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PERDA DE CARGA EM CONECTORES UTILIZADOS EM SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO LOCALIZADA LUIZ JOSÉ VIEIRA DE MELO1 ELIO LEMOS DA SILVA2 MANOEL ALVES DE FARIA3 RESUMO - Este trabalho foi realizado no Laboratório de Testes de Equipamentos para Irrigação, anexo ao Laboratório de Hidráulica do Departamento de Enge- nharia da Universidade Federal de Lavras, para deter- minação de equações de perda de carga localizada em três modelos de conectores da marca Hardie Irrigation (HI 12, HI 14 e HI16), utilizados na passagem da água da linha de derivação para a linha lateral, em sistemas de irrigação localizada. Foram desenvolvidos dois pro- cedimentos de avaliação, o primeiro com todo o fluxo de água escoando apenas pela linha de derivação ou pela linha lateral e o segundo com parte da água sendo derivada para uma linha lateral com seis valores dife- rentes de vazão, equivalentes à velocidade da água no início da linha lateral de 0,5 m/s, 1,0 m/s, 1,5 m/s, 2,0 m/s, 2,5 m/s e 3,0 m/s. A realização dos ensaios de per- da de carga com um fluxo constante de água na linha lateral possibilitou a obtenção de equações de perda de carga, na passagem lateral e na passagem direta, em função da velocidade da água na linha de derivação à montante do conector e da velocidade da água na linha lateral. Esses modelos de equação, que apresentaram altos coeficientes de ajuste, possibilitam a determinação da perda de carga localizada numa situação mais pró- xima da realidade de campo, ou seja, com a linha de emissores em funcionamento. As equações mostraram que, em geral, o fluxo de água na linha lateral exerce pouca influência sobre os valores finais de perda de carga na passagem direta. Os valores de perda de carga localizada na passagem lateral foram mais elevados nas peças onde existe uma maior diferença entre o diâmetro de passagem inicial do conector e o diâmetro interno da linha lateral. As perdas de carga localizada produzidas por esses conectores são elevadas e devem ser consideradas com bastante critério no dimensiona- mento hidráulico do sistema de irrigação localizada. TERMOS PARA INDEXAÇÃO: Irrigação, irrigação localizada, perda de carga, conector. HEAD LOSS IN CONNECTORS USED IN TRICKLE IRRIGATION SYSTEMS ABSTRACT - This work was conducted in the Laboratory of Hydraulics, of the Federal University of Lavras, for determination of head loss equations in three models of connectors Hardie® Irrigation (HI12, HI14 and HI 16), used in derivation of water to lateral line of trickle irrigation system. Two procedures were developed , the first with the whole flow of water going to the derivation line or lateral line and the second with the water being partly derived to a lateral line with six different flows, equivalent to a speed in the lateral line of 0.5 m/s, 1.0 m/s, 1.5 m/s, 2.0 m/s, 2.5 m/s or 3.0 m/s. The study of head loss with a constant flow of water in the lateral line facilitated the obtainment of head loss equations in the lateral passage and in the direct passage, as function of the speed of the water in the derivation line before the connector and in the lateral line. The fitted equations facilitated the determination of the head loss in a true field situation, that is, with the lateral line in operation. The equations showed that, in general, for the head loss in the direct passage, the derivated flow to lateral line exert little influence in the final values of head loss. The head loss values in the lateral passage were greater in the models where the difference between the diameter of initial passage of the connector and the internal diameter of the lateral line was larger. The located head losses produced by those connectors were high and should be considered with plenty of criterion in the hydraulic design of the trickle irrigation systems. INDEX TERMS: Irrigation, trickle irrigation, head loss, conectors. 1. Engenheiro Agrônomo, MS Irrigação – E.A.F. de Vitória de Santo Antão, PE. 2. Engenheiro Agrônomo, Professor, Doutor – DEG/UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS(UFLA), Caixa Postal 37, 37.2000-000 – Lavras - MG 3. Engenheiro Agrônomo, Professor, Doutor – DEG/ UFLA Ciênc. agrotec., Lavras, v.24 (Edição Especial), p.205-214, dez., 2000 206 INTRODUÇÃO Dentre os métodos de irrigação utilizados, a irri- gação localizada vem demonstrando um grande au- mento em termos de área irrigada, por causa, princi- palmente, da economia no uso dos recursos hídricos, bem como por proporcionar melhores níveis de produ- tividade das culturas. Gomes (1994) analisa que em um sistema de ir- rigação por gotejamento a uniformidade de distribuição das vazões dos gotejadores nas unidades de irrigação de- pende de vários fatores, dentre eles, as variações de pressão como conseqüência das perdas de carga nas tubulações. De acordo com Streeter e Wylie, citados por Cai- xeta (1991), o termo perda de carga é usado como sendo parte da energia potencial, de pressão e de velocidade que é transformada em outros tipos de energia, tal como o calor, durante o processo de condução de água. Daniel Bernoulli, citado por diversos autores, dentre eles Neves (1989), estabeleceu em 1738 que, ao longo de qualquer linha de corrente, a soma das energi- as potencial e cinética, mais aquelas transformadas no processo de condução, é constante. Quando aplicada à condução de um líquido real, o balanço dessas energias pode ser representado pela Equação 1, denominada de equação de Bernoulli, aplicada a duas seções quaisquer de um líquido real em movimento. P V g z P V g z Hf1 1 2 1 2 2 2 22 2γ γ + + = + + + (1) Em que: P γ = carga de pressão (m); V g 2 2 = carga de velocidade ou dinâmica (m); z1 e z2 = carga geométrica ou de posição (m); Hf = perda de carga (m). Segundo Azevedo Netto (1966), qualquer causa perturbadora que venha estabelecer ou elevar a turbu- lência é responsável por uma perda de carga, decorrente da conversão e dissipação de parte da energia mecânica em calor provocada pela inércia e turbilhonamentos, sendo denominadas de perdas localizadas. Apesar des- sas perdas ocorrerem em locais isolados da tubulação, as mesmas podem se estender à jusante e à montante desses locais. Miller, citado por Caixeta (1991), exem- plifica uma contração em que o escoamento só é ple- namente desenvolvido ou restabelecido a uma distância trinta vezes o diâmetro, para número de Reynolds da ordem de 106. O uso de equações generalizadas de perda de carga localizada torna-se uma tarefa difícil, uma vez que essas perdas dependem de diversos fatores, dentre os quais, a geometria da peça. Contudo, em alguns ca- sos especiais, é possível encontrar na literatura perti- nente fórmulas generalizadas, como a equação para pe- ças com ampliações abruptas, escrita na forma: ( ) Ha V V g = −1 2 2 2 (2) Em que: Ha = perda de carga localizada (m) V1 = velocidade do fluido na seção menor (m/s); V2 = velocidade do fluido na seção maior (m/s); g = aceleração da gravidade (m/s2). Botrel (1984) observou que o processo de perda de carga localizada ficou melhor representado por mo- delo potencial, concordando com Caixeta (1991), que também encontrou elevados coeficientes de ajuste ao modelo potencial para perda de carga localizada. Diversos trabalhos de perda de carga localizada devida à inserção de uma peça especial na tubulação têm sido desenvolvidos, porém, com o fluxo de água em apenas uma das direções, tal como metodologia apre- sentada por Pizarro (1996). Smith (1988) concluiu que a determinação da perda de carga localizada devida à passagem da água da linha de derivação para uma linha lateral é depen- dente da razão entre as vazões na linha de derivação e na linha lateral. Freitas (1990), trabalhando com tubos janelados, concluiu que os coeficientes de perda de carga determina- dos com as janelas vedadas apresentaram valores inferiores em relação àqueles obtidos com as janelas abertas. Em um sistema de irrigação localizada, as cone- xões normalmente utilizadaspara passagem da água da linha de derivação para a linha lateral são denomi- nadas de conectores, ou conectores de inserção. Essas peças, ao serem instaladas na tubulação, ocasionam perdas de carga localizadas decorrentes de inserção de parte de seu corpo no interior da linha de derivação, bem como pelas mudanças na velocidade e na direção do fluxo d’água aí verificadas. Ciênc. agrotec., Lavras, v.24 (Edição Especial), p.205-214, dez., 2000 207 Com o presente trabalho objetivou-se deter- minar as perdas de carga localizadas produzidas pelos conectores da marca Hardie Irrigation, apre- sentando modelos matemáticos que relacionem a perda de carga localizada em função da velocidade da água à montante da peça e da velocidade da água no início da linha lateral. MATERIAL E MÉTODOS Este estudo foi desenvolvido no Laboratório de Testes de Equipamentos para Irrigação, anexo ao Labo- ratório de Hidráulica do Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Lavras. A bancada de teste, Figura 1, constou de uma tu- bulação representando a linha de derivação, formada por três tubos (inicial, intermediário e final) de 6,0 m de PVC DN 32, com diâmetro interno 27,65mm, e de uma linha lateral de 9,0 m, em polietileno (PE) DN 20, 16 e 12, com diâmetros internos, obtidos no estudo, de 16,842 mm, 13,106 mm e 10,1867 mm, respectivamente. O controle de fluxo de água no sistema foi obtido mediante válvulas de gaveta instaladas na entrada e na saí- da da linha de derivação e na saída da linha lateral. O ponto de inserção do conector na linha de de- rivação ficou situado na metade do tubo intermediário. Foram definidos três pontos de tomada de pressão, sen- do um localizado a um metro à montante da inserção da linha lateral, outro a dois metros à jusante da inser- ção, na linha de PVC (linha de derivação), e o terceiro a dois metros à jusante da inserção, na linha lateral. Es- sas distâncias foram superiores a trinta vezes o diâme- tro interno dos tubos, como sugerido por Miller, citado por Caixeta (1981). As tomadas de pressão foram consti- tuídas de agulhas veterinárias, cortadas num comprimento equivalente à espessura da parede do tubo e colada a esse, de modo que não permitisse qualquer vazamento. A medição da vazão foi efetuada por dois medi- dores eletrônicos do tipo pás rotativas, colocados ao fi- nal das linhas de derivação e lateral. A água utilizada durante os testes era proveniente da estação de trata- mento da UFLA. Essa era armazenada em um tanque localizado no interior do galpão, e fornecida ao sistema através de um conjunto moto-bomba, passando antes por um filtro de tela para diminuir a incidência de ma- terial em suspensão. Adotou-se como massa específica da água durante os ensaios o valor 1,0 g/cm3. Para medição das diferenças de pressão entre os pontos, foram utilizados dois manômetros em “U” com mercúrio (ρ= 13,6 g/cm3), escala total de 1,6 m e preci- são de 1,0 mm, sendo o primeiro com seis colunas, para maiores diferenças de pressão, e o segundo com duas colunas de mercúrio. Toda a bancada foi mantida sobre duas linhas de cavaletes niveladas de modo que a diferença de cotas entre a linha de PVC e as de PE em relação ao centro dos tubos era semelhante à diferença entre seus raios. Os conectores avaliados podem ser observados na Figura 2, juntamente com o anel de borracha utili- zado para vedação, denominado “chula”.. As especificações dos conectores, obtidas no es- tudo, encontram-se relacionadas na Tabela 1, junta- mente com o DN do tubo de PE usado como linha late- ral. Foram utilizadas três unidades da peça, represen- tando três repetições, inseridas na tubulação juntamente com o anel de vedação. A perda de carga contínua relativa aos trechos dos tubos utilizados no ensaio foram obtidas por meio de equações potenciais determinadas exclusivamente para este trabalho. Foram utilizados dois procedimentos. No pri- meiro, toda a água escoava em apenas uma direção, na linha lateral (LL) ou de derivação (LD), determinando- se a perda de carga total na passagem direta e na passa- gem lateral independentemente, e com o auxílio do software Excel ajustadas equações de perda de carga total, na passagem direta e na passagem lateral, em função da velocidade da água. Com os valores traba- lhados de velocidade da água aplicados sobre essas equações, foram obtidos valores ajustados de perda de carga total e, conseqüentemente, com o uso da Equação 3, determinados os valores da perda de carga localizada relativas ao conector. ( )Hfc Hfaj Hft V V g Z Z= − + − + −1 2 2 2 1 22 (3) Hfc = perda de carga localizada no conector (m); Hfaj = perda de carga total ajustada (m); Hft = perda de carga contínua nos tubos (m); V1 = velocidade da água no trecho à montante do co- nector (m/s); V2 = velocidade da água no trecho à jusante do conector (m/s); ( )Z Z1 2− = diferença de cotas entre LD e LL (m). Ciênc. agrotec., Lavras, v.24 (Edição Especial), p.205-214, dez., 2000 208 MB = motobomba F = filtro de tela R1, R2, R3 e R4= registros de passagem P1, P2 e P3 = tomadas de pressão M1, M2 e M3 = manômetros MV1 e MV2 = medidores de vazão C = conector T = tanque com água tratada FIGURA 1 - Desenho esquemático da bancada de testes utilizada durante os estudos para determinação de per- da de carga em conectores. R3 MV1 M2 MV2 M3R4 C M1 R2 R1 F MB T P2 P1 P3 Ciênc. agrotec., Lavras, v.24 (Edição Especial), p.205-214, dez., 2000 209 FIGURA 2 - Conectores da Hardie Irrigation utilizados durante o estudo, Lavras (1998). TABELA 1 - Especificações dos conectores da Hardie Irrigation utilizados no estudo e diâmetro nominal do tubo usado como linha lateral. Conector Lateral DI-I (mm) DI-S(mm) C INS (mm) D INS (mm) HI-16 DN 20 7,253 11,427 8,527 20,427 HI-14 DN 16 7,260 9,047 8,493 20,427 HI-12 DN 12 7,200 6,193 8,480 20,427 Nota: DI-I = diâmetro interno inicial; DI-S = diâmetro interno na saída; C INS = comprimento inserido; D INS = diâmetro inserido (chula + conector). Ciênc. agrotec., Lavras, v.24 (Edição Especial), p.205-214, dez., 2000 210 Posteriormente, manteve-se aproximadamente constante a vazão na linha lateral em seis valores dife- rentes, equivalentes a uma velocidade no início da late- ral de 0,5 m/s, 1,0 m/s, 1,5 m/s, 2,0 m/s, 2,5 m/s e 3,0 m/s, variando-se, para cada vazão permanente na late- ral, a vazão na linha de derivação. Utilizando-se, então, de metodologia semelhante ao processo anterior, foram ajustadas seis equações de perda de carga localizada na passagem direta e seis equações para perda de carga na passagem lateral, em função da velocidade da água na linha de derivação à montante do conector testado, para cada fluxo de água permanente na linha lateral. Em cada situação, passagem direta ou lateral, foi montada uma planilha envolvendo valores de velocida- de da água à montante do conector, velocidade da água na linha lateral e perda de carga localizada, que possi- bilitou, com auxílio do software Tablecurve3D, a obten- ção dos modelos de equações propostos neste trabalho. RESULTADOS E DISCUSSÃO As equações de perda de carga localizada obti- das com o fluxo de água em uma só direção apresenta- ram, tanto para passagem direta quanto para passagem lateral, elevados coeficientes de ajuste para o modelo potencial, em conformidade com Botrel (1984) e Cai- xeta (1991) , como pode ser observado na Tabela 2. A perda de carga na passagem direta estaria sendo provo- cada pela parte do conector inserida na linha de deriva- ção, funcionando como um ponto de formação, ou acréscimo, de turbulência. Na passagem lateral, além da inserção do conector, a variação na direção e no va- lor da velocidade estariam contribuindo positivamente para essas perdas. Na Figura 3são apresentas as curvas de perda de carga localizada na passagem lateral para os três mo- delos em que se observa que as maiores perdas de carga são provocadas por aqueles conectores com maiores diferenças entre o diâmetro de passagem inicial e o di- âmetro na saída do conector. Considerando que a refe- rida peça apresenta uma geometria com ampliação abrupta da passagem inicial para a saída, essa tendên- cia, de certa forma, estaria relativamente de acordo com a Equação 2. Considerando uma velocidade da água no início da linha lateral em torno de 2,0 m/s, observa-se que para os conectores menores as perdas de carga localizada podem chegar a valores em torno de 3,0 m, enquanto no conector HI 16, essas perdas podem se elevar até 7,0 m, valores es- ses relativamente elevados para uso em sistemas de irri- gação localizada. As equações de perda de carga na passagem di- reta e na passagem lateral, obtidas em função da velo- cidade da água à montante do conector e da velocidade da água na linha lateral encontram-se relacionadas nas Tabelas 3 e 4. De maneira geral, os coeficientes foram bastante elevados, indicando que houve uma forte ten- dência de ajuste dos modelos aos pontos experimentais obtidos. De maneira geral, na passagem direta, os coefi- cientes da velocidade lateral são relativamente baixos , indicando que o fluxo de água nessa direção estaria contribuindo muito pouco para a perda de carga locali- zada, sendo mais representativo a velocidade à mon- tante do conector, ao passo que na passagem lateral, tanto a velocidade da água na linha lateral quanto a velocidade à montante do conector atuam positiva- mente na computação final da perda de carga locali- zada. Uma melhor visualização desses fatos pode ser pela da Figura 3, que apresenta os gráficos de perda de carga localizada na passagem lateral e na passagem direta em função do fluxo de água na linha lateral e do fluxo à montante do conector, para os conectores estu- dados. TABELA 2 - Equações de perda de carga localizada (m) em função da velocidade da água (m/s) com fluxo em uma direção, para os conectores testados. Conector Passagem lateral R2 Passagem direta HI 16 Ha = 1,7986V1,9492 1 Ha = 0,0229V1,6281 1 HI 14 Ha = 0,5681V1,9762 1 Ha = 0,0167V1,8522 1 HI 12 Ha = 0,54264V1,8845 1 Ha = 0,0181V2,266 0,9999 Ciênc. agrotec., Lavras, v.24 (Edição Especial), p.205-214, dez., 2000 211 FIGURA 3 - Curvas de perda de carga localizada na passagem lateral sem fluxo na linha de derivação para os co- nectores ensaiados da Hardie Irrigation. TABELA 3 - Equações de perda de carga localizada (m) na passagem direta em função da velocidade da água (m/s) à montante do conector (Vm) e da velocidade da água (m/s) na linha lateral de irrigação (Vl), para os conec- tores testados da Hardie Irrigation Conector Equações de perda de carga R2 HI 16 Ha = 0,0270 + 0,0014Vl 2,5 + 0,0115Vm 2,5 0,9801 HI 14 Ha = 0,0218 + 0,0006Vl 3 + 0,0118Vm 2,5 0,9816 HI 12 Ha = 0,0196 + 0,0005Vl 3 + 0,0220Vm 2 0,8830 Obs: Vl e Vm variando de 0,5 a 3,5 m/s. TABELA 4 - Equações de perda de carga localizada (m) na passagem lateral em função da velocidade da água (m/s) à montante do conector (Vm) e da velocidade da água (m/s) na linha lateral (Vl), para os conectores testados Conector Equação de Perda de carga R2 HI16 Ha = -0,4489 + 1,4874Vl 2 + 0,3473Vm 2 0,9723 HI14 Ha = -0,3266 + 0,5642Vl 2 + 0,4314Vm 1,5 0,9953 HI12 Ha = -0,1465 + 0,4974Vl 2 + 0,2753Vm 1,5 0,9939 Obs: Vl e Vm variando de 0,5 a 3,5 m/s. 0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 Velocidade da água (m /s) P er d a d e ca rg a (m ) HI 16 HI 14 HI 12 Ciênc. agrotec., Lavras, v.24 (Edição Especial), p.205-214, dez., 2000 212 PD – HI12 PD – HI14 PD – HI16 PL – HI12 PL – HI14 FIGURA 4 - Gráficos de perda de carga localizada na passagem direta (PD) e na passagem lateral (PL) em função da velocidade da água à montante do conector e na linha lateral para os conectores testados da Hardie Irrigation. PL – HI16 Ciênc. agrotec., Lavras, v.24 (Edição Especial), p.205-214, dez., 2000 213 A pouca influência do fluxo na linha lateral so- bre a perda de carga localizada na passagem direta se deve, possivelmente, ao fato de que nesse sentido o pro- cesso de turbulência capaz de gerar essas perdas estaria sendo provocado basicamente pela ponta do conector inserida no interior da linha de derivação, tendo, por- tanto, pouca influência o fluxo de água derivada para a linha lateral. Na determinação da perda de carga localizada na passagem lateral, o primeiro ponto de tomada de pressão estava localizado à montante do conector e o segundo ponto à jusante da peça, na linha lateral. Dessa forma, tanto o efeito da ponta do conector in- serida na linha de derivação quanto as mudanças de velocidade e direção do fluxo passam a ser impor- tantes para a computação final da perda de carga lo- calizada. Observa-se que a variação da perda de car- ga localizada na passagem lateral foi mais influen- ciada pela velocidade da água na linha lateral do que pela velocidade à montante do conector na linha de derivação. A turbulência provocada na mudança de direção de parte do fluxo de água para a linha lateral, adicionada às variações da velocidade da água verificadas no trecho compreendido entre o iní- cio do conector e o início da linha lateral, além da ge- ometria e do acabamento interno da peça, podem ser indicados como fatores responsáveis por essa tendência. Observa-se ainda que os valores finais de perda de car- ga localizada na passagem lateral são mais elevados nas peças que apresentam maior diferença entre o diâ- metro de passagem inicial do conector e o diâmetro in- terno da linha lateral, confirmando a tendência verifi- cada com o fluxo em uma só direção. De maneira geral, pelos resultados obtidos, constatou-se que as perdas de carga localizadas devidas à inserção do conector são relativamente altas para sua utilização em sistemas de irrigação localizada, tanto na passagem direta quanto na passagem lateral, podendo levar a um desequilíbrio hidráulico do sistema e, con- seqüentemente, a uma queda acentuada na uniformida- de de distribuição de água por parte dos emissores. Embora os valores de perda de carga na passagem di- reta sejam da ordem de centímetros, não se deve esque- cer o fato de que essas perdas seriam acumulativas, le- vando o projetista a limitação quanto ao número possí- vel de linhas laterais na unidade de operação. No senti- do da passagem, dependendo do conector e da veloci- dade do fluxo de água, a perda de carga localizada pode chegar a valores tão elevados que não permitem sua utilização no sistema de irrigação, em virtude dos crité- rios de projeto utilizados durante o dimensionamento. CONCLUSÕES Diante dos resultados obtidos, pode-se concluir que: a) a perda de carga localizada, tanto na passa- gem direta quanto na passagem lateral, pode ser repre- sentada por equações que a relacionem com a velocida- de da água à montante do conector e à velocidade da água na linha lateral, com elevados coeficientes de ajuste; b) o fluxo de água na linha lateral exerce pouca influência em relação à perda de carga localizada veri- ficada na passagem direta; c) o fluxo de água na linha de derivação influen- cia positivamente no valor da perda de carga localizada verificada na passagem lateral; d) os valores das perdas de carga localizadas, tanto na passagem lateral quanto na passagem direta, provocadas pela inserção do conector, podem ser consi- deradas relativamente altas para sistemas de irrigação localizada, devendo ser consideradas com bastante cri- tério pelo projetista. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AZEVEDO NETTO, J. M. de. Manual de hidráulica. 4.ed. São Paulo: E. Blucher, 1966. 865p. BOTREL, T. A. Hidráulica de microgotejadores e de linhas laterais para irrigação localizada. Piracicaba: ESALQ, 1984. 78p. (Dis- sertação - Mestrado em Agronomia). CAIXETA, A. V. Perda de carga em tubos e cone- xões de PVC utilizados em sistemasportáteis de irrigação por aspersão. Piracicaba: ESALQ, 1991. 115p. (Dissertação - Mestrado em Agro- nomia). FREITAS, P. S. L. de. Características hidráulicas de um protótipo de janela, para tubos janelados. Vi- çosa: UFV, 1990. 79p. (Dissertação - Mestrado em Engenharia Agrícola). GOMES, H.P. Engenharia de irrigação: hidráulica dos sistemas pressurizados, aspersão e gotejamento. João Pessoa: UFPB, 1994. 344p. Ciênc. agrotec., Lavras, v.24 (Edição Especial), p.205-214, dez., 2000 214 NEVES, E. T. Curso de hidráulica. São Paulo: Globo, 1989. 577p. PIZARRO, F. C. Riegos localizados de alta fre- cuencia. 3.ed. Madrid: Mundi-Prensa, 1996. 461p. SMITH, R. J. Energy loss in branching flow and its application to irrigation pipeline design. Journal Agricultural Research, New York, v.41, n.3, p.181-189, Nov. 1988.