Prática Reologia de Fluído

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO

INSTITUTO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

IT 390 - LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA I

 

PRÁTICA 04 - GRUPO 03

REOLOGIA DE FLUÍDOS

FARIAS, T.¹ , Brito, M. R.¹, Oliveira, A. P. M.1, LOBATO AUGUSTO, B.  ²

 

1 Discentes do curso de engenharia química IT

2 Docente do departamento de engenharia química DEQ/IT

 

RESUMO: Sendo a reologia a ciência do escoamento e deformação dos fluidos, é de suma importância o estudo da mesma. Nesse contexto, o objetivo do experimento foi o de obter os parâmetros do modelo de Ostwald-de Waele para o fluido não-newtoniano fornecido a fim de identificar a que classe o mesmo pertence. Ao fim, também serão comparados e interpretados os gráficos obtidos da água, líquido de referência, com os da solução utilizada. Para isso, em ambos os fluidos foram coletados experimentalmente o intervalo de tempo correspondente às diferentes alturas percorridas no escoamento sob influência da gravidade e através de três tubos de raios e comprimentos distintos. Isso permitiu a construção de uma curva logarítmica cuja inclinação possibilitou a identificação dos parâmetros do modelo utilizado.

Palavras-chave: .Reologia, fluidos não newtonianos, Ostwald-de Waele.

1. INTRODUÇÃO

A reologia é o campo da mecânica dos fluidos que abrange as suas propriedades relacionadas com a quantidade de movimento, ela estuda o comportamento deformacional dos fluxos de matéria submetido a forças de cisalhamento. O estudo reológico na engenharia é de grande utilidade pois permite fazer a determinação de perda de carga em tubulações, em operações unitárias como evaporação e esterilização, em projetos que envolvam o cálculo de vazões e seleção de bombas, etc. Além disso, possuindo propriedades como elasticidade, plasticidade e viscosidade, os fluidos estão muito presentes no cotidiano, de modo que a análise de suas propriedades reológicas se torna vital em processos industriais que os envolvem. Dentre essas propriedades já citadas, a viscosidade é aquela que sob determinadas condições termodinâmicas ao longo de um intervalo de tempo, quantifica a resistência ao escoamento (STEFFE, 1996;  BIRD et al.; 2004).

1. Viscosidade

A viscosidade quando em líquidos relaciona-se com as forças de coesão entre as moléculas.  Ela é definida como a medida da fricção interna de um fluido, sendo então a resistência encontrada pelas moléculas ao se moverem no interior de um líquido, decorrente do movimento Browniano e das forças intermoleculares. Esta fricção torna-se aparente quando uma camada de fluido move-se em relação à outra camada, assim, quanto mais viscosa a massa, mais difícil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade. À medida que aumenta a viscosidade do fluido, aumentam as forças de atrito, se tornando necessária mais energia para que ocorra o cisalhamento. Fluidos altamente viscosos, então, exigem mais força para mover-se que aqueles menos viscosos (SKELLAND, 1967; BIRD et al.;2004).  

    1.1. Lei de Viscosidade de Newton

Newton descreve o comportamento de fluxo de um fluido ideal, em que um par de placas paralelas, com uma área “A” é separado por uma distância y e no espaço entre elas está um fluido. Quando uma força Fr é aplicada na parte superior, esta se movimenta a uma velocidade constante em relação à placa inferior, que é mantida fixa, conforme esquematizado na figura 1. (BROOKFIELD ENGINEERING LABORATORIES, 1994; Bird et al., 2004).

[pic 1]

Figura 1. Força de Cisalhamento aplicado sobre um fluido. (Fonte: http://www.setor1.com.br/analises/reologia/cisa_figu.htm)

Como resposta à força F aplicada, surge a força de cisalhamento que tem a mesma intensidade mas sentido oposto. Ela surge através das forças de coesão do fluido com as paredes da placa e entre as camadas de fluido, em caso de regime laminar.         Como resultado da força de cisalhamento, um gradiente de velocidade  rdy/dux surge entre as placas.

Nesse contexto, A Lei de Newton da Viscosidade define que a relação entre a tensão de cisalhamento e o gradiente local de velocidade ocorre linearmente, em que a viscosidade do fluido  a constante de proporcionalidade dessa relação. Assim, todos os fluidos que seguem este comportamento são denominados fluidos newtonianos. [pic 2]

[pic 3] Eq. 1

Onde,

• τyx é a tensão de cisalhamento na direção x;
•  é o gradiente de velocidade ou taxa de cisalhamento; [pic 4]
• μ: Viscosidade do fluido;

Logo, nos fluidos Newtonianos a sua viscosidade se mantém constante com a variação da taxa de cisalhamento, sendo influenciada somente pela alteração de temperatura e composição. Os fluidos newtonianos contemplam todos os gases e os líquidos homogêneos não poliméricos. Ex.: água, leite, soluções de sacarose, óleos vegetais. Existem, entretanto, alguns materiais industriais importantes que não obedecem à equação (1) que são chamados de fluidos não-newtonianos.  (PERRY & CHILTON, 1963)

1. Fluidos não newtonianos:

Ao contrário dos fluidos newtonianos, em não newtonianos não há proporcionalidade entre taxa de velocidade e tensão de cisalhamento e isso ocorre devido à interações entre os componentes que afetam a velocidade de deformação causada por forças externas, o que resulta em um reograma com curva não linear.  (PERRY & CHILTON, 1963; BIRD, 2004). A figura 2 abaixo mostra um comparativo das curvas de tensão de cisalhamento versus gradiente de velocidade para fluidos newtonianos (a) e não newtonianos (b).

 [pic 5]

Figura 2. Tensão de cisalhamento versus gradiente de velocidade.

Esses fluidos podem ser independentes ou dependentes do tempo e a viscosidade nesses casos, não é uma constante pois irá depender da temperatura, da taxa de cisalhamento e da pressão. Logo, o comportamento reológico em estado estacionário de fluídos pode ser expresso pela forma geral da equação 2 abaixo:

[pic 6]Eq. 2

Onde 𝜂 é a viscosidade aparente.

2.1. Fluidos não newtonianos independentes do tempo:

São aqueles cujas propriedades reológicas independem do tempo de aplicação da tensão de cisalhamento. Podem ser classificados da seguinte forma (FAGUNDES, 2015):