UNIVERSIDADE GAMA FILHO

CURSO DE ENGENHARIA

VISCOSIDADE, ÓLEOS LUBRIFICANTES E VISCOSÍMETROS

Rio de Janeiro

2011

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ÍNDICE

Introdução _________________________________________________________ 3

Capítulo I: Viscosidade _______________________________________________ 4

1.2. Escoamento viscoso e não viscoso _________________________________ 5

1.3. Relação entre Viscosidade e Temperatura – Gases e Líquidos ___________ 8

Capítulo II: Óleos Lubrificantes _______________________________________ 10

2.1. Índice de Viscosidade, ponto de fluidez e ponto de fulgor ____________ 16

2.2. Sistemas de Classificação – SAE e API __________________________ 17

Capítulo III: Viscosímetros ___________________________________________ 19

Capítulo IV: Experiência Laboratorial ___________________________________ 24

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INTRODUÇÃO

O presente trabalho foi requisitado como avaliação parcial da disciplina de Fenômeno de Transportes da Universidade Gama Filho no primeiro semestre do ano de 2011 a partir de experiência laboratorial e conteúdo teórico ministrado em sala de aula.

Aborda o estudo a respeito do comportamento dos fluidos bem como suas propriedades, sua composição e suas aplicações. É igualmente importante que o aluno tenha a informação a respeito dos ensaios necessários para se obter experimentalmente tais características e a instrução de como procedê-lo de forma correta.

O conteúdo foi estruturado de forma progressiva. No primeiro capítulo tem-se uma abordagem sobre a que pode ser considerada a mais importante característica de um fluido, a viscosidade, e a lei física que a ostenta. Os diversos tipos de escoamento também são apresentados e uma relação entre a viscosidade nos fluidos líquidos e gasosos é estabelecida.

No segundo capítulo é apresentado os diversos tipos de óleos lubrificantes e suas classificações segundo dois sistemas, o SAE e o API.

No Capítulo três encontram-se informações sobre os equipamentos utilizados para a determinação da viscosidade nos fluidos. O funcionamento do viscosímetro tipo Saybolt pode ser visto em detalhes.

O capítulo final contém um relatório sobre a experiência realizada no laboratório de fenômenos para a determinação da viscosidade de um óleo.

As referências, material de pesquisa e sites consultados são mencionadas no fim do conteúdo.

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CAPÍTULO I: VISCOSIDADE

1.1 - O QUE É VISCOSIDADE?

A viscosidade é a resistência ao movimento (fluxo ou escoamento) que um fluido apresenta a uma determinada temperatura. Os fluidos resistem tanto aos objetos que se movem neles, como também ao movimento de diferentes camadas do próprio fluido.

A força de viscosidade é dada pela fórmula de Newton:

� = ����

��

onde,

� é o coeficiente de viscosidade dinâmica; A a área da placa que se move no fluido; x é a direção perpendicular a v e perpendicular a A. Esta expressão representa a chamada lei de Newton para a viscosidade e o fluido para

o qual ela é verdadeira é chamado fluido newtoniano. O método de medição mais empregado atualmente é o de viscosidade cinemática.

Neste método, é medido o tempo que um volume de líquido gasta para fluir (sob ação da gravidade) entre dois pontos de um tubo de vidro capilar calibrado.

No sistema internacional a unidade de viscosidade � é pascal segundo [Pa.s]. Apesar disso, esta unidade é pouco utilizada. A unidade de viscosidade mais usada é o poise [P], em homenagem ao fisiologista francês Jean Louis Poiseuille (1799 – 1869). Dez poise são iguais a um pascal segundo [Pa.s], fazendo um centipoise [cP] e um milipascal segundo [mPa.s] idênticos.

A viscosidade é uma das propriedades mais importantes a serem consideradas na seleção de um lubrificante, pois este deve ser suficientemente viscoso para manter uma película protetora entre as peças em movimento relativo, e também não ser tão viscoso que ofereça resistência excessiva ao movimento entre as peças.

Lei de Newton da viscosidade: “A tensão de cisalhamento é diretamente proporcional à variação da velocidade ao longo da direção normal às placas”

Nos fluidos Newtonianos, a viscosidade independe do grau de cisalhamento.

Exemplos: Águas, óleos, etc.

Entretanto, existem fluidos como os que são suspensões de partículas que não seguem esta lei. Por exemplo, o sangue, uma suspensão de partículas com formas características, como discos, no caso das células vermelhas. As partículas têm orientações aleatórias em pequenas velocidades, mas tendem a se orientar a velocidades mais altas, aumentando o fluxo, com a velocidade crescendo mais rapidamente do que a força.

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1.2 - ESCOAMENTO VISCOSO E NÃO VISCOSO

A principal subdivisão indicada é entre escoamentos viscosos e não-viscosos. Os escoamentos onde os efeitos da viscosidade são desprezados são chamados invíscidos. Neles, a viscosidade do fluido, µ, é considerada igual à zero. Esses fluidos não existem; entretanto, há muitos problemas nos quais a hipótese de inexistência das forças viscosas simplifica sobremaneira a análise e, ao mesmo tempo, leva a resultados significativos.

Todos os fluidos possuem viscosidade e, em consequência, os escoamentos viscosos são da maior importância no estudo da Mecânica dos Fluidos. Estudaremos escoamentos viscosos detalhadamente mais adiante; aqui, consideraremos somente alguns exemplos dos fenômenos a eles pertinentes.

Possível classificação da Mecânica dos Fluidos contínuos.

Num fluido em movimento, a velocidade do fluido em contato com uma superfície sólida estacionária é zero. Levando em consideração que o fluido como um todo está em movimento, gradientes de velocidade e, consequentemente, tensões cisalhantes devem estar presentes no escoamento. Estas tensões, por sua vez, afetam o movimento do fluido.

Como um caso prático, considere o movimento de fluido em volta de uma asa delgada ou de um casco de navio. Esse escoamento poderia ser representado pela aproximação grosseira do escoamento sobre uma placa plana.

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Escoamento viscoso, laminar e incompressível sobre uma placa semi-infinita.

O escoamento que se aproxima da placa tem velocidade uniforme, U∞ e estamos interessados na obtenção de um quadro qualitativo da distribuição de velocidade em diversos locais ao longo da placa.

De nossa visão qualitativa do campo de escoamento, concluímos que podemos dividi-lo em duas regiões genéricas. Na região adjacente à fronteira, as tensões de cisalhamento estão presentes; essa região é chamada de camada limite. Fora da camada limite, o gradiente de velocidade é nulo e, por conseguinte, as tensões de cisalhamento são nulas. Nesta região podemos utilizar a teoria de escoamento invíscido para nossa análise.

Considerando um campo de escoamento permanente (o escoamento incompressível sobre um cilindro), onde tanto as forças de pressão quanto as viscosas são importantes, e utilizando um meio para visualizar este escoamento, descobriríamos que ele teria o aspecto geral da Fig. 1(a). Já o campo de escoamento incompressível sobre um cilindro, calculado com a hipótese de escoamento não-viscoso é mostrado na figura 1(b).

(a) Escoamento viscoso (b) escoamento invíscido

Fig. (1): Configuração qualitativa do escoamento incompressível sobre um cilindro.

Uma vez que as tensões de cisalhamento não estão presentes num escoamento invíscido, as forças de pressão são as únicas que precisamos considerar na determinação da força líquida sobre o cilindro. A simetria na distribuição de pressão leva à conclusão de que, para um escoamento não-viscoso, não há força líquida sobre o cilindro, nem na direção x e nem na direção y. A força líquida na direção x é chamada de arrasto. Então, para um escoamento invíscido sobre um cilindro, somos levados a concluir que o arrasto é nulo; esta conclusão é contrária à experiência, pois sabemos que todos os corpos sofrem algum arrasto quando colocados num escoamento real (escoamento viscoso). Ao tratarmos do escoamento

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não-viscoso sobre um corpo, desprezamos a presença da camada limite, em função da sua definição.

A carenagem ou o afuselamento conveniente do corpo retarda a separação da camada limite; embora a maior área superficial acarreta um aumento da força cisalhante total atuante sobre ele, o arrasto é significantemente reduzido.

Escoamento em torno de um objeto com perfil carenado.

Escoamento Laminar e Turbulento

Os regimes de escoamentos viscosos são classificados em laminar ou turbulento, tendo por base a sua estrutura. No regime laminar, a estrutura do escoamento é caracterizada pelo movimento suave em lâminas ou camadas. A estrutura do escoamento no regime turbulento é caracterizada por movimentos tridimensionais aleatórios de partículas fluidas, em adição ao movimento médio. O filamento reto de fumaça subindo de um cigarro num ambiente calmo dá idéia clara do escoamento laminar. À medida que a fumaça continua a subir, ela parte-se em movimentos aleatórios; este é um exemplo de escoamento turbulento.

Escoamento Compressível e Incompressível

Escoamentos em que as variações na massa específica são desprezíveis denominam-se incompressíveis; quando as variações de massa específica não são desprezíveis, o escoamento é chamado de compressível. O exemplo mais comum de escoamento compressível diz respeito a gases; por outro lado, os escoamentos de líquidos podem ser frequentemente tratados como incompressíveis.

Os escoamentos de gases com transferência de calor desprezível podem ser considerados incompressíveis desde que o Número de Mach (M ≡V / c) seja menor que 0,3. Por exemplo, para M = 0,3 no ar, nas condições padrões, corresponde a uma velocidade de 100 m/s.

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1.3 - RELAÇÃO ENTRE VISCOSIDADE E TEMPERATURA – GASES E LÍQUIDOS

A viscosidade dos líquidos vem do atrito interno, isto é, das forças de coesão entre moléculas relativamente juntas. Desta maneira, enquanto que a viscosidade dos gases cresce com o aumento da temperatura, nos líquidos ocorre o oposto.

As moléculas dos líquidos estão muito próximas e estão ligadas entre si com forças de atração elevadas, elas têm baixa energia cinética e a distância percorrida por uma molécula de água entre colisões é pequena. Com o aumento da temperatura, aumenta a energia cinética média das moléculas, diminui (em média) o intervalo de tempo que as moléculas passam umas junto das outras, menos efetivas se tornam as forças intermoleculares e menor a viscosidade.

Nos gases as moléculas estão relativamente afastadas e as forças atrativas são fracas, a energia cinética das moléculas é elevada e as moléculas de um gás percorrem grandes distâncias entre colisões.

Todas as moléculas de gás estão em um movimento aleatório contínuo. A viscosidade do gás não vem do atrito interno, mas da transferência de momentum (quantidade de movimento) entre camadas adjacentes que se movem com velocidade relativa não nula. Quando há um movimento de escoamento do volume, ele é sobreposto por movimentos aleatórios e, depois, distribuído através do fluido por colisões moleculares. Quanto mais forte for o movimento aleatório, como o causado pelo aumento da temperatura, mais forte será a resistência ao movimento de escoamento do volume. As análises teóricas baseadas nessas considerações simples preveem que a Viscosidade do Gás é proporcional à raiz quadrada da Temperatura Absoluta do gás. O fenômeno da transferência de impulso por colisões de moléculas de líquidos parece ofuscado pelos efeitos dos campos de força interagentes entre as moléculas de líquidos estreitamente agrupadas.

Dessa forma, a temperatura possui efeitos opostos sobre as viscosidades de gás e líquido. A figura 1.3.1 apresenta uma comparação entre a viscosidade cinemática de alguns gases e líquidos a determinadas temperaturas.

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Fig. 1.3.1: Comparação entre viscosidades de gases e líquidos

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CAPÍTULO II: 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. Os óleos lubrificantes podem ser classificados segundo os seguintes aspectos:

Quanto à origem:

• Óleo lubrificante de origem animal ou vegetal (óleos graxos);

• Óleo lubrificante mineral: Lubrificante cujo óleo básico é originado da destilação fracionada do Petróleo;

• Óleo lubrificante de base sintética: Provenientes da mistura entre os óleos minerais e óleos sintéticos, apresentando as vantagens do sintético em menor grau;

• Óleo lubrificante sintético: Lubrificante cujo óleo básico é produzido quimicamente. Apresenta como vantagens grande pureza, maior estabilidade a temperaturas elevadas, menor perda de óleo pelo motor, devido a maior uniformidade de dimensão das moléculas, e maior índice de viscosidade.

Quanto à viscosidade: Os óleos lubrificantes para motor podem ser classificados em dois tipos básicos, a

saber, que se diferenciam na aplicação, basicamente em função das temperaturas de trabalho:

• Monoviscoso

Estes óleos são aplicáveis basicamente em situações onde a temperatura de trabalho do óleo é mantida sob razoável uniformidade. Quanto mais alta a temperatura maior deverá ser a viscosidade do óleo.

Ex.: Motor Óleo SAE 40.

• Multiviscoso

Estes óleos são aplicáveis em situações onde as temperaturas de trabalho dos óleos são variáveis, isto é, às vezes alta e as vezes baixa. Em geral a faixa de viscosidade são escolhidas em função das temperaturas ambientes média do local onde se esta utilizando o óleo. Estes óleos na condição a frio assumem a viscosidade menor da faixa (na partida do motor frio por exemplo) e na condição a quente assumem o comportamento da viscosidade mais alta da faixa.

Ex: Shell Helix SAE 20w40.

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Para medir a viscosidade a SAE (Society of Automotive Engineers) desenvolveu um sistema de classificação que estabelece os graus de viscosidade do óleo de motor. O W (winter - inverno em inglês) indica que um óleo é adequado para uso em temperaturas mais baixas. As classificações SAE que não incluem o W definem graduações de óleo para uso em temperaturas mais altas.

Quanto ao tipo de utilização: Os lubrificantes são classificados quanto aos requisitos do tipo de utilização a que se

destinam. Tais requisitos de utilização são indicados pelos fabricantes dos motores e são classificados pela norma API.

O sistema de classificação de óleos da API (American Petroleum Institute) permite que os óleos sejam definidos com base nas suas características de desempenho e no tipo de serviço ao qual se destina. A evolução das letras do alfabeto significam óleos de melhor qualidade/desempenho.

Os lubrificantes são classificados de acordo com o tipo de utilização a que se destinam, bem como pela sua viscosidade. Para melhor entender podemos verificar as tabelas abaixo:

A classificação para motores a gasolina que leva a letra S (que é de Service Station -

ou posto de gasolina em inglês) seguida de outra letra que determina a evolução dos óleos. Esta classificação é de fácil entendimento já que a evolução das letras significa a evolução da qualidade dos óleos. Os óleos são classificados então como SA, SB, SC, SE, SF, SG, SH, SJ e SL. A classificação mais recente é a API SL logo, quando é recomendado um óleo com classificação SJ poderá ser usado um óleo SL, porém o contrário não é permitido.

Já a classificação para motores diesel já é bem mais complexa. A classificação tem a letra C (de comercial) seguida da letra (ou letra e número) que determina a evolução dos óleos. Esta classificação é simples somente até a classificação CD, pois segue a evolução das letras do alfabeto: CA, CB, CC e CD. A partir daí, há uma separação da categoria em três grandes ramos. Os óleos atualmente produzidos podem atender a especificação de cada ramo de uma forma independente. O ramo dos óleos para motores diesel dois tempos tem a partir da categoria CD duas evoluções: a categoria CD-II e outra mais recente CF- 2. O ramo dos óleos para motores quatro tempos para veículos operando com diesel de teor de enxofre maior que 0.5 % que só teve uma evolução. A categoria CF que sucede a CD para esta aplicação específica. O ramo dos óleos para motores quatro tempos para veículos operando com diesel com teor de enxofre menor que 0.5% já teve quatro evoluções: CE, CF-4, CG-4, CH-4 e CI-4.

Óleo Lubrificante para Motores Dois Tempos Motores 2T Comuns Os motores 2T utilizam óleo lubrificante do motor de forma diferenciada, uma vez que

este é adicionado ao combustível e consumido durante a combustão. Em princípio tem diferenciações de especificações para uso nos motores.

Motores 2T Náuticos Motores 2T Náuticos Lubrificante 2T especialmente desenvolvido para motores

náuticos considerando as necessidades de proteção ambiental. Lubrificante biodegradável.

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Óleo lubrificante Transmissão Óleo monoviscoso, de alta densidade que lubrifica as engrenagens da caixa de

marchas. Seu nível deve ser conferido e completado periodicamente.

i. Classificam-se de acordo com seu estado físico. Ou seja, existem lubrificantes: a) Líquidos b) Pastosos c) Sólidos d) Gasoso

1) Lubrificantes pastosos: São as chamadas graxas. São usadas em locais onde os lubrificantes líquidos não desempenham função satisfatória. Tipos de graxas:

2) Lubrificantes sólidos: São pouco comuns. São usados como aditivos em lubrificantes pastosos e líquidos. É aplicado misturando com um líquido, que após a aplicação, o líquido evapora-se aumentando o sólido sobre a superfície. Exemplo: Grafite, molibdênio, talco e mica. Tem como vantagens resistir a altas temperaturas e pressões.

3) Lubrificantes gasosos: São usados em casos especiais, onde não é possível usar

outros lubrificantes. Exemplo: Ar atmosférico, gás halogenado (freon). Deve existir altas pressões para que se mantenha entre os componentes.

4) Lubrificantes líquidos:

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Os óleos minerais são provenientes praticamente do petróleo. As características destes óleos dependem do tipo do petróleo e do processo de refino. Alguns óleos minerais:

a) Óleos naftênicos b) Óleos parafínicos c) Óleos aromáticos d) Óleos de ciclo parafínicos

Os principais são os parafínicos e naftênicos. Os parafínicos são usados onde não se

pode usar naftênicos e vice-versa. Dependem assim da finalidade. Algumas características entre os óleos:

Parafínicos Naftênicos

Ponto de fulgor Alto Baixo

Índice de viscosidade Alto Baixo

Resistência à oxidação Grande Pequena

Oleosidade Pequena Grande

Resíduo de carbono Grande Pequeno

Demulsibilidade Pequena Grande

Os óleos graxos são de origem animal e vegetal. São quimicamente pouco estáveis. A altas temperaturas os óleos graxos formam ácidos e vernizes. A grande vantagem é a chamada adesividade, que é a capacidade de se aderir a superfícies. Porém, se oxidam facilmente, ficam rançosos e formam borra. São dos seguintes tipos:

a) Óleos compostos: É uma mistura do óleo graxo com o óleo mineral. A mistura de óleos graxos varia de 1% a 20%, podendo chegar a 25%. A vantagem dessa mistura é o aumento da lubricidade e oleosidade, proporcionada pela adição de óleos graxos. Os tipos usados são:

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b) Óleos aditivados: São óleos minerais purais, onde são adicionados certos componentes (aditivos) com a finalidade de melhorar suas características.

c) Óleos sintéticos: São óleos de origem petroquímica. Tem muitas características

superiores as óleos minerais. Entretanto, são de alto custo, possuindo uso restrito. São formados principalmente por polímeros e diésteres. Os óleos sintéticos dividem-se em cinco grupos.

i. Ésteres de ácidos dibásicos: Possui relação viscosidade - temperatura melhor que os

óleos minerais. Além disso, são melhores na resistência a oxidação e estabilidade térmica. Não são corrosivos às superfícies metálicas. Entretanto, tem efeito sobre borrachas, plásticos, etc. São usados como lubrificantes em motores a jato.

ii. Óleos de organo-fosfato: Tem como características positivas. 1. Alto teor lubrificante 2. Não são inflamáveis como os óleos minerais 3. São pouco voláteis 4. Relação viscosidade – temperatura é ligeiramente superior ao dos óleos

minerais 5. Tem boa resistência à oxidação 6. Tem estabilidade térmica satisfatória até 150 ºC. Possui como desvantagem se hidrolisarem facilmente, formando ácido

fosfórico que é corrosivo.

Esses óleos são usados juntamente com fluidos hidráulicos, onde a resistência ao calor é um parâmetro importante.

iii. Ésteres de silicato: Tem como características positivas: 1. Baixa volatilidade 2. A relação viscosidade – temperatura é das melhores dos óleos

sintéticos. Características negativas:

1. Estabilidade térmica e hidrolítica deixam a desejar 2. Podem formar depósitos abrasivos, a temperaturas superiores a 200ºC. 3. Em presença de água, os silicatos podem formar sílica que é abrasivo. Esses óleos são usados em:

1. Como fluido de transferência de calor 2. Como fluido hidráulico 3. Juntamente com alguns tipos de graxas especiais

iv. Silicones: É o nome dado aos fluidos do seguinte tipo: 1. Polímeros de metil – siloxano 2. Polímeros de fenil – siloxano 3. Siloxano

Nesses lubrificantes, aumentando o teor de fenil, aumenta-se a resistência ao calor. Porem, reduz-se um pouco o chamado índice de viscosidade. Embora, este índice para os silicones fica sempre acima ao dos óleos derivados do petróleo.

São indicados para usos onde não se requer grandes variações da viscosidade com a temperatura. Essa relação é melhor que a de todos os óleos minerais e sintéticos.

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Possuem volatilidade bastante baixa. Ainda, a resistência a oxidação é muito alta com boa capacidade térmica e hidrolítica.

O poder lubrificante desses óleos é bastante similar ao dos óleos minerais sobre cargas moderadas, e médio sobre cargas elevadas.

Esses óleos são bastante indicados para uso em munhões.

Em altas temperaturas podem formar gel.

v. Compostos de ésteres de poli – glicol: Algumas características destes óleos: 1. São usados como lubrificante fluido – hidráulico 2. Tem ótima relação viscosidade – temperatura 3. Baixa volatilidade 4. Boa resistência térmica e hidrólica. 5. São pouco inflamáveis

Porém, a principal desvantagem é a baixa resistência a oxidação, comparada aos óleos minerais. A resistência a oxidação é melhorada através de aditivos oxidantes.

Possuem compostos de diferentes viscosidades solúveis, ou não, em água.

Funções dos lubrificantes:

A função principal é proteger as superfícies de contato para todas as temperaturas de trabalho por um longo tempo, bem como, facilitar o movimento dos componentes.

a) Principais funções: a) Reduzir o atrito entre duas superfícies em movimento relativo: Conseguido através de

um filme de lubrificante. b) Minimizar o desgaste: Reduzindo o desgaste através dos mecanismos já vistos como

endentação, erosão, etc. c) Diminuir o calor nas superfícies dos componentes: Função extremamente importante. d) Evitar a entrada de impurezas em mancais. e) Proteger a superfície contra oxidação f) Transmitir forças em sistemas hidráulicos g) Amortecimento de choques e vibrações

b) Sistemas de superfícies sem lubrificantes: Os problemas que podem ocorrer são:

a) Aumento do atrito b) Aumento do desgaste c) Aquecimento d) Dilatação das peças e) Desalinhamento f) Ruído g) Gripagem h) Ruptura das peças

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2.1 - Índices de Viscosidade, ponto de fluidez e ponto de fulgor

Índice de Viscosidade: É um número empírico que expressa a taxa de variação da viscosidade com a variação da temperatura. Quanto mais alto o IV de um óleo lubrificante, menor é a variação de sua viscosidade ao se variar a temperatura. De um modo geral, os óleos parafínicos possuem um IV maior que os óleos naftênicos. de uma forma geral um alto I.V. indica uma pequena mudança na viscosidade enquanto um baixo I.V. indica uma variação bastante significativa.

Ponto de Fluidez: É o caso inverso do ponto de fulgor e de inflamação. É a menor temperatura em que um óleo flui livremente, sob condições preestabelecidas de ensaio. Esta característica é bastante variável, e depende de diversos fatores como: origem do óleo cru, tipo de óleo e processo de fabricação. Indica a capacidade de operar adequadamente em baixas temperaturas. O ponto de névoa pode ser atingido antes ou depois do ponto de fluidez. Se o ponto de fluidez for atingido antes, significa que o óleo possui muitos componentes parafínicos. Os óleos naftênicos possuem menor ponto de fluidez que os óleos parafínicos. O ponto de fluidez é uma característica importante para óleos que trabalham em equipamentos de refrigeração.

Ponto de Fulgor: É a menor temperatura na qual um óleo desprende vapores que, em

presença do ar, provocam um lampejo ao aproximar-se de uma pequena chama da superfície do óleo. Este ensaio permite estabelecer a máxima temperatura de utilização de um produto, evitando riscos de incêndio e/ou explosão. Ponto de fulgor é o ponto em que o gás começa a se inflamar, aparecendo os primeiros lampejos. Já o ponto de inflamação é quando começa a inflamar toda a superfície do óleo por um tempo mínimo de 5 s. Normalmente a diferença de temperatura entre os dois pontos é de 50ºF. Esses parâmetros são importantes para aparelhos que trabalham a temperaturas elevadas.

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2.2 - SISTEMAS DE CLASSIFICAÇÃO – SAE ; API

Os fabricantes de equipamentos e a indústria petrolífera vêm desenvolvendo várias maneiras de classificar e descrever os lubrificantes, tentando atender as evoluções dos equipamentos, as condições operacionais, qualidade e tipos de combustíveis empregados e, mais recentemente, legislações ambientais (atuais e futuras), principalmente relativas a emissões. Na área automotiva, as classificações são:

• por tipo de ciclo de motor: Otto (gasolina, álcool, gás natural ) e diesel; • por tipo de veículo: leve (automóveis, pick-ups e utilitários) e pesados

(caminhões, ônibus e equipamentos pesados); • por revoluções de funcionamento: 2 tempos e 4 tempos;

• por área geográfica : americanas, européias e asiáticas.

SAE é a sigla que designa a Society of Automotive Engineers, entidade norte-americana responsável pela definição de inúmeros standards, com especial incidência na áreas da indústria automóvel, aeronáutica e naval, incluindo naturalmente as classificações da viscosidade dos óleos, tanto dos motores como das transmissões. O sistema de classificação dos lubrificantes baseia-se na determinação do seu índice de viscosidade, medido a alta temperatura no caso dos óleos monograduados e tanto a baixa como a alta temperatura no caso dos óleos multigraduados. Como já mencionado acima, a desenvolveu um sistema de classificação que estabelece os graus de viscosidade do óleo de motor. O W (winter - inverno em inglês) indica que um óleo é adequado para uso em temperaturas mais baixas. As classificações SAE que não incluem o W definem graduações de óleo para uso em temperaturas mais altas.

a) Classificação de óleos para motores: Antigamente os óleos eram pouco aditivados.

Com o tempo, apareceu os óleos multiviscosos. Um problema encontrado antigamente era a bombeabilidade e consequentemente a viscosidade dos óleos. Assim, apareceu à classificação SAE, que se baseia somente a viscosidade. Não entra na qualidade e desempenho. A classificação se divide em duas séries.

i. Série seguida da letra w:

Série Seguida da letra w 0w 5w 10w 15w 20w 25w

a) Significa a máxima viscosidade a uma baixa temperatura b) Indica a temperatura limite de bombeabilidade (mínima) c) Mínima viscosidade a 100ºF

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ii. Série seguida de número sem w:

Série Seguida sem w 20 30 40 50

a) Máxima e mínima viscosidade do óleo a 100ºF

A classificação SAE só diz respeito à viscosidade máxima e mínima. A primeira classificação quanto a qualidade foi a API (usada entre 1952 – 1955), que se dividia em:

a) Regular b) Premium: Que tinha como aditivos oxidantes, espumados e corantes. Usado para

serviços pesados. c) Herevy Duty: Contem aditivos detergente, usado para serviços pesados e

motores diesel.

API é a sigla que designa o American Petrolleum Institute. Esta entidade, a partir dos dados fornecidos pela SAE e pela ASTM, elabora outra classificação escalonando os óleos por tipos e requisitos, classificando-os como SA, SB, SC, etc. para os destinados aos motores a gasolina e como CA, CB, CC, etc. para os indicados aos motores diesel. Atualmente, quase todos os fabricantes indicam especificações do tipo SJ para os motores modernos a gasolina e de CF em diante para os motores diesel.

A letra “S” seguida de outra letra (por exemplo, SL) refere-se a óleo adequado para

motores a gasolina. Segundo a API, “S” é uma categoria para serviço de uso pessoal (service). Por coincidência, “S” pode representar “spark ignition” (ignição por centelha), que é a forma da combustão nos motores a gasolina. A segunda letra é atribuída alfabeticamente na ordem de desenvolvimento.

A letra “C” seguida de outra letra (por exemplo CF) refere-se a óleo adequado para

motores diesel. Segundo a API, “C” é uma categoria para uso comercial (commercial). Por coincidência, a letra “C” representa “Compression Ignition” (ignição por compressão), que é a forma de ignição dos motores diesel. A segunda letra também é atribuída alfabeticamente na ordem de desenvolvimento.

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CAPÍTULO III: VISCOSÍMETROS

Os principais viscosímetros para óleos são: a) Viscosímetro Saybolt (USA): A viscosidade é medida pelo

tempo que leva para encher o recipiente inferior, até a marca de 60 ml. Detalhes do funcionamento desse viscosímetro serão descritos abaixo.

A temperatura da amostra pode ser nas seguintes temperaturas:

Tubo Padrão SSU

50 ºF 70 ºF 100 ºF 130 ºF 210 ºF

Os tubos podem ser do seguinte tipo:

i.Padrão universal (SSU) ii.Padrão farol (SSF)

Onde SSU = 10 X SSF.

Características do método:

i. Fácil ii. Pouco preciso (abaixo de 200s)

iii. Não pode ser usado abaixo de 28s O tubo universal é usado entre 32 e 1000 SSU. Acima de 1000 SSU é usado o SSF.

Tubo Padrão SSF

77 ºF 100 ºF 122 ºF 210 ºF

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b) Viscosímetro de Redwood (Inglaterra): É similar ao método Saybolt, porem usa um recipiente de 50 ml.

Tem-se dois tamanhos de tubos, o SR 1 (RED I) e o SR 2 (RED II). O SR 1 e o SR 2 tem s seguintes faixas de temperatura.

SR 1 (ºF) SR 2 (ºF)

70 77

100 86

140

200

c) Viscosímetro Engler (Alemanha): Método também similar aos demais. Usa temperaturas de 20ºC, 50ºC e 100ºC. Usa como medida para o recipiente de coleta o grau Engler.

Onde é escoado tanto 200 ml de óleo como 200 ml de água. Desse modo, o grau Engler é definido por:

águadaecoamentodetempo

óleodoescoamentodetempogE

....

....=

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c) Viscosímetro cinemático: Método que usa um tubo de vidro transparente com um diâmetro determinado. Assim, é a medida o tempo de escoamento do líquido entre duas entre duas marcas. O tempo é multiplicado por uma constante C, característico do tubo, que assim da a viscosidade em centistoke.

O viscosímetro cinemático tem as seguintes características:

O procedimento para a medida é o seguinte:

i. O óleo é succionado pelo manículo ii. O manículo é virado e retirado do recipiente de amostra

iv. O óleo é succionado pelo manículo e esquentado até 210ºF

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DETALHES VISCOSÍMETRO SAYBOLT

Viscosímetro Saybolt, é um dos dispositivos mais utilizados para obter a viscosidade de um líquido, que é obtida através da medição do tempo em segundos que leva para escoar através de um orifício, 60 cm3 do mesmo, a uma dada temperatura, normalmente entre 100 º F (37,8 º C) e 210 º F (98,9 º C). O conjunto se completa com a resistência do termómetro, resistência de aquecimento e o agitador.

Existem dois tipos de viscosímetros Saybolt, o Universal (SU) e o Furol (SF) usando o primeiro para líquidos leves e o segundo para líquidos pesados, onde os tempos de queda são maiores do que 250 segundos Saybolt Universal. Os equipamentos utilizados para ambos os casos, diferindo apenas nos diâmetros dos orifícios de escoamento, enquanto que para Saybolt Universal AE1, 765 milímetros ± 0,01524 milímetros e Saybolt Furol AE3, 15mm ± 0,02719 milímetros.

“L” é o comprimento do tubo com o orifício é 12,2682 milímetros ± 0,1016 milímetros. O teste se realiza, com a prévia colocação de uma cortiça para impedir que o líquido escape, introduzindo este último no tanque do pulverizador até que transborde. Este é aquecido em “banho-maria” até que se atinja à temperatura de medição. Ai então se remove a tampa, o líquido passa a escoar para o balão, o tempo é marcado com o auxílio de um cronômetro até que o menisco do líquido atinja a marca do balão. O valor do tempo é a viscosidade em segundos Saybold do líquido ensaiado.

A viscosidade Saybolt obtidas antes de 200 segundos começam a ter uma grande diferença com a viscosidade cinemática, o dispositivo não deve ser usado para obter a viscosidade cinemática quando o tempo em segundos Saybolt é igual ou inferior a 40 segundos.

(texto traduzido do espanhol)

A Figura 3.1 mostra o croqui de um viscosímetro do tipo Saybolt.

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Fig.: 3.1- Viscosímetro Saybolt

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CAPÍTULO IV: EXPERIÊNCIA LABORATORIAL

Óleo testado:

• Texaco Havoline, SAE 20W-40, API SH.

Equipamento Utilizado:

• Viscosímetro Saybolt Universal ASTM D-88

Instrumentos de medida:

• Termômetro;

• Cronômetro.

Procedimento Experimental:

1) Com o auxílio de um funil enche-se o reservatório do viscosímetro com o óleo

de teste;

2) A temperatura do óleo é monitorada com o auxílio do termômetro até que

atinja o valor desejado, as temperaturas arbitradas para o ensaio são 66ºC,

78ºC e 86ºC;

3) Ao atingir a temperatura de teste retira-se a rolha do viscosímetro permitindo

assim o escoamento do óleo. Inicia-se então a contagem do tempo com o

auxílio do cronometro até que o óleo atinja a marca de 60ml do frasco de

coleta.

4) O tempo de escoamento deve então ser tabelado juntamente com a respectiva

temperatura ensaiada;

5) Repete-se as etapas 3 e 4 para as temperaturas de 78ºC e 86ºC.

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Resultados Obtidos:

Temperatura

(graus Celsius)

Tempo

(segundos)

66 136

78 96

86 81

Memória de Cálculo:

Podemos obter o valor da viscosidade a partir da fórmula:

= � −�

Onde,

V= viscosidade cinemática, em centistokes;

T= tempo, em segundos;

A e B = parâmetros que dependem do tipo de viscosímetro. No Saybolt Universal quando:

T > 100 segundos: A = 0,220 e B = 135

T ≤ 100 segundos: A = 0,226 e B = 195

Assim obtemos as seguintes viscosidades, respectivamente:

V1 = 28,92735 cst

V2 = 19,66475 cst

V3 = 15,89859 cst

O Gráfico 3.1 apresenta a relação entre a viscosidade e a temperatura. Um gráfico mais

próximo do real pode ser obtido via interpolação de Lagrange.

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CONCLUSÃO

O estudo do comportamento dos fluidos é de suma importância para o avanço científico e tecnológico nas mais variadas áreas do conhecimento. As aplicações não se restringem somente aos estudos de engenharia como também a medicina, a química, entre outras. O conhecimento de suas características e propriedades nos possibilita fazer a escolha mais adequada para uma determinada aplicação. O óleo utilizado em um motor de combustão é bem diferente daquele utilizado no compressor da geladeira apesar de ambos serem líquidos.

O viscosímetro é o equipamento utilizado para a determinação da viscosidade de um fluido a partir do tempo de escoamento e a temperatura do fluido. Diversos tipos são podem ser encontrados, mas todos tem como base a lei de Newton para a viscosidade, sendo o método de medição mais empregado o da viscosidade cinemática.

A experimentação laboratorial solidifica o conhecimento adquirido em sala de aula agregando e aumentando a capacidade do aluno de absorver a informação, sendo assim, nas disciplinas que são passíveis de práticas, a experimentação é fundamental para a melhor aprendizagem, se não tão importante quanto a própria teoria.

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BIBLIOGRAFIA

Livros:

FOX, Robert W. Introdução à Mecânica dos Fluidos – 7ª ed.,Rio de Janeiro: LTC, 2010.

POTTER, Merle C. – Ciências Térmicas – 1ª ed., Thomson Heinle, 2006.

Sites (acesso em 13/04/2011):

http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/snef/xvi/cd/resumos/t0625-2.pdf

http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_a/AULA4_Lei_de_newton.htm

http://www.if.ufrj.br/teaching/fis2/hidrodinamica/viscosidade.html

http://www.lubrificantes.net/ole-002.htm

http://escolademecanica.wordpress.com/2007/11/18/oleo-mineral-semi-sintetico-e-sintetico-diferencas/

http://www.rederaio.com.br/produtos-e-servicos/lubrificantes

http://www.autohojett.com/mecanica/1102-oleos-lubrificantes.html

http://fenomenais.wordpress.com/2009/05/28/39/

http://www.ufsm.br/gef/FluRea00.htm

http://www.ufpe.br/ldpflu/capitulo1.pdf