Diagnóstico hidráulico de transferência gravitacional de OLUC para decantador (Óleo de motor contaminado)
Uma planta piloto de rerefino de óleo lubrificante usado opera uma linha de transferência sem bombeamento, utilizando apenas a diferença de nível entre um tanque pulmão elevado e um decantador atmosférico.
O sistema apresenta instabilidade operacional: em alguns momentos o escoamento ocorre normalmente; em outros, a vazão cai, há acúmulo de borra na linha, formação de bolsões de ar e entrada turbulenta no decantador, prejudicando a separação óleo/sólidos.
O fluido é OLUC aquecido, contendo frações leves, partículas finas e traços de água. A viscosidade varia fortemente com a temperatura.
Dados industriais
Parâmetro
Valor
Vazão desejada
Densidade média do OLUC
Viscosidade a
Viscosidade a
Diferença geométrica de nível disponível
Comprimento total da linha
85 m
Diâmetro interno da linha
2"
Pressão no tanque pulmão
Atmosférica
Pressão no decantador
Atmosférica
Perda localizada estimada dos acessórios
Perda adicional por válvula parcialmente aberta
Altura mínima para entrada calma no decantador
Margem operacional mínima exigida
15%
Enunciado
Avalie se a transferência por gravidade é tecnicamente viável e proponha uma solução de engenharia para estabilizar o escoamento sem instalar bomba. A análise deve considerar perda de carga, energia disponível, variação de viscosidade, estabilidade operacional e impacto na separação posterior.
a) Balanço energético industrial
Monte o balanço de energia do sistema sem bomba, considerando que tanque e decantador estão abertos à atmosfera. Explique o papel físico de cada parcela envolvida: energia disponível por desnível, perda distribuída, perdas localizadas, perda na válvula, energia de entrada no decantador e margem operacional.
| Parâmetro | Valor |
| Vazão desejada |
|
| Densidade média do OLUC |
|
| Viscosidade a
|
|
| Viscosidade a
|
|
| Diferença geométrica de nível disponível |
|
| Comprimento total da linha | 85 m |
| Diâmetro interno da linha | 2" |
| Pressão no tanque pulmão | Atmosférica |
| Pressão no decantador | Atmosférica |
| Perda localizada estimada dos acessórios |
|
| Perda adicional por válvula parcialmente aberta |
|
| Altura mínima para entrada calma no decantador |
|
| Margem operacional mínima exigida | 15% |
Passo 1
O que o enunciado pede nesta parte: montar o balanço energético (sem bomba) entre o tanque pulmão elevado e o decantador, assumindo ambos abertos à atmosfera, e explicar o papel físico de cada parcela do balanço (energia disponível por desnível, perda distribuída, perdas localizadas, perda na válvula, energia de entrada no decantador, margem operacional).
Dados que peguei da tabela do enunciado:
- Vazão desejada:
. - Densidade do OLUC:
. - Viscosidade a
: . - Viscosidade a
: . - Diferença geométrica de nível disponível:
. - Comprimento total da linha:
. - Diâmetro interno da linha:
. - Perda localizada dos acessórios:
. - Perda adicional por válvula parcialmente aberta:
. - Altura mínima para entrada calma no decantador:
. - Margem operacional mínima exigida:
.
Não vou assumir nada que não esteja acima.
Passo 2
Equação de energia simplificada (sem bomba, tanques abertos à atmosfera)
Partindo de Bernoulli entre superfície livre do tanque (ponto 1) e superfície do decantador (ponto 2), ambos à pressão atmosférica e com velocidades na superfície desprezíveis, temos em termos de alturas (head):
onde:
-
é a diferença geométrica de nível disponível (m); -
é a perda total de carga na linha (m), composta por perda distribuída e perdas localizadas ; -
representa a “energia de entrada” necessária no decantador, aqui representada pela altura mínima para entrada calma .
Como queremos operar com margem, a condição de operação segura é:
Agora vamos calcular cada parcela numericamente para verificar viabilidade.
Passo 3
Cálculo da vazão em unidades SI, área e velocidade média na tubulação
Converter
:
Área da seção:
Cálculo numérico:
Velocidade média:
Passo 4
Determinar o regime de escoamento (Reynolds) e o fator de atrito para as duas temperaturas (casos representativos)
Definição:
Cálculo com
:
Com
:
Interpretação: em ambos os casos
, portanto o escoamento é laminar. Para escoamento laminar em tubo circular usa-se:
Assim:
Observação física: fluido mais viscoso (temperatura menor) reduz
e aumenta muito
, aumentando perdas por atrito — isto é crítico aqui.
Passo 5
Cálculo da perda distribuída (Darcy–Weisbach)
Fórmula:
com
.
Calcular
.
Calcular termo dinâmico:
Agora
para
:
E para
:
Comentário físico: a perda por atrito ao longo de 85 m numa tubulação estreita torna-se muito grande quando o fluido é viscoso; apesar da velocidade moderada, o baixo diâmetro e o alto fator de atrito no regime laminar disparam
.
Passo 6
Somar perdas localizadas e de válvula e obter perda total sem considerar margem nem entrada
Perda localizada (dada):
.
Perda de válvula (dada): .
Perda de válvula (dada):
Perda total (linha + acessórios + válvula):
Passo 7
Incluir a energia necessária para entrada calma no decantador e a margem operacional
Energia necessária total (com entrada calma):
Aplicar margem operacional de
:
Comparar com a energia disponível por desnível:
Deficiências:
Interpretação imediata: com a tubulação e condições dadas a gravidade não fornece cabeça suficiente; mesmo no caso mais favorável (
) falta cerca de
de coluna de fluido para cumprir perdas + entrada calma + margem.
Passo 8
Explicação física, termo a termo (didática e com exemplos curtos)
-
Energia disponível por desnível (
): é a energia potencial gravitacional por unidade de peso do fluido entre o nível no tanque pulmão e o nível no decantador. Em head (m) é simplesmente a diferença geométrica de nível . É a “bateria” que impulsiona o escoamento quando não há bomba. -
Perda distribuída (
): representa a dissipação contínua de energia por atrito entre o fluido e a parede ao longo do comprimento . Depende fortemente de velocidade, diâmetro, comprimento, densidade e viscosidade. Em tubos estreitos e fluido viscoso (regime laminar) cresce muito porque o fator de atrito é grande (no regime laminar ). Ex.: aqui (a ) ou (a ): números maiores que . -
Perdas localizadas (
) e perda na válvula ( ): são quedas de energia concentradas em conexões, curvas, entradas, saídas e válvulas. São fornecidas em metros equivalentes no enunciado ( e ). Mesmo que pareçam pequenas, somadas ao podem ser decisivas. -
Energia de entrada no decantador (
): a separação óleo/solidos requer que o jato de entrada seja “calmo” para não re-suspender sólidos nem gerar arritmias no decantador. Isso foi traduzido para um requisito de altura estática mínima no bocal de entrada; se o fluxo chega com pouca cabeça, forma-se entrada turbulenta, bolsas de ar e deposição dentro da linha. -
Margem operacional (
): é uma folga de projeto para cobrir variações reais (flutuação de temperatura e viscosidade, acúmulo de borra que reduz área, válvula parcialmente fechada, ar na linha, incrustações). Sem essa margem a operação seria instável tão logo algo se altere.
Consequência prática: a variação de temperatura (de
para
) eleva a viscosidade e reduz
, aumentando em muito
e, portanto,
. Também partículas finas e borra reduzem a seção útil (aumentam
) e a presença de frações voláteis pode gerar bolsões de ar que agravam perdas e instabilidade.
Passo 9
Conclusão técnica da análise energética (resumida e direta)
Com os valores do enunciado a energia por desnível
é insuficiente para vencer as perdas calculadas:
- Caso favorável (OLUC a
): perda total + entrada + margem (> ). - Caso mais viscoso (OLUC a
): necessidade .
Portanto, por balanço de energia puro sem modificações, a transferência por gravidade nas condições dadas não é viável.
Resposta
A transferência por gravidade, com a tubulação e condições dadas, não é viável: a cabeça disponível
é muito menor que a necessária (aprox.
a
e
a
), considerando perda distribuída, perdas localizadas, perda da válvula, energia de entrada no decantador e margem operacional de
.