Energy Saving in Irrigation Piping System using (UAN 32 ... · Energy Saving in Irrigation Piping...

14
INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 2, 2011 © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association REVIEW ARTICLE ISSN 09764259 318 Energy Saving in Irrigation Piping System using (UAN32) Fertilizer as a Drag Reducing Agent Abo Elazm.M.M 1 , Kassab.S.Z 2 , Selim.M.M 1 1 Mechanical Engineering Dept, College Of Engineering and Technology, Arab Academy for Science and Technology, Alexandria, Egypt 2 Mechanical Engineering Dept, Faculty of Engineering, Alexandria University, Alexandria, Egypt [email protected] ABSTRACT In the present study, experiments were carried out on a laboratory circuit to determine the effect of adding fertilizer to the irrigation water as an effective agent to reduce friction. The fertilizer used is Urea Ammonium Nitrate (UAN32). It is a liquid soluble fertilizer used to mix with irrigation water. Several concentrations were used at different Reynolds numbers. The results show that with increasing the UAN32 fertilizer concentration the drag reduction increases till it reaches a maximum value of 6.5% at concentration of 11,000 parts per million, PPM. In addition, as the Reynolds number increases the percentage drag reduction increases in agreement with the wellestablished results in the open literature. Keywords: Drag reduction; Sprinkler Irrigation, Fertigation. 1. Introduction The sprinkler and drip are the two most efficient methods of irrigation. Sprinkler method can be applied to all major crops especially closed spaced crops. Among the various factors limiting the extensive use of sprinkler irrigation system, is the high energy requirement. The sprinkler irrigation is operated in turbulent flow condition in the distribution pipes, risers and ejected water jet. Hence, application of turbulent drag reduction phenomenon can be useful in reducing the energy requirement and thereby saving power and fuel requirement, Phukan et al. (2000). The new irrigation system not only supplies soil with water but also provides agriculture manure to soil, by mixing the irrigation water with soluble manure. This system called fertigation System. The fertigation is the technique of supplying dissolved fertilizer to crops through an irrigation system. Fertigation is now the accepted method of applying most of the crops nutrition, with many growers using liquid soluble fertilizer rather than spreading granular fertilizer and waiting for the rain or sprinklers to wash the fertilizer into the root zone. So, the effectiveness of fertigation is often dependent on the effectiveness of the irrigation system, Selim et al. (2010). The full advantages of irrigation and fertigation only become evident if the correct irrigation design and management is employed to meet plant requirements and to distribute water and fertilizer evenly. Although fertigation appears to be very technical, it offers several benefits, such as: 1. Central distribution of the fertilizer, less labor, no machinery movement and time loss.

Transcript of Energy Saving in Irrigation Piping System using (UAN 32 ... · Energy Saving in Irrigation Piping...

  • INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 2, 2011 

    © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

    REVIEW ARTICLE  ISSN  09764259 

    318 

    Energy Saving in Irrigation Piping System using (UAN32) Fertilizer as a Drag Reducing Agent 

    Abo Elazm.M.M 1 , Kassab.S.Z 2 , Selim.M.M 1 1 Mechanical Engineering Dept, College Of Engineering and Technology, 

    Arab Academy for Science and Technology, Alexandria, Egypt 2 Mechanical Engineering Dept, Faculty of Engineering, 

    Alexandria University, Alexandria, Egypt [email protected] 

    ABSTRACT 

    In  the  present  study,  experiments were  carried  out  on  a  laboratory  circuit  to  determine  the effect of adding  fertilizer  to the  irrigation water as an effective agent  to reduce friction. The fertilizer  used  is Urea Ammonium Nitrate  (UAN32).  It  is  a  liquid  soluble  fertilizer  used  to mix with  irrigation water.  Several  concentrations were  used  at  different Reynolds  numbers. The  results  show  that with  increasing  the UAN32  fertilizer  concentration  the drag reduction increases till it reaches a maximum value of 6.5% at concentration of 11,000 parts per million, PPM. In addition, as  the Reynolds number  increases the percentage drag reduction  increases in agreement with the wellestablished results in the open literature. 

    Keywords: Drag reduction; Sprinkler Irrigation, Fertigation. 

    1. Introduction 

    The sprinkler and drip are the two most efficient methods of irrigation. Sprinkler method can be  applied  to  all  major  crops  especially  closed  spaced  crops.  Among  the  various  factors limiting the extensive use of sprinkler  irrigation system,  is  the high energy requirement. The sprinkler  irrigation is operated in turbulent flow condition in the distribution pipes, risers and ejected water jet. Hence, application of turbulent drag reduction phenomenon can be useful in reducing the energy requirement and thereby saving power and fuel requirement, Phukan et al. (2000). 

    The  new  irrigation  system  not  only  supplies  soil  with  water  but  also  provides  agriculture manure  to  soil,  by  mixing  the  irrigation  water  with  soluble  manure.  This  system  called fertigation System. The  fertigation  is  the technique of supplying dissolved  fertilizer  to crops through an irrigation system. Fertigation is now the accepted method of applying most of the crops  nutrition,  with  many  growers  using  liquid  soluble  fertilizer  rather  than  spreading granular fertilizer and waiting for the rain or sprinklers to wash the fertilizer into the root zone. So,  the  effectiveness  of  fertigation  is  often  dependent  on  the  effectiveness  of  the  irrigation system, Selim et al. (2010). 

    The full advantages of  irrigation and  fertigation only become evident  if the correct  irrigation design and management  is employed  to meet plant  requirements and  to distribute water and fertilizer evenly. Although  fertigation appears  to be very technical,  it offers several benefits, such as: 

    1.  Central distribution of the fertilizer, less labor, no machinery movement and time loss.

    mailto:[email protected]

  • INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 2, 2011 

    © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

    REVIEW ARTICLE  ISSN  09764259 

    319 

    2.  The farm owner or manager can mix the correct formulation, and then allow unskilled employees to switch on or off the fertigation system. 

    3.  Saves fertilizer since the fertilizer is injected as and when the plants need it there is no loss.  For  example  using  traditional  techniques,  the  rain  or  a  heavy  irrigation  could wash the fertilizer away from the root zone. 

    4.  Using  controlled  fustigation  reduces  the  chance  of  over  fertilizing,  and  subsequent fertilizer loss to river systems. 

    On  the  other  hand,  it  is well  known  that  the  addition  of  a  minute  amount  of  polymer  to  a turbulent Newtonian  fluid  flow can  result  in a  large  reduction of  the  frictional drag  in pipes and channels. Although  this effect has been known  for almost more than  half  a century,  the physical mechanism that causes this drag reduction has still not been clearly  identified, Den Toonder et al. (1997). In pipe flows, for example, the drag can be reduced by up to 80 % by adding  just  a  few  parts  per  million  (PPM)  of  polymer.  This  phenomenon  leads  to  the possibility  of  increased  capacities  and  faster  shipping  in  pipelines.  The  discovery  of  this phenomenon of  turbulent drag reduction by polymer additives  is generally ascribed to Toms (1949). 

    Since Toms’s discovery,  the phenomenon has been studied widely, both experimentally and theoretically. Drag reduction here will be defined as any modification to a turbulent fluid flow system that results in a decrease in the normal rate of frictional energy loss and that leaves the resulting  flow  turbulent. Toms obtained  friction  reduction  up  to  50% compared with  a  pure solvent using a 0.25% solution of poly (methylmethacrylate) in monochlorobenzene. He used tubes of various diameter and observed that (i) drag reduction occurs in turbulent flow; (ii) for a  given  polymer  concentration  and  Reynolds  number,  it  increases  as  the  pipe  diameter  is reduced and also (iii)  the drag reduction occurs when the wall shear stress exceeds a critical value which  later came to be known as ‘onset of drag reduction’. Since then,  there has been number of attempts on drag reducing polymers for possible applications in fire extinguishing operations, crude oil transport, oil well operation, sewers and slurry transport. 

    The  positive  results  obtained  in  drag  reducing  phenomenon  in  above  fields  of  technology have  led  the  research  work  to  try  its  possible  application  in  sprinkler  irrigation  system.  In sprinkler  irrigation system, there are multiple outlets and frictional  losses are quite high. The first experiment demonstrating the application of  this phenomenon was performed by Union Carbide Corporation (1969). The addition of the polymer increased crop coverage by 215%. 

    Khalil  et  al.  (2002)  study  the  effects  of  two  kinds  of  polymer  additives  on  sprinkler performance  with  several  concentrations:  a  low  molecular  weight  polymer,  sodium carboxymethylcellulose,  and  a  high molecular weight  polymer,  polyacrylamide.  The  results showed that with polymer additives the radius of  throw and the sprinkler  flow rate  increase. The  jet  is  slightly  affected.  Polyacrylamide  shows  better  results  than  sodium carboxymethylcellulose. 

    In  fertigation system, however,  large pumping power is required because water has to travel long  distance.  If  the  pumping  power  can  be  reduced  significantly  using  this  drag  reduction phenomenon,  great  energy  saving  in  the  system  can  be  obtained  and  consequently  the fertigation system will become more feasible technically and economically, Yoon et al. (2002).

  • INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 2, 2011 

    © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

    REVIEW ARTICLE  ISSN  09764259 

    320 

    In order to obtain a useful and maximum benefit,  it  is  important to find out the most usable fertilizer  in  recent  years.  CF  Industries  (2009)  published  the  data  for  nitrogen  fertilizer production  capacities  2009,  Fig.  1.  From  this  data,  UAN  fertilizer  is  the  one  that  has  the highest production capacity. 

    Figure 1: Nitrogen fertilizer production capacities in 2009 

    Blasius, Colburn, and Koo equations are used to analyze turbulent flow.  They are in the form of a power equation, Chang et al. (2007): 

    (1) 

    Where a, b, and n are constants of proportionality that differ from equation to equation.  The constants of proportionality are shown in Table 1. 

    Table 1: Constants for various turbulent equations, Chang et al. (2007) 

    Equation  A  b  n  Range 

    Blasius  0  0.079  0.25  4000 

  • INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 2, 2011 

    © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

    REVIEW ARTICLE  ISSN  09764259 

    321 

    The  objective  of  the  present  study  is  to  carry  an  experimental  investigation  to  study  the effectiveness  of  UAN32  fertilizer,  the  most  usable  fertilizer  in  water  irrigation  systems nowadays,  as  drag  reducing  agent.  If  this  happened,  it  will  add  another  benefit  to  the fertigation system by reducing energy required for pumping units. 

    2. Experimental Setup 

    The experimental setup, shown in Figs. 2 and 3, consists of a 1000 liters collecting tank (9), 200  liters constanthead upper elevated tank (10), a reciprocating piston pump (2) driven by D.C constant  speed motor (1), ball  valve  (6),  flow meter  (11),  and  test  section  (8). The  test section has ten pressure taps (7). 

    The open air type of upper tank (10) was used in the present study. For all tests, the solution level  in the upper tank was fixed at 3.55 m above tested pipe axis. This head  is sufficient to provide the required flow velocities to create turbulent flow. The test section (8) consists of a PVC pipe of  inner diameter, d = 2.54 cm (1  inch) and total  length, L = 6 m. About 30 pipe diameters were used as a developing length between the elbow and the first pressure tab. The friction loss measurement in the tested pipe was conducted by means of series of pressure tabs located along the pipe. The distance between any two neighboring tabs is 0.5 m. The pressure distribution along the tested section was measured by piezometer tube at each pressure tab. 

    For a drag reducer to be wholly effective it is important that it is highly soluble in the solvent. A  batch  of  polymer  solution  at  the  required  concentration  was  prepared  in  the  1000  liters collecting  tank  (9). The polymer was provided by Abu Qir Fertilizer Company, Alexandria, Egypt,  with  the  name  of  UAN32.  It  is  a  colorless  liquid,  may  be  dyed  blue,  with  slight ammonia  odor. UAN32 was  gently  mixed with  tab water  and  stirred  properly  for  20  to  30 minutes.  The  polymer  solution  had  to  be  prepared  approximately  24  hours  before  an experiment was performed to ensure homogeneous concentration. A period of 5 to 10 minutes of  stirring  was  enough  before  the  direct  use,  Sellin  et  al.  (1982).  The  uncertainty  value  of percentage  drag  reduction,  DR%,  is  ±  1.29%. More  details  of  the  followed  procedure  are given by Selim (2011). 

    The global  effectiveness  of  the UAN32  as  drag  reducing  agent  is  first  investigated. This  is performed by measuring the flow head loss through the test section (8). An elevated tank (10) was used to ensure the same input head. A reciprocating (piston) pump (2) was used to raise the solution  from the collecting tank (9) to the upper elevated tank (10) to avoid mechanical degradation. 

    For  steady  fully developed  turbulent pipe  flow,  the  static pressure drop  is  balanced only  by shear  stress  at  the  pipe  wall.  Therefore,  the  pressure  distribution,   P ,  can  be  calculated directly  by measuring  the  head  loss,   h ,  along  the  pipe  axis  (xdirection)  using  piezometer tubes. Therefore, the coefficient of friction, Cf, can be calculated directly by applying Darcy’s equation. 

    (2) 

    Where D is the pipe inside diameter, L is the length between pressure tabs, and v is the flow velocity inside the pipe.

  • INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 2, 2011 

    © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

    REVIEW ARTICLE  ISSN  09764259 

    322 

    Figure 2: Schematic diagram of the experimental setup. 

    Figure 3: General view of the experimental setup 

    3. Results and Discussions 

    For the present study, in order to insure the existence of the fully developed flow, the linearity of  the  wall  static  pressure  drop  was  checked  at  the  beginning  using  water  only  (zero concentration,  i.e. 0 PPM). A sample of results  is shown  in Fig. 4 for the range of Reynolds numbers, RE = 1.5×10 4 to 3.1×10 4 . From this figure, it is clear that, for all Reynolds numbers, the  static  pressure  drop  along  the  pipe  wall  is  linear  and  consequently  the  flow  is  fully developed.

  • INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 2, 2011 

    © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

    REVIEW ARTICLE  ISSN  09764259 

    323 

    In  the  present  study  all  calculations  deal  with  the  coefficient  of  friction,  but  the  previous equations  mentioned  in  Table.1  sorts  the  relation  between  the  Fannaing  friction  factor  and Reynolds number. However, the coefficient of friction is four times the Fanning friction factor. Further, the coefficient of friction is shown in Fig. 5. The present results for pure water (zero PPM) are in a good agreement with the Blasius friction law 

    (3) 

    This comparison for water results gives confidence to the results of the present experimental setup and work. 

    0  1  2  3  4  5 0.5  1.5  2.5  3.5  4.5 

    Distance from first tapping point (m) 

    30 

    20 

    10 

    35 

    25 

    15 

    5

    ∆ h(cmW ater) 

    0  1  2  3  4  5 0.5  1.5  2.5  3.5  4.5 

    Pure water (zero PPM) 

    RE=3.09x10 4 RE=2.87x10 4 RE=2.61x10 4 RE=2.34x10 4 RE=2.1x10 4 RE=1.84x10 4 RE=1.67x10 4 RE=1.50x10 4 

    Figure 4: Pressure distributions along the test section of pure water at different Reynolds numbers 

    10000  20000  30000  40000  50000  60000 Reynolds Number, RE 

    0.02 

    0.03 

    0.04 

    Coefficientoffriction,Cf 

    Blasius Friction Law 

    Pure Water 

    Figure 5: Comparison between the experimental coefficient of friction of pure water (zero PPM) with Blasius friction law at different Reynolds numbers

  • INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 2, 2011 

    © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

    REVIEW ARTICLE  ISSN  09764259 

    324 

    For the case of using fertilizer, i.e. PPM > zero, it is important to use the correct value of the 

    viscosity  in  the  determination  of Reynolds  number,  . Since  the  viscosity of each solution concentration may be differ from the viscosity of pure water (zero PPM). The kinematic viscosity of fertilizer solution at the studied concentrations was estimated using the Refutas equation. The calculation is carried out in three steps, Maples (2000). 

    The  first  step  is  to  calculate  the Viscosity Blending  Index  (VBI) of  each  component  of  the solution using the following equation (known as a Refutas equation) 

    (4) 

    Where      is  the  kinematic  viscosity  in  centistokes  (cSt).  It  is  important  that  the  kinematic viscosity of each component of the solution be obtained at the same temperature. 

    The next step is to calculate the VBI of the solution, using this equation: 

    (5) 

    Where w is the weight fraction of each component of the solution. 

    Once the Viscosity Blending Index of a solution has been calculated using equation (5), the final step is to determine the kinematic viscosity of the blend by solving equation (4) for v: 

    (6) 

    where VBIsolution  is the Viscosity Blending Index of the blend. 

    0.1  1  10  100  1000  10000  100000 Concentration (PPM) 

    0.02 

    0.01 

    0.01 

    0.02 

    0.03

    ∆ν (cSt) 

    Calculations at temperature of 20 o C ∆ν = (νsolutionνwater) 

    Figure 6: Variation of kinematic viscosity on solution concentration

    http://en.wikipedia.org/wiki/Mass_fraction_(chemistry)

  • INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 2, 2011 

    © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

    REVIEW ARTICLE  ISSN  09764259 

    325 

    The present results of the kinematic viscosity of the solution at the working temperature (the temperature at which all friction loss data were recorded in the present study),  i.e. 20 o C, are plotted in Fig. 6, as (Dn ≈ nsolution   nwater), against the fertilizer concentration. Figure 6 shows that for concentration up to 100 PPM, the solution and the water have approximately the same viscosity,  but  above  100 PPM  the  viscosity  of  the  fertilizer  solution  is  higher  than  that  for water. 

    Since the concentration of the solution vary depending on soil type, type of crop, and source of water  used,  several  concentrations will  be  performed. To  avoid  over  fertilizing,  the most common used fertilizer concentration is 12% of the total water volume. It is recommended to do not exceed concentrations more than 5% to avoid fertilizer leaching. Consequently, a wide range  of  concentrations were  performed  in  the  present  study  (500  to12000  PPM),  Personal Communications (2010). 

    Figure 7 shows the pressure distribution of UAN32 fertilizer at several concentrations up to 12,000  PPM  at  different  Reynolds  numbers.  It  shows  that  for  certain  concentration,  as Reynolds  number  increases  the  pressure  head  drop  increases.  This  is  evident  for  all concentrations.  In addition,  the pressure head drop  is  linearly decreases with  the  increase of the  pipe  length  towards  the  flow  outlet.    The  trend  is  in  agreement  with  the  wellknown physics for the Newtonian fully developed turbulent flow through pipes. 

    Figure  8  shows  that  the  effect of UAN32  fertilizer  addition  is  to  reduce  the  friction  loss  in pipes  by  reducing  the  coefficient  of  friction,  for  the  case  of  11,000  PPM  (maximum  drag reduction case) compared with Pure water  (zero PPM) and Blasius  friction  law. This  figure shows  clearly  that  there  is  a  reduction  in  the  coefficient  of  friction  due  to  adding  UAN32 fertilizer to water. 

    In order to present the obtained data in a useful  format for presentation and discussion,  it  is important  to  put  it  in  the  form of  percentage  drag  reduction, which  can  be determined  as  a function of the reduction in the coefficient of friction. 

    (7) 

    Where, 

    Coefficient of friction for fertilizer solution 

    Coefficient of friction for

  • INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 2, 2011 

    © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

    REVIEW ARTICLE  ISSN  09764259 

    326 

    0  1  2  3  4  5 0.5  1.5  2.5  3.5  4.5 

    Distance from first tapping point (m) 

    30 

    20 

    10 

    35 

    25 

    15 

    5

    ∆h(cmWater) 

    0  1  2  3  4  5 0.5  1.5  2.5  3.5  4.5 

    a) Pure water (zero PPM) 

    RE=3.09x10 4 RE=2.87x10 4 RE=2.61x10 4 RE=2.34x10 4 RE=2.1x10 4 RE=1.84x10 4 RE=1.67x10 4 RE=1.50x10 4 

    0  1  2  3  4  5 0.5  1.5  2.5  3.5  4.5 

    Distance from first tapping point (m) 

    30 

    20 

    10 

    35 

    25 

    15 

    5

    ∆h(cmWater) 

    0  1  2  3  4  5 0.5  1.5  2.5  3.5  4.5 

    b) 5000 PPM RE=3.07x10 4 RE=2.85x10 4 RE=2.6x10 4 RE=2.33x10 4 RE=2.08x10 4 

    RE=1.83x10 4 RE=1.66x10 4 RE=1.49x10 4 

    0  1  2  3  4  5 0.5  1.5  2.5  3.5  4.5 

    Distance from first tapping point (m) 

    30 

    20 

    10 

    35 

    25 

    15 

    5

    ∆h(cmWater) 

    0  1  2  3  4  5 0.5  1.5  2.5  3.5  4.5 

    c) 7000 PPM RE=3.07x10 4 RE=2.84x10 4 

    RE=2.6x10 4 

    RE=2.32x10 4 RE=2.08x10 4 RE=1.82x10 4 

    RE=1.66x10 4 RE=1.49x10 4 

    0  1  2  3  4  5 0.5  1.5  2.5  3.5  4.5 

    Distance from first tapping point (m) 

    30 

    20 

    10 

    35 

    25 

    15 

    5

    ∆h(cmWater) 

    0  1  2  3  4  5 0.5  1.5  2.5  3.5  4.5 

    d) 10000 PPM RE=3.05x10 4 RE=2.82x10 4 RE=2.58x10 4 RE=2.3x10 4 RE=2.07x10 4 

    RE=1.81x10 4 RE=1.65x10 4 RE=1.48x10 4 

    0  1  2  3  4  5 0.5  1.5  2.5  3.5  4.5 

    Distance from first tapping point (m) 

    30 

    20 

    10 

    35 

    25 

    15 

    5

    ∆h(cmWater) 

    0  1  2  3  4  5 0.5  1.5  2.5  3.5  4.5 

    e) 11000 PPM RE=3.04x10 4 RE=2.82x10 4 RE=2.57x10 4 RE=2.3x10 4 RE=2.06x10 4 

    RE=1.81x10 4 RE=1.64x10 4 RE=1.48x10 4 

    0  1  2  3  4  5 0.5  1.5  2.5  3.5  4.5 

    Distance from first tapping point (m) 

    30 

    20 

    10 

    35 

    25 

    15 

    5

    ∆h(cmWater) 

    0  1  2  3  4  5 0.5  1.5  2.5  3.5  4.5 

    f) 12000 PPM RE=3.03x10 4 RE=2.81x10 4 RE=2.56x10 4 

    RE=2.29x10 4 

    RE=2.06x10 4 

    RE=1.8x10 4 RE=1.64x10 4 RE=1.47x10 4 

    Figure 7: Pressure distributions along the test section of UAN32 fertilizer at several concentrations and different RE: a) zero PPM,   b) 5000 PPM,   c) 7000 PPM,   d) 10000 PPM, 

    e) 11000 PPM,   f) 12000 PPM

  • INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 2, 2011 

    © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

    REVIEW ARTICLE  ISSN  09764259 

    327 

    10000  20000  30000  40000  50000  60000 Reynold's Number 

    (RE) 

    0.02 

    0.03 

    0.04 

    Coe

    fficien

    tof fric

    tion 

    (C  f ) 

    0.02 

    0.03 

    0.04 

    Blasius Friction Law 

    Pure Water 11,000 PPM 

    Figure 8: Coefficient of friction Versus Reynolds number for Blasius friction law, pure water (zero PPM) and 11,000 PPM of UAN32 fertilizer 

    From  the  pressure  measurements  presented  in  Fig.7,  the  percentage  drag  reduction  in  the coefficient of  friction can be obtained using Eq. 7 and presented in Fig.9. Concentrations of 500  and  1,000  PPM  resulted  in  a  drag  reduction  of  only  0.7  %  and  1.1  %  respectively. However, the percentage drag reduction kept  increasing with UAN32 fertilizer concentration increasing till  it  reaches a value about 6.5 % at a concentration of 11,000 PPM as shown  in Fig.9,  before  starting  to  decrease  as  the  concentration  increase.   This  figure  shows  that  the maximum percentage drag reduction, DR%, is at 11,000 PPM. 

    Figure 9: Percentage of drag reduction versus UAN32 concentration at various values of average Reynolds numbers

  • INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 2, 2011 

    © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

    REVIEW ARTICLE  ISSN  09764259 

    328 

    It  is worth to mention  that  the  results presented  in Fig. 9 are obtained  for average Reynolds numbers. This  is  because as  the concentration changes  the viscosity of  the solution changes (see  Fig.  6).  Therefore,  for  the  same  discharge,  Q,  and  using  different  concentrations  the velocity is constant and the only change in Reynolds number  is the viscosity. Table 2 shows the effect of concentration change on the value of Reynolds number. 

    It is  important to note that, Table 2 displays that the maximum percentage Reynolds number difference is less than ±1%. 

    Table 2: The effect of concentration change on solution viscosity, therefore on RE 

    Discharge, Q = 37 L/m 

    Concentration (PPM) 

    Kinematic viscosity, ν (c.St) 

    Reynolds number, Re 

    %RE Difference, 

    Zero  1  3.0912×10 4  0.99% 1000  1.0015  3.0866×10 4  0.84% 5000  1.006  3.0728×10 4  0.39% 7000  1.0075  3.0682×10 4  0.24% 10000  1.015  3.0455×10 4  0.50% 11000  1.018  3.0366×10 4  0.79% 12000  1.02  3.0306×10 4  0.99% Average Reynolds number  3.0609×10 4  0% 

    Figure 10: Pressure distributions along the test section at the same average Reynolds number (Reavg = 2.32x10 4 ) for different concentrations 

    The  effect  of  adding  UAN32  fertilizer  to  water  with  different  concentrations  at  the  same average Reynolds number (REavg = 2.32x10 4 ) is shown in Fig.10. This figure shows that, at

  • INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 2, 2011 

    © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

    REVIEW ARTICLE  ISSN  09764259 

    329 

    the same average Reynolds number, the effect of UAN32 fertilizer  is to decrease the friction pressure  head  loss  through  the  pipe  test  section.  Meanwhile,  Fig.11  shows  that  the  same behavior is obtained for other Reynolds numbers. 

    4. Conclusions 

    The  following  concluding  remarks  are  based  on  the  experimental  results  obtained  using UAN32  fertilizer  at different concentrations and Reynolds  numbers and within  the  range of the present study. 

    UAN32 fertilizer can be used not only as a liquid fertilizer but also as a drag reducing agent in irrigation systems. So beside its original benefits, there is an additional benefit of adding it to water through the irrigation system, that is, it will reduce the system consumed power. 

    UAN32  fertilizer  has  small  effect  at  low  concentrations  up  to  1000  PPM.The  maximum percentage drag reduction for UAN32 fertilizer is between 10,000 and 11,000 PPM. So, if the fertigation system could be sited to pump these concentrations all the time it will give the best power consuming rate. 

    It  is  important  to  mention  that  adding  UAN32  fertilizer  to  the  irrigation  water  and  getting power  reduction  is a benefit with  nearly minimum required cost. This  is because  the  farmer instead  of  spread  the  fertilizer  over  the  land  without  getting  any  benefit,  he  can  add  the fertilizer to the irrigation water and get power reduction. 

    3.5  4  4.5 Length (m) 

    Head Lo

    ss (c

    m water) 

    a) Q=18 L/min REavg=1.49x10 4 

    0  PPM 7000  PPM 11000 PPM 

    3.5  4  4.5 Length (m) 

    10 

    11 

    b) Q=20 L/min REavg=1.65x10 4 

    0  PPM 7000  PPM 11000 PPM 

    [a]  [b] 

    3.5  4  4.5 Length (m) 

    10 

    11 

    12 

    13 

    HeadLoss

    (cmwater) 

    c) Q=22 L/min REavg=1.82x10 4 

    0  PPM 7000  PPM 11000 PPM 

    3.5  4  4.5 Length (m) 

    12 

    13 

    14 

    15 

    16 

    d) Q=25.1 L/min REavg=2.08x10 4 

    0  PPM 7000  PPM 11000 PPM 

    [c]  [d]

  • INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 2, 2011 

    © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

    REVIEW ARTICLE  ISSN  09764259 

    330 

    3.5  4  4.5 Length (m) 

    21 

    23 

    25 

    27 

    Head Lo

    ss (cm water) 

    e) Q=34.3 L/min REavg=2.84x10 4 

    0  PPM 7000  PPM 11000 PPM 

    3.5  4  4.5 Length (m) 

    24 

    26 

    28 

    30 

    32 

    f) Q=37 L/min REavg=3.06x10 4 

    0  PPM 7000  PPM 11000 PPM 

    [e]  [f] Figure 11: Head loss along pipe length for different concentrations at several average Reynolds 

    numbers, a) Reavg =14891,  b)Reavg=16546,  c) Reavg =18200, d) Reavg =20765,  e) Reavg =28378,  f) Reavg =30609. 

    Acknowledgment 

    The authors would like to acknowledge Abu Qir Fertilizer Co. Alexandria, Egypt, for providing the UAN32 fertilizer used in the present study. 

    References 

    1.  CF  Industries  Holdings,  Inc.    FORM  8K    EX99.1    ,  May  20, 2010 

    2.  Chang, S., DiorioToth, N., Grover, S., Hoang, J. and Wang, A., “Laminar and turbulent flow in pipes: determining the relationship between fanning friction factor and Reynolds number”, Transport Processes Laboratory, pp 63363, 2007. 

    3.  Den  Toonder,  J.M.J.,  Hulsen,  M.A.,  Kuiken,  G.D.C.  and  Nieuwstadt,  F.T.M.,  “Drag reduction  by  polymer  additives  in  aturbulent  pipe  flow:  numerical  and  laboratory experiments” J. Fluid Mech., 337, pp 193231, 1997. 

    4.  Khalil,  M.F.,  Kassab,  S.Z.,  Elmiligui.  A.A.,  and  Naoum,  F.A.,”Applications  of  Drag Reducing  Polymers  in  Sprinkler  Irrigation  Systems:  Sprinkler  Head  Performance” Trans. ASCE, J. Irrigation and Drainage Engineering, 128, pp. 147152, 2002. 

    5.  Maples, R.E., “Petroleum Refinery Process Economics” (2nd edition) Pennwell Books, Tulsa, Okla, 1993. 

    6.  Patel, V.C. and Head, M.R., “Some observations on skin friction and velocity profiles in fully developed”, J. Fluid Mech., 38, pp.181201, 1969. 

    7.  Personal  Communications,  2010,  Alexandria  University,  College  of  Agriculture, Fertilizing department.

  • INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 2, 2011 

    © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

    REVIEW ARTICLE  ISSN  09764259 

    331 

    8.  Phukan,  S.,  Kumar,  P.,  Panda,  J.,  Nayak,  B.R.,  Tiwari,  K.N.  and  Singh,  R.P., “Application of drag reducing commercial and purified guar gum for reduction of energy requirement of sprinkler irrigation and percolation rate of the soil” J. Agricultural Water Management, 47, pp. 101–118, 2000. 

    9.  Selim,  E.M.,  ElNeklawy,  A.S.  and  Mosa  A.A.,  “  Humic  acid  fertigation  of  drip irrigated cowpea under sandy soil conditions”, AmericanEurasian J. Agric. & Environ, Sci., 5, pp. 538543, 2010. 

    10. Sellin,  R.H.,  Hoyt,  J.J.W., Poliert,  J.  and Scrivener,  O.,  “The  effect  of  drag  reducing additives on fluid flows and their industrial applications part 2: present applications and future proposals” J. Hydraulic Research, 20, pp. 235–292, 1982. 

    11. Sleem, M.M.,” Energy saving in irrigation piping system using fertilizer”, M.Sc. Thesis, Arab  Academy  for  Science,  Technology  and  Maritime  Transport,  Alexandria,  Egypt, 2011. 

    12. Toms, B.A., “Some observations on the flow of linear polymer solution through straight tubes at  large Reynolds number”, Proc. 1 st  Int. Congress on Rheology, 2, pp. 135141, North Holand Publ. Co, 1948. 

    13. Union Carbide Corporation, “Slippery water cuts friction loss”, J. Fire Eng. 122, pp. 48 49, 1969. 

    14. Yoon, S.M., Kim, N.J., Kim, C.B., Hur, B.K., “Flow and heat transfer characteristics of drag reduction additives  in district heating and cooling systems” J. Ind. Eng. Chem., 8, pp. 564571, 2002.

    http://www.informaworld.com/smpp/title~db=all~content=t916282780http://www.informaworld.com/smpp/title~db=all~content=t916282780~tab=issueslist~branches=20