Reynolds - relatório

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
INSTITUTO DE QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE OPERAÇÕES E PROJETOS INDUSTRIAIS
LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA I
Experimento de Reynolds
Grupo 2 (Noite):
Carina Soares
Gustavo Anciens
Hanny Juliani
Juliana Saldanha
Professor:
Marco AntonioGaya de Figueiredo
Rio de Janeiro
30/09/2015
SUMÁRIO
1. Resumo........................................................................................................................3
2. Introdução....................................................................................................................3
3. Motivação e Objetivos.................................................................................................4
4. Revisão Bibliográfica....................................................................................................4
5. Procedimento Experimental.........................................................................................5
6. Resultados e Discussão..............................................................................................6
7. Conclusões...................................................................................................................7
8. Estudo Dirigido.............................................................................................................7
9. Bibliografia..................................................................................................................11
RESUMO
	 O experimento de Reynolds (1883) demonstrou a existência de três tipos de escoamentos, o escoamento laminar, o de transição e o turbulento. Este teve como objetivo a visualização do padrão de escoamento de água através de um tubo de vidro, com o auxílio de um corante.
	O escoamento laminar é aquele no qual o fluido se move em camadas, ou lâminas; uma camada escorregando sobre a adjacente havendo somente troca de quantidade de movimento. O escoamento de transição, a divisória entre os regimes laminar e turbulento, é marcado por linhas de fluxo onduladas, indicação de que se inicia um processo de mistura entre uma camada e outra.
	Já o escoamento turbulento é aquele no qual as partículas apresentam movimento caótico macroscópico, isto é, a velocidade apresenta componentes transversais ao movimento geral do fluido. 
	
INTRODUÇÃO
Ao se analisar o comportamento de um fluido no interior de um tubo cilíndrico em relação a um referencial fixo no tubo, pode-se observar que quando o fluido se desloca com velocidade de módulo relativamente baixo tal escoamento é chamado de laminar. Assim, o fluido se divide em camadas cilíndricas coaxiais, que se movem com velocidades de módulos distintos. 
A camada mais externa, chamada de camada limite, adere à parede do tubo e tem velocidade nula no referencial considerado. A camada central tem velocidade de módulo máximo. Em tal tipo de escoamento, sabe-se que variáveis como pressão e densidade têm valores bem definidos e, além disso, satisfazem uma lei de conservação bem definida (lei de Bernoulli).
Quando o módulo da velocidade do fluido excede certo valor crítico, o regime de escoamento passa de laminar para turbulento. No escoamento turbulento, o movimento do fluido é altamente irregular, caracterizado por vórtices locais, um grande aumento na resistência ao escoamento, além de mudanças bruscas e aleatórias de propriedades como pressão e densidade.
	O regime de escoamento, se laminar ou turbulento, é determinado pela grandeza adimensional interpretada como a razão entre forças inerciais (ρ e v) e forças viscosas (μ e D), chamada de número de Reynolds.
Sendo assim, o cálculo do número de Reynolds tem grande importância na engenharia, sendo um dos principais fatores a ser analisado a fim de identificar qual será o comportamento de um fluido dentro de uma determinada etapa de um processo. Um exemplo dessa importância está na análise da transferência de massa e calor, uma vez que ambas têm uma influência com a velocidade, isto é, são mais efetivas em escoamentos turbulentos.
MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS
Reproduzir o experimento de Reynolds, determinando o número de Reynolds de acordo com as faixas dos regimes estabelecidos e estudar o comportamento do fluido. 
O Número de Reynolds é o principal número adimensional utilizado no estudo da mecânica de fluidos e na transferência de calor e massa.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O significado físico do número de Reynolds é a razão entre forças de inércias e forças de viscosidade, a primeira sendo a força necessária para movimentar uma massa de água e a segunda a força de resistência à essa movimentação. A equação mostra a definição da base do número de Reynolds:
	Onde:
ρ = Massa específica do fluido (kg/m³)
μ = Viscosidade (kg/m.s)
D = Diâmetro da tubulação (m)
v = Velocidade de escoamento (m/s)
Re = Número de Reynolds (adimensional)
Existem faixas de valores que delimitam a transição entre os regimes de escoamento, como seguem:
Re < 2300 → Escoamento laminar
2300 < Re < 4000 → Escoamento de transição
Re > 4000 → Escoamento turbulento
Neste experimento, para determinação das velocidades utilizadas no cálculo do número de Reynolds, foram utilizadas as relações:
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
5.1 – Descrição do equipamento
O aparato experimental utilizado está ilustrado na figura 1.
Figura 1: Equipamento utilizado no experimento
Onde podemos identificar pelos números:
1- Reservatório de 20L contendo água;
2- Visor de nível de água;
3- União;
4- Reservatório contendo corante azul;
5- Tubo de vidro;
6- Mangueira plástica;
V1 – Válvula 1 – relativa ao corante
V2 – Válvula 2 – relativa à água
Além do esquema apresentado, foram utilizados um cronômetro e uma proveta para determinação da vazão de escoamento.
5.2 – Procedimento Experimental
Abre-se a válvula relativa ao escoamento de água e ajusta-se o mesmo para uma determinada vazão de fluido. Em seguida, abre-se lentamente a válvula agulha que controla a vazão de corante, e observa-se o tipo de escoamento.
Posteriormente, mede-se a vazão de escoamento do fluido em uma proveta.
Este processo é realizado três vezes, visando obter os três regimes de escoamento.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os dados relativos à medição de vazão estão apresentados na Tabela 1.
Tabela 1: Dados de medidas de vazão.
	Experimento
	Volume de Água Recolhido (m³)
	Tempo (s)
	Vazão Volumétrica (m³/s)
	1
	0,0004
	48,98
	8,17x10-6
	2
	0,0004
	16,51
	2,42x10-5
	3
	0,0008
	14,15
	5,65x10-5
A partir da vazão volumétrica e do diâmetro interno, podemos calcular a área perpendicular ao escoamento e consequentemente a velocidade média de escoamento. Os resultados seguem na Tabela 2.
Tabela 2: Determinação das velocidades médias.
	Diâmetro Interno, D (m)
	Área de Escoamento (m²)
	Vazão Volumétrica (m³/s)
	Velocidade Média, v (m/s)
	1,30E-02
	1,33E-04
	8,17x10-6
	0,061
	
	
	2,42x10-5
	0,182
	
	
	5,65x10-5
	0,425
Os valores de viscosidade e massa específica a 25ºC, temperatura do ambiente durante o experimento, foram recolhidas da literatura (ÍNDIO DO BRASIL 2007) e estão expostos na Tabela 3.
Tabela 3: Propriedades do fluido.
	Viscosidade, μ (Pa.s)
	Massa Específica, ρ (kg/m³)
	0,001
	997,045
	
	
Na Tabela 4, são apresentados os Números de Reynolds calculados para cada caso.
Tabela 4: Resultados finais.
	Experimento
	Número de Reynolds, Re
	Característica
	1
	790,6
	Laminar
	2
	2359,0
	Transição
	3
	5508,7
	Turbulento
CONCLUSÕES
Foi possível associar os diferentes tipos de escoamento quantitativamente em relação ao número de Reynolds. Os três escoamentos escolhidos concordaram numericamente com as faixas de número de Reynolds equivalentes aos regimes de escoamento, indicando que a percepção visual do experimento frente aos operadores foi claramentebem executada.
ESTUDO DIRIGIDO
I – Estudo dirigido: PRATICA DETERMINAÇÃO DO NUMERO DE REYNOLDS
Calcule o número de Reynolds para cada vazão observada. 
Explicitado anteriormente.
Quais seriam as conclusões acerca da experiência do Número de Reynolds?
O aparato experimental, associado ao olhar crítico do operador ao se escolher visualmente uma vazão correspondente à determinado regime de escoamento, possibilita a quantificação do Número de Reynolds à cada regime.
Quais são as tensões relacionadas com o escoamento turbulento?
Na modelagem da turbulência, o tensor de Reynolds resulta do procedimento de tomada da média no tempo que faz surgir as correlações envolvendo flutuações de velocidade que são as componentes deste tensor e que representam tensões turbulentas. Os elementos da diagonal principal do tensor de Reynolds representam componentes de tensão normal, e os demais termos, tensões de cisalhamento. Essas tensões são somadas ao termo viscoso das equações de Navier-Stokes e tem influência semelhante sobre o escoamento.
A tensão turbulenta estaria relacionada ao gradiente local de velocidades através de uma viscosidade associada às características do fluido, às características do escoamento e à geometria do problema.
Quais as principais aplicações do conceito relacionado ao número de Reynolds nas diferentes operações unitárias?
O cálculo do número de Reynolds tem grande importância por ser um dos principais fatores a ser analisado a fim de identificar qual será o comportamento de um fluido dentro de uma determinada etapa de um processo. Um exemplo dessa importância está na análise da transferência de massa e calor (que encontra aplicações nas operações unitárias), uma vez que ambas têm uma influência com a velocidade, isto é, são mais efetivas em escoamentos turbulentos.
O que seria um escoamento unidimensional e bidimensional?
Um escoamento é classificado como uni ou bidimensional dependendo do número de coordenadas espaciais requeridas na especificação do campo de velocidades.
Explique os tipos de regime de escoamento, quanto a: 
Direção da trajetória 
Escoamento laminar, de transição, ou turbulento, como já explicitado anteriormente.
Variação do tempo 
Escoamento permanente (ou estacionário) e não-permanente (ou transiente). No Escoamento permanente, a velocidade e a pressão num determinado ponto, não variam com o tempo. A velocidade e a pressão podem variar de um ponto para outro do fluxo, mas se mantêm constantes em cada ponto imóvel do espaço, em qualquer momento do tempo, fazendo a pressão e a velocidade em um ponto serem funções das coordenadas do ponto e não dependentes do tempo.
No escoamento não-permanente, a velocidade e a pressão, em determinado ponto, são variantes com o tempo, variando também de um ponto a outro. Este tipo de escoamento é também chamado de "variável" ou "transitório", e a corrente é dita "instável". A pressão e a velocidade em um ponto são dependentes tanto das coordenadas como também do tempo.
Variação da trajetória 
No Escoamento uniforme, todos os pontos da mesma trajetória que seguem as partículas apresentam a mesma velocidade. Trata-se de um caso específico do escoamento permanente. Existe a variação da velocidade entre as trajetórias, mas na mesma trajetória, todos os pontos têm a mesma velocidade. Neste escoamento, a seção transversal da corrente de fluido é invariável. 
No Escoamento variado, os diversos pontos de uma mesma trajetória não apresentam constância da velocidade num intervalo de tempo considerado. Este escoamento ocorre, por exemplo, nas correntes convergentes, originárias de orifícios e nas correntes de seção.
Quanto ao movimento de rotação 
No Escoamento rotacional, a partícula está sujeita a uma velocidade angular, em relação ao seu centro de massa. Em virtude da viscosidade, o escoamento de fluidos reais sempre se comporta como um escoamento rotacional.
O Escoamento irrotacional é uma aproximação na prática, em que se desconsidera o comportamento rotacional dos escoamentos, através dos princípios clássicos da fluidodinâmica. Num escoamento teoricamente irrotacional, as partículas são consideradas indeformáveis, despreza-se a influência da viscosidade e faz-se uma concepção matemática do escoamento.
O que difere um escoamento permanente de um não permanente 
Explicitado no item b do exercício anterior.
Identifique o que vem a ser um escoamento crítico e supercrítico e explique como esta característica influencia ou interfere na especificação de uma válvula de controle 
O escoamento crítico caracteriza-se pelo número de Froude igual a 1 e o escoamento supercrítico pelo número de Froude maior do que 1. 
Qual a influência do atrito no Número de Reynolds (correlação e o impacto na determinação da perda de carga em tubulações) 
O fator de atrito no escoamento turbulento e totalmente desenvolvido em um tubo depende do número de Reynolds e da rugosidade relativa ε/D, que é a razão entre a altura média da rugosidade do tubo e o diâmetro do tubo. Quanto maiores, maior será a perda de carga na tubulação.
Dependendo do regime de escoamento, se usam diferentes correlações:
Para regime laminar: 
Para regime turbulento intermediário:
Para regime turbulento liso:
Comente sobre aplicação do conceito de camada limite e influencia no transporte de suspensões.
A camada limite se caracteriza pela percepção das paredes da tubulação no escoamento do fluido, ou seja, as camadas próximas à parede possuem velocidade nula. Quando o fluido contém suspensões, estas devido à baixa velocidade das camadas próximas à parede podem se depositar, causando problemas de depósito e entupimento de tubulações.
Aplicação do conceito do Número de Reynolds na determinação de separadores horizontais liquido líquido.
Em separadores líquido líquido, usualmente a técnica se baseia em deixar os líquidos em repouso ou em baixas velocidades por um período de tempo que fará com que os líquidos imiscíveis se separem. Para isto, há a necessidade da ausência de vórtices que contribuem para a mistura dos líquidos, logo, em tais separadores é essencial que o regime de escoamento seja laminar.
UM DETERMINADO SISTEMA FOI DIMENSIONADO PARA TRABALHAR COM UM ESCOLAMENTO TURBULENTO. CONSIDERANDO QUE O FLUIDO SEJA LEVE (GASOLINA) O QUE ACARRETARIA EM TERMOS PRATICOS A TROCA DO PRODUTO POR UM OURTO MAIS VISCOSO? QUAL SERIA INFLUENCIANO SISTEMA E CQUAL SERIA A CONSEQUENCIA NOS EQUIPAMENTO DE TRANSFERENCIA DE FLUXO (BOMBAS).
Analisando a equação de Reynolds, é possível notar a dependência deste parâmetro em relação a algumas propriedades do fluido (massa específica e viscosidade). Consequentemente, uma troca do produto a ser bombeado (de um leve para um mais pesado e viscoso), acarretará na alteração do número de Reynolds e possivelmente na alteração do regime de escoamento.
Utilizando um fluido mais viscoso, será necessária uma maior potência da bomba.
 
NO CASO DAESPECIFICAÇÃO DE UM SEPARADOR HORIZONTAL LIQUIDO LÍQUIDO. A LITERATURA INFORMA QUE O CONHECIMENTO DO NÚMERO DE REYNOLDS É DE FUNDAMENTAL IMPORTANCIA PARA A ESPECIFICAÇÃO DE SISTEMAS DE SEPARAÇÃO LIQUIDO / LIQUIDO. COM ESTA INFLUENCIA É IDENTIFICADA E O QUEACARETARIA O AUMENTO DE UMAVISCOSIDADE DE UMA DETERMIANDAFASE.
O número de Reynolds desempenha um papel importante no processo de separação líquido/líquido. O tipo de escoamento presente em determinado processo é dado fundamental para que se possa realizar processos de separação, alcançando uma performance desejável dos equipamentos utilizados. Um exemplo prático de tal fato é o funcionamento dos ciclones e dos hidrociclones que dependem do tipo de escoamento interno (geralmente turbulento com presença de vórtices) para que possam ser dimensionados, com o intuito de promover essa separação desejada.
		A modelagem matemática de operações envolvendo separação líquido/líquido, em alguns casos, é extremamente complexa. Nesses casos, a alternativa utilizada para quantificar o desempenho e o funcionamento dos equipamentosnecessários baseia-se na obtenção experimental de números adimensionais que possam descrever a natureza dos fenômenos envolvidos (como é o caso do número de Reynolds).
 
NO CASO DE TRANSFERENCIA DE PRODUTOS, POR VEZES OCORRE A NECESSIDDE DE UM AUMENTO PONTUAL DE VAZÃO, EM LINHAS GERAIS ISTO PODE SER EFETUADO POR ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS EM SÉRIE OU EM PARALELO (OBJETO DE OUTRA PRATICA), A ASSOCIAÇÃO QUE CONCORRE PARA UM AUMENTO DA VAZÃO SERIA A COLOCAÇÃO DAS BOMBAS EM PARALELO (BOMBAS IGUAIS). NESTE CASO APENAS A VAZÃO AUMENTA SEM INTERFERÊNCIA NA PRESSÃO DE DESCARGA. ESTE PROCEDIEMNTO PODE SER REALIZADO, POIS, DE FORMA GERAL, OS SISTEMAS DE TRANSFERENCIAS POSSUEM BOMBAS RESERVA. CONSIDERANDO ESTA INFORMAÇÃO E TENDO O CONHECIMENTO DA INFLUENCIA DAS PROPRIEDADES FISICO QUÍMICAS DO FLUIDOPERGUNTA-SE, QUAL A CONSEQUENCIA TANTO DO AUMENTO DA VAZÃO, COM NO AUMENTO DA VISCOSIDADE NO SISTEMA? CONSIDERE NO CASO DA VISCOSIDADE COM SENDO 20% SUPERIOR A UTILIZADA NO CALCULO INICIAL DO SISTEMA 
O aumento da vazão, para uma mesma área transversal causará um aumento da velocidade de escoamento, que por sua vez aumenta o Número de Reynolds, que pode passar de um regime para outro. O mesmo ocorre com a viscosidade, um aumento da viscosidade fará com que o Número de Reynolds diminua, que por sua vez, pode influenciar no processo, já que o tipo do regime de escoamento também pode mudar, necessitando, por exemplo de bombas com potências diferentes que a executação do serviço.
BiBLIOGRAFIA
•	FOX, ROBERT W; MCDONALDS, ALAN T. Introdução a Mecânica dos Fluidos, Editora LTC – 5ª edição, 1976.
•	GILES, RONALD V., Mecânica dos Fluidos e Hidráulicos, Editora McGraw-Hill do Brasil, SP, 1976.
•	INDIO DO BRASIL, N., Introdução à Engenharia Química, Editora Interciência, RJ, 2007.