ROTEIRO DE AULA PRÁTICA - Moodle UFSC · O equipamento utilizado, apresentado na Figura 4, é...

‘

“SOLUÇÕES PRÁTICAS PARA ENSINO E PESQUISA”

NCD Indústria e Comércio de Equipamentos Didáticos Ltda.

CNPJ: 07.548.695/0001-90 – IE: 255.045.239

ROTEIRO DE AULA PRÁTICA

Experimento de Reynolds – Ensaios Hidrodinâmicos

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos

Florianópolis – SC Março de 2014

[email protected] - www.ecoeducacional.com.br

Rua Álvaro Leite, 51 – CEP 88113-310 - Real Parque – São José – Santa Catarina

http://eqa.ctc.ufsc.br/


mailto:[email protected]

http://www.ecoeducacional.com.br/

Roteiro de Aulas Práticas


[email protected]

www.ecoeducacional.com.br Página 2

1. OBJETIVO

Este experimento tem os seguintes objetivos:

a) Determinação experimental do número de Reynolds (Re) Crítico para escoamento de

fluidos em condutos circulares.

b) Determinação experimental da variação do coeficiente de atrito com a vazão, num tubo

circular reto de vidro.

c) Observação das características dos escoamentos laminar e turbulento.

2. INTRODUÇÃO TEÓRICA

O número de Reynolds caracteriza o tipo de escoamento de um fluido num tubo. Para

determinar o valor de Re crítico, observa-se a transição do escoamento laminar para

turbulento. A Figura 1 apresenta o fenômeno visual.

Figura 1 – Ilustração da dispersão do corante com o aumento da

velocidade de escoamento da água

Os estudos posteriores de Reynolds e colaboradores o fizeram sugerir o número de

Reynolds (Re ou NRe), que relacionasse às forças de inércia (atrito inicial para a

movimentação macroscópica do fluido, peso específico, velocidade, e geometria do corpo

sólido sobre o qual o fluido escoa) e as forças viscosas (relacionadas às interações

moleculares e a resistência ao fluxo). O objetivo desta sugestão era caracterizar o

escoamento em dutos e tubos, o que perdura até hoje e colabora com uma série de áreas

do conhecimento que se embasam em fenômenos de transporte.

EXPERIMENTO DE REYNOLDS – ENSAIOS HIDRODINÂMICOS





[email protected]


Assim, a expressão em dutos é:

Da relação entre as forças inerciais e as forças viscosas surgiu o conceito de

coeficiente de atrito fluidodinâmicos ou também conhecido como “fator de atrito de

Fanning” (Cf ou f). A Figura 2 apresenta uma inter-relação gráfica entre Re e Cf, para

escoamentos de fluidos pelo interior de tubos retos.

Figura 2 - Esquema teórico do escoamento em dutos circulares.

(a) Exemplificação para fluxo laminar e fluxo turbulento, (b) Ilustração do perfil de velocidades para fluxo laminar e turbulento em tubos lisos.

Para tubos circulares retos, temos a equação de Fanning, que permite relacionar a

P

g

L

D gfC

vm

2

2 (2)

a perda de carga com cada um dos parâmetros condicionantes do tipo de escoamento. Nesta

experiência, será feita a determinação do fator de atrito de Fanning (f), ou coeficiente de

atrito (Cf) já que todas as outras grandezas podem ser medidas.

De acordo com a lei de Hagen-Poiseuille: P = 32 . . vm . (L/D2) (3)

o fator de Fanning variará com Re segundo Cf (ou simplesmente f) = 16/Re, para o

regime laminar.

A literatura fornece correlações do Fator de atrito em função de Reynolds para o

escoamento turbulento.





[email protected]


Os resultados obtidos, com os devidos tratamentos matemáticos, permitirão fazer a

verificação experimental dessas leis e correlações e confeccionar Diagramas experimentais

para comparação com a literatura. Vide Figuras 3.a e 3.b.

Figura 3.a - Gráfico do Fator de Atrito (fFanning ou Cf) em função do Re

(Fanning). Ref. (4)





[email protected]


Observação: O gráfico da figura 3.a também pode ser expressado na forma do gráfico de

Moody, onde o fator de atrito (f) Moody equivale a 4.(f)Fanning (Cf = f)

Figura 3.b - Gráfico do Fator de Atrito (fMoody) em função do Re

(Gráfico de Moody). Ref. (5)





[email protected]


3 – EQUIPAMENTO E MATERIAIS

O equipamento utilizado, apresentado na Figura 4, é constituído por:

Reservatório de água (RA) 20 litros, dotado de válvula que permite o controle do

nível constante.

Tubo de vidro cilíndrico horizontal de diâmetro interno igual a 15 mm e uma certa

distância (a medir) entre as tomadas de pressão estática.

Recipiente graduado para medidas de vazão (RGV) , localizado no final do tubo.

Válvula de regulagem de vazão (VRV), sendo que a vazão deve ser medida

diretamente com auxílio Recipiente graduada e cronômetro.

Agulhas dosadoras de corantes traçadores (solução de azul de metileno), a fim de

se visualizar as linhas de correntes no início e no meio do tubo de vidro, através das

válvulas VAT 1 e VAT 2)

Manômetro de tubo de vidro inclinado, utilizando-se Clorofórmio colorido com iodo

metálico como fluido manométrico.

Reservatório de corante traçador (RT) alimentado por uma Bomba peristáltica.

Figura 4 – Experimento para Ensaios Hidrodinâmicos- Experimento de Reynolds





[email protected]


4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

4.1. Tendo em vista a Figura 4.1 certificar-se, inicialmente que a Válvula (VRV) esteja

fechada; Abrir o Registro de alimentação de água para o tanque de nível constante e

o Registro de saída deste reservatório (RA);

Figura 4.1 – Detalhes

NOTA:

1) Para abastecer o Reservatório de corante (RT), primeiramente abra o Registro de

bloqueio (RB1) e feche o Registro (RBC). Em seguida pode ligar a Bomba peristáltica

para a transferência do corante do Reservatório “pulmão” para o Reservatório de

traçador superior (RT).

2) Quanto acabar de encher o RT, deslique primeiramente a Bomba e feche RB1 .

Registro

de saída

VRV VRV

Registro de

bloqueio do

Manômetro

RT RA RBC

VAT1

VAT2

Reservatóri

o “pulmão”

de corante

RB1





[email protected]


4.2. Ajustar o ângulo desejado para o Manômetro inclinado e esperar a coluna manométrica

estabilizar na posição inicial, não esquecendo de abrir os dois Registros de bloqueio

instalados nas mangueiras deste manômetro

4.3. Estando o reservatório de traçador (RT) abastecido pode-se inicia o experimento

abrindo-se lentamente* a Válvula de Regulagem de Vazão (VRV), situada no início do

tubo de vidro de modo a obter uma variação, em torno, de 0,5 cm no Manômetro

inclinado (devido à perda de carga ao escoamento). Medir a vazão da água através do

Recipiente graduado com auxílio de um cronômetro.

* Importante: abrir ou fechar sempre lentamente esta válvula afim de evitar

rompimentos da coluna do fluido manométrico.

4.4. Em seguida, abrir o Registro (RBC) de bloqueio do circuito de dosagem de corantes e,

também, as Válvulas das Agulhas dosadoras de Corantes Traçadores (VAT 1 no início

do Tubo e VAT 2 no meio do Tubo) afim de visualizar as linhas de corrente laminar,

transição e início do turbulento. Após comprovado, visualmente o regime turbulento,

pode-se cessar as dosagens dos corantes traçadores.

4.5. Aumentar novamente, e lentamente, a vazão para mais 0,5 cm no Manômetro

inclinado e medir a vazão. A cada aumento de vazão observar o fluido traçadores nas

duas agulhas de injeção, e assim sucessivamente.

Obs.:

1) Manter o aumento de 0,5 em 0,5 cm enquanto estiver em regime laminar e

transição. Quando o regime passar para turbulento, este intervalo de aumento pode

ser aumentado de 2 em 2 cm ou mais.

2) Após atingida a vazão máxima permitida no experimento; diminuir esta vazão

lentamente e a cada 5 cm de variação na altura do manômetro, fazer a respectiva

leitura e medir a vazão. Este procedimento identificará possíveis histereses, ou seja,

diferenças de leituras (obtenção de dados) durante o aumento da vazão comparado

com os dados durante a diminuição da vazão.

5. CÁLCULOS E ANÁLISES DOS RESULTADOS

5.1. Faça um gráfico em escala normal e, também, em log-log, do coeficiente de atrito

(fator de Fanning) em função do Re. Compare com o Diagrama de Moody fornecido na

literatura; analise e comente.

5.2. Determine, a partir dos gráficos acima:





[email protected]


a) O número de Reynolds crítico, pela descontinuidade gráfica e compare com o resultado

obtido pela visualização das linhas de corrente e com o valor esperado da literatura.

b) O coeficiente angular da reta obtida no gráfico (log-log) e compare os resultados com os

fornecidos por literatura.

5.3. Analise e comente as eventuais histereses ocorridas na obtenção dos dados durante o

aumento e a diminuição da vazão.

Exercícios propostos:

a) Se a experiência fosse realizada com um líquido mais viscoso (glicerina), nas mesmas

condições do experimento, a que vazão seria atingido o regime turbulento?

b) E se usássemos o ar?

6. SIMBOLOGIA

P = queda de pressão (perda de carga) medida;

= densidade;

g = aceleração da gravidade (9,81 m/s2);

Cf = coeficiente de atrito (fator de Fanning);

L = distância entre as tomadas de pressão;

D = diâmetro interno do tubo;

vm = velocidade média do escoamento

= viscosidade do fluido.

7. BIBLIOGRAFIA

1 - BROWN, G. - Operaciones Básicas de la Ingenieria Química. Editorial Marin S/A,

Barcelona, 1955.

2 - PERRY, R. H. & CHILTON, C. H. - Manual de Engenharia Química. 5a ed., Guanabara

Dois, Rio de Janeiro, 1980.

3 - WELTY, J. R. et all. - Fundamentals of Momentum, Heat and Mass Transfer. 3a ed., John

Wiley and Sons, 1970.

4 - BENNETT, C. O. & MYERS, J. E. - Fenômenos de Transporte - McGraw-Hill do Brasil, São

Paulo, 1978.

5 - FOUST, A.S. et all. - Princípios das Operações Unitárias.



ROTEIRO DE AULA PRÁTICA - Moodle UFSC · O equipamento utilizado, apresentado na Figura 4, é...

Documents

Transcript of ROTEIRO DE AULA PRÁTICA - Moodle UFSC · O equipamento utilizado, apresentado na Figura 4, é...