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1 EXPERIMENTO DE REYNOLDS – REGIMES DE ESCOAMENTO EM TUBULAÇÕES Fenômenos de Transferência e Operações Unitárias Experimental I (Professor: Debora de Pellegrin Campos) – (12/09/2018) Airini Martins Ramos Ana Carolina Fidelis Pessoa Larissa de Espindola Thalia da Silva Manoel 1 OBJETIVOS Este Módulo Didático foi concebido e projetado para estudos dos regimes de escoamento em tubos retos: laminar, transição e turbulento, através de traçadores colorimétricos. A injeção dos traçadores ocorrem em dois pontos: no início da tubulação para verificar perturbações de borda e outro no meio onde as linhas de fluxo já estão normalizadas. Além disto, o experimento permite determinar curvas do gráfico de Moody (fator de atrito em função do Reynolds). Realizar observações visuais dos regimes de escoamentos em função do número de Reynolds; Determinar experimentalmente o número de Reynolds em função da vazão e o número de Reynolds crítico, em conduto circular; Determinar experimentalmente a perda de carga por escoamento e a variação do coeficiente de atrito hidráulico (Fanning) em função do número de Reynolds e, com isto aprender a confeccionar o gráfico de Moody. 2 RESULTADOS E ANÁLISES Para calcular o número de Reynolds (Re), adotaram-se pontos da diferença de altura com intervalos de 0,5 e 2,0 cm para a ida e de 5,0 cm para a volta. A cada intervalo foi conometrado duas vezes um tempo (t), para se encher um volume (v), de 100 mL. Foram adotados os valores de 1000 kg/m3 para a massa específica da água (ρágua), 0,001 kg/m.s para a viscosidade da água (µ), e 1470 kg/m3 a densidade do fluído (ρfluído). 2 A Tab. 1 abaixo exibe os valores da diferença de altura (inclinada) na ida e a média do tempo cronometrado para cada ponto de Δh. Tabela 1 – Valores encontrados no experimento. ∆h(inclinado) (cm) ∆h(inclinado) (m) Tempo (s) 12,5 0,125 14,5 13,0 0,130 9,0 13,5 0,135 13,5 14,0 0,140 8,5 14,5 0,145 16,0 15,0 0,150 7,0 15,5 0,155 14,0 16,0 0,160 6,0 16,5 0,165 5,0 17,0 0,170 7,0 17,5 0,175 4,0 18,0 0,180 3,5 18,5 0,185 4,5 19,0 0,190 4,0 19,5 0,195 8,5 20,0 0,200 9,0 20,5 0,205 4,0 21,0 0,210 3,0 21,5 0,215 4,0 23,5 0,235 5,5 25,5 0,255 4,0 27,5 0,275 4,0 31,5 0,315 3,0 Fonte: Do Autor (2018). Por meio dos dados apresentados na tabela à cima, e adotando um volume de 0,0001 m3, calculou-se a vazão volumétrica (Q): (1) Onde: Q = Vazão (m3/s); v = volúme (m3); t = tempo (s) 3 Os valores encontrados estão representados na Tab. 2. Tabela 2 – valores de vazão volumétrica Tempo (s) Q (m³/s) 14,5 6,8966E-06 9,0 1,1111E-05 13,5 7,4074E-06 8,5 1,1765E-05 16,0 6,2500E-06 7,0 1,4286E-05 14,0 7,1429E-06 6,0 1,6667E-05 5,0 2,0000E-05 7,0 1,4286E-05 4,0 2,5000E-05 3,5 2,8571E-05 4,5 2,2222E-05 4,0 2,5000E-05 8,5 1,1765E-05 9,0 1,1111E-05 4,0 2,5000E-05 3,0 3,3333E-05 4,0 2,5000E-05 5,5 1,8182E-05 4,0 2,5000E-05 4,0 2,5000E-05 3,0 3,3333E-05 Fonte: Do Autor (2018). Por meio da equação (2), encontraram-se as alturas verticais: (2) Onde o ângulo de α é igual á 12,95, dado obtido na bancada de Reynolds, por meio dos cálculos encontrou-se os valores de Δhvertical, conforme mostra a Tab. 3. 4 Tabela 3 – Valores de Δhvertical ∆h(inclinado) (m) ∆h(vertical) (m) 0,125 4,6786E-02 0,130 4,8658E-02 0,135 5,0529E-02 0,140 5,2400E-02 0,145 5,4272E-02 0,150 5,6143E-02 0,155 5,8015E-02 0,160 5,9886E-02 0,165 6,1758E-02 0,170 6,3629E-02 0,175 6,5500E-02 0,180 6,7372E-02 0,185 6,9243E-02 0,190 7,1115E-02 0,195 7,2986E-02 0,200 7,4858E-02 0,205 7,6729E-02 0,210 7,8601E-02 0,215 8,0472E-02 0,235 8,7958E-02 0,255 9,5444E-02 0,275 1,0293E-01 0,315 1,1790E-01 Fonte: Do Autor (2018). Para o cálculo da velocidade (Eq. 4), primeiro calculou-se o valor da área (Eq. 3), onde se adotou o valor de 0,015 m de diâmetro, fornecido pela bancada. (3) Encontrando uma área de 0,000176715 m2, substituiu-se o valor da mesma na equação 4, e foi possível encontrar os valores de velocidade. (4) Onde: v = velocidade (m/s) 5 Q = vazão (m3/s) A = Área (m2) Encontrando os valores de velocidade, construiu-se a Tab. 4 abaixo: Tabela 4 – valores de velocidade Q (m³/s) V (m/s) 6,8966E-06 3,9026E-02 1,1111E-05 6,2876E-02 7,4074E-06 4,1917E-02 1,1765E-05 6,6575E-02 6,2500E-06 3,5368E-02 1,4286E-05 8,0841E-02 7,1429E-06 4,0420E-02 1,6667E-05 9,4314E-02 2,0000E-05 1,1318E-01 1,4286E-05 8,0841E-02 2,5000E-05 1,4147E-01 2,8571E-05 1,6168E-01 2,2222E-05 1,2575E-01 2,5000E-05 1,4147E-01 1,1765E-05 6,6575E-02 1,1111E-05 6,2876E-02 2,5000E-05 1,4147E-01 3,3333E-05 1,8863E-01 2,5000E-05 1,4147E-01 1,8182E-05 1,0289E-01 2,5000E-05 1,4147E-01 2,5000E-05 1,4147E-01 3,3333E-05 1,8863E-01 Fonte: Do Autor (2018). Por meio dos valores encontrados na Tab. 4, realizou-se o cálculo do número de Reynolds (Eq. 5). (5) Onde: Re = Número de Reynolds; ρ = massa específica da água (1000 kg/m3); 6 v = velocidade do fluído (m/s); D = diâmetro (m) µ = viscosidade cinemática da água (0,001 kg/m.s). Substituindo todos os valores na Eq. 5, encontraram-se os valores da Tab. 5: Tabela 5 – Valores do número de Reynolds Reynolds (Re) 585,3975 943,1404 628,7603 998,6193 530,5165 1212,6091 606,3045 1414,7106 1697,6527 1212,6091 2122,0659 2425,2182 1886,2808 2122,0659 998,6193 943,1404 2122,0659 2829,4212 2122,0659 1543,3207 2122,0659 2122,0659 2829,4212 Fonte: Do Autor (2018). Conforme Coelho, o número de Reynolds tem como objetivo identificar se o regime tem um fluído laminar onde o valor se encontrar inferior á 2000 ou turbulento onde se encontra superior a 2400. A partir da Tab. 5, observou-se o regime de cada ponto e o comparou com o regime visual feito pelos acadêmicos no momento do experimento, dados representados na Tab. 6, abaixo: 7 Tabela – 6 Comparação do regime teórico e experimental Regime Teórico Regime visto Laminar Laminar Laminar Laminar Laminar Laminar Laminar Laminar Laminar Laminar Laminar Laminar Laminar Laminar Laminar Laminar Laminar Transiente Laminar Laminar Transiente Laminar Turbulento Turbulento Laminar Transiente Transiente Transiente Laminar Laminar Laminar Laminar Transiente Transiente Turbulento Turbulento Transiente Turbulento Laminar Turbulento Transiente Turbulento Transiente Turbulento Turbulento Turbulento Fonte: Do Autor (2018). A Leitura do regime se deu, por meio da demonstração com corante azul de metileno. Onde, na consideração de um escoamento laminar o fluído escoava em uma linha sem vibrações, sendo Reynolds inferior a 2000. Quando considerado transiente o fluído dava inicio de ondulaçõesem seu trajeto, onde o número Re ficava entre o intervalo de 2000 a 4000, e a partir do momento que o escoamento passou a ter ondulações muito turbulentas o caracterizou como um regime turbulento, Re superior a 4000. Com os resultados da Tab. 6, pode-se observar que a conclusão dos regimes visuais não se adequou totalmente ao cálculado. Essa leitura em alguns pontos pode ter ocorrido: devido a problemas técnicos com a bancada experimental; por ocorrer alguma batida que levou a abancada sofrer um movimento irregular 8 causando uma leitura errada do fluído; devido à oscilação do manômetro estar trabalhando sozinho e até mesmo haver uma sujeirinha na agulha da válvula que prejudicou na leitura. Por meio dos valores encontrados na Tab. 3 (Δhvertical), realizou-se o cálculo da Perda de carga (ΔP) Eq. 6. Na qual se adotou 9,81 m/s2 a aceleração da gravidade e 1000 e 1470 kg/m3 massa específica da água e do fluído, respectivamente. (6) Onde: ΔP = Perda de Carga (Pa); Δh = altura vertical (m); g = aceleração da gravidade (9,81 m/s2); ρágua = densidade da água (1000 kg/m 3); ρfluído = densidade do fluído (1470 kg/m 3). Os valores para diferença de pressão encontrada estão presentes na Tab. 7. Tabela 7 – Valores de Perda de Carga ∆h vertical (m) ΔP (Pa) 4,6786E-02 215,716499 4,8658E-02 224,345159 5,0529E-02 232,973819 5,2400E-02 241,6024789 5,4272E-02 250,2311389 5,6143E-02 258,8597988 5,8015E-02 267,4884588 5,9886E-02 276,1171188 6,1758E-02 284,7457787 6,3629E-02 293,3744387 6,5500E-02 302,0030986 6,7372E-02 310,6317586 6,9243E-02 319,2604186 7,1115E-02 327,8890785 9 7,2986E-02 336,5177385 7,4858E-02 345,1463984 7,6729E-02 353,7750584 7,8601E-02 362,4037184 8,0472E-02 371,0323783 8,7958E-02 405,5470182 9,5444E-02 440,061658 1,0293E-01 474,5762979 1,1790E-01 543,6055776 Fonte: Do Autor (2018). Encontrando os valores de ΔP e da velocidade, cálculou-se os valores do Coeficiente de atrito (Cf), representado pela Eq. 7. (7) Onde: ΔP = Perda de carga (pa); D = diâmetro da tubulação (0,015 m); v = velocidade (m/s); ρ = massa específica da água (1000 kg/m3); L = comprimento da tubulação (5,16 m) A partir dos cálculos, obteve-se a Tab. 8: Tabela – 8 Valores do coeficiente de atrito. (Re) Cf 585,3974918 0,205861782 943,1404035 0,082481791 628,760269 0,192721877 998,6192508 0,079231084 530,516477 0,290762021 1212,60909 0,05757276 606,3045451 0,237967408 1414,710605 0,045118245 1697,652726 0,032311243 1212,60909 0,065249128 2122,065908 0,02193248 10 2425,21818 0,017271828 1886,280807 0,029344483 2122,065908 0,023812407 998,6192508 0,110357581 943,1404035 0,126895063 2122,065908 0,025692334 2829,421211 0,014804424 2122,065908 0,026945618 1543,32066 0,055683042 2122,065908 0,031958757 2122,065908 0,034465326 2829,421211 0,022206636 Fonte: Do Autor (2018). Com os valores de Re e Cf cálculados, fez-se um relação com essa váriaveis e plotou-se um gráfico, conforme Fig. 1. Figura 1 – Gráfico Fator de Fanning x número de Reynolds. Fonte: Do Autor (2018). y = 9066x-1,665 R² = 0,9655 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 C f Reynolds Cf x Reynolds 11 Figura 2 – gráfico de Moody Fonte: Experência da perda de carga Segundo Potter, conforme o volar do número de Reynolds aumenta o fator de atrito decai. Fato observado por meio da Fig. 1 nota-se que no primeiro ponto [585,397 (Re); 0,20586 (Cf)], o fluído escoa em regime laminar e conforme o regime vai se tornando transiente, no ponto [2122,07 (Re); 0,02193 (Cf)], o fator de atrito tem um grande declínio. A partir desse momento o regime passa a ser turbulento e o fator de atrito vai mantendo o seus valores de declínio bem próximos. Realizou outra comparação gráfica, entre o Re e Fc, porém com o gráfico em função de log-log. Valores da função apresentados na Tab. 9. Tabela 9 – Valores de Re e Cf em função log-log. Log Re Log Cf 2,767451 -0,68642 2,974576 -1,08364 2,798485 -0,71507 2,9994 -1,1011 2,724699 -0,53646 3,083721 -1,23978 12 2,782691 -0,62348 3,150668 -1,34565 3,229849 -1,49065 3,083721 -1,18543 3,326759 -1,65891 3,384751 -1,76266 3,275606 -1,53247 3,326759 -1,6232 2,9994 -0,9572 2,974576 -0,89656 3,326759 -1,5902 3,451698 -1,82961 3,326759 -1,56951 3,188456 -1,25428 3,326759 -1,49541 3,326759 -1,46262 3,451698 -1,65352 Fonte: Do Autor (2018). Por meio dos valores respresentados na tabela a cima, plotou-se um gráfico da relação entre os valores de Re e Cf. Como representa a Fig. 3 a seguir. Figura 3 – Gráfico da relação de Re e Cf em função log-log. Fonte: Do Autor (2018). Comparando as Fig. 1, 2 e 3, nota-se que a curva experimental ficou de y = -1,6645x + 3,9574 R² = 0,9655 -2 -1,8 -1,6 -1,4 -1,2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 Lo g C f Log Reynolds Log Cf 13 acordo com a teórica em relação da Fig. 2 e a demonstração da função log-log também obteve um resultado bom, visto que os pontos permaneceram de acordo com o esperado. Realizou-se os cálculos do Fator de Fanning (f), por meio da Eq. (8) e os resultados se encontram na Tab. 10. (8) Tabela 10 – Valores do Fator de Fanning. (Re) f 585,3974918 2,7332E-02 943,1404035 1,6965E-02 628,760269 2,5447E-02 998,6192508 1,6022E-02 530,516477 3,0159E-02 1212,60909 1,3195E-02 606,3045451 2,6389E-02 1414,710605 1,1310E-02 1697,652726 9,4248E-03 1212,60909 1,3195E-02 2122,065908 7,5398E-03 2425,21818 6,5973E-03 1886,280807 8,4823E-03 2122,065908 7,5398E-03 998,6192508 1,6022E-02 943,1404035 1,6965E-02 2122,065908 7,5398E-03 2829,421211 5,6549E-03 2122,065908 7,5398E-03 1543,32066 1,0367E-02 2122,065908 7,5398E-03 2122,065908 7,5398E-03 2829,421211 5,6549E-03 Fonte: Do autor (2018). Foram realizadas as medições de volta, partindo do ponto 31,5 (ponto final ao da ida) até o ponto 16,5 cm, que foi o mínimo que o fluído conseguiu diminuir seu ΔP, utilizando intervalos de 5 cm. Realizou-se o mesmo procedimento para a volta, a cada ponto se cronometrava três vezes o tempo para encher o volume, na qual se adotou o mesmo 14 volume utilizado no início do experimento de 100 mL. Na Tab. 11 se encontram os valores da altura inclinida e a média do feita para os três valores de tempo, isso para cada ponto. Tabela 11 – Valores de Δh e Tempo para a volta. ∆h(inclinado) (m) Tempo (s) 0,315 3 0,265 3 0,215 6 0,165 37,5 Fonte: Do Autor (2018). Assim como para a ida, para a volta também foram realizados os calculos de vazão (Q), altura vertical (Δhvertical), velocidade (v), número de Reynolds (Re), perda de carga (ΔP) e Fator de atrito (Cf). Valores representados na Tab. 12. Tabela – 12 Valores obtidos no experimento para a volta. Q (m³/s) ∆h(vertical) (m) v (m/s) Re (Pa) Cf 3,3333E-05 1,1790E-01 1,8863E-01 2829,42 543,6122,21 3,3333E-05 9,9186E-02 1,8863E-01 2829,42 457,32 18,68 1,6667E-05 8,0472E-02 9,4314E-02 1414,71 371,03 60,63 2,6667E-06 6,1758E-02 1,5090E-02 226,35 284,75 1817,51 Fonte: Do Autor (2018). Como para ida, para a volta também se fez a leitura visual do Regime que escoava pela tubulação. Com os valores de Re encontrados, pode-se fazer a comparação do Regime experimentel com o teórico, onde os resultados são encontrados na Tab. 13 a seguir. Tabela 13 – Comparação dos Regimes encontrados. Regime Teórico Regime visto Turbulento Turbulento Turbulento Turbulento Laminar Turbulento Laminar Laminar Fonte: Do Autor (2018). 15 Visto que apenas no terceiro ponto houve um erro na leitura do regime. Podendo colocar os fatos citados anteriormente na leitura da ida, como advérsias para a correta leitura do escoamento. E assim para a volta foi plotado os gráficos da relação do Fator de Fanning x Número de Reynolds e para a função log-log dessas mesmas variáveis. A Tab. 14 representa os seguintes valores: Tabela 14 – Valores Re e Cf em função log-log. Re Cf Log Re Log Cf 2829,4212 22,2066 3,4517 1,3465 2829,4212 18,6818 3,4517 1,2714 1414,7106 60,6276 3,1507 1,7827 226,3537 1817,5074 2,3548 3,2595 Fonte: Do Autor (2018). Com os valores apresentados na Tabela a cima, plotou-se os gráficos, como mostra a Fig. 4 e 5. Figura 4 – Re x Cf. Fonte: Do Autor (2018). y = 3E+07x-1,782 R² = 0,9978 0,0000 200,0000 400,0000 600,0000 800,0000 1000,0000 1200,0000 1400,0000 1600,0000 1800,0000 2000,0000 0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 C f Reynolds Cf x Reynolds 16 Figura 5 - Re x Cf em função log-log Fonte: Do Autor (2018). Observando que as curvas obtidas na Fig. 4 estam de acordo com as Fig. 1, 2 e 3. 3 CONCLUSÃO Conclui-se que o experimento foi satisfatório, visto que os resultados obtidos experimentalmente estavam de acordo com os teóricos. E comparando as curvas experimentais com a teórica, a mesmas se encontravam dentro do contexto. Por meio do experimento, foi possível por em prática e ter o conhecimento de um assunto tão estudado e que abrange uma grande parte dos conteúdos vistos dentro da Engenharia Química. Pode-se também, conhecer visualmente o comportamento de cada regime, laminar transiente e turbulento, e aprender como identificá-los. Visto que erros de leitura podem ocorrer devido algumas advérsias que se encontram por meio do experimento. y = -1,7819x + 7,4429 R² = 0,9978 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 Lo g C f Log Reynolds Log Cf x Log Re 17 4 SUGESTÕES Fazer manutenção no equipamento, visto que ocorreram muitas variações no momento de determinar apenas um valor na medição da altura inclinada, acarretando em alguns erros relativos no decorrer dos cálculos efetuados. REFERÊNCIAS COELHO, Pedro. Número de Reynolds. Disponível em: <http://www.engquimicasantossp.com.br/2013/10/numero-de- reynolds.html#ixzz5A6dP3d7r>. Acesso em: 18 mar. 2018 MARTINS, M. N. Knesebck, A. Estudo da transição entre escoamento laminar e turbulento em tubo capilar. Disponível em: <http://www.proceedings.blucher.com.br/article-details/estudo-da- transio-entre-escoamento-laminar-e-turbulento-em-tubo-capilar-19960>. Acesso em: 03 de Novembro de 2018. POTTER; M. C. Wiggert; D. C.. Mecânica dos fluidos. 3 ed. São Paulo: Ed. Thomson, 2004. SALVADOR, Miguel. Experiência de perda de carga. Disponível em: <https://slideplayer.com.br/slide/1473638/>. Acesso em: 03 de Novembro de 2018. LISTA DE SÍMBOLOS A [m²] Área ∆h [m] Diferença de altura ρ [Kg/m 3 ] Massa específica ∆P [Pa] Diferença de pressão µ [kg/m.s] Viscosidade P [Pa] Pressão D [m] Diâmetro Re [-] Número de Reynolds f [--] Fator de atrito de Fanning Q [L/min; m³/s] Vazão g [m/s²] Aceleração da gravidade v [m/s] Velocidade h [m] Altura V [m³] Volume 18 Memorial de Cálculos Foi utilizado o primeiro ponto para a demonstração dos cálculos. -Cálculo da área: -Cálculo da vazão: Q= -Cáculo velocidade: -Cálculo Δhvertical: 19 -Cálculo Perda de Carga: ΔP ΔP -Cálculo Número de Reynolds: (Adimensional) -Cálculo Coeficiente de Atrito: (Adimensional) -Cálculo do Fator de Atrito Fanning:
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