UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
FACULDADE DE CIÊNCIAS AGRONÔMICAS
CAMPUS DE BOTUCATU
DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE PARA AVALIAÇÃO DOS
DESEMPENHOS HIDRÁULICO E ECONÔMICO DE PIVÔS
CENTRAIS
RAFAEL LUDWIG
Tese apresentada à Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP – Campus de Botucatu, para obtenção do título de Doutor em Agronomia (Irrigação e Drenagem).
UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
FACULDADE DE CIÊNCIAS AGRONÔMICAS
CAMPUS DE BOTUCATU
DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE PARA AVALIAÇÃO DOS
DESEMPENHOS HIDRÁULICO E ECONÔMICO DE PIVÔS
CENTRAIS
RAFAEL LUDWIG
Orientador: João Carlos Cury Saad
Tese apresentada à Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP – Campus de Botucatu, para obtenção do título de Doutor em Agronomia (Irrigação e Drenagem).
OFEREÇO Aos meus pais, Vera Lúcia Pagliarini Ludwig e Hilário Luiz Ludwig, por todo o amor e dedicação.
A meu grande amor, Luana Ribeiro Borges, por ter estado ao meu lado durante nesta caminhada.
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais, Hilário e Vera, minha irmã Fernanda e meu irmão Uillian, pela força, apoio e motivação, em todos os momentos da minha vida.
A meu grande amor, Luana Ribeiro Borges, por ter estado ao meu lado durante todos os momentos nesta caminhada.
À Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – UNESP/FCA, campus de Botucatu, em especial ao Departamento de Engenharia Rural, pela oportunidade de cursar meu Doutorado.
Ao prof. Dr. João Carlos Cury Saad pela amizade, orientação, incentivo e confiança durante a realização deste estudo.
À Universidad Politécnica de Madrid, em especial a Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos (ETSIA), em nome da Profa. Dra. Leonor Rodriguez Sinobas, pelo estágio sanduíche na Espanha.
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES, pela concessão da bolsa de estudo no país e pela concessão da bolsa de estudos no exterior (CAPES/PVE/CsF: proj. 063/2012).
À fazenda Olhos D`Água, em Paranapanema – SP, em especial ao Eng. Agrônomo Abel Simões, pela receptividade, amizade e disponibilidade no repasse dos dados para que esta pesquisa fosse concretizada.
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ... VII
LISTA DE FIGURAS ... VIII
RESUMO ... 1
1 INTRODUÇÃO ... 4
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 6
2.1 Irrigação no Brasil ... 6
2.1.1 Pivô central ... 7
2.1.2 Lâmina de irrigação ... 9
2.1.3 Vazão dos emissores ... 10
2.1.4 Perda de carga na tubulação ... 10
2.1.5 Determinação da pressão em um ponto qualquer da tubulação ... 12
2.1.6 Sistemas de bombeamento ... 14
2.2 Programação computacional ... 16
3 MATERIAL E MÉTODOS ... 17
3.1 Desenvolvimento do modelo ... 19
3.1.1 Cotas dos emissores ... 20
3.1.2 Análise do desempenho do projeto original do pivô central ... 21
3.1.3 Otimização da pressão ... 25
3.1.4 Otimização energética ... 29
3.2 Validação do software ... 31
3.2.1 Coeficiente de Uniformidade de Cristiansen (CUC). ... 34
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 35
4.1 Software desenvolvido ... 35
4.1.1 Dados do pivô ... 36
4.1.2 Dados da área ... 40
4.1.3 Análise do desempenho do projeto original do pivô central ... 41
4.1.4 Otimização da pressão ... 41
4.1.5 Otimização energética ... 42
4.2 Avaliação dos computadores na execução do software ... 44
4.3 Dados coletados em campo ... 46
4.5 Dados do modelo para otimização da pressão e otimização energética ... 57
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 63
6 CONCLUSÕES ... 65
7 REFERÊNCIAS ... 66
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Características da tubulação do pivô central utilizado... 18
Tabela 2 - Classificação da uniformidade de distribuição de água em pivô central de acordo com a norma NBR14244 (1998). ... 35
Tabela 3 – Computadores utilizados para avaliar o desempenho do software. ... 44
Tabela 4 – Desempenho do software quando executado em computadores com diferentes configurações. ... 45
Tabela 5 - Dados de pressão na entrada do pivô central, diferença de cota da base para o final e a declividade do terreno... 47
Tabela 6 – Dados de pressão (m.c.a) obtidos no levantamento em campo nas 8 posições de giro avaliadas. ... 47
Tabela 7 – Dados de cotas (em m) obtidos no levantamento planialtimétrico da fazenda. 49
Tabela 8 - Resultados do teste t para amostras pareadas realizado pelo software SigmaStat, para as oito posições do pivô central avaliadas utilizando 63 m.c.a de pressão de entrada. 56
Tabela 9 – Dados de pressão, rotação, vazão e lâmina, obtidos no software no processo de otimização em comparação com a situação atual. ... 57
Tabela 10 – Dados potência, consumo energético obtidos no software no processo de otimização em comparação com a situação atual para um percentimetro de 100%... 59
Tabela 11 – Valores de lâminas fornecidas pelo pivô central utilizando-se os dados obtidos no processo de otimização para o percentimetro ajustado em 100, 90, 80, 70, 65, 60, 55 e 50 %. ... 60
Tabela 12 – Valores ideais para o ajuste do percentimetro e respectiva lâmina e tempo de irrigação em cada setor. ... 61
Tabela 13 – Consumo energético e tempo de irrigação para as diferentes possibilidades de ajuste de percentimetro. ... 61
Tabela 14 – Dados característicos dos emissores Nelson instalados no pivô central estudado. ... 72
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Distribuição da área em uma lateral dividida em quatro partes iguais. ... 9
Figura 2 – Curva característica da bomba IMBIL, modelo INI 150-400. ... 19
Figura 3 – Fluxograma do cálculo da “Análise do desempenho do projeto original” ... 22
Figura 4 – Leitura de dados informados pelo usuário ... 23
Figura 5 – Obter vazão do emissor ... 23
Figura 6 – a. sub-rotina do cálculo da vazão acumulada, a vazão do emissor da vazão total na tubulação. b. sub-rotina de testes para obter a distância entre emissores para o cálculo da perda de carga. ... 24
Figura 7 – Sub-rotina de testes para verificação da conclusão das operações. ... 24
Figura 8 – Fluxograma da sub-rotina do processo de otimização. ... 26
Figura 9 – Sub-rotina inicial do processo de otimização. ... 27
Figura 10 – sub-rotina do cálculo da vazão acumulada, a vazão do emissor, da vazão total na tubulação número de Reynolds e do coeficiente de fricção. ... 27
Figura 11 - sub-rotina de testes para obter a distância entre emissores para o cálculo da perda de carga, diferença de cota e cálculo da pressão na posição. ... 28
Figura 12 – Sub-rotina de testes para verificação da conclusão das operações. ... 29
Figura 13 – Esquema do pivô central utilizado. Linhas em vermelho representam as curvas de nível, em azul é o córrego do Boi Branco e a verde é a represa utilizada para armazenar água para a irrigação. ... 32
Figura 14 - Válvula para Checar Pressão Rosca 1/8″. ... 32
Figura 15 – (A) Válvula para Checar Pressão adaptada ao tubo de descida. (B) tubo de descida acoplado ao pivô central. ... 33
Figura 16 – Mangueira flexível com Trava (a). Técnica de medição de pressão utilizada (b). ... 33
Figura 17 – Representação esquemática da linha de coletores... 34
Figura 18 - Janela inicial do programa. ... 35
Figura 19 - Janela inicial de identificação do pivô central. ... 36
Figura 20 - Janela para inserção dos dados do pivô central. ... 37
Figura 21 - Janela de edição dos dados da tubulação. ... 37
Figura 22 – Recorte do catalogo Nelson onde é possível observar na primeira linha a representação do número dos emissores. ... 38
Figura 24 – Janela onde são inseridos os dados dos reguladores de pressão. ... 39
Figura 25 – Janela onde são inseridos os dados do canhão. ... 39
Figura 26 - Janela para inserção dos dados da área. ... 40
Figura 27 - Janela de cálculo da cota dos emissores. ... 40
Figura 28 – Janela de cálculo da “situação atual”. ... 41
Figura 29 - Janela de cálculo da “Otimização da pressão”. ... 42
Figura 30 – Janela referente aos cálculos das Relações de Rateaux (item 1) e lâmina e tempo de irrigação para diferentes valores de percentimetro (item 2). ... 43
Figura 31 – Janela referente aos cálculos da otimização energética. ... 43
Figura 32 – Levantamento planialtimétrico do pivô central utilizado. ... 48
Figura 33 – Gráfico das pressões medidas ao longo da linha do pivô central para as oito posições avaliadas... 50
Figura 34 – Gráficos das pressões, medidas e calculadas, ao longo da linha do pivô central para a posição 1, com pressão de entrada de 63 m.c.a. ... 52
Figura 35 – Gráficos das pressões, medidas e calculadas, ao longo da linha do pivô central para a posição 2, com pressão de entrada de 63 m.c.a. ... 52
Figura 36 – Gráficos das pressões, medidas e calculadas, ao longo da linha do pivô central para a posição 3, com pressão de entrada de 63 m.c.a. ... 53
Figura 37 – Gráficos das pressões, medidas e calculadas, ao longo da linha do pivô central para a posição 4, com pressão de entrada de 63 m.c.a. ... 53
Figura 38 – Gráficos das pressões, medidas e calculadas, ao longo da linha do pivô central para a posição 5, com pressão de entrada de 63 m.c.a. ... 54
Figura 39 – Gráficos das pressões, medidas e calculadas, ao longo da linha do pivô central para a posição 6, com pressão de entrada de 63 m.c.a. ... 54
Figura 40 – Gráficos das pressões, medidas e calculadas, ao longo da linha do pivô central para a posição 7, com pressão de entrada de 63 m.c.a. ... 55
LISTA DE ANEXOS
RESUMO
vazão e pressão para redução de custos operacionais, fornecendo três possibilidades de intervenção, considerando a lâmina fornecida e o consumo energético.
___________________________________________
SOFTWARE
FOR
EVALUATION
OF
HYDRAULIC
PERFORMANCES AND ECONOMIC OF CENTER PIVOTS. Doctoral
Thesis in Agronomy/Irrigation and Drainage) - Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista, Botucatu, SP, Brazil.Author: RAFAEL LUDWIG
Advisor: JOÃO CARLOS CURY SAAD
ABSTRACT
The irrigated agriculture is dependent on electricity to increase the production and to be able to supply the markets’ necessities, which is exigent and competitive. However, the lack of resources, such as water and electricity and the crescent rising of production cost, demand a rational use of these resources. The general objective of this thesis was to evaluate the influence of the terrain declivity in the pressure and in the energetic cost in an irrigation system with center pivot. In order to achieve this objective, a computational model was elaborated and tested using the programming language Pascal through the software Delphi. A database created in Access 2013 was associated in this model. It is a research developed in a partnership among the Departamento de Engenharia Rural da Faculdade de Ciências Agronômicas – FCA –UNESP, the Escuela de Ingenieros Agronomos da Universidad Politécnica de Madrid – EIA-UPM, and the Associação do Sudoeste Paulista de Irrigantes e Plantio na Palha – ASPIPP, located in the district of Campos de Holambra in Parapanema – SP. The validation of the software was made by selecting a center pivot located in the watershed of the Boi Branco stream, situated in the sub-basin 8 (Ribeirão das Posses/Rio Paranapanema, SP) of the Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídricos Alto Paranapanema (UGRHI 14), located in the south-west of the São Paulo state. The results show that the software is an alternative to the validation of the performance and operation of irrigation system with center pivot. Moreover, it allows the users to analyze the possibility of intervention in the flow rate and pressure to reduce operational costs, demonstrated by three possibilities of intervention (“Percentimetro indicado”, “Percentimetro mínimo” e “Percentimetro ideal) considering the blade and the energetic consumption.
___________________________________________
1 INTRODUÇÃO
Para que as plantas possam expressar seu máximo potencial produtivo é necessário que o teor de água no solo esteja em níveis adequados. A obtenção deste ponto ideal, em regiões com déficit hídrico, pode ser alcançada com o uso de sistemas de irrigação, os quais estão divididos, em irrigação por superfície, localizada e por aspersão.
A irrigação por aspersão é responsável por 54% das áreas irrigadas no Brasil, sendo que desses 19,6% são por pivô central. Esse sistema tem maior uso nas regiões centro-oeste e sudeste, onde é empregado em 84,77% e 71,66% das áreas irrigadas, respectivamente. No estado de São Paulo, que possui área irrigada de 786.051 ha, esse sistema é utilizado em 78,68% das áreas (IBGE, 2012).
terreno mantendo o valor ideal aos emissores, acarretando em um gasto desnecessário de energia (HANSON et al., 1996). CARVALHO e OLIVEIRA (2014) destacam que variar a altura manométrica ao longo do giro do pivô central, mantendo a uniformidade, pode acarretar uma economia de energia.
Aliado a isso, TURCO et al. (2009) destacam que o produtor rural geralmente não utiliza um método para controle da irrigação e temendo que a cultura sofra estresse hídrico acaba por fornecer água em excesso. Como consequência, há um desperdício de água e energia elétrica, o que faz com que a irrigação seja responsável por grande parte do consumo da energia no meio rural. Segundo a Empresa de Pesquisa Energética - EPE (2014) este consumo energético representou 4 % (24,13 Gw h) do total utilizado no Brasil, no ano de 2013 (609,9 Tw h).
MORAES et al. (2011) destacam que a agricultura é altamente dependente de energia elétrica para aumentar a produção e conseguir suprir as necessidades do mercado, o qual mostra-se cada vez mais exigente e competitivo. Corroborando, TURCO et al. (2009) indicam que o gasto com energia é a variável mais importante no custo final da irrigação. Portanto, com a escassez de energia e água, aliada à rápida elevação dos custos de produção, desperta-se o interesse para o uso racional destes recursos.
Assim, chega-se a hipótese que esta tese procurou responder: é possível reduzir os gastos energéticos considerando os diferentes declives do terreno e mantendo a eficiência da irrigação em níveis adequados?
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Irrigação no Brasil
No ano de 2010, a vazão de água retirada dos mananciais para uso em diferentes setores no país foi de 2373 m³ s-1, representando um acréscimo de 29% em relação ao ano de 2006, e deste total de água captada, apenas 49% foram efetivamente utilizados. No caso da irrigação, houve um aumento de apenas 4% na utilização efetiva dos recursos, embora a captação para esse fim tenha passado de 866 m³ s-1 em 2006 (47% do total), para 1270 m³ s-1 em 2010 (54% do total) (ANA, 2013).
Apesar de cerca de metade da água captada ser destinada para a irrigação em 2012, apenas 8,3% das áreas agrícolas cultivadas eram irrigadas. Ainda assim, representa um crescimento se comparado com 1970, quando a irrigação correspondia a apenas 2,3% da área cultivada (ANA, 2013).
No mundo 19% das terras cultivadas são irrigadas (ICID, 2010), sendo que no período de 1961 a 2011 ocorreu um aumento de 42% (EARTH POLICY INSTITUTE, 2013).
Apesar disso, TURCO et al. (2009), destacam que normalmente o produtor rural não utiliza métodos para controle da irrigação, fornecendo água em excesso, temendo que a cultura sofra estresse hídrico. Como consequência, há um desperdício de água e energia elétrica, podendo ser esse o motivo da irrigação ser responsável por grande parte do consumo da energia no meio rural. Esse consumo, segundo a Empresa de Pesquisa Energética - EPE (2014) representou 4% (24,13 Gwh), do total utilizado no Brasil no ano de 2013 (609,9 Twh).
Ainda, MORAES et al. (2011) destacam que a agricultura é altamente dependente de energia elétrica para aumentar a produção e conseguir suprir as necessidades do mercado, o qual mostra-se cada vez mais exigente e competitivo. Corroborando, TURCO et al. (2009) indicam que o gasto com energia é a variável mais importante no custo final da irrigação, no entanto, a possibilidade de escassez de energia e de água, aliadas à rápida elevação dos custos de produção, está despertando o interesse para o uso racional destes.
2.1.1 Pivô central
A irrigação por aspersão é responsável pela maior parte das áreas irrigadas no Brasil, representando 54% em 2012, dos quais 19,6% são por pivô central (IBGE, 2012). Esse sistema é mais adotado nas regiões centro-oeste e sudeste, com 84,77% e 71,66% das áreas irrigadas por essa técnica, respectivamente. No estado de São Paulo, onde o presente estudo foi desenvolvido, esse sistema é adotado em 78,68% das áreas irrigadas de um total de 786.051ha (IBGE, 2012).
OSistema de irrigação por pivô central consiste em uma torre central fixa, que é o pivô, e outras torres móveis, sobre as quais está apoiada a tubulação (linha lateral), equipada com os emissores (FRIZZONE et al., 2011). O primeiro pivô central surgiu em 1948, criado por Frank L. Zybach, que teve seu invento patenteado em 1952, no Colorado, Estados Unidos (RAMOS, 1994; BERNARDO et al., 2006). Na época o equipamento era acionado por pistões hidráulicos.
quando houver limitações da área que impossibilite o giro total. A eficiência de irrigação, conforme BERNARDO et al. (2006), varia entre 70 e 90%, sendo usual se obter 80% em condições normais de dimensionamento e manejo.
Considerando-se o crescimento da população mundial, pensar em aumentar a eficiência da produção para com isso ampliar a disponibilidades de alimentos é fundamental (DONG et al., 2013). Neste aspecto, para o desenvolvimento agrícola, no que diz respeito à utilização de irrigação por pivô central, considerar as questões energéticas e a eficiência do uso da água para produção é atuar em direção ao aumento de produtividade e do uso racional desses recursos (MORENO et al., 2012).
VALÍN et al. (2012) destacam que os esforços para aumentar eficiência do pivô central têm sido focados no aumento da uniformidade de aplicação da água, controle dos impactos ambientais negativos, tais como perdas operacionais excessivas de água e fertilizantes, e na redução do consumo de energia através da redução da pressão de operação. Diversos estudos envolvendo sistemas computacionais foram desenvolvidos ao longo dos últimos anos visando melhorar a eficiência da irrigação por pivô central.
HEERMANN e HEIN (1968) formularam um modelo matemático em Fortran II, para determinar as taxas e intensidades de aplicação em um sistema da irrigação por pivô central, comparando com dados medidos em campo. JAMES (1982) desenvolveu e verificou um modelo em programação não linear para estimar a performance de pivô central operando em topografia variável com pressões pré-determinadas.
BREMOND e MOLLE (1995) desenvolveram um modelo para simulação da lâmina em pivôs centrais calculando os parâmetros de precipitação, como a lâmina média ponderada e o coeficiente de uniformidade para vários cenários. EVANS et al. (1995) construíram um algoritmo para a elaboração de mapas da distribuição de água e/ou aplicação de nutrientes. QUEIROZ et al. (2008) desenvolveram um software e hardware para irrigação de precisão usando pivô central para o controle da lâmina de irrigação conforme a necessidade.
2.1.2 Lâmina de irrigação
A lâmina de irrigação é um dos parâmetros de maior importância na irrigação por pivô central, pois se essa for maior que a capacidade de infiltração do solo haverá acumulo superficial podendo ocorrer perda de água e de solo por escoamento superficial.
Em um pivô central, devido a forma de movimentação, a vazão dos emissores deve crescer do centro para a extremidade, visto que a cada segmento a lateral irriga uma superfície maior. Em uma lateral de 402 m (Figura 1), os primeiros 201 m irrigam 25% da área, enquanto que os 54 m finais irrigam outros 25%, devendo assim dividir a vazão de forma que a lâmina aplicada seja homogênea (BERNARDO et al., 2006).
Figura 1 – Distribuição da área em uma lateral dividida em quatro partes iguais. FONTE: BERNARDO et al. (2006).
A determinação da lâmina aplicada pode ser realizada a partir da equação 1, de acordo com Bernardo (2006).
Em que: L - lâmina (mm); Q - vazão do pivô (m³ h-1); T - tempo por volta (horas); A - área irrigada (ha);
A lâmina pode ser alterada modificando-se o tempo de aplicação. Este, por sua vez, é modificado através do percentimetro existente nos pivôs centrais, que regula a velocidade de deslocamento da última torre. Essa técnica foi utilizada por
10 Q T L
A
QUEIROZ et al. (2008) que desenvolveram um software e hardware para variar a lâmina de irrigação.
2.1.3 Vazão dos emissores
A vazão dos emissores deve aumentar do centro à extremidade do pivô central. Desta forma, a vazão de entrada do pivô será o somatório das vazões dos emissores (equação 2) e para conhecer a vazão dos emissores pode-se utilizar a equação 3 (AZEVEDO NETTO et al., 1998; TARJUELO, 2005; TEIXEIRA et al., 2007; FRIZZONE et al., 2011).
Em que: Q - vazão de entrada do pivô (m³ s-1); qo - Vazão do emissor (m³ s-1); Cd - Coeficiente de descarga (adimensional), varia entre 0,95 e 0,99 de acordo com TARJUELO (2005). A - área do orifício (m²); g - aceleração da gravidade (m s-2); H - pressão no emissor (m.c.a).
Verifica-se nas equações apresentadas que a vazão do emissor é diretamente proporcional ao coeficiente de descarga e a área do orifício, os quais estão diretamente relacionados ao diâmetro do orifício, bem como da pressão de operação.
Nos sistemas de irrigação do tipo pivô central ocorre uma grande variação de pressão em consequência da perda de carga e da variação de nível. Para contornar os efeitos da variação de pressão na vazão dos emissores, são utilizados os reguladores de pressão que permitem a redução da pressão de saída, em uma faixa definida de pressão de entrada (LIMA et al., 2003; MENDOZA e FRIZZONE, 2012).
2.1.4 Perda de carga na tubulação
Quando a água flui nas tubulações sob pressão há perda de energia, conhecida como perda de carga, devido ao atrito interno com as paredes. Essa perda de carga pode ser determinada através da equação de Hazen-Williams (Equação 4) (FRIZZONE
0
n o i
Q q
( 2)2
o d
et al., 2012), e também, pela equação de Darcy-Weisbach (Equação 5) (VON BERNUTH, 1990; ROMEO et al., 2002; TARJUELO, 2005; FRIZZONE et al., 2012)
Em que: hf - Perda de carga (m.c.a); Q - vazão na entrada da linha (m³ s-1); V- Velocidade da água na tubulação (m s-1); C - Coeficiente de rugosidade (adimensional); L - comprimento da tubulação (m); D - diâmetro da tubulação (m); f - coeficiente de fricção (adimensional); g - aceleração da gravidade.
A equação de Darcy-Weisbach apresenta uma precisão melhor quando comparada com a equação de Hazen-Williams, pois o coeficiente de fricção é calculado em função da rugosidade do tubo e do número Reynolds, o que não ocorre para a equação de Hazen-Williams que negligencia o número Reynolds (HAKTANIR e ARDIÇLIOĞLU, 2004).
O coeficiente de fricção para a equação de Darcy-Weisbach pode ser obtido pelas equações de Swamee-Jain (Equações 6 e 7). A equação 6 é aplicável apenas aos intervalos 10 <6 D102 e 5 103 R 108
e
x (SWAMEE e JAIN, 1976; TARJUELO, 2005;
citados por: PORTO, 2006; FRIZZONE et al., 2012; TRINCHIERI et al., 2013; RETTORE NETO et al., 2014). Já a equação 7 não apresenta essa limitação, podendo ser aplicada a qualquer regime de escoamento, número de Reynolds (Re) e rugosidade relativa, como destacou SWAMEE (1993). Ambas foram elaboradas para contornar a dificuldade da determinação do coeficiente de fricção pela equação de Colebrook-White, a qual necessita de métodos numéricos interativos (PORTO, 2006; FRIZZONE et al., 2012; DE PAUW et al., 2014).
As equações 6 e 7 são dependentes do diâmetro do tubo, da rugosidade absoluta (
), que de acordo com AZEVEDO NETTO et al. (1998) para o aço1,85
4,87
10,646
f Q L
h
C D
( 4)
2
2
f L V
h f
D g
ou hf 8 2f L Q5 2 D g
( 5)
2 0,9 e 0,25 5,74 log 3,7 R x f D ( 6) 0,125 16 8 6 0,9
64 9,5 5,74 2500
3,7 R R
galvanizado é de 0,00015 m, e do número de Reynolds (equação 8), o qual pode ser obtido pela seguinte equação, conforme FRIZZONE et al. (2012):
Em que: V - velocidade a água (m s-1);
- viscosidade cinemática da água que varia em função da temperatura e D - diâmetro da tubulação (m).Para a água a 20°C o valor de viscosidade é de 1,01 10x -6m s2 -1 (AZEVEDO NETTO et al., 1998). Adotando-se este valor e deixando o número de Reynolds em função da vazão (m³ s-1) chega-se na equação 9, apresentada a seguir:
Em tubulações com múltiplas saídas, deve-se corrigir o valor da perda de carga pelo fator de ajuste de Christiansen através da equação 10, e a partir da equação 11 calcular a perda de carga ajustada.
2
1 1 1
1 2 6
m F
m N N
( 10)
Em que: F - Fator de ajuste de Christiansen; m - Expoente da vazão na equação de perda de carga; N - Número de emissores na linha lateral.
'
hf
hf F
( 11)Em que: hf’ - perda de carga ajustada;
Entretanto, o fator de ajuste de Christiansen foi desenvolvida para condições onde o espaçamento entre as saídas é uniforme e a vazão dos emissores igual (SCALOPPI e ALLEN, 1993), situações que não ocorrem nos pivôs centrais. Assim, para conhecer a distribuição da pressão ao longo da tubulação deve-se realizar o cálculo emissor a emissor, conforme descrito a seguir.
2.1.5 Determinação da pressão em um ponto qualquer da tubulação
A pressão em um ponto qualquer da tubulação pode ser determinada medindo-se diretamente em campo utilizando-se manômetros ou também matematicamente seguindo a equação 12 (adaptada de: SCALOPPI e ALLEN, 1993; MORENO et al., 2012).
e
R V D ( 8)
6 e
R 1,26 10x Q
D
x o fx zx
H H h
( 12)Em que: Hx - pressão no ponto x ao longo da tubulação; H0 - pressão na entrada da tubulação (m.c.a); hfx - perda de carga até o ponto x ao longo da tubulação; ∆zx - diferença de cota entre o ponto do pivô e o ponto x (m).
No entanto, como para pivôs centrais deve-se calcular emissor a emissor (trecho a trecho), adapta-se a equação 12 para tal condição, ficando conforme a equações 13 e 14 (MORENO et al. (2012).
x ant f S z S
H H
h
( 13)
0 0
x
x f S z S
S
H H h
( 14)Em que:
H
x - pressão no emissor x;H
ant - pressão no emissoranterior;
h
f S - perda de carga no trecho s (entre emissores adjacentes);
z S - diferença decota entre emissores adjacentes (m).
A diferença de cota entre dois pontos pode ser calculada pela equação 15.
A declividade do terreno interfere diretamente na pressão que estará disponível no emissor. Em terrenos em declive haverá ganho de pressão, o que indica que pode-se diminuir a pressão de entrada, no entanto, em aclive será necessária uma pressão maior para o funcionamento do sistema. Em um pivô central estas condições se intercalam, ou seja, em alguns momentos o pivô está em aclive e outros em declive. LIMA et al. (2009) destacam que deve-se dar especial atenção ao projeto principalmente em áreas de topografia acidentada, nas quais ocorre uma variação acentuada na pressão do sistema.
Por outro lado, SCHONS et al. (2012) destacam que os sistemas de irrigação são instalados sem que os produtores saibam a eficiência energética, pois muitos projetistas ignoram esta etapa, buscando deixar o investimento inicial mais econômico, porém menos eficiente em sua vida útil.
Esta variação declive/aclive normalmente não é levada em conta no dimensionamento do pivô central, para o qual é considerado apenas a condição mais crítica de aclive (LIMA, 2009). Nestes casos, os pontos mais baixos recebem pressão além da
1
z S
z z
S Snecessária, a qual será dissipada nos reguladores de pressão, de forma a manter o valor ideal aos emissores, acarretando em um gasto desnecessário de energia (HANSON et al., 1996).
O sistema de bombeamento atua de forma a fornecer a pressão e vazão no sistema, sendo responsável pela maior parte do consumo de energia na irrigação, o que indica a necessidade de um perfeito dimensionamento para redução dos custos (MORAES et al., 2011).
2.1.6 Sistemas de bombeamento
O sistema responsável por atender a demanda de pressão e vazão na entrada do pivô e nos emissores é o sistema de bombeamento, composto pela bomba e pelo motor. A demanda de pressão corresponde a altura manométrica (Hman) do sistema, que pode ser obtida pela equação 16, adaptada de AZEVEDO NETTO et al. (1998).
Em que: Hi - pressão demandada no ponto do pivô central (m.c.a); Hf - perda de carga na tubulação de recalque (m.c.a), desde o sistema de bombeamento até a base do pivô central; Δz - diferença de cota entre base pivô e a bomba (m).
No entanto, para que o conjunto elevatório atenda aos requisitos de vazão e pressão é necessário determinar a potência demandada, a qual é obtida através da equação 17 (AZEVEDO NETTO et al., 1998; TARJUELO, 2005; SCHONS et al., 2012).
Em que: P – potência do motor (Cv); γ - Peso específico do líquido a ser elevado (água: 1000Kgf m-³); Q - Vazão (m³ h-1); Hm - altura manométrica (m); ηm e ηb - Rendimento do conjunto elevatório, motor e bomba, em decimal;
Como forma de estimar a energia consumida pela irrigação pode-se utilizar a equação 18 (TARJUELO, 2005; BERNARDO et al., 2006; FRIZZONE et al., 2011). Essa equação é produto da potência absorvida da rede pelo número de horas de funcionamento (TARJUELO, 2005).
man i f
H
H h
z
( 16)75 m bm
Q H
Em que: E - energia consumida (Kwh); A - área irrigada (ha); L - lâmina de irrigação (mm); H - altura manométrica (m.c.a); Ea - eficiência do sistema de irrigação (decimal); Eb - eficiência do sistema de bombeamento (decimal).
Ao analisar a equação 18 percebe-se, conforme destaca LIMA (2008), que para diminuir o consumo de energia em um sistema de irrigação para a área irrigada, pode-se reduzir a lâmina de irrigação, a altura manométrica; e/ou aumentar a eficiência de irrigação e os rendimentos do motor e da bomba utilizados.
Havendo a necessidade de alteração da altura manométrica e/ou da vazão no sistema, pode-se modificar a velocidade de rotação da bomba, ampliando o campo de aplicação da mesma. As relações de Rateaux expressam as mudanças na vazão (Equação 19), pressão (Equação 20) e potência (Equação 21) com a variação da rotação (AZEVEDO NETTO et al., 1998; TARJUELO, 2005), ou seja:
Em que: Q1 e Q2 – Vazão da bomba, nos instantes 1 e 2 (m³ s-1); N1 e N2 – Rotação da bomba nos instantes 1 e 2 (rpm); H1 e H2 – Pressão da bomba, nos instantes 1 e 2 (m.c.a); P1 e P2 – Potência nos instantes 1 e 2 (cv);
Um equipamento que pode controlar a variação de rotação do motor e bomba, para atender os requisitos de pressão e/ou vazão, é o inversor de frequência. A utilização deste pode resultar em substancial redução de consumo de energia elétrica, ao passo que permite o atendimento da demanda variável do sistema de irrigação (MORAES et al., 2011). Além da redução do gasto energético, a utilização de inversores de frequência contribui, dentre outros, na redução de desgaste mecânico, diminuição da manutenção e no controle do fator de potência (LIMA, 2009; MORAES et al., 2011).
A equação 22 representa como a velocidade do motor varia em relação a sua frequência (MATÍN-BENITO, 2005).
0,0271
a b
AL H E
E E
( 18)
1 2
1 2
Q Q
N N ( 19)
1 2
2 2
1 2
H H
N N ( 20)
1 2
3 3
1 2
P P
Em que: N – velocidade do motor (RPM); f – frequência do motor (Hz); Po – número de polos;
AZEVEDO (2003) e BRASIL (2013), avaliaram oito sistemas de irrigação e verificaram que a economia de energia proporcionada pelo uso do inversor de frequência assume valores na faixa de 15,9% a 32,2% daquele estimado sem o uso de inversor de frequência.
A partir do exposto, percebe-se que a avaliação e o dimensionamento do sistema são tarefas complexas e trabalhosas para serem realizadas manualmente. Neste ponto, surgem as ferramentas computacionais como alternativa.
2.2 Programação computacional
A resolução de problemas complexos pode ser facilitada quando se utiliza os meios computacionais, podendo ser através do desenvolvimento de modelos, softwares e aplicativos. Dentre os softwares destaca-se o Delphi da Embarcadero Technologies, com o qual é possível criar um programa com uma interface amigável ao usuário (REIS et al., 2010; SPACEK, 2012). SPACEK (2012) cita ainda como vantagens do Delphi a grande capacidade de interface gráfica e a facilidade de programação por ser uma linguagem de alto nível.
O Delphijá foi utilizado em diversos trabalhos e áreas, entre eles: PRABOWO et al. (2011), desenvolveram um software com Delphi associado ao Access para avaliar influência no transporte e nas propriedades termodinâmicas de diferentes fluidos; LI et al. (2013) implementaram um software em Delphipara o cálculo do potencial eletrostático para a biologia molecular; ASFAHANI e ABDUL GHANI (2012), criaram um software com a finalidade de caracterizar e identificar diferentes tipos de basalto, ZANETTI et al. (2005) desenvolveram um programa computacional para geração de séries sintéticas de precipitação.
Com base nisto, este software foi escolhido para a realização deste estudo.
120f N
Po
3 MATERIAL E MÉTODOS
Esse trabalho desenvolveu um software para avaliar o funcionamento de um sistema de irrigação por pivô central utilizando-se da linguagem de programação Pascal, por meio do software Delphi. Associou-se, ainda, o Access 2013, software integrante do pacote Microsoft office, para criar um banco de dados, no qual são armazenados os dados inseridos pelo usuário. Trata-se de um estudo desenvolvido em parceria entre o Departamento de Engenharia Rural da Faculdade de Ciências Agronômicas – FCA –UNESP, a Escuela de Ingenieros Agronomos da Universidad Politécnica de Madrid – EIA-UPM e a Associação do Sudoeste Paulista de Irrigantes e Plantio na Palha – ASPIPP, sediada no distrito de Campos de Holambra município de Paranapanema – SP
Para validação do software selecionou-se um pivô central localizado na microbacia do córrego do Boi Branco, situado na sub-bacia 8 (Ribeirão das Posses/Rio Paranapanema, SP) da Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídricos Alto Paranapanema (UGRHI 14), localizada no sudoeste do Estado de São Paulo. Para escolha do pivô, dentre os disponíveis na propriedade, optou-se por um que realizasse o giro completo (360º), com topografia não uniforme e que não possuísse inversor de frequência.
A tubulação do pivô central é constituída de aço galvanizado e encontra-se dividida em 4 seções com número de vãos, comprimento dos vãos e diâmetros diferentes, conforme pode ser visualizado na Tabela 1.
Tabela 1 – Características da tubulação do pivô central utilizado. Número de Vãos Comprimento (m) Diâmetro (mm)
1 48,2 197,6
10 47,8 197,6
3 41,1 163,1
1 27,1 136,1
15 676,7 -
Os emissores utilizados no pivô central são da fabricante Nelson modelo D3000, cujo os diâmetros estão apresentados no Anexo 1, com regulador de pressão1 que ajusta a mesma para 10,55 m.c.a (15 psi). Além disso, possui um canhão Nelson modelo P85A, com alcance de 22 m, diâmetro do bocal de 17,46 mm e faixa de operação de 14,07 a 70,35 m.c.a, com vazão entre 12,85 m3 h-1 e 30,20 m3 h-1, respectivamente. No pivô selecionado, o canhão opera na pressão de 16 m.c.a, a qual é ajustada por um regulador de pressão, fornecendo assim a vazão de 13,42 m3h-1. A lâmina fornecida pelo pivô central é de 4,69 mm, com o percentimetro a 100%. A pressurização do sistema é realizada com uma bomba da marca IMBIL, modelo INI 150-400, com rotor de 387 mm, a qual foi ajustada para fornecer uma vazão de 452,90 m³/h, com uma pressão de 70 m.c.a (Figura 2) e rendimento de 82%. Esta é acionada por um motor WEG com potência nominal de 150 CV, IV polos, frequência de 60Hz, rotação de 1750 rpm, eficiência de 90%. Além disso, no ponto do pivô central existe uma válvula sustentadora de pressão, que está ajustada para manter uma pressão mínima de 60 m.c.a.
1 O fabricante Nelson recomenda que seja reservado aproximadamente 5 PSI (3,5 m.c.a) de pressão extra
Figura 2 – Curva característica da bomba IMBIL, modelo INI 150-400.
3.1 Desenvolvimento do modelo
O programa foi dividido em janelas específicas para entrada de dados e para cálculos. Deste modo, foram definidos como dados de entrada os itens:
a. Dados do projeto: Fazenda; proprietário; identificação do pivô.
b. Dados característicos do pivô: Giro do pivô (graus); número de emissores; distância do primeiro emissor (m); espaçamento entre emissores (m); Altura dos aspersores (m); Pressão de operação dos emissores (m.c.a); Pressão na base do pivô (m.c.a); tempo de operação (h); valor de ajuste do percentimetro; Eficiência de irrigação (%); Dados da tubulação (trechos, diâmetro e comprimento); rugosidade absoluta do tubo (m);
sobressalente (m.c.a); pressão de saída (m.c.a); pressão máxima (m.c.a). Também, tem-se como dados de entrada as informações dos emissores: fabricante; unidade de medida, com as opções de milímetro, polegadas ou número.
Como forma de facilitar para o usuário incluiu-se a possibilidade de importar e exportar os dados dos emissores para arquivos do Excel. Após a inserção, o programa exibe ainda as cores padronizadas pelos fabricantes conforme o diâmetro do orifício do emissor.
c. Dados da área: os dados da área estão relacionados a topografia do terreno, sendo necessário informar manualmente as cotas do terreno ao longo de 8 posições radiais do pivô central (45° de deslocamento).
3.1.1 Cotas dos emissores
A primeira etapa de cálculo do programa é a determinação das cotas dos emissores, visto que esse dado é utilizado paras as próximas operações. Para obtenção da cota optou-se por definir que o usuário deve indicar as curvas de nível em 8 posições diferentes.
O deslocamento do pivô central é realizado através de torres nas quais estão suspensos os emissores, indicando que, para obter a cota dos emissores deve-se considerar a posição em que a torre está passando. Desta forma, o software calcula as cotas do terreno, no local da torre, nas 8 posições, através de interpolação linear dos dados informados e posteriormente, com estes dados, obtém as cotas por onde está passando o emissor.
3.1.2 Análise do desempenho do projeto original do pivô central
Como descrito anteriormente, para conhecer a distribuição de pressão ao longo do pivô central deve-se calcular a perda de carga emissor a emissor. Este cálculo é realizado para conhecer a distribuição de pressão na condição em que o pivô está operando.
Figura 3 – Fluxograma do cálculo da “Análise do desempenho do projeto original”
pelo usuário, como: pressão, vazão de entrada e diâmetro da tubulação. Após essa execução passa-se para o primeiro emissor (Figura 4).
Figura 4 – Leitura de dados informados pelo usuário
Inicialmente o programa determina a vazão do emissor, sendo que para os fabricantes Nelson e Fabrimar utiliza-se o catálogo2. Para estes, o programa indica a vazão do emissor, que se encontra disponível no banco de dados, ao informar-se a pressão de operação e o número do emissor. Para o fabricante Senninger a vazão do emissor é obtida com a equação 3, pois não se encontra disponível em catálogo (Figura 5).
Figura 5 – Obter vazão do emissor
O próximo passo é a determinação da vazão acumulada, que é obtida descontando-se a vazão do emissor da vazão total na tubulação. Nas próximas etapas realiza-se o cálculo do número de Reynolds (Equação 9), do coeficiente de fricção de Swamee-Jain (Equação 7) (Figura 6a). Para o cálculo da perda de carga (Equação 5) é necessário saber a posição do emissor, ou seja, se for o primeiro emissor utilizará a distância do ponto do pivô até ele, se for o primeiro emissor depois das torres móveis utilizará o espaçamento na torre móvel; em outras condições utiliza a distância constante entre emissores. Assim, pode-se calcular a diferença de cota da posição (Equação 15) e por fim, determinar a pressão na posição atual pela equação 13 (Figura 6b).
Figura 6 – a. sub-rotina do cálculo da vazão acumulada, a vazão do emissor da vazão total na tubulação. b. sub-rotina de testes para obter a distância entre emissores para o cálculo da perda de carga.
Inicia-se, assim, uma sequência de testes para verificar a conclusão da operação, identificando se a rotina encontra-se no último emissor/canhão da linha do pivô central; caso negativo, migra-se para a próximo emissor repetindo a rotina.
Se estiver concluída a operação para aquela posição do pivô central, ou seja, encontra-se na última saída, simultaneamente verifica-se em que posição de giro encontra-se a linha lateral. Caso não se encontre na última posição, passa para a próxima e repete-se a rotina. Este processo é realizado até alcançar a última saída na última posição de cálculo.
Figura 7 – Sub-rotina de testes para verificação da conclusão das operações. a
3.1.3 Otimização da pressão
A rotina inicial de cálculo da “otimização da pressão” realiza a inserção de uma linha na tabela para o canhão, quando presente. Também, insere tantas linhas quanto o número de emissores no pivô central e mais uma linha correspondente ao ponto do pivô, calculando ao mesmo tempo a distância acumulada.
A sub-rotina (Figura 8) para o processo de otimização busca encontrar a melhor condição de pressão e vazão de entrada para cada posição do pivô central. Para tornar isso possível programou-se os cálculos para iniciar a partir do último emissor/saída e ir somando as perdas de carga até ao ponto do pivô.
Figura 8 – Fluxograma da sub-rotina do processo de otimização.
de operação do canhão. Na ausência de canhão, a pressão final deverá atender a necessidade de pressão do último emissor, à qual será somada a pressão sobressalente3, necessária para o funcionamento ideal do regulador de pressão (Figura 9).
Figura 9 – Sub-rotina inicial do processo de otimização.
Concluída a operação para a última saída, repete-se a rotina até chegar no ponto do pivô. Nesta etapa o cálculo é feito determinando-se o diâmetro da tubulação na posição, verificando a vazão do emissor, da mesma forma que para a “situação atual”, mencionada no capítulo anterior. Também, determina-se a vazão acumulada que é obtida pelo somatório das vazões dos emissores; desta forma é possível calcular o número de Reynolds (Equação 9) e o coeficiente de fricção de Swame-Jain (Equação 7)
Figura 10 – sub-rotina do cálculo da vazão acumulada, a vazão do emissor, da vazão total na tubulação número de Reynolds e do coeficiente de fricção.
Para o cálculo da perda de carga pela equação de Darcy-Weisbach (Equação 5) é necessário saber a posição do emissor, ou seja, se for o primeiro emissor utilizará a distância do ponto do pivô até ele, se for o primeiro emissor depois das torres móveis utilizará o espaçamento na torre móvel, em outras condições utiliza a distância constante entre emissores (Figura 11). Assim, calcula-se a diferença de cota da posição (Equação 15) e a pressão acumulada pela equação 23 adaptada da equação 13.
Em que: Hat - Pressão no ponto atual (m.c.a); Hant - Pressão no ponto
anterior (m.c.a); hf s - perda no trecho, entre emissores (m.c.a);
z S - diferença de cota entreemissores (m).
Figura 11 - sub-rotina de testes para obter a distância entre emissores para o cálculo da perda de carga, diferença de cota e cálculo da pressão na posição.
Para cada repetição o software testará se a pressão encontrada é menor que a pressão na repetição anterior, armazenando sempre o menor valor (Figura 11). Após isto, o software testa a conclusão das operações (Figura 12), verificando se encontrasse no ponto do pivô (entrada do pivô central); caso afirmativo ele verifica se a pressão é suficiente para atender as exigências do sistema, ou seja, se a pressão mínima4 (exigida pelo sistema) é menor que que a menor pressão calculada. Caso a menor pressão não atenda a
4 A pressão mínima para o funcionamento é igual a pressão de saída do regulador + a pressão adicional necessária para o seu ideal funcionamento, indicada pelo fabricante.
at ant f S z S
exigência, é calculado a diferença e esta é somada em todas as saídas ao longo do pivô central.
Figura 12 – Sub-rotina de testes para verificação da conclusão das operações.
Assim, pode-se passar para o próximo teste de conclusão, que verifica se já foi realizado o cálculo em todas as posições de giro do pivô (raios do pivô); caso negativo, passa-se para a próximo raio e para a última saída repetindo a rotina até que se atinja o ponto do pivô no último raio, o que indica o fim do processo de cálculo (Figura 12).
Ao final desse processo de otimização é possível observar, na aba “pressão”, a pressão que deverá ser fornecida na entrada do pivô (ponto do pivô) quando ele estiver passando em cada posição.
3.1.4 Otimização energética
A alteração da vazão da bomba, altera, consequentemente, a lâmina de irrigação, a qual é calculada para cada posição, através da equação 1. Cada posição poderá ter um valor de lâmina diferente, dependendo da uniformidade do terreno, podendo ter situações em que a lâmina fique muito baixa, sendo necessário corrigir essa alteração de forma a fornecer a lâmina ideal. Como alternativa de correção, programou-se o software para corrigir a lâmina de irrigação, com duas formas de alteração do percentimetro.
A primeira, denominada “Percentimetro mínimo” (Percentimetro para lâmina mínima), adota um valor único de percentimetro para todas as posições, sendo que o software seleciona o maior dentre as possibilidades 100, 90, 80, 70, 65, 60, 55 e 50%, de forma que toda área irrigada receba, ao menos a mesma lâmina fornecida na “situação atual” (lâmina mínima). Na segunda, chamada de “Percentimetro ideal”, o valor do percentimetro pode variar em cada posição radial, visto que objetiva fornecer a lâmina mínima em toda a área de irrigação do pivô central.
Para conhecer o valor do percentimetro ideal, inicialmente calcula-se o tempo que o pivô central demoraria para fornecer a lâmina mínima, com a vazão de cada posição utilizando a equação 1. Posteriormente, com a equação 24 obtém-se o ajuste do percentimetro, o qual é arredondado, deixando sem nenhuma casa decimal, para facilitar a programação do dispositivo controlador.
Em que: Per.n - Percentimetro na posição n; %ind – Ajuste do
percentimetro indicado; Tn%ind- Tempo por posição com percentimetro indicado; e TPer. n -
Tempo por posição encontrado com a equação 1.
Com isso, chega-se a mais três possibilidades de irrigação, além da “situação atual”: A “Percentimetro indicado”, na qual ocorre o emprego direto dos resultados das relações de Rateaux; A “Percentimetro mínimo”, em que se adota um valor de percentimetro que forneça, ao menos, a lâmina mínima; e a “Percentimetro ideal”, na qual utiliza-se um valor de percentimetro diferente para cada posição, de forma que todas recebam a lâmina mínima. Essa utilização de percentimetro variável foi estudada por QUEIROZ et al. (2008), que desenvolveu um software e hardware para o controle da lâmina de irrigação. O sistema monitorava a umidade do solo, calculando assim, a lâmina requerida, e ajustando automaticamente o percentimetro para aquele setor.
ind %ind . . % n erc n Perc n T P T
Pode-se estimar o gasto energético nas diferentes possibilidades empregando-se a equação 18, de modo que, na “situação atual” utiliza-se a área total e os valores de pressão, vazão e tempo de irrigação fornecidos pelo usuário. Nas demais, o programa utiliza os valores calculados para cada posição do pivô central individualmente, e posteriormente realiza o somatório dos valores. Isso permite, que por meio da equação 25 se estime o percentual de redução de gasto energético para cada nova possibilidade, em comparação com a “situação atual”.
Esta rotina de cálculo servirá como parâmetro para tomada de decisão quanto a intervenção no funcionamento do pivô central.
3.2 Validação do software
A validação do software teve como base a comparação dos resultados de pressão obtidos através do cálculo para a “situação atual” em relação aos dados de pressão, cota e vazão no ponto do pivô do pivô central em operação, coletados em campo.
Para a mensuração da vazão na entrada do pivô central, calculou-se o somatório das vazões dos emissores (450,00 m³ h-1), verificando que essa estava de acordo com a de projeto (452,90 m³ h-1). Optou-se por adotar para a validação do software desenvolvido neste estudo os dados do projeto do pivô central. Também, foram coletados dados de pressão na entrada e em 14 saídas do pivô, sendo uma saída por vão, nas 8 posições distintas do deslocamento do pivô central.
Para cada posição, determinou-se as coordenadas geográficas do ponto final do pivô através de um receptor GPS. Estas coordenadas foram utilizadas para determinação das cotas na planta de levantamento planialtimétrico da propriedade. Na figura 13 é possível observar as curvas de nível na área do pivô selecionado.
Atual otimizado
Atual
G - G Redução Gasto Energétic =
G
Figura 13 – Esquema do pivô central utilizado. Linhas em vermelho representam as curvas de nível, em azul é o córrego do Boi Branco e a verde é a represa utilizada para armazenar água para a irrigação.
As pressões foram medidas no primeiro emissor de cada vão, antes do regulador de pressão. Para facilitar o processo, adaptou-se nos tubos de descida, uma válvula com rosca 1/8″ para checar pressão (Figura 14), resultando no equipamento visualizado na figura 15.
Figura 14 - Válvula para Checar Pressão Rosca 1/8″.
710
725
Figura 15 – (A) Válvula para Checar Pressão adaptada ao tubo de descida. (B) tubo de descida acoplado ao pivô central.
Foram utilizados manômetros com leitura máxima de 10 bar (100 m.c.a) e escala de leitura de 0,2 bar (2 m.c.a), acoplados em mangueira flexível com trava (Figura 16a e b).
Figura 16 – Mangueira flexível com Trava (a). Técnica de medição de pressão utilizada (b).
Antes de iniciar as leituras, já com as coordenadas marcadas, esperou-se pela estabilização da pressão no sistema, verificada em manômetro na tubulação de subida, na base do pivô central. Quando a pressão estabilizou, foram realizadas as duas
A B
leituras simultaneamente, sendo a primeira do ponto do pivô para o final, e a segunda do final para ao ponto do pivô.
3.2.1 Coeficiente de Uniformidade de Cristiansen (CUC).
Outro teste realizado no pivô central foi o Coeficiente de Uniformidade de Christiansen (CUC), o qual se baseou nas normas da NBR14244 (1998), instalando-se duas linhas de coletores com ângulo de 3º a partir do ponto do pivô (Figura 17).
Figura 17 – Representação esquemática da linha de coletores.
Foram realizados dois testes em posições distintas, o primeiro na posição de maior declive e o segundo em nível. O primeiro coletor foi colocado a 17 m do ponto do pivô, os demais espaçados de 5 em 5 metros até o final do pivô central, os coletores foram fixados com hastes metálicas a aproximadamente 50 cm da superfície do solo. Para controle da velocidade do vento utilizou-se um anemômetro digital.
Os dados coletados foram submetidos ao Coeficiente de Uniformidade de Christiansen segundo a equação 26 e classificados conforme a Tabela 2.
100 1 V Vi
CUC
V N
( 26)
Tabela 2 - Classificação da uniformidade de distribuição de água em pivô central de acordo com a norma NBR14244 (1998).
CUC (%) Classificação
<80 Ruim
80 a 84 Regular
85 a 89 Boa
>90 Muito boa
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Para facilitar a compreensão dos resultados, primeiramente serão apresentadas as características do software desenvolvido, para posteriormente realizar-se a avaliação de seu desempenho. Também, serão apresentados os dados coletados em campo e discutidos os resultados obtidos, a fim de ponderar sobre as possibilidades de intervenção no funcionamento do pivô central.
4.1 Software desenvolvido
Elaborou-se o software de forma que fosse possível carregar arquivos de avaliações já realizadas ou criar novos arquivos de avaliação. Os arquivos criados podem ser salvos na pasta padrão “Documentos\OTpivo”, ou conforme a escolha do usuário (Figura 18).
Após criar uma avaliação ou carregar uma existente, o software passará automaticamente para a janela de inserção de dados de identificação da avaliação (fazenda, proprietário e pivô central) (Figura 19). A partir desta janela, pode-se acessar cinco outros campos, dois para inserção de dados, um para avaliação da situação atual, um para otimização da pressão e um para otimização energética.
Figura 19 - Janela inicial de identificação do pivô central.
Para utilização do software, deve-se obedecer a sequência numérica que aparece na janela de identificação do projeto (Figura 19): 1. Dados do pivô; 2. Dados da área; 3. Situação atual; 4. Otimização da pressão; 5. Otimização energética.
4.1.1 Dados do pivô
Figura 20 - Janela para inserção dos dados do pivô central.
No campo número 1 (Figura 20), informa-se o grau de giro do pivô, variando em 45°, de 90° a 360º; o número de emissores; distância dos emissores ao solo (m); a distância do primeiro emissor (m); o espaçamento entre emissores (m); e espaçamento nas torres (m),
Para o item 2 (Figura 20) deve-se informar os dados da tubulação. Neste campo, já está informado o coeficiente de rugosidade para aço galvanizado (0,15mm), no entanto, permite-se que o usuário altere o valor apenas desmarcando a caixa do material. Para edição e inserção dos dados deve-se clicar em “Editar”, desta forma abrirá uma nova janela Figura 21, na qual são informados o número de vãos com o mesmo diâmetro e comprimento, o número de emissores por vão (entre torres), o comprimento de cada vão e diâmetro da tubulação, indicando conforme a sequência, a partir do ponto do pivô, em que eles estão instalados.
Figura 21 - Janela de edição dos dados da tubulação.
Senninger; e Fabrimar. Para a fabricante Senninger, os dados dos emissores podem ser informados em milímetros (mm); polegadas (pol); ou número; para a Fabrimar é informado em milímetros (mm); já para a Nelson é de acordo com o número do emissor (Figura 22), obtido no catalogo do fabricante.
Figura 22 – Recorte do catalogo Nelson onde é possível observar na primeira linha a representação do número dos
emissores.
Os dados dos bocais podem ser inseridos individualmente, clicando-se no botão adicionar (+), ou de forma mais rápida importando de um arquivo de extensão “.csv”. Este arquivo deve conter em uma coluna a sequência de numeração dos emissores (1, 2, 3, ..., n), e na outra o correspondente valor do bocal. Esta tabela, feita no Excel, deve estar sem cabeçalho, ou seja, o primeiro emissor deve estar na primeira linha da tabela.
Figura 23 – Janela onde são inseridos os dados do sistema de bombeamento.
Na sequência ao clicar em “Regulador de pressão”, abrira a janela representada na Figura 24, onde devem ser inseridos a pressão sobressalente, ou seja, quanto de pressão deve-se ter na entrada, a mais, do que pressão de saída, valor indicado pelo fabricante. Pressão de saída e pressão máxima aceitável para o ideal funcionamento dos reguladores de pressão.
Figura 24 – Janela onde são inseridos os dados dos reguladores de pressão.
A última etapa na aba representada na Figura 20 é a de informar os dados do canhão, se o pivô central possuir. Ao selecionar a caixa em “possui canhão?” poderá clicar em “editar” e assim abrirá a janela representada na Figura 25, onde são inseridos o Alcance do canhão (m); a pressão de operação (m); o diâmetro do orifício (mm); a vazão de operação (m.c.a); e se possui bomba booster. O valor de pressão adicional é informado caso a bomba booster forneça uma pressão abaixo da de operação do canhão.
4.1.2 Dados da área
Após informar os dados do pivô central, o próximo passo é indicar os dados da área (Figura 26) para as oito posições radiais distintas do pivô central ao longo da área. Para cada uma pode-se informar tantos dados quanto forem necessários para representar a declividade do terreno, de forma que, quanto mais informações, maior será a representatividade. Cada dado inserido deve conter a distância em relação ao ponto anterior (não em relação a base do pivô central) e a cota do ponto. A cota está relacionada a cota do ponto do pivô central, a qual pode ser alterada na caixa de texto.
Figura 26 - Janela para inserção dos dados da área.
À medida que o usuário informa os dados da área coletados em seus respectivos espaços e posições, o programa somará as distâncias. Esta soma deverá, obrigatoriamente, ser igual ou maior ao comprimento do pivô central, pois somente assim é possível obter a cota da área de atuação de todos emissores, como descrito na metodologia.
Após informar os dados para as oito posições clica-se no botão “Calcular Cota” e assim abrirá uma nova janela conforme a Figura 27 a, ao clicar no botão “Obter” iniciara o processo de cálculo ficando conforme a Figura 27 b, por fim ao concluir o resultado estará em uma tabela conforme a Figura 27 c.
4.1.3 Análise do desempenho do projeto original do pivô central
Com a determinação da cota para os emissores pode-se passar para a obtenção dos dados de avaliação da “situação atual” (Figura 28), na qual é possível calcular como está a distribuição da pressão e vazão ao longo da área. Este cálculo pode ser realizado a cada 3º, 9º, 15º, 45º de deslocamento do pivô de acordo com as necessidades do usuário. Quanto menor o grau de descolamento utilizado, maior será o número de informações disponíveis.
Figura 28 – Janela de cálculo da “situação atual”.
Na janela referente a “Situação atual”, visualizada na figura 28, são apresentados os dados de cota, perda de carga, vazão e pressão nos emissores, indicando em vermelho aqueles valores de pressão que foram maiores ao limite máximo do regulador de pressão. Os cálculos foram realizados emissor a emissor, a partir do ponto do pivô até a última saída na última posição, conforme descrito na metodologia. Existe ainda, a possibilidade de exportar os dados de pressão para uma planilha do Excel.
4.1.4 Otimização da pressão
Figura 29 - Janela de cálculo da “Otimização da pressão”.
Nesta janela são apresentados os dados de cota, perda de carga, vazão e pressão no emissor (figura 29). Na aba “sobre pressão” o programa indica quanto de pressão está acima da mínima necessária para os emissores, este valor sempre terá que ser igual ou superior a zero.
4.1.5 Otimização energética
O processo de otimização energética inicia-se com o cálculo, pelas relações de Rateaux, dos valores de rotação, vazão e potência, para cada posição do pivô central, de acordo com a pressão obtida durante o processo de otimização da pressão. No campo 1, da Figura 30, é possível observar a distribuição destes itens.
Figura 30 – Janela referente aos cálculos das Relações de Rateaux (item 1) e lâmina e tempo de irrigação para diferentes valores de percentimetro (item 2).
A etapa seguinte, da execução do software, é a seleção dos dois novos ajustes do percentimetro, “Percentimetro mínimo” e “Percentimetro ideal”, além do emprego direto dos resultados das relações de Rateaux para o “Percentimetro indicado”, conforme explicado no item 3.1.4 Otimização energética. A figura 31 demonstra como são exibidos os resultados para as três novas possibilidades de irrigação.
Figura 31 – Janela referente aos cálculos da otimização energética.
No campo 1 da figura 31, são disponibilizados para as três novas possibilidades de irrigação o consumo de energia em cada posição, sendo que para as possibilidades de ajuste do “Percentimetro indicado”, e para “Percentimetro mínimo” o software mostrará também a lâmina em mm fornecida em cada posição. Já para o ajuste do
1
2
“Percentimetro ideal”, é indicado o valor deste, e o tempo em horas, para irrigação em cada posição.
A partir dos dados gerados no campo 1 da figura 31, o software calcula o tempo de irrigação, a energia consumida (Equação 18) e a alteração de consumo em relação a situação atual (Equação 25) e produz um comparativo de gasto energético das diferentes possibilidades de percentimetro, disponível no campo 2 (figura 31). A execução desta rotina serve como auxilio para tomada de decisão quanto a necessidade de intervenções no funcionamento do pivô central.
4.2 Avaliação dos computadores na execução do software
Em um computador diversos componentes são relevantes para a execução de programas, no entanto LIU (2013) destaca que o processador e a memória são os principais recursos para a execução de um programa, desta forma, não se deve determinar a eficiência da execução do programa apenas pela velocidade de execução, pois um programa pode ser executado muito rápido, mas requerer muita memória. O tempo de execução de um programa deve ser determinado pelo tempo gasto para completar a tarefa, além do espaço usado na memória (LIU, 2013).
Na Tabela 3 são apresentados os computadores utilizados para avaliação do desempenho do software quanto ao uso da CPU, ao tempo gasto para execução e a memória consumida para o cálculo na “situação atual”, e para a “otimização da pressão”, quando selecionada a opção - 3° de deslocamento do pivô.
Tabela 3 – Computadores utilizados para avaliar o desempenho do software.
Computador Características
Sistema operacional Processador Memória
1. Notebook Windows 8.1 Intel core i7-2630QM – 2 GHz 8GB 2. Desktop Windows 8.1 Intel core i7-3770 - 3,4 GHz 8GB 3. Netbook W7 Windows 7 Intel Atom N470 - 1,83 GHz 2GB 4. Netbook WXP Windows XP Intel Atom N470 - 1,83 GHz 2GB
