Reologia e Escoamento 2

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Viscosímetro
Deve medir:
É um equipamento projetado para medir/determinar, a
partir de medições, a viscosidade ou parâmetros dos
fluidos sob condições de cisalhamento contínuo.
 
Tensão cisalhante (𝓣) e Taxa de cisalhamento (γ), ou
outras variáveis que possam ser convertidas nestas
através de equações que obedeça, as leis da mecânica
dos fluidos.
Cap 3 - Viscosimetria
Viscosímetro Fann V.G. Metter mod. 35A
Este é do tipo de TAXA DE CISALHAMENTO CONTROLADA, e o
sistema COUETTE é aplicado aos cilindros.
Tipos de Viscosímetros
Os valores de viscosidade devem poder ser comparados
entre diferentes laboratórios independente do tipo de
viscosímetro e do fabricante.
ABSOLUTOS
Determinam a viscosidade através de grandezas físicas
absolutas. (F, L, T).
 
RELATIVOS
Processam uma medida de viscosidade relativa a um
fluido padrão, geralmente newtoniano, cuja viscosidade é
conhecida.
 
Cap 3 - Viscosimetria
Projetos de Viscosímetros mais usuais se baseiam em
geometrias bem definidas, como:
a) Bola ou Esfera;
b) Tubular ou tubo-capilar;
c) Capilar de vidro;
d) Rotativo de cilindros coaxiais;
e) Rotativo de cone-placa;
f) Rotativo de placa-placa.
Cap 3 - Viscosimetria
Projetos de Viscosímetros mais usuais se baseiam em
geometrias bem definidas, como:
a) Bola ou Esfera;
b) Tubular ou tubo-capilar;
c) Capilar de vidro;
d) Rotativo de cilindros coaxiais;
e) Rotativo de cone-placa;
f) Rotativo de placa-placa.
Cap 3 - Viscosimetria
Viscosímetro de Orifício
São bastante utilizados na indústria devido à simplicidade
e rapidez na operação para medidas relativas de fluidos
newtonianos ou não.
Esta medida correlaciona os resultados obtidos com as
propriedades já conhecidas, mas não especifica ou
qualifica materiais.
É composto de um tubo ou orifício disposto na vertical
com comprimento pequeno em relação ao diâmetro, não
estuda a reologia pois os resultados são inexatos e
variáveis;
 
Cap 3 - Viscosimetria
Viscosímetro de Orifício
São bastante utilizados na indústria devido à simplicidade
e rapidez na operação para medidas relativas de fluidos
newtonianos ou não.
Esta medida correlaciona os resultados obtidos com as
propriedades já conhecidas, mas não especifica ou
qualifica materiais.
É composto de um tubo ou orifício disposto na vertical
com comprimento pequeno em relação ao diâmetro, não
estuda a reologia pois os resultados são inexatos e
variáveis;
 
Cap 3 - Viscosimetria
Viscosímetros de Orifício
 
Cap 3 - Viscosimetria
Saybolt Funil-Marsh Vaso Ford
Viscosímetro Rotativo
O corpo experimenta uma força de resistência viscosa
quando se impõe a velocidade rotacional, que também vai
depender da natureza do fluido.
As medidas ainda podem ser feitas de forma contínua por
longos períodos de tempo a uma certa condição de
tensão e cisalhamento, permitindo estudar a
característica tixotrópica e reopética dos fluidos.
O princípio baseia-se na rotação de um corpo cilíndrico,
cônico ou circular, imerso em um líquido.
Cap 3 - Viscosimetria
Classificação do viscosímetro Rotativo:
QUANTO À VARIÁVEL CONTROLADA:
QUANTO À GEOMETRIA DO SENSOR:
Tensão controlada: a tensão é pré-definida e se obtém a
taxa de cisalhamento.
Taxa de cisalhamento controlada: a taxa é conhecida e a
resultante é a tensão de cisalhamento. 
 
a) Cilindros coaxiais;
b) Cone-placa;
c) Placa-placa.
Cap 3 - Viscosimetria
a) CILINDROS COAXIAIS
- O viscosímetro rotativo de cilindros coaxiais, de taxa de
cisalhamento controlada são os mais usuais na indústria
do petróleo.
- A maioria dos viscosímetros empregados nos
laboratórios de rotinha da Eng. de Petróleo são do tipo
SEARLE.
Cap 3 - Viscosimetria
Classificação do viscosímetro Rotativo:
QUANTO AO SISTEMA (Para cilindros Coaxiais):
 a) Searle. b) Couette.
Cap 3 - Viscosimetria
Sistema SEARLE
- O cilindro interno gira em velocidade infinita enquanto o
externo permanece em repouso;
- O cilindro interno força o líquido que está entre os dois
a escoar;
 
 
Cap 3 - Viscosimetria
- A resistência do líquido resulta em um
torque que se contrapõe ao torque do motor
do equipamento.
- Uma mola deformável com constante de
def. conhecida é posicionada entre o motor
e o corpo interno.
- A def. da mola é uma medida direta da
tensão cisalhante.
Sistema COUETTE
- O cilindro externo gira a uma velocidade definida e
provoca um fluxo na amostra do líquido entre os dois;
- A resistência do líquido cisalhado transmite torque ao
cilindro interno que é induzido a girar.
 
 
Cap 3 - Viscosimetria
- O cilindro interno está preso a uma mola
de torção que se deforma até atingir o
equilíbrio;
- O torque é medido pelo contra-torque
para manter o cilindro interno estático.
- Mede a tensão cisalhante ou torque
resultante.
Cap 3 - Viscosimetria
Viscosímetro Fann V.G. Metter mod. 35A
a) CILINDROS COAXIAIS
- Parâmetros:
 
 
 
 
 
 
- Grandezas medidas:
 
 
- Grandezas calculáveis:
 Tensão cisalhante e Taxa de cisalhamento
 
 
Cap 3 - Viscosimetria
Raio do cilindro interno
Raio do cilindro externo
Constante da mola de torção
Velocidade de rotação
Raio do cilindro interno
Grandezas Calculáveis:
Cálculo da tensão cisalhante:
 
 
 
 
Cálculo da taxa de cisalhamento:
 
 
Cap 3 - Viscosimetria
H é a altura equivalente de imersão
H é uma constante que depende dos
parâmetros do viscosímetro.
N é o número de rotações por minuto.
Cálculo da viscosidade:
 
Cap 3 - Viscosimetria
Raio do cilindro interno
N é o número de rotações por minuto.
A é uma constante.
A análise do comportamento reológico de fluidos através
dos resultados obtidos no viscosímetro rotativo de cilindros é
feita mediante transformações das rotações em tensões
cisalhantes e taxas de cisalhamento.
A partir desses resultados são construídos REOGRAMAS de
tensão cisalhante ou viscosidade x taxa de cisalhamento,
que permitem prever o comportamento do fluido em
determinadas situações.
 
Fatores que influenciam nos resultados:
a) A razão entre os raios dos cilindros:
 
 
 
 
b) Efeitos de borda: 
 
 
Quando o espaço anular ou gap é relativamente
pequeno em relação às dimensões dos cilindros, pois o
gradiente de velocidade tende a se linearizar. Quando
mais próximo for de 1, menor o erro.
Todos os sensores possuem faces de topo e fundo, que
geram torques adicionais causados pelo cisalhamento do
fluido entre elas, o que leva a erros que devem ser
minimizados.
Como corrigi-los:
a) A razão entre os raios dos cilindros:
 
 
 
b) Efeitos de borda: 
 
 
Deve ser mantido em 
para garantir confiabilidade nos dados
obtidos para fluidos não-newtonianos.
(anular deve ser muito pequeno)
A altura do sensor cilíndrico deve ser elevada;
A distância do fundo do recipiente ao sensor também;
Atenuação cônica do corpo cilíndrico;
Escolha de geometria especial (duplo anular).
Cap 3 - Viscosimetria
Viscosímetro Fann V.G. Metter mod. 35A
Este é do tipo de TAXA DE CISALHAMENTO CONTROLADA, e
o sistema COUETTE é aplicado aos cilindros.
Cap 3 - Viscosimetria
VISCOSÍMETRO FANN V.G. METTER MOD. 35A
Nesse equipamento não se formam turbulências e as
faixas de tensão de cisalhamento são bem definidas;
A constante de torção da mola é calibrada e ajustada
pelo operador através de fluidos padrões de referência
ou um kit de calibração do fabricante;
A temperatura precisa ser controlada durante o teste
através de células ou banhos apropriados, mantendo no
máximo 93ºC ou 200ºF.
Cap 3 - Viscosimetria
VISCOSÍMETRO FANN V.G. METTER MOD. 35A
Portanto, este equipamento, apesar de ter sido
projetado para atividades em campo, ainda permite
estudos mais apurados em laboratórios de pesquisa e
de apoio, permitindo alcançar:
 - Viscosidade aparente e plástica;
- Limite de escoamento;
- Índice de consistência e de fluxo.
 
Tornando-o versátil e rápido em campo, e permitindo a
construção de REOGRAMAS em laboratórios.
Calibração do Viscosímetro Fann Mod. 35A
A obtenção de curvas de calibração do aparelho pode
ser feita de duasmaneiras:
a) Com fluidos de viscosidades conhecidas (padrões ou
referências), à temperatura e pressão de ensaio.
Comparando os valores ensaiados com os informados
pelo fornecedor ou laboratório de referência
credenciado.
 
- Se forem diferentes em +/- 5%, então a mola deve ser
ajustada ou trocada.
 b) Com acessório de calibração fornecido pelo fabricante:
- Kit de calibração DW3 para Viscosímetro Fann 35A:
 
1. Copo cilíndrico de alumínio com altura e raio igual a 1cm;
1. Placa plana com roldana para fixação ao viscosímetro;
1. Conjunto de 3 a 5 corpos metálicos (pesos) com massas
de 10 a 150 gramas cuja força transmitirá torque ao eixo do
cilindro;
1. Fio de algodão (ou nylon) para conexão do cilindro ao
peso.
De cilindros Coaxiais:
De Cone-placa:
VISCOSÍMETRO BROOKFIELD
A taxa de cisalhamento é controlada e o sistema é o Searle
(o contrário do Fann 35A), e ainda permite-se acoplar
acessórios que possibilitam sua utilização para medidas
absolutas e precisas de viscosidade e seus parâmetros.
 
Proposta para determinações mais científicas e de maior
precisão, atingindo intervalos de medidas mais amplos.
VISCOSÍMETRO BROOKFIELD 
Cada modelo possui um
conjunto de corpos
cilíndricos (sprindles), que
permite um amplo intervalo
de viscosidades.
Determinações com o mesmo
corpo, a diferentes
velocidades de rotação,
poderão ser usadas para
analisar o comportamento
reológico do fluido estudado.
VISCOSÍMETRO BROOKFIELD
Permitem a determinação de:
 
- Taxa de cisalhamento;
- Tensão cisalhante;
- Viscosidade dos fluidos Newtonianos;
- Especificação de rotina;
- Aplicáveis em trabalhos de pesquisa;
 
obs: A calibração só pode ser feita pelo fabricante pois
suas partes são soldadas.
As leituras de deflexão ou torque são transformadas
diretamente em viscosidade através de um fator
fornecido pelo fabricante;
VISCOSÍMETRO BROOKFIELD
Acessórios:
a) Ultra low adapter (ULA):
permite ensaios com fluidos
não-newtonianos de baixa
viscosidade e pesquisa
reológica para conhecer a
geometria do fluxo.
Acessórios:
DE CONE-PLACA:
b) Thermosel: possibilita medida de viscosidade a altas
temperaturas e definição da geometria.
 
Constituído por um corpo cônico e outro plano em forma
de placa circular, com ângulo bem baixo entre si.
VISCOSÍMETRO BROOKFIELD
Já que o ângulo é muito baixo no GAP, qualquer ponto
da superfície do cone terá a relação entre velocidade
angular e distância da placa é praticamente a mesma
em qualquer ponto, A TAXA DE CISALHAMENTO É
CONSTANTE. 
Para evitar o desgaste do cone quando usam-se
dispersões abrasivas, aplica-se o cone TRUNCADO
(tronco de cone).
VISCOSÍMETRO BROOKFIELD (De cone-placa)
Usado quando as amostras
contém partículas dispersas
muito grandes.
O GAP é definido pelo reio
da placa e a distância entre
elas, e deve ser pelo menos
3x maior do que o tamanho
das partículas.
VISCOSÍMETRO BROOKFIELD (De placa-placa)
Os viscosímetros determinam parâmetros e grandezas físicas.
(vazão, queda de pressão, deflexão/torque, tempo de
escoamento);
A partir desses dados é possível determinar outros
parâmetros, através de equações da mecânica dos fluidos.
(tensão e taxa de cisalhamento, viscosidade, limite de
escoamento, índice de fluxo e de consistência);
A análise e interpretação desses dados consiste em construir
uma matriz de resultados e observar a tendência de
crescimento ou diminuição das propriedades.
ANÁLISE E INTERPRETAÇÃO
A construção de gráficos com esses dados auxiliam na
interpretação e permite a comparação com modelos
matemáticos;
A análise gráfica consiste em comparar as curvas de fluxo;
Atualmente já existem diversos simuladores computacionais
de cálculo, completos que auxiliam e facilitam a
interpretação e correlação dos resultados com precisão;
ANÁLISE E INTERPRETAÇÃO
O fluido de perfuração e estimulação, pastas de cimento e
frações pesadas de petróleo são fluidos não-newtonianos e
não obedecem perfeitamente a nenhum dos modelos
estudados;
Se dividem entre os modelos de:
Bingham;
Ostwald;
Bulckley-Herschell.
ANÁLISE E INTERPRETAÇÃO
Antes de escolher um viscosímetro, deve-se levar em
consideração:
Testes mais completos e rápidos exigem viscosímetros
automáticos e informatizados que traçam gráficos e
calculam parâmetros em tempo real, eliminando erros
humanos e permitindo o estudo da tixotropia.
a) Caracterização da amostra;
b) Levantamento da taxa de cisalhamento;
c) Nível de versatilidade, rapidez e automação necessários;
d) Condições de trabalho ou teste (intervalo de T, P, etc.)
e) Valor do investimento que deseja fazer.
 
SELEÇÃO DE VISCOSÍMETROS
Algumas condições também devem ser consideradas:
Os valores variam de acordo com sua sofisticação,
automação e precisão, podem ser de cem dólares até um
milhão de dólares.
a) Altas T e P;
b) Teste em líquidos corrosivos;
c) Teste em líquidos voláteis;
d) Teste em dispersões com partículas sedimentáveis
 
 
SELEÇÃO DE VISCOSÍMETROS
Referência Bibliográfica
Todas as informações aqui apresentadas foram retiradas do
livro REOLOGIA E ESCOAMENTO DE FLUIDOS - José Carlos
V. Machado.