Fenomenos do Transporte FLUIDOS

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Fenômenos dos
Transportes
Prof. Marcos
Agatha Faria
Bruno Ferreira
Luiz Cláudio Medeiros
Pedro Paulo Marujo
Priscilla Queiroz
Turma 302: Décio Martins
VISCOSIDADE, ÓLEOS LUBRIFICANTES E VISCOSÍMETROS 2
Índice
VISCOSIDADE, ÓLEOS LUBRIFICANTES E VISCOSÍMETROS 3
Este trabalho destina-se a complementação do conteúdo ministrado em aula e parte da avaliação da disciplina Fenômenos de Transportes (MEC-103), abordando os seguintes assuntos: Viscosidade, Óleos lubrificantes e Viscosímetros. O conteúdo foi desenvolvido através de consultas bibliográficas (livros e internet), além da experiência realizada no dia 24/08/2011, orientado pelo professor Marcos no laboratório TÚNEL DE VENTO da Universidade Gama Filho, no Campus Piedade, onde foi apresentado o
Viscosímetro SAYBOLT UNIVERSAL ASTM D-8, abordando a importância e características de diversos tipos de óleos lubrificantes.
O trabalho foi executado pelos seguintes alunos da graduação de Engenharia:
Agatha Faria, Bruno Ferreira, Décio Martins, Luiz Cláudio Medeiros, Pedro Paulo Marujo e Priscilla Queiroz.
Capítulo 1: Viscosidade
A viscosidade é a propriedade dos fluidos correspondente ao transporte microscópico de quantidade de momento por difusão molecular. Ou seja, quanto maior a viscosidade, menor será a velocidade em que o fluido se movimenta.
1.1-Conceito e Unidades
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É a propriedade física que caracteriza a resistência de um fluido ao escoamento, a uma dada temperatura. Define-se pela lei de Newton da viscosidade:
Pressão laminar de um fluido entre duas placas. Atrito entre o fluido e a superfície móvel causa a torsão do fluido. A força necessária para essa ação é a medida da viscosidade do fluido. Onde a constante μ é o coeficiente de viscosidade, viscosidade absoluta ou viscosidade dinâmica. Muitos fluidos, com água ou a maioria dos gases, satisfazem os critérios de Newton e por isso são conhecidos como fluídos newtonianos. Os fluidos não newtonianos têm um comportamento mais complexo e não linear. Viscosidade é a propriedade associada a resistência que o fluido oferece a deformação por cisalhamento. De outra maneira pode-se dizer que a viscosidade corresponde ao atrito interno nos fluidos devido basicamente a interações intermoleculares, sendo em geral função da temperatura. É comumente percebida como a "grossura", ou resistência ao despejamento. Viscosidade descreve a resistência interna para fluir de um fluido e deve ser pensada como a medida do atrito do fluido. Assim, a água é "fina", tendo uma baixa viscosidade, enquanto óleo vegetal é "grosso", tendo uma alta viscosidade.
Viscosidade cinemática A viscosidade cinemática é definida por:
VISCOSIDADE, ÓLEOS LUBRIFICANTES E VISCOSÍMETROS 5 em que ρ é a massa específica do fluido.
Unidades
No SI, a unidade da viscosidade cinemática ν é m2 /s No sistema CGS é utilizada a unidade Stokes (St), sendo um Stokes igual a 10 -4 m2 /s e dada a magnitude do seu valor é preferível utilizar a forma centistokes.
A viscosidade absoluta tem como unidade Pa.s (N.s/m2 ) em unidades do SI. Essa unidade é normalmente expressa em mPa.s dado a sua magnitude. Outra forma conveniente, a partir do sistema CGS é o Poise, sendo um Poise igual a 0,1 Pa.s, ou seja, um centipoise (cP) é igual a 1 mPa.s .
1.2- Fluidos Newtonianos e Não Newtonianos
Fluidos Newtonianos
Um fluido newtoniano é um fluido em que cada componente da tensão cisalhante é proporcional ao gradiente de velocidade na direção normal a essa componente. A constante de proporcionalidade é a viscosidade dinâmica. Nos fluidos newtonianos a tensão é diretamente proporcional à taxa de deformação. Como exemplo, pode-se citar a água, o ar, óleos e outros fluidos com comportamentos "normais", newtonianos.
Fluidos Não-Newtonianos
O fluido não-newtoniano é um fluido cuja viscosidade varia proporcionalmente a energia cinética que se imprime a esse mesmo fluido, respondendo de forma quase instantânea. Para exemplo temos a mistura do amido de milho com água que, dependendo da energia cinética que recebe, pode ser um sólido ou um líquido, apresentando característica viscosa. Se o movimento que se lhe imprime for rápido esta mistura torna-se um sólido e assim que se cessa o movimento, esta transforma-se novamente em líquido.
1.3- A Relação Entre a Viscosidade e a Temperatura nos Gases e nos Líquidos
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A viscosidade depende da temperatura, e verificam-se efeitos opostos sobre a viscosidade de gases e de líquidos em função da variação da temperatura. Em geral, nos gases a coesão intermolecular é desprezível, resultando no fato de que a tensão cisalhante entre duas camadas do fluído em escoamento é devida a transferência de momento linear entre essas camadas. No escoamento laminar, o movimento do fluído ocorre em lâminas paralelas. Devido ao movimento molecular caótico, resulta transferência de moléculas na direção transversal ao escoamento entre camadas com velocidades diferentes, ou seja, ocorre transferência de momento linear entre as camadas, decorrente das colisões intermoleculares. Essa atividade molecular aumenta com o acréscimo de temperatura, de forma que a viscosidade aumenta com a temperatura dos gases.
Nos líquidos, as distancias intermoleculares e a intensidade dos movimentos das moléculas são muito menores que nos gases, de forma que a transferência de momento linear entre as camadas, devido aos movimentos moleculares, pode ser desprezada. Assim, as tensões cisalhantes e a viscosidade dependem principalmente da intensidade das forças de coesão intermolecular que diminuem com o acréscimo de temperatura, de maneira que a viscosidade dos líquidos diminui com aumento da temperatura.
1.4- Viscosidade de Uma Mistura de Óleos
Diante dos problemas ambientais que assolam o planeta e da decorrente necessidade de reduzir a emissão de gases indutores do efeito estufa, o estudo de combustíveis de origem renovável ganha enorme importância. Neste cenário, o biodiesel se apresenta como uma alternativa viável de combustível de fonte renovável, capaz de substituir o óleo diesel nas aplicações automotivas [BAIRD, 2002]. Em vista da diversidade de matérias-primas que podem ser utilizadas para a obtenção do biodiesel, faz-se necessário um esforço no sentido de desenvolver metodologias que permitam prever as características deste biocombustível a partir das características da matéria-prima. Isto possibilitaria o melhor aproveitamento do potencial do País para o cultivo de oleaginosas e, ao mesmo tempo, permitiria a condução de políticas agrícolas voltadas para o aproveitamento eficaz das culturas já existentes em cada região. Da mesma forma, em vista da utilização de misturas de biodiesel e óleo diesel com diversas proporções, seria conveniente prever o comportamento das misturas a partir das propriedades de seus componentes. Com tal objetivo mostraremos a aplicação do modelo matemático de Grunberg e Nissan para estimar a viscosidade de misturas de biodiesel e óleo diesel, a partir da viscosidade dos componentes.
1.5- Determinação Experimental da Viscosidade
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As medições de viscosidade dinâmica (µ) que compõem este trabalho foram realizadas no Laboratório de Ciências Térmicas da PUCPR, utilizando um reômetro HAAKERS- 150. Durante os ensaios a temperatura foi variada entre 10 e 60ºC, para tanto contando com o auxílio do termostato HAAKE TC5001. A rampa de aquecimento e o tempo de medição a cada temperatura foram tais que para avaliar a viscosidade em 150 pontos foram necessários 1200 s. A taxa de cisalhamento utilizada para as medições foi de 3000 s-1, sendo que o elemento de medição utilizado foi um cone de titânio (HAAKE C60/1º Ti). Cumpre ressaltar que o tempo de medição foi escolhido de acordo com o que é recomendado pela norma ASTM D455, mesmo que a faixa de temperaturas tenha sido menor que a recomendada para o óleo diesel. Esta redução foi necessária devido ao fato que asmenores temperaturas da faixa recomendada pela norma ASTM D455 se aproximavam do ponto de névoa do biodiesel. A viscosidade cinemática (√) foi obtida a partir dos valores de viscosidade dinâmica (µ) usando a seguinte expressão, µ =√ ×ρ ×10−3 (1) µ: Viscosidade dinâmica, em Pa·s; ρ: Densidade, kg/m3 (avaliada na mesma temperatura da viscosidade); √: Viscosidade cinemática, mm2/s.
Modelo Matemático Os resultados das medições de viscosidade de misturas de biodiesel de soja e óleo diesel foram utilizados neste estudo para compor um modelo que permita predizer a viscosidade da mistura em função tanto do teor de biodiesel como da temperatura. Por simplicidade foi utilizado o modelo de Grunberg e Nissan [REID, 1987], entretanto, deve-se levar em consideração que este modelo foi inicialmente proposto para misturas binárias e que no caso sob análise tanto o biodiesel como o óleo diesel já são misturas multicomponentes. O modelo de Grunberg e Nissan é composto pelas equações (2), (3) e (4), que proporcionam a estimativa da viscosidade para 25ºC. Para temperaturas diferentes, faz-se necessária uma correção, o que é feito pela Equação (5).
	lnµm=∑i xi lnµi+∑i≠j∑xi xj Gij
	(2)
	Gij =ΣΔi −ΣΔj +W
	(3)
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	Gij(T)=1-[1-Gij(298k)].[(573-T)/275)]
	(5)
Nestas equações µm é a viscosidade da mistura; µi é a viscosidade do componente i; x é atração molar do componente na mistura; N é o número de átomos de carbono na molécula de um componente da mistura; Δ é um parâmetro que caracteriza a contribuição no modelo de Gunberg e Nissan de cada grupo funcional, conforme valores reportados na Tabela 9.12 de REID, 1987; i, j são índices que identificam cada um dos componentes da mistura e T é a temperatura absoluta (em kelvins). Por ter um maior número de átomos de carbono na sua fórmula empírica, o biodiesel foi adotado como o termo i no modelo de Grunberg e Nissan, enquanto que o óleo diesel foi considerado o termo j. Na Tabela 1 são mostrados os valores de densidade e peso molecular aparente tanto para o biodiesel como para o óleo diesel, bem como os números de átomos de carbono, de hidrogênio e de oxigênio na molécula média desses compostos. Ao avaliar a viscosidade pelo modelo de Grunberg e Nissan foram utilizados os valores reportados na Tabela 1. Fazendo Ni = 19 e Nj = 1, pela Equação (4) obteve-se W = 1,58. O parâmetro Gij foi avaliado pela Equação (3), levando-se em conta a contribuição das terminações metóxi, e dos grupos de ácido carboxílico e álcool alifático, para o caso do biodiesel. Já para o óleo diesel, as contribuições levadas em conta foram as das terminações metóxi e do grupo =CH2, resultando:
Σ Δj = 2*(-0,1) + 9*0,096 = 0,664
É importante registrar que no caso do biodiesel, a inclusão das contribuições de terminações metóxi bem como dos grupos ácido carboxílico e álcool alifático, decorre do fato que o modelo de Grunberg e Nissan não inclui nenhuma referência para o grupo funcional éster, que seria o mais característico para o biodiesel. Entretanto, partindo do princípio que os ésteres resultam da união do grupo funcional ácido carboxílico com o grupo funcional álcool, considerou-se conveniente levar em conta a participação desses grupos funcionais separadamente, resultando assim 4 terminações metóxi. Tal procedimento permitiu obter a melhor aproximação entre os valores experimentais e os estimados. As Figuras 1, 2 e 3 apresentam curvas de viscosidade das misturas de biodiesel de soja e óleo diesel, para as temperaturas de 25ºC, 40ºC e 60ºC, respectivamente. Cada uma dessas figuras contém quatro curvas, sendo uma correspondente aos resultados obtidos com o modelo de Grunberg e Nissan, outra corresponde aos valores determinados experimentalmente, a terceira corresponde a uma ponderação entre as viscosidades dos
VISCOSIDADE, ÓLEOS LUBRIFICANTES E VISCOSÍMETROS 9 componentes que utiliza as frações molares como fator de ponderação e por fim a quarta curva corresponde à estimativa por ponderação volumétrica das misturas.
Figura 1. Viscosidade das misturas de biodiesel de soja e óleo diesel a 25ºC.
Figura 2 - Viscosidade das misturas de biodiesel de soja e óleo diesel a 40ºC.
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Capítulo 2: Óleos Lubrificantes
Os óleos lubrificantes, óleos de motor, ou óleos para motor, são substâncias utilizadas para reduzir o atrito, lubrificando e aumentando a vida útil dos componentes móveis dos motores.
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Funções Essenciais dos óleos lubrificantes:
Lubrificar - A função primária do lubrificante é formar uma película delgada entre duas superfícies móveis, reduzindo o atrito e suas consequências, que podem levar à quebra dos componentes.
Refrigerar - O óleo lubrificante representa um meio de transferência de calor, "roubando" calor gerado por contato entre superfícies em movimento relativo. Nos motores de combustão interna, o calor é transferido para o óleo através de contatos com vários componentes, e então, para o sistema de arrefecimento de óleo.
Limpar e manter limpo - Em motores de combustão interna especialmente, uma das principais funções do lubrificante é retirar as partículas resultantes do processo de combustão e manter estas partículas em suspensão no óleo, evitando que se depositem no fundo do cárter e provoquem incrustações.
Proteger contra a corrosão - A corrosão e o desgaste podem resultar na remoção de metais do motor, por isso a importância dos aditivos anticorrosivo e anti desgaste.
Vedação da câmara de combustão - O lubrificante ao mesmo tempo que lubrifica e refrigera, também age como agente de vedação, impedindo a saída de lubrificante e a entrada de contaminantes externos ao compartimento.
Os óleos lubrificantes podem ser:
Óleos Graxos: de origem animal ou vegetal, Óleos Minerais: derivados de petróleo,
Óleos Sintéticos: produzidos em laboratório,
Óleos Compostos: podendo ainda ser constituído pela mistura de dois ou mais tipos.
Características:
As principais características dos óleos lubrificantes são a viscosidade, o índice de viscosidade (IV) e a densidade.
1. Viscosidade: A viscosidade mede a dificuldade com que o óleo escorre; quanto mais viscoso for um lubrificante (mais grosso), mais difícil de escorrer, portanto será maior a sua capacidade de manter-se entre duas peças móveis fazendo a lubrificação das mesmas. A viscosidade dos lubrificantes não é constante, ela varia com a temperatura. Quando esta aumenta a viscosidade diminui e o óleo escoa com mais facilidade.
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2. Índice de Viscosidade (IV): Mede a variação da viscosidade com a temperatura. Quanto maior o IV, menor será a variação de viscosidade do óleo lubrificante, quando submetido a diferentes valores de temperatura. 3. Densidade: Indica a massa de um certo volume de óleo a uma certa temperatura, é importante para indicar se houve contaminação ou deterioração de um lubrificante.
Outras características:
Densidade relativa
As densidades dos derivados líquidos de petróleo são analisados, no Brasil, em temperatura de 20°C, comparativamente a densidade da água medida a 4°C sendo, portando expressa a 20/4°C. Embora adimensional, a densidade relativa do produto é numericamente igual à densidade ou massa específica na temperatura de referência, que pode ser expressa em quilogramas por litro (kg/l).
Teor de enxofre
O enxofre existe na maioria dos combustíveis sólidos, líquidos e gasosos e os óxidos de enxofre formados na combustão geralmente não causam problemas, contanto que todas as superfícies em contato com os gases de combustão sejam mantidas em temperatura acima do ponto de orvalho do ácido sulfúrico, evitando-se, assim, a condensação de ácidos corrosivos e, consequentemente, corrosão no sistema.
Água e sedimentos (MB-37; MB-38; MB-294; D-1796)
O óleo combustível pode reter pequena quantidade destes materiais em suspensão. Por especificação, a quantidade de água e sedimentos dos óleos combustíveisresiduais não pode exceder a 2,0% em volume. Durante a utilização dos combustíveis em clientes, os tanques de armazenagem podem acumular água e sedimentos. As recomendações para impedir que dificuldades desta espécie surjam serão discutidas no tópico sobre armazenagem. A determinação da presença e teor de água em óleos lubrificantes também pode se dar por diferentes métodos, como verificação de turbidez em óleos claros, crepitação em chapa aquecida, destilação por arraste, presença de espuma pelo aquecimento acima de 100º C e determinação quantitativa pelo método Karl Fischer. Observe-se que apenas métodos quantitativos podem oferecer resultado definitivo no que diz respeito ao comprometimento das funções do óleo, pela água. A contaminação por água é indesejável na maioria dos sistemas de lubrificação; a presença dessa substância pode resultar em formação de emulsões, falha ou ineficiência de lubrificação em pontos críticos, precipitação dos aditivos – por hidrólise, formação de borras (em óleos “sujos”), o quer pode provocar entupimento em telas, filtros ou tubulações ou aceleração de processo de corrosão das superfícies metálicas.
Cinza Cinza é o resíduo mineral que permanece da combustão completa do óleo combustível.
Os componentes da cinza (compostos de metal) podem causar a formação de depósitos em superfícies de troca térmica. Quando em proporções elevadas, a cinza pode fundir-se
VISCOSIDADE, ÓLEOS LUBRIFICANTES E VISCOSÍMETROS 13 e causar a corrosão de alta temperatura nos metais e reagir com os materiais cerâmicos (isolamentos térmicos e forros internos).
Poder calorífico
Poder calorífico é a quantidade de calor produzida pela combustão completa de uma unidade de massa do combustível, sendo expresso normalmente dm kcal/kg. O calor liberado pela combustão de uma unidade de massa de um combustível numa bomba de volume constante, com toda água condensada (no estado líquido), é definido como Poder Calorífico Superior (PCS). Já o Poder Calorífico Inferior (PCI) apresenta o calor liberado pela combustão de uma unidade de massa de um combustível, em pressão constante, com a água permanecendo no estado de vapor.
PCI=PCS-entalpia de vaporização da água
A Resolução CNP N° 03/86 não especifica o poder calorífico dos óleos combustíveis. Um gráfico típico de variação do poder calorífico em função da densidade e do teor de enxofre é apresentado na Figura a seguir.
Relação entre poder calorífico superior, densidade e teor de enxofre.
Calor específico
O valor médio de calor específico que pode ser considerado para os óleos combustíveis nos cálculos de aquecimento de sistemas de armazenagem e de manuseio é:
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Cm = 0,5 kcal/kg °C (2,1 kJ/kg °C)
Qual é real a diferença entre os tipos de óleos automotivos (mineral, semi-sintético e sintético)? É exatamente a composição dos diferentes tipos de óleo que os faz diferente!
Existem dois componentes principais em todo óleo lubrificante: o óleo de base (muitas vezes chamado de basestock) e os aditivos.
O basestock compõe a maior parte do óleo e representa a essência do lubrificante. É constituído por inúmeros tipos de hidrocarbonetos de cadeia longa (alifáticos e aromáticos, de 15 a 50 carbonos), aditivos de lubrificação, alguns metais (alumínio, bário, fósforo, zinco e arsênico, dentre outros) e outros diversos compostos orgânicos e inorgânicos variados (sendo alguns bem tóxicos, como benzeno, tolueno, xileno e etilbenzeno). Os hidrocarbonetos são as moléculas que dão a propriedade lubrificante ao óleo, e é constituído por cadeias de átomos de carbono e hidrogênio ligados em série, como no desenho abaixo.
Esquema ilustrativo da composição molecular de diferentes tipos de hidrocarbonetos
Quanto maior a cadeia de carbono, mais viscoso/sólido é o elemento. Os aditivos melhoram ainda mais as qualidades positivas e procuram minimizar as qualidades negativas que possam existir num determinado basestock. Os principais aditivos utilizados são: anti-corrosivos, anti-espumantes, detergente-dispersante, melhoradores do Índice de Viscosidade e agentes de extrema pressão. O óleo mineral segue exatamente com essa lógica.
Óleo Mineral
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O óleo mineral é refinado do petróleo bruto, extraído de poços naturais subterrâneos e tem sido utilizado como lubrificante desde o desenvolvimento dos primeiros veículos automotores (~1910). Depois que o óleo é recuperado, são realizadas várias etapas de purificação no refino para melhorar sua qualidades de lubrificação. Normalmente apresenta muito mais elemento contaminantes que os outros 2 tipos.
Óleos Semi-sintéticos
Há alguns lubrificantes disponíveis no mercado que são tão puros e refinados que poderiam ser classificados como sintéticos. Entretanto eles não são óleos sintéticos verdadeiros, eles têm um pouco de óleo de base mineral, (bem pouco, impossibilitando a classificação deles como “óleo mineral”). Esses são os chamados no Brasil de óleos semi-sintéticos!
O óleo mineral pode ser submetido a um processo de refinamento super-extremo chamado hidrocraqueamento. Essa técnica muda a estrutura de muitas das moléculas do óleo mineral pela quebra e fragmentação em diferentes estruturas moleculares muito mais estáveis. Isso resulta em uma basestock que tem muito maior estabilidade térmica e oxidativa, bem como uma melhor capacidade de manter a viscosidade adequada através de uma ampla faixa de temperatura – quando comparado a um óleo mineral típico. Além de terem pouquíssimos contaminantes presentes, estes óleos apresentam características de desempenho elevado.
Óleos Sintéticos