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Guanajuato, Gto.México

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DESEMPENHO DE UM SISTEMA DE AERAÇÃO DE RESERVATÓRIO DE ÁGUA CONSTITUíDOPOR TUBOS VERTICAIS RANHURADOS COM DESCARGA SUBMERSA

J.C.Feitosa Filh01, T. A. Botrel2, J.M.Pint03

, L.F.Cavalcante4

1.Prof. Doutor, DSER/CCA/UFPB. Areia-PB; (083) 362.2300, Ramal 30. Fax: (083) 362-2259.e-mail:[email protected]. 2.Prof. Doutor, DER/ESALQ/USP. Piracicaba-SP.

3.Pesquisador Doutor, CPATSA/EMBRAPA-Petrolina-PE. 4.Prof. Doutor, DSER/CCA/UFPB. Areia-PB, (083)362.2300.

ABSTRACT

An experiment was carried out at "Luiz de Queiroz" College of Agriculture of the University ofSão Paulo-USP in Piracicaba, São Paulo State, Brasil, to develop and test a system of aeration ofwater reservoir of low cost. The proposed system is constituted of tubes of rigid PVC with 20 and 25mm of diameters found easily at house that market hydraulic materiais. It was made her in the tubesof discharge grooves for entrance of the air in the water that goes by them and they are distributed inthe reservoir. An unit was evaluated constituted by five lines of 25 diameter mm being in them,inserted 25 tubes of 20 mm with extremities submerged to the depth of 0.30 m. It was verified that: a)the flow of air incorporate in the water for the system increased directly with the increase of themotive flow to a maximum point. There was starting from there, reduction gradativa of the first, untilthe system not to work; b) the medium values of the percentage of air incorporated in the water andefficiency in function of the motive flow in the tests with a tube were respectively of 5.14% and5.49%, while in the system, these values were of 4.58% and 4.95%; c) the flows of incorporate air inthe water in function of the motive flow in both tests presented better fittings to quadratic functions;d) the coefficient of uniformity of distribution of the air in the water was of 65.36% and e) the systemassisted to the proposed objectives and it can be recommended for some works of aeration ofreservoirs of water.

RESUMO

Um experimento foi instalado no Laboratório de Hidráulica da ESALQ-USP em Piracicaba,São Paulo, Brasil, como objetivo de desenvolver e testar um sistema de aeração de água de baixocusto. O sistema proposto foi constituído de tubos de PVC rígido de 20 e 25 rnrn de diâmetrosencontrados facilmente em casa que comercializam materiais hidráulico. Avaliou-se uma unidadeconstituída por cínco linhas de 25 mm de díâmetro sendo nelas, inseridos 25 tubos de 20 mm comextremidades submersas à profundidade de 0,30 m. Verificou-se que: a) a vazão de ar incorporadona água pelo sistema aumentou diretamente com o aumento da vazão motriz até um ponto máximo.Houve a partir daí, redução gradativa da primeira, até o sistema não mais funcionar; b) os valoresmédios da porcentagem de ar incorporado na água e rendimento em função da vazão motriz nostestes com um tubo foram de 5,14% e 5,49% respectivamente, enquanto que no sistema, estesvalores foram de 4,58% e 4,95%; c) as vazões de ar incorporado na água em função das vazõesmotrizes em ambos testes apresentaram melhor ajustes à funções quadráticas; d) o sistema atendeuaos objetivos propostos e pode ser recomendado para aeração de reservatórios de água nascondições analisadas.

-tKey- words: aeration, pollution, aer~or.

Palavras-chave: Poluição, aeração, aerador.

Congreso Latinoamericano de Ingeniería Agrícola. CLIA 2000X Congreso Nacional de Ingeniería Agrícola. AMIA 2000

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INTRODUÇÃO

Os meios de comunicação trazemnotícias quase que diariamente demortandade de peixes e de animais aquáticosdevida à deficiência da oxigenação nas águasdos rios, parques aquáticos e outrosmananciais devido principalmente à poluiçãonessas fontes de água.

A transferência do oxigênio do ar paraa água dá-se em função do desequilíbrioquantitativo desse elemento em um dosmeios. Estando o nível de oxigênio na água doreservatório abaixo do seu nível de saturaçãonormal, o oxigênio do ar é transferidoautomaticamente para a água ou vice-versa. Aincorporação natural do oxigênio na água dá-se devido aos processos mecânicoscondicionado pelo vento, mudanças detemperatura da água e movimentação naturalda água. Cada um desses agentes contribuipara o aumento da área de contato do ar coma água permitindo que o oxigênio seja nelaincorporado. Os métodos naturais de aeraçãonem sempre são suficientes para manterníveis adequados de oxigenação nosreservatórios. Nesse caso, há necessidade deestruturas e/ou equipamentos artificiais parafacilitar esse contato (WINKLER, 1981).

A aeração constitui um processomecânico por meio do qual se aumenta o nívelde oxigênio dissolvido em determínado volumede água. Ela pode ser utilizada com diferentesfins dentre como: eliminar dióxido de carbonona água e amônia não ionizada (BOYD, 1990)e remover íons de Fe+2 e Mn+2 da água dealguns mananciais (FORO & TUCKER, 1975).

Quando a aeração artificial torna-senecessária, existem diversas formas de fazê-Iasendo umas mais simples outras maiscomplexas, às vezes inviabilizando suaaplicação em projetos de pequeno porte.

Segundo ARANA (1977) os aeradoressão classificados em quatro grupos: aeradoresde gravidade, de superfície, turbinados edifusores. Neste último caso, o ar atmosféricoou de outra fonte é introduzido na água porequipamentos especiais denominados

Congreso Latinoamericano de lngeniería Agrícola. CLIA 2000X Congreso Nacional de Ingeniería Agrícola. AMIA 2000

difusores e a eficiência do sistema está emfunção da quantidade e do tamanho dasborbulhas colocadas na água no tempo deoperação.

ZARUETA et aI. (1995) testaram umsistema formado por tubos utilizados nairrigação localizada acoplados a umcompressor para introduzir o oxigênio naágua. Avaliaram as perdas de carga edefiniram equações para definir esteparâmetro.

FEITOSA FILHO et aI. (1997) eFEITOSA FILHO et aI. (1998) avaliaram umsistema de aeração constituído por um injetortipo Venturi acoplado a linhas de distribuiçãoem PVC rígido perfurados. O ar captado daatmosfera pelo injetor era incorporadodiretamente na água passando na linhaprincipal do sistema. A água juntamente com oar são distribuídos no reservatório portubulações submersas "tipo irrigação porgotejamento". Constataram boa eficiência naquantidade de ar incorporado na água pelosistema embora sua distribuição dentro doreservatório tenha sido irregular ao longo dastubulações. Concluíram necessidade deaprimoramento do sistema de modo aapresentar melhor uniformidade dedistribuição do ar no reservatório de água.Diante dos aspectos relatados este trabalhoteve como objetivos:

• desenvolver e testar um sistema deaeração de reservatórios de água constituídode tubos de PVC ranhurados para uso emdiferentes fins, de baixo custo e podendo serconfeccionado pelo próprio agricultor;

• definir os parâmetros hidráulicos eequações que expressem o funcionamento dosistema de aeração proposto.

MATERIAL E MÉTODOS

O trabalho foi desenvolvido noLaboratório de Hidráulica da Escola Superiorde Agricultura Luiz de Queiroz-USP,Piracicaba-SP, utilizando uma unidadecomposta por cinco tubulações em PVC

normalmente empregadas nas conexõeshidráulicas residenciais de 25 mm de 6,0 m decomprimento espaçadas de 0,20 m contendocada linha lateral cinco tubos verticais de 20mm de diâmetro nominal e de 40 cm decomprimento. Em cada um desses tubosforam feito cinco ranhuras com uma serra 1,2mm de espessura no sentido inclinado comângulo de aproximadamente 45°, espaçadasde 5 cm uma da outra.

o sistema de aeração propostotrabalha com baixa pressão de serviço hajavista, que uma das extremidades de cada tubofica aberta e inserida na água a ser aerada noreservatório. O funcionamento do sistemaproposto aproveita a própria velocidade dedecida da água nos tubos verticais criando umvácuo no interior do tubo, na parte que contémas ranhuras, o que faz com que o aratmosférico seja arrastado por esse vácuo eincorporado na água que funciona como fluidomotriz que passa pelos tubos e sendo a partirdaí aerada e misturada em circuito fechadocom a água do reservatório com formeesquema ilustrativo apresentado na Figura 1.Os tubos trabalharam com extremidadessubmersas à profundidade constante de 30cm.

Definiu-se realizar o primeiro testetrabalhando com um só tubo ranhuradoindividualmente com objetivo de estudar oprincípio de funcionamento do sistemaproposto e definir uma equação de regressãoque definisse a quantidade de ar incorporadona água em função da vazão motriz.

Avaliou-se em seguida, a quantidade de arincorporado na água por todos os tubos deuma lateral (central) finalmente, do sistema.Para determinar a quantidade de arincorporado na água por cada tubo utilizou-seuma proveta de vidro de 1000 ml graduada,colocada na posição invertida sobre aextremidade do tubo submerso a fim de captarpara seu interior, cada volume de ar que eradistribuído pela extremidade do tubo dosistema.

Para fazer a medição do ar distribuídono reservatório, inicialmente a proveta erapreenchida totalmente com água e conduzida


invertida e submersa até que ficasseposicionada sobre uma saída formando um"U" feito com duas curvas de PVC de 90° demesmo diâmetro do tubo ranhurado permitindoque todo ar saindo junto com a água pelaextremidade do tubo fosse introduzido nointerior da proveta que automaticamente,expulsava do seu interior, um volume de águaequivalente ao volume de ar captado naquelemomento. Com o cronômetro, marcava-se otempo gasto na redução do volume de águaque declinava passando por duas marcasreferenciais feitas na parte externa da provetaque delimitavam a um volume pré-determinado. De posse dos tempos,determinava-se as vazões de cada teste. Paraavaliar o rendimento do sistema utilizou-se afórmula deduzida por Feitosa Filho Et AI.(1997).

RESULTADOSOs dados apresentados na (Tabela 1)

correspondem aos valores referentes a vazãomotriz (água), vazão de ar incorporado naágua, porcentagem de ar incorporado emrelação a vazão motriz e rendimento dostestes feitos com um dos tubos ranhuradosque compôs o sistema de aeração. Os dadosda (Tabela 2) são dos mesmos parâmetrosjuntamente com o valor do coeficiente deuniformidade de distribuição do ar na água(CUC) dos testes feito com o sistemaoperando com todos os tubossimultaneamente em seis diferentes vazõesmotrizes.

Analisando-se os dados da (Tabela 1),referentes ao funcionamento com um só tuboque compôs o sistema constata-se que avazão de ar incorporado na água aumentoucom o aumento da vazão motriz que passoupelo tubo. Isso porém, só aconteceu atédeterminado limite pois, a partir daí mesmoaumentando-se a vazão motriz não houveaumento da quantidade de ar sendoincorporado na água, pelo contrário, houveuma redução até o sistema não maisfuncionar, conforme pode ser constatadoobservando os dados referentes a esseparâmetro juntamente com a última vazãomotriz. Isso provavelmente, se deve em razão

do aumento da vazão motriz passando pelotubo com aquele diâmetro cria uma sobrepressão no seu interior fazendo com que aágua reverta o processo de captar o aratmosférico em função da velocidade e passea ser jorrada através das ranhuras para forado tubo, limitando a partir desse ponto, ofuncionamento do sistema. Essa constataçãoembora limite o funcionamento do sistemapara pressões de serviço baixas, por outrolado, requer bombas de recalque de pequenoporte e com menor consumo de energia o quereduz o custo operacional da prática daaeração (BOYD 1990).

Observa-se que a porcentagem médiade ar incorporado na água e o rendimentocom valores de 5,14% e 5,49%,respectivamente e com o sistema funcionandocom todos os tubos (Tabela 2) de 4,58% e4,95% que eles foram aproximadamentesemelhantes. Isso assegura, que paraavaliação prática do funcionamento dosistema, basta obter os dados dos parâmetrosde apenas um dos tubos da unidade deaeração para se ter um conhecimentoaproximado do sistema em determinacondição de funcionamento, o que reduztempo e custo na avaliação.

Avaliando-se o valor médio dauniformidade de distribuição do ar na águacom valor para o sistema de 65,36% pode-seconsiderá-Io razoável pois superou o valorobtido no sistema inicial desenvolvido porFEITOSA FILHO et aI. (1997) que foi inferioraos 20%. Em termos práticos e de acordo comas informações de BOYD (1990) de que asolubilidade do oxigênio na água variando de14,60 a 8,24 mg/I é muito baixa para astemperaturas de o-c e de 25°e, certamente émelhor ter um sistema de aeraçãoincorporando volume menor de ar na água emtempos mais espaçados do que o contrário.Um sistema capacitado a incorporam grandequantidade de ar em tempo reduzido tráscomo desvantagem de normalmente consumirmais energia sem resultado prático. Parte dooxigênio introduzido na água em temporeduzido devido sus baixa solubilidade naágua, retornaria por borbulhamento àatmosfera sem que fosse realmente


incorporado na água do reservatório oumanancial.

As Figuras 2(a) e 2(b) representamgraficamente os valores da vazão de arincorporado na água e do rendimento emfunção da vazão motriz do primeiro testes eas Figuras 2(C) e 2(d) representam as mesmavariáveis no segundo teste. Observa-se pelascurvas apresentadas que elas expressam ofuncionamento do sistema realmente e jádiscutido anteriormente. Vê-se pelas curvas oaumento gradativo da vazão de incorporadona água com o aumento da vazão motriz atéum ponto máximo. A partir daí, houve declíniogradativo daquela, cujo comportamentoparabólico, representa realmente uma funçãoquadrática. Isso pode ser comprovadoposteriormente quando foi feito a análise deregressão dos dados das vazões de arincorporado na água em função das vazõesmotrizes de ambos os testes. Os resultadosajustaram-se melhor a um modelo de funçãoquadrática, com valores do coeficiente dedeterminação (~) de 0,923 e O, 953respectivamente, inclusos nas figuras.

CONCLUSÕES

A partir do resultados pôde-se concluiro seguinte: a) a vazão de ar incorporado naágua pelo sistema aumentou diretamente como aumento da vazão motriz até um pontomáximo. Houve a partir daí, redução gradativadesse parâmetro até o sistema não maisfuncionar; b) os valores médios daporcentagem de ar incorporado na água e orendimento em função da vazão motriz nostestes realizados com um só tubo foram de5,14% e 5,49% respectivamente. Para sistemade aeração com todos os tubos ranhurados osvalores foram de 4,58% e 4,95%; c) as vazõesde ar incorporado na água em função dasvazões motrizes em ambos os testesapresentaram melhor ajustes à funçõesquadráticas; d) o coeficiente de uniformidadede distribuição do ar incorporado na água pelosistema foi de 65,36%; e e) o sistema avaliadoatendeu aos objetivos propostos e pode serrecomendado nas condições analisadas, paraaeração de reservatórios de água.

LITERATURA CITADA

ARANA, LV. Princípios químicos da qualidadeda água em aqüicultura. Florianópolis: UFSC.1977. 166p.

BOYD, C. E. Water quality in ponds foraquaculture. Auburn University, Alabama.1990. 482p.

CHRISTIANSEN, E.J. Irrigation by sprinkling.University of California, Berkeley. 1942. 142p.(Bullettin, 670).FEITOSA FILHO, J. C., MEDEIROS, J.F.;BOTREL, T. A., PINTO, J. M. Avaliação de


Venturi funcionando com água como fluidomotriz e o ar como fluido succionado comdescarga submersa. Revista Irriga. v. 2, n.2.1997. P.68-75.

FEITOSA FilHO, J. C., BOTREl, T. A.,PINTO, J. M. Variabilidade na distribuição dear na água utilizando um sistema comtubulações e emissores submersos e uminjetor tipo Venturi. In: CONGRESSOBRASilEIRO DE ENGENHARIA AGRíCOLA,27, Poços de Caldas, 1998. Anais ... Poços deCaldas, MG:SBEA, 1998. v.1. p.76-78.

FORD, H.W., TUCKER, D.P.H. Blockage ofdrip irrigation filters and emitters by iron-sulfer-bacterial products. HortSience, v.10, n.1, p.62-64, 1975.

ZARUETA, F. S., BUCKLlN, R.A. , TURNER,M.; CHAPMAN" F. A., lAZUR, A. M.Aquaculture aeration using irrigation porouspipe. In: INTERNATIONAlMICROIRRIGATION CONGRESS, 5. Orlando,Florida. USA, 1995. Proceedings ... Orlando,Florida. USA: ASAE, 1995. p.37-42.

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WINKlER, M. Biological treatment of waster-water. New York: Ellis Horwood. 301 p. 1981.

Tabela 1. Vazão motriz de água no tubo, vazão de ar incorporado na água pelo tubo; porcentagem de arincorporado na água em relação à vazão motriz e rendimento do teste feito com um só tubo que compôso sistema de aeraçâo

Vazão motriz(l.h-1)

Vazão de arincorporado

(1.h-1)

Porcentagem de arincorporado(%)

Rendimento(%)

183,42212,31239,17284,42332,90368,45414,50442,78545,40655,02732,05770,02

5,998,9513,1515,3018,0120,3823,7425,7236,0036,0035,4132,73

3,274,215,105,385,415,535,735,816,605,504,844,25

3,534,565,115,515,845,986,196,287,145,945,234,59

Média: 431,70 22,62 5,14 5,49Desv. Pad: 202,30 10,74 0,88 0,96CV (%): 46,86 47,47 17,20 17,47

Tabela 2. Vazão motriz total do sistema, vazão de ar incorporado _na água; porcentagem de arincorporado na água em relação à vazão motriz; rendimento e o coeficiente de uniformidade dedistribuição do ar incorporado na água (CUC) com o sistema funcionando com seis vazões motrizesdistintas

Vazão motriz total(1.h-1)

Vazão de ar incorporadona água

(l.h-1)

Porcentagem de arincorporado(%)

Rendimento(%)

CUC(%)

10.075,7611.312,0011.635,2012.340,5813.574,4015.836,80

410,00530,06576,95580,00690,42630,25

4,074,694,964,705,093,98

4,405,075,365,085,504,30

64,7065,9069,5465,7066,8159,53

Média: 12.462,46 569,61 4,58 4,95 65,36Desv. pad: 2017,01 95,37 0,46 0,50 3,30CV (%): 16,18 16,74 10,01 10,00 5,05


LEGENDA1. Eletrobomba2. Registro de fechamento lento3. Medidor de pressão4. Medidor de vazão de água5. Tubulação principal6. Tubulação lateral7. Linhas de distribuição de água e ar8. Tomada de água aerada.

2 2

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Reservatório deabastecimento

Reservatório de aeração 8

Figura 1. Esquema do sistema de aeração.

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Vazão motriz (Lh") I Vazão motriz (Lh")

- - -Figura 2. Vazoes de ar Incorporado na agua em funçao das vazoes motrizes com um so tubo ranhurado 2 (a),rendimentos em função das vazões motrizes com um só tubo ranhurado 2(b); vazões de ar incorporado naágua em função das vazões motrizes no sistema com todos os tubos ranhurados 2(c) e rendimentos em funçãodas vazões motrizes no sistema completo 2(d).


•·6 SA-25

, DESEMPENHO DE UM SISTEMA DE AERAÇÃO DE RESERVATÓRIO DE ÁGUA CONSTITUiDOPOR TUBOS VERTICAIS RANHURADOS COM DESCARGA SUBMERSA

J.C.Feitosa Filho', T. A. Botrel', J.M.Pinto2, L.F.Cavalcante'

1. DSER/CCNUFPB. Areia-PB; (083) 362.2300, Ramal 30. Fax: (083) 362-2259.e-mail:[email protected]. 2 - CPATSNEMBRAPA-Petrolina-PE.

RESUMO

., O trabalho teve como objetivo desenvolver e avaliar um sistema de aeração de reservatório deágua constituldo por tubos de PVC rlgido, com potencialidade de uso na remoção de lons de Fe+2

que causam obstrução nas tubulações e emissores dos sistemas de irrigação localizada ou para uso_ na aqüicultura. O sistema foi constituldo de uma linha lateral de 32 mm e de cinco linhas de

distribuição de 25 mm. Em cada uma dessas linhas foram inseridos 5 tubos de 20 mm de diâmetro,comprimento de 0,40 m, espaçados de 0,30 m. As extremidades desses tubos ficaram submersas naágua do reservatório a uma profundidade de 0,10 m. Determinou-se uma equação para definir ofuncionamento do sistema e avaliou-se a quantidade de ar incorporado na água por um dos tubos epor todos da unidade de aeração. Avaliou-se o sistema nas vazões motrizes de 10.076 Uh, 11.635

~ Uh, 12.341 Uh, 13.574 Uh e 15.837 Uh. As vazões médias de ar incorporado na água foram de 410Uh, 530 Uh, 577 Uh, 580 Uh, 690 Uh e 630 Uh. Os valores de CUC obtidos foram de 64,7%, 65,9%,69,5%, 65,7%, 66,8% e 59,5% respectivamente. Pelos resultados, o sistema pode ser consideradoeficiente segundo o objetivo proposto.

25Con~r~o I.RtinIlR,"~rir.n •• de Inl(cnieríll Al!ricoln. eUA 2(1(1(1X (;on~re!<O Nacional de Inl!fnicrí. Al!rícn"l. AI\IIA 2000

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