Avaliação dO DESEMPENHO de um Pivô Central de Grande Porte e Baixa Pressão

AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE UM PIVÔ CENTRAL DE GRANDE PORTE E BAIXA PRESSÃO

M.V. FOLEGATTI¹; P.C.S. PESSOA²; V.P.S. PAZ^1,3

¹Depto. de Engenharia Rural-ESALQ/USP, C.P. 9, CEP: 13418-900 - Piracicaba, SP.

²Consultoria em Irrigação, Rua Campos Sales, 1591, CEP: 13416-310 - Piracicaba, SP.

³Bolsista da FAPESP.

RESUMO: O sistema de irrigação Pivô Central tem proporcionado um significativo avanço da agricultura irrigada no Brasil. A grande aceitação do equipamento se deve às suas características, que permitem a irrigação mecanizada de extensas áreas, mesmo de topografia irregular, facilidade de utilização de práticas de quimigação, estrutura que não interfere nas operações agrícolas, e em relação ao manejo, possibilidade de aplicação de pequenas lâminas a intervalos reduzidos, além da grande vantagem de após completar um ciclo de irrigação, está no lugar exato para reiniciar outro ciclo. Este trabalho teve como objetivo determinar e analisar as características operacionais de um sistema pivô central de baixa pressão e de grande porte e vazão. Foram estudadas a uniformidade de distribuição e taxa de aplicação de água, distribuição de pressão, o deslocamento das torres e o manejo do equipamento em um sistema instalado na Fazenda Canadá, pertencente à Samambaia Empreendimentos Agrícolas, município de Santa Fé de Goiás (GO). Os resultados permitiram concluir que: 1) o sistema apresenta adequada uniformidade de distribuição de água; 2) a capacidade de aplicação de água é elevada; 3) a tubulação de grande diâmetro da lateral reduz a perda de carga e permite uma distribuição de pressão com menor amplitude de variação, comparável a sistemas de menor porte; 4) o sistema de propulsão com relé percentual de ciclo reduzido e alta velocidade de deslocamento das torres minimiza os efeitos de redução da uniformidade, reduz o tempo de giro e a lâmina por volta.

Descritores: irrigação, uniformidade, pivô central

EVALUATION OF THE PERFORMANCE OF A LARGE LOW PRESSURE CENTER PIVOT

ABSTRACT: The Center Pivot sprinkler irrigation system is giving a large contribution to the irrigation development in Brazil. The success of the equipment is due to the following reasons: this mechanized equipment can be used in large areas even with irregular topography; the possibility of fertigation associated with the fact of not interfering on agricultural practices; the possibility of applying reduced amount of water in short intervals and after equipment one revolution it is ready to start a new cicle. The objective of this work was to analyze the performance of a low pressure center pivot. Water and pressure distributions, tower movement and some aspects related to the equipment management were studied. The results allow us to conclude that 1) the system distributes water uniformly, 2) the water application capacity is very high, 3) the pipes of large diameter decrease the water head and the range of pressure variation is lower when compared to smaller systems, 4) low second timer and higher speed increase water uniformity distribution.

Key Words: irrigation, uniformity, center pivot

INTRODUÇÃO

No Brasil, o sistema de irrigação pivô central é utilizado principalmente para irrigação de cereais, embora seja crescente sua utilização em fruticultura e pastagens.

Como qualquer outro sistema de irrigação, o objetivo do equipamento é distribuir água de maneira uniforme e controlada na área irrigada, utilizando o mínimo de energia e preservando o meio ambiente. Para conseguir isto, após sua invenção, vários aperfeiçoamentos foram introduzidos no equipamento para suprir as novas exigências da agricultura irrigada. A seleção das características mais adequadas de um sistema pivô central depende de um estudo do meio agrícola onde será instalado, principalmente características do solo, topografia, clima, culturas a serem irrigadas e da disponibilidade e do custo de energia. Após a instalação, a avaliação de desempenho do equipamento tem como objetivo a determinação de suas características operacionais em interação com o meio agrícola onde está operando, subsidiando eventuais correções e tomadas de decisão sobre manejo e utilização do equipamento.

A modernização do sistema pivô central tem ocorrido, principalmente no sistema de propulsão e alinhamento e nos dispositivos de distribuição de água. Novas tecnologias foram incorporadas, como sistema de propulsão elétrica, vãos de grande comprimento, tubulação aérea de maior diâmetro e comprimento, articulações flexíveis entre torres. Com o aumento dos custos da energia, foram introduzidos os emissores de baixa pressão fixos, posteriormente o sistema LEPA, e mais recentemente foram introduzidos os sprays rotativos.

A necessidade de reduzir o consumo de energia e ao mesmo tempo, manter a uniformidade e a eficiência da aplicação de água passou a ser uma grande preocupação. Segundo Gilley & Watts (1977) e Gilley et al. (1990), a redução de pressão de operação pela utilização de emissores de baixa pressão é a maneira mais fácil de reduzir o consumo de energia dos sistemas pivô central. Os emissores de baixa pressão foram desenvolvidos para substituir os tradicionais aspersores de impacto, aplicando a mesma lâmina de água, com uniformidade comparável e menor utilização de energia. Os sistemas pivô central passaram então a serem projetados ou redimensionados para trabalhar em pressão reduzida. Entretanto, estes sistemas tendem a apresentar problemas de manejo de água e solo, como aumento da taxa de aplicação (predisposição para escoamento superficial), perdas pelo vento e evaporação, além de redução na uniformidade devido à menor superposição.

Pessoa (1994) observa que a economia de energia pela utilização de emissores de baixa pressão é proporcional à relação Pp/Hm (pressão no centro do pivô/altura manométrica total) e que em pivôs de grande porte que necessitam de adutoras, esta economia é pouco significativa. Neste caso, no entanto, a economia de energia é melhor representada pela relação a pressão necessária no final da lateral e a altura manométrica total (Pf/Hm). Se esta relação for pequena, a utilização de emissores de baixa pressão terá pouca importância e torna-se necessária a redução de Pp e Hm. Uma vez definidos raio e vazão do equipamento, a perda de carga na adutora pode ser reduzida utilizando-se grandes diâmetros e materiais de baixa perda de carga. A perda de carga pode ser reduzida pela utilização de tubulação da parte aérea de grande diâmetro e tubos de maior comprimento (conseqüentemente, menor número de flanges), que reduzem a perda de carga. Kincaid & Heerman (1970) concluíram que o diâmetro dos tubos deve ser aumentado para reduzir a perda de carga, reduzindo os custos do bombeamento e suavizando a distribuição de pressão, permitindo um funcionamento mais favorável dos aspersores. No caso de se utilizar sprays de baixa pressão, a menor amplitude de variação da pressão exigirá menos dos reguladores de pressão. Scallopi (1985) salienta que a energia utilizada para a constituição (fabricação) do equipamento deve ser considerada no consumo energético total. Keller & Bliesner (1990) relatam que os custos por metro linear das tubulações de 10" e 8" são respectivamente, 48 % e 15 % maiores que os da tubulação padrão de 6 5/8".

Rolland (1982) afirma que o aumento do comprimento da lateral aumenta a viabilidade econômica do equipamento, reduzindo o custo por área irrigada. Entretanto, pivôs de grande porte normalmente apresentam como características a ocorrência de altas taxas de aplicação de água, grande perda de carga na tubulação da lateral e adutora, e elevado número de horas por revolução, dificultando o manejo do equipamento. Tecnologias incorporadas ao equipamento permitem minimizar ou eliminar estes problemas.

O movimento descontínuo da lateral afeta a uniformidade de aplicação de água dos sistemas móveis de irrigação (Hanson & Wallender, 1986), especialmente quando o raio de alcance dos emissores é próximo do espaço percorrido pelas torres do pivô em cada deslocamento (Gilley & Mielke, 1980). Este decréscimo na uniformidade será importante quando pivôs equipados com sprays de baixa pressão forem utilizados em quimigação (Heermann et al., 1990).

Este trabalho teve como objetivo determinar e analisar as características operacionais de um sistema pivô central de baixa pressão, grande porte e vazão elevada. Foram estudadas a uniformidade de distribuição e a taxa de aplicação de água, a distribuição de pressão, o deslocamento das torres e o manejo do equipamento. Foi desenvolvida uma equação para calcular a distribuição de pressão ao longo da lateral de sistemas pivô central.

MATERIAL E MÉTODOS

Este trabalho utilizou um sistema pivô central de baixa pressão, de grande porte e vazão elevada, instalado na Fazenda Canadá, pertencente à Samambaia Empreendimentos Agrícolas, município de Santa Fé de Goiás (GO). O solo, com relevo plano a suave ondulado, é classificado como latossolo vermelho amarelo textura média.

O pivô central apresenta as seguintes características: marca LINDSAY, modelo ZIMMATIC GII, 15 torres, comprimento total de 698,5 m, com a seguinte composição estrutural: 08 vãos de 3 tubos (41,2 m, 10"), 04 vãos de 3,5 tubos (47,9 m, 8"), 02 vãos de 4 tubos (54,5 m, 6 5/8"), 01 vão de 3 tubos (41,2 m, 6 5/8") e, 01 lance balanço de 4 tubos (26,8 m, 4"). O sistema está equipado com reguladores de pressão de 15 PSI e emissores tipo spray fixo com placa defletora plana de estrias finas, montados em pendurais a 2,0 m do solo. Devido a grande vazão exigida, os 4 últimos vãos e o lance balanço estão equipados com sprays duplos. Para deslocamento possui motorredutores de 1,0 CV nas 6 torres internas e 1,5 CV nas demais torres externas. A adutora possui comprimento de 1200 m, diâmetro de 12" e material PVC. O desnível da bomba ao pivô é de 16,0 m e do pivô ao ponto mais alto é 10,0 m.

A avaliação da uniformidade de distribuição de água foi realizada segundo as normas da AMERICAN SOCIETY OF AGRICULTURAL ENGINEERING-ASAE (1991), com espaçamento entre coletores de 4,0 m. Para estimativa da uniformidade de distribuição foram utilizados o coeficiente de uniformidade de Christiansen (CUC) modificado por Heermann & Hein (1986) e o coeficiente de uniformidade de distribuição (UD), ou sejam:

(1)

(2)

em que:

Y_p - lâmina média ponderada, considerando todos os coletores, mm;

Y_i - lâmina precipitada no coletor i, mm;

S_i = 1, 2, 3, ..., n, sendo os coletores equidistantes;

Y_p25 - média ponderada das menores precipitações correspondentes a 25 % da área.

A determinação da pressão disponível ao longo da lateral foi feita utilizando-se manômetros tipo Bourdon, aferidos por manômetro de peso morto (precisão de 0,5 %) e os pontos de tomada foram no centro, primeiro spray, sprays na metade e final de cada vão. A partir do trabalho de Chu & Moe (1972), foi desenvolvida uma expressão para determinação da pressão, corrigida ao nível da tubulação, considerando-se a cota do terreno, ou seja:

(3)

em que:

h - pressão disponível em um ponto ao longo da lateral, m.c.a;

H - pressão no centro do pivô, m.c.a.;

F - fator de redução de perda de carga devido a múltiplas saídas;

Q - vazão do equipamento, m³/h;

C - coeficiente de Hazen Williams;

R - comprimento total da lateral, m;

D - diâmetro da lateral (m);

r - distância ao centro do pivô (m).

A distribuição de pressão ao longo da lateral foi comparada com a distribuição teórica.

O perfil da taxa de aplicação teórica foi calculado segundo Gilley (1984) em cada quarto de raio da lateral :

(4)

em que:

TA_(t) - taxa de aplicação em um ponto ao longo da lateral, no tempo, mm/h;

T_m - taxa de aplicação máxima, mm/h;

t_m - tempo para ocorrer a taxa de aplicação máxima, h;

t - tempo desde o começo da aplicação, h;

O Tempo de funcionamento do sistema de propulsão a 50% foi determinado simultaneamente na 1^a, 3^a, 6^a, 9^a, 12^a e 15^a. torres.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os resultados da avaliação do sistema pivô central estão apresentados no TABELA 1. As condições climáticas durante o teste foram: vento de 0,1 m/s, temperatura de 21º C e umidade relativa de 76%. Os valores de CUC (Coeficiente de Uniformidade de Christiansen) e UD (Coeficiente de Uniformidade de Distribuição) são elevados, mostrando que o equipamento está bem dimensionado e distribuindo água adequadamente.

A grande velocidade de deslocamento das torres permite flexibilidade de manejo devido aos baixos tempo de giro e lâmina mínima por volta, adequando o equipamento à práticas de quimigação. A capacidade de aplicação de água é alta, corrigindo um problema comum à grande maioria dos equipamentos instalados no Brasil, que devido principalmente a custos e falta de critérios técnicos, são dimensionados com lâminas que não permitem maiores produtividades das culturas irrigadas.

A elevada capacidade de aplicação de água funciona como uma "reserva técnica", permitindo a fácil reposição da água ao solo após inevitáveis paradas para manutenção do equipamento ou suprindo as necessidades durante períodos ocasionais de alta demanda evapotranspirativa, que podem reduzir significativamente a produtividade. Permite, ainda, que o equipamento consiga suprir as necessidades hídricas durante boa parte do ciclo da cultura, funcionando apenas durante o período noturno, resultando em aumento na eficiência de aplicação e redução no custo da energia, devido ao sistema de tarifação vigente.

O perfil de distribuição de água ao longo da lateral encontra-se na Figura 1. Os valores da lâmina coletada foram submetidos ao processo da média móvel, por 3 vezes, conforme utilizado por Kelso & Gilley (1983) e Pessoa (1994), para suavizar a curva e visualizar a tendência dos dados. Nota-se uma deficiência de aplicação de água nos vãos iniciais, de pequena importância por representar uma menor área irrigada, e maior precipitação no 12º vão, onde começam os sprays duplos. Como os sprays de cada pendural estavam montados na mesma altura, observou-se uma desuniformidade provocada pelo choque entre os jatos d'água. Para caracterizar melhor este problema foram instaladas duas linhas radiais de coletores espaçados de 0,5 m ao longo do 12º vão, cujos resultados são mostrados na Figura 2.

Figura 1 -
Pefil de distribuição de água ao longo da lateral.

Figura 2 -
Distribuição de água no 12º vão.

Observa-se que existe uma sequência alternada de excesso e déficit de aplicação de área ocorrendo a intervalos de distância aproximadamente regulares, que no entanto são bem maiores que o espaçamento médio entre pendurais (2,68 m). A instalação dos sprays em alturas diferenciadas, para evitar o choque entre jatos de sprays do mesmo pendural, poderá minimizar o problema.

O tempo de acionamento das torres é esquematizado na Figura 3. Verifica-se que o funcionamento da última torre, a única controlada pelo relé percentual, é constante, enquanto que as demais vão acompanhando, numa espécie de reação em cadeia. Observa-se também que o ciclo do relé percentual é de apenas 15 segundos, o que é desejável por resultar em pequenos deslocamentos por ciclo (0,73 m), bem inferior ao raio de alcance dos sprays (5,25 m). Nas torres internas, onde o tempo de acionamento é aleatório, podendo ser maior que o ciclo do relé, os motores de 1,0 CV com menor velocidade (200 m/h) reduzem o deslocamento e minimizam o problema da não uniformidade.

Figura 3 -
Tempo de acionamento das torres a 50% de valocidade.

O perfil da taxa de aplicação teórica é mostrado na Figura 4 , para o pivô sendo operado na velocidade de 50%. Observa-se que na extremidade a taxa de aplicação chega a aproximadamente 250 mm/h, devido ao pouco tempo disponível (3,5 min). Isto é inerente ao equipamento, uma vez que apresenta raio longo e grande vazão. No início da lateral, como o tempo disponível para aplicar a mesma lâmina é maior, a taxa de aplicação pode ser menor, não ultrapassando 50 mm/h. No final da lateral, há possibilidade de ocorrência de escoamento superficial. Para reduzir este risco deve-se reduzir a taxa de aplicação utilizando-se emissores de maior alcance, como os sprays rotativos ou instalar "spray-booms". O sistema deve operar com velocidades mais altas para reduzir a lâmina aplicada por volta (Evans, 1980; Gilley & Mielke, 1980; Keller & Bliesner, 1990; Pessoa,1994). Estes procedimentos, embora reduzam a eficiência e não alterem a taxa de aplicação máxima, diminuirão o tempo em que a água é aplicada numa taxa acima da capacidade de infiltração do solo.

Figura 4 -
Perfil de distribuição teórico ao longo do raio do equipamento.

O perfil de distribuição de pressão ao longo da lateral, determinado com a equação (1) desenvolvida, utilizando-se o fator F de 0,548 (Scaloppi & Allen, 1993) e C igual a 130, é mostrado na Figura 5, comparado com o perfil teórico. A equação ajustou-se bem ao diâmetro de 10", havendo uma discrepância crescente à medida que se caminha para o final de lateral e ocorre redução do diâmetro. Isto pode ser explicado pela inadequacidade dos coeficientes F e C utilizados, além do que a equação assume uma distribuição de água uniforme. Outro fato é que o sistema está mal pressurizado, uma vez que a pressão final de projeto é 15,5 m.c.a., com o equipamento no ponto mais alto da área, enquanto a pressão medida é igual a 9,0 m.c.a. Esta falta de pressão é observada na Figura 1, com uma tendência de diminuição da lâmina na extremidade do equipamento. Esta diferença também pode ser devido à energia de velocidade, entretanto, conforme a Figura 6, a energia de velocidade não passa de 1.5 m.c.a.

Figura 5 -
Distribuição de pressão ao longo da lateral.

Figura 6 -
Distribuição de velocidade e energia.

Apesar do grande comprimento e elevada vazão (4,523 m³/h/ha), a perda de carga na lateral é de apenas 34 m.c.a. (3,102 x 10^-4 m.c.a./m³/ha), mostrando que é possível conseguir uma distribuição de pressão suave mesmo em equipamentos com estas características. O equipamento apresentou um consumo de 0,13 Kwh/ha, calculado segundo James & Blair (1984), que encontraram valores semelhantes em sistemas de mesma vazão por hectare, porém, de menor porte.

Visualiza-se pelas Figuras 5 e 6, as torres onde ocorre mudança de diâmetro da tubulação (torre 8, de 10" para 8", torre 12, de 8" para 6 5/8"). No lance balanço, a mudança de diâmetro não é perceptível, pois, a vazão neste ponto já é pequena.

CONCLUSÕES

- o equipamento apresenta adequada uniformidade de distribuição de água;

- a capacidade de aplicação de água é elevada, permitindo ao sistema suprir adequadamente as necessidades hídricas das culturas irrigadas para alta produtividade;

- a tubulação de grande diâmetro da lateral reduz a perda de carga e permite uma distribuição de pressão com menor amplitude de variação, comparável a sistemas de menor porte e vazão por hectare;

- o sistema de propulsão com relé percentual de ciclo reduzido e alta velocidade de deslocamento das torres minimiza os efeitos de redução da uniformidade, reduz o tempo de giro e a lâmina por volta, adequando o equipamento à praticas de quimigação;

- o sistema apresenta alta taxa de aplicação, favorecendo a ocorrência de escoamento superficial;

- a distribuição de pressões, obtida pela equação desenvolvida, depende da seleção adequada dos fatores "F" e "C" e da uniformidade de aplicação de água e, no caso estudado, a distribuição piorou com a redução do diâmetro da tubulação.

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Recebido para publicação em 20.02.97

Aceito para publicação em 02.02.98

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  12 Nov 1998
• Data do Fascículo
  Jan 1998

Histórico

• Recebido
  20 Fev 1997
• Aceito
  02 Fev 1998