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metadata.teses.dc.title: Pressure distribution on center-pivot lateral lines: comparative results and energy conservation with a variable speed drive
metadata.teses.dc.title.alternative: Distribuição de pressão em linhas laterais de pivô central: resultados comparativos e conservação de energia com inversor de frequência
metadata.teses.dc.creator: Baptista, Victor Buono da Silva
metadata.teses.dc.creator.Lattes: http://lattes.cnpq.br/9671787996448942
metadata.teses.dc.contributor.advisor1: Colombo, Alberto
metadata.teses.dc.contributor.advisor2: Moreno, Miguel Angel
metadata.teses.dc.contributor.referee1: Colombo, Alberto
metadata.teses.dc.contributor.referee2: Diotto, Adriano Valentim
metadata.teses.dc.contributor.referee3: Moreno, Míguel Ángel
metadata.teses.dc.contributor.referee4: Lima, Luiz Antônio
metadata.teses.dc.contributor.referee5: Faria, Lessandro Coll
metadata.teses.dc.subject: Center pivot
Pressure distribution
Head loss
Correction factor
Hydraulic model
Energy consumption
Variable speed pump
Pumping operation
Pivô central
Distribuição de pressão
Perda de carga
Fator de correção
Modelo hidráulico
Consumo de energia
Bomba de velocidade variável
Operação de bombeamento
metadata.teses.dc.date.issued: 14-Jan-2020
metadata.teses.dc.identifier.citation: BAPTISTA, V. B. da S. Pressure distribution on center-pivot lateral lines: comparative results and energy conservation with a variable speed drive. 2019. 81 p. Tese (Doutorado em Recursos Hídricos em Sistemas Agrícolas)–Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2019.
metadata.teses.dc.description.resumo: O uso de inversores de frequência para controlar a velocidade de operação do bombeamento de irrigação é uma das estratégias para reduzir o consumo de energia em pivôs centrais que operam em áreas com topografia ondulada. Ao variar a frequência da fonte de alimentação à medida que a linha lateral gira no campo, a pressão do ponto de articulação pode ser ajustada para diminuir a pressão excessiva dissipada pelas válvulas reguladoras de pressão em cada saída. No entanto, para reduzir o consumo de energia de um pivô central que opera com um inversor de frequência sem comprometer a uniformidade da aplicação da água, o comportamento da unidade de bombeamento, o modelo digital de elevação da área irrigada e a distribuição de pressão ao longo da linha lateral devem ser totalmente caracterizados. Uma descrição detalhada da distribuição de pressão e o conhecimento adequado da posição do ponto de mínima pressão ao longo da linha lateral são necessários para definir estratégias para reduzir o consumo de energia em pivôs centrais que operam com uma velocidade de operação de bombeamento variável. Nesse sentido, esta pesquisa teve como objetivo estudar a distribuição espacial da pressão ao longo da linha lateral do pivô central em parcelas com topografia ondulada e analisar a conservação de energia promovida pelo uso de inversor de frequência em sua unidade de bombeamento. Conforme descrito no artigo 1, as distribuições de pressão ao longo de uma linha lateral do pivô central determinada por quatro diferentes modelos analíticos foram comparadas à distribuição de pressão determinada por soluções numéricas fornecidas pelo EPANET. Diversas configurações de linha lateral foram consideradas neste estudo: linha lateral com um e dois diâmetros de tubo, aplicação de diferentes lâminas de irrigação por tempo de giro, diferentes valores dos coeficientes de rugosidade da parede do tubo, diferentes valores da inclinação do terreno e linhas laterais operando com e sem canhão final. Para todas as diferentes configurações de linha lateral do pivô central consideradas, foram comparadas duas equações de perda de carga diferentes: a equação de Darcy-Weisbach e a equação de Hazen-Williams Os resultados mostraram que, independentemente da equação de perda de carga considerada, as quatro soluções analíticas apresentaram estimativas de valores de perda muito semelhantes aos calculados com o EPANET. Esses resultados indicam que a descrição detalhada da distribuição de vazão ao longo da linha lateral do pivô central exigida pelo método numérico não melhorou a precisão da distribuição de perda de carga. Além disso, o tedioso processo de edição dos arquivos de entrada exigido pelo EPANET pode ser uma restrição para o seu uso. Nesse sentido, no artigo 2, o VSPM (Variable Speed Pivot Model) foi desenvolvido para realizar análises hidráulicas e de energia de sistemas de irrigação do tipo pivô central usando o EPANET. Além de melhorar o processo de edição dos arquivos de entrada EPANET, esta ferramenta pode determinar, usando qualquer tipo de modelo digital de elevação, a elevação de cada torre para cada posição angular da linha lateral do pivô central. Também é capaz de simular, de maneira precisa, o desempenho do pivô central controlado com um inversor de frequência. A possível redução no consumo de energia com o uso de um inversor de frequência foi simulada para um pivô central localizado em Albacete (Espanha), em uma área irrigada com uma diferença máxima de elevação de 15,3 m. Esta simulação indicou que o consumo de energia com um inversor de frequência é 12,2% menor que o consumo de energia observado com a operação de bombeamento a velocidade fixa, permitindo uma economia próxima a 2.821,47 €.
metadata.teses.dc.description.abstract: The use of variable speed drives to control irrigation pumping running speed is one of the strategies to reduce energy consumption of center pivot systems operating on undulating topography. By varying the frequency of the power supply as the lateral line rotates in the field, pivot point pressure may be adjusted in order to decrease the excess pressure that is dissipated by pressure regulators at each outlet. However, in order to reduce energy consumption of a center pivot system operating with a variable speed drive without compromising the center pivot water application uniformity, the pumping unit behavior, the digital elevation model of the irrigated field, and the pressure distribution along the lateral line must all be fully characterized. A detailed description of pressure distribution along a center pivot lateral line and adequate knowledge of the minimum pressure point position along the center pivot lateral are required in order to define strategies to reduce energy consumption in center pivots operating with a variable pumping running speed. In this sense, this research aimed to study the spatial distribution of pressure along center pivot lateral line in plots with variable topography, and to analyze the energy conservation promoted by using variable speed drives in center pivot pumping units. As described in article 1, pressure distributions along a center pivot lateral line determined by four different analytical models were compared to pressure distribution determined by numerical solutions provided by the EPANET hydraulic simulator. Several different lateral line configurations were considered in this study: lateral line with one and two pipe diameters, application of different gross irrigation depths per revolution time, different values of the pipe wall roughness coefficients, different values of the ground slope, and lateral lines operating with and without an end gun. For all different center pivot lateral line configurations considered, two different friction head loss equations were used: the Darcy-Weisbach equation, and the Hazen-Williams equation. Regardless of friction head loss equation considered, the estimates of head loss distribution obtained with the four analytical solutions were very similar to those calculated with the EPANET hydraulic simulator. These results indicate that the detailed description of the flow distribution along the center pivot lateral line that is required by the numerical method did not improve the accuracy of the head loss distribution. In addition, the tedious process of editing input files required by EPANET may be restricted for its use. In this sense, in article 2 the VSPM (Variable Speed Pivot Model) was developed to perform hydraulic and energy analyses of center pivot systems using the EPANET hydraulics engine. Besides improving the process of editing EPANET input files, this tool can determine, using any type of digital elevation model, the elevation of each tower for each angular position of the center pivot lateral line. It is also capable of simulating, in an accurate manner, the performance of the center pivot controlled with a VSD. The possible reduction in energy consumption with the use of a VSD was simulated for a center pivot system located in Albacete (Spain), in an irrigated area presenting a 15.3 m maximum topographic elevation difference. This simulation indicated that energy consumption with a VSD is 12.2% lower than the energy consumption observed with the commonly used fixed pumping running speed. This reduction in energy consumption correspond to a reduction of 2,821.47 € on energy consumption expenses.
metadata.teses.dc.description: Arquivo retido, a pedido do autor(a), até janeiro de 2021.
metadata.teses.dc.identifier.uri: http://repositorio.ufla.br/jspui/handle/1/38517
metadata.teses.dc.publisher: Universidade Federal de Lavras
metadata.teses.dc.language: eng
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