Construção do Equipamento de Reynolds de Baixo Custo para Aplicação Didática

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1 Revista de Engenharias da Faculdade Salesiana n. 4 (2016) pp Construção do Equipamento de Reynolds de Baixo Custo para Aplicação Didática Lívia M. R Gaspar 1 ; Michel H. Braga 1 ; Mariana R. Barreto 1 ; Emily A. Conceição 1 ; Priscila M. Barros 1 1 Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora, Macaé, RJ, Brasil. Resumo O equipamento de Reynolds é uma ferramenta didática utilizada nos cursos de engenharia, o qual possibilita visualizar os diferentes tipos de comportamentos de fluidos (regime laminar, transitório e turbulento) através de injeção de um filete de corante no centro de um tubo transparente. Este trabalho teve como objetivo projetar e confeccionar o aparato experimental com materiais de baixo custo, cujo valor final representou 2,185% do valor commercial. Palavras-chave: Experimento de Reynolds, engenharia, fluido, bancada didática. Construction of a Low Cost Reynolds Equipment for Teaching Purposes Abstract - Reynolds equipment is an educational tool used in engineering courses which allows us to visualize the different types of fluid behavior (laminar, transitory and turbulent) by injection of a dye at the center of a transparent tube. This study aimed to design and build an experimental apparatus with low cost materials, whose final cost represented 2.185% of the commercial value. Key-words: Reynolds experiment, engineering, fluid, didactic aplication. I. INTRODUÇÃO O Curso de Graduação em Engenharia Química da Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora- Macaé/RJ (FSMA) busca atender à demanda de formação superior em Macaé-RJ. Conforme as atribuições do Engenheiro Químico, os egressos deverão estar capacitados a assumir inúmeras funções em diferentes níveis dentro das organizações na área da engenharia. Na área química, em particular, também poderá desenvolver o projeto, a operação e o controle dos processos fabris de produção, de forma integrada e sob as óticas da otimização energética, da minimização da geração de resíduos, da sustentabilidade ambiental e da análise de viabilidade econômica [1]. Em busca desta vertente de atuação, um projeto de Iniciação Cientifica foi desenvolvido, com duração de um ano, com intuito de construir um equipamento importante para o ensino de graduação de disciplinas de química, utilizando materiais de baixo custo. No desenvolvimento de saberes conceituais, procedimentais e atitudinais, as atividades experimentais são de extrema importância e indispensáveis, pois contribuem para a compreensão de conceitos teóricos [2]. A experimentação no ambiente educacional pode ter inúmeras funções como a de ilustrar um princípio, desenvolver atividades práticas, testar/validar hipóteses e incentivar procedimentos investigativos [3]. É importante promover ao discente a visualização, a compreensão, o estudo e a análise que farão parte da sua vida profissional. Isto é especialmente válido em disciplinas como fenômeno de transporte, processos químicos e operações unitárias. Espera-se que a maior vivência experimental do aluno durante a graduação, muito mais do que sedimentar conceitos teóricos aliados à mecânica dos fluidos, permita-lhe adquirir uma maturidade profissional, que o auxiliará a resolver problemas laborais relacionado ao comportamento dos fluidos. A mecânica dos fluidos está presente no cotidiano da sociedade e o conhecimento sobre essa matéria se faz necessário para a formação de Engenheiros de diferentes áreas. Conhecer a ciência que estuda a força e o comportamento dos fluidos (seja líquido ou gás) auxilia o profissional a suprir diferentes necessidades da sociedade. Dentre as diferentes aplicações da mecânica dos fluidos, pode-se citar a análise e projeto de canais de drenagem e irrigação, análise do transporte de sedimentos, problemas envolvendo bombeamento, trocadores de calor, projeto de reatores químicos, dentro outros [4]. Para entender melhor o comportamento dos fluidos, utiliza-se para fins didáticos o experimento de Reynolds. O engenheiro britânico Osborne Reynolds verificou a existência dos regimes de escoamento laminar, transitório e turbulento pela injeção de um fluido tingido no interior de um tubo de vidro. O fluido injetado deve possuir características químicas 32

2 e físicas similares (densidade e viscosidade) ao fluido utilizado no equipamento para que os diferentes regimes de escoamento possam ser observados. Após experimentos na década de 1880 usando este aparato, ele definiu o número de Reynolds para escoamento interno em tubo circular, um valor adimensional de extrema importância para a área da engenharia [5;4]. A importância é tamanha que estes trabalhos ficaram conhecidos como Experimentos de Reynolds e o aparato utilizado passou a ser amplamente difundido. Diante desse contexto, este trabalho teve como objetivo apresentar a montagem do aparato experimental didático Experimento de Reynolds para aplicação em aulas práticas nos cursos de Engenharia, utilizando materiais de baixo custo e do cotidiano, e por fim, comparar o valor gasto para a confecção com o valor de mercado. O artigo está organizado da seguinte maneira. A Seção II... II. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA É muito importante para estudantes de engenharia ter uma compreensão profunda dos tipos de escoamentos em tubos, pois grande parte dos fluidos com aplicação é observada nos ambientes residenciais e industriais são transportados por tubulação. Uma inspeção cuidadosa de escoamentos em tubos revela que o escoamento de forma "organizada" do fluido é observado a baixas velocidades, mas torna-se caótico à medida que a velocidade sobe acima de um valor crítico, ou seja, o movimento das partículas do fluido se torna caóticas devido ao aumento das forças inerciais sobre as forças viscosas quando há um aumento da velocidade (Equação 1). Nesta equação, V média representa a velocidade média de escoamento; D é o diâmetro interno do tubo e ρ e µ são as propriedades do fluido, massa específica e viscosidade dinâmica. Como visto na fórmula (equação) do número de Reynolds, é necessária a velocidade de escoamento para o seu cálculo. Logo a velocidade pode ser dada através da seguinte equação: Onde: V= velocidade de escoamento; Q= vazão volumétrica; D= diâmetro interno do tubo. A vazão volumétrica pode ser encontrada através da fórmula geral: Onde: V= volume (neste caso da proveta); t= tempo Nas equações acima, V média representa a velocidade média de escoamento; D é o diâmetro interno do tubo e ρ e µ são as propriedades do fluido, massa específica e viscosidade dinâmica. No primeiro caso diz-se que o regime de escoamento é laminar, caracterizado por linhas suaves de corrente e movimento altamente ordenado, e é turbulento no segundo caso, caracterizado pelas flutuações de velocidade e pelo movimento altamente desordenado [5]. A existência desses regimes de escoamento foi verificada pelo engenheiro britânico Osborne Reynolds. Pela injeção de um filete de corante no escoamento de um fluido através de um tubo de vidro. Ele verificou a existência dos regimes de escoamento laminar, de transição e turbulento. Foi observado que o filete de tinta formava uma linha reta e suave a baixas velocidades, caracterizando o escoamento como laminar. O escoamento de transição foi caracterizado por rajadas de flutuações e a presença de turbidez rápida e aleatória quando o escoamento torna-se totalmente turbulento [5]. Após uma série de experimentos, Osborne Reynolds descobriu que o regime de escoamento depende principalmente da relação entre as forças inerciais e forças viscosas do fluido, sendo representada pelo número de Reynolds adimensional que caracteriza o escoamento interno em um tubo circular, representado pela equação 1, acima. Segundo Çengel e Cimbala (2006), através das experiências realizadas por Reynolds (1883), este estabeleceu que: Escoamento Laminar: Re 2300; Escoamento de Transição: 2300 < Re < 4000; Escoamento Turbulento: Re 4000 A compreensão destes conceitos fica extremamente facilitada quando associada à prática experimental. Essa prática engloba conhecimentos relativos à mecânica dos fluidos, e tem como objetivo a determinação dos regimes de escoamento (laminar, transição e turbulento) através da visualização desses regimes e comparação com os valores 33

3 obtidos pela determinação do número de Reynolds. O aparato foi confeccionado utilizando materiais e acessórios de baixo custo [5;4]. Na próxima seção mostraremos como desenvolver o aparato de baixo custo que permita replicar este experimento e facilitar a transmissão destes conceitos. III. METODOLOGIA As etapas de confecção do equipamento começaram com o levantamento bibliográfico, posteriormente iniciou-se o projeto e a montagem do aparato experimental. O projeto desenvolvido levou à produção do aparato, conforme mostrado a seguir. III. MATERIAIS E MÉTODOS Na tabela 1 estão apresentados os materiais utilizados para a construção do aparato experimental. O equipamento, de modo geral, consiste em um tubo transparente, no qual a água escoa, partindo de um reservatório (Figura 4) onde se encontra em repouso. Um filete de corante (Figura 1) é injetado na corrente de água, permitindo a visualização do escoamento através do comportamento deste filete. Para ajustar a vazão da água, utiliza-se o controle manual do registro da vazão (Figura 2), o fluxo médio de fluido é calculado em função do tempo de enchimento de um reservatório (proveta). Uma visão geral do aparato experimental pode ser visualizada na Figura 4. Etapas de confecção do equipamento No primeiro instante listamos os materiais necessários, em seguida pensamos quais equipamentos poderiam ser substituídos por materiais de baixo custo. 1 etapa: com o reservatório de água em mãos e o tubo de vidro, calculou-se o melhor tamanho do flange usado garantir a conexão do tubo de vidro com o reservatório de água, chegando-se ao valor...; 2 etapa: fixaram-se dois parafusos pitão, nas extremidade de um tubo de PVC 32mm com 20 cm (Figura 3); 3 etapa: conectou-se o reservatório com o tubo de vidro usando o tubo de PVC 32mm com 20cm de comprimento (descrito na etapa anterior) (Figura 4 Círculo 1); 4 etapa: um outro pedaço de 20 cm do tubo de PVC 32mm ligou o tubo de vidro com à curva conectada ao registro (Figura 2 e 4 Círculo 2). 5 etapa: o funil de decantação foi fixado em um suporte universal (Figura 1); 6 etapa: na saída do funil de decantação conectou-se o equipo e em seguida uniu-se a outra extremidade da mangueira do equipo ao capilar (Figura 1 ); 7 etapa: posicionou-se o capilar no suporte (descrito na segunda etapa) (Figura 1). Materiais Quantidade 1. Tudo de vidro (diâmetro interno-19 mm) 1 m 2. Tubo de PVC 32 mm 50 cm 3. Capilar (pipeta de 1 ml) 1 unidade 4. Curva de 32 mm 1 unidade 5. Parafuso Pitão 2 unidades 6. Reservatório de água 1 unidade 7. Reservatório de Corante 1 unidade 8. Registro ¾ 1 unidade 9. Proveta de 1 L 1 unidade 10. Suporte Universal 1 unidade 11. Mangueira transparente 50 cm 12. Equipo (mangueira de soro) 1 unidade 13. Silicone 1 unidade 14. Veda rosca 1 unidade 15. Braçadeira 1 unidade 16. União 1 unidade 17. Adaptador 1 unidade 18. Flange 32mm 1 unidade Tabela 1: Materiais utilizados para construção do aparato experimental IV. Resultados e Discussões O equipamento construído funcionou adequadamente de acordo com o objetivo proposto, sendo considerado muito viável na questão econômica. Com relação aos custos, o valor gasto ficou muito abaixo do valor cotado para a compra desses equipamentos no mercado. A Tabela 2 apresenta os custos obtidos na construção do equipamento e a Tabela 3 a cotação feita com três empresas 1 no mercado que fornecem esse mesmo equipamento didático. Material Custo unitário (R$) Pipeta 3,00 Parafuso Pitão 0,30 Tubo de vidro 140,00 Mangueira Transparente 3,60 Registro ¾ 26,00 Suporte Universal 40,00 Equipo (mangueira de soro) 4,20 Reservatório de Corante 80,00 Tubo de PVC 32mm 6,95 Proveta 1L 44,90 1 Não será informado o nome das empresas, sendo assim, serão representadas pelas letras A, B e C. 34

4 Silicone 14,90 Veda rosca 4,20 Reservatório de Água 35,00 Curva de 32mm 2,90 Braçadeira 2,00 União 4,50 Adaptador 1,00 Flange 32mm 9,00 Custo total 422,45 [5] ÇENGEL, Y.A; CIMBALA, J. M. Mecânica dos Fluidos. Fundamentos e Aplicações. Editora McGraw-Hill, 6ª Ed Tabela 2: Custo dos materiais usados na construção do aparato Empresa Preço de Mercado (R$) A ,00 B ,00 C ,00 Tabela 3: Preço do equipamento de Reynolds para compra O equipamento construído apresentou um custo total muito menor que os das empresas cotadas e o funcionamento atendeu o objetivo proposto, como os obtidos por Osborne Reynolds, em Fazendo uma média das três cotações (Tabela 3), fica evidente que o custo para confeccionar o equipamento é de 2,185% do preço de venda. Durante os ensaios de teste do experimento foi possível observar os diferentes comportamentos do corante no interior do tubo à medida que o fluido escoava no duto circular em diferentes velocidades (Figuras 5, 6 e 7). IV. CONCLUSÃO Nota-se que o aparato experimental é funcional e em todas as fases de utilização, manteve sua qualidade didática, atendendo às necessidades pedagógicas tal como projetado e por um curso extremamente viável. Nota-se, também, que o custo do equipamento foi consideravelmente inferior ao mesmo tipo de equipamento comercializado no mercado. REFERÊNCIAS [1] FACULDADE SALESIANA MARIA AUXILIADORA. Projeto pedagógico de Curso - Engenharia Química [2] GUIMARÃES, C. C. Experimentação no ensino de química: caminhos e descaminhos rumo à aprendizagem significativa. Química Nova na Escola, 31 (3), , [3] IZQUIERDO, M; SANMARTÍ, N; ESPINET, M. Fundamentación y diseño de las prácticas escolares de ciencias experimentales. Enseñanza de las Ciencias, 17 (1), 45-60, [4] FOX, R. W; MACDONALD, A. T; PRITCHARD, P. J. Introdução à Mecânica dos Fluidos. Editora LTC, 6ª Ed