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Relatório de Atividades Práticas de Fenômenos de Transporte Introdução Este relatório descreve quatro atividades práticas realizadas na disciplina de Fenômenos de Transporte, utilizando o Laboratório Algetec. Essas atividades ajudaram os alunos a entenderem fluidos em movimento e transferência de calor. Atividade 1: Ensaio de Viscosidade com Viscosímetro de Stokes Na primeira atividade, foi medida a viscosidade de diferentes líquidos utilizando um viscosímetro de Stokes. O tempo que as esferas de metal levavam para cair em líquidos como água, óleo e glicerina foi medido. Isso ajudou a entender como a viscosidade afeta a velocidade de um líquido. Atividade 2: Tipos de Escoamento e Número de Reynolds Na segunda atividade, foram estudados os diferentes tipos de escoamento de líquidos em tubos, utilizando o número de Reynolds. Foram identificados os escoamentos laminar, de transição e turbulento, relacionando-os ao número de Reynolds, o que ajudou a entender o comportamento dos líquidos. Atividade 3: Análise do Escoamento em Tubulações Na terceira atividade, foi analisado o escoamento em tubos de diferentes tamanhos e materiais, medindo a perda de pressão em cada caso. Isso ajudou a entender como a vazão e o material dos tubos afetam a perda de pressão do líquido. Atividade 4: Eficiência de Trocadores de Calor Na última atividade, foi analisada a eficiência de diferentes tipos de trocadores de calor, como trocadores de placas, tubos concêntricos e casco-tubos. Foram testadas variáveis como vazão e temperatura para ver como afetam a eficiência desses dispositivos. Desenvolvimento Atividade Prática 1 - Ensaio de Viscosidade com Viscosímetro de Stokes Medindo a Velocidade de Queda: Foi medido o tempo que as esferas de metal levavam para cair entre dois pontos em diferentes líquidos. O procedimento foi repetido com água, óleo e glicerina. Fonte das imagens : Autoria Própria (2024) Figura 2: Realização do Experimento - Tubo de Óleo 5W20 A Figura 2 mostra o momento da realização do experimento utilizando o tubo de óleo 5W20. Este óleo foi escolhido devido às suas propriedades específicas de viscosidade, que são ideais para observar o comportamento de escoamento em condições de temperatura controlada Fonte das imagens : Autoria Própria (2024) Figura 3: Realização do Experimento - Tubo de Glicerina Fonte das imagens : Autoria Própria (2024) Dados Obtidos: Com base nos dados coletados durante os experimentos e nos cálculos realizados, são apresentadas as médias de tempo de queda e a Velocidade Média (Vm = Distância/Tempo) na tabela a seguir: Tabela Tubo com Agua Diâmetro da Esfera Tempo de Queda (s) Média do Tempo de Queda (s) Distância Percorrida (m) Velocidade Média (m/s) 10 mm 0,57, 0,56, 0,57, 0,58 0,57 0,8 1,45 8 mm 0,66, 0,63, 0,64, 0,65 0,65 0,8 1,25 6 mm 0,73, 0,71, 0,75, 0,74 0,73 0,8 1,11 5 mm 0,77, 0,75, 0,74, 0,76 0,75 0,8 1,07 Fonte das Tabela: Autoria Própria (2024) Tabela com Óleo 5w20 Diâmetro da Esfera Tempo de Queda (s) Média do Tempo de Queda (s) Distância Percorrida (m) Velocidade Média (m/s) 10 mm 0,75, 0,77, 0,76, 0,75 0,74 0,8 1,08 8 mm 0,92, 0,90, 0,91, 0,92 0,9 0,8 0,88 6 mm 1,22, 1,17, 1,19, 1,19 1,18 0,8 0,67 5 mm 1,41, 1,40, 1,42, 1,41 1,42 0,8 0,56 Fonte das Tabela: Autoria Própria (2024) Tabela com glicerina Diâmetro da Esfera Tempo de Queda (s) Média do Tempo de Queda (s) Distância Percorrida (m) Velocidade Média (m/s) 10 mm 2,72, 2,77, 2,71, 2,75 2,74 0,8 0,29 8 mm 4,05, 4,08, 4,07, 4,06 4,05 0,8 0,19 6 mm 6,74, 6,73, 6,72, 6,74 6,72 0,8 0,11 5 mm 9,24, 9,18, 9,22, 9,19 9,2 0,8 0,08 Fonte das Tabela: Autoria Própria (2024) 4- Determinação da Viscosidade Para determinar a viscosidade neste experimento, foi utilizada a equação apropriada, levando em consideração os dados coletados e os parâmetros específicos de cada fluido. Valores Reais da Viscosidade Cinemática Os valores reais da viscosidade cinemática dos fluidos utilizados neste experimento são: ● Água: 9,86 × 10⁻⁷ m²/s ● ● Óleo 5W20: 5,05 × 10⁻⁵ m²/s ● ● Glicerina: 6,61 × 10⁻⁴ m²/s O erro relativo será calculado com a fórmula abaixo E, utilizando a fórmula da viscosidade Após isso, o processo de determinação da Viscosidade para Fluidos, Óleo e Glicerina, foram feitos de novo, conforme abaixo: Após cálculo, foi preenchida a tabela 2 abaixo: Tabela Fluido da Agua Diâmetro da Esfera Velocidade Média (m/s) Velocidade Corrigida (m/s) Viscosidade Dinâmica (Pa.s) Viscosidade Cinemática (m²/s) Erro Relativo Percentual (%) 10 mm 1,45 2,24 0,0314 3,14 x 10⁻⁵ 8 mm 1,25 1,79 0,0343 3,43 x 10⁻⁵ 6 mm 1,11 1,47 0,0523 5,23 x 10⁻⁵ 5 mm 1,06 1,34 0,0783 7,83 x 10⁻⁵ Fonte das Tabela: Autoria Própria (2024) Tabela Oleo 5w20 Diâmetro da Esfera Velocidade Média (m/s) Velocidade Corrigida (m/s) Viscosidade Dinâmica (Pa.s) Viscosidade Cinemática (m²/s) Erro Relativo Percentual (%) 10 mm 1,08 1,66 0,1642 1,92 x 10⁻⁴ 8 mm 0,88 1,26 0,2133 2,50 x 10⁻⁴ 6 mm 0,67 0,88 0,3944 4,62 x 10⁻⁴ 5 mm 0,56 0,71 0,6102 7,16 x 10⁻⁴ Fonte das Tabela: Autoria Própria (2024) Tabela Glicerina Diâmetro da Esfera Velocidade Média (m/s) Velocidade Corrigida (m/s) Viscosidade Dinâmica (Pa.s) Viscosidade Cinemática (m²/s) Erro Relativo Percentual (%) 10 mm 0,29 0,44 0,8 6,4 x 10⁻⁴ 8 mm 0,19 0,27 0,84 6,75 x 10⁻⁴ 6 mm 0,11 0,14 0,88 7,04 x 10⁻⁴ 5 mm 0,08 0,1 0,87 6,96 x 10⁻⁴ Fonte das Tabela: Autoria Própria (2024) Questionário Comparação dos Valores de Viscosidade Cinemática 1 - Comparando os valores experimentais com os valores reais, percebe-se que os valores experimentais de viscosidade cinemática para a água foram significativamente maiores que os valores reais. Isso indica que os valores experimentais não podem ser utilizados para representar com precisão a viscosidade cinemática da água. Justificativa: As discrepâncias podem ter ocorrido devido a erros de medição, falhas na determinação do diâmetro das esferas, variações no ambiente virtual do laboratório, ou erros de cálculo. PRINCIPAIS FONTES DE ERROS 2 - Erros de Medição: Pequenos erros ao medir o tempo de queda das esferas ou ao determinar o diâmetro das esferas podem afetar significativamente os cálculos. Condições do Ambiente Virtual: Variações na temperatura e pressão do laboratório virtual podem impactar os resultados. Modelo de Simulação: O modelo virtual pode não representar com precisão as condições do mundo real, levando a discrepâncias. Erros no Equipamento Virtual: Falhas no funcionamento do viscosímetro ou na simulação do escoamento das esferas podem afetar os resultados. Erros Sistematizados: Erros consistentes que afetam todas as medições, resultando em discrepâncias nos valores obtidos. Atividade Prática 2 - Experimento de Reynolds Verificação das Válvula s: Inicialmente, conferiu-se a posição das válvulas de acordo com a tabela fornecida. As alterações necessárias foram feitas com a bancada desligada. Obs.: O diâmetro internodo tubo de Reynolds é D = 44 mm. Ativação das Bombas: A válvula 2c foi ajustada para 40% de sua capacidade. As bombas foram ligadas no painel elétrico e, após observar o fluxo de água no rotâmetro, a válvula 2c foi completamente aberta. Preenchimento do reservatório de Água : O potenciômetro foi ajustado para controlar a vazão de água entrando no reservatório. A válvula 13 foi fechada assim que o nível de água no reservatório começou a subir. Após o reservatório estar cheio, a válvula 12 foi fechada. Medição da Vazão: Foi medido o volume de água no reservatório. As dimensões consideradas foram 400 mm de comprimento, 320 mm de largura e 474 mm de altura. Inicialmente, a medida foi de 427 mm. A válvula 14 foi aberta em 33% e o cronômetro foi acionado. Após cerca de 1 minuto, a válvula 14 foi fechada e o volume no reservatório foi medido novamente, mudando para 192 mm. Observação do Regime de Escoamento : A válvula 15 foi aberta para que o fluido com corante começasse a escoar. Observando o fluxo pela pipeta, a válvula 14 foi aberta e a vazão foi controlada na mesma porcentagem (33%) até o fluxo estabilizar, permitindo o início da medição. EXPERIMENTO Figura 4 : Fonte das Imagem: Autoria Própria (2024) Figura 5 : Fonte das Imagem: Autoria Própria (2024) Figura 6 : Fonte das Imagem: Autoria Própria (2024) 1 - Vazão do sistema Volume inicial: 427 litros Volume fina l (após a abertura da válvula): 192 litros Volume escoado durante o experimento: Volume escoado = Volume inicial − Volume final = 427 427 litros − 192 litros = 235 litros Tempo do experimento: 1 minuto = 60 segundos 2- Qual foi o regime de escoamento observado no experimento? O regime observado foi o fluxo laminar. A diminuição do nível do reservatório reduziu a pressão na tubulação, o que provocou a redução da vazão e, consequentemente, da velocidade, resultando em um fluxo laminar. Atividade Prática 3 - Perda de Carga Distribuída Posicionamento das Válvulas das Bombas: As válvulas foram ajustadas nas seguintes posições: válvulas A1 e B2 abertas, válvulas B1 e A2 fechadas. Configuração das Válvulas das Linhas: As válvulas foram configuradas conforme cada experimento. A prática começou com a linha 1 (tubulação de PVC com 32 mm). As válvulas foram ajustadas de acordo com as configurações de cada linha: Linha 1 - Tubo de PVC 32mm: Válvulas abertas: C2, V03; válvulas fechadas: V04, V05, V06, V07, V08, V09, V10, V11. Linha 2 - Tubo de PVC 25mm: Válvulas abertas: C2, V04; válvulas fechadas: V03, V05, V06, V07, V08, V09, V10, V11. Linha 3 - Tubo de Cobre 28mm: Válvulas abertas: C2, V05; válvulas fechadas: V03, V04, V06, V07, V08, V09, V10, V11. Linha 4 - Tubo de Acrílico 25mm: Válvulas abertas: C2, V06; válvulas fechadas: V03, V04, V05, V07, V08, V09, V10, V11. Conexão das Mangueiras: As mangueiras de tomada de pressão foram conectadas na linha do experimento. A distância entre os pontos de tomada de pressão é de um metro em todas as linhas. Ativação da Bomba: O botão de emergência foi mantido desativado. A bomba 2 foi ativada. O potenciômetro de vazão foi ajustado ao centro da escala e o sistema foi ligado. Variação da Vazão: A vazão foi ajustada usando o potenciômetro. A vazão e a perda de carga correspondente foram registradas, determinando cinco pontos. Para realizar a prática em outra linha, foi necessário desligar o painel elétrico, desativar a bomba 2 e desconectar a mangueira. A bancada foi configurada para a próxima linha conforme as instruções e os procedimentos anteriores foram repetidos. Após determinar os cinco pontos de cada linha, a bomba 2 foi desativada, o sistema foi desligado, as mangueiras foram desconectadas e as válvulas retornaram à posição inicial. Figura 7 - Primeira linha – Tubo de PVC 32 mm. - : Fonte das Imagem: Autoria Própria (2024) Figura 8 - Segunda linha – tubo de PVC 25mm. - Fonte das Imagem: Autoria Própria (2024) Figura 9 - Terceira linha – tubo de Cobre 22mm. - Fonte das Imagem: Autoria Própria (2024) Figura 10 - Terceira linha – tubo de Acrílico 25mm. - Fonte das Imagem: Autoria Própria (2024) Após as medições foram encontrados os seguintes dados M e d iç ã o PVC 32 mm (Rotâ metro) PVC 32 mm (Manô metro) PVC 25 mm (Rotâme tro) PVC 25 mm (Manôm etro) Cobre 28 mm (Rotâm etro) Cobre 28 mm (Manô metro) Acrílico 25 mm (Rotâm etro) Acrílico 25 mm (Manôm etro) 1 2100 14 1200 16 2400 34 2400 58 2 3100 30 2200 66 700 8 1300 32 3 4100 48 3200 106 1400 16 800 16 4 4600 56 3600 146 3300 34 4100 196 5 1600 8 4400 182 4500 90 1400 34 Fonte das Tabela de Medição: Autoria Própria (2024) Determinação da Perda de Carga utilizando o Diagrama de Moody (Teórico): zzzzz 2 - Cálculo do Desvio Relativo entre as Perdas de Carga Teóricas e as Obtidas Experimentalmente 3) Principais Fontes de Erros no Experimento e Discrepância entre Valores Teóricos e Experimentais: As principais fontes de erro para este experimento podem incluir: Erros de medição: Pode ocorrer imprecisão na leitura dos instrumentos, como o manômetro e o rotâmetro, resultando em valores incorretos de pressão e vazão. Variações nas propriedades do fluido: As propriedades reais do fluido, como viscosidade e densidade, podem diferir dos valores assumidos nos cálculos teóricos. O uso de dados mais precisos para as propriedades do fluido pode reduzir esse tipo de erro. Rugosidade real das tubulações: A rugosidade interna real dos tubos pode ser diferente daquela considerada nos cálculos teóricos, o que pode afetar a perda de carga estimada. Erros nas leituras de grandezas: Pequenos erros ao medir a velocidade e pressão durante o experimento podem resultar em discrepâncias nos resultados. Variações nas dimensões dos tubos: Pequenas variações no diâmetro dos tubos podem alterar os cálculos de perda de carga, especialmente em tubos de menor diâmetro. Condições de fluxo não ideais: Perturbações no fluxo, como turbulências inesperadas, podem afetar a precisão das medições e dos resultados. Discrepâncias entre Valores Teóricos e Experimentais: Nas Linhas 1 (PVC 32mm), 3 (Cobre 28mm) e 4 (Acrílico 25mm), os desvios relativos foram baixos, ficando bem abaixo de 100%. Isso indica que os valores experimentais estão bastante próximos dos valores teóricos, com discrepâncias insignificantes. Na Linha 2 (PVC 25mm), o desvio relativo foi significativamente alto, apontando uma grande discrepância entre os resultados teóricos e experimentais. Isso sugere que pode ter havido algum erro nas medições, no experimento em si ou nos cálculos 4) Influência do Diâmetro da Tubulação, Material e Vazão na Perda de Carga Distribuída: Diâmetro da Tubulação: A perda de carga distribuída é inversamente proporcional ao diâmetro da tubulação. Tubos com maior diâmetro oferecem menor resistência ao fluxo, resultando em menor perda de carga devido ao atrito. Por outro lado, tubulações de diâmetro menor geram maior atrito, aumentando a perda de carga. Material da Tubulação: A rugosidade da superfície interna da tubulaçãotem um papel crucial. Materiais com superfícies internas mais lisas, como PVC e acrílico, tendem a apresentar menores perdas de carga por atrito quando comparados a materiais mais ásperos, como o aço, que geram mais resistência ao fluxo. Vazão: A vazão tem uma influência direta sobre a perda de carga. À medida que a vazão aumenta, a velocidade do fluido dentro da tubulação também aumenta, o que gera maior atrito com as paredes do tubo e, consequentemente, maior perda de carga. Atividade Prática 4 – Trocadores de Calor Seleção e Encaixe do Trocador de Calor: Cada trocador de calor foi colocado na bancada e conectado aos canos. A prática foi realizada nesta ordem: trocador de tubos concêntricos, trocador de calor casco-tubo e trocador de calor de placas. Inicialmente, o trocador de calor de tubos concêntricos foi colocado na bancada e encaixado. Ligação das Bombas: O painel foi energizado, o aquecedor foi ligado e a temperatura foi monitorada até atingir 60°C. Quando a temperatura chegou a 60°C, o aquecedor desligou automaticamente, as válvulas foram abertas e as bombas ligadas. Variação da Vazão: A vazão da bomba dois foi aumentada através do potenciômetro no painel e foi observada a variação de temperatura nos indicadores. Para uma melhor compreensão, também foi observada a variação de temperatura para diferentes vazões. Repetição dos Procedimentos: Os mesmos procedimentos foram repetidos para o trocador de calor casco-tubo e o trocador de calor de placas. As imagens a seguir demonstram a realização do experimento: FIGURA 11 - realização do experimento - trocador de calor do tipo tubos concêntricos. Fonte das Imagem: Autoria Própria (2024) Figura 12 – realização do experimento - trocador de calor do tipo tubos concêntricos. Fonte das Imagem: Autoria Própria (2024) Figura 13 -Trocador de Carlos casco tubo Fonte das Imagem: Autoria Própria (2024) Figura 14 - Trocador de Calor do Tipo Placas Fonte das Imagem: Autoria Própria (2024) 1) Principais Vantagens da Utilização de Trocadores de Calor: As principais vantagens dos trocadores de calor são: ● Eficiência na transferência de calor : Trocadores de calor são altamente eficientes ao permitir a troca térmica entre dois fluidos sem que eles se misturem, resultando em economia de energia e aumento da eficiência de processos. ● Economia de energia : Ao aproveitar o calor de um fluido quente para aquecer outro fluido, o sistema diminui a necessidade de energia adicional, reduzindo os custos operacionais. ● Controle de temperatura : Em processos industriais, os trocadores de calor garantem que as temperaturas dos fluidos sejam mantidas dentro de limites específicos, assegurando o bom funcionamento dos equipamentos e a qualidade dos produtos. ● Recuperação de calor : Eles permitem a reciclagem de calor, capturando a energia térmica de fluidos de descarte e reutilizando-a em outras partes do processo, o que melhora a sustentabilidade energética. ● Redução de custos operacionais : Com maior eficiência energética, o uso de trocadores de calor contribui para a redução de custos de operação, principalmente em indústrias de alta demanda energética. ● Versatilidade de aplicação : Trocadores de calor podem ser utilizados em diversos setores, como alimentação, química, petroquímica e HVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado) 2) Tipo de Trocador Mais Utilizado na Indústria de Alimentos e Justificativa: Na indústria de alimentos, o tipo de trocador de calor mais comumente utilizado é o trocador de calor de placas . Esse tipo é amplamente preferido devido a várias razões: ● Alta eficiência térmica : O trocador de calor de placas oferece uma excelente taxa de transferência de calor, pois suas placas finas aumentam a superfície de contato entre os fluidos, promovendo uma troca eficiente. ● Higiene e segurança : Ele é projetado para evitar a contaminação cruzada entre os fluidos, o que é crucial na indústria de alimentos, onde a integridade dos produtos e a prevenção de contaminações são fundamentais. ● Fácil limpeza (CIP - Clean-in-Place) : O design do trocador de placas facilita a limpeza e esterilização sem a necessidade de desmontagem, um requisito importante em processos alimentares para garantir a higiene contínua e reduzir o tempo de inatividade. ● Compacto e eficiente : Em comparação a outros tipos, os trocadores de placas ocupam menos espaço, o que é vantajoso em ambientes industriais com limitações de área. 3) Critérios para a Escolha de um Trocador de Calor: Ao selecionar um trocador de calor, diversos fatores devem ser considerados para garantir que o equipamento atenda às necessidades do processo. Alguns dos principais critérios incluem: ● Características dos fluidos : É fundamental considerar a natureza dos fluidos envolvidos, como sua corrosividade, viscosidade, e a presença de partículas em suspensão, pois isso afeta a escolha dos materiais e o design do trocador. ● Temperatura e pressão de operação : A faixa de temperatura e pressão a que o trocador será submetido influencia diretamente o tipo de construção, materiais utilizados e até a durabilidade do equipamento. ● Eficiência na transferência de calor : O desempenho do trocador depende da eficiência desejada no processo de transferência de calor. Isso envolve avaliar a diferença de temperatura entre os fluidos, a área de troca térmica disponível e as propriedades térmicas dos materiais. ● Facilidade de manutenção e limpeza : A escolha do trocador deve levar em conta a frequência com que o equipamento precisará de limpeza ou manutenção. Trocadores que acumulam sujeira ou incrustações devem permitir fácil acesso para inspeções e reparos. ● Espaço disponível : O espaço físico no local de instalação é um fator crucial. Trocadores de calor compactos podem ser preferidos em áreas com restrição de espaço, enquanto locais mais amplos podem acomodar equipamentos maiores e mais robustos. ● Custo inicial e operacional : Além do custo de aquisição, é importante analisar os custos operacionais, como consumo de energia, manutenção, e reposição de peças, garantindo uma boa relação custo-benefício. ● Conformidade com normas regulatórias : A escolha do trocador de calor deve atender às normas e regulamentações aplicáveis ao setor, garantindo segurança, eficiência e cumprimento legal. 4) Influência da Vazão na Transferência de Calor: A vazão de um fluido desempenha um papel crucial na eficiência da transferência de calor em um trocador. A influência da vazão pode ser explicada da seguinte forma: ● Aumento da vazão : Quando a vazão de um fluido aumenta, mais fluido passa pelo trocador em um determinado intervalo de tempo. Isso resulta em uma maior capacidade de transportar energia térmica, desde que os demais parâmetros, como a área de troca térmica e a temperatura, permaneçam constantes. Portanto, uma maior vazão aumenta a taxa de transferência de calor. ● Velocidade e turbulência : Um aumento na vazão também pode promover maior turbulência no fluxo do fluido, o que tende a melhorar a troca de calor, pois reduz a resistência térmica nas superfícies de contato. ● Limitesfísicos : No entanto, é importante observar que um aumento excessivo da vazão pode gerar perdas de pressão e aumentar o consumo de energia, o que impacta a eficiência global do sistema. Em resumo, uma vazão adequada é fundamental para garantir que o trocador de calor opere de forma eficiente, atingindo a transferência térmica necessária para o processo. 3 - Conclusão Este portfólio prático em Fenômenos de Transporte demonstrou a importância da aplicação prática dos conceitos teóricos de fluidos em movimento e transferência de calor, proporcionando uma experiência valiosa e essencial para o desenvolvimento acadêmico e profissional. Atividades Realizadas ● Atividade 1 : Aplicação da lei de Stokes para medir a viscosidade dos fluidos, permitindo uma compreensão aprofundada desse fenômeno. ● Atividade 2: Exploração do número de Reynolds e sua função na classificação dos escoamentos, fundamental para o entendimento do comportamento dos fluidos. ● Atividade 3: Análise da relação entre vazão e perda de carga em tubulações de diferentes materiais e diâmetros, destacando a importância desses fatores na engenharia. ● Atividade 4 : Investigação da influência da vazão e temperatura na eficiência de trocadores de calor, essencial para a otimização de sistemas térmicos. Impacto e Preparação Essas atividades não apenas reforçaram os conceitos abordados em sala de aula, mas também prepararam os alunos para enfrentar desafios reais, utilizando o conhecimento adquirido de maneira prática e eficiente. Concluímos este portfólio com a certeza de que os aprendizados obtidos serão fundamentais em nossa trajetória como engenheiros.