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USO RACIONAL DE ENERGIA EM ESTAÇÕES DEBOMBEAMENTO DE ÁGUA PARA IRRIGAÇÃO DE ARROZ

Gilnei Carvalho Ocácia, Humberto Amaral Duarte, Franco Muller Martins, Luciano Correa Henemann e André Luiz Bianchi

Departamento de Ciências Agrárias – Universidade Luterana do Brasil (ULBRA)CEP: 92420-280 , Canoas-RS. Tel: (51) 4779285 Fax: (51) 4771313

RESUMO

Neste trabalho, foram analisadas 138instalações de bombeamento utilizadas parairrigação de arroz na região Fronteira Oeste do RioGrande do Sul. Os levantes foram classificados poraltura: até 10m; entre 10 e 15m; entre 15 e 20m;entre 20 e 25m; e, maior que 25m.

Foi constatado um grande potencial deconservação de energia, pois para uma potência totalinstalada, nos sistemas analisados, de 8757 kW,verifica-se uma potência líquida requerida de 4155kW, representando 47,44% da potência instalada. Osprincipais motivos de perdas são tubulações maldimensionadas, utilização de bombas de baixaeficiência, falta de manutenção, superdimensionamento de bombas, bombas mal instaladase baixo fator de potência.

Os levantes que apresentam maior altura derecalque são os mais eficientes. Isto é decorrência dautilização de bombas centrífugas (que apresentammelhor rendimento em alturas superior a 10m) e aofato de apresentarem uma maior demanda depotência útil, obrigando o lavoureiro a ter um maiorcuidado com toda sua instalação. Onde as alturas derecalque são pequenas, devido a situação topográficaprivilegiada, há uma preocupação menor com oscustos.

Para possibilitar a comparação entresistemas com diferentes alturas de recalque, foiestabelecido um índice de potência por unidade deárea e de altura (W.ha-1.m-1), que indica a demandapara a irrigação de um hectare de lavoura, por metrode elevação da água. Os sistema eficientes devemapresentar valores menores que 30 W.ha-1.m-1 .Nossistemas analisados, os valores variaram de 25 W.ha-

1.m-1, até maiores do que 100 W.ha-1.m-1 .

ABSTRACT

138 facilities pumping used for riceirrigation were analyzed in the region FronteiraOeste of Rio Grande do Sul. The installations wereclassified by discharge height level: smaller than10m; between 10 and 15m; between 15 and 20m;between 20 and 25m; and, larger than 25m.

The possibility at a large energyconservation was verified. It was verified therequested net power of 4155 kW representing47,44% of the installed power. The total powerinstalled in the analyzed systems is 8757 kW.Losses main reasons: badly dimensioned piping; useof low efficiency pumps; maintenance lack; overdimensioned pumps; badly installed pumps; and, lowpower factor.

The most efficient installations are thosethat present larger discharger height level. That is aconsequence of the use of centrifugal pumps (theypresent better efficiency in discharger heights aboveto 10m) and to the fact that they present a largerdemand of net power, forcing the farmer to be verycareful with its installation. Where the heights ofpumping are smaller, due to privileged topographicalsituation, there is a smaller concern with the costs.

To make possible the comparison amongsystems with different water discharge heights, it wasestablished a power index for unit of area and ofheight (W.ha-1.m-1). It indicates the demand for theirrigation of one hectare of farming, for one meter ofwater elevation. The efficient system should presentvalues smaller than 30 W.ha-1.m-1. The values arebetween 25 W.ha-1.m-1 and 100 W.ha-1.m-1 in theanalyzed systems,.

INTRODUÇÃO

Atualmente, a irrigação é das atividadesmais representativas na composição do custo de

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produção do arroz. Nas safras 1997/98 e 1998/99, airrigação ficou em segundo lugar, com umaparticipação de 12,29% e 11,22%, respectivamente,no custo total de produção, enquanto na safra1999/2000, ficou em primeiro lugar, representando13,02%, (IRGA, 2000).

A demanda energéticaEm uma estação de bombeamento, o

trabalho útil é aquele necessário para suprir asnecessidades de água da lavoura, vencendo odesnível (altura geométrica) entre o manancial deágua e a área a ser irrigada. Este sistema é compostopelos seguintes elementos: bomba; tubulação desucção; tubulação de descarga e sistema motriz.

A potência (1) que a bomba transfere aofluido é proporcional a vazão requerida, que éfunção de caraterísticas do solo, da topografia e doplano de irrigação da lavoura. A altura manométricaé constituída pela altura geométrica, pelas perdas natubulação de sucção, pelas perdas na tubulação dedescarga e da energia cinética no bocal de descargada tubulação.

Pa=Q.γγ.Hm (1)

Onde:Pa é a potência entregue ao fluido, WQ é a vazão, m3s-1

γ é o peso específico, N.m-3

Hm é a altura manométrica, m

A vazão

Há muita controvérsia sobre o exatovolume total de água necessário à lavoura, variandode 10.500 a 17.000 m3.ha-1, com o número de horasde irrigação variando de 1800 a 2100 horas porsafra. Isto implica numa variabilidade de vazão de1,4 a 2,2 L.s-1.

A vazão, ou demanda de água, calculadapelo balanço hídrico, para a região em estudo,resulta em torno de 1,76 L.s-1.ha-1, de acordo comBELTRAME & LOUZADA, 1997. Mas, segundoGOMES & PETRINI, 1996, são utilizados pelosarrozeiros, em média, no Rio Grande do Sul, cercade 2,0 L.s-1.ha-1. Neste trabalho, considera-se umavazão de 2,2 L.s-1.ha-1, que multiplicada pela áreatotal de cada lavoura determina a vazão parabombeamento. Foi adotado este valor em função queos levantes hidráulicos, além das necessidadesefetivas de água, na área de cultivo, ainda devemcontemplar as perdas em canais e condutos, bemcomo uma taxa suplementar para compensar aparada no horário de ponta do sistema elétrico, paraos consumidores em tarifa verde. Além disso, énecessário que exista uma folga no sistema,considerada a possibilidade de uma eventual

interrupção no suprimento, por exemplo, durante operíodo de formação da lâmina de água na lavoura.

A altura manométricaA altura manométrica é obtida pela equação

(3):

g

VdHfrHfsHrHsHm

2

2

++++= (3)

Onde:Hm: altura manométrica (m)Hs: altura geométrica de sucção (m)Hr: altura geométrica de recalque (m)Hfs: altura de fricção na sucção (m)Hfr: altura de fricção na descarga (m)Vd: velocidade de saída (m.s-1)g: aceleração da gravidade (m.s-2)A soma das alturas geométricas de sucção e

de descarga, resulta na altura geométrica total (4),

Hg = Hs + Hr (4)

enquanto a soma das alturas de fricção (5)resulta na perda de carga total da instalação,

∆H = Hfs + Hfr (5)

de modo que a equação (3) assume aseguinte forma:

Hm = Hg + ∆H + V2/2g (6)

Levantamento de dados de campoPara o levantamento de dados de campo

referentes aos levantes hidráulicos para irrigação delavouras de arroz, a área considerada neste trabalhofoi subdividida em quatro setores. São eles:

a) Uruguaiana – Alegrete;b) Uruguaiana – Barra do Quaraí;c) Uruguaiana – Itaqui; e,d) Rosário do Sul - São Gabriel.Os dados relativos aos levantes foram

obtidos através de visitas a estes locais com arealização de medidas, verificados dados de placa erecolhidas informações com pessoal local. Tambémforam colhidas informações com pessoal local daAES-SUL e no escritório em Canoas (através doNUC – Número do Consumidor).

diagnóstico energéticoO diagnóstico energético das estações de

bombeamento para irrigação de lavouras de arroz,consiste de uma análise dos seguintes pontos:

a) requerimentos da lavoura (vazão e alturageométrica);

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b) características e condições da tubulação;c) características e condições da bomba; e,d) avaliação do sistema motriz.

A tabela 1, mostra as potências instaladasnas regiões consideradas neste trabalho, num total de8757 kW. No entanto, verifica-se que a potêncialíquida requerida, é de tão somente 4155 kW, isto é,representa 47,44% da potência instalada.

Evidentemente, isto denota um grandepotencial de conservação de energia, onde osprincipais motivos de perdas são elencadas a seguir:

q tubulações de descarga maldimensionadas

q tubulações longas pela dificuldade deconstrução de canais

q falta de manutenção em tubulaçõesde descarga

q super dimensionamento de bombasq utilização de bombas de baixa

eficiênciaq utilização de bombas atuando fora de

seu ponto ótimo de operaçãoq bombas mal instaladasq baixo fator de potência

Nas áreas mais próximas a Uruguaiana,sobretudo entre esta cidade e a Barra do Quaraí, énotória a utilização de bombas de maior rendimentodo que as adotadas em outros locais como, porexemplo, na direção Uruguaiana – Alegrete e nadireção Alegrete – São Gabriel. Também deve sersalientado um melhor cuidado com a tubulação,especialmente no que se refere a vazamentos.

Tabela 1. Relação entre potência útil e potência instalada, para cada micro-região, por faixa de alturade recalque.

Pot. Instalada(CV)

Pot. Útil(CV)

Pu/Pi %

Localidade Região Altura(m)

1710 766,5 45 Uruguaiana-Itaqui 1 (até 10)1150 535,8 47 Uruguaiana-Itaqui 1 (10 – 15)

950 556,4 59 Uruguaiana-Itaqui 1 (15 – 20m)450 392,0 87 Uruguaiana-Itaqui 1 (> 20m)

1335 561,0 42 Uruguaiana-Barra 2 (até 10m)625 377,8 60 Uruguaiana-Barra 2 (10 – 15m)835 220,5 26 Uruguaiana-Alegrete 3 (até 10)

1130 464,6 41 Uruguaiana-Alegrete 3 (10 - 15m)1125 580,1 52 Uruguaiana-Alegrete 3 (15 - 20m)

400 218,2 55 Uruguaiana-Alegrete 3 (20 - 25m)250 213,0 85 Uruguaiana-Alegrete 3 (> 25)

1795 693,3 39 Rosário- São Gabriel 4 (até 10m)175 81,02 46 Rosário- São Gabriel 4 (10 - 15m)

11930 5660,2 47 Média geral

Na tabela 1, é notório que o uso maiseficiente dos sistemas de bombeamento acontecenaqueles levantes com maior altura de recalque. Istoé decorrência, em primeiro lugar, do tipo de máquina(bombas centrífugas) tradicionalmente utilizado.Estas bombas apresentam seu melhor desempenhojustamente nesta faixa de alturas manométricas.Também contribui para o bom desempenho desteslevantes, o fato que, representando uma maiordemanda de potência devido a maior altura deelevação da água, obriga o lavoureiro a ter um maiorcuidado com toda sua instalação, desde o fator depotência até as tubulações.

Para possibilitar a comparação entrelavouras com diferentes alturas de recalque, quantoao uso eficiente do levante hidráulico, foiestabelecido um índice de potência por unidade de

área e de altura de elevação (Wha-1m-1). Este índiceindica a demanda (em Watts), para a irrigação de umhectare de lavoura, para cada metro de elevação daágua.

As lavouras com uso eficiente da energiaapresentam um valor em torno de 30 Wha-1m-1. Natabela 2, observa-se que existem lavouras queapresentam índices excelentes, da ordem de 25 Wha-

1m-1, até lavouras que apresentam índices absurdos,maiores do que 100 Wha-1m-1. Isto acontece naspequenas alturas de recalque, onde apesar daineficiência, os gastos com bombeamento sãomenores devido a situação topográfica privilegiada.

Tabela 2. Índice de demanda de algumas lavouras

Área (ha) Altura (m) Alturaman. (m)

Índice(W.ha-1m-1)

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104,4 7,0 15,3 40,2151,4 10,5 19,1 69,2

85,3 22,0 24,5 39,295,7 15,0 17,0 64,087,0 6,1 7,6 104,266,1 7,0 8,9 79,480,0 13,4 14,6 102,8

113,1 13,2 17,3 61,787,0 7,9 8,7 80,176,7 19,2 19,5 62,5

Como já referido, embora para pequenasalturas (e justamente por esse motivo) exista umamenor potência instaladas por ha, é justamente nestafaixa em que há um rendimento global menor dos

levantes. Isto acontece basicamente por doismotivos:

a) utilização de bombas (embora em muitoscasos de alto rendimento) atuando fora deseu ponto de operação pois foramprojetadas para alturas maiores; e,

b) a participação da perda de carga na alturageométrica, quando a tubulação não estáadequadamente dimensionada torna-semuito significativa.A altura do levante, não significa

necessarimente altura da lavoura em relação a fontede água, pois em muitas delas há necessidade devários “tombos”, isto é, levantes em série, como osutilizados na sequência mostrada nas figs. 1 e 2.

Figura 1. Captação do Rio Touro Passo - 1º “tombo”.

Figura 2. Segundo “tombo”

dimensionamento da tubulaçãoNa fronteira Oeste, o dimensionamento da

tubulação tem uma importância enorme pois, de

modo geral, as distâncias entre pontos da captação epontos de descarga são muito grandes. Isto éevidente principalmente nos levantes de Uruguaiana

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e Alegrete. Além disso, em muitos locais existemtipos de solos que difícultam a construção de canaisexigindo o emprego de tubulações longas (figura 3).

Figura 3. Tubulação longa, com 833 metros de comprimento, em Uruguaiana.

Com este elevado comprimento detubulação, vários são os fatores de maior consumode energia: seja, pelo próprio comprimentoexcessivo de tubulação ocasionando grandes perdasde carga por atrito, seja, também, em alguns casos,pela má conservação da tubulação, consequência deuma ausência de manutenção no decorrer dos anos,ou, por já ter ocorrido o término da vida útil datubulação que, provavelmente, ainda não foisubstituída devido a seu elevado custo. Um outrofator, é o uso de diâmetros menores que osrecomendados, ocorrendo grande velocidade da águadentro da tubulação.

CONCLUSÕES

A irrigação realizada através de bombasacionadas por motores elétricos, tem uma parcelasignificativa no custo de produção do arroz,devendo, por isso mesmo, buscar-se suaeficientização.

Como normalmente acontece, nasinstalações consumidoras de energia elétrica, há aquestão do suprimento energético propriamente ditoe a questão da demanda de potência. As hipótesesque levam a uma diminuição de uma ,ou ambas, sãoas seguintes:

• Correção de fator de potência A correção do fator de potência é a ação

que apresenta resultado imediato para o produtor,com retorno do investimento na própria safra. Amaioria dos produtores que utilizam bombas debaixo rendimento tem instalações que apresentamproblemas de fator de potência, com valores emtorno de 0,80 . Nestes casos, há que haver cuidados,pois não adianta corrigir o fator de potência se, logoa seguir, o produtor for modificar suas instalações.

• Melhoria das condições de sucção - Ascondições de sucção podem ser melhoradas com acolocação da bomba o mais proximo possível donível da fonte de água, com o uso de curvas de raiolongo e de válvula de pé adequada a vazão detrabalho, minimizando as perdas na sucção, de modoa inibir qualquer possibilidade de cavitação. Umacondição extremamente adequada, é, sempre quepossível, colocar a bomba com o eixo na vertical.

• Melhoria das condições da tubulaçãode descarga - Para a tubulação de descarga,principalmente para comprimentos longos, avelocidade do escoamento nunca deve passar de 1,5m/s. Além disso, os acessórios devem ser adequadospara que não produzam perdas elevadas.

• Utilizar bombas de alto rendimentoobservando o ponto de operação recomendado -Evidentemente, a utilização de bombas de altorendimento é fundamental, entretanto, tão importantequanto a qualidade da bomba, é o projeto do sistemapara que a bomba selecionada trabalhe dentro dafaixa para a qual foi projetada.

• Utilização de motores com bomrendimento - O principal problema relativo aosmotores utilizados para irrigação, é o emprego demotores rebobinados mais de uma vez queapresentam, além de baixo rendimento, problemas defator de potência. Devido ao baixo fator de cargaanual e a diferença de preços, motores elétricosconvecionais de mercado, trabalhando próximo à suapotência nominal, onde apresentam rendimentoselevados, são economicamente mais interessantesaos produtores que motores especiais de altorendimento.

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PALAVRAS-CHAVE

Bombeamento; irrigação; arroz

AGRADECIMENTOS

As Associações dos Arrozeiros deUruguaiana, São Borja e de Sâo Gabriel e a AES-SUL

REFRÊNCIAS

[1] IRGA – DATER/NATEs, fev/1998 e fev/1999[2] BELTRAME, Lawson F. S. & LOUZADA, JoséAntônio S. Consumo de água na irrigação do arrozpor inundação. Revista Lavoura Arrozeira, Volume50, número 432, julho/agosto, IRGA, Porto Alegre,RS, 1997, p. 3 – 8..[3] GOMES, A. de S. & PETRINI, J. A. AgriculturaReal: Arroz Irrigado. Empresa Brasileira de PesquisaAgropecuária (EMBRAPA – CPACT), Pelotas, RS,1996, 75 p.


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