Pesquisas aplicadas sobre hidráulica de sistemas de irrigação pressurizados & Resultados da INITL

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1 Pesquisas aplicadas sobre hidráulica de sistemas de irrigação pressurizados & Resultados da INITL Antonio Pires de Camargo Laboratório de Ensaios de Material de Irrigação LEMI / INCT-EI / ESALQ / USP

2 1) Perda de carga em tubos elásticos(friction head loss along elastic pipes) 2) Estudos de perda localizada de carga utilizando análise dimensional (Studies related to local head losses based on dimensional analysis) 3) Rugosidade da superfície interna de tubos plásticos (Roughness of the internal surface of plastic pipes) 4) Avaliação dos efeitos da obstrução na hidráulica de linhas laterais (Assessment of clogging effects on lateral hydraulics) 5) Rede Internacional de Laboratórios de Ensaio de Material de Irrigação (International Network of Irrigation Testing Laboratories - INITL)

3 Perda de carga em tubos elásticos (Friction head loss along elastic pipes) Modificação da Equação de Darcy-Weisbach para estimativas de perda de carga em tubos elásticos Tubos de polietileno de baixa densidade

4 Quantificação do erro na determinação da perda contínua de carga em tubos elásticos (Error quantification on determining the friction head loss of elastic pipes) DOI: /S (Engenharia Agrícola, v.33, n.6) Rettore Neto O, Botrel TA, Frizzone JA, Pinto MF, Camargo AP - A seção transversal de tubos de polietileno está sujeita a alterações devido a pressão no interior do tubo - Equações tradicionais para cálculo de perda de carga não consideram este efeito (Darcy Weisbach, Flamant, Hazen-Williams) Qual é o erro cometido por negligenciar essas variações de seção do tubo como resultado da pressão no interior do tubo?

5 DETERMINAÇÃO DA VARIAÇÃO DE DIÂMETRO DEVIDO A PRESSÃO ENGENHARIA DE IRRIGAÇÃO Manômetro tipo peso morto (Dead-weight manometer) Micrômetro por varredura a laser - Resolução de 0,2 μm (Laser scan micrometer) -Tubo de polietileno de baixa densidade com tratamento UV - Espessura de parede = 0,996 mm - Diâmetro externo inicial = 17,64 mm D = +0,5 mm = +2,83% - Variação de pressão = 0 a 600 kpa

6 ANÁLISE TEÓRICA ENGENHARIA DE IRRIGAÇÃO Análise de sensibilidade: Efeito da variação de diâmetro na velocidade de escoamento D=+2,83% V=-5,44% Dados utilizados para a análise: - Q = 0,9326 m³/h (constante) - Dmin (p=0kpa): 17,64 mm - Dmax (p=588,4kpa): 18,14 mm Análise de sensibilidade: Efeito da variação do diâmetro na perda de carga Dados utilizados para a análise: - Equação de Darcy Weisbach - f : Equação de Swamee (1993) - Dmin (p=0kpa): 17,64 mm - Dmax (p=588,4kpa): 18,14 mm D=+2,83% hf=-12,53%

7 Perda de carga estimada (m) RESULTADOS EXPERIMENTAIS Velocidades de ensaio: 1,06 ; 1,56 ; 1,87 m/s Velocidade de escoamento =1,06 m/s Valores superestimados de perda de carga utilizando-se a Equação de Darcy-Weisbach Perda de carga observada (m) Velocidade de escoamento =1,06 m/s Quantificação do erro na estimativa de perda de carga Darcy-Weisbach 15% Hazen-Williams 22% Flamant 30% Dados experimentais

8 Method for determining friction head loss along elastic pipes (Método para determinação da perda continua de carga em tubos elásticos) DOI: /s (Irrigation Science, online, 2014) Rettore Neto O, Botrel TA, Frizzone JA, Camargo AP Como melhorar a estimativa de perda de carga em tubos elásticos? Como corrigir os efeitos da pressão na variação da seção transversal de tubos elásticos?

9 Diâmetro de um tubo pressurizado (D p ): D p = f D 0, p, E, e Teoricamente deduziu-se que: D p = 1 p D 0 Limitações: e E - Assumiu-se que o material é isotrópico (ensaios de tração uniaxiais) - Efeitos de temperatura no módulo de elasticidade não foram considerados Equação de Darcy-Weisbach modificada para tubos elásticos: D 0 hf l = f l D 0 1 p D 0 e E V 2 2g hf l : Perda contínua de carga ao longo de um segmento de tubo com comprimento l p: Pressão no trecho considerado D 0 : Diâmetro interno do tubo não pressurizado e: Espessura da parede do tubo não pressurizado E: Módulo de elasticidade do material do tubo V : Velocidade de escoamento no trecho considerado Cálculo trecho-a-trecho (step-by-step) é essencial devido a queda de pressão ao longo da tubulação Pressure-Dependent Head Loss Equation (PDHLE) Irrigation Science Reviewers

10 Perda de carga estimada (m) Perda de carga estimada (m) RESULTADOS EXPERIMENTAIS Velocidades de ensaio: 1,06 ; 1,56 ; 1,87 ; 2,64 ; 2,90 m/s Equação de Darcy-Weisbach Velocidade de escoamento =1,06 m/s Equação de Darcy-Weisbach modificada (PDHLE) Velocidade de escoamento =1,06 m/s Perda de carga observada (m) Perda de carga observada (m)

11 RESULTADOS EXPERIMENTAIS Equação de Darcy-Weisbach Erro relativo (%) = Estimado Observado Observado Equação de Darcy-Weisbach modificada (PDHLE) 100 Erro Máximo 24% Tendência crescente Erro máximo 5% Sem tendência CONCLUSÃO

12 Estudos de perda localizada de carga (Studies related to local head losses / minor losses) Análise dimensional e Teorema de Buckingham Regressão linear múltipla

13 Dimensional analysis approach to estimate local head losses in microirrigation connectors (Equação baseada em análise dimensional para estimativa da perda localizada de carga em conectores utilizados em microirrigação) DOI: /s y (Irrigation Science, v. 32, n.6, 2014) Zitterell DB, Frizzone JA, Rettore Neto O - OBJETIVO: Ajustar uma equação que estime a perda localizada de carga que ocorre na passagem lateral de conectores utilizados em linhas laterais de irrigação - MATERIAL: - 11 modelos de conectores - 12 diâmetros de microtubos - Total: 15 conjuntos de microtubo+conector

14 Perda localizada de carga na ENGENHARIA DE IRRIGAÇÃO passagem lateral do conector -Geometria do conector -Diâmetro do microtubo Microtubo (12 diâmetros) Seção de escoamento constante: 5 modelos (A,B,C,D,E) Seção de escoamento variável: 6 modelos (F,G,H,I,J,K)

15 Perda de carga no conector (hf c ) hf c = φ (D t, D ie, D is, L c, V t, g, υ) Termos π (Teorema de Buckingham): hf c D t = D ie D t, D is D t, L c D t, g D t V t 2, υ D t V t hf c D t = k D ie D t a1 Dis D t a2 Lc D t a3 g Dt V t 2 a4 υ D t V t a5 Dados experimentais necessários para ajuste do coeficientes.

16 Dados experimentais de perda localizada de carga ENGENHARIA DE IRRIGAÇÃO Conectores com seção de escoamento constante 0 a 256 L/h Conectores com seção de escoamento variável 0 a 3600 L/h

17 Ajuste de coeficientes por regressão linear múltipla: hf c D t = 1,093 D ie D t 5,739 Dis D t 2,156 Lc D t 0,925 g Dt V t 2 1,291 υ D t V t 0,611 Equação para determinação da perda localizada de carga na passagem lateral de conectores g = 9,81 m s 2 hf c = 0, υ0,611 D is 2,156 Dt 1,756 V t 1,971 L c 0,925 D ie 5,739 hf c : perda localizada de carga na passagem lateral do conector (m) D ie : diâmetro interno de entrada do conector (m) 2,3 D ie 7,9 mm D is : diâmetro interno de saída do conector (m) 2,3 D is 12,0 mm L c : comprimento do conector (m) 21,5 L c 65,0 mm D t : diâmetro interno do microtubo (m) 4,1 D t 12,9 mm V t : velocidade de escoamento no microtubo (m s -1 ) 0,36 V t 7,58 m s R e 66000

18 Conectores com seção de escoamento variável ENGENHARIA Conectores com DE seção IRRIGAÇÃO de escoamento constante

19 Dissertação: Perda de carga em conectores iniciais da irrigação localizada Vilaça FN, Frizzone JA (2012) - OBJETIVO: Ajuste de equações para cálculo da perda localizada de carga na passagem direta e lateral causada pela presença de conectores iniciais de linha - Perda de carga na passagem direta - Perda de carga na passagem lateral - MATERIAL AVALIADO: - 5 modelos de conector - 3 diâmetros de tubos de PVC (linha de derivação) - 5 diâmetros de tubos de polietileno (linha lateral)

20 Dissertação: Modelo para determinar a perda localizada de carga em tubos com gotejadores cilíndricos integrados Perboni A, Frizzone JA (2012) - OBJETIVO: Ajuste de equações para cálculo da perda localizada de carga em tubos com gotejadores cilíndricos integrados - MATERIAL: - 3 emissores convencionais (NPC drippers) - 9 emissores auto-compensantes (PC drippers) Trabalhos em andamento para aprimoramento das equações: -Uso de Redes Neurais Artificiais (Artificial Neural Networks) -Ajustes bem melhores -Busca de parceiros para cooperação...

21 Rugosidade da superfície interna de tubos plásticos (Roughness of the internal surface of plastic pipes)

22 Dissertação (ESALQ/USP): Rugosidade superficial interna de tubos para irrigação Rocha HS (2014) - PROBLEMA: - Rugosidade da superfície interna de tubos é um parâmetro importante na estimativa de perda de carga - Valores de ε recomendados para PVC/Plásticos (Fontes citadas no Manual de Hidráulica, Azevedo Netto, 8ª ed) - <10µm; - 30 a 100µm; - 20 µm; - 80 a 120 µm; µm Afinal, o quanto a rugosidade afeta a perda de carga?

23 - Dados da análise de sensibilidade: - D = 20 mm; - 1 µm ε 120 µm; - V: 0,1 ; 0,2 ; 0,5 ; 1,0 ; 1,5 ; 2,0 m/s - ν = 1, m²/s (T=20ºC) - L = 100 m - f : Swamee (1993) ENGENHARIA DE IRRIGAÇÃO Número de Reynolds ε: 1 a 120 µm hf = 60% Rugosidade exerce influência significativa nas estimativas de perda de carga e deve ser determinada adequadamente

24 - OBJETIVOS: - Elaboração de procedimento para determinação da rugosidade da superfície interna de tubos baseado em medições utilizando rugosímetro de bancada - Determinação dos parâmetros de rugosidade mais adequados para representar o parâmetro de rugosidade utilizado nos cálculos de perda de carga (Problema... Lista com inúmeros parâmetros que representam rugosidade de superfícies) - Atualização dos valores da rugosidade da superfície interna de tubos de PVC e polietileno - MATERIAL AVALIADO: - Tubos de PVC: 35, 50 e 75 mm - Tubos de polietileno de baixa densidade: 10, 13, 16, 20 e 26 mm

25 Projetor de perfil: Determinações de diâmetro interno dos tubos Starrett HB400 Horizontal Benchtop Optical Comparator

26 Determinações da rugosidade da superfície interna dos tubos Surface roughness testing system Mitutoyo SV600 Medições no sentido longitudinal e transversal

27 RESULTADOS: Tubos de PVC com diâmetro entre 35 e 75 mm Parâmetro de rugosidade mais adequado: Rc Rc: Média das amplitudes máximas detectadas ao longo de cada trecho de amostragem. A amostragem completa contém 5 trechos. Rugosidade média recomendada para tubos de PVC: 4,431 µm Valor mínimo: 3,820 µm Valor máximo: 5,370 µm

28 RESULTADOS: Tubos de polietileno de baixa densidade com diâmetros entre 10 e 26 mm Parâmetro de rugosidade mais adequado: Ra Ra: Integral do módulo de picos e vales detectados ao longo do comprimento de amostragem, dividido pelo comprimento de amostragem Ra = 1 y x dx l m 0 l m Rugosidade média recomendada para tubos de polietileno: 3,143 µm Valor mínimo: 1,644 µm Valor máximo: 5,119 µm

29 Avaliação dos efeitos da obstrução na hidráulica de linhas laterais

30 Assessment of clogging effects on lateral hydraulics: proposing a monitoring and detection protocol (Avaliação dos efeitos da obstrução na hidráulica de linhas laterais: proposta de um protocolo para monitoramento e detecção) DOI: /s z (Irrigation Science, v.32, n ) Camargo AP, Molle B, Tomas S, Frizzone JA PROBLEMA: Obstrução é um dos maiores problemas de manutenção em sistemas de microirrigação Agentes físicos, químicos e biológicos Mudanças severas nas condições operacionais de sistemas de irrigação Redução da vida útil do sistema (Potencial: >10 anos, Obstrução: 3 anos ) Abandono prematuro de sistemas de irrigação Resíduos plásticos

31 PROPOSTA: Investir na manutenção preventiva do sistema de irrigação O monitoramento de parâmetros hidráulicos do sistema permite detectar problemas de obstrução em linhas laterais de irrigação Rotinas de manutenção devem ser executadas sempre que limites forem caracterizados Prolongamento da vida útil de sistemas de irrigação OBJETIVOS: Propor metodologia para simulação de cenários de obstrução em uma linha lateral em nível, com gotejadores convencionais (NPC drippers) Propor protocolo baseado na medição de parâmetros hidráulicos para detecção da severidade e aproximação da posição em que o problema se concentra

32 Cenários de obstrução ENGENHARIA DE IRRIGAÇÃO Condição A: Obstrução moderada evoluindo a partir do final da lateral Condição B: Obstrução severa evoluindo a partir do final da lateral Condição C: Obstrução severa seguida por obstrução moderada, evoluindo a partir do final da lateral Condição D: Obstrução moderada evoluindo a partir do início da lateral Condição E: Obstrução severa evoluindo a partir do início da lateral

33 Simulações: Cálculo trecho-a-trecho da perda de carga: hf Se = f S e V 2 D 2 g + K V 2 L 2 g hf Se : Perda de carga entre dois emissores consecutivos S e : Espaçamento entre emissores D: Diâmetro interno da tubulação V: Velocidade média de escoamento no trecho considerado K L : Coeficiente de perda localizada de carga devido a inserção do emissor na lateral Dificuldades: A vazão dos emissores varia ao longo da lateral devido ao nível de obstrução em cada emissor Método iterativo é necessário para o ajuste dos perfis de pressão, vazão e perda de carga ao longo da linha

34 Soluções de f válidas para todos os regimes de escoamento: A) Churchill (1977) (Citado por Allen 1996) A = ln f = 8 7 R e R e ε D 1 A + B ; B = R e 16 B) Swamee (1993) f = 64 R e 8 + 9,5 ln ε 3,7 D + 5,74 0, R e R e ,125 C) Romeo et al. (2002) 1f = 2 log ε 3,7065 D 5,0272 log R e ε 3,827 D 4,567 log R e ε 7,7918 D 0,9924 5, ,815 + R e 0,9345

35 ENGENHARIA DE IRRIGAÇÃO Comparação de valores estimados e observados de perda de carga e vazão (Validação do método de simulação proposto)

36 Efeito da obstrução no perfil de pressão da linha lateral B: Obstrução evoluindo a partir do final da lateral E: Obstrução evoluindo a partir do início da lateral 1) A perda de carga diminui com o aumento do nível de obstrução nos emissores 2) Para um dado nível de obstrução, a perda de carga é maior quando a obstrução dos emissores está concentrada no início da linha lateral

37 Condição: E Perda de carga não é um bom indicador de nível de obstrução em linhas laterais, mas é sensível a posição na qual o problema se concentra ao longo da lateral. Condição: D Condições: A, B e C

38 Clogging level - P ( - ) 0,5 Vazão é um bom indicador de nível de obstrução em linhas laterais 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Flow rate - Q (Lh -1 ) A-estimated B-estimated C-estimated D-estimated E-measured Normal-estimated

39 Flow rate (L/h) Condição normal Head loss along the lateral (mca) Gráfico para estimativa do nível e localização de obstrução em uma linha lateral de irrigação com base em medições de vazão e perda de carga - 50% de redução de vazão - Problema concentrado no final da linha

40 Aplicação WEB para simulação de cenários de obstrução em linhas laterais ( ) Open-source: (Framework ExtJs 4 - Sencha)

41 International Network of Irrigation Testing Laboratories (INITL)

42 International Network of Irrigation Testing Laboratories França/Brasil: Organização de ensaios interlaboratoriais envolvendo laboratórios de mais de 15 países Aspersores e gotejadores já foram avaliados por 4 laboratórios (França, Brasil, China e Austrália) Objetivo principal: Estabelecer uma rede de colaboração para o desenvolvimento e aprimoramento de metodologias e estruturas utilizadas para ensaios de material de irrigação

43 Determinação da uniformidade de vazão de gotejadores Norma de referência para os ensaios: ISO 9261:2004 Gotejadores John Deere Water modelo E1000 (NPC) (1) 2L/h, (2) 4 L/h, (3) 8 L/h

44 Determinação curva vazão-pressão de gotejadores Norma de referência para os ensaios: ISO 9261:2004

45 Determinação da curva vazão-pressão de aspersores Normas de referência para os ensaios: ISO 7749:1995, ISO 15886:2012

46 Determinação do perfil de distribuição radial de aspersores Normas de referência para os ensaios: ISO 7749:1995, ISO 15886:2012

47 Determinação do perfil de distribuição radial de aspersores Critério de validação de ensaios: Desvio entre vazão medida e vazão reconstituída Q rec = n i=1 2 π d r 0 i x i t δ = 100 Q reconstituida Q medida Q medida Reprovado Limite para validação de ensaios 5% Aprovado Critério muito rigoroso

48 Aplicação WEB para o processamento de resultados de ensaios de aspersores Desenvolvimento de aplicação WEB para processamento de dados de ensaios de aspersores (Brasil/França) Objetivos: Padronizar rotina de cálculos (processamento de dados) Estabelecer um relatório de ensaios padrão que facilite a comparação de resultados de ensaios entre os laboratórios Aplicação WEB Framework ExtJs 4 (Sencha) JavaScript Open-source Processamento de resultados do ensaio radial de aspersores Simulações de uniformidade de distribuição para o arranjo retangular e triangular de aspersores (Interpolações utilizando Polinômio Interpolador de Lagrange Grau 2) Exportação de relatório de ensaios no formato pdf Disponível no idioma Português e Inglês

49 INTERFACE DE ENTRADA DE DADOS Informações do laboratório, material e ensaio Intensidades de precipitação ao longo do raio de distribuição do aspersor

50 INTERFACE DE RESULTADOS Perfis de distribuição, raio de alcance, vazão reconstituída e desvio de vazões Simulações de uniformidade para arranjo retangular e triangular

51 RELATÓRIO DE ENSAIO

52 OBRIGADO! Antonio Pires de Camargo Laboratório de Ensaios de Material de Irrigação Pesquisador INCT-EI Especialista em Laboratório ESALQ/USP Fone: