Controle de Fluxo de Água – Como Funciona

O que são Válvulas de Controle de Vazão?

As válvulas de controle de vazão são projetadas para manter uma vazão máxima constante pré-definida, independentemente da variação da demanda ou da pressão do sistema. A limitação de vazão é necessária nas saídas dos sistemas principais para consumidores como sistemas secundários (linha principal para linha de hidrante; linha de hidrante para linha de distribuição), reservatórios, etc., a fim de proteger o sistema de abastecimento contra o consumo excessivo. O consumo é determinado pela demanda do usuário a jusante da válvula de controle de vazão — de acordo com o número de emissores no campo e seus dados de vazão, número de usuários irrigando simultaneamente, componentes externos como reservatórios e sistemas de backup.

Fluxo do sistema ao longo do tempo com válvula de limitação de vazão e sem (linha tracejada)

Sem conseguir controlar os usuários, os projetistas estão utilizando Válvulas de Controle de Vazão para garantir que o fluxo não ultrapasse significativamente o fluxo de projeto. Ao limitar o fluxo, protegemos o sistema de abastecimento contra demanda excessiva, priorizando-o em relação aos usuários quando tentam consumir mais do que as especificações do sistema.

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Introdução

A modernização da irrigação tem como objetivo economizar água e energia por meio da melhoria da infraestrutura de irrigação — substituindo a irrigação por inundação por sistemas pressurizados e, assim, aumentando a eficiência da irrigação e otimizando o uso dos recursos hídricos existentes. O projeto hidráulico de sistemas de irrigação pressurizados baseia-se em dois parâmetros principais: vazão e pressão. Com base nesses parâmetros, todo o projeto do sistema é definido: as bombas são selecionadas, o tipo e o tamanho do sistema de filtragem são determinados, os materiais e diâmetros das linhas principais e de distribuição são definidos, além do número, dimensões e localização dos reservatórios necessários.

Utilizar uma vazão menor por um período mais longo transforma o “esquema de operação de irrigação” (turnos de irrigação) em uma ferramenta principal de projeto para reduzir a energia necessária e o diâmetro das tubulações e componentes do sistema. Assim, a irrigação é dividida em turnos que permitem economia de energia e de investimento inicial. Esse projeto detalhado baseia-se no fato de que a vazão na linha principal e a vazão necessária para cada turno de irrigação são conhecidas.

Portanto, se não limitarmos a vazão em sistemas com múltiplos usuários, o consumo descontrolado resultará em uma queda de pressão significativa em todo o sistema. Isso pode levar à cavitação da bomba e de componentes, sobrecarga no consumo de energia, geração de ar, sucção de sujeira, etc. Um desvio significativo de mais de 10-15% em relação aos parâmetros de projeto conhecidos de vazão e pressão resultará em um sistema de irrigação com funcionamento muito deficiente. Isso pode ser evitado com a implementação de válvulas limitadoras de vazão.

Uma demanda de campo superior à vazão projetada pode ocorrer devido a:

• Enchimento de tubulação
• Alterando os turnos de irrigação
• Rompimento
• Retrolavagem do filtro
• Abastecimento do reservatório

Aplicações de Controle de Vazão em Sistemas de Irrigação

1. Proteção da bomba e do sistema

a) Limitar a vazão na saída para o setor a fim de proteger a bomba contra excesso de capacidade, sobrecarga e condições de cavitação, além de manter a vazão de projeto.
b) Limitar a vazão na linha principal para proteger a bomba e o sistema contra sobrecarga e cavitação, mantendo uma curva de bomba estável conforme mostrado no gráfico abaixo. Quando a demanda é significativamente maior que a de projeto:

• A pressão fornecida no campo é reduzida 
• O impulsor da bomba gira em uma velocidade muito alta, resultando em condições de cavitação e carga vertical no eixo.
• O consumo de energia excede os parâmetros de projeto, causando um uso de corrente mais elevado que pode gerar problemas na bomba devido à sobrecarga da rede elétrica.

2. Linhas vazias “preenchem” o controle 

Controle de vazão para sistemas que são esvaziados entre turnos de irrigação, tais como:

• Máquinas de irrigação e pivôs centrais
• Sistemas de projetores em declive
• Sistemas de gotejamento não compensados de baixa pressão
• Sistemas de irrigação por pulso  

O vídeo a seguir demonstra o processo de enchimento de uma máquina de irrigação (pivô central):

3. Controle de Vazão durante a Retrolavagem de Filtro

Controle de vazão para evitar o “escoamento” do meio filtrante, das telas e o possível colapso do elemento filtrante, além de economizar água e energia.

O vídeo a seguir demonstra diferentes válvulas de controle necessárias em um sistema de filtração, entre elas, válvulas de controle de vazão:

4. Abastecimento do reservatório & controle de nível

As válvulas de controle de nível regulam quando o nível de água no reservatório diminui. Quando isso ocorre ao mesmo tempo em que o sistema está operando/irrigando, pode causar uma queda de pressão para todos os outros usuários. Assim, ao limitar o fluxo de enchimento do reservatório, protegemos o sistema desse tipo de queda de pressão. Além disso, o uso de uma válvula de controle de fluxo e nível pode proporcionar proteção tanto para a válvula quanto para o reservatório contra condições de alto fluxo de enchimento e cavitação.

Sistemas com Válvulas de Controle de Vazão – Princípios

1. Válvulas de Controle de Vazão reagem a um aumento dos parâmetros que controlam, estrangulando o fechamento.
2. Este é um processo “progressivo” = o aumento da demanda resulta na válvula reduzindo o fluxo de forma progressiva.
3. Quanto mais a válvula fecha, mais a pressão a jusante é reduzida.
4. Quando a demanda estiver abaixo dos parâmetros de projeto, a válvula abre totalmente.

Se a vazão ajustada da válvula for igual à vazão nominal projetada, a válvula permanecerá constantemente em modo de estrangulamento, gerando maior perda de carga (menor pressão a jusante no campo) e condições de operação mais exigentes, aumentando o risco de danos por cavitação na válvula.

Alguns bons motivos para calibrar de 10 a 15% acima da vazão de projeto:

A Bermad recomenda fortemente calibrar a válvula de controle de vazão para 10-15% acima da vazão nominal de projeto do lote, pelos seguintes motivos:

1. Se o fluxo ajustado da válvula for igual ao fluxo nominal projetado, a válvula estará constantemente em modo de estrangulamento, os consumidores sofrerão com baixa pressão de operação e a válvula estará constantemente sob condições severas de operação.
2. A probabilidade de que todos os usuários do sistema de irrigação pressurizado irriguem ao mesmo tempo é estatisticamente baixa, portanto, o risco de demanda excessiva no sistema, mesmo quando o ajuste está 15% acima da vazão nominal, é muito improvável.
3. As considerações de projeto focam nos cálculos de energia e é desejável o uso de válvulas com perda de carga mínima. Forçar as válvulas a permanecerem constantemente em modo de regulagem perturba e contradiz essa tendência.
4. Se ajustarmos para a vazão nominal, a vazão não aumentará mesmo quando houver um rompimento no trecho, impedindo que o sistema de controle identifique e alarme em caso de rompimento.

Válvula de Controle de Vazão – Sensores de Vazão Comuns & Métodos de Controle

1. Orifício a montante como sensor de fluxo

Instalada a montante da válvula, a placa de orifício usinada é dimensionada para criar uma diferença de pressão conhecida para uma determinada vazão.

2. Duto de pressão diferencial (interno “TubeOrifice”) como sensor de fluxo

O duto interno de pressão diferencial é, na verdade, um dispositivo interno, instalado dentro da válvula, projetado para detectar uma pressão diferencial conhecida para uma determinada vazão. Os benefícios do TubeOrifice em relação ao orifício padrão são:

3. Orifício a jusante como sensor de fluxo (para aplicações de enchimento de reservatório)

Localizado a jusante da válvula, o diferencial de pressão no orifício pode ser determinado controlando apenas a pressão de entrada do orifício, já que a pressão a jusante do orifício é constante e igual ao nível de água do reservatório.  A válvula limita o fluxo de enchimento do reservatório simplesmente reduzindo a pressão a montante do orifício (entre o orifício e a válvula), priorizando assim os consumidores em relação ao enchimento do reservatório e proporcionando controle de nível e proteção contra cavitação da válvula.

4. Piloto tipo pá como sensor de fluxo

• Se a demanda aumentar, a velocidade do fluxo aumenta — empurrando a pá, de modo que o piloto controla a válvula para estrangular o fechamento e limita o fluxo de volta ao ajuste do piloto. Se a demanda diminuir, a velocidade do fluxo diminui, permitindo que a mola do piloto empurre a pá de volta para a posição vertical e o piloto controla a válvula para abrir totalmente.
• Este método está associado a uma perda de carga muito baixa (em comparação com sensores de pressão diferencial) e a uma faixa de ajuste muito ampla, que pode ser facilmente ajustada em campo.

Nota: Para velocidades de fluxo abaixo de 1 m/s, recomenda-se um Piloto Servo Tipo Pá 2/3 Vias.

Válvulas de Controle de Vazão – Instalações de Projetos

Sistema de Gerenciamento de Saída Orissa, Índia

As fotos abaixo apresentam um sistema típico de gestão de saídas na Índia, equipado com válvulas de campo de controle de vazão e redução de pressão (Bermad Modelo IR-2″L-172). Cada válvula controla a irrigação de um lote pertencente a um agricultor diferente. O projeto inclui 726 Sistemas de Gestão de Saídas (OMS), cada um incluindo válvula de isolamento, filtro (cesto para pedras e cascalho), válvula de ar, válvula de controle de campo e automação.

O fluxo é controlado por Pilotos tipo pá 3 vias.

A Bermad é a principal fornecedora deste projeto em andamento, com cerca de 3.500 válvulas poliméricas; cada uma foi testada e calibrada de acordo com os requisitos de projeto na fábrica da Bermad.

A imagem à esquerda mostra a Válvula de Controle de Vazão & Redutora de Pressão Bermad Modelo IR-172 em bancada de testes para ensaio e calibração; a imagem à direita mostra a instalação do OMS no local, Orissa, Índia.

Estudo de Caso: CCRR Callen na Espanha

CCRR Callen na Espanha é um consórcio de irrigação de 1.872 ha com 70 usuários que cultivam milho, cevada, trigo e alfafa. O consórcio queria modernizar sua infraestrutura de irrigação porque estava desatualizada, ineficiente e exigia operação manual intensiva.

A solução integrada de irrigação da Bermad para Callen incluiu uma linha principal e soluções contra surtos, além de hidrômetros de controle remoto para redução de pressão e controle de vazão IR-972 para cada talhão.

O consórcio controla remotamente cada válvula medidora de acordo com os turnos de irrigação projetados.

Os hidrômetros de controle de vazão IR-972 com piloto tipo pá são instalados na cabeça de irrigação para controlar:

• Irrigação normal: Garantir que a pressão do sistema e os componentes (bombas, tubulações, filtros, válvulas, ventosas) não excedam os requisitos de projeto.
• Enchimento de tubulação: Limita o fluxo de enchimento da linha, prevenindo queda de pressão no sistema de abastecimento e possível golpe de aríete associado à alta velocidade no final do processo de enchimento da linha.
• Rompimento: Garantia do funcionamento do sistema mesmo em caso de rompimento de tubulação na extremidade do agricultor.