DESEMPENHO DE UM INJETOR DE FERTILIZANTES DO TIPO VENTURI PARA FINS DE FERTIRRIGAÇÃO

DESEMPENHO DE UM INJETOR DE FERTILIZANTES DO TIPO VENTURI PARA FINS DE FERTIRRIGAÇÃO

J.O.P. FERREIRA¹; J.A. FRIZZONE²; T.A. BOTREL²

¹ Universidade Federal do Piauí/CABJ, CEP: 64900-000 - Bom Jesus, PI.

² Depto. de Engenharia Rural-ESALQ/USP, C.P. 9, CEP: 13418-900 - Piracicaba, SP.

RESUMO: Com o objetivo de avaliar as características hidráulicas de um injetor de fertilizantes do tipo Venturi, construído de polietileno, realizou-se um teste de desempenho em laboratório. O injetor utilizado foi o modelo Mazzei 1078, possuindo 200 mm de comprimento, 19,6 mm de diâmetro interno nas seções de entrada e saída e 7,6 mm de diâmetro interno no corpo cilindrico ("garganta"). Os testes foram realizados às pressões de alimentação de 10, 15, 20, 25 e 30 m.c.a., com os respectivos diferenciais de pressão: 2, 3 e 4; 4, 5 e 6; 4, 5 e 6; 6 e 7; 7 e 8 m.c.a.. Os parâmetros de desempenho analisados foram curvas de vazão de sucção versus tensão de sucção e rendimento. Os pares de valores de vazão de sucção e tensão de sucção foram submetidos à análise estatística de regressão, sendo o modelo linear o que melhor se ajustou aos valores observados. Para uma pressão de alimentação constante, a vazão de sucção aumentou com o aumento do diferencial de pressão e, para um diferencial de pressão constante, a vazão de sucção diminuiu com o acréscimo da pressão de alimentação. Para avaliar o rendimento do injetor foi desenvolvida, a partir das expressões que definem as energias piezométrica e cinética, uma equação utilizando os conceitos de potência motriz e potência útil. Para todos os diferenciais de pressão e pressão de alimentação estudados, o rendimento diminuiu com o aumento na tensão de sucção. O maior rendimento (16,28%) foi verificado para pressão de alimentação de 10 m.c.a., diferencial de pressão de 2 m.c.a. e tensão de sucção de 1,43 m.c.a. e o menor (1,87%) ocorreu para pressão de alimentação de 20 m.c.a., diferencial de pressão de 4 m.c.a. e tensão de sucção de 1,91 m.c.a..

Descritores: injetor Venturi, desempenho hidráulico, fertirrigação

PERFORMANCE OF A VENTURI -TYPE FERTILIZER INJECTOR FOR FERTIRRIGATION

ABSTRACT: The hydraulic performance of a fertilizer injector (Venturi-type) was evaluated. The tested injector is made of polyethylene, T-shaped, MAZZEI 1078 model, has 200 mm length, 19.6 mm inside diameter in the normal pipe passage and 7,6 mm in the cylindric body (throat). The injector was tested with input pressures of 10, 15, 20, 25 and 30 m.w.c. and their respective differential pressures: 2, 3 and 4; 4, 5 and 6; 4, 5 and 6; 6 and 7 and 7 and 8 m.w.c. The performance parameters analysed were suction-flow versus suction-tension and efficiency. Pairs of these were submitted to regression analysis and the linear model fitted best. With the purpose of evaluating injector efficiency, an equation was developed from the expression that defines cinetic and piezometric energies, based on the motive and useful power concepts. The efficiency decreased with the increase in suction tension, for all input pressures and differential pressures. The greatest efficiency (16.28%) was observed at the input pressure of 10 m.w.c. differential pressure of 2 m.w.c. and tension pressure of 1.43 m.w.c. The lowest efficiency (1.87%) was at the input pressure of 20 m.w.c., pressure diferential of 4 m.w.c. and suction tension of 1.91 m.w.c.

Key Words: Venturi injector, hydraulic performance, fertirrigation

INTRODUÇÃO

O desenvolvimento da agricultura, a intensidade dos cultivos, o aspecto econômico, a falta de água em algumas regiões e a escassez de mão-de-obra requerem maior eficiência e controle nas aplicações de água e fertilizantes. Tem-se mostrado que a fertilização combinada com a irrigação responde às necessidades agrícolas, sendo adaptável aos diferentes planos de irrigação em todos os sistemas, sejam eles fixos, semi-fixos ou móveis (Thredgill et al., 1990; Bisconer, 1985; Li & Schmidt, 1985; Maia, 1989; Alves et al., 1993). Em face disso, muitos irrigantes têm utilizado o sistema de irrigação para aplicar produtos químicos via água de irrigação. Quimigação é o nome genérico dado à prática que faz uso do sistema de irrigação para aplicação de produtos químicos. Quando tais produtos são os fertilizantes, dá-se o nome de fertirrigação.

De acordo com Costa & Brito (1988), os sistemas de irrigação pressurizados são os que melhor se prestam para a quimigação, uma vez que a água é conduzida em condutos fechados e sob pressão, permitindo um melhor controle das aplicações. Entre os sistemas pressurizados, a irrigação localizada (gotejamento e microaspersão) oferecem maior flexibilidade na fertirrigação, seguidos pela aspersão, especialmente os sistemas fixos (Pizarro, 1987). Grobbelaar & Lourens (1985) e Threadgill (1985) destacam a importância da uniformidade de aplicação na prática da fertirrigação. Relatam que coeficientes de uniformidade superiores a 80% devem ser preferidos.

De acordo com Li & Schmidt(1985) existem dois métodos principais utilizados para injetar produtos químicos em sistema de irrigação. Um utiliza energia hidráulica e o outro utiliza uma fonte de energia externa ao sistema de irrigação. Ambos têm vantagens e desvantagens, sendo utilizados em diferentes situações. O injetor Venturi é um representante do primeiro método, que nos últimos anos está recebendo preferências por ser simples, sem peças móveis e de baixo custo. Quando operado em condições definidas de pressão e vazão, obtém-se uma proporção de diluição constante (Denículi et al. 1992). As bombas injetoras são representantes do segundo método.

Embora o injetor Venturi apresente tais vantagens, suas limitações também devem ser destacadas: apresenta elevada perda de carga provocada pelo estrangulamento da tubulação, segundo Shani & Sapir (1986), em torno de 30 % da pressão de operação; limitada margem de operação, ou seja, uma pequena variação na pressão ou na vazão da rede de irrigação provoca uma variação significativa na quantidade de solução injetada e seu uso está limitado a baixas pressões de alimentação (Ferreira, 1994 e Rojas, 1995).

O injetor Venturi é um dispositivo metálico, Polietileno ou de PVC, com uma seção convergente, seguida de um estrangulamento e de uma seção divergente gradual, para diâmetro igual ao da tubulação a ele conectada. O princípio de funcionamento baseia-se na transformação da energia de pressão da água na tubulação em energia cinética, quando a água passa pela seção estrangulada do Venturi, que novamente se transforma em energia de pressão, ao voltar à tubulação principal. O Venturi aumenta a velocidade da água na seção estrangulada, provocando uma pressão efetiva negativa (vácuo). Neste injetor, a queda de pressão é geralmente expressa como uma percentagem da pressão de entrada (Abréu et al., 1987). Devidamente dimensionado, ocasiona a sucção da solução colocada num reservatório aberto, injetando-a na rede de irrigação.

Segundo ABRÉU et al. (1987), a vazão de solução fertilizante injetada na rede de irrigação, por um dispositivo tipo Venturi, tem uma relação direta com a pressão da água na entrada do injetor (pressão de alimentação). Nos modelos usuais, com uma pressão mínima de 15 m.c.a., a vazão varia desde 1m³/h para os modelos de 1" (uma polegada), a mais de 20 m³/h para alguns de 2", de alta capacidade de sucção. O autor salienta que, nos catálogos comerciais, a capacidade de sucção do Venturi refere-se à água pura. Essa capacidade é reduzida na medida em que a densidade da solução fertilizante aumenta.

Segundo Troskolanski (1977) os aparelhos a jato valem-se do princípio de Venturi e são apropriados para, simultaneamente, aspirar e recalcar um fluido ou uma mistura fluido-sólido. Para tanto utiliza-se um órgão de restrição seccional à passagem da corrente fluida, alimentada por um outro fluido qualquer, denominado fluido primário ou motor. Tal autor divide os aparelhos a jato em dois grupos: ejetores e injetores. Os ejetores prestam-se a aspirar um fluido de um local, sob pressão qualquer e recalcá-lo para outro local, sujeito à pressão atmosférica ou ligeiramente superior. Já os injetores são empregados para recalcar um fluido para um local sujeito a uma pressão sempre superior à atmosférica.

De acordo com G. Flügel, citado por Hirschmann (1958), qualquer ejetor de água é caracterizado pelo coeficiente e , expresso por:

(1)

sendo:

P_entrada - pressão na entrada do ejetor (m.c.a.);

P_saída - pressão na saída do ejetor (m.c.a.);

P_sucção - tensão de sucção do ejetor (m.c.a.).

e pelo coeficiente s , dado pela razão entre a vazão útil "q" (vazão de sucção) e a vazão motriz "Q" (vazão de alimentação):

(2)

Uma vez que a diferença entre a pressão de saída e a de sucção corresponde à altura de elevação H, e que a diferença entre a pressão de entrada e de saída (h) representa o diferencial de pressão entre a entrada e a saída do ejetor, tem-se:

(3)

Conforme Troskolanski (1977) e Carlier (1968), o rendimento global de um ejetor de água é dado pelo produto entre e e s, supondo-se que os fluidos motor e de elevação são os mesmos:

(4)

Portanto,

(5)

em que:

h - rendimento [adimensional];

Q - vazão motriz [L³ T^-1];

q - vazão de sucção [L³ T^-1];

H - altura de elevação [L]; e

h - diferencial de pressão [L].

Carlier (1968) destaca que as curvas características do injetor Venturi, H(Q), assemalham-se às das bombas centrífugas, mas o rendimento é baixo, não ultrapassando 30%. Rojas (1995), desenvolveu um injetor tipo Venturi de 1" e encontrou um rendimento máximo de 10,46%, sob pressão de alimentação de 10 m.c.a., tensão de sucção de 0,5 m.c.a. e diferencial de pressão de 6,88 m.c.a..

O objetivo deste trabalho foi avaliar as características de desempenho de um injetor de fertilizantes do tipo Venturi, procurando dar subsídios técnicos aos seus usuários.

MATERIAL E MÉTODOS

Este trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Irrigação do Departamento de Engenharia Rural da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" da Universidade de São Paulo, em Piracicaba, SP. Os testes de desempenho foram realizados com um injetor tipo Venturi, marca MAZZEI, modelo 1078, fabricado em polietileno, com 220 mm de comprimento, 19,6 mm de diâmentro interno nas seções de entrada e saída e 7,6 mm de diâmetro na seção contraída ("garganta").

Para realização dos ensaios o injetor foi instalado, horizontalmente, numa bancada e, entre a entrada e a saída do mesmo, foram colocadas tomadas de pressão para medição da pressão de alimentação e do diferencial de pressão. A distância do ponto de tomada de pressão à entrada do aparelho foi de 30 vezes o diâmetro do mesmo, procurando-se reduzir o efeito da turbulência da água na medição da pressão. No ponto de sucção do Venturi adaptou-se uma conecção para tomada de pressão com o vacuômetro de coluna líquida. De acordo com a necessidade utilizou-se como líquido manométrico o mercúrio (densidade 13,6) ou o vermelho de Merrian (densidade 3,0). Logo após este ponto foi colocado uma válvula de gaveta que, ao ser lentamente fechada, possibilitava a obtenção da pressão de sucção. Para cada medida desta pressão, determinava-se a vazão succionada, através de medições gravimétricas, mantidos constantes o diferencial de pressão e a pressão de alimentação.

Para a medição da vazão na entrada do Venturi utilizou-se o medidor de vazão magnético indutivo (CONAUT-462), instalado entre tubos de PVC de 1"de diâmetro. Este medidor foi conectado a um conversor de sinal que fornece o valor da vazão em porcentagem. A pressão de alimentação e o diferencial de pressão entre a entrada e a saída do injetor Venturi foram medidos por meio de transdutores de pressão com capacidade de 5 kg.cm^-2, acoplados a indicadores digitais microprocessados com precisão de 0,5%.

Utilizaram-se as pressões de alimentação de 10, 15, 20, 25 e 30 m.c.a., e os respectivos diferenciais de pressão: 2, 3 e 4; 4, 5 e 6; 4, 5 e 6; 6 e 7; 7e 8 m.c.a.. O ajuste das pressões de alimentação e dos diferenciais de pressão foram obtidos por meio de válvulas de gaveta, instaladas antes e após o injetor, e dois transdutores de pressão com indicador digital microprocessado. O esquema de montagem dos esquipamentos é mostrado na Figura 1.

Figura 1
- Esquema de montagem do ensaio do injetor Venturi.

Através da realização de treze ensaios com o injetor foram avaliadas as relações entre tensão e vazão de sucção, em que, para cada ensaio, mantiveram-se constantes a pressão de alimentação e o diferencial de pressão, enquanto que a vazão de sucção era modificada controlando-se a válvula localizada próximo à tomada de pressão na sucção.

Obtidos os pares de valores tensão de sucção versus vazão de sucção, foram construídas curvas para mostrar a dependência funcional entre esses dois parâmetros. O ajuste das curvas foi realizado através de análise de regressão.

Na Figura 2 estão definidas as variáveis utilizadas na determinação do rendimento do injetor Venturi. Por se tratar de um processo isotérmico, as únicas formas de energia envolvidas nesse sistema são: cinética, piezométrica e geométrica, sendo esta última igual nos três pontos para o injetor instalado horizontalmente. Por definição, o rendimento total é dado pela razão entre a energia útil gerada no corpo cilíndrico do Venturi (E₃ - E₂) e a energia total de acionamento gerada pela vazão de alimentação (E₁ - E₃), isto é:

(6)

Figura 2
- Esquema de um injetor Venturi.

Uma vez que a energia total é a soma das energias de velocidade (Ec) e de pressão (Ep), tem-se:

(7)

sendo:

Ec₁ - energia cinética no ponto 1;

Ec₂ - energia cinética no ponto 2;

Ec₃ - energia cinética no ponto 3;

Ep₁ - energia de pressão no ponto 1;

Ep₂ - energia de pressão no ponto 2; e

Ep₃ - energia de pressão no ponto 3.

De acordo com Macintyre (1987), a energia de pressão e a de velocidade podem ser expressas como segue:

(a) energia de pressão

(8)

que representa o trabalho que o peso p' de líquido, de peso específico g, pode realizar quando submetido à pressão P. Isto significa que um elemento de líquido, com peso específico g, quando submetido à pressão P, pode elevar-se, no vácuo, a uma altura H = P/g sob a ação desta força.

As seguintes relações são conhecidas:

(9)

(10)

(11)

em que :

m - massa [M];

g - aceleração da gravidade [L T^-2];

g - peso específico [M L^-2T^-2];

q - volume [L³]; e

r - massa específica [M L^-3 ].

Substituindo as equações (9), (10) e (11) na equação (8), tem-se:

(12)

da qual, dividindo-se pela unidade de tempo, decorre:

(13)

Por definição, vazão (Q) é o volume por unidade de tempo (q /D t). Logo:

(14)

(b) energia de velocidade

(15)

que representa o trabalho realizado pelo peso p' de líquido, dotado de velocidade V, ao elevar-se no vácuo, a uma altura H = V²/2g.

De forma análoga ao ítem (b), obtem-se que:

(16)

No ponto (3) tem-se que a vazão Q₃ é igual à soma das vazões Q₁ e Q₂. A parcela em (3) representativa da vazão útil é Q₂, ou seja, aquela succionada pelo Venturi. Com isso, tem-se que a energia útil, obtida das equações (11) e (13), é dada por:

(17)

Por sua vez, a parcela em (3) representativa da vazão motriz (vazão de alimentação) é Q₁, pois a água flui através do ponto 1 sob pressão H₁ atingindo o ponto (3) sob pressão H₃; com isso tem-se que a energia motriz, utilizando-se as equações (14) e (16), é dada por:

(18)

Substituindo-se as equações (17) e (18) na equação (7) e desprezando-se os termos referentes à energia de velocidade, obtém-se a equação (19) que permite calcular o rendimento do injetor (h):

(19)

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Pela Figura 3 verifica-se que, para pressão de alimentação e diferencial de pressão constantes, ocorre redução da vazão de sucção à medida que a tensão de sucção aumenta. Observa-se também que, para uma mesma pressão de alimentação, a vazão aumenta com o acréscimo no diferencial de pressão. Para se manter constante a vazão de sucção à medida que aumenta a tensão de sucção, é necessário que o diferencial de pressão aumente, o que, de uma maneira geral, decorre numa redução do rendimento do injetor (Figura 4).

Figura 3
- Vazão de sucção versus tensão de sucção do injetor Venturi, para os seguintes diferenciais de pressão: (a) 2, 3 e 4 m.c.a., (b) 4, 5 e 6 m.c.a., (c) 4, 5 e 6 m.c.a.; (d) 6 e 7 m.c.a. e (e) 7 e 8 m.c.a.

Figura 4
- Rendimento versus Tensão de sucção do injetor Venturi, para os seguintes diferenciais de pressão: (a) 2, 3 e 4 m.c.a.; (b) 4, 5 e 6 m.c.a.; (c) 4, 5 e 6 m.c.a.; (d) 6 e 7 m.c.a. e (e) 7 e 8 m.c.a.

Para um diferencial de pressão constante, a vazão de sucção diminui com o aumento na pressão de alimentação. Por exemplo, para um diferencial de pressão de 4 m.c.a. e pressões de alimentação de 15 e 20 m.c.a., as vazões de sucção são, respectivamente, 75,2 e 23,4 l.h^-1, para a tensão de sucção de 1,5 m.c.a.. Observa-se na Figura 3 que, para um mesmo diferencial de pressão, a tensão de sucção aumenta e a vazão diminui com o acréscimo da pressão de alimentação. A tensão de sucção representa a soma da altura de sucção com a perda de carga que ocorre neste tubo. Como a vazão de sucção é baixa e o comprimento do tubo de sucção é pequeno, para fins práticos, pode-se desprezar a perda de carga. Dessa forma, a tensão de sucção pode representar a altura de sucção. Na TABELA 1 são apresentados os valores dos parâmetros de ajuste à uma função linear, da vazão de sucção versus tensão de sucção, para as pressões de alimentação e diferenciais de pressão.

Na Figura 4 relaciona-se rendimento do injetor e tensão de sucção, para diferentes pressões de alimentação e diferenciais de pressão. Constata-se que, mantida a pressão de alimentação, o rendimento diminui com o aumento da tensão de sucção. O maior rendimento (16,28%) ocorreu para a pressão de alimentação de 10 m.c.a., diferencial de pressão de 2 m.c.a. e tensão de sucção de 1,43 m.c.a. e o menor (1,87%) para pressão de alimentação de 20 m.c.a., diferencial de pressão de 4 m.c.a. e tensão de sucção de 1,91 m.c.a...

Na TABELA 2 apresenta-se um resumo dos parâmetros de desempenho do injetor Venturi, para os valores experimentais máximos e mínimos das tensões de sucção. Observa-se que as vazões máximas e mínimas de sucção, em cada pressão de alimentação, aumentaram com o aumento do diferencial de pressão. O maior valor da vazão máxima (181,90 l.h^-1) ocorreu para pressão de alimentação de 15 m.c.a., diferencial de pressão de 6 m.c.a. e tensão de sucção de 2,79 m.c.a., com rendimento do injetor de 11,83%. Nestas condições de operação também verificou-se o maior valor da vazão mínima de sucção (68,79 l.h^-1), porém com rendimento de 4,63%. Em sistemas de irrigação localizada, pressões de alimentação de 15 a 20 m.c.a. são comuns e, nestes casos, diferenciais de pressão de 4 a 5 m.c.a. são mais recomendadas. Entretanto, nestes intervalos, nem sempre se conseguem os melhores rendimentos. Contudo, como as operações de fertirrigação podem ser consideradas como eventuais em relação às irrigações, o rendimento, por si só, não deve constituir um parâmetro de decisão na seleção do diferencial de pressão, da pressão de alimentação e da tensão de sução a ser utilizada. Os sistemas de irrigação por aspersão operam a pressões mais elevadas (acima de 25 m.c.a.). Para tais sistemas o injetor aqui analisado não é recomendado, pois pressões de alimentação superiores a 25 m.c.a. necessitam de elevados diferenciais de pressão e a vazão máxima succionada é baixa, o que vai requerer um elevado tempo de fertirrigação ou aplicações muito freqüentes.

CONCLUSÕES

(a) A vazão de sucção aumentou com o aumento do diferencial de pressão, para pressão de alimentação constante.

(b) A vazão de sucção diminuiu com o aumento da pressão de alimentação, ao se manter constante o diferencial de pressão.

(c) A vazão de sucção diminuiu com o aumento da tensão de sucção, para todas as pressões de alimentação estudadas.

(d) O rendimento do injetor aumentou com a redução na tensão de sucção, em todos os diferenciais de pressão, atingindo o valor máximo de 16,28% na pressão de alimentação de 10 m.c.a., diferencial de pressão de 2m.c.a. e tensão de sucção de 1,43 m.c.a..

(e) A maior vazão de sucção (181,90 l.h^-1) ocorreu para pressão de alimentação de 15 m.c.a., diferencial de pressão de 6 m.c.a. e tensão de sucção de 2,79 m.c.a., com rendimento do injetor de 11,83%.

Recebido para publicação em 07.08.95

Aceito para publicação em 04.12.95

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  26 Fev 1999
• Data do Fascículo
  Jan 1996

Histórico

• Recebido
  07 Ago 1995
• Aceito
  04 Dez 1995