IRRIGAÇÃO POR PIVÔ CENTRAL

Transcrição

1 IRRIGAÇÃO POR PIVÔ CENTRAL Introdução Num passado não muito distante, irrigação era sinônimo de trabalho humano intenso. Desde a pré-história o homem vem desviando ribeirões para irrigar suas plantações, o que envolve a construção de canais, represas e diques. Nos tempos modernos, vieram os sistemas de irrigação convencionais por sulco, que também envolviam quantidades elevadas de tempo e energia, seja para levar a água até o campo ou para abrir novas áreas e fechar as linhas que não necessitavam de mais água, sem contar na constante preocupação com erosão. O desenvolvimento de sifões nos anos 40 estimulou a substituição nos sistemas de irrigação por sulcos, porém o manejo de conjuntos de tubulações rígidas era um tanto incômodo e pouco prática. Mais recentemente, o desenvolvimento de tubulações de engate rápido promoveu uma redução significativa no trabalho que envolvia o manejo do sistema. A tecnologia de irrigação por aspersão veio sendo criada desde a II Guerra Mundial, com a invenção dos aspersores rotativos e da disponibilidade de tubos de alumínio, razoavelmente baratos. Nos primeiros sistemas, os tubos de alumínio eram conectados e os aspersores eram mantidos acima da cultura por tubos de elevação. Mas esse sistema ainda exigia grande demanda de trabalho, pois após a aplicação da água em uma linha, esta tinha que ser desmontada, movida e remontada na próxima linha a irrigar. Algumas mudanças foram feitas para melhorar o sistema, como bombear a água por uma linha principal onde eram conectadas tubulações formando linhas laterais que podiam ser desconectadas, movidas e remontadas mais adiante. A vantagem deste sistema é que o transporte da tubulação pode ser feita por uma carreta e um trator, reduzindo ainda mais a demanda de mão-de-obra. Entretanto, por volta de 1950, aparece no Estado de Nebrasca (EUA) o primeiro sistema de pivô central, inventado por Frank Zybach. Este sistema foi patenteado em 1952 e sua produção em série começou um ano depois. (Figura 1). O sistema de pivô-central permitiu a automação de todo o processo. Os primeiros sistemas foram projetados para ajustar-se ao terreno devido à capacidade da tubulação de fletir entre as torres. O desenvolvimento de juntas flexíveis, colocadas em cada torre, permitiu ao sistema adequar-se melhor a várias condições de terreno. Sistemas que controlavam automaticamente a aplicação de água, através de válvulas programadas eletronicamente, foram instalados no leste do Colorado no fim dos anos sessenta. Outras vantagens desse sistema foram sendo descobertas, como: a possibilidade de aplicação da lâmina d água lenta e freqüentemente, na intensidade de aplicação desejada, o que representa uma grande vantagem quando se pensa em solos arenosos ou mesmo argilosos; e a pequena demanda de mão-de-obra na operação do sistema. Porém algumas dificuldades também foram aparecendo, como: o alto custo de implantação do sistema; e o fato de o sistema cobrir áreas circulares, deixando sempre vértices ou cantos entre os pivôs sem cobertura. Prof. Dr. Roberto Testezlaf 1

2 Figura 1: Imagem aérea de propriedades que utilizam pivô central. No Brasil, cujo modelo econômico sempre baseou-se na exportação de matérias-primas e importação de tecnologias, somente na década de 80 houve um aumento significativo na área irrigada por sistemas de pivô-central. O melhor exemplo para este caso é o do município de Guaíra - SP, que contava, na safra 80/81, com menos de 20 equipamentos e, na safra 90/91, apresentava em torno de 205 pivôs. OLITTA (1990) confirmou este crescimento através de dados da ABIMAQ/SINDIMAQ, mostrando que, entre 1982 e 1989, foram comercializados no Brasil, em torno de 3000 pivôs. A fácil aceitação e a alta demanda do mercado, por essa técnica fizeram com que a maioria dos fabricantes nacionais de equipamentos de irrigação adquirisse no exterior, sobretudo nos EUA, projetos completos desse equipamento. Desta forma, o sistema de pivô-central é um dos métodos de irrigação automatizado mais utilizado na atualidade em todo o mundo. A descrição de todo o sistema, assim como as principais características dos principais sistemas de pivô-central serão abordados na presente publicação. Descrição do sistema A Figura 2 apresenta um esquema da instalação em campo de um sistema de pivô central, enquanto que a Figura 3 mostra um esquema de da vista lateral deste sistema, salientando as suas principais partes. As seguintes partes deste sistema serão caracterizadas adiante: torre central, caixa de controle, anel coletor, tubulação de distribuição, torres móveis, conjunto moto-redutor, junta flexível, lance final em balanço e canhão final. Prof. Dr. Roberto Testezlaf 2

3 Figura 2: Esquema da instalação de um pivô central em campo. Figura 3: Esquema de uma vista lateral de um pivô central. Pivô Central ou Torre Central Fixa A torre central fixa está localizada no centro da área circular irrigada e é onde toda estrutura móvel está ancorada. Sua forma é piramidal de base quadrada, sendo a sua estrutura construída normalmente de aço zincado (Figura 4). Esta estrutura é submetida a esforços consideráveis no momento em que a lateral executa o movimento circular juntamente com o bombeamento da água através da tubulação. Portanto, é necessário que a torre central seja instalada sobre uma base de concreto armado. A área desta base de concreto armado é de aproximadamente 3,0 x 3,0 m e o volume do bloco de 9,0 m 2 se a lateral é somente concretada à parte superior da torre. Prof. Dr. Roberto Testezlaf 3

4 Figura 4: Torre central fixa. Caixa de Controle É onde está localizado o comando central elétrico do sistema. Está montada na torre central, sendo construído em armário à prova de variações climáticas. Através de controles elétricos, mecânicos ou eletrônicos aí dispostos, é possível controlar o avanço e retrocesso do pivô, o tempo necessário para completar uma volta, injeção de fertilizantes e o sistema moto-bomba (Figura 5). A caixa ou painel de controle contem: chave geral, que permite ligar e desligar a conexão elétrica, a chave de partida, que possibilita ligar o pivô para frente ou em reversão, voltímetro, horímetro, e o relê percentual, que determina a velocidade do sistema. Anel Coletor É o sistema utilizado para transferir a energia elétrica do pivô para as unidades propulsoras. Existem basicamente dois sistemas distintos de anéis coletores, um onde o cabo elétrico de alimentação passa externamente à tubulação do pivô sem interferir no fluxo de água e outro onde este cabo passa internamente à tubulação (Figura 5). Tubulação de Distribuição A tubulação ou linha lateral dotada de aspersores ou sprays é constituída geralmente por tubos de aço zincado sendo os diâmetros mais utilizados de 6.5/6 e 8 (Figura 6). Esta linha mantêm-se suspensas através de um sistema de torres e suportadas por treliças e tirantes. Geralmente a altura livre sob a estrutura é igual a 2,70 m para culturas normais ou 3,70 m para culturas de porte elevado (por ex.: cana de açúcar). Os aspersores são instalados na tubulação de distribuição espaçados geralmente de distâncias múltiplas de 3,2 m. Torres Móveis (unidades propulsoras) As torres móveis sustentam todo o conjunto de tubulações de distribuição com seus aspersores. Elas estão distanciadas um das outras de 24,4 m a 72,2 m (em média 38,5 m), Prof. Dr. Roberto Testezlaf 4

5 ao longo da linha lateral. São equipadas com pneus tipo trator de banda de rodagem larga (Figura 7). Figura 5: Torre central, caixa de controle, anel coletor superior com cabos passando internamente à tubulação. Figura 6: Tubulação de distribuição sendo montada no campo. Conjunto Moto-Redutor Cada torre é equipada com um motoredutor, constituído de motor elétrico blindado com potências de ½, ¾, 1 ou 1 ½ CV, 480 V, e moto-redutor com engrenagens para serviço pesado (Figura 8). O torque é transmitido aos redutores de rosca sem fim das rodas através de eixos cardãs (Figura 9). Prof. Dr. Roberto Testezlaf 5

6 Figura 7: Torre móvel com detalhes da transmissão de movimento por eixo cardã. Figura 8: Detalhe do moto-redutor em vista aberta. Junta Flexível A união entre dois lances de torres é feita através de uma junta flexível articulada que permite movimentos em qualquer direção e que não transmite esforços à torres subsequentes, esforços esses mostrados pelas setas na Figura 10. Lance Final em Balanço Após a última torre, a tubulação do pivô é prolongada pelo lance em balanço, cujo objetivo é aumentar a área irrigada (Figura 11). Prof. Dr. Roberto Testezlaf 6

7 Figura 9: Vista do sistema de moto-redução das torres. Figura 10: Vista da junta flexível e dos tipos de esforços a que é submetida com o movimento das torres. Figura 11: Lance final em balanço e o canhão final. Prof. Dr. Roberto Testezlaf 7

8 Canhão Final Com o objetivo de incrementar a área irrigada no anel externo do pivô é instalado, no final do lace em balanço, um canhão hidráulico com dispositivo setorial (Figura 11). Para os sistemas de baixa pressão é necessário a utilização de uma bomba booster para elevar a pressão do sistema. Operação do Sistema O abastecimento de água é realizado através de uma adutora de conexão entre a fonte de água e a unidade do pivô. Esta adutora é composta de uma moto-bomba com seus acessórios e uma tubulação de adução com diâmetro dimensionado de acordo com a vazão, comprimento da linha, perda de carga por atrito e pressão de serviço. A tubulação de adução pode ser constituída de vários materiais como: aço zincado, fibrocimento, ferro fundido, PVC, etc. A moto-bomba deverá ter o acionamento mais conveniente ao irrigante (diesel, elétrico, etc.). A propulsão do pivô central é geralmente elétrica, operando a uma tensão especial de 480V (ou 440V), trifásico, 60 Hz, o que torna sempre necessário a aquisição de um transformador. A velocidade de rotação de cada torre e do avanço da linha de distribuição é determinada pela velocidade da torre externa, que é regulada na caixa central de controles. A velocidade é determinada pelo relê percentual, cujos valores percentuais indicam a relação de tempo entre a energização do motor da última torre e a desenergização do mesmo. Por exemplo um valor de 50% no relê percentual indica que a última torre se movimentará por um período de tempo (30 segundos, por exemplo), cujo valor depende do fabricante e ficará parada pelo mesmo espaço de tempo. A velocidade e o perfeito alinhamento das demais torres são comandados pelas caixas de controles individuais existente em cada torre (Figura 12), que possuem micro-interruptores de alta sensibilidade (Figura 13). Portanto, o movimento da última torre desencadeia uma reação de avanço em cadeia, a começar da segunda torre a partir do anel externo do pivô, progredindo para o centro. Se o sistema de alinhamento falha e alguma unidade desalinha excessivamente, um dispositivo de segurança é acionado e o sistema para automaticamente. Figura 12: Caixa de controle individual de cada torre. Prof. Dr. Roberto Testezlaf 8

9 Figura 13: Vista de micro-interruptores utilizados nas caixas de controle, Características e tipos de sistema A água é aplicada ao solo a uma baixa taxa de aplicação perto do pivô (centro), tornando-se progressivamente alta quando caminhamos para a extremidade externa. As taxas de aplicação variam ao longo da linha lateral, porque o intervalo de tempo que a água é aplicada por unidade de comprimento da lateral diminui ao longo do pivô para o anel externo. Como no anel externo do pivô a velocidade de deslocamento das torres aumenta mantendo constante a velocidade angular, o tempo de aplicação diminui nesta área, e para que seja mantida a mesma lâmina bruta aplicada ao longo de toda a área, deve-se aumentar a taxa de aplicação neste anel (Figura 14). Na parte interna do pivô a velocidade das torres é menor, o que ocasiona uma diminuição do tempo de aplicação, portanto para manter a lâmina bruta aplicada constante a taxa de aplicação deve diminuir. O tipo dos aspersores, os seus espaçamentos laterais, o diâmetro molhado de cada um, afeta a taxa de aplicação ao longo da linha lateral. Existem três variações comuns nos tipos de aspersores e arranjos ao longo da lateral que podem uniformizar a distribuição da água. Sistema com Espaçamento Constante Aspersores são espaçados de modo uniforme ao longo da lateral, aumentando gradativamente o tamanho dos aspersores ou dos diâmetros dos bocais em direção à extremidade externa do pivô. A pressão de serviço recomendada para estes sistemas varia de 4,0 Kg/cm 2 a 7,0 Kg/cm 2. Sistemas de Espaçamento Variado Aspersores menores, de baixa ou média pressão, são espaçados com redução progressiva do pivô para a extremidade externa. A pressão de serviço recomendada para esse caso é de 3,0 Kg/cm 2 a 5,0 Kg/cm 2. Prof. Dr. Roberto Testezlaf 9

10 Sistemas de Sprays ou Baixa Pressão Apresentam aspersores do tipo spray (baixa pressão) espaçados uniformemente ou não ao longo da tubulação. A pressão de serviço recomendada para este caso varia entre 1,2 Kg/cm 2 e 5,0 Kg/cm 2 (Figura 15). L = 500 m R= 500 m t = 24 horas w = 0,26 rad/h v = 130 m/h R= 200 m v = 52,4 m/h Figura 14: Esquema de distribuição de água em pivô central. A Figura 16 apresenta cinco tipos de arranjos de aspersores em pivôs centrais que foram comercializados no mercado nacional. Figura 15: Vista de um pivô de baixa pressão em funcionamento. Prof. Dr. Roberto Testezlaf 10

11 Figura 16: Tipos de distribuição de água por pivôs. Sistema Sub-Copa Devido a dificuldades encontradas na irrigação de culturas cujas plantas apresentam alturas relativamente elevadas, como café e laranja, surgiu uma das últimas inovações em pivôs centrais, o sistema sub-copa (Figura 17), cujos emissores ficam abaixo das copas das árvores, permitindo a aplicação de água diretamente no solo no pé da planta, aumentando assim a eficiência de aplicação (Figura 18). Sistema Linear Outro sistema mecanizado de irrigação montado sobre rodas, similar aos equipamentos de pivô, é o sistema linear de aspersão (Figura 19). É constituído por uma linha lateral montada a partir de torres centrais com 2 ou 4 rodas (Figuras 20 e 21), mas que desloca-se transversalmente sobre a cultura, e não em círculo. Ao longo da área da cultura há uma canalização lateral de captação que também serve de eixo para as rodas das torres. Na lateral estão instalados aspersores de tamanho pequeno a médio, obedecendo o espaçamento compatível para fornecer uma precipitação uniforme ao longo da linha. Esta linha lateral pode estar conectada a uma canalização lateral pressurizada (Figura 22), ou então a um canal aberto, neste caso o bombeamento é feito na própria torre. Prof. Dr. Roberto Testezlaf 11

12 Figura 17: Vista do sistema de pivô com aplicação sub-copa (Fonte: Valley Irrigation). Figura 18: Esquema do sistema de emissores sub-copa (Fonte: Valley Irrigation). Figura 19: Sistema linear de irrigação (Fonte: Valley Irrigation). Prof. Dr. Roberto Testezlaf 12

13 Figura 20: Torre central com duas rodas para sistemas lineares (Fonte: Valley Irrigation). Vantagens e limitações no uso de pivô central O sistema de irrigação pivô central apresenta vantagens e limitações em relação ao sistema de aspersão convencional. Estas vantagens eliminam muitas dificuldades mecânicas e problemas operacionais associados a outros tipos de máquinas de irrigação autopropelidas. As principais vantagens são: A condução de água é simplificada pelo uso de um ponto estacionário de entrada da água na área de projeto; A orientação e alinhamento do sistema são controlados através do ponto do pivô; Obtém-se facilmente elevados valores de uniformidade de aplicação; Após completar uma irrigação, o sistema estará posicionado para o início de uma nova irrigação; O manejo da irrigação é facilitado devido à facilidade de controle da lâmina d água aplicada; Possibilita a aplicação precisa de fertilizantes e outros produtos químicos na água de irrigação; Sua flexibilidade de operação auxilia no desenvolvimento de esquemas de uso da rede elétrica. Há, no entanto, certas limitações no uso do sistema de irrigação pivô central. As maiores limitações no uso deste sistema são: Considerando-se o ponto do pivô de uma área quadrada de 64,8ha, somente 50,3ha poderão ser irrigados. Isto representa 20% de área não irrigada a não ser que se instale equipamentos especiais, os quais aumentam consideravelmente o custo e a complexidade do sistema; A intensidade de aplicação de água na extremidade da lateral pode atingir valores entre 25 e 200mm/h, dependendo da configuração dos aspersores; Para reduzir ou eliminar problemas de deflúvio superficial associados a estas altas taxas de aplicação de água, é possível utilizar irrigações mais freqüentes com menores lâminas. Assim, pode ser necessário operar o sistema em mais de uma Prof. Dr. Roberto Testezlaf 13

14 revolução por dia, o que pode não ser ideal para a cultura ou para o uso eficiente da água; Desde que a faixa circular concêntrica irrigada por cada incremento no raio é sempre maior do que o anterior, a maior parte da água é utilizada no fim da lateral, o que resulta em elevada perda de carga; Pode existir grande diferença de nível entre as posições do fim da lateral a medida que o sistema se movimenta, resultando em elevada variação na vazão devido à topografia do terreno. Figura 21: Torre central com quatro rodas para sistemas lineares (Fonte: Valley Irrigation). Figura 22: Esquema de funcionamento do sistema linear. Como as vantagens apresentadas sobrepõem-se às limitações, o sistema de irrigação do tipo pivô central teve boa aceitação em certas regiões, onde ocorreu um aumento repentino deste tipo de sistema de irrigação, tornando indiscutível a importância do manejo racional da irrigação para este sistema. Prof. Dr. Roberto Testezlaf 14