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Principais destaques no processo de mistura industrial para o cálculo exato da velocidade periférica e leitura dos fluídos.

Neste artigo destacamos a verdadeira importância do cálculo correto da velocidade periférica para potencializar a comunicação entre o tanque (batch) e o vetor de mistura (disco dispersor).

As leis de Newton foram elaboradas por Issac Newton e descrevem o comportamento dos corpos e fluídos. Um conceito primitivo de qualquer coisa é primeira ideia que uma pessoa pensa sobre aquele assunto. Quando empurramos (ou puxamos) um corpo ou objeto, estamos experimentando a primeira ideia para força. Intuitivamente, força é um puxão ou um empurrão. Tecnicamente, força é o agente capaz de alterar o vetor velocidade de um corpo.

A mecânica dos fluidos é o ramo da mecânica que estuda o comportamento físico dos fluidos e suas propriedades. Os aspectos teóricos e práticos da mecânica dos fluidos são de fundamental importância para a solução de diversos problemas encontrados habitualmente na engenharia, sendo suas principais aplicações destinadas ao estudo de escoamentos de líquidos e gases.

O estudo da mecânica dos fluidos é dividido basicamente em dois ramos, a estática dos fluidos e a dinâmica dos fluidos. A estática dos fluidos trata das propriedades e leis físicas que regem o comportamento dos fluidos livre da
ação de forças externas, ou seja, nesta situação o fluido se encontra em repouso ou então com deslocamento em velocidade constante, já a dinâmica dos fluidos é responsável pelo estudo e comportamento dos fluidos em regime de movimento acelerado no qual se faz presente a ação de forças externas responsáveis pelo transporte de massa.

Dessa forma, pode-se perceber que o estudo da mecânica dos fluidos e cálculos de velocidade periférica está relacionado a muitos processos industriais presentes na engenharia e sua compreensão representa um dos pontos fundamentais para a solução de problemas geralmente encontrados nos processos industriais.

 

Misturadores em tempos de Indústria 4.0 e AI.

Em tempos de utilização de inteligência artificial, robótica, internet das coisas, veículos autônomos, impressão 3D, computação quântica e equipamentos específicos para potencializar processos industriais na indústria 4.0, tudo ainda precisa ser misturado. Praticamente 90% de tudo o que é fabricado no mundo, é uma composição direta de misturas inteligentes de matérias primas. Ou seja, demandam de dispersão, homogeneização, trituração ou agitação.

Existem dois tipo de misturas, homogeneas e heterogêneas.

Misturas Homogêneas:

Uma mistura homogênea é simplesmente uma mistura com aspecto uniforme, em toda a sua composição. Muito conhecida também como solução. Nesse tipo de mistura pode ser visualizada apenas uma fase de aparência homogênea, podendo ser uma mistura de gases, líquidos ou sólidos. A mistura entre água e álcool, por exemplo, é um caso de mistura entre líquidos. Já o ar, onde encontramos diferentes tipos de gases misturados nele, é um exemplo de mistura entre gases. São aquelas que apresentam um aspecto uniforme, com uma única fase (monofásica).

Exemplos:
O soro fisiológico (0,9 g de cloreto de sódio em 100 mL de água);
O ar (78% de gás nitrogênio, 20% de gás oxigênio, 2% de outros gases e vapor de água);
O aço (liga metálica formada por 98,5% de ferro e 1, 5% de carbono)

 

Mistura Heterogênea

Misturas que apresentam, geralmente, mais de um tipo de fase. Nesse caso, os componentes da mistura podem ser separados por processos físicos. Uma mistura heterogênea pode conter 2 ou mais componentes e apresentar duas ou mais fases visíveis identificáveis. As misturas heterogêneas estão muito presentes em nosso cotidiano, podendo ser sólidas, líquidas ou gasosas.

Exemplos: 
Uma fatia de queijo gorgonzola ou roquefort, que possuem pelo menos duas fases diferentes. Nestes queijos, há uma fase em maior quantidade, que é a massa de queijo amarela e outra fase que se apresenta na tonalidade verde ou azul, que são fungos responsáveis pelo sabor diferenciado dos queijos. Papel moeda usado na produção de notas de Real é uma mistura heterogênea, pois possui fases representadas por fibras visíveis diferentes de celulose.

 

Vantagens do Cálculo de Velocidade Periférica

A velocidade periférica do mesmo deve ser bem ajustada para não haver desgastes prematuros no impulsionador ou rotor, bem como, em alguns casos, sobrecarregar o motor e consumir maior quantidade de energia elétrica (se no caso, ele for elétrico).

O acréscimo desnecessário de tempo na produção e o assentamento do material são algumas das várias consequências que não só a produção em si pode sofrer, mas também as máquinas e seus componentes podem se degradar.

Quando o impulsor opera com uma velocidade maior, há a formação de ar na mistura, excesso de calor (devido ao acréscimo de energia cinética) e uma agitação de baixa qualidade. Se o impulsor adquirir uma velocidade menor que a especificada, haverá aumento do tempo para realizar a mistura, e também formação de sólidos no fundo do tanque.

O impulsor também deve ter o tamanho certo: ele sendo menor que o tamanho especificado, não terá o movimento adequado para a devida mistura a fim de evitar a decantação de sólidos, além de aumentar significativamente o tempo de trabalho. Já ele sendo maior que o projetado, também não apresentará um movimento ideal e ainda haverá a formação de ar na mistura. A altura certa em relação ao tanque também é de suma importância, uma vez que ele baixo demais diminuirá o fluxo e criará um “morto” que não será disperso, por mais tempo que ele fique operando, e sendo alto demais permitirá que alguns sólidos se instalem e não se dispersem, introduzindo também ar na mistura. Tem casos em que é interessante o impulsionador não estar centrado, mas quando ele deveria estar no centro do tanque e está descentralizado por uma montagem errônea, compromete drasticamente a dispersão.

Todos esses fatores, se não forem analisados à risca e de acordo com as características físicas do produto, tamanho e formato do tanque, além dos problemas supracitados, podem provocar um vórtice não condizente com o normal, podendo ser observado a olho nu. O vórtice ideal é aquele que deve terminar onde o eixo se encontra com a lâmina (pá).

 

Velocidade ideal para uma boa dispersão?

Uma boa dispersão pode ser conseguida entre 18/25 m/s.

A fórmula da velocidade periférica é derivada da velocidade angular e é a seguinte:

Vp=Pi X D X (rpm/6000), onde:

Vp=Velocidade periférica em m/s.

Pi= 3,1416

D= Diâmetro do disco dado em cm.

rpm= velocidade do motor

6000= constante

 

 

Normalização – Velocidade periférica

Do ponto de vista de mecânica dos fluidos, mais importante do que a velocidade de rotação é a velocidade periférica da turbina.Por isso, alguns autores utilizão a velocidade específica em função da velocidade periférica.

A velocidade periférica é dada pela seguinte expressão:

Onde:

• D é o diâmetro do rotor da turbina[m];
• n é a velocidade de rotação da turbina[rpm]

 

 

 

O principal responsável para tornar a sua mistura perfeita de acordo com o que você precisa, é o impulsionador ou rotor. Ele é o vetor encarregado de homogeneizar as matérias primas transformar em um produto. Para isso, é necessário um impulsor ou rotor específico em sua máquina, que proporcionará uma velocidade periférica característica para otimizar o seu sistema e também economizar o máximo de energia.

O impulsor pode adquirir uma rotação entre 4.000 a 6.000 fpm, com uma velocidade periférica entre 18 a 25 m/s, dependendo do tipo de mistura e o objetivo para com ela.

Assim como todo e qualquer material que trabalha repetitivamente e intensamente, o impulsor também sofre desgastes por impacto hidráulico causado pelo cisalhamento e por uma enorme quantidade de energia.

 

FLUIDOS

Um fluido é caracterizado como uma substância que se deforma continuamente quando submetida a uma tensão de cisalhamento, não importando o quão pequena possa ser essa tensão. Os fluidos incluem os líquidos, os gases, os plasmas e, de certa maneira, os sólidos plásticos. A principal característica dos fluidos está relacionada a propriedade de não resistir a deformação e apresentam a capacidade de fluir, ou seja, possuem a habilidade de tomar a forma de seus recipientes. Esta propriedade é proveniente da sua incapacidade de suportar uma tensão de cisalhamento em equilíbrio estático.

Os fluidos podem ser classificados como: Fluido Newtoniano ou Fluido Não Newtoniano. Esta classificação está associada à caracterização da tensão, como linear ou não-linear no que diz respeito à dependência desta tensão com relação à deformação e à sua derivada.

Os fluídos não newtonianos são aqueles que a tensão de cisalhamento não é proporcional a deformação existente, ou seja, a viscosidade é função da velocidade de deformação, podendo aumentar ou diminuir.

Para fluidos não newtonianos, o escoamento torna-se complexo: perto do seu eixo central, o gradiente de velocidade é grande e a viscosidade aparente é baixa, o que torna a energia cinética maior. Cerca de 75% da energia cinética encontra-se nessa região. À medida que o fluido fica mais distante do centro e mais próximo das bordas das lâminas (pás), a velocidade decresce e a viscosidade aparente aumenta e, consequentemente, a energia cinética diminui. Veja a figura a seguir:

 

Os fluídos newtonianos existe uma proporcionalidade linear entre a tensão de cisalhamento e a deformação existente, ou seja, a viscosidade a uma data temperatura independente da velocidade de deformação.

 

 

 

 

Velocidade Periférica ou Tangencial

A velocidade tangencial ou periférica tem como característica a mudança de trajetória a cada instante, porém o seu módulo permanece constante. Um exemplo é o movimento circular da Terra em volta do Sol.

Velocidade Angular

A velocidade escalar (ou velocidade linear) descreve a rapidez com que uma partícula percorre determinada trajetória. A velocidade angular descreve a rapidez com que uma partícula percorre determinado ângulo central de uma circunferência.

 

Unidade de velocidade – Um metro por segundo (m/s ou m s-1 ) é a velocidade de um corpo que, com movimento uniforme, percorre, o comprimento de um metro em 1 segundo.

Unidade de aceleração – Um metro por segundo quadrado (m/s 2 ou m s-2 ) é a aceleração de um corpo, animado de movimento uniformemente variado, cuja velocidade varia, a cada segundo, de 1 m/s.

Unidade de número de ondas – Um metro á potência menos um (m-1 ) é o número de ondas de uma radiação monocromática cujo comprimento de onda é igual a 1 metro.

Unidade de velocidade angular – Um radiano por segundo (rad/s ou rad s-1 ) é a velocidade de um corpo que, com uma rotação uniforme ao redor de um eixo fixo, gira em 1 segundo, 1 radiano.

Unidade de aceleração angular – Um radiano por segundo quadrado (rad/s 2 ou rad s-2 ) é a aceleração angular de um corpo animado de uma rotação uniformemente variada, ao redor de um eixo fixo, cuja velocidade angular, varia de 1 radiano por segundo,em 1 segundo.

 

Tipos de Fluxo

Fluxo Rotacional
O fluxo rotacional faz com que a mistura se mova ao redor do eixo do misturador sem realmente se misturar.

Fluxo Axial
No fluxo axial, as pás individuais das hélices são inclinadas para baixo. Quando as lâminas giram, empurram a mistura para o fundo do tanque, a mistura atinge o fundo do tanque e é rebatida e se move na direção das laterais do tanque. O giro contínuo das lâminas, move a mistura que é rebatida no fundo do tanque e novamente para empurrada para o fundo, começando a fazer a recirculação de toda a mistura.

Fluxo Radial
o mais popular e utilizado dos padrões de fluxo, o fluxo radial. O fluxo radial basicamente empurra a mistura para os lados do tanque, onde é rebatida, parte da mistura vai para cima do tanque e parte para baixo, sendo novamente empurrada pelo movimento das aletas e fazendo a recirculação de toda a mistura.

 

 

 

 

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