RELATÓRIO - Atividade 1 - Experimento de Reynolds

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FACULDADE SALESIANA MARIA AUXILIADORA
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
	
Por
Ariádine Bitencourt
Diogo Lino
Marcus Vinícius Daltro
Atividade 1: Experimento de Reynolds
Macaé - RJ
Agosto/2014
FACULDADE SALESIANA MARIA AUXILIADORA
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
Por
Ariádine Bitencourt
Diogo Lino
Marcos Vinícius
Atividade 1: Experimento de Reynolds
Trabalho apresentado em cumprimento às exigências da
disciplina Laboratório de Engenharia Química I,
ministrada pela professora Priscila Barros
no curso de graduação em Engenharia Química
na Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora.
Macaé - RJ
Agosto/2014
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Dispositivo experimental utilizado por Reynolds	5
Figura 2 - Unidade Experimental de Reynolds (STT410)	8
Figura 3 - Detalhe do recipiente contendo o corante (azul de metileno)	10
Figura 4 – Regime Laminar	11
Figura 5 – Regime de Transição	11
Figura 6– Regime Turbulento	13
Sumário
1 INTRODUÇÃO	4
1.1 OBJETIVO GERAL	4
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA	5
3 PROCEDIMENTOS	7
4 RESULTADOS	9
5 DISCUSSÃO	14
6 CONCLUSÃO	14
BIBLIOGRAFIA	15
1 INTRODUÇÃO 
Esse experimento foi executado no laboratório de Engenharia Química de Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora e tem como objetivo calcular e discutir os possíveis efeitos do número de Reynolds em um escoamento num duto fechado. O conceito do número do Reynolds foi primeiramente pensado por George G. Stokes em 1851, contudo o número analisado foi denominado “de Reynolds” após Osborne Reynolds, que popularizou seu uso em 1883. O número de Reynolds surge quando se realiza uma análise dimensional em problemas de dinâmica de fluidos e tem como principal utilidade a caracterização de diferentes regimes de fluxo: laminar, transição ou turbulento. 
Ou seja, o escoamento em um tubo é laminar, transiente ou turbulento se o número de Reynolds for baixo, intermediário ou alto, respectivamente. A velocidade do fluido, a massa específica, viscosidade e diâmetro do tubo se combinam para formar o número de Reynolds e determinar o tipo de escoamento. 
Para escoamento em tubos redondos, temos os seguintes valores. O escoamento é laminar se o número de Reynolds for menor do que aproximadamente 2100 a 2300. O escoamento é turbulento se o número de Reynolds dor maior do que aproximadamente 4000. O escoamento transiente, que pode estar entre condições laminares e turbulentas e representa o início da turbulência, tem o número de Reynolds entre os dois limites acima.
1.1 OBJETIVO GERAL
Este experimento tem como objetivo a visualização do padrão de escoamento de água através de um tubo de vidro, com o auxílio de um fluido colorido (corante azul de metileno), bem como determinar valores de vazões volumétricas, velocidades de escoamento e o Número de Reynolds crítico para escoamento de fluidos em condutos circulares e observar visualmente as características dos movimentos laminar, turbulento e transição entre eles.
2 MATERIAL
Corante: Azul de Metileno
 Cronômetro
 Proveta graduada de vidro
 Termômetro
 Unidade experimental de Reynolds – STT410
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
O número de Reynolds (abreviado como Re) é um número adimensional usado em mecânica dos fluídos para o cálculo do regime de escoamento de determinado fluido dentro de um tubo ou sobre uma superfície. É utilizado, por exemplo, em projetos de tubulações industriais e asas de aviões. O seu nome vem de Osborne Reynolds, um físico e engenheiro irlandês. O seu significado físico é um quociente entre as forças de inércia e as forças de viscosidade
Em experiências, Reynolds (1883) demonstrou a existência de dois tipos de escoamentos, o escoamento laminar e o escoamento turbulento. O experimento teve como objetivo a visualização do padrão de escoamento de água através de um tubo de vidro, com o auxílio de um fluido colorido (corante).
A figura 1 demonstra o experimento realizado por Reynolds (1883).
O procedimento de seu experimento consiste no fluxo da água que alimenta o procedimento e é acionado pela abertura da válvula inicial (torneira), e este fluido é carregado por uma mangueira até uma válvula para a retirada de ar. Após este feito, o fluido é transportado para a entrada do tubo inicial que contem duas fontes de alimentação, uma do fluido (água) e outra do corante indicador do escoamento. Este corante possui uma válvula que controla sua vazão.
 Fig. 1 Ilustração do aparato experimental
Quando os valores de Reynolds são pequenos o nome dado é escoamento laminar, esta forma uma tensão de cisalhamento entre os líquidos, ao contrário disso ocorre o processo de geração turbulento, pois esse tem forma vorticosa (pois os movimentos do fluido se assemelha à vórtices) e consequentemente dissipa as partículas adjacente por atrito viscoso. Tal movimento é resultado do contato entre regiões do escoamento com o líquido em movimento rápido com o líquido que se movimenta vagarosamente ou estagnado.
Reynolds após ter feito todas as suas experiências com diferentes valores de diâmetros e temperaturas, chegou à conclusão que a melhor forma de se determinar o tipo de movimento do escoamento não depende exclusivamente do valor da velocidade, mais ao valor de uma expressão sem dimensões, considerando também a viscosidade do líquido.
Conforme demonstra a fórmula abaixo:
Na qual: Re é o número de Reynolds; é a densidade do fluido (kg/m3); V é a velocidade média do fluido (m/s); D é o diâmetro interno do tubo (m); é a viscosidade do fluido (kg/ms).
Se o resultado do escoamento for superior a 4000, o movimento nas condições correntes, em tubos comerciais, sempre será turbulento. Para os encanamentos, o escoamento em regime laminar ocorre e é estável para valores do número de Reynolds inferiores a 2000. Entre esse valor e 4000 encontra-se um zona crítica, na qual não se pode determinar com segurança a perda de carga nas canalizações.
4 PROCEDIMENTOS
4.1 Procedimento Experimental
Primeiramente, encheu-se o tanque da Figura 3 com água. O experimento foi iniciado quando atingiu um nível razoável de água. Isto foi feito para diminuir a chance de o experimento ser interrompido por falta de água.
Encheu-se o recipiente com corante (azul de metileno) como ilustrado na figura 4.
Tomando os devidos cuidados com o nível do tanque, abriu-se a válvula de escoamento da água iniciando-se com uma abertura pequena.
Abriu-se a válvula que libera o corante para o tubo capilar dentro do tanque. 
Ajustou-se a vazão destas duas válvulas até que se fosse observado um escoamento laminar, onde o filete de corante manteve-se reto, ou seja, sem oscilações.
Após observarmos o escoamento laminar, coletou-se um volume de água e mediu-se o tempo de coleta com a finalidade de se obter o valor da vazão de água. Foram realizadas 2 coletas a fim de minimizar possíveis erros experimentais.
A abertura da válvula de água foi aumentada gradativamente, de modo que o aumento da vazão possibilitou a observação dos demais tipos de escoamentos: transição e turbulento.
A cada nova abertura da válvula com um tipo de escoamento correspondente, coletou-se um volume de água em uma proveta e mediu-se o tempo gasto para tal coleta. Da mesma forma, estas medições também foram realizadas com a finalidade de se obter o valor da vazão de água e também foram realizadas 2 coletas do escoamento.
Figura 2- Unidade Experimental de Reynolds – STT410 do laboratório de Engenharia Química de Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora.
Figura 3- Detalhe do recipiente contendo o corante (azul de metileno).
5 RESULTADOS
Dados:
Diâmetro: D= 40 mm= 4,0x10-2 m
Densidade da água: ρ= 1000 kg/m3
Temperatura da água : T= 21°C
Viscosidade da água: μ= 1,03x10-3 Pa.s
Equações utilizadas:
Área: 
Vazão Volumétrica: 
Velocidade: 
Número de Reynolds: 
Primeiramente, estimamos, para as condições do experimento, os intervalos de vazão para que fossemobservados distintamente os 3 tipos de escoamento (laminar, transição e turbulento).
Calculando a área temos:
Sabendo que para se ter um escoamento laminar o número de Reynolds precisa ser inferior à 2100, com isso temos que:
Com a obtenção do resultado acima, estimamos que para obtermos um escoamento laminar a vazão volumétrica deve ser menor que 70,3 mL/s. 
Para o escoamento turbulento, onde Re > 4000, temos:
Desta forma, estimamos que para obtermos um escoamento turbulento a vazão volumétrica deve ser maior que 134 mL/s .
Consequente, para obtermos um escoamento em transição o valor da vazão volumétrica deve estar entre e 70,3 e 134 mL/s.
Vale salientar que estes valores serviram apenas como um norteador, visto a dificuldade de se controlar as vazões com as válvulas.
Valores obtidos para o escoamento laminar:
	Escoamento Laminar
	Observação
	Volume (m3)
	Tempo (s)
	Vazão (m3/s)
	Velocidade (m/s)
	Re
	1
	1,2 x10-4
	60
	2 x10-6
	1,54 x10-3
	59,81
	2
	1,15 x10-4
	60
	1,92 x10-6
	1,48 x10-3
	57,48
Dessa forma, para o escoamento laminar observado, calculamos um valor médio para o número de Reynolds igual a 58,65.
Figura 4- Regime laminar
Valores obtidos para o escoamento de transição: 
	Escoamento Transição
	Observação
	Volume (m3)
	Tempo (s)
	Vazão (m3/s)
	Velocidade (m/s)
	Re
	1
	3,48 x10-4
	60
	5,8 x10-6
	4,46 x10-3
	173,21
	2
	3,49 x10-4
	60
	5,81 x10-6
	4,47 x10-3
	173,59
Dessa forma, para o escoamento de transição observado, calculamos um valor médio para o número de Reynolds igual a 173,4.
Figura 5- Regime de transição
Valores obtidos para o escoamento turbulento:
	Escoamento Turbulento
	Observação
	Volume (m3)
	Tempo (s)
	Vazão (m3/s)
	Velocidade (m/s)
	Re
	1
	7,7 x10-4
	30
	2,57 x10-5
	1,98 x10-2
	768,93
	2
	7,5 x10-4
	30
	2,5 x10-5
	1,92 x10-2
	745,63
Dessa forma, para escoamento turbulento observado, calculamos um valor médio para o número de Reynolds igual a 757,28.
 
 Figura 6- Regime turbulento
5 DISCUSSÃO
Por meio deste experimento é possível perceber a diferença entre escoamento laminar, transição e turbulento em um tubo vertical. Os números encontrados para Reynolds calculados para cada tipo de escoamento e os resultados obtidos mostram que com o aumento da velocidade, o número calculado aumenta. Tal fato comprova a essência do experimento.
Quanto à visualização dos escoamentos com auxílio do corante (azul de metileno), conseguiu-se distinguir muito bem os diferentes tipos. Para o laminar, percebe-se um leve fio de corante que passa pelo centro do tubo, já com o turbulento ocorre uma ocupação de todo o diâmetro do tubo pelo mesmo.
Apesar de, como já dito, termos observados que o aumento da vazão aumenta o número de Reynolds, o cálculo do mesmo para cada ensaio não nos permitiu tirar conclusões quanto ao escoamento existente. Porém, como em todo experimento a suscetibilidade a erros existe, alguns referentes a este trabalho que podem ser citados como a coleta de um dado volume de água no tempo cronometrado, o erro na medição do volume desta água que foi realizada em um instrumento de pouca precisão (proveta), o diâmetro da saída de água era muito menor que o diâmetro do tudo. Outra possível fonte de erro pode ser devido ao fato de um recipiente que despeja o corante dentro do duto de água não estar rigorosamente centralizado. No entanto foi visualmente observado que o escoamento transpassou pelos regimes de escoamento previstos teoricamente.
6 CONCLUSÃO
Ao término deste experimento, podemos concluir que trata-se de uma atividade onde foi possível perceber que a importância fundamental do número de Reynolds é a possibilidade de se avaliar a estabilidade do fluxo podendo obter uma indicação se o escoamento flui de forma laminar ou turbulenta. Com isso, podem-se realizar os dimensionamentos industriais e optar por materiais mais adequados para cada processo. Mesmo não obtendo os valores de número de Reynolds dentro da linha tabelada, por conta dos erros de equipamento e experimentais, ainda assim notamos uma realidade no seu crescente número, de acordo com os regimes, laminar, de transição e turbulento. 
BIBLIOGRAFIA
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