Estudo da Transferência de Calor por Condução em Graxa Lubrificante à Base de Sabão de Lítio

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1 Estudo da Transferência de Calor por Condução em Graxa Lubrificante à Base de Sabão de Lítio LOPES, Thiago O.; FERNANDES, Fernanda S.; LEÃO, Jaqueline O.; GUIMARÃES, Johnny K. R.; SILVA, Ludmila O.; COSTA, Orlene S. Universidade Estadual de Goiás - UnUCET, CEP , Brasil thiago.o.lopes@hotmail.com; orlene_costa@yahoo.com.br PALAVRAS-CHAVE: graxa, lubrificante, calor, lítio. 1 INTRODUÇÃO Os lubrificantes graxos são produtos semissólidos, de consistência pastosa, empregados principalmente para reduzir atrito, calor e desgaste entre peças mecânicas. São resultantes da mistura dos seguintes componentes: 1) Óleos (minerais e/ou sintéticos); 2) Agente espessante (sólido ou semissólido, a base de sabões metálicos, silicone ou complexos inorgânicos); e 3) Aditivos especiais, cuja função é reduzir atrito e oxidação, além de proteger contra as variações de temperatura (MOLYKOTE, 2010a; TEXACO, 2005; LINO et al., 2001). As graxas lubrificantes podem ser classificadas de duas formas. A primeira em função do agente espessante adicionado à composição da massa lubrificante, que dará a consistência semifluida ou semissólida. E a segunda classificação é dada pelo grau NLGI, estabelecido pelo National Lubrificating Grease Institute, que dará a consistência da massa lubrificante em função do grau de penetração. Fundamentado neste contexto, é que se diferencia o óleo lubrificante da graxa lubrificante. Enquanto que os óleos são empregados para resistirem ao movimento, devido a sua fluidez, cuja principal característica é a viscosidade. As graxas são utilizadas para resistirem à penetração, tendo como propriedade característica à consistência.

2 A classificação das graxas lubrificantes em função do agente espessante pode ser a base de: 1) Sabões metálicos (lítio, cálcio, sódio, alumínio e outros); 2) Sabões complexos (onde o íon metálico forma um complexo cristalino com outros agentes, como ácido acético, lático, entre outros); 3) Silicone; e 4) Argila (MOLYKOTE, 2010a; TEXACO, 2005; LINO et al., 2001). A graxa a base de sabão de lítio é bastante aderente e relativamente insolúvel em água, tendo múltiplas aplicações, como lubrificações automotivas e industriais (com exceção de alimentícias, devido aos íons de lítio em sua constituição). O ponto de fusão do sabão de lítio acontece por volta de 180 C, o que permite o uso deste produto até uma faixa de temperatura de 140 C, durante curtos períodos. A maioria das graxas de sabão de lítio é aditivada com antioxidantes, aditivos resistentes à extrema pressão (EP), anticorrosivos, melhoradores de índice de viscosidade e aditivos de adesividade (TEXACO, 2005). Já a classificação das graxas lubrificantes em função do grau NLGI, leva em consideração uma numeração variando de 000 a 6, sendo que a 000 é a de menor consistência e a 6 a de maior consistência, como demonstrado na Tabela 1. Tabela 1. Classificação de graxas lubrificantes segundo a NLGI. Grau NLGI Penetração Trabalhada ASTM D-217 (25 ± 2 o C) Grau de Consistência Muito viscosa Extremamente viscosa Extremamente mole Muito mole Mole Média Consistente Muito consistente Extremamente consistente e dura Adaptado de: TEXACO (2005). Graxa de lítio é classificada, segundo o NLGI, como grau 2, de consistência mole, tendo uma penetração de 28, 1 mm, seu ponto de gota (ou ponto de liquefação) ocorre a 186 C e temperatura a máxima de operação recomendável é de 170 C.

3 A distribuição de temperatura para a transferência de calor por condução é expresso pela Equação (1), sendo 2 T, a variação tridimensional da temperatura; q, o calor gerado dentro do sistema;, a difusividade térmica; k, a condutibilidade térmica do meio; T, a temperatura do meio; e t, o tempo de condução térmica (ÖZIIK, 1990). 2 q 1 T T + = k t (1) A Equação (1) quando aplicada a transferência de calor por condução tridimensional, em regime transiente e com geração de calor em um sistema de coordenadas cilíndricas, se transforma na Equação (2), sendo que R é o raio do sistema; z, é a altura do sistema; e, o ângulo: T 1 T T q 1 T R = (2) R R R R z k t Considerando a transferência de calor por condução em um sistema cilíndrico isolado termicamente nas laterais, sem geração interna de calor, sendo a fonte externa ao sistema, a propagação do calor ocorre longitudinalmente em regime transiente, como expressa na Equação (3): 2 T z 2 = 1 T t (3) Este estudo teve como objetivo avaliar a transferência de calor unidimensional, em regime transiente e sem geração de calor interna ao sistema, em uma graxa a base de sabão de lítio. 2 MATERIAIS E MÉTODOS

4 Uma graxa lubrificante, a base de sabão de lítio, foi submetida ao estudo de transferência de calor por condução em regime transiente e propagação de calor unidimensional, utilizando-se um tubo de policloreto de vinila (PVC) de 18, 5 cm de comprimento e 3, 5 cm de diâmetro. O tubo de PVC foi perfurado, ao longo do tubo, com quatro orifícios, equidistantes em quatro centímetros. Este tubo foi envolto com cortiça, perfazendo uma espessura de quatro milímetros, cuja finalidade foi o isolamento térmico lateral. Na base, utilizou-se papel alumínio o objetivo de direcionar o fluxo de calor no sentido longitudinal. Antes do estudo de transferência de calor, obteve-se a massa específica da graxa, à temperatura ambiente, em duplicata, pelo método do deslocamento de volume. Em seguida, o tubo foi totalmente preenchido com graxa. No topo do tubo foi adicionada uma tampa de isopor, com objetivo de evitar a transmissão de calor por convecção do ar [Figura 1 (a)]. Os termopares foram instalados nos orifícios. E todo esse conjunto foi revestido com papel alumínio, a fim de minimizar a transferência de calor por radiação [Figura 1 (b)]. (a) Tubo de PVC, revestido com cortiça, (b) Tubo de PVC, contendo a graxa contendo graxa lubrificante à base de sabão lubrificante sob estudo, com revestimento de lítio, vedado na base com papel alumínio final de papel alumínio. e tampa de isopor. Figura 1. Sistema cilíndrico empregado no ensaio de transferência de calor por condução.

5 As temperaturas do eixo central do recipiente cilíndrico, contendo a graxa lubrificante, foram medidas nos quatro orifícios: T 1, T 2, T 3 e T 4, correspondentes às seguintes distâncias da base vedada de alumínio: Z1 = 4, 2 cm, Z 2 = 8, 2 cm, Z3 = 12,2 cm e Z 4 = 16, 2 cm, respectivamente. Este conjunto foi colocado em um banho termotatizado, com temperatura constante de 62 C, como apresentado na Figura 2. O binômio, tempo e temperatura, foi registrado durante 125 minutos (cerca de 2 horas), com intervalos de tempo, nos 10 primeiros minutos, de dois em dois minutos, e o restante do tempo experimental, de cinco em cinco minutos. Finalizando o estudo, os dados de temperatura e tempo foram dispostos em gráfico com a finalidade de avaliar o gradiente e a taxa de variação das temperaturas. Figura 2. Sistema cilíndrico de transferência de calor por condução, inserido em banho termostatizado, com termopares acoplados. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO A massa específica da graxa lubrificante a base de sabão de lítio, utilizada neste estudo, foi determinada a temperatura ambiente de 27, 9 C, cujo

6 valor determinado foi 920 kg. m 3. Este valor se aproxima da massa específica da graxa para engrenagem da MOLYKOTE 165 LT, a base de óleo mineral e sabão de 3 lítio, estimada na faixa de kg. m (MOLYKOTE, 2010b). A disposição gráfica da variação da temperatura em função do tempo, demonstrada na Figura 3, revelou que os gradientes de temperatura obedeceram a um modelo matemático não linear, com curvas características exponenciais crescentes. Sendo que a curva de temperatura do termopar T 1, localizado mais próximo da fonte de calor, apresentou um perfil mais afastado das demais curvas de temperatura ( T 2, T 3 e T 4). Enquanto que estas curvas mostraram-se menos dispersas uma em relação à outra. Essa dispersão parece indicar que a graxa lubrificante a base de lítio dificulta a transmissão de calor. Verificou-se ainda, que o patamar da temperatura de equilíbrio, cerca de 43 C, ocorreu após 2 horas e 10 minutos do início da transferência de calor. Sugerindo que, as primeiras camadas de graxa, possuem certa capacidade limite de retenção de calor, que a partir desse valor, possivelmente ocorra somente perda de energia. Este aspecto deve estar relacionado à elevada resistência ao transporte de calor para as camadas mais internas da massa graxa.

7 Figura 3. Dispersão da distribuição da temperatura em função do tempo para a transferência de calor em graxa lubrificante a base de lítio e suas respectivas curvas ajustadas. 4 CONCLUSÕES O gradiente de temperatura em função do tempo da graxa lubrificante a base de lítio, submetida à transferência de temperatura, revelou qualitativamente duas propriedades físico-químicas relevantes: 1) Elevada resistência à transmissão do calor, e 2) Elevada capacitância térmica. A resistência térmica está relacionada à dispersão entre os perfis de temperatura versus tempo. Já capacitância térmica deve estar associada à densidade relativa, estimada em 0, 92, próxima da densidade da água, que também possui elevada capacitância térmica. REFERÊNCIAS LINO, A. C. L.; PECHE FILHO, A.; CORREA, I. M. Uso, vantagens e tipos de... lubrificantes especiais. Revista Cultivar Máquinas, Pelotas, jul/ago, n.4, p.8-10, 2001.

8 MOLYKOTE. Graxas de sabão de lítio. São Paulo: Lumobras, Disponível em: < Acesso em: 12 de Setembro de 2010a. MOLYKOTE. Graxas para engrenagem MOLYKOTE 165 LT. São Paulo: Lumobras, Disponível em: < Acesso em: 12 de Setembro de 2010b. ÖZIIK, M. N. Transferência de calor. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, TEXACO. Graxas lubrificantes. In: Fundamentos de lubrificação. Rio de Janeiro: Cheveron Brasil, p