View
29
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Universidade Federal da Paraíba –UFPB
Centro de Tecnologia –CT
Departamento de Engenharia Química –DEQ
VISCOSIDADE DE OLEOS
LUBRIFICANTES
JOÃO PESSOA/PB
Junho-2014
1
Raissa Tavares Estevam Ramalho- 10921329
VISCOSIDADE DE OLEOS LUBRIFICANTES
Relatório referente à disciplina Fenômenos
de Transporte Experimental, sobre
experimento Viscosidade de Óleos
Lubrificantes, realizado no Laboratório de
Eficiência Energética e Hidráulica em
Saneamento( LENHS), sob a orientação do
professor Genaro Zenaide Clericuzi.
JOÃO PESSOA/PB
Junho- 2014
2
1. INTRODUÇÃO
Viscosidade é um critério importante de qualquer óleo lubrificante. É uma
medida da espessura do fluido ou a resistência para fluir. Por exemplo, o mel é grosso e
a água é fina, assim o mel tem uma viscosidade maior do que a água. A viscosidade do
óleo precisa se adequar às temperaturas ambientes corretas. Se estiver muito grosso
quando o motor estiver frio, ele não se movimentará pelo motor. E se ele se tornar muito
fino quando o motor estiver quente, não dará a proteção certa para as partes do motor.
A otimização da viscosidade ou espessura de um óleo ajuda a maximizar a
eficiência energética, evitando o desgaste dos componentes.
Os modificadores de viscosidade aumentam a viscosidade do óleo em
temperaturas altas, mas têm pouco efeito sobre a viscosidade em temperaturas baixas.
Estes permitem que o óleo flua adequadamente quando estiver frio e também permaneça
suficientemente espesso para proteger os seus componentes de motores em temperaturas
altas.
Os óleos de baixa viscosidade tornam a partida a frio mais fácil para o motor,
pois apresentam menor resistência aos elementos móveis e, portanto, consomem menos
energia do motor. Isto também significa que haverá uma maior economia de
combustível.
A unidade física de viscosidade no Sistema Internacional de Unidades é o
pascal-segundo (Pa·s), que corresponde exatamente a 1 N·s/m² ou 1 kg/(m·s). Na
França intentou-se estabelecer o poiseuille (Pl) como nome para o Pa·s, sem êxito
internacional. Deve-se prestar atenção em não confundir o poiseuille com o poise,
chamado assim pela mesma pessoa.
A unidade no Sistema CGS de unidades para a viscosidade dinâmica é o
poise (p), cujo nome homenageia a Jean Louis Marie Poiseuille. Sói ser mais usado
o seu submúltiplo: o centipoise (cp). O centipoise é mais usado devido a que a água
tem uma viscosidade de 1,0020 cp a 20 °C.
3
1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cm·s) = 0,1 Pa·s.
1 centipoise = 1 mPa·s.
O fator de proporcionalidade η é a viscosidade absoluta ou viscosidade
dinâmica do fluido.
τ = η dc
dy
A viscosidade cinemática ν é a relação entre a viscosidade dinâmica e a massa
específica:
ν = η/ρ
Relação entre a viscosidade e a temperatura nos gases e nos líquidos
A viscosidade é a propriedade dos fluidos que se traduz por oferecer
resistência ao escoamento, que nos líquidos diminui quando a temperatura aumenta,
mas nos gases aumenta com o aumento da temperatura.
Fluido newtoniano
Um fluido newtoniano é um fluido em que cada componente da tensão
cisalhante é proporcional ao gradiente de velocidade na direção normal a essa
componente. A constante de proporcionalidade é a viscosidade dinâmica.
Fluidos Newtonianos: a tensão é diretamente proporcional à taxa de
deformação. Ex: água, ar, óleos.
Fluido não - newtoniano
O fluido não Newtoniano é um fluido cuja sua viscosidade varia
proporcionalmente com a cinetica que se imprime a esse mesmo fluido, respondendo
de forma quase instantanea. Para exemplo temos a mistura de farinha com água que
dependendo da energia cinética que recebe pode ser um sólido ou um liquido. Se o
movimento que se lhe imprime for rápido esta mistura torna-se um solido e assim
que se cessa o movimento, esta transforma-se novamente em liquido.
4
Vinscosímetros
Um viscosímetro, também designado por viscometro, consiste num
instrumento usado para medição da viscosidade de um fluído.
A viscosidade de fluidos pode ser medida por vários métodos, por exemplo:
a) pelo torque necessário para girar um cilindro no líquido, tais como instrumentos de
Michael e Storner, usados para óleos e líquidos viscosos;
b) pelo tempo necessário para que uma esfera caia através do líquido, como no
instrumneto de Gardner Holot usado para tintas e outros fluidos altamente viscosos;
c) pelo tempo necessário para que o líquido escoe através de um pequeno tubo capilar
como nos viscosímetros Saybolt, Engler e Redwood.
Tipo Engler
A equação da energia aplicada entre a superfície líquida do fluido e a descarga do
capilar nos dá:
(1)
o termo h1 corresponde a perda por atrito e como o escoamento é laminar, esta perda é
dada pela equação de Hagen-Poiseulle:
(2)
Substituindo (2) em (1), e escrevendo a energia cinética de (1) em função da
vazão volumétrica Q, temos:
onde a razão (viscosidade absoluta) sobre (massa específica), foi substituído por
(viscosidade cinemática).
5
Explicitando , e substituindo Q por /t, sendo o volume recolhido no tempo,
obtemos:
(3)
Observamos que os termos entre parênteses não variam para um dado
viscosímetro.
A viscosidade cinemática será, portanto, dada por uma expressão do tipo:
(4)
Na prática, os valores de A e B se afastam um pouco daqueles nos parênteses de
(3), uma vez que na sua dedução desprezamos as perdas na entrada e consideramos o
escoamento no capilar como totalmente desenvolvido, o que não é verdade, pois o tubo
é muito curto. Além disso, o escoamento não pode ser considerado permanente, pois o
nível do fluido diminui com o tempo.
A viscosidade da maior parte dos líquidos diminui com a temperatura, o efeito
oposto é observado nos gases. A variação da viscosidade com a temperatura é de grande
importância na engenharia, em todos os problemas de escoamento de fluidos, atrito
hidráulico, bombas, ventiladores e principalmente em lubrificação.
A influência da pressão na viscosidade é pouco significativa, salvo em
equipamentos de alta pressão.
Para produtos de petróleo, verificou-se que a relação entre a viscosidade
cinemática e a temperatura, segue a equação empírica:
(5)
Onde: ν = viscosidade cinemática, (cSt= 10-6 m2/s); T = temperatura em Kelvin; A e B =
constantes específicas para cada óleo, determinadas experimentalmente.
Essa relação, conhecida como equação de Walther, posta num papel Log(Log) x
Log, logaritmo do logaritmo versus logaritmo, resulta em uma reta com coeficiente
linear e coeficiente angular . Considerando:
6
e
a relação de Walther pode ser escrita como:
(6)
Para se determinar os valores de e a partir de uma série de pontos
experimentais (X,Y), pode-se utilizar o método dos mínimos quadrados. Segundo este
método de regressão linear, os coeficientes da reta que melhor se aproxima de um
conjunto de pontos dados, são determinados pelas expressões:
α=∑ y∑ x2−∑ x∑ xy
n∑ x2−(∑ x )2 (7)
(8)
onde n é o número de pontos.
Conhecendo-se os valores de e , a viscosidade a outras temperaturas pode ser
determinada através da expressão (5).
2. OBJETIVO
O experimento tem como objetivo determinar a viscosidade do óleo lubrificante nas diferentes temperaturas e sua classificação a SAE.
3. MATERIAL 01 Cronômetro
02 Termômetros de mercúrio
01 Viscosímetro Engler 01 Balão de 50 mL 01 Litro de óleo
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
I- Encheu a cuba externa do viscosímetro com água potável para banho térmico;
7
II- Tampou o orifício capilar com o pino de madeira e encheu a cuba central com
o fluido que se deseja determinar a viscosidade, de maneira que sua superfície livre
coincida com os pinos existentes na parede da cuba. Nivelou o instrumento fazendo com
que os três pinos toquem simultaneamente a superfície do fluido;
III- Recolheu 50 mL do fluido através do reservatório adequado, marcando o
tempo de escoamento através do cronômetro, anotando o tempo e a temperatura do
fluido. O tempo para 200 mL pode ser obtido multiplicando o tempo de 50 mL por 4;
IV- Repetir os itens (2) e (3) para no mínimo cinco temperaturas, variando de
ambiente até um máximo de 70ºC. O aquecimento se faz ligando o interruptor do
transformador, desligando-se quando atingida uma temperatura ligeiramente superior à
desejada, e esperando-se que as temperaturas das cubas internas e externas se igualem.
Enquanto o aquecimento estiver ligado, a lâmpada vermelha do transformador
permanecerá acesa.
5. RESULTADOS
5.1 Gráfico da Viscosidade (cSt) versus Temperatura (°C)
Escolheu-se cinco temperaturas diferentes do óleo lubrificante, o qual constava
de 200 mL em volume. O tempo foi cronometrado, com base na observação
doescoamento do óleo através do viscosímetro do tipo Engler. Em seguida foi calculado
ºEnglerpara cada temperatura, tomando como o tempo de escoamento da água 52
segundos.
Determinação de ºEngler:
° Engler= tempodeescoamentode200mLde ó leo àTtempodeescoamentode200mLde á guaa20º C
(3)
ν (° E )=t( FLUIDO)
t(H 2O,20 ° C)=t(FLUIDO)
52 s
Conversão de ºEnglerpara cSt:
8
As constantes A e B da Equação (1) foram determinadas, sendo obtidos A
=0,147 e B= 374, para viscosidade em centiStokes (10-6 m²/s), t é o tempo necessário
para recolher 200 mL de fluido. Sendo assim tem-se:
ν=At−Bt
ν=0,147 t−374t
Na Tabela 2 a seguir expõe-se os valores experimentais de temperatura e tempo, a
viscosidade calcula em cST conforme a equação 1e em°Englerconforme a equação 3. A
temperatura na Tabela 2, é a média aritmética da temperatura aferida inicialmente e no
final do escoamento.
Tabela 2: Dados experimentais e viscosidade cinemática em ºE eCSt
Experiment
o
T(ºC) t(s) para 50 mL t (s) para200mL
ViscosidadeCinemática(cST)
ViscosidadeCinemática(ºE)
1 25 148 592 86,39 11,38
2 36 78 312 44,66 6,00
3 47 34 136 17,24 2,61
4 54 27 108 12,41 1,93
5 66 24 96 7,08 1,54
O Gráfico 1 a seguir demonstra a variação da viscosidade com a temperatura.
9
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 700
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
f(x) = 304.818212908375 exp( − 0.0554842827936114 x )R² = 0.937953893564088
T (°C)
V isc
osid
ade
cinem
ática
(cSt
)
a. Determinação dos coeficientes e da relação de Walther
Relação de Walther:
, onde e
α=∑ y∑ x2−∑ x∑ xy
n∑ x2−(∑ x )2
Onde n é o número de ponto
T (ºC)
T(K) X =LOG(T) Viscosidade, ν (cSt)
Y = log(log(0,7 + ν))
ΣX ΣY X.Y ΣX.Y X²
10
25 298,15 2,474434814 86,39 0,287794631 12,5151 0,669845
0,712129
1,666834
6,122828
36 309,15 2,490169251 44,66 0,219236806 - - 0,545937
- 6,200943
47 320,15 2,505353506 17,24 0,098236038 - - 0,246116
- 6,276796
54 327,15 2,514746925 12,41 0,048287439 - - 0,121431
- 6,323952
66 339,15 2,53039121 10,22 0,016290494 - - 0,041221
- 6,402883
Tabela 3. Valores de X e Y da equação de Walther.
A partir da Tabela3foram calculados os parâmetros α e β
α=∑ y∑ x2−∑ x∑ xy
n∑ x2−(∑ x )2 → α=¿
-34,141
β=n∑ xy−∑ x∑ y
n∑ x2−(∑ x )2 →β=¿
0,135019
Pela relação de Walther temos que , que resulta em uma reta com
coeficiente linear α e coeficiente angular β. Portanto, a equação da reta é igual a:
Gráfico 2: Gráfico de X =LOG(T) versus Y = log(log(0,7 + ν))
11
Anexo às cartas ASTM
12
2.47 2.48 2.49 2.5 2.51 2.52 2.53 2.540
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
f(x) = − 5.22937157154878 x + 13.2231868605452R² = 0.959917945377259
X=log(T
log(
log(
V+0,
7)
13
5 DISCUSSÃO E CONCLUSÃO
A partir do experimento podemos visualizar que a viscosidade cinemática do óleo
lubrificante diminui com o aumento da temperatura, como mostra o gráfico da
viscosidade versus a temperatura.
Pela carta de ASTM foi verificado que o grau de viscosidade do óleo variou entre 30 e 80, de acordo com a temperatura de 0 ºF e 210 ºF , respectivamente. O óleo pode ser classificado do tipo transmissão e eixo, para temperatura menor e do tipo cárter, para temperatura maior.
Pela relação de Walther encontraram-se os coeficientes angular e linear da equação
da reta que por sua vez possibilita o cálculo da viscosidade cinemática para várias
temperaturas. O método é simples e como se esperava os valores dos coeficientes
angulares e lineares deram próximos comparando o método numérico e gráfico.
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
http://www.shell.com/bra/products-services/postos-shell/oleos-lubrificantes/
right-oil.html
Fox, R.W. & Mc. Donald A.T. “Introdução à Mecânica dos Fluidos”. Rio de
Janeiro - Editora Guanabara Dois - 1981.
Ismail, K.A.R. “Fenômenos de Transferência - Experiências de Laboratório” Rio
de Janeiro - Editora Campus – 1982.
Manual de experiências do Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em
Saneamento –LENHS, Prof. Simão de Andrade Filho, Centro de Tecnologia-
CT, Universidade Federal da Paraíba-UFPB.
Tuve, G.L. & Domholdt L.C. “Engineering Experimentation” Nova York. Mc.
Graw Hill Company –1966
14
Recommended