fricção muda muito pouco com Re e é praticamente independente da temperatura (KELLER; BLIESNER, 1990). Assim, a temperatura da água e a viscosidade não têm muito efeito na vazão de emissores com fluxo turbulento (x = 0,5). Porém, muitos modelos de fitas gotejadoras possuem emissores com caminhos tortuosos (labirinto) e coeficiente de descarga que variam de 0,5 a 0,7, ficando o fluxo no regime laminar e instável, resultando em possível sensibilidade à variação da temperatura da água (CLARK, G. A.; LAMM, F. R.;
ROGERS, D. H., 2005).
Emissores autocompensantes apresentam princípios de comportamento diferente dos demais tipos de emissores. Eles são construídos para fornecer vazão quase constante em uma faixa ampla de pressão de serviço. Para tanto, utilizam um elastômero (membrana elástica) inserido em uma câmara que permite o controle do fluxo pelo orifício do gotejador. Este elastômero trabalha como um diafragma que separa duas câmaras. Quando ocorre um diferencial de pressão, a seção para passagem da água diminui, conforme demonstra a Figura 5.
Figura 5 – Diferenças geométricas do elastômero sob a ação de diferentes pressões Fonte: adaptado de Rodríguez-Sinobas; Juana e Losada (1999).
Podem ser diferenciadas duas zonas dentro do emissor autocompensante. Na primeira, sobre o elastômero, o caminho de fluxo tem uma seção constante, com fluxo completamente turbulento. Na segunda, o caminho do fluxo entre o elastômero e o orifício tem uma seção variável que depende da pressão operacional, mas o fluxo também será completamente turbulento. Por conseguinte, poderiam ser negligenciados efeitos no número de Reynolds e na viscosidade, quanto à variação da temperatura da água.
Podem ser distinguidas três etapas de funcionamento de emissores autocompensantes. Na primeira a pressão de serviço está abaixo da pressão mínima de funcionamento, não ocasionando nenhum resultado de distorção do elastômero, resultando num aumento de vazão com pressão crescente, sem compensação. Na segunda, ocorrem variações de pressão dentro da faixa operacional, ocasionando distorção do elastômero e conseqüentemente controle do fluxo.
Finalmente, a terceira etapa, refere-se a pressões mais altas que gradualmente reduz a passagem do fluxo.
A vazão de emissores autocompensantes diminuiu durante o tempo operacional.
Variações de mais de 6% foram medidas, mas os resultados dependeram da freqüência dos testes.
O elastômero pode sofrer fadiga em função do tempo operacional quando pressurizado, e suas características estruturais podem mudar (RODRÍGUEZ-SINOBAS; JUANA; LOSADA., 1999).
Para emissores tipo labirinto, a sensibilidade da variação de vazão com relação a variação de temperatura é insignificante. Desta forma, a variação de temperatura ao longo do tubo pode ser negligenciada no projeto.