A UTILIZAÇÃO DE BANCADAS EXPERIMENTAIS COMO FERRAMENTA DE ENSINO E APRENDIZAGEM

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1 A UTILIZAÇÃO DE BANCADAS EXPERIMENTAIS COMO FERRAMENTA DE ENSINO E APRENDIZAGEM (inclua aqui o nome dos autores) Rubens Gedraite 1, Iracema de Oliveira Moraes 1 Universidade Guarulhos 1 Praça Teresa Cristina, nº 01 gedraite@uol.com.br Resumo. Este trabalho relata a experiência vivenciada com a utilização de bancada experimental simples e de baixo custo na melhoria do processo de ensino e aprendizagem praticado no Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas da Universidade Guarulhos. Foram envolvidos os alunos do 9º semestre do curso de graduação em Engenharia Química, que receberam a incumbênica de propor um projeto de melhoria nas condições existentes da bandaca experimental existente para o ensino das disciplinas Fenômenos de Transporte e Análise e Controle de Processos Químicos. O resultado foi a elaboração de projeto de cálculo de um elemento sensor de vazão do tipo placa de orifício concêntrica, a ser futuramente instalado na facilidade experimental para permitir a medição da vazão que é feita circular por um dos ramais da bancada. Palavras-chave: Ensino de engenharia, Fenômenos de transporte, Bancadas experimentais, Medição de vazão, Placa de orifício concêntrica.

2 1. INTRODUÇÃO Uma das funções do ensino superior é oferecer um ambiente educacional que reflita as condições de trabalho onde o futuro profissional irá atuar. Diante das intensas transformações tecnológicas de nosso tempo, torna-se fundamental a necessidade de constante avaliação e adequação dos métodos de ensino, de forma que o processo educativo possibilite ao futuro profissional responder às exigências de um mercado cada vez mais dinâmico e complexo. Cada vez mais preocupada em oferecer ao aluno uma base teórica sólida, associada a uma vivência prática durante a sua formação acadêmica, a Universidade Guarulhos vem dinamizando a metodologia de ensino adotada na instituição. Neste sentido, uma das opções oferecidas ao aluno é a oportunidade de ter contato com bancadas experimentais que possibilitem uma aplicação prática do conteúdo estudado em sala de aula. 2. REFERENCIAL TEÓRICO. Segundo KEMPENICH (1985) quando um fluido escoa por uma tubulação contendo uma restrição à passagem do mesmo, ocorre uma perda de carga (ou diminuição de pressão) que está relacionada com a vazão. Quando um fluido escoa por uma tubulação contendo uma restrição à passagem do mesmo, ocorre uma perda de carga (ou diminuição de pressão), que é relacionada com a vazão. Para a medição de vazão por esse método serão necessários portanto: a) Um dispositivo colocado na tubulação, capaz de restringir a passagem do fluido; e b) Um medidor de pressão diferencial (manômetro em U, transmissor de pressão diferencial, etc). Consideremos uma tubulação horizontal, contendo uma restrição à passagem de um líquido, como mostrado na figura 1. A pressão estática em vários pontos ao longo da tubulação pode ser medida instalando-se diversos tubos de vidro, e anotando-se a altura que a coluna líquida alcança em cada tubo. Figura 1 Tubulação horizontal com restrição Podemos observar que: a) Até pouco antes da restrição, a pressão se mantém praticamente constante; b) Existe um pequeno aumento da pressão, em pontos próximos da restrição; c) Há uma diminuição brusca de pressão, quando o líquido passa pela restrição; d) O ponto de mínima pressão se situa pouco após a restrição, e corresponde ao ponto onde a área é mínima ( vena contracta ); e) Após esse ponto, a pressão começa novamente a aumentar; f) Bem adiante da restrição a pressão se estabiliza num novo valor, menor que o valor original. Para a medição de vazão, pode-se medir a diferença de pressão entre dois pontos próximos da restrição, um a montante e outro a jusante. Aproveita-se desse modo praticamente toda a queda de pressão introduzida pela restrição. Alternativamente, pode-se medir a diferença de pressão entre dois pontos afastados da restrição. DELMEÉ (1983) propõe que o dimensionamento do medidor seja feito com base na equação (1), deduzida a partir da equação de Bernoulli.

3 ( P P ) Q = C E β 2 S 2 g 1 2 (1) 1 γ De acordo com a metodologia proposta por DELMÉ (1983) o cálculo do diâmetro do orifício da placa é feito a partir do conhecimento da vazão a ser medida, do diâmetro interno da tubulação, das propriedades físicas do fluido de processo e da diferença de pressões estabelecidas como critério de projeto. Uma vez conhecidos estes dados, pode-se proceder à determinação do termo CxExβ 2 e, a partir do valor encontrado para ele, por interpolações em tabelas obtidas empiricamente, obter o valor de β (DELMEÉ, 1983). 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1. Materiais Utilizados Para a realização do projeto do medidor de vazão do tipo placa de orifício proposto neste trabalho foram utilizados os seguintes materiais / equipamentos: proveta graduada de 2 L, cronômetro, trena, e a bancada experimental para o ensino de Fenômeno de Transporte existente Metodologia Empregada No desenvolvimento deste trabalho foi adotada a metodologia proposta por DELMEÉ (1983), que consistiu em: a) Determinar, experimentalmente a vazão máxima que pode ser feita escoar através da tubulação onde o medidor de vazão do tipo placa de orifício será instalado. Para tal finalidade utilizou-se a cronometragem do tempo de coleta de um volume pré-estabelecido de água (na proveta de 2L); b) Adotar um valor máximo de diferença de pressões entre as tomadas de pressão alta e baixa a serem instaladas na tubulação; c) Calcular o valor do coeficiente CxExβ 2 a partir da equação (1); d) Calcular o valor do coeficiente β com base na metodologia proposta por DELMEÉ (1983) A figura 2 apresenta uma representação esquemática parcial da bancada experimental utilizada nas aulas das disciplinas Fenômenos de Transporte e Análise e Controle de Processos. Foi, também, verificado se o trecho de tubulação onde o elemento sensor de vazão será instalado apresentava o comprimento de trecho reto recomendado antes e depois do elemento sensor. Este parâmetro é de fundamental importância para uma medição de vazão precisa, pois as singularidades presentes na tubulação afetam o perfil de velocidades do fluido no interior da tubulação aumentando, conseqüentemente, as incertezas sobre os valores medidos. De acordo com MILLER (1983) o trecho reto recomendado antes e depois do local de instalação do elemento sensor deve ser de 10 e 05 vezes respectivamente o diâmetro nominal da tubulação. Foi verificado que a facilidade experimental permite o atendimento deste requisito de projeto. A tabela 1 apresenta os dados utilizados para o dimensionamento do elemento sensor. Nesta tabela, o valor da diferença de pressões foi adotado como um critério de projeto do elemento sensor de vazão a ser dimensionado. Tabela 1 Dados de processo usados no dimensionamento da placa de orifício. Vazão máxima (Q L ) 5,56x10-4 m 3 /s Pressão diferencial (P 1 -P 2 ) 2942,64 Pa Vazão usual (Q U ) 3,89x10-4 m 3 /s Diâmetro da linha D 0,0508 m Temperatura de Leitura (T L ) 25 C Temperatura de Projeto (T P ) 25 C Densidade à (ρ L ) 1000 Kg/m 3 Densidade à (ρ P ) 1000 Kg/m 3 Com base nos dados de processo fornecidos na tabela 1, foi feito o cálculo do coeficiente CxExβ 2 tendo sido encontrado o valor de 0, O cálculo do valor de β foi feito com base em valores tabelados dos coeficientes de vazão em função de β para tomadas de pressão nos flanges (DELMÉE, 1983). Foi adotada a instalação das tomadas de pressão nos flanges por ser a técnica mais confiável de medição. As outras possibilidades seriam tomadas na vena contracta ou tomadas nos tubos. Contudo, estas localizações das tomadas de pressão apresentam grandes incertezas na determinação do lugar exato de instalação. Com base nos dados de processo fornecidos na tabela 1, foi feito o cálculo do coeficiente CxExβ 2 tendo sido encontrado o valor de 0,

4 Caixa de água de 500L Tubulação de 2" Bomba Centrífuga Placa de orifício Manômetro de coluna em "U" Figura 2 Representação esquemática parcial da bancada experimental utilizada nas aulas práticas disciplinas Fenômenos de Transporte e Análise e Controle de Processos Seguindo a metodologia de cálculo proposta por DELMÉE (1983), foi obtido para o diâmetro do orifício o valor de 21,31 mm, que está compreendido entre os limites aceitáveis para o diâmetro de tubulação considerado, a saber: 0,1 β 0,75 (DELMÉE, 1983). 4. RESULTADOS OBTIDOS E ESPERADOS Com base nos cálculos realizados chegou-se ao diâmetro de orifício requerido para a medição da vazão na bancada experimental. A atividade de projeto do medidor de vazão, realizada com o emprego da bancada experimental permitiu que o aluno do curso de graduação em Engenharia Química tivesse contato com um dispositivo de Instrumentação tipicamente utilizado em plantas industriais. A próxima etapa contempla a construção e a instalação da placa de orifício na bancada experimental estudada. Considerando o fato de que o curso é semestral, estas atividades deverão ser realizadas por outros alunos que forem cursar a disciplina Análise e Controle de Processos, pois não há tempo hábil para a realização de todas a etapas num único semestre. Numa segunda fase, está sendo planejada a especificação de um sistema eletrônico de coleta de dados, que deverá substituir o tradicional método de manômetro de coluna de líquido em U. 5. DISCUSSÃO E CONCLUSÕES Tradicionalmente, no processo de transmissão do conhecimento teórico e/ou científico, as escolas de Engenharia dão ênfase ao procedimento de ensino. Dito de outra forma, isto quer dizer que o professor é o ponto central deste processo, uma vez que ele detém o conhecimento e julga-se, portanto, capaz de incentivar o aluno a ir em busca do mesmo. Contudo, tem-se notado cada vez mais que o aluno precisa participar de forma significativa do processo de assimilação dos conhecimentos. Este fato nos conduz a uma revisão do processo de ensino, procurando considerar cada vez mais o envolvimento do aluno no estudo de situações e/ou de casos relacionados ao cotidiano de um engenheiro químico. Tal comportamento pedagógico caracteriza uma ênfase no procedimento de aprendizagem (MASETTO, 1992). Aprender significa modificar o comportamento, isto é, incorporar valores e conhecimentos que permitam a tomada de decisões conscientes. O ensino, portanto, constitui-se na atividade que mobiliza as condições necessárias para que a aprendizagem ocorra. Os recentes avanços observados na área da Educação falam-nos das condições necessárias para que o processo de aprendizagem aconteça, sendo que entre as principais encontra-se o ensino mediado por experiências significativas. (GEDRAITE, 1998). Pode-se justificar tais afirmativas tomando-se como referência os estudos desenvolvidos na área

5 da Neurobiologia. De acordo com os mesmos, as células nervosas possuem a capacidade de modificar sua estrutura em função dos estímulos recebidos (BEATTY, 1995). No entanto, para que uma experiência seja capaz de provocar modificações plásticas nos neurônios, essa experiência precisa ser significativa entendendo-se por significativa a situação que se encontra inserida no campo perceptual do aluno, mobilizando seu interesse, sua atenção e seu potencial emocional. Do ponto de vista neurológico, aprender significa portanto, desenvolver modificações neurais que garantam as bases biológicas para as mudanças comportamentais decorrentes do processo de aprendizagem. Sendo assim, o grande desafio pedagógico está em tornar as experiências educacionais capazes de mobilizar o potencial de aprendizagem humano. Quando o aluno percebe as relações estabelecidas entre o conteúdo ensinado e as experiências vividas, no caso as experiências pré-profissionais, estabelecem-se importantes vínculos emocionais, plenos de sentido que tornam as situações de aprendizagem dinâmicas, interessantes e profundamente significativas o que contribui de forma consistente para a consolidação da aprendizagem. Dessa forma, a proposta de um cenário integrado em que se estabelecem vínculos significativos entre as diversas disciplinas que compõem o programa do curso e a prática industrial está de acordo com os mais recentes avanços da Pedagogia e tende a se constituir num importante passo para a modernização do ensino da Engenharia. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BEATTY, J. Principles of Behavioral Neuroscience. California, Brown & Benchmark publishers: CAREY, F.A. Organic Chemistry. 3th.ed. USA: McGraw-Hill, DELMÉE, G. J. Manual de Medição de Vazão. Ed. Edgard Blücher Ltda. São Paulo, a Ed. GEDRAITE, M.C.S. Neurociência Aplicada à Educação. Faculdade de Educação da Universidade de São Paulo, 1998, mimeografado. KEMPENICH, G. Curso de Projetos de Instrumentação. Instituto Mauá de Tecnologia, São Paulo. 1985, mimeografado. MASETTO, M. T. Aulas Vivas. MG Editores Associados Ltda. São Paulo, a Edição. MILLER, R. W. Flow Measurement Engineering Handbook. 1st. Ed. EUA: McGraw-Hill, 1983.