aspersão - conceitos e dimensionamento 2011-1

IRRIGAÇÃO POR IRRIGAÇÃO POR ASPERSÃOASPERSÃO

Engenharia de Irrigação

ASPERSÃOASPERSÃO

Prof. Manassés Mesquita da SilvaDTR/UFRPE

Recife2011

Definição e CaracterísticasDefinição e Características

� A água é pressurizada (motobomba)

� Conduzida por uma rede de tubos

� Aplicada por meio de emissores (aspersores)

Irrigação por aspersão

� Causando o efeito de uma chuva

� Modificação do micro-clima, causando

esfriamento evaporativo em dias quentes

� Adaptação a distintas condições de campo

Sistemas de aspersãoSistemas de aspersão

� Sistemas convencionais

� Portátil

� Semi-fixo

� Fixo

� Fixo-portátil

� Fixo em malha

� Sistemas mecanizados�Pivô central

�Deslocamento linear

�Autopropelido

Sistemas de aspersãoSistemas de aspersãoSistema portátil

Sistemas de aspersãoSistemas de aspersãoSistema semi-fixo

Linha principal fixa

Linha lateral móvel

Sistemas de aspersãoSistemas de aspersãoSistema fixo

Sistemas de aspersãoSistemas de aspersãoSistema fixo-portátil

Aspersores móveis

Sistemas de aspersãoSistemas de aspersãoSistema em malha

Aspersor móvel

Linha lateral enterrada (1/2” e 1”)

Linha derivação

Ponto para conexão aspersor

VantagensVantagens

� Adaptação diferentes solos, revelo e cultura

� Não exige sistematização de terreno

� Ajuste da taxa de aplicação de água (Ia<VIB)

� Ajuste do tamanho das gotas de água

� Aplicação de produtos químicos

� Economia de mão de obra

LimitaçõesLimitações

� Necessidade de um conjunto motobomba

� Acessórios especiais (aspersores, tubos,

registros, manômetros, válvulas, curvas,

apliações e reduções, etc.)

� Fortemente influenciada pelo vento

� Facilita a proliferação de ervas daninhas

AspersãoAspersão

linha desucção linha principal

Sistema portátil ou semi-fixo

aspersores

hidrantes desaída paralinha lateral

linha lateralBomba

Fonte deágua

linha deadutora

Principais ComponentesPrincipais Componentes

Sistema de bombeamento

Principais ComponentesPrincipais Componentes

Sistema de bombeamento

Bomba centrífuga de eixo horizontal

Tubulação e acessórios

Aspersão ConvencionalAspersão Convencional

Fixo: Junta elástica integrada (JEI)Solda

Engate rápido: roscável plástico (EP)PN 80

SoldaPN 40, 60, 80 e 125 mca

Engate rápido tipo rosca de passo largo (EP)

Engate rápido tipo sela metálico (ES)

Válvula delinha

Curva dederivação

Tubo irrigação

Saída para aspersorBucha de reduçãosaída de aspersor

Registro de esfera

CAP macho

Curva de nivelamento

Curva 90º

Acoplamento rápido para aspersor

Válvula para aspersorRedução macho

AspersorPressão de funcionamento ouPressão de serviço: 20 a 45 mca

1 ou 2 bocais

Ângulo de inclinação: 60 ou 30º

Giro: Completo ou setorial

Espaçamento12x12 12x18 18x24

Intensidade de aplicação de água

AspersãoAspersãoASPERSORES: Classificação

1. Quanto ao funcionamentoi. Estacionários (fixos)ii. Rotativos (impacto, reação e engrenagem)

2. Quanto a pressão de serviço e raio de alcancei. Muito baixa pressãoii. Baixa pressão

ii. Baixa pressãoiii. Média pressãoiv. Alta pressão

3. Quanto ao ângulo de inclinação do jatoi. Normal ii. Subcopa

4. Quanto ao número de bocaisi. Um, dois ou três bocais

5. Quanto ao ângulo de giroi. Giro completoii. Setorial

AspersãoAspersão

Aspersores Estacionários (fixos)

Os aspersoresfixos (difusores) temsido os tipospreferidos para o

preferidos para oequipamento pivôcentral.

Exigem baixapressão e tempequeno alcance.

AspersãoAspersão

Aspersores Rotativos (impacto)

AspersãoAspersão

Aspersores Rotativos (reação)

Muito utilizados para irrigação de jardins

AspersãoAspersão

Aspersores Rotativos (engrenagens)

AspersãoAspersão

Aspersores: pressão serviço muito baixa

Pressão: 4 a 10 mca40 a 100 kPa

Raio de alcance: 3 a 8 m

Rotativos por reação, alguns microaspersores e alguns difusores. Usados para irrigação em jardins, cultivo

protegido (estufas) e pomares.Podem ser abastecidos por reservatórios

elevados devido à baixa exigência de pressão.

AspersãoAspersão

Aspersores: pressão serviço baixa

São em geral do tipo rotativo, movidos por impactodo braço oscilante ou outros mecanismos. Podem sertambém do tipo fixo.

Usados principalmente para irrigação de hortaliças,viveiros de mudas e sub-copa em fruticultura. Podem serinstalados no final de adutoras por gravidade (baixanecessidade de pressão).

AspersãoAspersão

Aspersores: pressão serviço média

São os tipos mais usados nos projetos deirrigação por aspersão portáteis ou semi-fixos eadaptam-se a quase todos os tipos de cultura e de solo.

Em geral são rotativos por impacto ou por outrosmecanismos e apresentam dois bocais.

AspersãoAspersão

Aspersores: pressão serviço média

AspersãoAspersão

Aspersores: pressão serviço alta

Pressão: 40 a 80 mca400 a 800 kPa ou até 1000 kPa

São usados para irrigação de forrageiras, cereais,cana de açúcar e também em pomares e em sistemasde montagem direta para aplicação de vinhaça e emsistema em cana de açúcar e forrageiras.

AspersãoAspersão

Aspersores: pressão serviço alta

Tabelas de aspersores

Aspersores NAAN DAN

Tabelas de aspersoresAspersores FABRIMAR

Intensidade de aplicação (Ia)

Ia =q [m3/h]

EAsp*ELL [m2]1.000

Ia – intensidade de aplicação, mm/hq – vazão aspersor, m3/hELL – espaçamento entre linhas laterais, mEAsp – espaçamento entre aspersores, m

Exemplo prático: intensidade de aplicaçãoCalcular a intensidade de aplicação para o aspersor selecionado:

q=1,31 m3/hEAsp=12 m; ELL=18 m

Solução: Ia=6,06 mm/h ≤ TIB (taxa infiltração básica)

Se EAsp=12 m e ELL=12 m, qual será a intensidade de aplicação?

Solução: Ia=9,09 mm/h ≤ TIB (taxa de infiltração básica)

Vazão do aspersorPode ser medida ou calculada

q = Cd*A*(2*g*H)0,5

q = C *(πR2)*(2*g*H)0,5

q = Cd*(πR2)*(2*g*H)0,5

q – vazão aspersor, m3/sCd – coeficiente de descarga (0,65 a 0,90)R – raio do orifício do emissor, mg – aceleração da gravidade, m/s2

H – pressão de serviço, mca

Aspersores autocompensantes

QcteQ2

Relação pressão/vazão numa linha lateral

=(PS2)

(PS1)0,5q1

(PS2)q2

q1 – vazão do aspersor 1, m3/sq2 – vazão do aspersor 2, m3/sPS1 – pressão de serviço no aspersor 1, mcaPS2 – pressão de serviço no aspersor 2, mca

PS , q PS , q PS , q PS , q

Linha principal

PS1, q1 PS2, q2 PS3, q3 PS4, q4

Linha lateral

Linhas Laterais são aquelas em estão inseridos os aspersores, gotejadores ou microaspersores.

PS1, q1 PS2, q2 PS3, q3 PS4, q4

Se a pressão da água nos pontos 1, 2, 3 e 4 dacanalização for diferente, as vazões nos aspersores tambémserão diferentes.

Linha lateralLinha principal

Exemplo 2:Um fabricante informa que para a pressão de trabalho

de 30,0 mca, a vazão de um aspersor será de 5 m3/h.Para uma variação admissível de apenas 10% na

vazão, de quanto poderá ser a variação de pressão na canalização?

canalização?

SOLUÇÃO:q2 = 4,5 m3/h H2 = 24,3 mca∆H = H1 – H2 = 5,7 mca, variação de pressão de aproximadamente 20%

Conclusão: A variação de 20% na pressão de trabalho entre aspersores

situados ocasionou uma variação de vazão em torno de 10%.

Perda de carga contínuaPerda de carga contínua

Plano de referência

Q - vazão [m3/s]D - diâmetro tubulação [m]P - pressão da água no interior da tubulação [mca]L - comprimento da tubulação [m]h’L - perda de carga [mca]

Material da tubulação Coeficiente de rugosidade – C

Alumínio 130

Q646,10'h

Perda de carga contínuaPerda de carga contínuaEquação de Hazen-Williams: h’L, perda de carga [mca]

Q, vazão [m3/s]C, coeficiente de rugosidade [adimensional]L, comprimento tubulação [m]D, diâmetro tubulação [m]

Alumínio 130

Aço zincado 120

Plásticos 140 a 145

PVC rígido 145 a 150

Bernardo et al. (2006)

Exemplo:Comprimento Linha principal, L=120 m Material: PVCVazão na linha principal, Q=6,7 L/sCalcular a perda de carga, h’L=?

Perda de carga na Linha LateralPerda de carga na Linha LateralCurva de pressão A

Curva de pressão B

Curva de pressão C

PSPS – 0,25hfPS – 0,50hf

PS + hfPS + 0,75hfPS + 0,50hf

87,4LL

LLLLL D

Q646,10*F'h*Fhf

F – Fator de correção da perda de carga ou fator de múltiplas saídasm – Expoente da vazão na equação de perda de cargaN – número de saídas ou emissores

QLL QLL = 0Aa

Perda de carga na Linha LateralPerda de carga na Linha Lateral

Exemplo 3:DadosComprimento Linha lateral, L=180 m Material: PVCVazão do aspersor, q=3,5 m3/h Espaç.: 18x18 m

Vazão do aspersor, q=3,5 m3/h Espaç.: 18x18 mDiâmetro tubulação, D=75 mm (3”)

Calcular a perda de carga na linha lateral, hfLL.

SOLUÇÃO:N=180/18=10 aspersores; q=0,0009722 m3/s QLL=0,009722 m3/sF10=0,402

hfhfLLLL=4,14 mca=4,14 mca

Considerações:

� Linha lateral

• posicionadas acompanhando as curvas de nível;

• perpendiculares a direção predominante dos ventos;

• comprimento e diâmetro condicionados ao tamanho da

área e ao limite máximo de perda de carga (20%PS).

� Linha principal

• posicionada no sentido de maior declividade (de baixo

para cima);

Lay-outs:

Uma linha lateral Duas linhas laterais Três linhas laterais

DimensionamentoDimensionamento

1. Agronômico e operacional1.1 Lâmina líquida e bruta, Turno de rega e período irrigação

1.2 Escolha do aspersor, Espaçamento, Ia, Tempo irrigação1.3 Número de linhas laterais

2. Linha Principal, Recalque e Sucção

2. Linha Principal, Recalque e Sucção2.1 Definição do material e do diâmetro dos tubos

2.2 Critério de velocidade para dimensionamento (1,0 a 2,0 m/s)

3. Linha Lateral3.1 Definição do material e do diâmetro dos tubos

3.2 Critério da máxima perda de carga admissível

4. Cálculo do conjunto motobomba

1. Agronômico e operacional1.1 Lâmina líquida e bruta

1.2 Turno de rega e período irrigação

f*Z*dg10

PmCcLlíq

LL líqb =

LTR líq= 1TRPI −=

1.3 Escolha do aspersor (q, PS, Diâmetro molhado, Espaçamento)

1.4 Intensidade de aplicação e tempo de irrigaçãoIa < VIB

1.5 Definição do número de LINHAS LATERAIS

LLAspxEE

1.5 Definição do número de LINHAS LATERAIS

1º passo. Tempo necessário por posição (TNP)

2º passo. Quantas posições uma linha lateral será capaz de irrigar em um dia de funcionamento? (NPLD)

LTi b= mudançaTTiTNP +=

NhFNPLD =

3º passo. Número total de posições (NTP)

4º passo. Numero de posições a serem irrigadas por dia (NPID)

5º passo. Quantas linhas laterais serão necessárias para irrigar toda área no período de irrigação especificado? (NLL)

ÁreaoCompriment2NTP =

NTPNPID =

NPIDNLL =

Exemplo 4:Dimensionamento Agronômico e Operacional

Dados: Área a ser irrigada: 96x96 m q=0,864 m3/h; PS=25 mcaVIB=11,0 mm/h Ia=6,0 mm/h

VIB=11,0 mm/h Ia=6,0 mm/h Lâmina bruta Lb=33 mm; Espaçamento=12x12 mNhF1=12 h/dia TR=5 diasNhF2=24 h/dia PI=4 dias (1 dia de folga)

Para estas condições determine quantas LINHAS LATERAIS deverão funcionar simultaneamente para irrigar toda área no tempo pré-estabelecido (PI)?

DimensionamentoDimensionamentoNote que tudo é intuitivo

1º passo: Qual o tempo necessário por posição (TNP)?TNP=6,0 h

2º passo: Quantas posições uma linha lateral será capaz de irrigar em um dia de funcionamento? (NPLD)

NPLD=2 posições/dia NPLD=4 posições/dia

3º passo: Quantas posições de linha lateral vai se ter na linha principal? (NTP)

NTP=16 posições (hidrantes)4º passo: Quantas posições deverão ser irrigadas por dia, para que se possa irrigar a área no tempo pré-estabelecido? (NPID)

NPID=4 posições/dia5º passo: Quantas linhas laterais deverão funcionar simultaneamente para irrigar toda área dentro do período de irrigação? (NLL)

NLL=2 laterais NLL=1 lateral

Tubos 75 mm

Tubos 50 mm

Motobomba

Fonte de água

Tubos 100 mm

Pontos derivação

Aspersores

NhF=12 h/dia, NLL= 2,0NhF=24 h/dia, NLL= 1,0

2. Linha Principal, Recalque e Sucção2.1 Definição do material dos tubos (PVC, aço-zincado, alumínio)

2.2 Definição do Diâmetro comercial dos tubos2.3 Critério de velocidade para o dimensionamento (1,0 a 2,0 m/s)2.4 Cálculo da perda de carga

Q4D LP

LP π=

87,4LP

LPLP D

Q646,10hf

QLP - vazão [m3/s]DLP - diâmetro tubulação [m]V - velocidade da água no interior da tubulação [m/s]LLP - comprimento da tubulação [m]hfLP - perda de carga [mca]

Exemplo 5: Linha PrincipalDadosComprimento LP: 96,0 m Material: PVCVazão Linha Lateral (QLL): 6,0 L/s NLL=1,0 Linha Lateral

Para estas condições determine qual o diâmetro comercialda tubulação, e a respectiva perda de carga.

DLP=0,071 mDiâmetro comercial Velocidade escoamento Perda de carga0,075 m (75 mm) V=1,35 m/s < 2,0 m/s 2,25 mca0,050 m (50 mm) V=3,0 m/s > 2,0 m/s 16,20 mca

DimensionamentoDimensionamento3. Linha Lateral

3.1 Definição do material dos tubos (PVC, aço-zincado, alumínio)

3.2 Definição do Diâmetro comercial dos tubos3.3 Critério da máxima perda de carga admissível3.4 Cálculo da perda de carga3.5 Cálculo da pressão necessária no início da linha lateral (PinLL)

62QLL QLL = 0

Curva de pressão B

PS – 0,25hf

PS + 0,75hf

( ) PS*2,0PS%20DnhfP LL)máx(LL ==+=∆

LQ*646,10*Fhf

3. Linha Lateral3.6 Equações utilizadas

87,4LL

LLLLLL DC

*646,10*Fhf

)máx(LL

LLLL hf

Q*646,10*FD

LLLLLL Dn*5,0hf*75,0AaPSPin +++=

Exemplo 6: Linha LateralAspersor: q=1,40 L/s, PS=45 mca, Altura=1,0m, Espaçamento=18x18m.Comprimento lateral=180 m (tubos de PVC)

Determine: DLL, hLL e a PinLL, para as seguintes condições:a) Linha operando em nível;

a) Linha operando em nível;b) Linha operando em aclive de 2 m;c) Linha operando em declive de 2 m;

a) hfLL(máx)=9 mca DLL=0,0737 m (calculado) 75 mm (comercial)75 mm (comercial)hfLL= 8,122 mca PinLL=45+1,0+(0,75)*(8,122)=52,0 mca

b) hfLL(máx)=7 mca DLL=0,0776 m (calculado) 100 mm (comercial)100 mm (comercial)hfLL= 2,00 mca PinLL=45+1,0+(0,75)*(2,00)+(0,5)*(2,0)=48,5 mca

c) hfLL(máx)=11 mca DLL=0,0707 m (calculado) 75 mm (comercial)75 mm (comercial)hfLL= 8,122 mca PinLL=45+1,0+(0,75)*(8,122)-(0,5)*(2)=51,0 mca

4. Cálculo do conjunto motobomba4.1 Vazão total do projeto (Qt)

4.2 Eficiência do motor (Em) e da bomba (Eb)4.3 Cálculo da altura manométrica total (Hmtotal)

Hm =Pin + (hf + Dn ) + (hf + Dn ) + (hf + Dn ) [mca]

Hm*Qt333,13Pot total=

Hmparcial=PinLL + (hfLP + DnLP) + (hfLR + DnLR) + (hfLS + DnLS) [mca]

hfLoc = 0,04*Hmparcial [mca]

Hmtotal = Hmparcial + hfLoc [mca]

Dimensionar um sistema de irrigação por aspersão para uma área de 3,0 hectares utilizando os seguintes dados:Cultura: Solo:

Milho Cc=28% massa

40% água disponível Pm= 16% massa

50 cm raízes dg=1,25 g/cm3

Projeto AspersãoProjeto Aspersão

50 cm raízes dg=1,25 g/cm

ETc=5,0 mm/dia (máxima) VIB=15 mm/h

Irrigação:

Aspersão convencional 80% eficiência (Ea)

Número de horas de funcionamento por dia, 18 h/dia (NhF)

Tubulação PVC rígido (Rugosidade, 150)

Motobomba: Eficiência bomba, 65%; Eficiência do motor: 92%

Altura de sucção: 4 m; Comprimento sucção: 6 m;

Projeto AspersãoProjeto Aspersão

67Fonte de água

1. Lâmina total de irrigação (Llíq e Lb):

2. Turno de rega e Período de irrigação (TR e PI):

3. Escolha do aspersor

4. Definição do número de linhas laterais

5. Dimensionamento da linha lateral

Etapas do DimensionamentoEtapas do Dimensionamento

5. Dimensionamento da linha lateral

6. Pressão no início da linha lateral

7. Dimensionamento da linha principal, recalque e sucção

8. Cálculo do conjunto motobomba

9. Desenho em escala do sistema em campo

10. Lista de material e orçamento

11. Conclusões sobre a viabilidade econômica

1. Lâmina total de irrigação (Llíq e Lb):

Llíq=(28-16)*1,25*0,4*50/10=30 mm

Lb=30/0,8=37,5 mm

Agronômico e OperacionalAgronômico e Operacional

2. Turno de rega e Período de irrigação (TR e PI):

TR=L /ETc=30/5=6 dias

TR=Llíq/ETc=30/5=6 dias

PI=TR-1=6-1=5 dias

3. Escolha do aspersor:

PS=35 mca q=2,08 m3/h

Espaçamento=12x18 m Raio irrigado= 16 m

Ia=2,08/(12*18)=0,00963 m/h=9,63 mm/h < VIB (15mm/h)

4. Definição do número de linhas laterais:4.1 Tempo necessário por posição (TNP)

Ti=Lb/Ia=37,5/9,63=3,9 horas Tmud=36 min=0,6 horas

TNP=3,9+0,6=4,5 h

4.2 Número de posições irrigadas por linha lateral por dia (NPLD)

Agronômico e OperacionalAgronômico e Operacional

NPLD=NhF/TNP=18/4,5=4 posições/dia

4.3 Número total de posições (NTP)

NTP=(182/18)*2=20 posições

4.4 Número de posições a serem irrigadas por dia (NPID)

NPID=NTP/PI=20/5=4 posições/dia

4.5 Número de linhas laterais (NLL)

NLL=NPID/NPLD=4/4=1 linha lateral

5. Dimensionamento da linha lateral:5.1 Cálculo do número de aspersores:

Nasp=LLL/Easp=85/12=7,08 ≈ 7 aspersores

5.2 Cálculo da vazão na linha lateral:

QLL=Nasp*q=7*2,08=14,56 m3/h=0,004 m3/s

Hidráulico: linha lateralHidráulico: linha lateral

5.3 Cálculo da máxima variação de pressão

∆P=0,2*PS hfLL+DnLL=0,2*PS � hfLL=0,2*PS – DnLL (pior situação)hfLL=0,2*35 – (2/100)*85 = 5,3 mca

5.4 Fator de correção da perda de carga: F7=0,425 (tabelado ou calculado)

5.5 Cálculo do diâmetro e perda de carga da linha lateral (hfLL e DLL)

DLL=0,044 m = 44 mm � DLL=50 mm (comercial)

hfLL=2,88 mca

6. Pressão no início da linha lateral:PinLL= PS + Aa + 0,75*hfLL + 0,5*DnLLPinLL=35+2,0+0,75*2,88+0,5*1,7 = 40 mca

Hidráulico: linha principalHidráulico: linha principal

7. Dimensionamento da linha principal de recalque e sucção7.1 Critério: Limite de velocidade de escoamento (1,0 a 2,0 m/s)

7.1 Critério: Limite de velocidade de escoamento (1,0 a 2,0 m/s)

7.2 Vazão na linha principal: QLP=QLL=0,004 m3/s

7.3 Comprimento linha principal: LLP=182 m

7.4 Cálculo do diâmetro: D=(4*Q/(3,14*V))^0,5=0,058 m

DLP=75 mm � V=1,0 m/s � hfLP=2,01 mca

DLP=50 mm � V=2,1 m/s

7.5 Linha de recalque, DLR=DLP=75 mm � hfLR=1,11 mca

7.6 Linha de sucção, DLS=100 mm � hfLS=0,02 mca

8. Cálculo do conjunto motobomba:8.1 Vazão total do projeto: Qtotal=QLP=0,0040 m3/s

8.2 Altura manométrica total

Hmparciall=PinLL+(hfLP+DnLP)+(hfLR+DnLR)+(hfLS+DnLS)

Hmparcial=40+(2,01+10,92)+(1,11+6,0)+(0,02+4,0) = 64,07 mca

Hidráulico: MotobombaHidráulico: Motobomba

Hflocalizada=0,04*64,07=2,56 mca

Hmtotal=64,07+2,56 = 66,63 mca

8.3 Potência da motobomba

Pot=Q*Hmtotal/(75*Eb*Em) = 4*66,63/(75*0,65*0,92) = 5,94 cv ≈ 7,5 cv

6%2º dia4º dia

3º dia 3º dia

100 mFonte de água

1º dia5º dia

Resumo projetoResumo projeto

Linha Lateral: O projeto constará de apenas uma linha

lateral com diâmetro único (LLL=78 m; DLL=50 mm) e 7

aspersores operando num espaçamento de 12x18 m.

Linha Principal e Recalque: Tubulação com diâmetro único

de 75 mm e 262 m de comprimento, sendo 162 m de linha

principal.

Conjunto motobomba: Constará de uma bomba centrífuga

de eixo horizontal com vazão e altura manométrica de 4,0 L/s

e 66,63 mca e motor com uma potência instalada de 7,5 cv.

aspersão - conceitos e dimensionamento 2011-1

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