ÁREA: Ensino de Química
TÍTULO: PROPOSTA DE AULA TEÓRICA E PRÁTICA PARA O CURSO DE QUÍMICA INDUSTRIAL: DETERMINAÇÃO DE RUGOSIDADE EM TUBULAÇÕES
AUTORES: VIANA, P.M.R. (UEG) ; VIEIRA, C.B. (UEG) ; LINHARES, L.M. (UEG) ; SANTOS, R.N. (UEG) ; CASTRO, M.P. (UEG) ; COSTA, O.S. (UEG)
RESUMO: Ao se projetar uma peça ou um equipamento, a superfície deste deve ser adequada ao tipo de função que exerce. As superfícies por mais perfeitas que sejam apresentam irregularidades (rugosidade), que por sua vez caracterizam uma superfície. A rugosidade pode ser obtida por meio de aparelhos eletrônicos denominados rugosímetros. Porém, a proposta foi medí-la mediante parâmetros obtidos pelo escoamento de água utilizando-se um tubo cilíndrico ligado ora à mangueira de jardinagem, ora à mangueira cristal. Parâmetros como vazão, velocidade, fator de atrito, perda de carga, n° de Reynolds e rugosidade foram correlacionados e analisados para comprovar a realidade de modelos matemáticos e teóricos. Obteve-se que a mangueira cristal tem uma rugosidade maior (0,0247) que a de jardinagem (0,0230).
PALAVRAS CHAVES: rugosidade, vazão e atrito.
INTRODUÇÃO: A aplicação de equipamentos (canalizações de indústrias e peças de máquinas, por exemplo) requer o conhecimento das características do material a ser utilizado para que haja o melhor desempenho possível dos mesmos. Entre as características a ser analisada, a rugosidade é um importante quesito a ser levado em consideração, principalmente onde o atrito é relevante(FACCIO, 2002).
Rugosidade são irregularidades próprias do material provocadas por sulcos ou marcas deixadas pela ferramenta que atuou sobre a superfície da peça. As superfícies, mesmo as mais perfeitas, apresentam irregularidades, que também podem ser consideradas de erros microgeométricos e erros macrogeométricos. A rugosidade é considerada um erro microgeométrico, podendo ser medida através de equipamentos próprios para isso, denominados rugosímetros , ou mesmo através de métodos alternativos em que o escoamento de fluidos seja aplicado para tal fim(GILES, 1975).
O estudo da rugosidade requer o conhecimento de fator de atrito (f), perda de carga (hp), número de Reynolds (Re) e vazão (Q), ou seja, envolve a noção de diversos conceitos associados a Fenômenos de Transporte, possibilitando a aproximação do teórico com o prático, por meio de procedimentos simples e facilmente manipuláveis.
Utilizando-se a equação de Churchill, f = - 4 log (0,27 E/D + (7/Re)^0,9), sendo E = rugosidade do material e D = diâmetro da mangueira, é possível obter a rugosidade de uma tubulação de forma experimental. Esse foi o objetivo do trabalho, que visou também à análise dos parâmetros necessários para a obtenção da rugosidade, a fim de possibilitar a prática de conceitos apredendidos na teoria e comparar os valores de rugosidade obtidos para as mangueiras de jardinagem e de cristal(GILES, 1975).
MATERIAL E MÉTODOS: : O aparelho utilizado para a obtenção dos dados era constituído por um cilindro de polietileno de base fechada. Próximo à base havia dois orifícios igualmente nivelados. Um constituía a coluna que fornece o nível da água, no outro foi conectado as mangueiras para a medida da vazão.
O tubo possuía 1 (um) metro de altura e a partir do orifício (início da coluna) fez-se a graduação com intervalos de 2 em 2 centímetros (Figura 1). As mangueiras utilizadas possuíam diâmetro de 0,018 m e 1 m de comprimento.
Cronometrou-se o tempo de escoamento de um volume de 1000 mL, referente a um béquer, com colunas de água de 22, 32, 44, 52, 62, 74 e 84 cm, respectivamente, mantendo-as constante durante a medição, ou seja, a velocidade de entrada e saída de água foram iguais, regime permanente. O experimento foi feito em triplicata. Primeiro utilizou-se a mangueira cristal confeccionada com PVC cristal, em seguida uma mangueira para jardinagem.
Para os cálculos da rugosidade, encontrou-se primeiramente a vazão (Q = Volume/tempo), em seguida a velocidade de escoamento (V = Q/A, sendo V = velocidade, Q = vazão e A = área da mangueira) e finalmente o nº de Reynolds (Re = V.D/v, sendo D = diâmetro da mangueira e v = viscosidade cinemática). A perda de carga total (hp = (H – V^2)/2g, sendo H = altura da coluna de água e g = aceleração da gravidade) foi calculada para se obter a perda de carga considerando o efeito de borda (hp’ = (hp – V^2)/2g.k, sendo k = efeito de borda, tanto na entrada, quanto na saída - igual a 2). O valor de hp’ foi utilizado para a obtenção do fator de atrito (f = hp’.D.2g/L.V^2, sendo L = comprimento da mangueira), que assim como o nº de Reynolds foi aplicado na equação de Churchill.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: As médias dos dados obtidos para as mangueiras de jardinagem e cristal foram dispostas na Figura 2. De acordo com os números de Reynolds, observou-se que para as duas mangueiras o escoamento foi turbulento, uma vez que Re foi maior que 4000. A mangueira de jardinagem apresentou uma média de tempo de escoamento menor que a mangueira de cristal, consequentemente vazão e velocidade (inversamente proporcionais ao tempo) foram maiores culminando no aumento do nº de Reynolds para esta mangueira.
Por meio do experimento realizado, utilizando-se diferentes alturas da coluna de água foi possível analisar o efeito da rugosidade no escoamento do fluido. A mangueira de cristal apresentou uma média de rugosidade maior que a mangueira de jardinagem, favorecendo uma resistência maior para o escoamento da água. Por conseqüência notou-se um menor número de Reynolds, pois a velocidade com que este fluido passa pela mangueira de cristal é menor.
A média de tempo de escoamento da água na mangueira de cristal foi superior à média de tempo da mangueira de jardinagem (6,592857; 6,104286, respectivamente), portanto foi coerente que o efeito da rugosidade na primeira mangueira tenha sido maior, uma vez que a água esteve sujeita a um maior contanto com as irregularidades da superfície da mesma.
Pela equação de Churchill observa-se que fator de atrito e rugosidade são diretamente proporcionais, tal pôde ser comprovado pelos valores de tais parâmetros obtidos experimentalmente para ambas as mangueiras.
CONCLUSÕES: O efeito da rugosidade entre duas mangueiras foi obtido por meio da aplicação de teorias estudadas. Notou-se que a mangueira de cristal possuiu um efeito de maior rugosidade que a mangueira de jardinagem (0,0247 e 0,0230, respectivamente). Tal fato possivelmente se deve à presença de aditivos poliméricos presentes na superfície das mangueiras, que não foram especificados pelos fabricantes das mesmas.
Por se tratar de um experimento de simples execução, além de requerir o conhecimento de vários parâmetros, tem-se que o projeto de aula prática proposto é de grande valia para o curso de Química.
AGRADECIMENTOS: À UEG pela infra-estrutura disponibilizada para o proceder do experimento e aos professores que colaboraram para o aperfeiçoamento do trabalho.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: 1. Faccio, Ian. Investigações sobre o acabamento superficial de usinagens com altíssima velocidade de corte.p.72. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Escola Politécnica de São Paulo, São Paulo, 2002.
2. Giles, Ranald. Mecânica dos Fluidos e Hidráulica. São Paulo: McGraeu Hill do Brasil, 1975
