Universidade Federal da Paraíba –UFPB

Centro de Tecnologia –CT

Departamento de Engenharia Química –DEQ

VISCOSIDADE DE OLEOS

LUBRIFICANTES

JOÃO PESSOA/PB

Junho-2014

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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

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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;

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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)

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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

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